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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6984571
(24)【登録日】2021年11月29日
(45)【発行日】2021年12月22日
(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/329 20060101AFI20211213BHJP
H01L 29/868 20060101ALI20211213BHJP
H01L 29/861 20060101ALI20211213BHJP
H01L 29/20 20060101ALI20211213BHJP
H01L 29/36 20060101ALI20211213BHJP
H01L 21/28 20060101ALI20211213BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20211213BHJP
H01L 33/32 20100101ALI20211213BHJP
【ＦＩ】
H01L29/91 A
H01L29/91 F
H01L29/20
H01L29/36
H01L21/28 301B
H01L21/205
H01L33/32
【請求項の数】3
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2018-179437(P2018-179437)
(22)【出願日】2018年9月25日
(65)【公開番号】特開2020-53489(P2020-53489A)
(43)【公開日】2020年4月2日
【審査請求日】2020年10月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】000241463
【氏名又は名称】豊田合成株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087723
【弁理士】
【氏名又は名称】藤谷 修
(74)【代理人】
【識別番号】100165962
【弁理士】
【氏名又は名称】一色 昭則
(74)【代理人】
【識別番号】100206357
【弁理士】
【氏名又は名称】角谷 智広
(72)【発明者】
【氏名】藤井 隆弘
【審査官】
岩本 勉
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２００９／０１１３９４（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２０１１／０００１１４２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開平０６−３５０１３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１１／０２４３８５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２０１２／０１４６０４８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ２９／８６８
Ｈ０１Ｌ ２１／３２９
Ｈ０１Ｌ ２９／８６１
Ｈ０１Ｌ ２９／２０
Ｈ０１Ｌ ２９／３６
Ｈ０１Ｌ ２１／２８
Ｈ０１Ｌ ２１／２０５
Ｈ０１Ｌ ３３／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ｐ−ＧａＮからなるｐ層を有した半導体素子の製造方法であって、
ウェハにＭＯＣＶＤ法によって前記ｐ層の形成後、前記ｐ層の電子を励起して発光スペクトルを測定し、その発光スペクトルのバンド端発光強度に対する、波長４３０〜４５０ｎｍのブルーバンド帯の発光強度の強度比が０．５以下のウェハを選別し、その選別されたウェハを用いて素子作製を継続する、
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
ウェハにＭＯＣＶＤ法によって前記ｐ層の形成後、前記ｐ層の電子を励起して発光スペクトルを測定し、その発光スペクトルのバンド端発光強度に対する、波長４３０〜４５０ｎｍのブルーバンド帯の発光強度の強度比が０．５以下のウェハを選別し、その選別されたウェハを用いて素子作製を継続する、
