JP2017108080A - Method of manufacturing nitride semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device.
従来、p型不純物をドープした窒化ガリウム(以下、GaN)系化合物半導体に窒化アルミニウム(以下、AlN)からなるキャップ層を設けて熱処理していた(例えば、特許文献1参照)。また、従来、マグネシウム(Mg)をドープしたGaN系化合物半導体層上にMgをドープしたAlNを設けて、熱処理時のキャップ層としていた(例えば、特許文献2参照)。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開平5−183189号公報
[特許文献2] 特開平8−186322号公報
Conventionally, a cap layer made of aluminum nitride (hereinafter referred to as AlN) is provided on a gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) -based compound semiconductor doped with a p-type impurity and subjected to heat treatment (for example, see Patent Document 1). Conventionally, MgN-doped AlN is provided on a GaN-based compound semiconductor layer doped with magnesium (Mg) to form a cap layer during heat treatment (see, for example, Patent Document 2).
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] JP-A-5-183189 [Patent Document 2] JP-A-8-186322
イオン注入後の活性化熱処理においては、半導体層を構成する材料の融点に対して、その2/3程度の温度での加熱が経験的に必要とされている。具体的に、半導体材料としてGaNなどの窒化物系半導体を用いる場合には、加熱温度として1500℃から1700℃程度が予想されている。しかしながら、このような高温域でGaN層を熱処理する場合、キャップ層として用いるAlNにピット(pit)が発生する。加えて、AlNから窒素が抜けて分解する。これにより、AlNのピット発生または分解により、下地のGaN層から窒素が抜ける問題がある。 In the activation heat treatment after ion implantation, heating at a temperature about 2/3 of the melting point of the material constituting the semiconductor layer is empirically required. Specifically, when a nitride semiconductor such as GaN is used as the semiconductor material, the heating temperature is expected to be about 1500 ° C. to 1700 ° C. However, when heat-treating the GaN layer in such a high temperature region, pits are generated in AlN used as the cap layer. In addition, nitrogen escapes from AlN and decomposes. As a result, there is a problem that nitrogen is released from the underlying GaN layer due to generation or decomposition of AlN pits.
それゆえ、従来では、p型不純物がドープされたGaN層を1,300℃程度で熱処理していた。しかしながら、1,300℃程度ではp型不純物を十分に活性化することができない。活性化が十分でないと、GaN層に結晶欠陥が残されたままとなる。結晶欠陥はp型不純物に対してn型キャリアの補償効果を生じるので、十分なp型キャリア濃度を得ることが困難であった。 Therefore, conventionally, a GaN layer doped with a p-type impurity has been heat-treated at about 1,300 ° C. However, at about 1300 ° C., the p-type impurity cannot be activated sufficiently. If the activation is not sufficient, crystal defects remain in the GaN layer. Since crystal defects cause an effect of compensating n-type carriers for p-type impurities, it is difficult to obtain a sufficient p-type carrier concentration.
GaN層上に設けた保護膜のピット発生温度または分解温度よりも高い熱処理温度においても、当該保護膜でのピット発生または当該保護膜の分解を防ぐ。 Even at a heat treatment temperature higher than the pit generation temperature or decomposition temperature of the protective film provided on the GaN layer, generation of pits in the protective film or decomposition of the protective film is prevented.
本発明の第1の態様における窒化物半導体装置の製造方法は、第1の保護膜を形成する段階と、第2の保護膜を形成する段階と、熱処理する段階とを備えてよい。第1の保護膜は、不純物をドープした窒化ガリウム層上に形成してよい。第2の保護膜は、第1の保護膜上に形成してよい。第2の保護膜は、第1の保護膜よりも耐熱性が高くてよい。熱処理する段階においては、窒化ガリウム層を熱処理してよい。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the first aspect of the present invention may include a step of forming a first protective film, a step of forming a second protective film, and a step of heat treatment. The first protective film may be formed on the gallium nitride layer doped with impurities. The second protective film may be formed on the first protective film. The second protective film may have higher heat resistance than the first protective film. In the heat treatment step, the gallium nitride layer may be heat treated.
第1の保護膜は窒化アルミニウムを含む窒化膜であってよい。 The first protective film may be a nitride film containing aluminum nitride.
