JP4852786B2

JP4852786B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法及びｉｉｉ族窒化物半導体素子

Info

Publication number: JP4852786B2
Application number: JP2000373823A
Authority: JP
Inventors: 徹加地; 由崇中野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-12-08
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: JP2002176004A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はIII族窒化物半導体の製造方法に関する。より詳しくは、不純物イオンの打ち込みによる、ドープ又は組成の変化を生じた領域を有するIII族窒化物半導体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板の集積回路作製と同様に、III族窒化物半導体に不純物をイオン注入（イオン打ち込み）してｐ及びｎ型領域を形成する研究は既に報告がある。例えばJ. C. Zolper, et al., Appl. Phys. Lett.70(20), 19 May 1997, pp.2729-2731及び参考文献に記載がある。これらはいずれもｎ型領域を形成するためにドナー元素（例えばSi）のみ、ｐ型領域を形成するためにアクセプタ元素（例えばMg）のみ、をイオン注入するものである。イオン注入の後、熱アニールによりイオン注入により新たに生じた結晶欠陥を回復して結晶性を高め、注入原子をGa等III族原子サイトに配置させることで注入原子のドナー或いはアクセプタとしての活性化を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、熱アニールのみではイオン注入により新たに生じた結晶欠陥のすべては回復しない。その結果、イオン注入前よりも結晶欠陥の増大したIII族窒化物半導体となってしまう。また、熱アニールのみでは、注入した原子のドナー或いはアクセプタとしての活性化は十分でない。即ち、注入した原子の活性化率が余り向上しないという問題があった。
【０００４】
本発明者らは検討を重ね次のような原因が上記問題に寄与しているものと考えた。第１に、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。また、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。
【０００５】
第２に、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。しかし、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。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、イオン注入による窒素空孔の抑制と、注入した原子のGa等III族原子サイトへの配置の向上したIII族窒化物半導体の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の手段は、主たる構成元素以外の元素をイオン注入したIII族窒化物半導体の製造方法において、主たる構成元素以外の、III 族窒化物半導体に対してドナー原子、又は、アクセプタ原子となる不純物元素と、窒素とを、不純物元素の深さ方向の密度分布と、窒素以外の主たる構成元素に比し注入により過剰となった窒素の深さ方向の密度分布が、一致するように、イオン注入することを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法である。
【０００８】
「主たる構成元素以外の元素」とは、イオン注入されるIII族窒化物半導体が例えばGaNならば、Ga、N以外の元素をいい、Si、Ge、Mg、Zn、Al、Inほかいずれの元素でも良い。
【０００９】
またこの場合、主たる構成元素Ga、N以外の元素を複数打ち込む場合も当然本願請求項１に包含される。本願請求項１の発明は、任意の構成のIII族窒化物半導体（Al_xGa_yIn_1-x-yN、x≧0、y≧0、x+y≦1）に適用される。
【００１０】
「窒素以外の主たる構成元素に比し過剰となった窒素の深さ方向の密度分布」とは、イオン注入されるIII族窒化物半導体が例えばGaNならば、もともとあるべきGaとNは密度分布は略同一であったものが、窒素をイオン注入することによりGaよりもNの密度分布は大きくなる、その差をいう。
【００１１】
