JP6801556B2 - Manufacturing method of semiconductor devices - Google Patents

Manufacturing method of semiconductor devices Download PDF

Info

Publication number
JP6801556B2
JP6801556B2 JP2017065018A JP2017065018A JP6801556B2 JP 6801556 B2 JP6801556 B2 JP 6801556B2 JP 2017065018 A JP2017065018 A JP 2017065018A JP 2017065018 A JP2017065018 A JP 2017065018A JP 6801556 B2 JP6801556 B2 JP 6801556B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor device
manufacturing
heat treatment
ion implantation
type semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017065018A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018170335A (en
Inventor
隆弘 藤井
隆弘 藤井
正芳 小嵜
正芳 小嵜
隆樹 丹羽
隆樹 丹羽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyoda Gosei Co Ltd
Original Assignee
Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyoda Gosei Co Ltd filed Critical Toyoda Gosei Co Ltd
Priority to JP2017065018A priority Critical patent/JP6801556B2/en
Priority to US15/914,046 priority patent/US10636663B2/en
Publication of JP2018170335A publication Critical patent/JP2018170335A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6801556B2 publication Critical patent/JP6801556B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

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 into a group III nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN) has been known. Patent Documents 1 to 3 describe, as a method for forming a p-type semiconductor region, a method in which a p-type impurity is ion-implanted into a semiconductor layer and then a heat treatment is performed to restore crystallinity in the ion-implanted region. ing.

特開2004−356257号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-356257 特開2016−181580号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-181580 特許第5358955号Patent No. 5358955

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, in general, the deterioration of crystallinity due to ion implantation is severe, and there is a possibility that the conventional method cannot sufficiently recover the deterioration of crystallinity in the ion implantation region even after heat treatment. Further, if the deterioration of crystallinity in the ion implantation region cannot be sufficiently recovered, there is a problem that the leakage current of the semiconductor device increases. Therefore, a method for sufficiently recovering the deterioration of crystallinity in the ion-implanted 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。
[形態1]半導体装置の製造方法であって、
基板に、n型不純物を含有しIII属窒化物半導体から形成されるn型半導体層と、前記n型半導体層におけるドナーとなる元素を主成分としない元素から形成されるスルー膜と、をこの順に形成する工程と、
前記スルー膜が形成された状態でn型不純物を含有する前記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、
前記イオン注入後において、前記スルー膜上にキャップ層を形成する工程と、
前記p型不純物がイオン注入されたイオン注入領域を、前記スルー膜と前記キャップ層とからなる被覆層で被覆した状態において、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。

Figure 0006801556
[形態2]半導体装置の製造方法であって、
n型不純物を含有しIII属窒化物半導体から形成される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、
加熱装置を用いて、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、
前記加熱装置における前記温度Tおよび前記時間tを設定する制御装置において、前記積算ドーズ量Dを用いて下記(1)式に基づき、前記温度Tと前記時間tとを設定する工程を、さらに備える、半導体装置の製造方法。
Figure 0006801556
The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
[Form 1] A method for manufacturing a semiconductor device.
On the substrate, an n-type semiconductor layer containing an n-type impurity and formed of a group III nitride semiconductor and a through film formed of an element whose main component is not a donor element in the n-type semiconductor layer are formed. The process of forming in order and
An ion implantation step of ion-implanting a p-type impurity into the n-type semiconductor layer containing the n-type impurity with the through film formed at an integrated dose amount D.
After the ion implantation, a step of forming a cap layer on the through film and
A heat treatment in which the ion-implanted region in which the p-type impurities are ion-implanted is covered with a coating layer composed of the through film and the cap layer, and heat treatment is performed at a temperature T and a time t in a nitrogen-containing atmosphere. With process,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the integrated dose amount D, the temperature T, and the time t satisfy the following equation (1).
Figure 0006801556
[Form 2] A method for manufacturing a semiconductor device.
An ion implantation step of ion-implanting a p-type impurity into an n-type semiconductor layer containing an n-type impurity and formed from a group III nitride semiconductor with an integrated dose amount D.
A heat treatment step in which the ion-implanted region in which the p-type impurities are ion-implanted is heat-treated at a temperature T and a time t in an atmosphere containing nitrogen using a heating device.
With
The control device for setting the temperature T and the time t in the heating device further includes a step of setting the temperature T and the time t based on the following equation (1) using the integrated dose amount D. , Manufacturing method of semiconductor device.
Figure 0006801556

