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JP2008135700A - Manufacturing method of group iii nitride film, and group iii nitride semiconductor device - Google Patents

Manufacturing method of group iii nitride film, and group iii nitride semiconductor device Download PDF

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JP2008135700A
JP2008135700A JP2007208294A JP2007208294A JP2008135700A JP 2008135700 A JP2008135700 A JP 2008135700A JP 2007208294 A JP2007208294 A JP 2007208294A JP 2007208294 A JP2007208294 A JP 2007208294A JP 2008135700 A JP2008135700 A JP 2008135700A
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JP
Japan
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group iii
iii nitride
nitride film
annealing
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007208294A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuuki Niiyama
勇樹 新山
Hironari Takehara
洋斉 竹原
Kiyoteru Yoshida
清輝 吉田
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.)
Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
Application filed by Furukawa Electric Co Ltd filed Critical Furukawa Electric Co Ltd
Priority to JP2007208294A priority Critical patent/JP2008135700A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a group III nitride film which attains improvement in a modulus of activation after ion implantation into the group III nitride film, for a short time while preventing deterioration of a crystal quality. <P>SOLUTION: The group III nitride film is efficiently activated for a short period through a process to implant ions into the group III nitride film, and a process to activate the nitride film by performing high-temperature annealing treatment (Fig. 4 (b)) of the group III nitride film 21 after ion implantation, for 10 seconds or more but 30 minutes or less, according to temperature, at the temperature of 1,100°C or more but 1,350°C or less. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、III族窒化物膜の製造方法に関し、より詳しくは、III族窒化物化合物半導体素子として使用するコンタクト層の活性化方法及びこれにより製造したIII族窒化物膜を用いたIII族窒化物半導体素子に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a group III nitride film, and more particularly, a method for activating a contact layer used as a group III nitride compound semiconductor device and a group III nitride using the group III nitride film manufactured thereby. The present invention relates to a physical semiconductor device.

III−V族窒化物に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持ち、高温で大きなパワー用のデバイス材料として非常に有用であり、短波長域におけるレーザーダイオードや電子デバイスであるトランジスタが一部実用化されている。特に電子デバイスにおいては、これまで、AlGaN/GaN系HFET、またはMISFETが用いられていた。これらは従来のSiやGaAs、InPなどのIII族化合物系半導体よりも高い絶縁破壊電圧や飽和移動度を有しており、パワーデバイスに適している。   Wide band gap semiconductors typified by III-V nitrides have high breakdown voltage, good electron transport properties, good thermal conductivity, and are very useful as device materials for large power at high temperatures. Some transistors, which are laser diodes and electronic devices in the short wavelength region, have been put into practical use. Especially in electronic devices, AlGaN / GaN HFETs or MISFETs have been used so far. These have higher breakdown voltage and saturation mobility than conventional group III compound semiconductors such as Si, GaAs, and InP, and are suitable for power devices.

しかし、これらのIII族窒化物系のトランジスタは、材料がワイドギャップ故に、金属との仕事関数差に起因して、ソースおよびドレインのコンタクト抵抗が大きくなるという課題があった。   However, these Group III-nitride transistors have a problem that the contact resistance between the source and the drain is increased due to the work function difference from the metal because the material is a wide gap.

例えば、III族窒化物系電界効果型トランジスタの場合、ソース電極及びドレイン電極とIII族窒化物との接触抵抗を下げるために、熱拡散法(非特許文献1)や選択成長法(非特許文献2)などの技術が用いられている。また、ショットキー接合を用いたものもある(非特許文献3)
S. Jang et al. J. Electronic Materials 35(2006)685 吉田清輝、電工時報2002年109号 H. B. Lee et al. IEEE Trans. Dev. Lett. 27(2006)81
For example, in the case of a group III nitride field effect transistor, a thermal diffusion method (Non-Patent Document 1) or a selective growth method (Non-Patent Document) is used to reduce the contact resistance between a source electrode and a drain electrode and a Group III nitride. 2) is used. Some use Schottky junction (Non-patent Document 3).
S. Jang et al. J. Electronic Materials 35 (2006) 685 Yoshida Kiyoteru, Electric Works Times, No. 109, 2002 HB Lee et al. IEEE Trans. Dev. Lett. 27 (2006) 81

