JP2018170335A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
従来から、窒化ガリウム(GaN)などのIII族窒化物半導体にイオン注入によりp型半導体領域を形成する技術が知られている。特許文献1から3において、p型半導体領域を形成する方法として、半導体層にp型不純物をイオン注入した後、イオン注入がされた領域における結晶性を回復させるために熱処理を行う方法が記載されている。 Conventionally, a technique for forming a p-type semiconductor region by ion implantation in a group III nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN) is known. In Patent Documents 1 to 3, as a method for forming a p-type semiconductor region, a method is described in which after a p-type impurity is ion-implanted into a semiconductor layer, a heat treatment is performed to recover the crystallinity in the ion-implanted region. ing.
しかし、一般に、イオン注入による結晶性の悪化は激しく、従来の方法では、熱処理後においても、イオン注入領域における結晶性の悪化を十分に回復できていない虞があった。また、イオン注入領域における結晶性の悪化を十分に回復できていない場合、半導体装置のリーク電流が増加するという課題があった。このため、イオン注入領域における結晶性の悪化を十分に回復させる方法が望まれていた。 However, generally, the crystallinity deterioration due to ion implantation is severe, and the conventional method may not sufficiently recover the crystallinity deterioration in the ion implantation region even after the heat treatment. Further, when the deterioration of crystallinity in the ion implantation region is not sufficiently recovered, there is a problem that the leakage current of the semiconductor device increases. For this reason, a method for sufficiently recovering the deterioration of crystallinity in the ion implantation region has been desired.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、n型不純物を含有するn型半導体層に、積算ドーズ量Dでp型不純物をイオン注入するイオン注入工程と、前記p型不純物がイオン注入されたイオン注入領域を、窒素を含有する雰囲気下において、温度T及び時間tで熱処理を行う熱処理工程と、を備え、前記積算ドーズ量Dと、前記温度Tと、前記時間tとは、下記(1)式を満たす。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入領域における結晶性の悪化を回復させることができる。
(2)上述の製造方法において、前記イオン注入工程において、前記p型不純物は、マグネシウムと、ベリリウムと、カルシウムとからなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでいてもよい。 (2) In the manufacturing method described above, in the ion implantation step, the p-type impurity may include at least one selected from the group consisting of magnesium, beryllium, and calcium.
(3)上述の製造方法において、前記イオン注入工程における注入温度は、20℃以上900℃以下であってもよい。 (3) In the manufacturing method described above, the implantation temperature in the ion implantation step may be 20 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
(4)上述の製造方法において、前記イオン注入工程における注入角度は、0°以上15°以下であってもよい。 (4) In the above manufacturing method, the implantation angle in the ion implantation step may be 0 ° or more and 15 ° or less.
(5)上述の製造方法において、前記熱処理工程における窒素源として、窒素と、アンモニアと、ヒドラジンとからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いてもよい。 (5) In the above manufacturing method, at least one selected from the group consisting of nitrogen, ammonia, and hydrazine may be used as a nitrogen source in the heat treatment step.
(6)上述の製造方法において、前記熱処理工程における圧力は、10kPa以上110kPa以下であってもよい。 (6) In the above manufacturing method, the pressure in the heat treatment step may be 10 kPa or more and 110 kPa or less.
本発明は、半導体装置の製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上述の製造方法を用いて製造された半導体装置や、上述の製造方法を用いて半導体装置を製造する装置などの形態で実現することができる。 The present invention can also be realized in various forms other than the semiconductor device manufacturing method. For example, it can be realized in the form of a semiconductor device manufactured using the above-described manufacturing method, or an apparatus for manufacturing a semiconductor device using the above-described manufacturing method.
本願発明の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入領域における結晶性の悪化を回復させることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the deterioration of crystallinity in the ion implantation region can be recovered.