(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。

Figure 0006801556
(1) According to one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device is provided. The method for manufacturing this semiconductor device includes an ion implantation step of ion-implanting a p-type impurity into an n-type semiconductor layer containing an n-type impurity with an integrated dose amount D, and an ion implantation region in which the p-type impurity is ion-implanted. A heat treatment step of performing heat treatment at a temperature T and a time t in an atmosphere containing nitrogen is provided, and the integrated dose amount D, the temperature T, and the time t satisfy the following equation (1). .. According to the method for manufacturing a semiconductor device of this form, the deterioration of crystallinity in the ion implantation region can be recovered.
Figure 0006801556

(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 above-mentioned production method, in the ion implantation step, the p-type impurity may contain 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 above-mentioned production method, 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-mentioned 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-mentioned production method, at least one selected from the group consisting of nitrogen, ammonia, and hydrazine may be used as the 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-mentioned production 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 method for manufacturing a semiconductor device. For example, it can be realized in the form of a semiconductor device manufactured by using the above-mentioned manufacturing method, an apparatus for manufacturing a semiconductor device by using the above-mentioned manufacturing method, or the like.

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.

第1実施形態における半導体装置の構成を模式的に示す断面図。The cross-sectional view which shows typically the structure of the semiconductor device in 1st Embodiment. 第1実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図。The process drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device in 1st Embodiment. キャップ層が形成された後の状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the state after the cap layer was formed. 評価試験の結果を示す図。The figure which shows the result of the evaluation test. 熱処理工程における時間と、半値幅との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the time in a heat treatment process and a half width. 熱処理工程における時間と、半値幅との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the time in a heat treatment process and a half width. 熱処理工程における温度と、熱処理工程における時間との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the temperature in a heat treatment process and time in a heat treatment process. p型半導体領域への積算ドーズ量と、ホール濃度との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the integrated dose amount to the p-type semiconductor region, and the hole density. 第2実施形態における半導体装置の構成を模式的に示す断面図。The cross-sectional view which shows typically the structure of the semiconductor device in 2nd Embodiment. 第3実施形態における半導体装置の構成を模式的に示す断面図。The cross-sectional view which shows typically the structure of the semiconductor device in 3rd Embodiment.

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 the configuration of the semiconductor device 100 according to the first embodiment. FIG. 1 shows XYZ axes that are orthogonal to each other. Of the XYZ axes of FIG. 1, the X axis is an axis from the left side of the paper surface to the right side of the paper surface of FIG. The + X-axis direction is the direction toward the right side of the paper surface, and the −X-axis direction is the direction toward the left side of the paper surface. Of the XYZ axes of FIG. 1, the Y axis is an axis from the front side of the paper surface to the back side of the paper surface of FIG. The + Y-axis direction is the direction toward the back of the paper, and the −Y-axis direction is the direction toward the front of the paper. Of the XYZ axes of FIG. 1, the Z axis is an axis extending from below the paper surface to above the paper surface of FIG. The + Z-axis direction is the direction toward the top of the paper, and the −Z-axis direction is the direction toward the bottom of the paper. The XYZ axes in FIG. 1 correspond to the XYZ axes in other figures.

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 semiconductor device 100 is a GaN-based semiconductor device formed by using gallium nitride (GaN). In this embodiment, the semiconductor device 100 is a vertical pn junction diode. In this embodiment, the semiconductor device 100 is used for power control.

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 semiconductor device 100 includes a substrate 110, an n-type semiconductor layer 112, and a p-type semiconductor region 113. The semiconductor device 100 has a recess 124 as a structure formed in these semiconductor layers. The semiconductor device 100 further includes an insulating film 130, an anode electrode 142, and a cathode electrode 144.

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 substrate 110, the n-type semiconductor layer 112, and the p-type semiconductor region 113 of the semiconductor device 100 are plate-shaped semiconductors extending along the X-axis and the Y-axis. In the present embodiment, the substrate 110, the n-type semiconductor layer 112, and the p-type semiconductor region 113 are formed of a group III nitride semiconductor. Examples of the group III nitride semiconductor include gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), aluminum gallium nitride (AlGaN), indium gallium nitride (InGaN), and indium gallium nitride (InAlGaN). From the viewpoint of being used in a semiconductor device for power control, gallium nitride (GaN) and aluminum gallium nitride (AlGaN) are preferable as the group III nitride semiconductor. In this embodiment, gallium nitride (GaN) is used as the group III nitride semiconductor. In addition, in the range where the effect of this embodiment is exhibited, a part of gallium nitride (GaN) may be replaced with another group III element such as aluminum (Al) or indium (In), and may contain other impurities. You may.

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 substrate 110 of the semiconductor device 100 is a semiconductor having n-type characteristics. In the present embodiment, the silicon (Si) concentration contained in the substrate 110 is 1 × 10 18 cm -3 or more. In the present embodiment, the thickness of the substrate 110 (length in the Z-axis direction) is 100 μm or more and 500 μm or less.