また、請求項２に記載の手段は、請求項１に記載のIII族窒化物半導体の製造方法において、不純物元素と窒素のイオン注入ののち、保護膜を形成して１０００℃以上の温度でアニールすることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３の発明は、主たる構成元素以外の元素と窒素とをイオン注入したIII族窒化物半導体において、主たる構成元素以外の、III 族窒化物半導体に対してドナー原子、又は、アクセプタ原子となる不純物元素の深さ方向の密度分布と、窒素以外の主たる構成元素に比し注入により過剰となった窒素の深さ方向の密度分布が一致することを特徴とするIII族窒化物半導体である。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【作用及び発明の効果】
所望の元素とともに窒素をイオン注入するので、イオン注入により窒素原子が抜けるなどして窒素原子が不足となるのを補償することができる。これにより、イオン注入した領域において、窒素原子数と、イオン注入した所望の元素の原子数とIII族の原子数の差が大きく異なることがなくなり、窒素空孔の発生が抑えられ、イオン注入した所望の元素がIII族元素サイトに配置する。主たる構成元素以外の元素と窒素のイオン注入ののち、保護膜を形成して１０００℃以上の温度でアニールすれば、窒素空孔の発生が抑えられ、イオン注入した所望の元素がIII族元素サイトに配置することが確実となる。このとき、所望の元素の深さ方向の密度分布と、注入により窒素以外の主たる構成元素に比し過剰となった窒素の深さ方向の密度分布が、略一致するようにすれば、窒素原子数と、イオン注入した所望の原子数とIII族の原子数の和が略等しくなり、更に効果が増す。
【００１６】
イオン注入する元素がドナー又はアクセプタであれば、高い活性化率を有するｎ型領域、ｐ型領域を形成することができる。
【００１７】
上記のようなイオン注入により、高性能のIII族窒化物半導体素子を得ることができる。この場合、注入イオンの役割は伝導型に限らず、発光素子、受光素子その他の半導体素子としての様々なドーパントに応用できる。特にｎ型領域、ｐ型領域を所望の位置に形成することができるので、III族窒化物半導体基板又は任意基板上のIII族窒化物半導体厚膜上に、エピタキシャル成長をともなわずに各種所望の高性能のIII族窒化物半導体素子を得ることができる。それらはダイオード、トランジスタその他の回路素子又はそれらを集積した素子とすることができる。勿論、本願発明の工程により所望の元素がイオン注入された領域上にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させても、或いは、エピタキシャル成長により多数の半導体層を重ねて形成したその上に、本願発明の工程により所望の元素がイオン注入された領域を形成しても良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔第１実施例−本願の効果の証拠〕
本発明の具体的な第１の実施例として、ノンドープの高抵抗GaN表面に、次のように条件を変えてGeをイオン注入し、熱アニールを施した。
【００１９】
サファイア基板上に有機金属成長法(MOCVD)を用いた周知の方法によりGaNを2μmの厚さに形成した。このGaN膜は不純物のドープを行わず、高抵抗を示した。このGaN表面に、図１の試料番号１〜８の条件でGe⁺及びN⁺をイオン注入した。Ge⁺及びN⁺は、イオン注入する場合はドーズ量を1×10¹⁵cm^-2とし、加速電圧をそれぞれ図１の条件とした。次にイオン注入した面をSiO₂で被膜し、水素雰囲気中、1300℃で熱アニールを行った。この時の熱アニール時間は、図１に示すとおり、5分又は2分で行った。この後、1cm²のチップに裁断し、ホール効果によるキャリア密度測定を行った。いずれもｎ伝導型を示し、図１の「シートキャリア密度（単位cm^-2）」の欄の通りとなった。ここからGe原子の活性化率（注入したGe原子数に対する発生したキャリア数）を図１の通り求めた。
【００２０】
また、熱アニール前に試料番号１乃至４について、チップの一部を裁断して、深さ（単位nm）に対する注入Ge原子及びN原子の分布を測定した。この結果を図２に濃度（単位cm^-2）として示した。
【００２１】
尚、図１及び図２で、試料番号２、３、４及び８が本発明の実施（Ge⁺及びN⁺をイオン注入）にかかり、他の試料番号１（Ge⁺のみイオン注入）、５（Ge⁺もN⁺もイオン注入しない）、６（N⁺のみイオン注入）及び７（Ge⁺のみイオン注入）は比較例である。
【００２２】
図１から、次のことが言える。まず、本発明の実施例（Ge⁺及びN⁺をイオン注入）に係る試料番号２、３、４の順に、不純物Ge原子の高い活性化率９２％、６４％、６０％を得た。試料番号１（Ge⁺のみイオン注入）のシートキャリア密度は3.3×10¹⁴cm^-2と高く、見かけの活性化率は８２％と計算できるが、それは試料番号５（Ge⁺もN⁺もイオン注入しない）の高いシートキャリア密度1.0×10¹⁴cm^-2（窒素空孔によるドナー発生）との差がGe原子によるキャリア発生と見るべきであり、これにより活性化率は５７％とすべきである。尚、試料番号６（N⁺のみイオン注入）から、窒素注入の場合の窒素空孔によるドナー発生は、試料番号２、３、４におけるGe原子によるキャリア発生よりも１けた小さいと言える。試料番号２、３、４の活性化率の算出においても試料番号６の結果による補正を行った。また、熱アニール時間の短い試料番号７、８においては、試料番号１、４との比較において、１けた小さいキャリア密度となっている。これは、そもそもアニール不十分により結晶内原子の再配置が完結せず、伝導度が下がったものと言うことができる。
