(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  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。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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／ｃｍ２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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７３４８６号公報
【特許文献２】特開２０１３−０６２３６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【発明の効果】
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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】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】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】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５】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】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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
【００１４】
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。
【００１５】
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／ｃｍ２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／ｃｍ２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。
【００１６】
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／ｃｍ２、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／ｃｍ２、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／ｃｍ２、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。
【００１７】
パルスエネルギ密度を０．８Ｊ／ｃｍ２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／ｃｍ２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／ｃｍ２以下にすることが好ましい。
【００１８】
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。
【００１９】
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／ｃｍ２、オーバラップ率ＯＶｍ、ＯＶｓが９０％の条件で行った。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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２００ｃｍ２／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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【符号の説明】
【００２９】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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