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-type semiconductor layer 112 of the semiconductor device 100 is a semiconductor having n-type characteristics. In the present embodiment, the n-type semiconductor layer 112 is located on the + Z axis direction side of the substrate 110. In the present embodiment, the silicon (Si) concentration contained in the n-type semiconductor layer 112 is 1 × 10 16 cm -3 . In the present embodiment, the thickness (length in the Z-axis direction) of the n-type semiconductor layer 112 is 10 μm or more and 20 μm or less.

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-type semiconductor region 113 of the semiconductor device 100 is a region formed by ion implantation on the surface (the surface on the + Z axis direction side) of the n-type semiconductor layer 112. The p-type semiconductor region 113 is also referred to as an ion implantation region 113. The semiconductor in the p-type semiconductor region 113 has p-type characteristics. In the present embodiment, the p-type semiconductor region 113 contains magnesium (Mg) as an acceptor element (p-type impurity). In the present embodiment, the concentration of magnesium (Mg) in the p-type semiconductor region 113 is 1 × 10 18 cm -3 or more and 5 × 10 19 cm -3 or less. In the present embodiment, the thickness (length in the Z-axis direction) of the p-type semiconductor region 113 is 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.

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-type semiconductor region 113, the full width at half maximum of the diffraction peak on the (0002) plane in the omega (ω) angle scan by X-ray diffraction measurement is 100 arcsec or less, preferably 60 arcsec or less.

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 recess 124 of the semiconductor device 100 is a groove that penetrates the p-type semiconductor region 113 from the surface (the surface on the + Z axis direction side) of the p-type semiconductor region 113 and falls into the n-type semiconductor layer 112. In the present embodiment, the recess 124 is formed by dry etching the p-type semiconductor region 113 and the n-type semiconductor layer 112. Due to the recess 124, the p-type semiconductor region 113 has a plateau-like shape having a surface and a side surface.

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 anode electrode 142 of the semiconductor device 100 is formed on the p-type semiconductor region 113. The anode electrode 142 is an electrode that makes ohmic contact with the p-type semiconductor region 113. In the present embodiment, the anode electrode 142 is an electrode formed by applying heat treatment to a layer formed of palladium (Pd).

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(SiO)から形成されている。 The insulating film 130 of the semiconductor device 100 is a film formed on the n-type semiconductor layer 112 and the anode electrode 142 and having electrical insulation. In the present embodiment, the insulating film 130 is in contact with the surface of the n-type semiconductor layer 112 and a part of the surface of the anode electrode 142, and is also in contact with the side surface of the p-type semiconductor region 113 and the side surface of the anode electrode 142. In the present embodiment, the insulating film 130 is formed of silicon dioxide (SiO 2 ).

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 cathode electrode 144 of the semiconductor device 100 is an electrode that makes ohmic contact with the back surface of the substrate 110 on the −Z axis direction side. In the present embodiment, the cathode electrode 144 is an electrode formed by laminating a layer formed of aluminum (Al) on a layer formed of titanium (Ti) and then applying heat treatment.

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 semiconductor device 100 according to the first embodiment. First, in step P101, after preparing the substrate 110, the manufacturer continuously forms the n-type semiconductor layer 112 and the through film on the substrate 110 in this order. The through film is used to adjust the concentration distribution of p-type impurities implanted in the n-type semiconductor layer 112 in the ion implantation step described later. The n-type semiconductor layer 112 and the through film are formed by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. By continuously forming the n-type semiconductor layer 112 and the through film, impurity contamination between the n-type semiconductor layer 112 and the through film can be prevented. The through film is formed of an element whose main component is not a donor element in a group III nitride semiconductor. By doing so, it is possible to prevent the component elements of the through film from being implanted into the n-type semiconductor layer 112 in the ion implantation step described later. In the present embodiment, the through film is formed of amorphous aluminum nitride (AlN), and the thickness of the through film is 30 nm.

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。

Figure 0006801556
ここで、Tは、後述する熱処理工程における温度(℃)であり、tは、熱処理工程における時間(分)である。例えば、まず、温度Tを1250℃と設定し、時間tを0.1分(6秒)と設定した場合、(1)式の右辺は4.6×1014となる。このため、温度Tが1250℃であり、時間tが0.1分(6秒)である場合、積算ドーズ量Dは4.6×1014cm−2以下となる。これとは反対に、まず、所望のホール濃度から必要な積算ドーズ量Dを設定した後、(1)式を満たすように温度Tと時間tとを設定してもよい。 Next, in step P103, the manufacturer ion-implants the p-type impurity into the n-type semiconductor layer 112 containing the n-type impurity with an integrated dose amount D (cm- 2 ) that satisfies the following equation (1). The step P103 is also referred to as an ion implantation step.
Figure 0006801556
Here, T is the temperature (° C.) in the heat treatment step described later, and t is the time (minutes) in the heat treatment step. For example, when the temperature T is first set to 1250 ° C. and the time t is set to 0.1 minutes (6 seconds), the right side of the equation (1) is 4.6 × 10 14 . Therefore, when the temperature T is 1250 ° C. and the time t is 0.1 minutes (6 seconds), the integrated dose amount D is 4.6 × 10 14 cm- 2 or less. On the contrary, the temperature T and the time t may be set so as to satisfy the equation (1) after first setting the required integrated dose amount D from the desired hole concentration.