【００２３】
試料番号２、３、４（本発明の実施例）及び試料番号１（比較例）の活性化率の差については図２から、次のとおり説明できる。熱アニール前において、試料番号２、３、４（本発明の実施例）及び試料番号１（比較例）は、Ge⁺イオンのドーズ量と加速電圧が同じであり、Ge原子の深さ方向の分布にほとんど差がないことがわかる。一方、試料番号２、３、４（本発明の実施例）において、N⁺イオンのドーズ量を一定として、加速電圧を変化させたので、N原子の深さ方向の分布には大きな差が生じたことがわかる。。
【００２４】
試料番号２（本発明の実施例）においては注入したGe原子の深さ方向の分布と、N原子の深さ方向の分布とがほぼ一致していることがわかる。これに比して、試料番号３（本発明の実施例）、試料番号４（本発明の実施例）の順に、Ge原子の深さ方向の分布とN原子の深さ方向の分布がずれ、注入されたGe原子とN原子の数（又は密度）がどの深さにおいても大きく乖離していく様子がわかる。実質的に、Ge原子の存在する深さにおいて、試料番号３、４（本発明の実施例）は、試料番号２（本発明の実施例）よりも試料番号１（比較例）に近いものとなっている。ここから図１に示した活性化率の差は、深さに対して注入されたGe原子とN原子の数（密度）の一致の度合いが大きいほど活性率が高く、一致の度合いが小さいほど活性率が低いものとして説明できる。即ち、深さに対して注入された原子（III族窒化物半導体構成元素以外の原子）とN原子の数（密度）の一致の度合いが大きいほど、熱アニール等により注入された原子のGaサイトへの配置が確実となり、且つ熱アニール等により窒素空孔を生じることが少なくなる。
【００２５】
このように、図１及び図２示す結果から、本願発明の効果が証明された。即ち、III族窒化物半導体に主たる構成元素以外の元素をイオン注入する際、窒素をイオン注入することで、注入された構成元素以外の原子のGaサイトへの配置が確実とすることができ、また、窒素空孔を生じることも抑制できる。熱アニール等は十分に行うことがよく、窒素脱離を防ぐためマスクを形成して1000℃以上の温度で熱アニールすることが望ましい。また、注入された構成元素以外の原子と窒素とは、深さ方向の密度分布が略一致することが望ましい。
【００２６】
〔第２実施例〕
III族窒化物半導体に対しアクセプタ（ｐ型不純物）として働く元素としてMgを用い、耐圧を向上させる為のガードリングを形成したショットキーダイオード２００を次のように作製し、本願発明効果を調べた。尚、図３にショットキーダイオード２００の断面図を示す。
【００２７】
サファイア基板２１上に厚さ4μmのアンドープGaN２２を形成した。このGaN２２はｎ型を示し、キャリア濃度は2×10¹⁶cm^-3であった。このn-GaN２２上に300nm厚のアルミニウム(Al)膜を真空蒸着により形成したのち、フォトリソグラフィにより内径250μm、外径350μmのドーナツ状の窓を開け、n-GaN膜２２面を露出させた。このドーナツ状のn-GaN膜２２面に、Mg⁺イオンをドーズ量1×10¹⁴cm^-2、注入エネルギー20〜400keVにてイオン注入し、加えて、N⁺イオンをドーズ量1×10¹⁴cm^-2、注入エネルギー20〜200keVにてイオン注入した。尚、これによりMgとNは深さ約0.5μmまで略同一の密度分布で注入された。
【００２８】
次にAl膜を酸で除去し、CVD法によりSiO₂膜を500nmの厚さでn-GaN膜２２全面に形成した。次に水素雰囲気中1300℃で5分アニールし、MgのGaサイトへの配置とアクセプタとしての活性化を行った。こうして、n-GaN膜２２表層にドーナツ状のp-GaN:Mg領域２３が形成された。
【００２９】
次に、p-GaN:Mg領域２３を含めn-GaN膜２２全面にAlを500nmの厚さに蒸着し、p-GaN:Mg領域２３と同心円状に直径500μmの窓を開けてp-GaN:Mg領域２３を含めたn-GaN膜２２面を露出させた。これを窒素雰囲気中300℃でアニールし、直径500μmの窓を有するAl膜２４をn-GaN膜２２のオーミック電極とした。次に、p-GaN:Mg領域２３の一部を覆い且つ同心円状に直径300μm、膜厚100nmのPt膜２５１を形成し、Pt膜上に膜厚500nmのAl膜２５２を形成してショットキー電極２５とした。こうして作製したショットキーダイオード２００の構成を図３に示す。比較例として、N⁺イオンを注入しないで、p-GaN:Mg領域２３９を形成する他は同様としたショットキーダイオード２０９と、p-GaN:Mg領域２３９を形成せず、n-GaN２２に直径500μmの窓を有するAl膜２４（オーミック電極）と同心円状に直径300μm、膜厚100nmのPt膜２５１、膜厚500nmのAl膜２５２からなるショットキー電極２５のみ形成したショットキーダイオード２９９についても作製した。
