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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】
(24)【登録日】2023-07-12
(45)【発行日】2023-07-21
(54)【発明の名称】窒化物半導体基板の製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/322 20060101AFI20230713BHJP
   C30B 29/38 20060101ALI20230713BHJP
   C30B 31/22 20060101ALI20230713BHJP
   H01L 21/265 20060101ALN20230713BHJP
【FI】
H01L21/322 C
C30B29/38 D
C30B31/22
H01L21/265 601A
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2019211649
(22)【出願日】2019-11-22
(65)【公開番号】P2021082789
(43)【公開日】2021-05-27
【審査請求日】2022-08-12
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成31年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業「省エネルギー社会の実現に資する次世代半導体研究開発(パワーデバイス・システム領域)」、産業技術力強化法第17条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000231464
【氏名又は名称】株式会社アルバック
(73)【特許権者】
【識別番号】504139662
【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】櫻井 秀樹
(72)【発明者】
【氏名】加地 徹
(72)【発明者】
【氏名】五十嵐 信行
(72)【発明者】
【氏名】須田 淳
【審査官】鈴木 智之
(56)【参考文献】
【文献】特開2011-162407(JP,A)
【文献】特開2010-182936(JP,A)
【文献】特開2003-347234(JP,A)
【文献】特表2002-503394(JP,A)
【文献】特開2001-160656(JP,A)
【文献】特開2011-098883(JP,A)
【文献】特表2010-532585(JP,A)
【文献】特開2011-037666(JP,A)
【文献】特開2018-145042(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/322
C30B 29/38
C30B 31/22
H01L 21/265
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
窒化物半導体基板の表面に不純物をイオン注入することで、イオン注入が行われた領域に空孔型点欠陥を発生させるイオン注入工程と、
前記窒化物半導体基板を1300℃よりも高い温度でアニールすることで、前記空孔型点欠陥を凝集して空孔型の転位ループとして析出させるアニール工程と、
を備える、窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項2】
前記アニール工程は、アニール温度における前記窒化物半導体基板の飽和蒸気圧以上の高圧雰囲気化で行われる、請求項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項3】
前記窒化物半導体基板はウルツ鉱型結晶構造であり、
前記空孔型の転位ループはa面上に存在している、請求項またはに記載の窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書に開示する技術は、窒化物半導体基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化物半導体装置の不純物拡散領域をイオン注入によって形成する技術が知られている。例えば窒化物半導体がGaNである場合には、p型不純物としてMgをイオン注入する。なお、特許文献1には、関連する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平5-183189号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
イオン注入では、結晶中に空孔型点欠陥が導入されてしまう。空孔型点欠陥によってアクセプタが補償されるため、欠陥密度が高いほど実効アクセプタ濃度が低下し、デバイス特性が悪化してしまう場合がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本明細書に開示する窒化物半導体基板の一実施形態は、不純物がイオン注入によって導入されている領域を備える。イオン注入が行われた領域およびその近傍に空孔型の転位ループが存在している。
【0006】
