JP2021082789A - 窒化物半導体基板および窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体装置の不純物拡散領域をイオン注入によって形成するための技術を提供する。【解決手段】窒化物半導体基板は、不純物がイオン注入によって導入されている領域を備える。イオン注入が行われた領域およびその近傍に空孔型の転位ループが存在している。【選択図】図１

Description

本明細書に開示する技術は、窒化物半導体基板およびその製造方法に関する。

窒化物半導体装置の不純物拡散領域をイオン注入によって形成する技術が知られている。例えば窒化物半導体がＧａＮである場合には、ｐ型不純物としてＭｇをイオン注入する。なお、特許文献１には、関連する技術が開示されている。

特開平５−１８３１８９号公報

イオン注入では、結晶中に空孔型点欠陥が導入されてしまう。空孔型点欠陥によってアクセプタが補償されるため、欠陥密度が高いほど実効アクセプタ濃度が低下し、デバイス特性が悪化してしまう場合がある。

本明細書に開示する窒化物半導体基板の一実施形態は、不純物がイオン注入によって導入されている領域を備える。イオン注入が行われた領域およびその近傍に空孔型の転位ループが存在している。

イオン注入によって導入された空孔型点欠陥を、空乏型の転位ループとして析出させることで、転位ループの周辺の点欠陥を減少させることができる。転位ループは、刃状転位のループである。刃状転位は、点欠陥に比して、アクセプタを補償する効果が小さい。実効アクセプタ濃度の低下を抑制できるため、デバイス特性の悪化を防止することができる。

窒化物半導体基板はウルツ鉱型結晶構造であってもよい。空孔型の転位ループはａ面上に存在していてもよい。

窒化物半導体基板はＧａＮであってもよい。不純物はマグネシウムであってもよい。

本明細書に開示する窒化物半導体基板の製造方法の一実施形態は、窒化物半導体基板の表面に不純物をイオン注入することで、イオン注入が行われた領域に空孔型点欠陥を発生させるイオン注入工程を備える。製造方法は、窒化物半導体基板を１３００℃よりも高い温度でアニールすることで、空孔型点欠陥を空孔型の転位ループとして析出させるアニール工程を備える。効果の詳細は実施例で説明する。

アニール工程は、アニール温度における窒化物半導体基板の飽和蒸気圧以上の高圧雰囲気化で行われてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

ＧａＮ基板のＴＥＭ像およびＳＩＭＳ分析結果を示す図である。 ＧａＮ基板のＴＥＭ像およびＳＩＭＳ分析結果を示す図である。 ＧａＮ完全結晶の結晶構造の模式図である。 空孔型の転位ループの結晶構造の模式図である。 空孔型の転位ループの形成メカニズムを説明する図である。 空孔型の転位ループの形成メカニズムを説明する図である。 空孔型の転位ループの形成メカニズムを説明する図である。 比較例のＧａＮ基板のＴＥＭ像およびＳＩＭＳ分析結果を示す図である。 ＣＬスペクトルを示す図である。 ホール効果測定の温度特性を示す図である。

（窒化物半導体基板）
図１に、本明細書に記載の窒化物半導体基板の一例を示す。本実施例では、窒化物半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）、II族元素のｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いている。図１（Ａ）は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いた、Ｍｇの深さ方向の濃度プロファイルである。図１（Ａ）の横軸はＭｇの濃度［ｃｍ^−３］である。縦軸は、ＧａＮ基板の表面からの深さである。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に対応するＴＥＭ断面写真である。紙面上方向が、ｃ軸方向（［０００１］方向）である。紙面右方向が、ｍ軸方向（［１−１００］方向）である。紙面に垂直な方向が、ａ軸方向（［１１−２０］方向）である。ＧａＮ基板の表面は、ｃ面（（０００１）面）である。また図１（Ｂ）の断面は、ａ面（（１１−２０）面）である。回折ベクトルｇ（ＴＥＭ観察の際に選択された回折格子面の法線ベクトル）は、１−１００方向である。

図１（Ａ）のＭｇ濃度プロファイルＰ０は、ＧａＮ基板の表面にＭｇがイオン注入された状態の濃度プロファイルである。すなわちＭｇ濃度プロファイルＰ０は、アニール前のＭｇの濃度プロファイルである。図１（Ａ）のＭｇ濃度プロファイルＰ１は、Ｍｇ濃度プロファイルＰ０を有するＧａＮ基板を１４８０℃でアニールした後に測定された結果である。アニールは、１ＧＰａの窒素雰囲気中で、３０秒間行われた。

