WO2015146757A1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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輝尚 川▲崎▼
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智 松本
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    • H01L29/2003Nitride compounds

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device that activates a dopant ion-implanted into a group III-V compound semiconductor containing nitrogen as a group V element.
  • III-V compound semiconductors containing nitrogen as a group V element such as gallium nitride (GaN) are expected to be applied to next-generation high-frequency power devices because of their large band gap.
  • GaN gallium nitride
  • a technique for locally forming a p-type or n-type region is desired.
  • semiconductors such as silicon
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a technique for forming p-type GaN by ion-implanting Mg, which is a p-type dopant, into GaN using an ion implantation technique and performing laser annealing.
  • the objective of this invention is providing the manufacturing method of the semiconductor device which can aim at the improvement of the activation rate of a dopant.
  • the activation rate of the ion-implanted dopant can be increased.
  • FIG. 1A to 1C are cross-sectional views of a substrate in the course of manufacturing a semiconductor device manufacturing method according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a scanning method of a pulse laser beam when performing the second activation annealing.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of X-ray photoelectron spectroscopy analysis before and after the pulse laser beam is incident on the semiconductor layer 12 made of GaN.
  • FIG. 4 is a graph showing the results of Raman spectroscopic analysis of a semiconductor layer made of GaN subjected to Mg ion implantation.
  • 5A and 5B are graphs in which a part of the Raman spectroscopic analysis result shown in FIG. 4 is enlarged.
  • FIG. 6 is a graph showing the measurement results of the sheet resistance of the sample.
  • a semiconductor layer 12 made of gallium nitride (GaN) is epitaxially grown on a support substrate 11 made of sapphire.
  • the supporting substrate 11 and the semiconductor layer 12 are collectively referred to as a substrate 10.
  • Magnesium (Mg) is ion-implanted into the semiconductor layer 12 as a p-type dopant. By this ion implantation, lattice defects 15 are generated in the semiconductor layer 12.
  • the substrate 10 after ion implantation is placed in a heat treatment furnace 20.
  • first activation annealing is performed on the semiconductor layer 12 containing the dopant under a temperature of 700 ° C. to 900 ° C.
  • first activation annealing a part of the dopant implanted into the semiconductor layer 12 is activated and the crystallinity of the region damaged by the ion implantation is recovered.
  • Some lattice defects 15, particularly depletion defects move toward the surface of the semiconductor layer 12.
  • the second activation annealing is performed by making the pulse laser beam 22 incident on the semiconductor layer 12 of the substrate 10 on which the first activation annealing has been completed.
  • the second activation annealing is performed in a nitrogen atmosphere.
  • the shallow region of the semiconductor layer 12 is locally heated by the incidence of the pulse laser beam 22. By this heating, most of the lattice defects 15 (FIG. 1B) moved toward the surface of the semiconductor layer 12 during the first activation annealing disappear.
  • a third harmonic of a solid-state laser such as an Nd: YAG laser, an Nd: YLF laser, or an Nd: YVO4 laser is used.
  • the wavelength is in the range of 349 nm to 355 nm.
  • the beam spot 25 of the pulse laser beam 22 on the surface of the semiconductor layer 12 is a square having a side length L of about 100 ⁇ m. While the pulse laser beam 22 (FIG. 1C) is incident, the beam spot 25 is moved in the main scanning direction (lateral direction in FIG. 2) on the surface of the semiconductor layer 12.
  • the beam spot 25 is moved in the sub-scanning direction (vertical direction in FIG. 2), and then the next main scanning is started.
  • the overlapping widths of the beam spots 25 of two shots that are temporally adjacent to each other are represented by Wm and Ws, respectively.
  • OVs Ws / L
  • the irradiation conditions of the pulsed laser beam 22 during the second activation annealing will be described.
  • the surface temperature of the semiconductor layer 12 (FIG. 1C) starts to rise, and when the laser pulse falls, the surface temperature starts to fall. It is preferable to select a condition in which the highest surface temperature achieved when one shot of the pulse laser beam 22 is incident is 900 ° C. or less, which is the dissociation temperature of GaN.
  • the maximum temperature reached 900 ° C. when the pulse energy density was 0.8 J / cm 2 , and the maximum temperature reached when the pulse energy density was 0.6 J / cm 2. was found to be 900 ° C. or lower. Even if the pulse width is other than 50 ns, the maximum ultimate temperature does not vary greatly as long as the pulse energy density is the same.
  • FIG. 3 shows the results of X-ray photoelectron spectroscopy analysis before and after the pulse laser beam is incident on the semiconductor layer 12 made of GaN (FIG. 1C).