イオン注入によって導入された空孔型点欠陥を、空乏型の転位ループとして析出させることで、転位ループの周辺の点欠陥を減少させることができる。転位ループは、刃状転位のループである。刃状転位は、点欠陥に比して、アクセプタを補償する効果が小さい。実効アクセプタ濃度の低下を抑制できるため、デバイス特性の悪化を防止することができる。
【0007】
窒化物半導体基板はウルツ鉱型結晶構造であってもよい。空孔型の転位ループはa面上に存在していてもよい。
【0008】
窒化物半導体基板はGaNであってもよい。不純物はマグネシウムであってもよい。
【0009】
本明細書に開示する窒化物半導体基板の製造方法の一実施形態は、窒化物半導体基板の表面に不純物をイオン注入することで、イオン注入が行われた領域に空孔型点欠陥を発生させるイオン注入工程を備える。製造方法は、窒化物半導体基板を1300℃よりも高い温度でアニールすることで、空孔型点欠陥を空孔型の転位ループとして析出させるアニール工程を備える。効果の詳細は実施例で説明する。
【0010】
アニール工程は、アニール温度における窒化物半導体基板の飽和蒸気圧以上の高圧雰囲気化で行われてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】GaN基板のTEM像およびSIMS分析結果を示す図である。
図2】GaN基板のTEM像およびSIMS分析結果を示す図である。
図3】GaN完全結晶の結晶構造の模式図である。
図4】空孔型の転位ループの結晶構造の模式図である。
図5】空孔型の転位ループの形成メカニズムを説明する図である。
図6】空孔型の転位ループの形成メカニズムを説明する図である。
図7】空孔型の転位ループの形成メカニズムを説明する図である。
図8】比較例のGaN基板のTEM像およびSIMS分析結果を示す図である。
図9】CLスペクトルを示す図である。
図10】ホール効果測定の温度特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
(窒化物半導体基板)
図1に、本明細書に記載の窒化物半導体基板の一例を示す。本実施例では、窒化物半導体として窒化ガリウム(GaN)、II族元素のp型不純物としてマグネシウム(Mg)を用いている。図1(A)は、二次イオン質量分析(SIMS)法を用いた、Mgの深さ方向の濃度プロファイルである。図1(A)の横軸はMgの濃度[cm-3]である。縦軸は、GaN基板の表面からの深さである。図1(B)は、図1(A)に対応するTEM断面写真である。紙面上方向が、c軸方向([0001]方向)である。紙面右方向が、m軸方向([1-100]方向)である。紙面に垂直な方向が、a軸方向([11-20]方向)である。GaN基板の表面は、c面((0001)面)である。また図1(B)の断面は、a面((11-20)面)である。回折ベクトルg(TEM観察の際に選択された回折格子面の法線ベクトル)は、1-100方向である。
【0013】
図1(A)のMg濃度プロファイルP0は、GaN基板の表面にMgがイオン注入された状態の濃度プロファイルである。すなわちMg濃度プロファイルP0は、アニール前のMgの濃度プロファイルである。図1(A)のMg濃度プロファイルP1は、Mg濃度プロファイルP0を有するGaN基板を1480℃でアニールした後に測定された結果である。アニールは、1GPaの窒素雰囲気中で、30秒間行われた。
【0014】
Mgがイオン注入によって導入されている領域を、注入領域R1と定義する。図1の例では、注入領域R1は、GaN基板表面から1500nm程度の深さまでの領域である。図1(B)に示すように、注入領域R1およびその近傍には、楕円形状の転位が複数存在している。例えば、矢印で示す転位ループDL1などである。これらの転位ループは、さらに詳細なTEM解析によれば転位型である。
【0015】
図2も、本明細書に記載の窒化物半導体基板の一例である。図2では、回折ベクトルgが0001方向である。図2のその他の内容は、前述した図1と同様であるため、説明を省略する。図2(B)では、楕円形状の転位ループはほとんど見えない。つまり、回折ベクトルg=1-100方向では転位ループが明瞭に観察され、回折ベクトルg=0001方向ではほとんど見えない事から、フランク型の転位ループである。さらに詳細なTEM解析から、この転位ループは空孔型(いわゆるベーカンシータイプ)であることがわかった。
【0016】
(空孔型の転位ループの定義)
図3および図4を用いて、本明細書における空孔型の転位ループを説明する。図3(A)にGaN完全結晶の結晶構造の模式図を示す。図3(A)では、分かりやすさのためにガリウム原子のみを記載し、窒素原子は省略している。紙面上方向が、a軸方向([11-20]方向)である。紙面右方向が、m軸方向([1-100]方向)である。紙面に垂直な方向が、c軸方向([0001]方向)である。GaNはウルツ鉱型結晶構造である。
【0017】
なお以降において、図3(A)の結晶構造におけるガリウム原子2原子層を、図3(B)のように一本の線で簡略化して表記する場合がある。図3(B)では、欠陥のない原子層を直線で示している。
【0018】