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 impurities implanted in the ion implantation step by the integrated dose amount. The smaller the integrated dose amount, the smaller the half 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 amount, the smaller the crystal defects in the ion implantation region 113 due to ion implantation.

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 contains 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 surface side (+ Z-axis direction side surface) of the n-type semiconductor layer 112, in which the p-type impurities are injected, becomes the p-type semiconductor region 113 by undergoing the heat treatment described later.

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 amount is preferably 1.0 × 10 14 cm- 2 or more and 1.0 × 10 15 cm- 2 or less. In this 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-type semiconductor layer 112 with the through film formed, the distribution of the concentration of p-type impurities injected into the n-type semiconductor layer 112 can be appropriately adjusted. In the ion-implanted region, the concentration distribution of the implanted impurities is the sum of two or more normal distributions in the depth direction (Z-axis direction). Here, when the concentration distribution is a normal distribution, the concentration of the injected impurities becomes the highest at a position at a predetermined distance from the exposed surface in the depth direction (Z-axis direction). It means that the concentration of impurities decreases as the distance from the front side and the back side increases. Ion implantation is performed in a state where a through film designed to have the highest concentration of magnesium atoms (Mg) is arranged at a predetermined position in the n-type semiconductor layer 112 near the surface of the n-type semiconductor layer 112. Thereby, the peak of the concentration of impurities can be set near the surface of the n-type semiconductor layer 112.

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 view showing a state after the cap layer is formed. In FIG. 3, the cap layer 154 formed on the through film 152 is formed of amorphous aluminum nitride (AlN) in this embodiment. In the present embodiment, the cap layer 154 is formed by the organic metal vapor phase growth method (MOCVD), but may be formed by a sputtering method.

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 film 152 and the cap layer 154 are the coating layer 150 that covers the ion implantation region 113 in the heat treatment step described later. In this embodiment, the coating layer 150 is made of amorphous aluminum nitride (AlN). In the present embodiment, the thickness of the cap layer 154 is 1 nm or more and 1000 nm or less. The cap layer 154 may be formed of, for example, (i) aluminum gallium nitride (AlGaN), and by (ii) sputtering, a layer of aluminum nitride (AlN) and a layer of aluminum gallium nitride (AlGaN). And may be used in this order.

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 region 113 in which p-type impurities are ion-implanted in an atmosphere containing nitrogen (N). Step P107 is also referred to as a heat treatment step. The heat treatment step is carried out in the state shown in FIG. Further, in the present embodiment, the heat treatment is performed in a state where the p-type semiconductor region 113 is covered, but the heat treatment may be performed in a state where the p-type semiconductor region 113 is exposed.

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 equation (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 this 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(N)と、アンモニア(NH)と、ヒドラジン(N)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。 Further, as the nitrogen source in the heat treatment step, 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 ). By undergoing the heat treatment step, p-type impurities in the ion implantation region 113 are activated, and a high hole concentration can be obtained.

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 coating layer 150. In the present embodiment, the manufacturer performs wet etching using tetramethylammonium hydroxide (TMAH) having a pH of 65 ° C. or higher and 85 ° C. or lower. In addition, dry etching may be used instead of wet etching.

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 recess 124 by dry etching. Then, in step P113, the manufacturer forms an electrode on the ion implantation region 113 by at least one of a vapor deposition method and a sputtering method. In the present embodiment, the manufacturer forms the anode electrode 142 and the cathode electrode 144 on the ion implantation region 113 by a vapor deposition method.

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(SiO)と、酸化アルミニウム(Al)と、窒化ケイ素(Si)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(SiO)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。 Then, in step P115, the manufacturer applies silicon dioxide (SiO 2 ) on the n-type semiconductor layer 112 and the anode electrode 142 by at least one of a sputtering method and an atomic layer deposition method (ALD). The insulating film 130 is formed from at least one selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ). In the present embodiment, the manufacturer forms the insulating film 130 from silicon dioxide (SiO 2 ) by the atomic layer deposition method. Through these steps, the semiconductor device 100 is completed.