Ｍｇがイオン注入によって導入されている領域を、注入領域Ｒ１と定義する。図１の例では、注入領域Ｒ１は、ＧａＮ基板表面から１５００ｎｍ程度の深さまでの領域である。図１（Ｂ）に示すように、注入領域Ｒ１およびその近傍には、楕円形状の転位が複数存在している。例えば、矢印で示す転位ループＤＬ１などである。これらの転位ループは、さらに詳細なＴＥＭ解析によれば転位型である。

図２も、本明細書に記載の窒化物半導体基板の一例である。図２では、回折ベクトルｇが０００１方向である。図２のその他の内容は、前述した図１と同様であるため、説明を省略する。図２（Ｂ）では、楕円形状の転位ループはほとんど見えない。つまり、回折ベクトルｇ＝１−１００方向では転位ループが明瞭に観察され、回折ベクトルｇ＝０００１方向ではほとんど見えない事から、フランク型の転位ループである。さらに詳細なＴＥＭ解析から、この転位ループは空孔型（いわゆるベーカンシータイプ）であることがわかった。

（空孔型の転位ループの定義）
図３および図４を用いて、本明細書における空孔型の転位ループを説明する。図３（Ａ）にＧａＮ完全結晶の結晶構造の模式図を示す。図３（Ａ）では、分かりやすさのためにガリウム原子のみを記載し、窒素原子は省略している。紙面上方向が、ａ軸方向（［１１−２０］方向）である。紙面右方向が、ｍ軸方向（［１−１００］方向）である。紙面に垂直な方向が、ｃ軸方向（［０００１］方向）である。ＧａＮはウルツ鉱型結晶構造である。

なお以降において、図３（Ａ）の結晶構造におけるガリウム原子２原子層を、図３（Ｂ）のように一本の線で簡略化して表記する場合がある。図３（Ｂ）では、欠陥のない原子層を直線で示している。

図４に、空孔型の転位ループの結晶構造例の模式図を示す。図４は、前述した図３（Ｂ）と同様にして、原子層を直線で簡略化して表記している。図４（Ａ）は、図３と同様にして、［０００１］方向（すなわちＧａＮ基板の表面側）からＧａＮ結晶を見た図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の結晶構造を［１１−２０］方向から見た図である。図４（Ａ）に示すように、空孔型の転位ループＤＬは、空格子点の原子層の板状集合体である。転位ループは、フランク転位(Frank dislocation)とも呼ばれる。空孔型の転位ループＤＬは、ａ面である（１１−２０）面上に形成される。

本明細書の空孔型の転位ループＤＬは、隣接する原子層の位置に形成された空格子点の板状集合体である。よって、空孔型の転位ループＤＬが存在する領域では、上側の原子層１１と下側の原子層１２とが結合することで周期性が保たれている。よって空孔型の転位ループＤＬは、完全転位ループである。すなわち、転位ループＤＬの内側および外側も、点欠陥が存在しない結晶である。また図４（Ｂ）に示した完全転位ループ以外にも、空孔型の転位ループＤＬは不完全な転位ループ（いわゆる積層欠陥）を形成することもある。

図４（Ａ）において、転位線Ｌ１は、紙面に対して垂直方向に伸びている。また転位に伴うすべりの向きを示すバーガースベクトルｂは、［１１−２０］方向（紙面の上下方向）となる。転位線Ｌ１とバーガースベクトルｂの方向とが直交するため、空孔型の転位ループＤＬは刃状転位であることが分かる。

（転位ループの形成メカニズム）
図４〜図７を用いて、空孔型の転位ループの形成メカニズムを説明する。第１のステップとして、図５（Ａ）に示すように、ＧａＮ基板の表面（ａ面）からＭｇをイオン注入する。イオン注入により、空孔型の点欠陥ＰＤが複数発生する。点欠陥ＰＤは、ガリウム空孔や窒素空孔などである。なお、図５（Ａ）〜図７（Ａ）では、点欠陥ＰＤを、空白で示している。また図５（Ｂ）〜図７（Ｂ）では、点欠陥ＰＤを原子が抜けた空白で示している。

第２のステップとして、アニール工程が行われる。アニール工程では、１３００℃よりも高い温度でＧａＮ基板をアニールする。アニール温度は、好ましくは１３５０℃以上、より好ましくは１４００℃以上である。本実施例では、アニール温度は１４８０℃とした。またアニール期間は３０秒とした。

またアニール工程は、アニール最高温度におけるＧａＮ基板の飽和蒸気圧以上の高圧下で行われる。ＧａＮの飽和蒸気圧は、１４８０℃で約１ＧＰａである。本実施例では、窒素雰囲気で１ＧＰａに加圧した状態でアニールした。

図６に、アニール工程の途中段階の模式図を示す。アニールにより活性化エネルギーが与えられると、点欠陥ＰＤは結晶内を移動し、凝集を開始する（図６、矢印Ｙ１）。これにより、転位ループＤＬの形成が始まる。

