JP2020025056A - Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法およびイオン注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＩＩ族窒化物半導体におけるアクセプタ活性化の向上を図る。【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体の製造において、貫通転位密度が１×１０７ｃｍ−２以下であるＩＩＩ族窒化物半導体層内にＩＩ族原子をイオン注入し、加えて窒素イオンを共注入し、然る後、活性化処理、即ち、ＩＩ族原子イオンと窒素イオンの共注入を行った後に、ＡｌＮやＳｉ３Ｎ４やＳｉＯ２などの保護膜をイオン注入領域上に形成して窒素雰囲気中で１２００℃以上の温度でアニール処理し、ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体１１を製造する。【選択図】図１

Description

本発明はＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法およびイオン注入装置に関する。詳しくは、イオン注入方法によって不純物をドーピングし、デバイス内の選択領域にｐ型の任意の高キャリア濃度領域を形成するための製造方法およびイオン注入装置である。

Ｓｉ半導体の集積回路やＳｉＣ半導体系パワーデバイスと同様に、ＩＩＩ族窒化物半導体にイオン注入方法によって不純物をドーピングしてｐ型領域およびｎ型領域を形成する研究は既に報告がある。例えば、特許文献１や非特許文献１に記載がある。

これらはいずれもｎ型領域形成をするためにドナー元素（例えばＳｉやＧｅなど）のみ、ｐ型領域形成をするためにアクセプタ元素（例えばＭｇなど）のみをイオン注入して領域を形成する。イオン注入プロセスの後に、熱処理などを施すことによって、イオン注入によって誘起された結晶欠陥の回復を行い、結晶品質を高める。また注入原子をＧａなどのＩＩＩ族原子サイトに配置させることによってドナーあるいはアクセプタ―としての活性化を図っている。

また、特許文献１では、イオン注入に際しＩＩＩ族窒化物半導体の窒素原子が注入イオンの衝撃で結晶から脱離しやすいこと、熱アニールの際にも窒素原子が結晶から脱離しやすいこと、これらにより結晶内の窒素が不足し、窒素空孔による欠陥が多量に発生していること、イオン注入によって注入した原子は主にＩＩＩ族窒化物半導体の結晶格子間に入るが、このままではドナー或いはアクセプタとして活性化しないので、Ｇａ等ＩＩＩ族原子サイトに配置させる必要があるが、単に熱アニールしたのみでは、注入原子がＧａ等ＩＩＩ族原子サイトではなく窒素サイトに組み込まれる可能性が有り、その場合は所望のキャリア供給源とは成り得ないこと、などを鑑み、イオン注入による窒素空孔の抑制を図ること、注入した原子のＧａ等ＩＩＩ族原子サイトへの配置を向上すること、が記載されている。

特許第４８５２７８６号公報

Ｊ．Ｃ．Ｚｏｌｐｅｒ， ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ７０（２０）， １９ Ｍａｙ １９９７， ｐｐ．２７２９−２７３１ Ｐｈｙｓ． Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ Ｂ ２５２， Ｎｏ． １２， ２７９４−２８０１ （２０１５） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １０， ０６１００２ （２０１７） Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ９３， １６５２０７（２０１６） Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １０， ０１６５０１ （２０１７） Ｍ．Ａ．Ｒｅｓｈｃｈｉｋｏｖ， Ｄ．Ｏ． Ｄｅｍｃｈｅｎｋｏ， Ｊ．Ｄ． ＭｃＮａｍａｒａ， Ｓ． Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ−Ｇａｒｒｉｄｏ， ａｎｄ Ｒ． Ｃａｌａｒｃｏ， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ９０， ０３５２０７ （２０１４）

しかし、ｐ型領域形成をするためのＩＩ族イオン注入に関しては、イオン注入プロセス中に導入される結晶欠陥の抑制、特に窒素空孔関連発生の抑制と、注入したＩＩ族原子のＧａなどのＩＩＩ族原子サイトへ配置向上の両立は未だ実現されておらず、実際にＩＩＩ族窒化物半導体デバイス、特に電子デバイスには実用化されていない。

選択領域にｐ型の任意の高キャリア濃度領域を形成する方法は、例えば有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＯＶＰＥ法）でＭｇを添加したＩＩＩ族窒化物半導体の積層膜を再成長し、ドライエッチングなどで選択的に膜除去するという方法が存在する。しかしながらこれらのプロセスでは、再成長工程の際に成長界面に意図しない不純物が混入するという課題や、エッチングプロセス時に導入される結晶欠陥の発生など、技術的課題がより高度に複雑化する。さらに所望の形成領域を達成するまでの工程数も多くなり、製造コストが高くなり、不利になるという問題も有する。

よって、任意の領域に簡易的に高キャリア濃度領域を形成できるイオン注入技術は、有力な技術である。しかしながら、課題は大きく２つ存在する。
一つはイオン注入プロセス中に導入される結晶欠陥の発生や、イオン注入後に行われる結晶回復のための熱処理のみでは結晶の品質が十分に回復できないという課題がある。つまり、イオン注入前よりも結晶内に欠陥が多いデバイスとなる課題がある。
もう一つは、熱処理のみではＭｇ原子のアクセプタとしての活性化は十分ではないという課題がある。つまり、熱処理のみによるＧａ等ＩＩＩ族原子サイトへのＭｇ原子配置（例えばＭｇ_Ｇａ）が十分に行われないこと、さらに、ＩＩＩ族原子サイトへのＭｇ原子配置が上手く行われたとしても、結晶内に存在する窒素空孔（Ｖ_Ｎ）との自己補償効果によって、注入されたＭｇ原子の活性化率が向上しないという課題がある。