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。

Figure 0006801556
A-3. Effect According to the manufacturing method of the first embodiment described above, the ion implantation step (step P103) and the heat treatment step (step P107) are provided, and the integrated dose amount D (cm- 2 ) and the temperature in the heat treatment step are provided. When T (° C.) and the time (minutes) in the heat treatment step satisfy the following equation (1), the deterioration of crystallinity in the ion implantation region can be recovered. The results of the evaluation test confirming that such an effect can be obtained are shown.
Figure 0006801556

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, 50 arcsec, respectively. A vertical pn junction diode having a type semiconductor region 113 was manufactured according to the above-mentioned manufacturing method. FIG. 4 shows the results of measuring the leakage current when a voltage is applied to these vertical pn junction diodes. In FIG. 4, the horizontal axis is the voltage (V) and the vertical axis is the leak current (A). Here, in FIG. 4, the vertical axis is shown logarithmically.

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, it was found that the leakage current of the vertical pn junction diode with a half width of 150 arcsec is very high compared to the theoretical characteristics, whereas the leakage current of the vertical pn junction diode becomes smaller as the half width becomes smaller. 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 almost 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 full width at half maximum when the temperature T in the heat treatment step is changed. In FIG. 5, the horizontal axis is the time t (minutes) in the heat treatment step, and the vertical axis is the full width at half maximum (arcsec). In FIG. 5, the horizontal axis is shown logarithmically. FIG. 5 shows the result of setting the temperature T in the heat treatment step to 1250 ° C and the result of setting the temperature T to 1300 ° C. Here, the integrated dose amount was set to 2.3 × 10 15 cm- 2 . From FIG. 5, the following was found. That is, it was found that the half-value width decreased exponentially as the time t in the heat treatment step increased. Further, in FIG. 5, the time t and the full width at half maximum in the heat treatment step can be expressed by a linear function, and when the temperature T in the heat treatment step is changed, the slope of this linear function hardly changes, and the slope of this linear function does not change. It was found that only the sections changed.

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 full width at half maximum when the integrated dose amount is changed. In FIG. 6, the horizontal axis is the time t (minutes) in the heat treatment step, and the vertical axis is the full width at half maximum (arcsec). In FIG. 6, the horizontal axis is shown logarithmically. In FIG. 6, the cumulative 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 half-value width decreased exponentially as the time t in the heat treatment step increased. Further, in FIG. 6, the time t and the full width at half maximum in the heat treatment step can be expressed by a linear function, and when the integrated dose amount is changed, the slope of this linear function hardly changes, and only the intercept of this linear function. Turned out 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。

Figure 0006801556
From the above results, it was found that the integrated dose amount D (cm- 2 ), the time t (minutes) in the heat treatment step, and the temperature T (° C.) in the heat treatment step satisfy the relationship of the following formula (2). ..
Figure 0006801556

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。

Figure 0006801556
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the temperature T in the heat treatment step and the time t in the heat treatment step. In FIG. 7, the horizontal axis is the temperature T (° C.) in the heat treatment step, and the vertical axis is the time t (minutes) in the heat treatment step. In FIG. 7, the vertical axis is shown logarithmically. FIG. 7 shows the result of setting the integrated dose amount to 2.3 × 10 15 cm- 2 . In FIG. 7, the relational expression of the above equation (2) is shown by a straight line L. Further, in FIG. 7, the test results under the heat treatment conditions of the temperature T and the time t whose half width is 60 arcsec or less are indicated by “□ (white square)”, and the temperature T and time when the half width is larger than 60 arcsec The test results under the heat treatment conditions with t are indicated by "■ (black square)". From this result, it can be seen that the straight line L representing the relational expression of the above equation (2) is the boundary line between the heat treatment conditions indicated by “□” and the heat treatment conditions indicated by “■”. It was found that the full width at half maximum was 60 arcsec or less when the relational expression of the equation (1) was satisfied.
Figure 0006801556

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. The second test result FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the integrated dose amount into the p-type semiconductor region 113 and the hole concentration after the heat treatment step in the ion implantation region 113. In FIG. 8, the horizontal axis is the integrated dose amount (cm- 2 ) to the p-type semiconductor region 113, and the vertical axis is the hole concentration (cm- 3 ). In FIG. 8, the vertical axis and the horizontal axis are shown logarithmically.

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 amount, the greater the crystal deterioration of the p-type semiconductor region 113 due to ion implantation. Therefore, in order to restore the crystallinity in the p-type semiconductor region 113, it is necessary to lengthen the time in the heat treatment step, and it is necessary to raise the temperature in the heat treatment step. On the other hand, the smaller the integrated dose amount, the smaller the crystal deterioration of the p-type semiconductor region 113 due to ion implantation. Therefore, the time in the heat treatment step can be shortened, and the temperature in the heat treatment step can be lowered, but there is a possibility that the required hole concentration cannot be obtained.