  • the horizontal axis represents the binding energy in the unit “eV”, and the vertical axis represents the photoelectron intensity in an arbitrary unit.
  • FIG. 3 shows a peak of nitrogen (N1s).
  • the broken line in FIG. 3 shows the analysis result of the semiconductor layer before the pulse laser beam is incident.
  • the solid line a in FIG. 3 shows the analysis result of the semiconductor layer after laser annealing under the conditions that the pulse energy density is 0.35 J / cm 2 and the overlap ratios OVm and OVs in the main scanning direction and the sub-scanning direction are 90%. Indicates.
  • a solid line b shows the analysis result of the semiconductor layer after laser annealing under the conditions where the pulse energy density is 0.4 J / cm 2 , the overlap rate OVm and OVs are 90%.
  • a solid line c shows the analysis result of the semiconductor layer after laser annealing under the conditions of a pulse energy density of 0.8 J / cm 2 , an overlap rate OVm, and OVs of 80%.
  • the pulse energy density of the pulse laser beam 22 during the second activation annealing is set to 0.35 J / cm 2 or less. It is preferable to do.
  • FIG. 4 shows the results of Raman spectroscopic analysis of a semiconductor layer made of GaN subjected to Mg ion implantation.
  • the horizontal axis represents the Raman shift in the unit “cm ⁇ 1 ”, and the vertical axis represents the Raman intensity.
  • the solid line shown in FIG. 4 shows the analysis results of samples A to G.
  • Sample G is a sample in which Mg ions are not implanted into the semiconductor layer 12 (FIG. 1A), and Samples A to F are samples in which Mg ions are implanted into the semiconductor layer 12.
  • Mg was subjected to multi-stage implantation under the conditions of acceleration energy of 20 keV, 80 keV, and 120 keV.
  • Sample A is the one after ion implantation and before laser annealing.
  • Sample B is obtained by performing laser annealing after ion implantation.
  • Sample C was subjected to furnace annealing at 700 ° C. for 20 minutes after ion implantation.
  • Sample D was subjected to furnace annealing at 900 ° C. for 20 minutes after ion implantation.
  • Sample E was subjected to furnace annealing at 700 ° C. for 20 minutes after ion implantation, and further laser annealing.
  • Sample F was obtained by performing furnace annealing at 900 ° C. for 20 minutes after ion implantation and further laser annealing.
  • laser annealing was performed under the conditions that the pulse energy density was 0.35 J / cm 2 , the overlap ratios OVm and OVs were 90%.
  • peaks appear at positions of 418 cm ⁇ 1 , 567.6 cm ⁇ 1 , and 734 cm ⁇ 1 .
  • the peak at 418 cm ⁇ 1 is based on sapphire of the support substrate 11.
  • the peak at 567.6 cm ⁇ 1 is based on the lateral vibration of nitrogen.
  • the peak at 734 cm ⁇ 1 is based on the longitudinal optical mode.
  • 5A and 5B show graphs in which a part of FIG. 4 is enlarged. Comparing the Raman intensities of the samples in the vicinity of the Raman shift of 300 cm ⁇ 1, the samples C and D subjected to only the furnace annealing, and both the furnace annealing and the laser annealing were compared to the peak of the sample B subjected to only the laser annealing. It can be seen that the peaks of the samples E and F performed are lower. This means that furnace annealing is more suitable for reducing lattice defects such as Ga vacancies than laser annealing.
  • the peak of the sample F using both the furnace annealing at 900 ° C. and the laser annealing is the highest. This means that the sample F is most excellent in terms of the activation rate of the ion-implanted Mg.
  • FIG. 6 shows the measurement results of the sheet resistance of Samples B, E, and F.
  • a four-probe measurement method was used for measuring the sheet resistance. 6, the horizontal axis represents current in the unit “mA”, and the vertical axis represents sheet resistance in the unit “ ⁇ / ⁇ ”.
  • the sheet resistance of Samples E and F that combine furnace annealing and laser annealing is lower than the sheet resistance of Sample B that has undergone only laser annealing. Assuming that the mobility of holes in GaN is 200 cm 2 / V ⁇ s, the sheet resistance becomes 104 ⁇ / ⁇ when the ion-implanted Mg is activated 100%. A reduction in sheet resistance by combining furnace annealing and laser annealing means that the Mg activation rate is high.
  • GaN is used as the semiconductor layer 12 (FIGS. 1A to 1C), but furnace annealing and laser annealing are also used together when using a III-V group compound semiconductor containing nitrogen as a group V element. It is valid.