第2の保護膜は、高融点金属、カーボン膜および窒化ホウ素膜のいずれかであってよい。 The second protective film may be any one of a refractory metal, a carbon film, and a boron nitride film.
高融点金属は、タングステン、タンタルおよびモリブデンのいずれかであってよい。 The refractory metal may be any of tungsten, tantalum and molybdenum.
カーボン膜は、グラファイト膜、DLC膜およびナノダイヤモンド膜のいずれかであってよい。 The carbon film may be any of a graphite film, a DLC film, and a nanodiamond film.
窒化物半導体装置の製造方法は、窒化ガリウム層を熱処理する段階の後に、第1の保護膜に対して第2の保護膜を選択的に除去する段階をさらに備えてよい。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device may further include a step of selectively removing the second protective film with respect to the first protective film after the step of heat-treating the gallium nitride layer.
窒化物半導体装置の製造方法は、第2の保護膜を選択的に除去する段階の後に、窒化ガリウム層に対して第1の保護膜を選択的に除去する段階をさらに備えてよい。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device may further include a step of selectively removing the first protective film from the gallium nitride layer after the step of selectively removing the second protective film.
不純物をドープした窒化ガリウム層は、窒化ガリウム層に対するp型不純物がドープされた領域を有してよい。 The impurity-doped gallium nitride layer may have a region doped with p-type impurities for the gallium nitride layer.
p型不純物をドープした領域上における第2の保護膜の厚みは、p型不純物をドープしていない窒化ガリウム層上の他の領域上における第2の保護膜の厚みよりも大きくてよい。 The thickness of the second protective film on the region doped with the p-type impurity may be larger than the thickness of the second protective film on the other region on the gallium nitride layer not doped with the p-type impurity.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1は、縦型MOSFET100の断面を示す模式図である。本例の窒化物半導体装置は、プレーナーゲート型の縦型MOSFET(Metal‐Oxide‐Semiconductor Field‐Effect Transistor)100である。縦型MOSFET100は、GaN層40と、ゲート絶縁膜54と、ゲート電極50と、ソース電極56と、ドレイン電極58とを有する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section of the
本例のGaN層40は、n+型GaN基板10と、n+型GaN基板10上にエピタキシャル形成されたn−型GaN層20とを有する。n−型GaN層20の上側の面をGaN層40の主面42とし、n+型GaN基板10の下側の面をGaN層40の他の主面44とする。本例において、「上」および「上方」とは、他の主面44から主面42に向かう方向を指す。これに対して、「下」および「下方」とは、「上」および「上方」とは逆方向を指す。
The GaN
なお、本明細書において、nまたはpは、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nまたはpの右肩に記載した+または−について、+はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が高く、−はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が低いことを意味する。単にn型と記載した場合、当該n型はn+型およびn−型を含む概念である。同様に、単にp型と記載した場合、当該p型はp+型およびp−型を含む概念である。 In the present specification, n or p means that electrons or holes are majority carriers, respectively. In addition, regarding + or − written on the right shoulder of n or p, + means that the carrier concentration is higher than that in which it is not described, and − means that the carrier concentration is lower than that in which it is not described. To do. When simply described as n-type, the n-type is a concept including an n + type and an n − type. Similarly, when simply described as a p-type, the p-type is a concept including a p + type and a p − type.