図７に、アニールの最終段階の模式図を示す。さらに点欠陥ＰＤが凝集することで（図７、矢印Ｙ２）、原子層の厚さを有する、空格子点の板状集合体が形成される。これにより、空孔型の転位ループＤＬが完成する。また、転位ループＤＬの周辺の点欠陥ＰＤは消滅する。最終的に、図４に示す空孔型の転位ループの結晶構造が形成される。

（アニール温度）
本明細書の技術で使用するアニール温度の意義を説明する。図８に、比較例のＧａＮ基板を示す。図８の比較例では、１３００℃でアニールしている。その他の条件は、図１で説明した条件と同一である。図８（Ｂ）の断面ＴＥＭ写真から分かるように、注入領域Ｒ１およびその近傍には、楕円形状の転位が見られない。これにより、１３００℃以下のアニール温度では、空孔型の転位ループが形成されないことが分かる。これは、１３００℃以下では、空孔型点欠陥が析出するための十分な活性化エネルギーを与えることができないためと考えられる。すなわち、１３００℃より高い温度は、空孔型の転位ループを形成することができる特異温度であることが分かる。

また１３００℃のアニール温度では、イオン注入されたＭｇが円盤状に析出する場合があることが、発明者らの実験によって確認された。また、析出したＭｇを含んだ欠陥が、ＴＥＭ像において輪の形状に観察される場合があることも確認された。しかし、これらの輪の形状の欠陥は、Ｍｇが析出した構造を備えるため、本明細書の「空孔型の転位ループ」の構造とは根本的に異なるものである。またＭｇが析出すると、ＭｇがＧａサイトに取り込まれにくくなるため、Ｍｇの活性化率（ドープした不純物のうち活性化した不純物の割合）が低下してしまうことも確認された。

（ｐ型不純物の活性化）
本明細書の転位ループの意義を、ｐ型不純物の活性化の観点から説明する。図９に、カソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルＣＳ１〜ＣＳ３を示す。横軸はフォトンエネルギー［ｅＶ］であり、縦軸はＣＬ強度［任意単位］である。ＣＬスペクトルＣＳ１は、表面にＭｇがイオン注入されたＧａＮ基板を、通常の圧力下で１３００℃でアニールした後に測定された結果である。同様に、ＣＬスペクトルＣＳ２は、１ＧＰａの圧力下での１３００℃のアニール後の測定結果である。また、ＣＬスペクトルＣＳ３は、１ＧＰａの圧力下での１４８０℃のアニール後の測定結果である。何れのアニールも３０秒のアニール時間で行われた。

２．８−３．４ｅＶの範囲Ｒ２は、Ｍｇがアクセプタとして活性化したことを示すドナーアクセプタペア発光の範囲である。範囲Ｒ２におけるピークＣＬ強度ＰＩ１〜ＰＩ３は、それぞれ、約１、約２、約１６である。すなわち、アニール温度の１３００℃と１４８０℃との間を境界として、ＣＬ強度が急上昇する。すなわち、１３００℃より高い温度は、Ｍｇの活性化率が急上昇する特異温度であることが分かる。アニール温度が１３００℃までの範囲において、Ｍｇの活性化率が低い理由は、主に２つ考えられる。第１に、１３００℃までのアニール温度では、空孔型の転位ループが形成されないため、空孔型点欠陥が高密度に存在した状態が維持される。この高密度な点欠陥によりアクセプタが補償されてしまうためである。第２に、１３００℃までのアニール温度では、前述したようにＭｇが析出する場合がある。その結果、ＭｇがＧａサイトに取り込まれにくくなるためである。

図１０を用いて、ｐ型不純物の活性化の実証例を説明する。図１０は、ホール効果測定の温度特性を示す。横軸は温度［Ｋ］および温度係数［Ｋ^−１］であり、縦軸はホール濃度［ｃｍ^−３］である。丸のプロットＰＬ１は、本明細書における、Ｍｇイオン注入で形成されたｐ型ＧａＮのホール濃度を示す。具体的には、１ＧＰａの圧力下で１４００℃、５分のアニールを行っている。また比較例である、三角のプロットＰＬ１１、四角のプロットＰＬ１２、菱形のプロットＰＬ１３は、エピタキシャル成長で形成されたｐ型ＧａＮのホール濃度を示す。プロットＰＬ１１〜ＰＬ１３は、それぞれ、Ｍｇ濃度が２．３×１０^１８［ｃｍ^−３］、３．９×１０^１７［ｃｍ^−３］、６．５×１０^１６［ｃｍ^−３］である。