A.第1実施形態
A−1.半導体装置の構成
図1は、第1実施形態における半導体装置100の構成を模式的に示す断面図である。図1には、相互に直交するXYZ軸が図示されている。図1のXYZ軸のうち、X軸は、図1の紙面左から紙面右に向かう軸である。+X軸方向は、紙面右に向かう方向であり、−X軸方向は、紙面左に向かう方向である。図1のXYZ軸のうち、Y軸は、図1の紙面手前から紙面奥に向かう軸である。+Y軸方向は、紙面奥に向かう方向であり、−Y軸方向は、紙面手前に向かう方向である。図1のXYZ軸のうち、Z軸は、図1の紙面下から紙面上に向かう軸である。+Z軸方向は、紙面上に向かう方向であり、−Z軸方向は、紙面下に向かう方向である。図1のXYZ軸は、他の図のXYZ軸に対応する。
A. First embodiment A-1. Configuration of Semiconductor Device FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
本実施形態では、半導体装置100は、窒化ガリウム(GaN)を用いて形成されたGaN系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置100は、縦型pn接合ダイオードである。本実施形態では、半導体装置100は、電力制御に用いられる。
In the present embodiment, the
半導体装置100は、基板110と、n型半導体層112と、p型半導体領域113ととを備える。半導体装置100は、これらの半導体層に形成された構造として、凹部124を有する。半導体装置100は、更に、絶縁膜130と、アノード電極142と、カソード電極144とを備える。
The
半導体装置100の基板110、n型半導体層112、及びp型半導体領域113は、X軸及びY軸に沿って広がる板状の半導体である。本実施形態では、基板110、n型半導体層112、及びp型半導体領域113は、III族窒化物半導体から形成されている。III族窒化物半導体としては、例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化インジウムアルミニウムガリウム(InAlGaN)などが例示できる。なお、電力制御用の半導体装置に用いる観点から、III族窒化物半導体としては、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)が好ましい。本実施形態では、III族窒化物半導体として、窒化ガリウム(GaN)を用いる。なお、本実施形態の効果を奏する範囲において、窒化ガリウム(GaN)の一部をアルミニウム(Al)やインジウム(In)などの他のIII族元素に置換してもよく、他の不純物を含んでいてもよい。
The
半導体装置100の基板110は、n型の特性を有する半導体である。本実施形態では、基板110に含まれるケイ素(Si)濃度は、1×1018cm−3以上である。本実施形態において、基板110の厚さ(Z軸方向の長さ)は、100μm以上500μm以下である。
The
半導体装置100のn型半導体層112は、n型の特性を有する半導体である。本実施形態では、n型半導体層112は、基板110の+Z軸方向側に位置する。本実施形態では、n型半導体層112に含まれるケイ素(Si)濃度は、1×1016cm−3である。本実施形態では、n型半導体層112の厚さ(Z軸方向の長さ)は、10μm以上20μm以下である。
The n-
半導体装置100のp型半導体領域113は、n型半導体層112の表面(+Z軸方向側の面)に対するイオン注入によって形成された領域である。p型半導体領域113をイオン注入領域113とも呼ぶ。p型半導体領域113における半導体は、p型の特性を有する。本実施形態では、p型半導体領域113は、マグネシウム(Mg)をアクセプタ元素(p型不純物)として含有する。本実施形態では、p型半導体領域113におけるマグネシウム(Mg)の濃度は、1×1018cm−3以上5×1019cm−3以下である。本実施形態では、p型半導体領域113の厚さ(Z軸方向の長さ)は、0.1μm以上1.0μm以下である。
The p-
p型半導体領域113では、X線回折測定によるオメガ(ω)角度スキャンにおいて(0002)面の回折ピークの半値幅は、100arcsec以下であり、好ましくは60arcsec以下である。
In the p-
半導体装置100の凹部124は、p型半導体領域113の表面(+Z軸方向側の面)からp型半導体領域113を貫通し、n型半導体層112にまで落ち込んだ溝部である。本実施形態では、凹部124は、p型半導体領域113及びn型半導体層112に対するドライエッチングによって形成されている。凹部124により、p型半導体領域113は、表面と側面とを有する台地状の形状となっている。
The
半導体装置100のアノード電極142は、p型半導体領域113の上に形成されている。アノード電極142は、p型半導体領域113に対してオーミック接触する電極である。本実施形態では、アノード電極142は、パラジウム(Pd)から形成された層に熱処理が加えられることにより形成された電極である。
The
半導体装置100の絶縁膜130は、n型半導体層112及びアノード電極142の上に形成され、電気絶縁性を有する膜である。本実施形態では、絶縁膜130は、n型半導体層112の表面及びアノード電極142の表面の一部と接するとともに、p型半導体領域113の側面及びアノード電極142の側面と接している。本実施形態では、絶縁膜130は、二酸化ケイ素(SiO2)から形成されている。
The insulating
半導体装置100のカソード電極144は、基板110の−Z軸方向側の裏面に対してオーミック接触する電極である。本実施形態では、カソード電極144は、チタン(Ti)から形成された層に、アルミニウム(Al)から形成された層を積層した後に熱処理が加えられることによって形成された電極である。
The
A−2.半導体装置の製造方法