GaN層40は、主面42側にp型ウェル領域30、n+型ソース領域32、および、p+型コンタクト領域34を有する。n+型ソース領域32およびp+型コンタクト領域34は、一部が主面42に露出するようにp型ウェル領域30中に設けられる。n+型ソース領域32およびp+型コンタクト領域34とは異なるp型ウェル領域30の主面42側の領域が、チャネル形成領域36となる。チャネル形成領域36の概略形状を点線で示す。
The GaN
GaN層40の主面42において、n+型ソース領域32およびp+型コンタクト領域34に直接接してソース電極56が設けられる。また、GaN層40の他の主面44に直接接してドレイン電極58が設けられる。ソース電極56には接地電位が印加されてよく、ドレイン電極58には電源電圧(VDD)が印加されてよい。
On the
GaN層40の主面42に直接接してゲート絶縁膜54が設けられる。また、ゲート絶縁膜54上に接してゲート電極50が設けられる。本例では、ゲート電極50に正電圧が印加されると、ゲート電極50直下のチャネル形成領域36に電荷反転層が形成される。これにより、ソース電極56、n+型ソース領域32、チャネル形成領域36、n−型GaN層20、n+型GaN基板10およびドレイン電極58の順に、電子電流が流れる。
A
(第1実施形態)図2は、縦型MOSFET100の製造方法200を示すフロー図である。本実施形態では、S10からS80の順に各ステップを実行する。本実施形態では、第1の保護膜60上に第2の保護膜62を形成した後に、GaN層40を熱処理する点に特徴がある。後述するように、第2の保護膜62は、カーボン膜、窒化ホウ素(BN)膜および高融点金属のいずれかであってよい。なお、カーボン膜を用いる例を第1実施形態とし、窒化ホウ素膜を用いる例を第2実施形態とし、高融点金属を用いる例を第3実施形態として記述する。
First Embodiment FIG. 2 is a flowchart showing a method 200 for manufacturing a
図3Aは、n−型GaN層20を形成する段階(S10)を示す図である。本例のn−型GaN層20は、n型不純物をドープしつつ有機金属気相成長法(MOCVD法)により形成する。n型不純物は酸素(O)およびシリコン(Si)のうち一種類以上の元素であってよい。なお、MOCVD法に代えて、ハライド気相成長法(HVPE法)または分子線エピタキシー法(MBE法)を用いてもよい。さらに、n+型GaN基板10に代えて、n+型の炭化ケイ素(SiC)基板またはホウ化ジルコニウム(ZrB2)基板を用いてもよい。
FIG. 3A is a diagram showing a step (S10) of forming the n − -
n+型GaN基板10のn型不純物濃度は、1E+17cm−3以上1E+20cm−3以下であってよい。n−型GaN層20のn型不純物濃度は、1E+16cm−3程度であってよい。1200V耐圧を想定する場合、n+型GaN基板10の厚みは100μm以上500μm以下であってよく、n−型GaN層20の厚みは10μmであってよい。なお、本明細書において、Eは10のべき乗を意味し、例えば1E+16は1×1016を意味する。また例えば、E−6は10−6を意味する。
The n type impurity concentration of the n +
図3Bは、不純物領域を形成する段階(S20)を示す図である。次に、GaN層40の主面42にGaN層40に対するp型不純物を選択的にドープする。これにより、p型ウェル領域30およびp+型コンタクト領域34を形成する。その後、n+型ソース領域32を形成する領域に、GaN層40に対するn型不純物をドープする。p型不純物はマグネシウム(Mg)およびベリリウム(Be)のうち一種類以上の元素であってよい。
FIG. 3B is a diagram showing a step (S20) of forming an impurity region. Next, the
p型ウェル領域30のp型不純物濃度は、1E+17cm−3であってよい。p+型コンタクト領域34のp型不純物濃度は、4E+19cm−3であってよい。n+型ソース領域32のn型不純物濃度は、1E+20cm−3であってよい。不純物ドーピングは、既知のイオンドーピング法により実行できる。
The p-type impurity concentration of the p-
図3Cは、第1の保護膜60を形成する段階(S30)を示す図である。第1の保護膜60は、n型およびp型不純物をドープしたGaN層40上に形成される。第1の保護膜60は、AlxInyGa1−x−yN(0<x≦1、0≦y≦1)膜であってよい。一例において、第1の保護膜60はAlNを含む窒化膜であってよい。最も好適な一例において、第1の保護膜60は、AlN膜である。
FIG. 3C is a diagram showing a step of forming the first protective film 60 (S30). The first
耐熱性の観点では、第1の保護膜60としては、AlN、GaN膜、InN膜の順に望ましい。つまり、耐熱性の観点からAlN膜は最も好ましい。さらに、第1の保護膜60は、下地のGaN層40に対して選択エッチングする必要があり、下地に対する選択エッチング性に関してもAlN膜が最も好ましい。なお、AlN膜において窒素が分解する温度は、1,400℃から1,500℃程度であると考えられている。
From the viewpoint of heat resistance, the first
本実施形態において、膜の耐熱性とは、膜の全体的な変化である融解もしくは熱軟化、または、膜の部分的な変化である分解もしくは昇華を意味する。耐熱性が高い膜とは、所定の温度域において、当該膜の融解、熱軟化、分解または昇華が生じない膜であることを意味する。例えば、800℃以上1,200℃以下の温度域においてAlNは耐熱性が高いと言えるが、1,400℃以上1,500℃以下の温度域においてAlNは耐熱性が高いとは言えない。 In the present embodiment, the heat resistance of the film means melting or thermal softening that is an entire change of the film, or decomposition or sublimation that is a partial change of the film. A film having high heat resistance means a film in which melting, thermal softening, decomposition, or sublimation of the film does not occur in a predetermined temperature range. For example, AlN can be said to have high heat resistance in the temperature range of 800 ° C. to 1,200 ° C., but AlN cannot be said to have high heat resistance in the temperature range of 1,400 ° C. to 1,500 ° C.