図１０から分かるように、本明細書においてＭｇイオン注入で形成されたｐ型ＧａＮのホール濃度の温度依存性は、比較例のエピタキシャル成長で形成されたｐ型ＧａＮのホール濃度と同じ温度依存性の傾向を示している。すなわち本明細書の技術によれば、Ｍｇが十分に活性化されたｐ型ＧａＮを、イオン注入によって形成できる。

（効果）
イオン注入を行うと、ＧａＮ結晶内に空孔型点欠陥が導入されてしまう。空孔型点欠陥によってアクセプタが補償されるため、実効アクセプタ濃度が低下してしまう。しかし点欠陥をすべて消滅させたり、結晶外に掃き出すことは困難である。本明細書に記載されている技術では、Ｍｇがイオン注入されたＧａＮ基板を１３００℃より高い温度でアニールすることで、ＧａＮ結晶中の空孔型点欠陥を「空乏型の転位ループ」として析出させることができる。これにより、転位ループの周辺の点欠陥密度を低下させることができるため、実効アクセプタ濃度の低下を抑制できる。また転位ループは、刃状転位である。刃状転位は、点欠陥に比してアクセプタを補償する効果が小さいため、デバイスの電気特性に与える影響が小さい。よって、点欠陥を刃状転位に変換することで、デバイス特性の悪化を防止することができる。

空孔型の転位ループは、一般に、すべり面が結晶本来のすべり面と一致しないため、運動しにくい転位（不動転位）である。よって、空孔型点欠陥を空乏型の転位ループとして析出させることで、点欠陥を、デバイス特性に影響が少ない状態で固定（ゲッタリング）することができる。点欠陥を電気的に不活性にすることができる。

ＧａＮは、８５０℃以上の温度で熱分解してしまうため、アニール温度を高くすることが困難である。本明細書の技術では、アニール工程を、アニール最高温度におけるＧａＮ基板の飽和蒸気圧以上の高圧下で行う。例えば、アニール最高温度が１４８０℃の場合には、１ＧＰａの超高圧下でアニールを行う。これにより、ＧａＮ基板の熱分解を防止しながら、１３００℃以上での高温アニールを行うことができる。よって、空孔型の転位ループを形成することが可能となる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

（変形例）
窒化物半導体はＧａＮに限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）または、その混晶等であってもよい。

上記の実施例では、ｐ型領域を形成するためのII族元素の一例としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いていたが、この構成に限定されるものではない。II族元素は、例えばベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）等であってもよい。

上記の実施例では、ｐ型領域をイオン注入で形成する場合を説明したが、この形態に限られない。ｎ型領域をイオン注入で形成する場合にも、本明細書の技術を適用可能である。この場合の不純物元素の一例としては、シリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）が挙げられる。

アニール工程は、高圧下に限られない。任意の圧力下でアニールを行っても、本明細書の技術の効果を得ることができる。

Ｍｇのイオン注入では、水素や窒素を同時に注入してもよい。窒素を共注入することにより、イオン注入時に発生してしまう窒素空孔を減少させることができる。

Ｍｇは、不純物の一例である。ＧａＮは、窒化物半導体の一例である。

ＤＬ：転位ループ Ｒ１：注入領域 Ｐ０〜Ｐ２：Ｍｇ濃度プロファイル ＰＤ：点欠陥 ＰＬ１、ＰＬ１１〜ＰＬ１３：プロット

Claims (7)

1. 不純物がイオン注入によって導入されている領域を備え、
   前記イオン注入が行われた領域およびその近傍に空孔型の転位ループが存在している、窒化物半導体基板。
2. 前記窒化物半導体基板はウルツ鉱型結晶構造であり、
   前記空孔型の転位ループはａ面上に存在している、請求項１に記載の窒化物半導体基板。
3. 前記窒化物半導体基板はＧａＮである、請求項１または２に記載の窒化物半導体基板。
4. 前記不純物はマグネシウムである、請求項１〜３の何れか１項に記載の窒化物半導体基板。
5. 窒化物半導体基板の表面に不純物をイオン注入することで、イオン注入が行われた領域に空孔型点欠陥を発生させるイオン注入工程と、
   前記窒化物半導体基板を１３００℃よりも高い温度でアニールすることで、前記空孔型点欠陥を空孔型の転位ループとして析出させるアニール工程と、
   を備える、窒化物半導体基板の製造方法。
6. 前記アニール工程は、アニール温度における前記窒化物半導体基板の飽和蒸気圧以上の高圧雰囲気化で行われる、請求項５に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
7. 前記窒化物半導体基板はウルツ鉱型結晶構造であり、
   前記空孔型の転位ループはａ面上に存在している、請求項５または６に記載の窒化物半導体基板の製造方法。

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