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Abstract

 V属元素として窒素を含むIII-V族化合物半導体からなる半導体層に、ドーパントをイオン注入する。イオン注入されたドーパントを含む半導体層に対して、温度700℃以上900℃以下の条件で、熱処理炉を用いて第1の活性化アニールを行う。第1の活性化アニールを行った後、半導体層にパルスレーザビームを入射させることにより、第2の活性化アニールを行う。上述の方法により、ドーパントの活性化率の向上を図ることができる。

Description

半導体装置の製造方法
 本発明は、V属元素として窒素を含むIII-V族化合物半導体にイオン注入されたドーパントを活性化する半導体装置の製造方法に関する。
 V属元素として窒素を含むIII-V族化合物半導体、例えば窒化ガリウム(GaN)は、バンドギャップが大きいという特徴から、次世代高周波パワーデバイス等への適用が期待されている。GaNを種々のデバイスに適用するために、局所的にp型またはn型領域を形成する技術が望まれる。シリコン等の半導体においては、p型またはn型ドーパントをイオン注入することにより、p型またはn型領域を形成する技術が確立されている。特許文献1及び2に、イオン注入技術を用いてGaNにp型ドーパントであるMgをイオン注入し、レーザアニールを行うことによりp型GaNを形成する技術が開示されている。
特開2004-273486号公報 特開2013-062365号公報
 本願の発明者らの評価実験によると、GaNにMgをイオン注入し、活性化のためのレーザアニールを行う方法では、活性化率を十分高めることが困難であることがわかった。本発明の目的は、ドーパントの活性化率の向上を図ることができる半導体装置の製造方法を提供することである。
 本発明の一観点によると、
 V属元素として窒素を含むIII-V族化合物半導体からなる半導体層に、ドーパントをイオン注入する工程と、
 イオン注入された前記ドーパントを含む前記半導体層に対して、温度700℃以上900℃以下の条件で、熱処理炉を用いて第1の活性化アニールを行う工程と、
 前記第1の活性化アニールを行った後、前記半導体層にパルスレーザビームを入射させることにより、第2の活性化アニールを行う工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
 熱処理炉を用いたアニールと、パルスレーザビームを用いたレーザアニールとを併用することにより、イオン注入されたドーパントの活性化率を高めることができる。
図1A~図1Cは、実施例による半導体装置の製造方法の製造途中段階における基板の断面図である。 図2は、第2の活性化アニールを行うときのパルスレーザビームの走査方法を説明するための図である。 図3は、GaNからなる半導体層12にパルスレーザビームを入射させる前後のX線光電子分光分析結果を示すグラフである。 図4は、Mgのイオン注入を行ったGaNからなる半導体層のラマン分光分析結果を示すグラフである。 図5A及び図5Bは、図4に示したラマン分光分析結果の一部を拡大したグラフである。 図6は、試料のシート抵抗の測定結果を示すグラフである。
 図1A~図1Cを参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
 図1Aに示すように、サファイアからなる支持基板11の上に、窒化ガリウム(GaN)からなる半導体層12がエピタキシャル成長されている。支持基板11と半導体層12とを合わせて、基板10ということとする。半導体層12に、p型ドーパントとしてマグネシウム(Mg)をイオン注入する。このイオン注入により、半導体層12に格子欠陥15が発生する。
 図1Bに示すように、イオン注入後の基板10を熱処理炉20内に配置する。熱処理炉20を用いて、ドーパントを含む半導体層12に対して、温度700℃以上900℃以下の条件で、第1の活性化アニールを行う。この第1の活性化アニールにより、半導体層12に注入されたドーパントの一部が活性化するとともに、イオン注入によってダメージを受けた領域の結晶性が回復する。一部の格子欠陥15、特に空乏型欠陥は、半導体層12の表面に向って移動する。
 図1Cに示すように、第1の活性化アニールが終了した基板10の半導体層12に、パルスレーザビーム22を入射させることにより、第2の活性化アニールを行う。第2の活性化アニールは、窒素雰囲気で行われる。パルスレーザビーム22の入射によって、半導体層12の浅い領域が局所的に加熱される。この加熱により、第1の活性化アニール時に半導体層12の表面に向って移動した格子欠陥15(図1B)のほとんどが消失する。パルスレーザビーム22として、Nd:YAGレーザ、Nd:YLFレーザ、Nd:YVO4レーザ等の固体レーザの第三高調波が用いられる。その波長は、349nm~355nmの範囲内である。