なお、AlxInyGa1−x−yN(0<x≦1、0≦y≦1)膜は、GaN層40に対して良好な密着性を有する。それゆえ、AlxInyGa1−x−yN膜は、後段の熱処理段階(S50)において、GaN層40から剥離しない。なお、第1の保護膜60として、窒化シリコン(Si3N4)または酸化シリコン(SiO2)を用いることも考えられる。ただし、Si原子は、後段の熱処理段階(S50)においてGaN層40中に拡散して、GaN層40に対するn型の不純物として機能する。それゆえ、下地のGaN層40に対する影響を考慮すれば、Si3N4またはSiO2よりもAlxInyGa1−x−yN膜の方が好ましい。
Note that the Al x In y Ga 1-xy N (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) film has good adhesion to the
第1の保護膜60としてのAlN膜は、トリメチルアルミニウム(TMA;Al(CH3)3)ガス、アンモニア(NH3)ガス、ならびに、水素(H2)ガスおよび窒素(N2)の少なくとも一方を含む混合ガスを用いて、MOCVD法により形成することができる。AlN膜の成膜時には、GaN層40を加温してよい。当該加温の温度は、後段の熱処理段階(S50)よりも低い温度であることが好ましい。本実施形態において、当該加温の温度は500℃以上1,200℃以下であってよい。なお、AlN膜の成膜時には、成膜チャンバの雰囲気圧力を5kPa以上100kPa以下としてよい。AlN膜の膜厚は、2nm以上100nm以下であってよい。一例として、4nmであってよい。
The AlN film as the first
第1の保護膜60としてのAlN膜は、スパッタリング法により形成してもよい。この場合、AlNの膜厚は、100nm以上1000nm以下であってよい。一例として、500nmであってよい。また、AlN膜は、PLD(Pulsed Laser Deposition)法により形成してもよい。この場合、AlNの膜厚は、10nm以上100nm以下であってよい。一例として、80nmであってよい。AlNの膜厚の上限値は、後段階における除去のしやすさを考慮して決定してよい。
The AlN film as the first
第1の保護膜60は、緻密な膜であるほど、GaN層40の表面保護効果が高い。つまり、緻密な膜であるほど、主面42から窒素が分解することを防ぐ効果が高い。第1の保護膜60は、MOCVD法、HVPE法、MBE法またはPLD法により形成するとエピタキシャル形成となる。これに対して、第1の保護膜60は、スパッタリング法により形成すると多結晶性膜となる。エピタキシャル膜の方が多結晶性膜よりも緻密な膜であるので、第1の保護膜60は、MOCVD法、HVPE法、MBE法またはPLD法により形成する方が好ましい。
The denser the first
図3Dは、第2の保護膜62を形成する段階(S40)を示す図である。第2の保護膜62は、第1の保護膜60上に形成される。第2の保護膜62は、第1の保護膜60よりも耐熱性が高い。それゆえ、第1の保護膜60のピット発生温度または分解温度よりも高い熱処理温度においても、第1の保護膜60でのピット発生または第1の保護膜60の分解を防ぐことができる。
FIG. 3D is a diagram showing a step of forming the second protective film 62 (S40). The second
本実施形態における第2の保護膜62は、カーボン膜である。カーボン膜は、グラファイト膜、DLC(Diamond‐like Carbon)膜、ナノダイヤモンド膜およびレジスト炭化膜のいずれかであってよい。カーボン膜は原料が安価であるので、縦型MOSFET100の製造コストを抑制することに効果的である。加えて、カーボン膜は酸素アッシングまたは酸素雰囲気中の加熱により容易に除去することができる。加えて、当該除去方法により、第1の保護膜60に対して選択的に除去することができる。
The second
DLC膜は、黒鉛をターゲットとして用いるスパッタリング法またはイオンプレーティング法により形成することができる。スパッタリング法により形成したDLC膜は、10nm以上100nm以下の厚みを有してよい。一例として、50nmであってよい。また、炭化水素ガスを原料ガスに用いるプラズマCVD法によりDLC膜またはナノダイヤモンド膜を形成することができる。プラズマCVD法により形成したDLC膜は、10nm以上100nm以下の厚みを有してよい。一例として、50nmであってよい。 The DLC film can be formed by sputtering or ion plating using graphite as a target. The DLC film formed by the sputtering method may have a thickness of 10 nm to 100 nm. As an example, it may be 50 nm. Further, a DLC film or a nanodiamond film can be formed by a plasma CVD method using a hydrocarbon gas as a source gas. The DLC film formed by the plasma CVD method may have a thickness of 10 nm to 100 nm. As an example, it may be 50 nm.