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項2】
前記ｐ層の成長温度は、１１００〜１１５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項3】
前記半導体素子は、ｎ＋ＧａＮからなる基板と、基板上に設けられ、ｎ−ＧａＮからなるｎ層と、前記ｎ層上に設けられた前記ｐ層と、を有するｐｎダイオードである、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、III 族窒化物半導体からなり、ｐ層を有した半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
III 族窒化物半導体からなるｐｎダイオード、ＦＥＴなどの半導体素子では、低濃度ｐ型ＧａＮが必要とされる。低濃度ｐ型ＧａＮに対する電極のコンタクト抵抗低減や、リーク電流抑制のためには、アクセプタを補償する深いドナー準位を減らす制御が必要となる。非特許文献１のように、この深いドナー準位は、およそＥｃ−０．５ｅＶ（Ｅｃは伝導帯下端）のエネルギー準位であることがＤＬＴＳ測定により分かっている。
【0003】
特許文献１には、基板上のｎ型III 族窒化物半導体層のＰＬスペクトルを測定し、イエローバンド帯の強度により基板の選別を行い、これによりリーク電流の抑制されたショットキーバリアダイオードを作製できることが記載されている。また、イエローバンド帯の発光は、III 族窒化物半導体中の炭素、水素、酸素のいずれかの不純物によるものであることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１２−１６５０２０号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 123, 161405(2018)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、特許文献１のIII 族窒化物半導体の結晶評価方法は、ｎ型のIII 族窒化物半導体の評価をするものであり、ｐ型のIII 族窒化物半導体については十分に評価することができなかった。
【0007】
また、ＤＬＴＳ測定によるｐ型III 族窒化物半導体の結晶品質評価では、ｐｎ接合の空乏層内しか評価できず、ｐ層表面付近を評価することができない。また、ＤＬＴＳ測定では、電極を形成する必要があり、超低温で測定を行うため測定時間が長く、測定コストが高い。したがって、実際に素子作製を行うウェハに対してＤＬＴＳ測定を用いて評価することは困難であった。
【0008】
そこで本発明の目的は、実際に素子作製を行うウェハに対してｐ−ＧａＮの結晶品質の評価が可能な半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、ｐ−ＧａＮからなるｐ層を有した半導体素子の製造方法であって、ウェハにＭＯＣＶＤ法によってｐ層の形成後、ｐ層の電子を励起して発光スペクトルを測定し、その発光スペクトルのバンド端発光強度に対する、波長４３０〜４５０ｎｍのブルーバンド帯の発光強度の強度比が０．５以下のウェハを選別し、その選別されたウェハを用いて素子作製を継続する、ことを特徴とする半導体素子の製造方法である。
【0010】
本発明において、ｐ層の成長温度は、１１００〜１１５０℃とすることが好ましい。ｐ層の結晶品質をより向上させることができる。
【0011】
本発明において、半導体素子は、ｎ＋ＧａＮからなる基板と、基板上に設けられ、ｎ−ＧａＮからなるｎ層と、ｎ層上に設けられたｐ層と、を有するｐｎダイオードとすることができる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、実際に素子作製を行うウェハに対して、ｐ−ＧａＮの結晶品質の評価をすることができ、ウェハを選別することでコンタクト抵抗やリーク電流の低減された半導体素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施例１の半導体素子の構成を示した図。
【図2】実施例１の半導体素子の製造工程を示した図。
【図3】実施例１の半導体素子の製造工程を示した図。
【図4】実施例１の変形例の半導体素子の製造工程を示した図。
【図5】ｐ層１２のＰＬスペクトルを示したグラフ。
【図6】ＩBL／ＩNBE とｐ層１２の成長温度との関係を示したグラフ。