 図2を参照して、第2の活性化アニールを行うときのパルスレーザビーム22(図1C)の走査方法について説明する。一例として、半導体層12(図1C)の表面におけるパルスレーザビーム22のビームスポット25は、一辺の長さLが約100μmの正方形である。パルスレーザビーム22(図1C)を入射させながら、半導体層12の表面上において、ビームスポット25を主走査方向(図2において横方向)に移動させる。
 1回の主走査が終了すると、ビームスポット25を副走査方向(図2において縦方向)に移動させた後、次の主走査を開始する。主走査方向及び副走査方向に関して、時間的に相互に隣り合う2つのショットのビームスポット25の重なり幅を、それぞれWm及びWsで表す。主走査方向に関するオーバラップ率OVm、及び副走査方向に関するオーバラップ率OVsは、それぞれ以下の式で定義される。
 OVm=Wm/L
 OVs=Ws/L
 次に、第2の活性化アニール時におけるパルスレーザビーム22の照射条件について説明する。パルスレーザビーム22のレーザパルスが立ち上がると、半導体層12(図1C)の表面温度が上昇し始め、レーザパルスが立ち下がると、表面温度が低下し始める。パルスレーザビーム22を1ショット入射させることによる表面の最高到達温度が、GaNの窒素の解離温度である900℃以下になる条件を選択することが好ましい。
 パルス幅を50nsとしてシミュレーションを行った結果、パルスエネルギ密度が0.8J/cmのときに最高到達温度が900℃を超え、パルスエネルギ密度が0.6J/cmのときに、最高到達温度が900℃以下であることがわかった。なお、パルス幅が50ns以外であっても、パルスエネルギ密度が同一であれば、最高到達温度が大きく変動することはない。
 図3に、GaNからなる半導体層12(図1C)にパルスレーザビームを入射させる前後のX線光電子分光分析結果を示す。横軸は結合エネルギを単位「eV」で表し、縦軸は光電子強度を任意単位で表す。図3では、窒素(N1s)のピークを示している。図3の破線は、パルスレーザビームを入射させる前の半導体層の分析結果を示す。図3の実線aは、パルスエネルギ密度が0.35J/cm、主走査方向及び副走査方向に関するオーバラップ率OVm、OVsが90%の条件でレーザアニールを行った後の半導体層の分析結果を示す。実線bは、パルスエネルギ密度が0.4J/cm、オーバラップ率OVm、OVsが90%の条件でレーザアニールを行った後の半導体層の分析結果を示す。実線cは、パルスエネルギ密度が0.8J/cm、オーバラップ率OVm、OVsが80%の条件でレーザアニールを行った後の半導体層の分析結果を示す。
 パルスエネルギ密度を0.8J/cmにすると、半導体層中の窒素の解離が顕著であることがわかる。パルスエネルギ密度が0.35J/cmの条件では、窒素の解離はほとんど生じていない。図3に示した評価結果からわかるように、半導体層中の窒素の解離を抑制するために、第2の活性化アニール時におけるパルスレーザビーム22のパルスエネルギ密度を0.35J/cm以下にすることが好ましい。
 図4に、Mgのイオン注入を行ったGaNからなる半導体層のラマン分光分析結果を示す。横軸は、ラマンシフトを単位「cm-1」で表し、縦軸はラマン強度を表す。図4に示した実線は、試料A~Gの分析結果を示す。試料Gは、半導体層12(図1A)にMgのイオン注入が行われていない試料であり、試料A~Fは、半導体層12にMgがイオン注入された試料である。Mgは、加速エネルギ20keV、80keV、及び120keVの条件で多段注入を行った。
 試料Aは、イオン注入後、レーザアニールを行う前のものである。試料Bは、イオン注入後、レーザアニールを行ったものである。試料Cは、イオン注入後、700℃で20分間の炉アニールを行ったものである。試料Dは、イオン注入後、900℃で20分間の炉アニールを行ったものである。試料Eは、イオン注入後、700℃で20分間の炉アニールを行い、さらにレーザアニールを行ったものである。試料Fは、イオン注入後、900℃で20分間の炉アニールを行い、さらにレーザアニールを行ったものである。なお、試料B、E、Fのいずれにおいても、レーザアニールは、パルスエネルギ密度が0.35J/cm、オーバラップ率OVm、OVsが90%の条件で行った。
 試料Gにおいて、418cm-1、567.6cm-1、及び734cm-1の位置にピークが現れている。418cm-1のピークは、支持基板11のサファイアに基づくものである。567.6cm-1のピークは、窒素の横方向の振動に基づくものである。734cm-1のピークは、縦光学モードに基づくものである。これら3つのピークは、サファイア基板上にエピタキシャル成長させたGaN層に共通のものである。
 イオン注入後の試料Aにおいては、300cm-1及び670cm-1の位置にピークが現れている。これらのピークは、格子欠陥、例えば窒素の空孔等に起因するものである。イオン注入を行うことにより、多くの格子欠陥が半導体層に導入されることがわかる。試料B~Fにおいて、ラマンシフト360cm-1の位置にピークが現れている。このピークは、イオン注入されたMgが活性化したことに対応する。