なお、第1の保護膜60としてのAlN膜および第2の保護膜62としてのカーボン膜を共にスパッタリング法により形成してよい。この場合、GaN層40をチャンバ間で移送させることなく、同一チャンバ内のターゲットを変更することにより成膜することができる。それゆえ、成膜が容易となる。なお、膜の製法は結晶性に影響する。第1の保護膜60としてのAlN膜および第2の保護膜62としてのカーボン膜を共にスパッタリング形成する場合、AlN膜は多結晶性、カーボン膜はアモルファス(amorphous)性膜となる。この場合、後の段階S60およびS70において、両者の少なくとも一方が単結晶性膜である場合と比較して、エッチングレートが高くなるので、保護膜の除去が容易となる。
Note that both the AlN film as the first
DLC膜またはナノダイヤモンド膜に代えて、レジスト炭化膜を用いてもよい。フォトリソグラフィーに用いるレジスト膜を加熱して炭化することにより、レジスト炭化膜を形成することができる。また、DLC膜、ナノダイヤモンド膜またはレジスト炭化膜に代えて、グラファイト膜を用いてもよい。グラファイト膜は、酸化グラファイトを光により還元することにより形成することができる。また、溶媒に分散させたグラファイト含有溶液を塗布して、その後、溶媒を除去することにより形成することができる。 Instead of the DLC film or the nanodiamond film, a resist carbonized film may be used. A resist carbonized film can be formed by heating and carbonizing a resist film used for photolithography. Further, a graphite film may be used in place of the DLC film, nanodiamond film or resist carbonized film. The graphite film can be formed by reducing graphite oxide with light. Moreover, it can form by apply | coating the graphite containing solution disperse | distributed to the solvent, and removing a solvent after that.
図3Eは、GaN層40を熱処理する段階(S50)を示す図である。GaN層40を熱処理炉70中において熱処理する。熱処理炉70は、高周波誘導加熱炉であってよい。熱処理時において、熱処理炉70の内部は不活性ガス雰囲気であってよい。本実施形態ではアルゴン(Ar)または窒素(N2)雰囲気としてよい。熱処理温度は、800℃以上、好適には1,200℃以上、最も好ましくは1,500℃以上とする。特に、1,500℃以上で熱処理することにより、GaN層40中のp型不純物を十分に活性化することができる。熱処理により、p型ウェル領域30、n+型ソース領域32およびp+型コンタクト領域34が完成する。
FIG. 3E is a diagram showing a step of heat-treating the GaN layer 40 (S50). The
図3Fは、第1の保護膜60に対して第2の保護膜62を選択的に除去する段階(S60)を示す図である。本実施形態において、第2の保護膜62はカーボン膜であるので、酸素プラズマを用いたアッシングにより第2の保護膜62を除去する。なお、このとき、第1の保護膜60は除去されない。それゆえ、第2の保護膜62を除去するエッチングプロセスによるGaN層40への影響を抑制することができる。
FIG. 3F is a diagram illustrating a step of selectively removing the second
図3Gは、GaN層40に対して第1の保護膜60を選択的に除去する段階(S70)を示す図である。第1の保護膜60であるAlN膜は、水酸化カリウム水溶液(KOHaq)を用いたウェットエッチングにより、下地であるGaN層40に対して選択的に除去される。それゆえ、第1の保護膜60を設けたとしても当該保護膜の除去時に下地であるGaN層40への影響を抑制することができる。
FIG. 3G is a diagram showing a step (S70) of selectively removing the first
図3Hは、ゲート絶縁膜54等を形成する段階(S80)を示す図である。本実施形態では、ゲート絶縁膜54として、PECVD(Plasma Enhanced CVD)法により形成されたSiO2膜を100nm程度堆積する。なお、本段階においては、熱処理段階(S50)で実施される1,500℃程度の高温熱処理を行わないので、SiO2膜を用いてもn型不純物混入の問題はない。SiO2膜に代えて、SiNx膜、SiON膜、Al2O3膜、MgO膜、GaOx膜またはGdOx膜を用いてもよい。ゲート絶縁膜54は上述の絶縁膜の積層であってもよい。
FIG. 3H is a diagram showing a step (S80) of forming the