【図7】ＩBL／ＩNBE とホール濃度との関係を示したグラフ。
【図8】逆方向電圧とリーク電流の関係を示したグラフ。
【図9】ＩBL／ＩNBE とリーク電流の関係を示したグラフ。
【図10】ＩBL／ＩNBE とコンタクト抵抗の関係を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の具体的な実施例について、図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例1】
【0015】
図１は、実施例１の半導体素子の構成を示した図である。実施例１の半導体素子は、ＧａＮからなる基板１０と、ｎ−ＧａＮからなるｎ層１１と、ｐ−ＧａＮからなるｐ層１２と、ｎ電極１３と、ｐ電極１４と、によって構成されている。
【0016】
基板１０は、Ｓｉ濃度が１．０×１０18〜１．０×１０20／ｃｍ3 のｎ＋ＧａＮからなり、主面をｃ面とする。ＧａＮをエピタキシャル成長させることができる導電性基板であれば、他の材料を用いてもよい。たとえば、ＳｉＣやＳｉなどを用いることができる。
【0017】
ｎ層１１は、基板１０上に位置し、Ｓｉ濃度が１×１０15〜１×１０17／ｃｍ3 のｎ−ＧａＮからなる。ｎ層１１の厚さは１〜２０μｍである。
【0018】
ｐ層１２は、ｎ層１１上に位置し、Ｍｇ濃度が５×１０17〜５×１０19／ｃｍ3 のｐ−ＧａＮからなる。ｐ層１２の厚さは０．１〜２μｍである。
【0019】
ｎ電極１３は、基板１０裏面（ｎ層１１が設けられている側とは反対側の面）に設けられている。ｎ電極１３はオーミック電極であり、Ｔｉ／Ａｌからなる。他にもｎ＋ＧａＮに対してオーミック接触可能な任意の材料を用いることができる。
【0020】
ｐ電極１４は、ｐ層１２上に設けられている。ｐ電極１４は、オーミック電極であり、Ｎｉからなる。他にもｐ−ＧａＮに対してオーミック接触可能な任意の材料を用いることができる。たとえばＰｄ、Ｐｔなどを用いることができる。
【0021】
次に、実施例１の半導体素子の製造方法について、図２、３を参照に説明する。
【0022】
まず、ｎ＋ＧａＮからなる基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によってｎ−ＧａＮからなるｎ層１１を形成する（図２（ａ）参照）。成長温度は１０５０〜１１５０℃、Ｖ／ＩＩＩは１５００〜４０００とする。ここでＶ／ＩＩＩは、ＭＯＣＶＤ法において供給するＧａ源ガスと窒素源ガスのモル比（流量比）である。Ｇａ源ガスは、たとえばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）であり、窒素源ガスは、たとえばアンモニアである。
【0023】
次に、ｎ層１１上に、ＭＯＣＶＤ法によってＭｇドープのＧａＮからなるｐ層１２を形成する（図２（ｂ）参照、図３のステップＳ１）。成長温度は１０５０〜１１５０℃、Ｖ／ＩＩＩは１０００〜４０００とする。このＶ／ＩＩＩの制御によってｐ層１２中の不純物濃度を制御することが可能である。そして、ｐ層１２中のＭｇを活性化させる熱処理を行う。特に好ましい成長温度は１１００〜１１５０℃である。この範囲であれば、ｐ層１２の結晶品質をより向上させることができる。
【0024】
次に、ｐ層１２のＰＬスペクトルを測定する（図３のステップＳ２）。具体的には、ｐ層１２表面に励起光を照射し、ｐ層１２表面により散乱された光を分光器に導き、そのスペクトルを分光器により測定する。ＰＬスペクトル測定は、室温で行うのが簡便で望ましい。
【0025】
なお、実施例１ではＰＬスペクトルを測定しているが、ｐ層１２の電子を励起して基底状態に戻る際の発光の発光スペクトルを測定する方法であれば任意の方法でよい。たとえばＣＬスペクトルの測定でもよい。
【0026】
次に、ＰＬスペクトルのバンド端発光強度とブルーバンド帯の発光強度との強度比ＩBL／ＩNBE を算出する（図３のステップＳ３）。つまり、ブルーバンド帯の発光強度をバンド端発光強度で規格化する。ＰＬスペクトルは、波長３６５ｎｍ（３．４ｅＶ）に強いピークを有し、このピーク強度がバンド端発光強度である。また、ブルーバンド帯は、４３０〜４５０ｎｍとする。ブルーバンド帯の発光強度は、このブルーバンド帯における最も発光強度の高い値とする。
【0027】