図2は、第1実施形態における半導体装置100の製造方法を示す工程図である。まず、工程P101において、製造者は、基板110を用意した後、基板110の上にn型半導体層112およびスルー膜を、この順に、連続して形成する。スルー膜は、後述するイオン注入工程において、n型半導体層112に注入されるp型不純物の濃度分布を調整するために用いられる。n型半導体層112およびスルー膜は、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)により形成される。n型半導体層112およびスルー膜を、連続して形成することにより、n型半導体層112とスルー膜との間における不純物汚染を防止できる。スルー膜は、III族窒化物系半導体においてドナーとなる元素を主成分としない元素から形成されている。このようにすることにより、後述するイオン注入工程において、スルー膜の成分元素がn型半導体層112に注入されることを防止できる。本実施形態では、スルー膜は、非晶質窒化アルミニウム(AlN)から形成され、スルー膜の厚さは30nmである。
A-2. Manufacturing Method of Semiconductor Device FIG. 2 is a process diagram showing a manufacturing method of the
次に、工程P103において、製造者は、n型不純物を含有するn型半導体層112に、下記(1)式を満たす積算ドーズ量D(cm−2)でp型不純物をイオン注入する。なお、工程P103を、イオン注入工程とも呼ぶ。
製造者は、イオン注入工程において注入されるp型不純物の量を、積算ドーズ量により制御する。積算ドーズ量が小さいほど、X線回折測定によるオメガ(ω)角度スキャンにおいて(0002)面の回折ピークの半値幅は小さくなる。つまり、積算ドーズ量が小さいほど、イオン注入に起因するイオン注入領域113の結晶の欠陥が小さくなる。
The manufacturer controls the amount of p-type impurity implanted in the ion implantation process by the integrated dose amount. The smaller the integrated dose, the smaller the half-value width of the diffraction peak on the (0002) plane in the omega (ω) angle scan by X-ray diffraction measurement. That is, the smaller the integrated dose, the smaller the crystal defects in the
イオン注入に用いるp型不純物は、マグネシウム(Mg)と、ベリリウム(Be)と、カルシウム(Ca)とからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むことが好ましい。本実施形態では、p型不純物として、マグネシウム(Mg)を用いる。n型半導体層112の表面側(+Z軸方向側の面)の一部の領域であって、p型不純物が注入された領域が後述する熱処理を経ることにより、p型半導体領域113となる。
The p-type impurity used for ion implantation preferably includes at least one selected from the group consisting of magnesium (Mg), beryllium (Be), and calcium (Ca). In this embodiment, magnesium (Mg) is used as the p-type impurity. A part of the n-
積算ドーズ量は、1.0×1014cm−2以上1.0×1015cm−2以下が好ましい。本実施形態では、積算ドーズ量は、1.0×1014cm−2である。イオン注入工程における注入温度は、20℃以上900℃以下が好ましい。また、イオン注入工程における注入角度は、0°以上15°以下が好ましい。 The integrated dose is preferably 1.0 × 10 14 cm −2 or more and 1.0 × 10 15 cm −2 or less. In the present embodiment, the integrated dose amount is 1.0 × 10 14 cm −2 . The implantation temperature in the ion implantation step is preferably 20 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. The implantation angle in the ion implantation step is preferably 0 ° or more and 15 ° or less.
スルー膜が形成されている状態でn型半導体層112を対象としてイオン注入が行われることにより、n型半導体層112に注入されるp型不純物の濃度の分布を適切に調整することができる。イオン注入された領域において、注入された不純物の濃度分布は、深さ方向(Z軸方向)について、正規分布を二つ以上合算させた分布となっている。ここで、濃度分布が正規分布となっているとは、深さ方向(Z軸方向)について、露出している表面から所定の距離にある位置において、注入された不純物の濃度が最も高くなり、そこから表面側および裏面側に離れるにつれて、不純物の濃度が低くなることをいう。n型半導体層112内であってn型半導体層112の表面近傍の所定の位置において最もマグネシウム原子(Mg)の濃度が高くなるように設計されたスルー膜を配した状態で、イオン注入を行うことにより、不純物の濃度のピークをn型半導体層112の表面近傍に設定することができる。
By performing ion implantation on the n-
工程P105において、製造者は、スルー膜上にキャップ層を形成する。 In Step P105, the manufacturer forms a cap layer on the through film.