例えば、窒化ガリウム半導体へのＭｇイオン注入後に結晶内欠陥が多く残る報告は、非特許文献２，３やその引用参考文献に記載がある。また窒化ガリウム半導体結晶内のＭｇ_ＧａとＶ_Ｎとの相互作用については、例えば、非特許文献４やその引用参考文献に記載がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ＩＩＩ族窒化物半導体へのイオン注入によって誘起される窒素空孔の結晶欠陥抑制と同時に、イオン注入されたＩＩ族原子をＩＩＩ族原子サイトへの置換配置を促すことによって、活性化率の向上の両立を実現するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法およびイオン注入装置を提供するという目的を達成しようとするものである。

本発明者らは、上記の課題に対して検討を重ねて、原因は次のようなものであると考えた。
まず、イオン注入時に、注入された原子と結晶内にある窒素原子の衝突により、もともと窒素サイトに存在した窒素原子が離脱し、窒素空孔を生成しやすいこと。また、イオン注入後の熱処理においても窒素原子が結晶外へ離脱すること。さらに単に熱処理のみの工程では、結晶内に窒素空孔のクラスター化が発生しやすいこと。これらの過程により窒化物半導体結晶内の窒素原子が不足し、結果として窒素空孔による結晶欠陥が多量に発生していることである。

またイオン注入によって注入されたＩＩ族原子は主に結晶格子間に入るが、アクセプタとしては活性化しないので、活性化させるにはＩＩＩ族原子サイトに置換配置させることが必要である。単に熱処理のみの工程では、注入されたＩＩ族原子はＩＩＩ族原子サイトだけでなく窒素サイトや結晶格子間に組み込まれる可能性が十分にある。この場合、キャリア供給源とは成り得ない。
本発明者らは、これらのような状態を改善するための手段を模索して、本発明に想到したものである。

本発明のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造において、貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であるＩＩＩ族窒化物半導体層内にＩＩ族原子をイオン注入し、加えて窒素イオンを共注入し、然る後、活性化処理してｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体を製造することにより上記課題を解決した。
本発明において、貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下である前記ＩＩＩ族窒化物半導体層内に注入された前記窒素イオンの注入量ｎＮと、前記ＩＩ族原子イオンの注入量ｎＭとの比を、
ｎＭ＝１×１０^１９ｃｍ^−３以上の場合には、ｎＮ／ｎＭ＝０．５〜５の範囲、
Ｍ＝１×１０^１９ｃｍ^−３より小さい場合は、ｎＮ／ｎＭ＝０．０１〜１０の範囲、
とすることがより好ましい。
本発明は、貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下である前記ＩＩＩ族窒化物半導体層内に注入された前記ＩＩ族原子が深さ方向に分布する領域において、前記ＩＩ族原子の分布する領域の全体、もしくは、前記ＩＩ族原子の分布する領域の少なくとも一部に、イオン注入された前記窒素原子が分布することが可能である。
本発明において、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層内に前記ＩＩ族原子のイオン注入に加えて、前記窒素イオンの注入、さらに、水素イオンの注入をおこなうこともできる。

ここでＩＩＩ族窒化物半導体とは、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ等の窒素を含む化合物半導体をいう。
またＩＩ族原子とは、例えばＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ等の元素周期表ＩＩ族に属する原子をいう。さらに、この場合、ＩＩＩ族窒化物半導体以外の原子イオンを複数打ち込む場合も本発明に包含される。
さらに本発明は、任意組成構成のＩＩＩ族窒化物半導体、例えばＡｌ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ≧０，ｙ≧０）、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ≧０，ｙ≧０）、Ｂ_ｘＧａ_ｙＮ（ｘ≧０，ｙ≧０）、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｘ≧０，ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）に適用される。

また本発明において、「貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であるＩＩＩ族窒化物半導体」とは、例えばＧａＮならば、ハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ、ＨＶＰＥ法）やＮａフラックス法やアモノサーマル法で成長させた低い貫通転位密度のＧａＮ基板をいう。加えて、その基板上にＭＯＶＰＥ法の他、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＢＥ法）、ＨＶＰＥ法などで成膜した低い貫通転位密度のＧａＮ層も含まれる。

また本発明において、「窒素イオンを共注入し、然る後、活性化処理する手段」とは、例えばＩＩ族原子イオンと窒素イオンの共注入を行った後に、ＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４やＳｉＯ_２などの保護膜をイオン注入領域上に形成して窒素雰囲気中で１２００℃以上の温度でアニール処理することである。あるいは、窒素イオンの共注入後、イオン注入領域上に保護膜を形成しなくとも、高圧下の窒素雰囲気中で平衡状態を保つことで表面からの窒素脱離を抑えながら、１２００℃以上の温度でアニール処理することでも効果を発揮する。