図4に、空孔型の転位ループの結晶構造例の模式図を示す。図4は、前述した図3(B)と同様にして、原子層を直線で簡略化して表記している。図4(A)は、図3と同様にして、[0001]方向(すなわちGaN基板の表面側)からGaN結晶を見た図である。図4(B)は、図4(A)の結晶構造を[11-20]方向から見た図である。図4(A)に示すように、空孔型の転位ループDLは、空格子点の原子層の板状集合体である。転位ループは、フランク転位(Frank dislocation)とも呼ばれる。空孔型の転位ループDLは、a面である(11-20)面上に形成される。
【0019】
本明細書の空孔型の転位ループDLは、隣接する原子層の位置に形成された空格子点の板状集合体である。よって、空孔型の転位ループDLが存在する領域では、上側の原子層11と下側の原子層12とが結合することで周期性が保たれている。よって空孔型の転位ループDLは、完全転位ループである。すなわち、転位ループDLの内側および外側も、点欠陥が存在しない結晶である。また図4(B)に示した完全転位ループ以外にも、空孔型の転位ループDLは不完全な転位ループ(いわゆる積層欠陥)を形成することもある。
【0020】
図4(A)において、転位線L1は、紙面に対して垂直方向に伸びている。また転位に伴うすべりの向きを示すバーガースベクトルbは、[11-20]方向(紙面の上下方向)となる。転位線L1とバーガースベクトルbの方向とが直交するため、空孔型の転位ループDLは刃状転位であることが分かる。
【0021】
(転位ループの形成メカニズム)
図4図7を用いて、空孔型の転位ループの形成メカニズムを説明する。第1のステップとして、図5(A)に示すように、GaN基板の表面(a面)からMgをイオン注入する。イオン注入により、空孔型の点欠陥PDが複数発生する。点欠陥PDは、ガリウム空孔や窒素空孔などである。なお、図5(A)~図7(A)では、点欠陥PDを、空白で示している。また図5(B)~図7(B)では、点欠陥PDを原子が抜けた空白で示している。
【0022】
第2のステップとして、アニール工程が行われる。アニール工程では、1300℃よりも高い温度でGaN基板をアニールする。アニール温度は、好ましくは1350℃以上、より好ましくは1400℃以上である。本実施例では、アニール温度は1480℃とした。またアニール期間は30秒とした。
【0023】
またアニール工程は、アニール最高温度におけるGaN基板の飽和蒸気圧以上の高圧下で行われる。GaNの飽和蒸気圧は、1480℃で約1GPaである。本実施例では、窒素雰囲気で1GPaに加圧した状態でアニールした。
【0024】
図6に、アニール工程の途中段階の模式図を示す。アニールにより活性化エネルギーが与えられると、点欠陥PDは結晶内を移動し、凝集を開始する(図6、矢印Y1)。これにより、転位ループDLの形成が始まる。
【0025】
図7に、アニールの最終段階の模式図を示す。さらに点欠陥PDが凝集することで(図7、矢印Y2)、原子層の厚さを有する、空格子点の板状集合体が形成される。これにより、空孔型の転位ループDLが完成する。また、転位ループDLの周辺の点欠陥PDは消滅する。最終的に、図4に示す空孔型の転位ループの結晶構造が形成される。
【0026】
(アニール温度)
本明細書の技術で使用するアニール温度の意義を説明する。図8に、比較例のGaN基板を示す。図8の比較例では、1300℃でアニールしている。その他の条件は、図1で説明した条件と同一である。図8(B)の断面TEM写真から分かるように、注入領域R1およびその近傍には、楕円形状の転位が見られない。これにより、1300℃以下のアニール温度では、空孔型の転位ループが形成されないことが分かる。これは、1300℃以下では、空孔型点欠陥が析出するための十分な活性化エネルギーを与えることができないためと考えられる。すなわち、1300℃より高い温度は、空孔型の転位ループを形成することができる特異温度であることが分かる。
【0027】
また1300℃のアニール温度では、イオン注入されたMgが円盤状に析出する場合があることが、発明者らの実験によって確認された。また、析出したMgを含んだ欠陥が、TEM像において輪の形状に観察される場合があることも確認された。しかし、これらの輪の形状の欠陥は、Mgが析出した構造を備えるため、本明細書の「空孔型の転位ループ」の構造とは根本的に異なるものである。またMgが析出すると、MgがGaサイトに取り込まれにくくなるため、Mgの活性化率(ドープした不純物のうち活性化した不純物の割合)が低下してしまうことも確認された。
【0028】
(p型不純物の活性化)
本明細書の転位ループの意義を、p型不純物の活性化の観点から説明する。図9に、カソードルミネッセンス(CL)スペクトルCS1~CS3を示す。横軸はフォトンエネルギー[eV]であり、縦軸はCL強度[任意単位]である。CLスペクトルCS1は、表面にMgがイオン注入されたGaN基板を、通常の圧力下で1300℃でアニールした後に測定された結果である。同様に、CLスペクトルCS2は、1GPaの圧力下での1300℃のアニール後の測定結果である。また、CLスペクトルCS3は、1GPaの圧力下での1480℃のアニール後の測定結果である。何れのアニールも30秒のアニール時間で行われた。
【0029】