図3は、キャップ層が形成された後の状態を示す模式図である。図3において、スルー膜152の上に形成されたキャップ層154は、本実施形態では、非晶質窒化アルミニウム(AlN)により形成されている。本実施形態では、キャップ層154は、有機金属気相成長法(MOCVD)により形成されているが、スパッタ法により形成されてもよい。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state after the cap layer is formed. In FIG. 3, the
スルー膜152及びキャップ層154は、後述する熱処理工程において、イオン注入領域113を被覆する被覆層150である。本実施形態において、被覆層150は非晶質窒化アルミニウム(AlN)により形成されている。本実施形態では、キャップ層154の厚さは、1nm以上1000nm以下である。なお、キャップ層154は、例えば、(i)窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)により形成されていてもよく、(ii)スパッタ法により、窒化アルミニウム(AlN)の層と、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)の層とをこの順に積層したものを用いてもよい。
The through
次に、工程P107(図2参照)において、製造者は、p型不純物がイオン注入されたイオン注入領域113を、窒素(N)を含有する雰囲気下で熱処理する。工程P107を熱処理工程とも呼ぶ。なお、図3に示す状態において、熱処理工程が実施される。また、本実施形態では、p型半導体領域113を被覆した状態において熱処理が行われているが、p型半導体領域113を露出した状態において熱処理が行われてもよい。
Next, in step P107 (see FIG. 2), the manufacturer heat-treats the ion-implanted
熱処理工程における温度Tは、上述の(1)式を満たす温度とする。熱処理工程における温度Tは、800℃以上1500℃以下が好ましい。本実施形態では、熱処理工程における温度Tは、1250℃である。また、熱処理工程における時間tは、1秒以上10分以下が好ましく、1秒以上1分未満がさらに好ましい。本実施形態では、熱処理工程における時間tは、30秒(0.5分)である。また、熱処理工程における圧力は、10kPa以上110kPa以下が好ましい。本実施形態では、熱処理工程における圧力は100kPaである。 The temperature T in the heat treatment step is a temperature that satisfies the above-described expression (1). The temperature T in the heat treatment step is preferably 800 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. In the present embodiment, the temperature T in the heat treatment step is 1250 ° C. The time t in the heat treatment step is preferably 1 second or more and 10 minutes or less, and more preferably 1 second or more and less than 1 minute. In the present embodiment, the time t in the heat treatment step is 30 seconds (0.5 minutes). The pressure in the heat treatment step is preferably 10 kPa or more and 110 kPa or less. In the present embodiment, the pressure in the heat treatment step is 100 kPa.
また、熱処理工程における窒素源として、窒素(N2)と、アンモニア(NH3)と、ヒドラジン(N2H4)とからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが好ましい。熱処理工程を経ることによって、イオン注入領域113におけるp型不純物が活性化されて、高いホール濃度が得られる。
Moreover, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of nitrogen (N 2 ), ammonia (NH 3 ), and hydrazine (N 2 H 4 ) as the nitrogen source in the heat treatment step. Through the heat treatment step, the p-type impurity in the
次に、工程P109(図2参照)において、製造者は、被覆層150を除去する。本実施形態では、製造者は、65℃以上85℃以下でありpH12の水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)を用いて、ウェットエッチングを行う。なお、ウェットエッチングに代えて、ドライエッチングを用いてもよい。
Next, in Step P109 (see FIG. 2), the manufacturer removes the
工程P111において、製造者は、ドライエッチングにより凹部124を形成する。その後、工程P113において、製造者は、イオン注入領域113の上に、蒸着法とスパッタ法との少なくとも一方により、電極を形成する。本実施形態では、製造者は、イオン注入領域113の上に、蒸着法によりアノード電極142およびカソード電極144を形成する。
In step P111, the manufacturer forms the
そして、工程P115において、製造者は、n型半導体層112及びアノード電極142の上に、スパッタ法と原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)との少なくとも一方により、二酸化ケイ素(SiO2)と、酸化アルミニウム(Al2O3)と、窒化ケイ素(Si3N4)とからなる群より選ばれる少なくとも一つから絶縁膜130を形成する。本実施形態では、製造者は、原子層堆積法によって二酸化ケイ素(SiO2)から絶縁膜130を形成する。これらの工程を経て、半導体装置100が完成する。