SiO2膜上に、LPCVD(Low Pressure CVD)法により、ポリシリコンを成膜する。次いで、ポリシリコンに対してn型の不純物であるリン(P)およびヒ素(As)の1以上をポリシリコンにドープする。これにより、n型ポリシリコンを得る。n型ポリシリコンは、ポリシリコンの成長雰囲気中にn型不純物を導入することにより形成してもよい。n型ポリシリコン形成後に、900℃程度で熱処理することにより、n型不純物を活性化する。なお、n型のポリシリコンに代えて、金(Au)、白金(Pt)およびニッケル(Ni)の金属膜もしくはこれらの合金膜を用いてもよい。 Polysilicon is deposited on the SiO 2 film by LPCVD (Low Pressure CVD). Next, the polysilicon is doped with one or more of phosphorus (P) and arsenic (As), which are n-type impurities to the polysilicon. Thereby, n-type polysilicon is obtained. The n-type polysilicon may be formed by introducing n-type impurities into the polysilicon growth atmosphere. After the n-type polysilicon is formed, the n-type impurity is activated by heat treatment at about 900 ° C. In place of n-type polysilicon, a metal film of gold (Au), platinum (Pt) and nickel (Ni) or an alloy film thereof may be used.
次いで、フォトリソグラフィーおよびエッチングにより、n型ポリシリコンおよびSiO2膜をパターニングする。これにより、ゲート電極50およびゲート絶縁膜54を形成する。また、エッチングの後、n+型ソース領域32およびp+型コンタクト領域34が部分的に露出される。
Next, the n-type polysilicon and the SiO 2 film are patterned by photolithography and etching. Thereby, the
次に、n+型ソース領域32およびp+型コンタクト領域34が部分的に露出された領域にソース電極56を形成する。ソース電極56は、n+型ソース領域32およびp+型コンタクト領域34とオーミック接合する導体、または、オーミック接合に近い低抵抗の導体から形成されてよい。本例のソース電極56は、チタン(Ti)上にAlを積層した積層金属膜である。ソース電極56は、スパッタリング法により成膜した後、フォトリソグラフィーおよびエッチングによりパターニングすることにより形成することができる。また、リフトオフ法ならびに選択成長法によりソース電極56を形成してもよい。
Next, the
次に、GaN層40の他の主面44の下にドレイン電極58を形成する。ドレイン電極58は、ソース電極56と同様に、TiおよびAlを順次積層した積層金属膜であってよい。その後、GaN層40の主面42側に素子分離用の酸化膜を適宜形成する。これにより、縦型MOSFET100が完成する。
Next, the
(第2実施形態)本実施形態では、第2の保護膜62として窒化ホウ素(BN)膜を用いる。係る点が第1実施形態と異なる。なお、S10〜S30、S50、S70およびS80は、第1実施形態と同じである。そこで、第1実施形態と異なる、S40およびS60のみについて説明する。
Second Embodiment In this embodiment, a boron nitride (BN) film is used as the second
本実施形態のS40では、パルスレーザ堆積法により、第1の保護膜60上に第2の保護膜62としてのBN膜を形成してよい。具体的には、BN多結晶をターゲットとしてKrFエキシマレーザを2[J/cm2]のエネルギー密度で、ターゲットに照射する。パルスレーザ堆積法を実施するチャンバ内は、900℃かつ5E−5[Torr]のアンモニア(NH3)雰囲気としてよい。BN膜は、10[nm]以上1,000[nm]以下であってよい。なお、パルスレーザ堆積法に代えて、CVD法またはスパッタリング法を用いて、BN膜を形成してもよい。
In S40 of this embodiment, a BN film as the second
BNを用いる場合、第1の保護膜60としてのAlN膜および第2の保護膜62としてのBN膜の両方を結晶性の膜とすることができる。これにより、GaN層40の主面42を緻密な保護膜で覆うことができる。それゆえ、第1実施形態と比較して、GaN層40の主面42の表面保護効果を高くすることができる。加えて、結晶性のBNを用いることにより、第1実施形態と比較して第1の保護膜60の表面保護効果を高くすることができる。
When BN is used, both the AlN film as the first
また、本実施形態のS60では、酸素ガスを主として有するガスをプラズマエッチングガスとして用いて、BNをエッチングしてよい。これにより、第2の保護膜62としてのBN膜と第1の保護膜60としてのAlN膜とを選択的に除去することができる。
In S60 of this embodiment, BN may be etched using a gas mainly containing oxygen gas as a plasma etching gas. Thereby, the BN film as the second
(第3実施形態)本実施形態では、第2の保護膜62として高融点金属を用いる。係る点が第1実施形態と異なる。なお、S10〜S30、S50、S70およびS80は、第1実施形態と同じである。そこで、第1実施形態と異なる、S40およびS60のみを説明する。高融点金属は、タングステン(W)、タンタル(Ta)およびモリブデン(Mo)のいずれかであってよい。なお、本実施形態ではWの例を説明する。
(Third Embodiment) In this embodiment, a refractory metal is used as the second
本実施形態のS40では、スパッタリング法により、第1の保護膜60上に第2の保護膜62としてのW膜を形成してよい。具体的には、Wターゲットをチャンバ内に載置して、チャンバ内は1[Pa]のアルゴン(Ar)雰囲気としてよい。WターゲットとGaN層40との間に電位差を設けることにより、イオン化されたArがWターゲットを叩く。これにより、叩き脱されたW原子が第1の保護膜60上に成膜される。W膜は、10[nm]以上500[nm]以下であってよい。電位差を与えるスパッタ電源は、300[W]のパワーを有してよい。