2.8-3.4eVの範囲R2は、Mgがアクセプタとして活性化したことを示すドナーアクセプタペア発光の範囲である。範囲R2におけるピークCL強度PI1~PI3は、それぞれ、約1、約2、約16である。すなわち、アニール温度の1300℃と1480℃との間を境界として、CL強度が急上昇する。すなわち、1300℃より高い温度は、Mgの活性化率が急上昇する特異温度であることが分かる。アニール温度が1300℃までの範囲において、Mgの活性化率が低い理由は、主に2つ考えられる。第1に、1300℃までのアニール温度では、空孔型の転位ループが形成されないため、空孔型点欠陥が高密度に存在した状態が維持される。この高密度な点欠陥によりアクセプタが補償されてしまうためである。第2に、1300℃までのアニール温度では、前述したようにMgが析出する場合がある。その結果、MgがGaサイトに取り込まれにくくなるためである。
【0030】
図10を用いて、p型不純物の活性化の実証例を説明する。図10は、ホール効果測定の温度特性を示す。横軸は温度[K]および温度係数[K-1]であり、縦軸はホール濃度[cm-3]である。丸のプロットPL1は、本明細書における、Mgイオン注入で形成されたp型GaNのホール濃度を示す。具体的には、1GPaの圧力下で1400℃、5分のアニールを行っている。また比較例である、三角のプロットPL11、四角のプロットPL12、菱形のプロットPL13は、エピタキシャル成長で形成されたp型GaNのホール濃度を示す。プロットPL11~PL13は、それぞれ、Mg濃度が2.3×1018[cm-3]、3.9×1017[cm-3]、6.5×1016[cm-3]である。
【0031】
図10から分かるように、本明細書においてMgイオン注入で形成されたp型GaNのホール濃度の温度依存性は、比較例のエピタキシャル成長で形成されたp型GaNのホール濃度と同じ温度依存性の傾向を示している。すなわち本明細書の技術によれば、Mgが十分に活性化されたp型GaNを、イオン注入によって形成できる。
【0032】
(効果)
イオン注入を行うと、GaN結晶内に空孔型点欠陥が導入されてしまう。空孔型点欠陥によってアクセプタが補償されるため、実効アクセプタ濃度が低下してしまう。しかし点欠陥をすべて消滅させたり、結晶外に掃き出すことは困難である。本明細書に記載されている技術では、Mgがイオン注入されたGaN基板を1300℃より高い温度でアニールすることで、GaN結晶中の空孔型点欠陥を「空乏型の転位ループ」として析出させることができる。これにより、転位ループの周辺の点欠陥密度を低下させることができるため、実効アクセプタ濃度の低下を抑制できる。また転位ループは、刃状転位である。刃状転位は、点欠陥に比してアクセプタを補償する効果が小さいため、デバイスの電気特性に与える影響が小さい。よって、点欠陥を刃状転位に変換することで、デバイス特性の悪化を防止することができる。
【0033】
空孔型の転位ループは、一般に、すべり面が結晶本来のすべり面と一致しないため、運動しにくい転位(不動転位)である。よって、空孔型点欠陥を空乏型の転位ループとして析出させることで、点欠陥を、デバイス特性に影響が少ない状態で固定(ゲッタリング)することができる。点欠陥を電気的に不活性にすることができる。
【0034】
GaNは、850℃以上の温度で熱分解してしまうため、アニール温度を高くすることが困難である。本明細書の技術では、アニール工程を、アニール最高温度におけるGaN基板の飽和蒸気圧以上の高圧下で行う。例えば、アニール最高温度が1480℃の場合には、1GPaの超高圧下でアニールを行う。これにより、GaN基板の熱分解を防止しながら、1300℃以上での高温アニールを行うことができる。よって、空孔型の転位ループを形成することが可能となる。
【0035】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【0036】
(変形例)
窒化物半導体はGaNに限定されるものではなく、例えば、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)、InGaN(窒化インジウムガリウム)または、その混晶等であってもよい。
【0037】
上記の実施例では、p型領域を形成するためのII族元素の一例としてマグネシウム(Mg)を用いていたが、この構成に限定されるものではない。II族元素は、例えばベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)等であってもよい。
【0038】
上記の実施例では、p型領域をイオン注入で形成する場合を説明したが、この形態に限られない。n型領域をイオン注入で形成する場合にも、本明細書の技術を適用可能である。この場合の不純物元素の一例としては、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)が挙げられる。
【0039】
アニール工程は、高圧下に限られない。任意の圧力下でアニールを行っても、本明細書の技術の効果を得ることができる。
【0040】
Mgのイオン注入では、水素や窒素を同時に注入してもよい。窒素を共注入することにより、イオン注入時に発生してしまう窒素空孔を減少させることができる。
【0041】
Mgは、不純物の一例である。GaNは、窒化物半導体の一例である。
【符号の説明】
【0042】
DL:転位ループ R1:注入領域 P0~P2:Mg濃度プロファイル PD:点欠陥 PL1、PL11~PL13:プロット
図1
図2
図3
図4
図5
図6
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図8
図9
図10