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。 From FIG. 8, it was found that the hole concentration did not increase when the integrated dose amount was too large or too small, and that the hole concentration became the highest when the integrated dose amount was set to a specific value.

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 make the withstand voltage of the pn junction diode 600 V or more, the hole concentration in the ion implantation region 113 after the heat treatment step needs to be 1 × 10 16 cm -3 or more. In FIG. 8, when the integrated dose amount is 1.0 × 10 14 cm- 2 or more and 1.0 × 10 15 cm- 2 or less, the hole concentration in the ion implantation region 113 after the heat treatment step is 1 × 10 16 cm. It becomes -3 or more. Therefore, the integrated dose amount is preferably 1.0 × 10 14 cm- 2 or more and 1.0 × 10 15 cm- 2 or less.

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。 Further, in general, in an omega (ω) angle scan by X-ray diffraction measurement, the smaller the half width of the diffraction peak on the (0002) plane, the smaller the crystal defect in the ion implantation region. Although there is a report that the half width is 150 arcsec or less due to epitaxial growth (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-167275), there is no report that the half width is 60 arcsec or less in the region where ion implantation is performed. Therefore, according to the production method in the present embodiment, it can be seen that the deterioration of crystallinity in the ion implantation region is sufficiently 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 the configuration of the semiconductor device 200 in the second embodiment. In the present embodiment, the semiconductor device 200 is a GaN-based semiconductor device formed by using gallium nitride (GaN), and is a vertical Schottky barrier diode. In this embodiment, the semiconductor device 200 is used for power control.

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 semiconductor device 200 includes a substrate 210, an n-type semiconductor layer 212, and a p-type semiconductor region 213. The semiconductor device 200 has a recess 222 as a structure formed in these semiconductor layers. The semiconductor device 100 further includes an insulating film 253, an anode electrode 251 and a cathode electrode 252.

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 method for manufacturing the semiconductor device 200 of the present embodiment, similarly to the first embodiment, the n-type semiconductor layer 212 containing (i) n-type impurities has an integrated dose amount D satisfying the above-mentioned equation (1). The ion implantation step of ion-implanting the p-type impurity and (ii) the p-type semiconductor region 213, which is the ion-implanted region in which the p-type impurity is ion-implanted, are subjected to the above-mentioned equation (1) in an atmosphere containing nitrogen. A heat treatment step of performing heat treatment at a temperature T and a time t to be satisfied is provided. Therefore, even in the manufacturing method of the semiconductor device 200 of the present embodiment, the deterioration of crystallinity in the ion implantation region can be recovered.

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 semiconductor device 200 of the present embodiment, after the heat treatment step, a sputtering method and an atomic layer deposition method are performed on the n-type semiconductor layer 212 and on the p-type semiconductor region 213 which is an ion injection region. At least one of them comprises a step of forming an insulating film 253 from at least one selected from the group consisting of silicon dioxide, aluminum oxide, and silicon nitride. Since the p-type semiconductor region 213 is restored to its crystallinity by the heat treatment step, leakage current at the interface with the insulating film 253 can be prevented. Therefore, in the method for manufacturing the semiconductor device 200 of the present embodiment, a good semiconductor is used. You can get the device.

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 the configuration of the semiconductor device 300 according to the third embodiment. In the present embodiment, the semiconductor device 300 is a GaN-based semiconductor device formed by using gallium nitride (GaN), and is a vertical trench MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). In this embodiment, the semiconductor device 300 is used for power control.

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 semiconductor device 300 includes a substrate 310, an n-type semiconductor layer 312, a p-type semiconductor region 313, a p-type semiconductor layer 314, and an n-type semiconductor layer 316. The semiconductor device 300 has a trench 322 and a recess 324 as a structure formed in these semiconductor layers. The semiconductor device 300 further includes an insulating film 330, a gate electrode 342, a body electrode 344, a source electrode 346, and a drain electrode 348.

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 method for manufacturing the semiconductor device 300 of the present embodiment, similarly to the first embodiment, the n-type semiconductor layer 312 containing the n-type impurity (i) has an integrated dose amount D satisfying the above-mentioned equation (1). The ion implantation step of ion-implanting the p-type impurity and (ii) the p-type semiconductor region 313, which is the ion-implanted region in which the p-type impurity is ion-implanted, are subjected to the above-mentioned equation (1) in an atmosphere containing nitrogen. A heat treatment step of performing heat treatment at a temperature T and a time t to be satisfied is provided. Therefore, even in the manufacturing method of the semiconductor device 300 of the present embodiment, the deterioration of crystallinity in the ion implantation region can be recovered.