この強度比を基に、次工程へ進めるウェハと、ここで作製を取りやめるウェハとを選別する（図３のステップＳ４）。選別の基準は、ＰＬスペクトルのバンド端発光強度に対するブルーバンド帯の発光強度の強度比ＩBL／ＩNBE が０．５以下かどうかであり、強度比が０．５以下のウェハは素子作製の次工程を行い、強度比が０．５よりも大きいウェハは、素子作製を取りやめて回収する。
【0028】
このようにｐ層１２のＰＬスペクトルを測定し、ブルーバンド帯の発光強度を見ることにより、ｐ層１２の結晶品質を評価することができる。特に、ｐ層１２表面の結晶品質を評価することができる。発明者の検討によると、ｐ−ＧａＮの場合、従来のようなイエローバンド帯の発光強度（不純物による準位形成に起因する発光）による評価では、その結晶品質を十分に評価することができず、コンタクト抵抗やリーク電流の大きな素子となる場合があった。これは、ｐ−ＧａＮでは不純物により形成される準位よりも、他の要因（たとえば点欠陥、転位などの結晶欠陥）により形成される準位の方が、ｐ−ＧａＮ表面での電流リークなどに効いてくるためであると推察される。一方、ブルーバンド帯の発光強度による評価では、不純物以外の準位形成による発光を評価することができる。そのため、実施例１のように、ブルーバンド帯の発光強度を評価することで、ｐ層１２表面の結晶品質を評価することができる。
【0029】
また、ウェハの選別基準として、ＰＬスペクトルのバンド端発光強度に対するブルーバンド帯の発光強度の強度比ＩBL／ＩNBE が０．５以下としたのは、強度比０．５以下のウェハを用いて作製した半導体素子は、強度比０．５より大きいウェハを用いて作製した半導体素子に比べて、リーク電流、コンタクト抵抗を大きく低減することができるからである。
【0030】
次に、選別したウェハについて、ｐ層１２側からドライエッチングして素子分離溝（図示しない）を作製する。そして、ｐ層１２上にｐ電極１４、基板１０裏面にｎ電極１３をそれぞれ蒸着やスパッタなどの方法によって形成する（図３のステップＳ５）。以上により、図１に示す実施例１の半導体素子を作製する。
【0031】
以上、実施例１の半導体素子の製造方法によれば、実際に素子作製を行うウェハを用いてｐ層１２の結晶品質を評価することができ、その評価に基づきウェハを選別することで、コンタクト抵抗やリーク電流の低減された半導体素子を作製することができる。また、ｐ層１２のホール濃度も制御することができる。特に、従来は不純物以外の準位の評価を短時間、低コストで行うことができなかったが、実施例１のｐ層１２の結晶品質評価では、短時間で行うことができ、また低コストで行うことができる。
【0032】
なお、実施例１の半導体素子はｐｎダイオードであったが、本発明はこれに限らず、ｐ−ＧａＮを有した構造であれば任意の半導体素子に適用できる。たとえば、ＦＥＴなどにも本発明は適用できる。また、実施例１の半導体素子は、縦方向に導通を取る素子であったが、横方向に導通を取る素子であってもよい。
【0033】
また、ｐ層１２のＰＬスペクトル測定は、ｐ層１２の形成後、ｎ電極１３およびｐ電極１４の形成前であればどのタイミングで行ってもよいが、ウェハの選別はなるべく製造工程の前段で行うことが好ましいので、ＰＬスペクトル測定もなるべく製造工程の前段で行うことが好ましい。したがって、実施例１のように、ＧａＮの結晶成長終了直後のタイミングが好ましく、素子分離の工程前が好ましい。
【0034】
また、実施例１では、ＭＯＣＶＤ法においてｐ型ドーパントガスを供給することでＧａＮ結晶中にＭｇを導入しているが、イオン注入によって目的の領域に直接Ｍｇを導入してもよいし、目的の領域とは別の領域にＭｇをイオン注入後、熱処理してＭｇを拡散させることにより目的の領域にＭｇを導入してもよい。
【0035】
イオン注入によりｐ層１２を形成する場合の工程を図４に示す。まず、基板１０上にｎ層１１を形成し（図４のステップＳ１０）、その後、ｎ層１１表面にＭｇをイオン注入する（図４のステップＳ１１）。次に、注入したＭｇを活性化させるための熱処理を行い、ｐ層１２を形成する（図４のステップＳ１２）。その後は図２のステップＳ２以降と同様である。
【0036】
（各種実験例）次に、実施例１に関する各種実験例について説明する。
【0037】