また本発明において、「イオン注入された窒素の注入量ｎＮ」とは、例えばＧａＮ結晶なら、もともと結晶内部は窒素原子とガリウム原子の密度は一致するが、窒素をイオン注入された領域は窒素が過剰となり、ガリウムよりも窒素原子の方が密度は大きくなるところ、この密度の差をいう。これに対して「ＩＩ族原子イオンの注入量ｎＭ」とは、例えばＧａＮ結晶内にイオン注入されたＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ等のＩＩ族原子の密度をいう。この窒素の注入量ｎＮとＩＩ族原子の注入量ｎＭの比が、ｎＭ＝１×１０^１９ｃｍ^−３以上の場合、ｎＮ／ｎＭ＝０．５〜５の範囲、Ｍ＝１×１０^１９ｃｍ^−３より小さいときはｎＮ／ｎＭ＝０．０１〜１０の範囲となるＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に適用される。

さらに望ましくは、Ｍ＝１×１０^１９ｃｍ^−３以上の場合ではｎＮ／ｎＭ＝１の場合、つまり、イオン注入された窒素の量とＩＩ族原子の量とが一致する場合に、より効果が得られる。

本発明において、「前記ＩＩＩ族窒化物半導体層内に注入された前記ＩＩ族原子が深さ方向に分布する領域において、前記ＩＩ族原子の分布する領域の全体、もしくは、前記ＩＩ族原子の分布する領域の少なくとも一部に、イオン注入された前記窒素原子が分布する」とは、「イオン注入されたＩＩ族原子が深さ方向に分布する領域において、イオン注入された窒素原子が、ＩＩ族原子が分布する領域の全体、もしくは少なくとも一部に分布する」こと、例えば、注入する表面を始点として結晶内部へ向かう方向を深さ方向としたときに、イオン注入されたＩＩ族原子が分布する深さ方向の領域すべてに窒素原子が分布するような窒素原子密度プロファイルになっている、もしくは、ＩＩ族原子が分布する深さ方向の領域の少なくとも一部に窒素原子が分布するような窒素原子密度プロファイルになっている製造方法に適用されることをいう。

本発明において、「前記ＩＩＩ族窒化物半導体層内に前記ＩＩ族原子のイオン注入に加えて、前記窒素イオンの注入、さらに、水素イオンの注入をおこなう」とは、「ＩＩＩ族窒化物半導体へのＩＩ族原子をイオン注入することに加えて、窒素イオンの注入、さらに水素イオンを共注入する」こと、例えば窒化ガリウム結晶内へのイオン注入ならば、注入されたＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ等のＩＩ族原子イオン、窒素イオンに加えて、さらに水素イオンを共注入することをいう。

例えばＧａＮへＭｇイオンと水素イオンを共注入することによって、ＧａＮ結晶内の欠陥終端効果が発揮され、より安定的にｐ型領域を形成できる効果は非特許文献５に記載されている。
本発明において、上述したＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を行うためには、図３に基づいて後述するイオン注入装置が好適に用いられる。

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶内の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下という転位の少ない結晶を用いることによって、転位との相互作用を低減し効果を発揮する。例えば、貫通転位が多いＧａＮ結晶中に添加されたＭｇにおいて、貫通転位まわりにＭｇ原子の凝集が確認される報告や、貫通転位や点欠陥が多いＧａＮ結晶では、熱処理によって相互作用を引き起こし転位がスパイラルになる報告もあり、貫通転位密度が低い、すなわち結晶品質の高い結晶を用いることで効果を発揮する。

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶内へ任意のＩＩ族原子と共に窒素原子をイオン注入するので、イオン注入プロセスによって引き起こされる窒素原子の離脱、つまり結晶内に存在する窒素空孔の発生を抑制する。また活性化処理時にも引き起こされる窒素サイトからの窒素原子の離脱を抑えることができるので、イオン注入されたＩＩ族原子が窒素サイトへ置換されることを抑制し、ＩＩＩ族原子サイトへの置換配置が促される。さらにＩＩＩ族原子サイトのＭｇ原子（Ｍｇ_Ｇａ）と窒素空孔（Ｖ_Ｎ）との自己補償効果も抑制され、結果としてアクセプタとしての活性化が向上する。

この窒素の注入量ｎＮとＩＩ族原子の注入量ｎＭとの比は、Ｍ＝１×１０^１９ｃｍ^−３以上の場合に、ｎＮ／ｎＭ＝０．５〜５の範囲で効果が発揮される。さらにｎＮ／ｎＭ＝１の場合、つまりイオン注入された窒素の量とＩＩ族原子の量とが一致する場合に、より大きな効果を発揮する。ｎＭ＝１×１０^１９ｃｍ^−３より小さい場合には、ｎＮ／ｎＭ＝０．０１〜１０の範囲となる場合に効果を発揮する。

このとき結晶内のＩＩ族原子の深さ方向の密度分布と、イオン注入されることによって結晶内に過剰となった窒素の深さ方向の密度分布とが、ＩＩ族原子の分布する領域の全体もしくは少なくとも一部に分布するようにすれば、結晶内に窒素空孔等の結晶欠陥と窒素原子過剰状態とが同時に存在することによって欠陥補償効果が得られ、より大きな効果となる。

さらに、ＩＩ族原子イオン、窒素イオンに加えて、更に水素イオンを共注入することでＩＩＩ族窒化物半導体結晶内の欠陥終端効果が得られ、より大きな効果となる。

本発明によれば、以上のようなイオン注入を用いた製造方法によって、ＩＩＩ窒化物半導体内に選択領域にｐ型の任意の高キャリア濃度領域を形成することができ、デバイス設計の自由度を向上させ、高性能のＩＩＩ窒化物半導体デバイスを実現できる。それらによりダイオード、トランジスタの単機能素子、あるいはそれらを集積した素子を実現することが可能となる。