In Step P115, the manufacturer uses silicon dioxide (SiO 2 ) on the n-
A−3.効果
以上説明した第1実施形態の製造方法によれば、イオン注入工程(工程P103)と、熱処理工程(工程P107)を備え、かつ、積算ドーズ量D(cm−2)と、熱処理工程における温度T(℃)と、熱処理工程における時間(分)とが下記(1)式を満たすことにより、イオン注入領域における結晶性の悪化を回復させることができる。このような効果が得られることを裏付ける評価試験の結果を示す。
A−4.試験結果
A−4−1.第1試験結果
図4は、評価試験の結果を示す図である。試験者は、X線回折測定によるオメガ(ω)角度スキャンにおいてGaN(0002)回折ピークの半値幅(以下、単に「半値幅」とも呼ぶ)が、それぞれ、150,100,60,50arcsecであるp型半導体領域113を有する縦型pn接合ダイオードを、上述の製造方法に沿って作製した。図4は、これらの縦型pn接合ダイオードに電圧を印加した場合のリーク電流を測定した結果を示す。図4において、横軸が電圧(V)であり、縦軸がリーク電流(A)である。ここで、図4において、縦軸を対数で示す。
A-4. Test result A-4-1. First Test Result FIG. 4 is a diagram showing the result of the evaluation test. The tester found that the half-width of the GaN (0002) diffraction peak (hereinafter also simply referred to as “half-width”) in the omega (ω) angle scan by X-ray diffraction measurement is 150, 100, 60, and 50 arcsec, respectively. A vertical pn junction diode having a
図4の結果から、以下のことが分かった。つまり、半値幅が150arcsecの縦型pn接合ダイオードのリーク電流は、理論特性と比べて非常に高いのに対して、半値幅が小さくなるほど、縦型pn接合ダイオードのリーク電流が小さくなることが分かった。また、半値幅が60arcsec以下の縦型pn接合ダイオードのリーク電流は、理論特性とほぼ一致することが分かった。 From the results of FIG. 4, the following was found. That is, the leakage current of the vertical pn junction diode having a half-value width of 150 arcsec is very high compared to the theoretical characteristics, whereas the leakage current of the vertical pn junction diode is reduced as the half-value width is reduced. It was. It was also found that the leakage current of the vertical pn junction diode having a half width of 60 arcsec or less substantially matches the theoretical characteristics.
図5は、熱処理工程における温度Tを変化させた場合における、熱処理工程における時間tと、半値幅との関係を示す図である。図5において、横軸が熱処理工程における時間t(分)であり、縦軸が半値幅(arcsec)である。図5において、横軸を対数で示す。図5において、熱処理工程における温度Tを1250℃とした結果と、1300℃とした結果を示す。ここで、積算ドーズ量は、2.3×1015cm−2とした。図5から、以下のことが分かった。つまり、熱処理工程における時間tが増加するほど、半値幅が指数関数的に減少していることが分かった。また、図5において、熱処理工程における時間tと半値幅とは一次関数で表すことができ、熱処理工程における温度Tを変化させると、この一次関数の傾きはほぼ変化することなく、この一次関数の切片のみが変化することが分かった。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the time t in the heat treatment step and the half-value width when the temperature T in the heat treatment step is changed. In FIG. 5, the horizontal axis represents time t (minutes) in the heat treatment step, and the vertical axis represents the half width (arcsec). In FIG. 5, the horizontal axis is shown logarithmically. In FIG. 5, the result which set temperature T in a heat treatment process to 1250 degreeC and 1300 degreeC is shown. Here, the integrated dose amount was set to 2.3 × 10 15 cm −2 . FIG. 5 shows the following. That is, it was found that the full width at half maximum decreases exponentially as the time t in the heat treatment process increases. In FIG. 5, the time t and the half width in the heat treatment step can be expressed by a linear function. When the temperature T in the heat treatment step is changed, the slope of the linear function does not substantially change, and the linear function Only the section was found to change.