 図5A及び図5Bに、それぞれ図4の一部分を拡大したグラフを示す。ラマンシフト300cm-1近傍における各試料のラマン強度を比較すると、レーザアニールのみを行った試料Bのピークよりも、炉アニールのみを行った試料C、D、及び炉アニールとレーザアニールとの両方を行った試料E、Fのピークの方が低いことがわかる。これは、炉アニールが、レーザアニールよりも、Ga空孔等の格子欠陥の減少に適していることを意味している。
 ラマンシフト670cm-1近傍における各試料のラマン強度を比較すると、レーザアニールのみを行った試料B、及び700℃の炉アニールのみを行った試料Cのラマン強度が高くなっている。この評価結果により、700℃よりも高温の900℃程度でのアニールが、窒素の空孔、格子間原子等の格子欠陥を減少させるために有効であることがわかる。
 ラマンシフト360cm-1近傍における各試料のピークを比較すると、900℃の炉アニールとレーザアニールとを併用した試料Fのピークが最も高い。これは、イオン注入されたMgの活性化率の点で、試料Fが最も優れていることを意味する。
 図6に、試料B、E、Fのシート抵抗の測定結果を示す。シート抵抗の測定には、四探針測定法を用いた。図6の横軸は電流を単位「mA」で表し、縦軸はシート抵抗を単位「Ω/□」で表す。炉アニールとレーザニールとを組み合わせた試料E、Fのシート抵抗が、レーザアニールのみを行った試料Bのシート抵抗より低い。GaN中の正孔の移動度を200cm/V・sと仮定すると、イオン注入したMgが100%活性化した場合には、シート抵抗は104Ω/□になる。炉アニールとレーザアニールとを組み合わせることにより、シート抵抗が低下することは、Mgの活性化率が高くなっていることを意味する。
 炉アニールとレーザアニールとを併用した試料E、Fのホール係数を測定したところ、両者とも正のホール係数を示すことが確認された。これは、Mgが活性化してp型のGaNが得られていることを意味する。これに対し、レーザアニールのみを行った試料Bでは、正のホール係数が得られなかった。イオン注入、及び炉アニールとレーザアニールとの併用により、p型のGaNを得ることが可能である。
 上記実施例では、半導体層12(図1A~図1C)としてGaNを用いたが、V属元素として窒素を含むIII-V族化合物半導体を用いる場合にも、炉アニールとレーザアニールとを併用する有効である。
 以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
10 基板
11 支持基板
12 半導体層
15 格子欠陥
20 熱処理炉
22 パルスレーザビーム
25 ビームスポット
OVm 主走査方向に関するオーバラップ率
OVs 副走査方向に関するオーバラップ率
L ビームスポットの一辺の長さ
Wm 主走査方向に関するビームスポットの重なり幅
Ws 副走査方向に関するビームスポットの重なり幅

Claims (5)

  1.  V属元素として窒素を含むIII-V族化合物半導体からなる半導体層に、ドーパントをイオン注入する工程と、
     イオン注入された前記ドーパントを含む前記半導体層に対して、温度700℃以上900℃以下の条件で、熱処理炉を用いて第1の活性化アニールを行う工程と、
     前記第1の活性化アニールを行った後、前記半導体層にパルスレーザビームを入射させることにより、第2の活性化アニールを行う工程と
    を有する半導体装置の製造方法。
  2.  前記第2の活性化アニールを行う工程において、固体レーザの第三高調波である波長349nm~355nmのパルスレーザビームを用いる請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3.  前記第2の活性化アニールを行う工程において、前記半導体層の表面におけるパルスエネルギ密度が0.35J/cm以下の条件で、パルスレーザビームを前記半導体層に入射させる請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4.  前記第2の活性化アニールを行う工程において、窒素雰囲気でアニールを行う請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  5.  前記第1の活性化アニールにおいて、前記イオン注入する工程においてダメージを受けた領域の結晶性が回復し、前記ドーパントが活性化し、かつ前記半導体層中の格子欠陥の一部が前記半導体層の表面に向かって移動し、
     前記第1の活性化アニール時に前記半導体層の表面に向って移動した前記格子欠陥が、前記第2の活性化アニールにおいて消失する請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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