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 semiconductor device 300 of the present embodiment, after the heat treatment step, the organic metal vapor phase growth method and the molecular beam epitaxy method are performed on the p-type semiconductor region 313, which is an ion implantation region, by at least one of them. A step of forming a p-type semiconductor layer 314 containing a p-type impurity is provided. Since the crystallinity of the p-type semiconductor region 313 is restored, the crystallinity of the p-type semiconductor layer 314 formed on the flat surface of the p-type semiconductor region 313 is improved. Therefore, in the method of manufacturing the semiconductor device 300 of the present embodiment, a good semiconductor device can be obtained.

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 by various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the outline of the invention may be used to solve some or all of the above-mentioned problems. , It is possible to replace or combine as appropriate in order to achieve some or all of the above effects. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.

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(Ga)、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(Al)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), and the like. It may be gallium oxide (Ga 2 O 3 ), gallium arsenide (GaAs), diamond (C) or the like. The material of the substrate may be, for example, sapphire (Al 2 O 3 ) in addition to the material of the semiconductor layer described above.

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
100 ... Semiconductor device 110 ... Substrate 112 ... n-type semiconductor layer 113 ... p-type semiconductor region (ion implantation region)
124 ... recess 130 ... insulating film 142 ... anode electrode 144 ... cathode electrode 150 ... coating layer 152 ... through film 154 ... cap layer 200 ... semiconductor device 210 ... substrate 212 ... n-type semiconductor layer 213 ... p-type semiconductor region 222 ... recess 251 ... Anode electrode 252 ... Cathode electrode 253 ... Insulation film 300 ... Semiconductor device 310 ... Substrate 312 ... n-type semiconductor layer 313 ... p-type semiconductor region 314 ... p-type semiconductor layer 316 ... n-type semiconductor layer 322 ... Insulation film 342 ... Gate electrode 344 ... Body electrode 346 ... Source electrode 348 ... Drain electrode D ... Integrated dose amount T ... Temperature t ... Time

Claims (7)

半導体装置の製造方法であって、
基板に、n型不純物を含有しIII属窒化物半導体から形成されるn型半導体層と、前記n型半導体層におけるドナーとなる元素を主成分としない元素から形成されるスルー膜と、をこの順に形成する工程と、
前記スルー膜が形成された状態でn型不純物を含有する前記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、
前記イオン注入後において、前記スルー膜上にキャップ層を形成する工程と、
前記p型不純物がイオン注入されたイオン注入領域を、前記スルー膜と前記キャップ層とからなる被覆層で被覆した状態において、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。
Figure 0006801556
It is a manufacturing method of semiconductor devices.
On the substrate, an n-type semiconductor layer containing an n-type impurity and formed of a group III nitride semiconductor and a through film formed of an element whose main component is not a donor element in the n-type semiconductor layer are formed. The process of forming in order and
The n-type semiconductor layer containing n-type impurity in a state where the through film is formed, an ion implantation step of implanting p-type impurities at a cumulative dose of D,
After the ion implantation, a step of forming a cap layer on the through film and
A heat treatment in which the ion-implanted region in which the p-type impurities are ion-implanted is covered with a coating layer composed of the through film and the cap layer, and heat treatment is performed at a temperature T and a time t in a nitrogen-containing atmosphere. With process,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the integrated dose amount D, the temperature T, and the time t satisfy the following equation (1).
Figure 0006801556
請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
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む、半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein in the ion implantation step, the p-type impurity contains at least one selected from the group consisting of magnesium, beryllium, and calcium.
請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記イオン注入工程における注入温度は、20℃以上900℃以下である、半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2.
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the implantation temperature in the ion implantation step is 20 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記イオン注入工程における注入角度は、0°以上15°以下である、半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 3.
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the implantation angle in the ion implantation step is 0 ° or more and 15 ° or less.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
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る、半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4.
A method for manufacturing a semiconductor device, which uses at least one selected from the group consisting of nitrogen, ammonia, and hydrazine as a nitrogen source in the heat treatment step.
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
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。
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 5.
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the pressure in the heat treatment step is 10 kPa or more and 110 kPa or less.
半導体装置の製造方法であって、 It is a manufacturing method of semiconductor devices.
n型不純物を含有しIII属窒化物半導体から形成される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、 An ion implantation step of ion-implanting a p-type impurity into an n-type semiconductor layer containing an n-type impurity and formed from a group III nitride semiconductor with an integrated dose amount D.
加熱装置を用いて、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、 A heat treatment step in which the ion-implanted region in which the p-type impurities are ion-implanted is heat-treated at a temperature T and a time t in an atmosphere containing nitrogen using a heating device.
を備え、 With
前記加熱装置における前記温度Tおよび前記時間tを設定する制御装置において、前記積算ドーズ量Dを用いて下記(1)式に基づき、前記温度Tと前記時間tとを設定する工程を、さらに備える、半導体装置の製造方法。 The control device for setting the temperature T and the time t in the heating device further includes a step of setting the temperature T and the time t based on the following equation (1) using the integrated dose amount D. , Manufacturing method of semiconductor device.
Figure 0006801556
Figure 0006801556
JP2017065018A 2017-03-29 2017-03-29 Manufacturing method of semiconductor devices Active JP6801556B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017065018A JP6801556B2 (en) 2017-03-29 2017-03-29 Manufacturing method of semiconductor devices
US15/914,046 US10636663B2 (en) 2017-03-29 2018-03-07 Method of manufacturing semiconductor device including implanting impurities into an implanted region of a semiconductor layer and annealing the implanted region