しかし、非特許文献1に記載の熱拡散法では、シリコンをIII族窒化物膜の表面に蒸着した後に熱拡散法を用いているが、アニール温度が900℃と低温であるため、120分という長いアニール時間を必要とし、生産効率の低下が問題となる。   However, in the thermal diffusion method described in Non-Patent Document 1, the thermal diffusion method is used after the silicon is deposited on the surface of the group III nitride film. However, the annealing temperature is as low as 900 ° C., which is 120 minutes. A long annealing time is required, and a reduction in production efficiency becomes a problem.

また、非特許文献2に記載の選択成長法を用いた場合、選択領域の成長速度が周辺に比べて非常に速く、膜厚の調整が難しいという問題があった。   Further, when the selective growth method described in Non-Patent Document 2 is used, there is a problem that the growth rate of the selected region is very fast compared to the surroundings, and it is difficult to adjust the film thickness.

さらに、非特許文献3のショットキー接合を用いる方法は、ショットキー接合の接触抵抗が高いため、オン抵抗を十分に下げられないという問題があった。   Further, the method using the Schottky junction of Non-Patent Document 3 has a problem that the on-resistance cannot be lowered sufficiently because the contact resistance of the Schottky junction is high.

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、III族窒化物膜にイオン注入後の活性化率の向上を、結晶品質の劣化を防止しつつ短時間で実現することのできるIII族窒化物膜の製造方法およびこの方法により製造したIII族窒化物膜を用いたIII族窒化物半導体素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can improve the activation rate after ion implantation into a group III nitride film in a short time while preventing deterioration of crystal quality. It is an object of the present invention to provide a method for producing a film and a group III nitride semiconductor device using a group III nitride film produced by this method.

上記の課題を解決するための本発明の第1の態様は、III族窒化物膜にドーパントをイオン注入する工程と、イオン注入後のIII族窒化物膜を1100℃以上1350℃以下の温度下で、温度に応じて10秒以上30分以下の期間高温アニール処理を行う活性化工程とを備えることを特徴とするIII族窒化物膜の製造方法である。高温かつ短時間のアニールにより活性化率を大幅に向上することが可能となる。   The first aspect of the present invention for solving the above-described problems is that a dopant is ion-implanted into a group III nitride film, and the group III nitride film after ion implantation is performed at a temperature of 1100 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower. And an activation step of performing high-temperature annealing for a period of 10 seconds or more and 30 minutes or less depending on the temperature. The activation rate can be greatly improved by annealing at a high temperature for a short time.

本発明の第2の態様は、上記第1の態様に係るIII族窒化物膜の製造方法の前記活性化工程において、1250℃以上1350℃以下のアニール温度で、10秒以上30秒以下の時間活性化処理を行うことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the activation step of the method for producing a group III nitride film according to the first aspect, the annealing temperature is 1250 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower and the time is 10 seconds or longer and 30 seconds or shorter. An activation process is performed.

本発明の第3の態様は、上記第1の態様に係るIII族窒化物膜の製造方法の前記活性化工程において、1150℃以上1250℃以下のアニール温度で30秒以上活性化処理を行うことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the activation step of the method for producing a group III nitride film according to the first aspect, an activation treatment is performed at an annealing temperature of 1150 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower for 30 seconds or longer. It is characterized by.

本発明の第4の態様は、上記第1乃至第3の態様のいずれかに係るIII族窒化物膜の製造方法の前記活性化工程において、1100℃で30分以上90分以下の時間活性化アニール処理を行うことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the activation step of the method for producing a group III nitride film according to any one of the first to third aspects, activation is performed at 1100 ° C. for 30 minutes to 90 minutes. Annealing treatment is performed.