In S40 of this embodiment, a W film as the second
第1実施形態および第2実施形態と比較して、高融点金属は一般的に、第1の保護膜60に用いられるAlN膜と熱膨張係数が近い。それゆえ、AlN膜から剥がれにくくなるので、熱処理(S50)時における表面保護効果を向上させることができる。特に、Wの熱膨張係数は、MoおよびTaと比較して、第1の保護膜60に用いられるAlNに熱膨張係数が近い。熱膨張係数(単位はE−6℃−1)の一例として、Wは4.5であり、Moは5.3であり、Taは6.3である。これに対して、熱膨張係数(単位はE−6℃−1)の一例として、AlNは4.6である。それゆえ、第2の保護膜62としてW膜を用い、第1の保護膜60としてAlN膜を用いる組み合わせが最も表面保護効果が高い。
Compared with the first embodiment and the second embodiment, the refractory metal generally has a thermal expansion coefficient close to that of the AlN film used for the first
また、本実施形態のS60では、フッ化水素酸(HF)および硝酸(HNO3)の混合液を用いて、高融点金属をウェットエッチングしてよい。または、ウェットエッチングに代えて、フッ素系ガスもしくは塩素系ガスを用いてドライエッチングしてもよい。これにより、第2の保護膜62としての高融点金属膜と第1の保護膜60としてのAlN膜とを選択的に除去することができる。
In S60 of the present embodiment, the refractory metal may be wet etched using a mixed solution of hydrofluoric acid (HF) and nitric acid (HNO 3 ). Alternatively, dry etching may be performed using fluorine gas or chlorine gas instead of wet etching. Thereby, the refractory metal film as the second
なお、変形例として、異なる材料の第2の保護膜62を二層積層させてもよい。一例において、カーボン膜上にBN膜を形成してよく、この逆でもよい(つまり、BN膜上にカーボン膜を形成してもよい)。また、BN膜上に高融点金属膜を形成してよく、この逆でもよい。さらに、高融点金属上にカーボン膜を形成してもよく、この逆でもよい。
As a modification, two layers of the second
(第4実施形態)図4は、第2の保護膜62を形成する段階の変形例(S42)を示す図である。本実施形態では、第2の保護膜62の厚みを、主面42上の位置に応じて変化させる。つまり、p型不純物をドープした領域上における厚み64‐2は、p型不純物をドープしていない他の領域上における厚み62‐1よりも大きくてよい。具体的には、第2の保護膜62を一度成膜した後に、さらに追加で第2の保護膜を成膜することにより、領域に応じて変化する第2の保護膜62を形成してよい。このように、p型ウェル領域30上における第2の保護膜62の厚みを、他の領域よりも厚くすることにより、p型ウェル領域30上からの窒素抜けをより確実に防止することができる。
(Fourth Embodiment) FIG. 4 is a view showing a modification (S42) at the stage of forming the second
(第5実施形態)図5Aは、主面42および他の主面44に第1の保護膜60を形成する段階(S34)を示す図である。図5Bは、主面42側および他の主面44側に第2の保護膜62を形成する段階(S44)を示す図である。本実施形態では、主面42上に加えて、他の主面44下にも第1の保護膜60および第2の保護膜62を積層する。これにより、熱処理(S50)時に他の主面44からの窒素抜けを防止することができる。
Fifth Embodiment FIG. 5A is a diagram showing a step (S34) of forming a first
なお、第1の保護膜60および第2の保護膜62を積層した熱処理段階は、p型不純物領域の活性化を目的とすることに限定されない。当該熱処理方法は、絶縁膜を成膜した後のPDA(Postdeposition Annealing)、または、金属のシンタリング(Sintering)に適用してもよい。
Note that the heat treatment stage in which the first
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above embodiment. It is apparent from the description of the scope of claims that embodiments with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the operation flow in the claims, the description, and the drawings is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
10・・n+型GaN基板、20・・n−型GaN層、30・・p型ウェル領域、32・・n+型ソース領域、34・・p+型コンタクト領域、36・・チャネル形成領域、40・・GaN層、42・・主面、44・・他の主面、50・・ゲート電極、54・・ゲート絶縁膜、56・・ソース電極、58・・ドレイン電極、60・・第1の保護膜、62・・第2の保護膜、64・・厚み、70・・熱処理炉、100・・縦型MOSFET、200・・製造方法