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017065018A JP6801556B2 (en) 2017-03-29 2017-03-29 Manufacturing method of semiconductor devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018170335A JP2018170335A (en) 2018-11-01
JP6801556B2 true JP6801556B2 (en) 2020-12-16

Family

ID=64020457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017065018A Active JP6801556B2 (en) 2017-03-29 2017-03-29 Manufacturing method of semiconductor devices

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6801556B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7369396B2 (en) * 2019-09-19 2023-10-26 大陽日酸株式会社 Method for manufacturing a protective layer, method for manufacturing a single-crystal free-standing substrate with a protective layer
JP2021062985A (en) * 2019-10-11 2021-04-22 トヨタ自動車株式会社 Method for producing gallium oxide semiconductor
CN116195033A (en) * 2021-09-29 2023-05-30 京东方科技集团股份有限公司 Amorphous silicon thin film transistor, preparation method thereof and display panel

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07115070A (en) * 1993-10-15 1995-05-02 Hitachi Ltd Designing method for semiconductor device
JP6047995B2 (en) * 2012-08-22 2016-12-21 住友電気工業株式会社 Method of manufacturing group III nitride semiconductor, method of manufacturing semiconductor element, group III nitride semiconductor device, method of performing heat treatment
JP6363403B2 (en) * 2014-06-10 2018-07-25 住友化学株式会社 Semiconductor laminated structure and manufacturing method thereof
JP6394545B2 (en) * 2015-09-10 2018-09-26 豊田合成株式会社 Semiconductor device, method for manufacturing the same, and power conversion device
JP6485303B2 (en) * 2015-09-18 2019-03-20 豊田合成株式会社 Semiconductor device, method for manufacturing the same, and power conversion device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018170335A (en) 2018-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6492669B2 (en) Semiconductor device with schottky electrode having high schottky barrier
US9590088B2 (en) Current aperture vertical electron transistors with ammonia molecular beam epitaxy grown p-type gallium nitride as a current blocking layer
JP6801555B2 (en) Manufacturing method of semiconductor devices
US20180358458A1 (en) Normally-off hemt transistor with selective generation of 2deg channel, and manufacturing method thereof
US10636663B2 (en) Method of manufacturing semiconductor device including implanting impurities into an implanted region of a semiconductor layer and annealing the implanted region
US20110092057A1 (en) Methods of fabricating transistors using laser annealing of source/drain regions
JP6847573B2 (en) Method for Doping Semiconductors Containing GaN
US20050236646A1 (en) Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof
JP6402746B2 (en) Semiconductor substrate, adjustment method thereof, and semiconductor device
TW202025493A (en) Enhancement mode compound semiconductor field-effect transistor, semiconductor device, and method of manufacturing enhancement mode semiconductor device
JP6801556B2 (en) Manufacturing method of semiconductor devices
US10510833B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP6545362B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
JP2008135700A (en) Manufacturing method of group iii nitride film, and group iii nitride semiconductor device
US10083918B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
US20130306980A1 (en) Nitride semiconductor device and manufacturing method thereof
JP7052503B2 (en) Transistor manufacturing method
JP6927112B2 (en) Manufacturing method of semiconductor devices
US9852925B2 (en) Method of manufacturing semiconductor device
US11588096B2 (en) Method to achieve active p-type layer/layers in III-nitrtde epitaxial or device structures having buried p-type layers
JP5589189B2 (en) Electronic device with controlled electric field
JP5435459B2 (en) Field effect transistor
JP2020145331A (en) Semiconductor device
WO2023007781A1 (en) Nitride semiconductor device, nitride semiconductor substrate, and method for manufacturing nitride semiconductor device
US20160365438A1 (en) Method of manufacturing nitride semiconductor device and nitride semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190426

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200115

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200310

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200507

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20201027

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20201109

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6801556

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150