本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第１実施形態を示す模式工程図である。 本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第１実施形態における厚さ方向深さに対するイオン注入プロファイルを示すグラフである。 本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第１実施形態におけるイオン注入装置を示す模式図である。 本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第１実施形態におけるＧａＮの単位格子を模式的に説明する理想的なウルツ型ＧａＮ結晶構造（ａ）、Ｍｇイオンのみの注入活性化アニール処理後（ｂ）、Ｍｇ／Ｎイオン共注入活性化アニール処理後（ｃ）である。 本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第１実施形態における低温カソードルミネッセンスによる発光強度を光子エネルギーに対して示したグラフである。 本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第１実施形態におけるＮイオンの注入量とＮＢＥ／ＧＬ強度の関係を示したグラフである。 図１（ｅ）に示すｐｎダイオードＧａＮデバイス の電流-電圧特性を示す図である。

以下、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法の第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態におけるＧａＮデバイス（ＩＩＩ族窒化物半導体）の製造方法を示す工程図であり、図において、符号１０は、ＧａＮデバイスである。

本実施形態に係るＧａＮデバイス（ＩＩＩ族窒化物半導体）１０はｐｎダイオードとされ、図１（ａ）に示すように、ＧａＮ基板1を用いる。このとき、ＧａＮ基板1としては、Ｓｉ濃度が≧１ｘ１０^１８ｃｍ^−３となるｎ型基板を準備することが好ましい。

次いで、図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板1の上に、たとえばＳｉ等のｎ型の不純物を含むｎ−ＧａＮ層（ＧａＮ半導体）１１をエピタキシャル成長する。このとき、膜厚、不純物濃度は必要とする耐圧に応じて決定する。例えば耐圧１ｋＶの場合、膜厚は約１０μｍ、Ｓｉの濃度２×１０^１６ｃｍ^−３とする。

そして、図１（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層（ＧａＮ半導体）１１にアクセプタとなるＭｇをイオン注入して、注入領域（注入層）１２を形成する。このとき、注入領域１２の深さ、注入量は、ｐｎダイオードのｐ層ｎ層へ空乏層の広がりが、アクセプタ濃度とドナー濃度の比で決まることから決定する。そこで、例えば注入領域１２の深さ方向全域に渡りＭｇ＝１ｘ１０^１９ｃｍ^−３、注入深さ０．３μｍとすれば、活性化率を考慮しても１ｋＶ以上の耐圧に対応できる。

さらに、図１（c）に示すように、ｎ−ＧａＮ層１１にＮをイオン注入する。このとき後述する深さ範囲、濃度範囲とする。

また、Ｍｇのイオン注入工程と、Ｎのイオン注入工程とは、Ｍｇイオン注入が先でもＮイオン注入が先でも結晶回復の効果を発揮するが、先にＭｇイオン注入を行い、次いでＮイオン注入をする方法がより好ましい。

これらのＭｇのイオン注入工程と、Ｎのイオン注入工程とにおいて、それぞれの濃度が略一定となる注入深さをそれぞれ設定することができる。
なお、ｐｎダイオードとされるＧａＮデバイス（ＩＩＩ族窒化物半導体）１０としては、図１（ｄ）に示すように注入領域１２の表面にｐ側電極１３が設けられ、また、ＧａＮ基板1の裏面にｎ側電極１４が形成される。

図２は、本実施形態におけるＧａＮデバイス（ＩＩＩ族窒化物半導体）の製造方法におけるＳＩＭＳ(二次イオン質量分析)プロファイルを示すグラフであり、図３は、本実施形態におけるＧａＮデバイス（ＩＩＩ族窒化物半導体）の製造方法におけるイオン注入装置の概略構成を示す平面図である。

また、図２において、実線で示すＭｇのプロファイルは、ＳＩＭＳ(二次イオン質量分析)によるプロファイル、点線で示すＮのプロファイルは、プロセスシミュレーションによる計算結果である。プロセスシミュレーション計算は、モンテカルロ法によりイオン注入過程の模擬計算をおこなうものである。

注入領域１２は、図２に示すように、ＭｇおよびＮが注入される。ここで、表面から深さ方向３００ｎｍ程度までは、Ｎが厚さ方向にほぼ等しい濃度となるようにして注入されている。また、表面から深さ方向４００ｎｍ程度までは、Ｍｇが厚さ方向にほぼ等しい濃度となるようにして注入されている。ＭｇとＮとは、これらの深さ方向に略均一な範囲が重なる深さ範囲を有するように形成され、これが注入領域１２とされている。

あるいは、注入領域１２として、ＭｇおよびＮが、いずれも表面からほぼ等しい深さまで略均等濃度となるように注入されることができる。この場合、深さ方向３００ｎｍ程度までは、Ｍｇ、Ｎがいずれも厚さ方向にほぼ等しく注入されることもできる。