【００３０】
これらショットキーダイオード２００（本実施例）並びに２０９及び２９９（比較例）のＩＶ特性を図４に示す。図４から、p-GaN:Mg領域２３形成に際し、N⁺イオンをMgとNを略同一の密度分布となるよう注入したのち熱アニールした本実施例に係るショットキーダイオード２００は、逆方向電位に対し、200V以上の耐圧を有することがわかる。一方、比較例に係るショットキーダイオード２０９（p-GaN:Mg領域２３９あり、N⁺イオン注入せず）は150V、ショットキーダイオード２９９（p-GaN:Mg領域無し）は100Vの逆方向電位耐圧しか有さない。この結果は、ショットキーダイオード２００において、低抵抗ｐ型層が形成されることによりショットキー電極２５エッジ部での電界集中が緩和されたことを示しており、本願発明により、p-GaN:Mg領域のMgの活性化率が向上したことを意味する。
【００３１】
本願発明の効果は、窒素をイオン注入しないものに比し、窒素のドーズ量がGeに対し1/10から1/100程度の場合でも一定の効果が見られた。このように、窒素のイオン注入は、単にｎ型又はｐ型の伝導度を向上させるのではなく、III族窒化物半導体結晶格子のIII族原子サイトへの注入原子の配置を促進させ、窒素空孔発生の抑制をもたらすものである。よって、ｎ型不純物（例えばSi、Ge）、ｐ型元素（例えばBe、Mg、Ca、Zn）の他、例えば発光中心として働く元素（例えばEr、Euなどの希土類元素、Mnなどのその他の遷移元素）、絶縁性を高めるための元素（例えばCr、Fe、V、Niなどの深いアクセプタ準位を形成する元素）の導入など、あらゆる目的について、III族窒化物半導体へのイオン注入に適用できる。
【００３２】
上記第２実施例ではショットキーダイオードにより本願発明の効果を説明したが、本願発明に係るIII族窒化物半導体の製造方法は、任意の不純物がイオン注入された領域を有するIII族窒化物半導体に適用できるのであり、これを用いることのできる半導体素子は、およそIII族窒化物半導体を用いる全ての半導体素子である。即ち、III族窒化物半導体を用いた、ダイオード、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ他ユニポーラトランジスタ、任意のｐｎ接合素子、発光素子、受光素子及びそれらを集積した集積回路が、本願発明に係るIII族窒化物半導体素子に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例におけるイオン注入条件等とGe原子の活性化率の関係を示す表図。
【図２】本発明の第１実施例における、異なる４つのイオン注入条件による注入されたGe原子及びN原子の密度分布。
【図３】本発明の第２実施例における、ショットキーダイオードの構成を示す断面図。
【図４】本発明の第２実施例におけるショットキーダイオードのＩＶ特性を、比較例と共に示したグラフ図。
【符号の説明】
２、３、４、８本発明の第１の実施例に係るイオン注入によりｎ型領域を形成したIII族窒化物半導体試料
１、５、６、７本発明の第１の実施例と比較するためのIII族窒化物半導体試料
２００本発明の第２の実施例に係るIII族窒化物半導体素子
２０９比較のためのIII族窒化物半導体素子
２９９比較のための別のIII族窒化物半導体素子
２１基板
２２ノンドープのn-GaN膜
２３ p-GaN:Mg領域(N⁺注入有り)
２３９ p-GaN:Mg領域(N⁺注入無し)
２４ Al電極(オーミック接触)
２５１ Pt膜
２５２ Al膜
２５ショットキー電極

Claims

主たる構成元素以外の元素をイオン注入したIII族窒化物半導体の製造方法において、
前記主たる構成元素以外の、前記III 族窒化物半導体に対してドナー原子、又は、アクセプタ原子となる不純物元素と、窒素とを、前記不純物元素の深さ方向の密度分布と、窒素以外の主たる構成元素に比し注入により過剰となった窒素の深さ方向の密度分布が、一致するように、イオン注入することを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。
前記不純物元素と窒素のイオン注入ののち、保護膜を形成して１０００℃以上の温度でアニールすることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
主たる構成元素以外の元素と窒素とをイオン注入したIII族窒化物半導体において、
前記主たる構成元素以外の、前記III 族窒化物半導体に対してドナー原子、又は、アクセプタ原子となる不純物元素の深さ方向の密度分布と、窒素以外の主たる構成元素に比し注入により過剰となった窒素の深さ方向の密度分布が一致することを特徴とするIII族窒化物半導体。