図6は、積算ドーズ量を変化させた場合における、熱処理工程における時間tと、半値幅との関係を示す図である。図6において、横軸が熱処理工程における時間t(分)であり、縦軸が半値幅(arcsec)である。図6において、横軸を対数で示す。図6において、積算ドーズ量を(i)2.3×1015cm−2とした結果と、(ii)1.15×1015cm−2とした結果と、(iii)4.6×1014cm−2とした結果とを示す。ここで、熱処理工程における温度Tは、1250℃とした。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the time t in the heat treatment step and the half-value width when the integrated dose is changed. In FIG. 6, the horizontal axis represents the time t (minutes) in the heat treatment step, and the vertical axis represents the half width (arcsec). In FIG. 6, the horizontal axis is shown logarithmically. In FIG. 6, the integrated dose amount is (i) 2.3 × 10 15 cm −2 , (ii) 1.15 × 10 15 cm −2, and (iii) 4.6 × 10. The result of 14 cm −2 is shown. Here, the temperature T in the heat treatment step was set to 1250 ° C.
図6から、以下のことが分かった。つまり、熱処理工程における時間tが増加するほど、半値幅が指数関数的に減少していることが分かった。また、図6において、熱処理工程における時間tと半値幅とは一次関数で表すことができ、積算ドーズ量を変化させると、この一次関数の傾きはほぼ変化することなく、この一次関数の切片のみが変化することが分かった。 From FIG. 6, the following was found. That is, it was found that the full width at half maximum decreases exponentially as the time t in the heat treatment process increases. In FIG. 6, the time t and the half width in the heat treatment step can be expressed by a linear function. When the integrated dose is changed, the slope of the linear function is not substantially changed, and only the intercept of the linear function is obtained. Was found to change.
上記結果から、積算ドーズ量D(cm−2)と、熱処理工程における時間t(分)と、熱処理工程における温度T(℃)とは、下記の式(2)の関係を満たすことが分かった。
図7は、熱処理工程における温度Tと、熱処理工程における時間tとの関係を示す図である。図7において、横軸が熱処理工程における温度T(℃)であり、縦軸が熱処理工程における時間t(分)である。図7において、縦軸を対数で示す。図7では、積算ドーズ量を2.3×1015cm−2とした結果を示す。図7において、上記式(2)の関係式を直線Lで示されている。また、図7において、半値幅が60arcsec以下となった温度Tと時間tとの熱処理条件での試験結果を「□(白四角)」で示し、半値幅が60arcsecより大きくなった温度Tと時間tとの熱処理条件での試験結果を「■(黒四角)」で示す。この結果から、上記式(2)の関係式を表す直線Lが、「□」で示された熱処理条件と「■」で示された熱処理条件との境界線となることが分かり、また、下記式(1)の関係式が満たされる場合に、半値幅が60arcsec以下となることが分かった。
A−4−2.第2試験結果
図8は、p型半導体領域113への積算ドーズ量と、イオン注入領域113における熱処理工程後のホール濃度との関係を示す図である。図8において、横軸がp型半導体領域113への積算ドーズ量(cm−2)であり、縦軸がホール濃度(cm−3)である。図8において、縦軸及び横軸を対数で示す。
A-4-2. Second Test Results FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the integrated dose amount to the p-
一般に、積算ドーズ量が大きいほど、イオン注入によるp型半導体領域113の結晶劣化が大きくなる。このため、p型半導体領域113における結晶性を回復するために、熱処理工程における時間を長くする必要があり、また、熱処理工程における温度を高くする必要がある。一方、積算ドーズ量が小さいほど、イオン注入によるp型半導体領域113の結晶劣化が小さくなる。このため、熱処理工程における時間を短くでき、また、熱処理工程における温度を低くできるが、必要なホール濃度が得られない虞がある。
In general, the larger the integrated dose, the greater the crystal degradation of the p-
図8から、積算ドーズ量が大きすぎる場合においても小さすぎる場合においても、ホール濃度は大きくならないことが分かり、また、特定の積算ドーズ量にすることによりホール濃度が最も高くなることが分かった。 FIG. 8 shows that the hole concentration does not increase when the integrated dose amount is too large or too small, and that the hole concentration becomes the highest by setting the specific integrated dose amount.