なお、図２に示す縦軸の深さ０ｎｍから３００ｎｍ程度までが、図１に示す注入領域１２に対応している。

Ｍｇが厚さ方向にほぼ等しい濃度となる深さと、Ｎが厚さ方向にほぼ等しい濃度となる深さとは、後述する結晶回復の観点から、共に同じ深さとなる関係が必要である。

本実施形態におけるイオン注入については、以下の装置を使用する。

本実施形態におけるイオン注入装置１００は、図３に示すように、イオン源１１０、質量分離器１２０、質量分離スリット１３０、加減速管１４０、四重極レンズ１５０、走査器１６０、平行化装置１７０である。

なお、図示しないエンドステーションに配置されたイオンを注入するターゲットとなるＧａＮ基板１には、ｎ−ＧａＮ層１１が形成されている。
また、同図中、１１１は、中心軸（以下、「光軸」ともいう場合がある）を中心に進行するイオンであるが、以下、「イオンビーム」または「ビーム」という場合がある。

イオン源１１０は、原子や分子から電子を剥ぎ取ってイオンを生成する装置であり、図示しない引き出し口に高電圧を印加して、イオン源１１０内のイオンを引き出す。

質量分離器１２０は、イオンや電子等の荷電粒子が磁場または電場中で偏向される性質を利用して、磁場、あるいは、電場、または、その双方を発生して、基板１に注入したいイオン種を特定するための装置である。
図３では、磁場の作用によりイオン１１１を選定するタイプの質量分離器１２０で図示されている。

加減速管１４０は、質量分離スリット１３０を通過した所望のイオン種を加速または減速する装置であるが、図３に示すように、通常は軸対象で、複数の電極を等間隔に並べ、それらの電極に等しい高電圧を印加して、静電界の作用により、イオンビーム１１１を所望の注入エネルギーに加速または減速する。
なお、加減速管１４０を軸対称の構造とするのは、製作が容易となるためである。

四重極レンズ１５０は、イオンビーム１１１の基板１上でのビームスポット形状を調整するために、図３に示すように、加減速管１４０と走査器１６０との間に設置される。
四重極レンズ１５０は、光学上の凸レンズが光を収束するのと同様に、イオンビーム１１１がその進行方向に対して垂直な平面において収束させる機能を有する。

しかし、四重極レンズ１５０は、イオンビーム１１１の進行方向に対して、この垂直な平面内において、例えば水平方向（図３の紙面に水平な方向）に対して収束作用が働くと、それに直交する垂直方向（図３の紙面に垂直な方向）には発散作用が働く性質を備えている。
即ち、この点において水平・垂直方向共に光を収束させる光学上の凸レンズと顕著に相違する。

従って、図３に示すイオン注入装置１００では、水平方向に収束させる四重極レンズとして、及び、垂直方向に収束させる四重極レンズとして、通常、２個または３個（図示のものは２個）配置し、水平・垂直の双方向でビーム１１１を収束するようにしている。

四重極レンズ１５０には、主として、静電場の作用によりイオンビーム１１１を収束させる静電四重極レンズと、静磁場の作用によりイオンビームを収束させる磁気四重極レンズの二つの種類が存在する。
また、後述するように、四重極レンズ１５０の収束力（発散力）は、中心からの距離に比例する性質を有し、従って、外側ほど収束力（発散力）が強いことになる。

走査器１６０は、イオンビーム１１１の進行方向と直交する方向に一様な外部電界を発生させ、この電界の極性や強度を変化させることにより、イオンの偏向角度を制御し、図３に示すように、基板１の注入面の所望の位置にイオン１１１を走査し、均一に注入する。
図３に示すものでは、１ｋＨｚ程度の高速で走査されている。

平行化装置１７０は、荷電粒子であるイオン１１１が磁場中で偏向される性質を利用して、イオンビーム１１１を構成する各イオンの経路の違いによって、ビームの広がりを抑えて、ビーム１１１を基板１に平行に入射させる装置である。
なお、図３には、平行化装置１７０を図示しているが、必ずしも、イオン注入装置１００の必須の構成要素ではない。

基板１は、エンドステーション内に配置され、走査器１６０がイオンビーム１１１を走査する方向とは直交する方向に、１Ｈｚ程度の比較的遅い速度で機械的に走査される。

さらに、イオン注入装置１００には、質量分離スリット１３０と加減速管１４０との間に、イオンビーム１１１の外径を調整する調整用静電四重極レンズ１９０が配置されている。

以上の構成において、次に、イオン注入装置１００の基本動作を図面に基づいて説明する。

イオン注入装置１００では、基板１のイオン１１１の注入面全面に渡って一様な密度で所定のイオン種を所定のエネルギーでイオン注入をおこなうために、イオン源１１０から所定のエネルギーで引き出されたイオンビーム１１１は、質量分離器１２０で偏向され、質量分離スリット１３０で所定のイオン種のみが選別される。

選別されたイオンビーム１１１は加減速管１４０で、所望のエネルギーに加速または減速され、上述したように、１ｋＨｚ程度の周期の外部電界を走査器１６０に印加し、ＧａＮ基板１の走査面に走査される。

なお、上記では、外部電界によりイオンビーム１１１をスキャンする静電タイプの走査器１６０を取り上げたが、走査器１６０には静電タイプの代わりに磁気タイプのものが用いられる場合がある。

イオン１１１が固体中に入り込む深さは、イオン１１１のエネルギーで正確に制御できるので、例えば、イオン注入装置１００の立ち上げ時等で、イオンビームのドーズ量分布をモニタリングすると、基板１の注入面にイオンビーム１１１を走査することにより所望のイオン種の均一なイオン注入処理が容易におこなえる。