（実験例１）まず、基板１０上にＭＯＣＶＤ法によってｎ層１１、ｐ層１２を順に積層した。ｎ層１１形成時のＶ／ＩＩＩは２５００とし、Ｓｉ濃度は１×１０16／ｃｍ3 、厚さは１０μｍとした。また、ｐ層１２形成時のＶ／ＩＩＩは１５００とし、Ｍｇ濃度は２×１０18／ｃｍ3 、厚さは１μｍとした。また、ｎ層１１およびｐ層１２の成長温度が、１０４０〜１１８０℃の間で段階的に異なる複数のウェハを作製した。そして、ｐ層１２中のＭｇを活性化させる熱処理を行った。この熱処理は、温度７００℃、５分間、窒素と酸素の混合ガス（混合ガス中の酸素の体積割合が５％）雰囲気で行った。
【0038】
このようにして作製したｐ層１２のＰＬスペクトルを測定した。励起光源にはＨｅ−Ｃｄレーザー（波長３２５ｎｍ、出力４ｍＷ）を用いた。ただし、成長温度を１０４０℃とした場合は、ｐ層１２表面にピットが発生し、成長温度が１１８０℃の場合にはｐ層１２表面に荒れが生じたため、ＰＬスペクトル測定は行わなかった。
【0039】
また、ｐ層１２のホール濃度を四端子法により測定した。ホール濃度測定用の電極は、厚さ１００ｎｍのＮｉとし、電極のアロイは５５０℃、５分間、窒素雰囲気で行った。
【0040】
図５は、ｐ層１２のＰＬスペクトルを示したグラフである。図６は、ＰＬスペクトルのバンド端発光強度とブルーバンド帯（４３０〜４５０ｎｍ）の発光強度との強度比（ＩBL／ＩNBE ）と、成長温度との関係を示したグラフである。
【0041】
図５のように、バンド端発光を示す３６５ｎｍのピークが見られ、４３０〜４５０ｎｍのブルーバンド帯にも発光が見られた。ブルーバンド帯の発光は、不純物による発光（イエローバンド帯）とは波長帯が異なることから、不純物以外の要因による発光と推察される。
【0042】
また、図６のように、成長温度が高いほどＩBL／ＩNBE が減少していることがわかった。これは、成長温度が高いほど不純物以外の要因、たとえば点欠陥や転位などの結晶欠陥による準位が低減されるためと推察される。
【0043】
図７は、ＩBL／ＩNBE とホール濃度の関係を示したグラフである。ＩBL／ＩNBE が大きくなるとホール濃度は低下していくが、特にＩBL／ＩNBE が０．５を超えるとホール濃度が大きく低下することがわかった。このことから、ＩBL／ＩNBE が０．５を超えるとｐ層１２のホール濃度制御性が悪化してしまうことがわかった。
【0044】
（実験例２）実験例１と同様にして基板１０上にｎ層１１、ｐ層１２を積層し、ＰＬスペクトルを測定後、ドライエッチングにより素子分離溝を形成し、ｐ層１２上にｐ電極１４、基板１０裏面にｎ電極１３を形成した。ｎ層１１およびｐ層１２の成長温度が、１０４０〜１１８０℃の間で段階的に異なる複数の素子を作製した。以上により作製したｐｎダイオードのリーク電流を測定した。また、ｐ電極１４のコンタクト抵抗を測定した。
【0045】
図８は、ｐｎダイオードに逆方向電圧を印加したときの逆方向電流（リーク電流）を示したグラフである。また、図９は、逆方向電圧が３００ＶのときのＩBL／ＩNBE とリーク電流の関係を示したグラフである。
【0046】
図８のように、成長温度が低いほどリーク電流が大きくなる傾向にあることがわかった。また、図９のように、ＩBL／ＩNBE が０．５以下ではリーク電流が１×１０-12 Ａ以下の低いレベルを保っているが、ＩBL／ＩNBE が０．５を超えると急激にリーク電流が増加し、１×１０-11 Ａを超えるリーク電流が発生することがわかった。なお、本実験においてリーク電流の測定下限は１×１０-13 Ａであり、これより小さな値は不確かさがある。
【0047】
図１０は、ＩBL／ＩNBE とｐ電極１４のコンタクト抵抗との関係を示したグラフである。図１０のように、コンタクト抵抗についてもリーク電流と同様の傾向があり、ＩBL／ＩNBE が０．５以下ではコンタクト抵抗が低いレベルを保っているが、ＩBL／ＩNBE が０．５を超えると急激にコンタクト抵抗が増加することがわかった。
【0048】
実験例１、２から、ＩBL／ＩNBE はｐ層１２の結晶品質評価の指標として適しており、ＩBL／ＩNBE が０．５以下のウェハを選別して素子作製を行えば、ｐｎダイオードのリーク電流、コンタクト抵抗を低減できることがわかった。また、ＩBL／ＩNBE によってｐ層１２のホール濃度も制御可能であり、ＩBL／ＩNBE が０．５以下であれば適切にホール濃度を制御できることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【0049】
本発明は、III 族窒化物半導体からなるパワーデバイスなどの作製に利用することができる。
【符号の説明】
【0050】
１０：基板１１：ｎ層
１２：ｐ層
１３：ｎ電極
１４：ｐ電極