ここで、pn接合ダイオードの耐圧を600V以上とするためには、熱処理工程後のイオン注入領域113におけるホール濃度を、1×1016cm−3以上とする必要がある。図8において、積算ドーズ量は、1.0×1014cm−2以上1.0×1015cm−2以下の場合に、熱処理工程後のイオン注入領域113におけるホール濃度が1×1016cm−3以上となる。このため、積算ドーズ量は、1.0×1014cm−2以上1.0×1015cm−2以下とすることが好ましい。
Here, in order to set the breakdown voltage of the pn junction diode to 600 V or higher, the hole concentration in the
また、一般に、X線回折測定によるオメガ(ω)角度スキャンにおいて(0002)面の回折ピークの半値幅が小さくなるほど、イオン注入領域の結晶の欠陥が小さくなる。エピタキシャル成長により半値幅が150arcsec以下とした報告があるが(例えば、特開2005−167275号公報参照)、イオン注入がなされた領域において、半値幅が60arcsec以下となる報告は未だなされていない。このため、本実施形態における製造方法によれば、イオン注入領域における結晶性の悪化を十分に回復させていることが分かる。 In general, the smaller the half width of the diffraction peak on the (0002) plane in the omega (ω) angle scan by X-ray diffraction measurement, the smaller the crystal defects in the ion implantation region. Although there is a report that the half width is 150 arcsec or less by epitaxial growth (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-167275), no report has been made that the half width is 60 arcsec or less in the ion-implanted region. For this reason, according to the manufacturing method in this embodiment, it turns out that the deterioration of crystallinity in an ion implantation area | region is fully recovered.
B.第2実施形態
図9は、第2実施形態における半導体装置200の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態では、半導体装置200は、窒化ガリウム(GaN)を用いて形成されたGaN系の半導体装置であり、縦型ショットキーバリアダイオードである。本実施形態では、半導体装置200は、電力制御に用いられる。
B. Second Embodiment FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
半導体装置200は、基板210と、n型半導体層212と、p型半導体領域213とを備える。半導体装置200は、これらの半導体層に形成された構造として、凹部222を有する。半導体装置100は、更に、絶縁膜253と、アノード電極251と、カソード電極252とを備える。
The
本実施形態の半導体装置200の製造方法においても、第1実施形態と同様に、(i)n型不純物を含有するn型半導体層212に、上述した(1)式を満たす積算ドーズ量Dでp型不純物をイオン注入するイオン注入工程と、(ii)p型不純物がイオン注入されたイオン注入領域であるp型半導体領域213を、窒素を含有する雰囲気下において、上述した(1)式を満たす温度T及び時間tで熱処理を行う熱処理工程と、を備える。このため、本実施形態の半導体装置200の製造方法においても、イオン注入領域における結晶性の悪化を回復させることができる。
Also in the manufacturing method of the
なお、本実施形態の半導体装置200の製造方法では、熱処理工程の後、n型半導体層212の上及びイオン注入領域であるp型半導体領域213の上に、スパッタ法と原子層堆積法との少なくとも一方により、二酸化ケイ素と、酸化アルミニウムと、窒化ケイ素とからなる群より選ばれる少なくとも一つから絶縁膜253を形成する工程を備える。p型半導体領域213は、熱処理工程によって結晶性が回復しているため、絶縁膜253との界面などでのリーク電流を防止できるため、本実施形態の半導体装置200の製造方法では、良好な半導体装置を得ることができる。
In the method for manufacturing the
C.第3実施形態
図10は、第3実施形態における半導体装置300の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態では、半導体装置300は、窒化ガリウム(GaN)を用いて形成されたGaN系の半導体装置であり、縦型トレンチMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。本実施形態では、半導体装置300は、電力制御に用いられる。
C. Third Embodiment FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
半導体装置300は、基板310と、n型半導体層312と、p型半導体領域313と、p型半導体層314と、n型半導体層316とを備える。半導体装置300は、これらの半導体層に形成された構造として、トレンチ322とリセス324とを有する。半導体装置300は、更に、絶縁膜330と、ゲート電極342と、ボディ電極344と、ソース電極346と、ドレイン電極348とを備える。
The
本実施形態の半導体装置300の製造方法においても、第1実施形態と同様に、(i)n型不純物を含有するn型半導体層312に、上述した(1)式を満たす積算ドーズ量Dでp型不純物をイオン注入するイオン注入工程と、(ii)p型不純物がイオン注入されたイオン注入領域であるp型半導体領域313を、窒素を含有する雰囲気下において、上述した(1)式を満たす温度T及び時間tで熱処理を行う熱処理工程と、を備える。このため、本実施形態の半導体装置300の製造方法においても、イオン注入領域における結晶性の悪化を回復させることができる。
Also in the manufacturing method of the
なお、本実施形態の半導体装置300の製造方法では、熱処理工程の後、イオン注入領域であるp型半導体領域313の上に、有機金属気相成長法と分子線エピタキシー法との少なくとも一方により、p型不純物を含有するp型半導体層314を形成する工程を備える。p型半導体領域313の結晶性が回復しているため、p型半導体領域313の平坦な表面上に形成されたp型半導体層314の結晶性が向上する。このため、本実施形態の半導体装置300の製造方法では、良好な半導体装置を得ることができる。