ここで、調整用静電四重極レンズ１９０が質量分離スリット１３０と加減速管１４０との間に配置されていることで、該調整用静電四重極レンズ１９０のイオンビーム１１１の収束発散作用により、イオンビーム１１１が下流の四重極レンズ１５０近傍におけるビーム１１１の外径を調整することが可能になる。

四重極レンズ１５０では、イオンビーム１１１の収束力は、中心からの距離に比例し外側ほど強い性質を有するために、調整用静電四重極レンズ１９０により、下流側の四重極レンズ１５０で外径が広がるように設定すれば、下流側の四重極レンズ１５０の強い収束力を引き出すことができる。

以下、本実施形態による結晶回復について説明する。

図４は、本実施形態におけるＧａＮデバイスの製造方法における単位格子を模式的に説明する斜視図である。
Ｍｇドープ前のＧａＮ結晶格子は、図４（ａ）に示すように、Ｇａ原子とＮ原子とで結晶格子が形成されている。なお、イオン注入される対象はｎ−ＧａＮ層１１であるが、図においてＳｉに関しては表示を省略している。

この状態で、上述したようにＭｇをイオン注入することで注入領域１２を形成する。このとき、理想的には、図４（ｂ）に示すように、ＧａＮの結晶格子においてＧａサイトにＭｇが配置置換された状態で結晶内に入り込む。
このように結晶内に置換されたＭｇは、アクセプタを活性化して、半導体としての特性を呈することになると期待される。

イオン注入を行った後、図２に示すように、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）測定により、ＧａＮ結晶内にＭｇが存在していることはわかる。
しかしながらＧａＮ結晶内において、ＭｇがＧａサイトに配置置換された状態であるかは判別できない。多くの場合、Ｍｇイオンのみを注入して活性化処理しただけではＭｇアクセプタの活性化は充分でなく、半導体としての予期される特性を得られていないのが実情である。つまりＧａＮ結晶内において、Ｍｇ原子は格子間に位置したり、Ｎサイトへの置換であったりと、Ｍｇ原子とＧａ原子との配置置換が充分でない可能性が大きいと考えられる。

この点を確認するために、低温下でのＣａｔｈｏｄｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ法（カソードルミネッセンス法、以下、低温ＣＬ法）による発光強度を測定した。
図５は、本実施形態において、低温ＣＬ法による発光強度を光子エネルギーに対して示したグラフである。

ＧａＮ結晶において、Ｍｇのイオン注入により、Ｇａの位置が入れ替わってＭｇが結晶内に入り込んでいると考えられる根拠としては、図５に示すように、低温ＣＬ法による発光強度として、ＤＡＰ（Ｄｏｎｏｒ−Ａｃｃｅｐｔｏｒ−Ｐａｉｒ）準位からの発光強度ピークが顕著に現れることから証明される。

ここで、低温ＣＬ法によるＤＡＰ準位からの発光強度ピークは、ＣＬによって観察された光子のうち、２．８５〜３．４ｅＶ程度の範囲にピークとして出現するものを意味する。

また、活性化処理と同時に結晶品質が回復している根拠としては、図５に示すように、低温ＣＬ法による発光強度として、ＢＥ（Ｂａｎｄ−Ｅｄｇｅ）準位からの発光強度ピークが現れることから証明される。

低温ＣＬ法によるＢＥ準位からの発光強度ピークは、カソードルミネッセンスによって観察された光子のうち、３．４〜３．５ｅＶ程度の範囲にピークとして出現するものを意味する。

さらに、ＧａＮ結晶において、Ｍｇイオン注入により窒素空孔Ｖ_Ｎおよび窒素空孔関連の結晶欠陥が発生しているという根拠は、ＧＬ（Ｇｒｅｅｎ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）準位からの発光ピークが現れることから推測できる。

低温ＣＬ法によるＧＬ準位からの発光強度ピークは、カソードルミネッセンスによって観察された光子のうち、２．０〜２．６ｅＶ程度の範囲にピークとして出現するものを意味する。

例えばＧａＮ結晶に存在する窒素空孔Ｖ_Ｎの結晶欠陥によるＧＬ準位から発光の報告は、非特許文献６に記載されている。

ここで、図５に示す低温ＣＬ法における測定条件としては、
測定温度：Ｔ＝１０Ｋ、
電子線加速電圧：５ｋＶ、
電子線侵入長：〜２００ｎｍ、
プローブ電流：１．０ｎＡ
とする測定条件を例示できる。

さらに、低温ＣＬ法によるＧＬ準位からの発光ピークは、ＭＯＶＰＥ法でエピ層中にＭｇドーピングしたものではほぼ現れないことからも、Ｍｇイオン注入によりＧａの位置にＭｇが結晶内に入り込むのにともなって、このＭｇイオン注入起因によって、ＧａＮ結晶品質が悪化していることが類推できる。

このＭｇイオン注入のみによって結晶品質が悪化し、さらにＭｇ原子がアクセプタとして活性化しない状態は、図４（ｂ）に示すようにＭｇイオン注入によってダメージを受けた結晶内において、Ｎ原子が結晶格子から飛び出してしまい、窒素空孔（Vacancy）Ｖ_Ｎが形成されて点欠陥になることに起因する、さらに窒素空孔（Vacancy）Ｖ_ＮとＭｇ原子の自己補償効果によって、注入されたＭｇ原子の活性化率が向上しないと、発明者らは考えた。