10 ·· n + type GaN substrate, 20 ·· n − type GaN layer, 30 ·· p type well region, 32 ·· n + type source region, 34 ·· p + type contact region, 36 ·· channel formation region , 40 .. GaN layer, 42 .. main surface, 44 .. other main surface, 50 .. gate electrode, 54 .. gate insulating film, 56 .. source electrode, 58 .. drain electrode, 60. 1,
Claims (9)
不純物をドープした窒化ガリウム層上に第1の保護膜を形成する段階と、
前記第1の保護膜よりも耐熱性の高い第2の保護膜を、前記第1の保護膜上に形成する段階と、
前記窒化ガリウム層を熱処理する段階と
を備える
窒化物半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
Forming a first protective film on the impurity-doped gallium nitride layer;
Forming a second protective film having a higher heat resistance than the first protective film on the first protective film;
And a step of heat-treating the gallium nitride layer.
請求項1に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the first protective film is a nitride film containing aluminum nitride.
請求項1または2に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the second protective film is any one of a carbon film, a boron nitride film, and a refractory metal.
請求項3に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the refractory metal is any one of tungsten, tantalum, and molybdenum.
請求項3に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 3, wherein the carbon film is any one of a graphite film, a DLC film, and a nanodiamond film.
請求項1から5のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 6. The nitriding according to claim 1, further comprising the step of selectively removing the second protective film with respect to the first protective film after the step of heat-treating the gallium nitride layer. For manufacturing a semiconductor device.
請求項6に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The nitride semiconductor device according to claim 6, further comprising a step of selectively removing the first protective film from the gallium nitride layer after the step of selectively removing the second protective film. Production method.
請求項1から7のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the gallium nitride layer doped with an impurity has a region doped with a p-type impurity with respect to the gallium nitride layer.
請求項8に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The thickness of the second protective film on the region doped with the p-type impurity is larger than the thickness of the second protective film on the other region on the gallium nitride layer not doped with the p-type impurity. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 8, which is larger.
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