In the method for manufacturing the
D.その他の実施形態
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
D. Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above-described effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
上述の実施形態において、半導体層の材料は、窒化ガリウム(GaN)に限らず、窒化アルミニウム(AlN)などの他のIII族窒化物半導体や、例えば、ケイ素(Si)、炭化ケイ素(SiC)、酸化ガリウム(Ga2O3)、ガリウム砒素(GaAs)、ダイヤモンド(C)などであってもよい。基板の材料は、上記の半導体層の材料に加え、例えば、サファイア(Al2O3)であってもよい。 In the above-described embodiment, the material of the semiconductor layer is not limited to gallium nitride (GaN), but other group III nitride semiconductors such as aluminum nitride (AlN), for example, silicon (Si), silicon carbide (SiC), It may be gallium oxide (Ga 2 O 3 ), gallium arsenide (GaAs), diamond (C), or the like. The material for the substrate may be, for example, sapphire (Al 2 O 3 ) in addition to the material for the semiconductor layer.
100…半導体装置
110…基板
112…n型半導体層
113…p型半導体領域(イオン注入領域)
124…凹部
130…絶縁膜
142…アノード電極
144…カソード電極
150…被覆層
152…スルー膜
154…キャップ層
200…半導体装置
210…基板
212…n型半導体層
213…p型半導体領域
222…凹部
251…アノード電極
252…カソード電極
253…絶縁膜
300…半導体装置
310…基板
312…n型半導体層
313…p型半導体領域
314…p型半導体層
316…n型半導体層
322…トレンチ
324…リセス
330…絶縁膜
342…ゲート電極
344…ボディ電極
346…ソース電極
348…ドレイン電極
D…積算ドーズ量
T…温度
t…時間
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (6)
n型不純物を含有するn型半導体層に、積算ドーズ量Dでp型不純物をイオン注入するイオン注入工程と、
前記p型不純物がイオン注入されたイオン注入領域を、窒素を含有する雰囲気下において、温度T及び時間tで熱処理を行う熱処理工程と、を備え、
前記積算ドーズ量Dと、前記温度Tと、前記時間tとは、下記(1)式を満たす、半導体装置の製造方法。
an ion implantation step of ion-implanting a p-type impurity with an integrated dose amount D into an n-type semiconductor layer containing the n-type impurity;
A heat treatment step of heat-treating the ion-implanted region into which the p-type impurity is ion-implanted in a nitrogen-containing atmosphere at a temperature T and a time t,
The integrated dose amount D, the temperature T, and the time t satisfy the following expression (1).
前記イオン注入工程において、前記p型不純物は、マグネシウムと、ベリリウムと、カルシウムとからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む、半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
In the ion implantation step, the p-type impurity includes at least one selected from the group consisting of magnesium, beryllium, and calcium.
前記イオン注入工程における注入温度は、20℃以上900℃以下である、半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein an implantation temperature in the ion implantation step is 20 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
前記イオン注入工程における注入角度は、0°以上15°以下である、半導体装置の製造方法。 It is a manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein an implantation angle in the ion implantation step is 0 ° to 15 °.
前記熱処理工程における窒素源として、窒素と、アンモニアと、ヒドラジンとからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いる、半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein at least one selected from the group consisting of nitrogen, ammonia, and hydrazine is used as a nitrogen source in the heat treatment step.
前記熱処理工程における圧力は、10kPa以上110kPa以下である、半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the pressure in the heat treatment step is 10 kPa or more and 110 kPa or less.
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