したがって、窒素空孔（Vacancy）Ｖ_ＮによるＭｇアクセプタ不活性化が正孔キャリア密度を制限する主な原因であると考えられるため、Ｍｇアクセプタを活性化しｐ型領域を低抵抗化するには、この窒素空孔（Vacancy）Ｖ_Ｎ発生の抑制、すなわち、ＧａＮ結晶格子の回復が必要であると発明者らは考えた。

このため、発明者らは、結晶格子から飛び出したＮ原子を補償するように過剰にＮイオン注入することで、ＧａＮ結晶格子に窒素空孔（Vacancy）Ｖ_Ｎとして形成された欠陥を補償し、Ｍｇアクセプタ活性化することを試みた。

そのため、図５に示すように、低温ＣＬ法による発光強度として、
「Ｍｇイオン注入のみ（Ｎイオン注入なし）」
「［Ｎ］＝５×１０^１８ｃｍ^−３（イオン注入した窒素Ｎの量ｎＮとＭｇの量ｎＭとが、ｎＮ：ｎＭ＝０．５：１）」
「［Ｎ］＝１×１０^１９ｃｍ^−３（イオン注入した窒素Ｎの量ｎＮとＭｇの量ｎＭとが、ｎＮ：ｎＭ＝１：１）」
としてそれぞれ示すように、ＤＡＰ準位からの発光強度スペクトル形状がほぼ変わらないまま、Ｎイオン注入プロセス起因によってＧＬ準位からの発光強度ピークが顕著に低下すること、そしてさらにイオン注入したＭｇの量ｎＭとＮの量ｎＮとが、１：１となる［Ｎ］＝１×１０^１９ｃｍ^−３の条件では、ＢＥ準位からの発光を観察できたという測定結果を得た。

この結果から、窒素Ｎを過剰にイオン注入することで、窒素空孔（Vacancy）Ｖ_Ｎが低減して、結晶が回復し、Ｍｇアクセプタが活性化していることがわかる。
また、このとき、イオン注入する窒素Ｎとしては、注入量をｎＮ、Ｍｇの注入量をｎＭとするとｎＮ／ｎＭ＝０．５〜５の条件が必要である。

ここで、低温ＣＬ法によるＤＡＰ準位とＢＥ準位とからの発光スペクトルが現れることは、それぞれＭｇアクセプタが活性化していること、結晶品質が回復していることに起因していると考えられる。したがって、本願発明者らは、ｐ−ＧａＮ膜の特性として、ＤＡＰとＢＥとの発光積分強度（エネルギー帯２．８５〜４．０ｅＶの発光強度の積分値）を総合した積分強度をＮＢＥ（Ｎｅａｒ−Ｂａｎｄ−Ｅｄｇｅ）と定義し、このＮＢＥとＧＬとの発光積分強度（エネルギー帯２．０＝２．６ｅＶの発光強度の積分値）との比ＮＢＥ／ＧＬをその指標として用いることとした。

さらに、注入する窒素イオンの量を変化させて低温ＣＬ測定をおこない、好ましい、窒素イオン注入量と、Ｍｇイオンの注入量との比を特定するに至った。
図５，図６に示すように、Ｎイオン注入量を、ｎＮ＝１．０×１０^１７ｃｍ^−３からｎＮ＝１．０×１０^２０ｃｍ^−３まで変化させたものと、窒素イオン注入をしていないもの（つまりＭｇイオン注入のみ）とで、それぞれの結晶状態を調べるために、低温ＣＬ法による発光強度の測定をおこなった。ＮＢＥとＧＬと準位からの発光積分強度比ＮＢＥ／ＧＬの結果を図６に示す。

図６は、図１（ｄ）に示した本実施形態における低温ＣＬ法による発光積分強度を、ＧＬ準位からの発光積分強度によって規格化し、発光積分強度比ＮＢＥ／ＧＬの変化を窒素イオン注入量に対して示したグラフである。

図５に示すように、窒素注入なし、あるいは、窒素注入量ｎＮ＝１．０×１０^１７ｃｍ^−３から１．０×１０^２０ｃｍ^−３で上昇させることで、ＧＬ準位からの発光積分強度が減少していることがわかる。また、窒素注入量ｎＮ＝５．０×１０^１８ｃｍ^−３を越えた注入領域からさらに急激に減少し、図６の、発光積分強度比ＮＢＥ／ＧＬの変化を見ると、窒素注入量ｎＮ＝１．０×１０^１９ｃｍ^−３付近で最大値をもつことがわかる。

さらに、図５に示す結果から、Ｎ＝１．０×１０^１９ｃｍ^−３まで増大すると、発光スペクトルがほぼ観測できないレベルにまで強度全体が減少する。図６では窒素注入量ｎＮ＝１．０×１０^１９ｃｍ^−３を超えると、発光積分強度比ＮＢＥ／ＧＬが急激に低下する領域が現れることが分かる。これはＧａＮ結晶内に過剰に窒素を入れたことで、結晶の配列が無秩序化されたことに起因すると考えられる。
つまり、本発明者らは、発光積分強度比ＮＢＥ／ＧＬが最大化される領域、つまり窒素の注入量ｎＮがＭｇの注入量ｎＭに対して、ｎＮ／ｎＭ＝０．５〜５の範囲に設定されることが好ましいことを見出した。

本実施形態におけるＧａＮデバイスの製造方法においては、過剰にＮをイオン注入することで、Ｍｇイオン注入において発生した結晶欠陥である窒素空孔（Vacancy）Ｖ_Ｎを低減させてＧａＮ結晶格子を回復していること、あるいは、この窒素空孔（Vacancy）Ｖ_Ｎに起因するＭｇ_Ｇａとの自己補償作用を低減させ、Ｍｇアクセプタの活性化を実現することができ、これにより発光積分強度比ＮＢＥ／ＧＬが最大化されることが可能となる。これにより、ｎ−ＧａＮ層１１に注入領域１２として形成したｐ型領域を所望の状態として設定することが可能になる。

さらに、上記の実施形態においては、Ｍｇイオン注入とＮイオン注入工程に加えて、Ｈイオン注入工程を有することができる。Ｈイオン注入工程においては、イオン注入領域１２の深さ方向全長にわたって、Ｈがほぼ均一な濃度となるようにイオン注入することができる。

本実施形態のＧａＮデバイスとしては、上記のｎ−ＧａＮ層１１に注入領域１２を形成したデバイス例として、図１（ｅ）といった構成を挙げることができる。

以下、本発明にかかる実施例を説明する。

なお、本発明における具体例について説明する。
ここでは、図１，図２に示すように、ＧａＮ基板上に2μｍとして形成したｎ−ＧａＮ層に、ＭｇとＮとを注入した。その際の諸元を示す。

ＧａＮ基板；ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）による基板成長
ＧａＮ基板厚さ；３００μｍ
ＧａＮ基板Ｓｉ濃度；Ｓｉ≧１．０×１０^１８ｃｍ^−３
ｎ−ＧａＮ層；有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によるエピタキシャル成長
ｎ−ＧａＮ層Ｓｉ濃度；Ｓｉ＝２．０×１０^１６ｃｍ^−３
ｎ−ＧａＮ層膜厚；２μｍ

イオン共注入条件：いずれも室温下でのイオン注入
Ｍｇ；〜１．０×１０^１９ｃｍ^−３，３００ｎｍ−ｄｅｅｐ−ｂｏｘ−ｐｒｏｆｉｌｅ
Ｎ；〜１．０×１０^１９ｃｍ^−３，３００ｎｍ−ｄｅｅｐ−ｂｏｘ−ｐｒｏｆｉｌｅ

活性化処理条件：窒素雰囲気中
到達温度：１３００℃
保持時間：３０ ｓｅｃ

これらのＧａＮデバイスを、低温ＣＬ法により発光強度を測定した。
その際の測定条件としては、
測定温度：Ｔ＝１０Ｋ
電子線加速電圧：５ｋＶ
電子線侵入長：〜２００ｎｍ
プローブ電流：１．０ｎＡ
この結果を図５に示す。

さらに、図５から得られた発光積分強度比ＮＢＥ／ＧＬと窒素濃度との関係を図６に示す。

これらの結果から、窒素の注入量ｎＮがＭｇの注入量ｎＭに対して、
ｎＮ／ｎＭ＝０．５〜５
の範囲に設定されることで発光積分強度比ＮＢＥ／ＧＬが最大化され、イオン注入した領域を所望のｐ型領域として設定することが可能になる。

図１（ｅ）に示した本実施形態のｐｎダイオードＧａＮデバイスにおける電流-電圧特性を図７に示す。

本発明の活用例として、縦型ＧａＮパワーデバイス製造方法への応用を挙げることができる。

１０…ＧａＮデバイス（ＩＩＩ族窒化物半導体）
１…ＧａＮ基板
１１…ｎ−ＧａＮ層（ＧａＮ半導体）
１２…注入領域（注入層）
１３…ｐ側電極
１４…ｎ側電極

Claims (5)

1. ＩＩＩ族窒化物半導体の製造において、貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であるＩＩＩ族窒化物半導体層内にＩＩ族原子をイオン注入し、加えて窒素イオンを共注入し、然る後、活性化処理してｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体を製造することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
2. 貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下である前記ＩＩＩ族窒化物半導体層内に注入された前記窒素イオンの注入量ｎＮと、前記ＩＩ族原子イオンの注入量ｎＭとの比を、
   ｎＭ＝１×１０^１９ｃｍ^−３以上の場合には、ｎＮ／ｎＭ＝０．５〜５の範囲、
   Ｍ＝１×１０^１９ｃｍ^−３より小さい場合は、ｎＮ／ｎＭ＝０．０１〜１０の範囲、
   とすることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
3. 貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下である前記ＩＩＩ族窒化物半導体層内に注入された前記ＩＩ族原子が深さ方向に分布する領域において、前記ＩＩ族原子の分布する領域の全体、もしくは、前記ＩＩ族原子の分布する領域の少なくとも一部に、イオン注入された前記窒素原子が分布することを特徴とする請求項１または２記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
4. 前記ＩＩＩ族窒化物半導体層内に前記ＩＩ族原子のイオン注入に加えて、前記窒素イオンの注入、さらに、水素イオンの注入をおこなうことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に用いることを特徴とするイオン注入装置。