本発明の第5の態様は、上記第1乃至第4の態様のいずれかに係るIII族窒化物膜の製造方法における前記イオン注入工程が、III族元素の格子サイトと窒素の格子サイトの少なくともいずれかに導入可能な元素のイオンを注入することを特徴とする。例えば、III族元素の格子サイトは、Gaであり、窒素の格子サイトはNである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the method for producing a group III nitride film according to any one of the first to fourth aspects, the ion implantation step includes at least a lattice site of a group III element and a lattice site of nitrogen. It is characterized in that ions of elements that can be introduced into any of them are implanted. For example, the lattice site of the group III element is Ga, and the lattice site of nitrogen is N.

本発明の第6の態様は、上記第1乃至第4の態様のいずれかに係るIII族窒化物膜の製造方法の前記イオン注入工程において、III族元素の格子サイトに導入可能な元素のイオンと、窒素の格子サイトに導入可能な元素のイオンの両方を注入することを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an ion of an element that can be introduced into a lattice site of a group III element in the ion implantation step of the method for producing a group III nitride film according to any one of the first to fourth aspects. And an ion of an element that can be introduced into a lattice site of nitrogen.

本発明の第7の態様は、上記第1乃至第6の態様のいずれかにかかるIII族窒化物膜の製造方法において、前記イオン注入工程の後であって前記アニール工程の前に、さらに、III族窒化物膜の表面を誘電体膜のキャップ層で覆う工程を備えることを特徴とする。例えば、SiO2、SiN、AlN、グラファイトなどを使用して誘電体膜を形成することが可能である。また、膜厚としては、例えば500nm程度の膜厚とすることができる。このようなキャップ層を設けることにより、アニール時の窒素の離脱を抑制する効果を得ることが可能となる。   According to a seventh aspect of the present invention, in the method for producing a group III nitride film according to any one of the first to sixth aspects, after the ion implantation step and before the annealing step, A step of covering the surface of the group III nitride film with a cap layer of a dielectric film is provided. For example, it is possible to form the dielectric film using SiO2, SiN, AlN, graphite or the like. The film thickness can be about 500 nm, for example. By providing such a cap layer, it is possible to obtain an effect of suppressing the detachment of nitrogen during annealing.

本発明の第8の態様は、上記第1乃至第7の態様のいずれかの態様に係るIII族窒化物膜の製造方法において、前記アニール工程は、窒素加圧雰囲気内において高温アニール処理を行うことを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a group III nitride film according to any one of the first to seventh aspects, the annealing step performs a high-temperature annealing treatment in a nitrogen-pressurized atmosphere. It is characterized by that.

本発明の第9の態様は、上記第8の態様にかかるIII族窒化物膜の製造方法において、前記アニール工程は、1013hPa以上窒素加圧雰囲気内において前記アニール処理を行うことを特徴とする。
本発明の第10の態様は、上記第1,第5,第6,第7,第8および第9の態様のいずれか一つに記載のIII族窒化物膜の製造方法において、前記イオン注入工程では、シリコン基板上に成長されたIII族窒化物膜にドーパントをイオン注入し、前記イオン注入後に行う前記活性化工程において、活性化アニール後のシート抵抗を70 W/sq.以上300 W/sq.以下となるような熱処理を行うことを特徴とする。
According to a ninth aspect of the present invention, in the method for producing a group III nitride film according to the eighth aspect, the annealing step is performed in a nitrogen-pressurized atmosphere of 1013 hPa or more.
A tenth aspect of the present invention is the method of manufacturing a group III nitride film according to any one of the first, fifth, sixth, seventh, eighth, and ninth aspects, wherein the ion implantation is performed. In the step, dopant is ion-implanted into a group III nitride film grown on a silicon substrate, and in the activation step performed after the ion implantation, the sheet resistance after activation annealing is set to 70 W / sq. Or more and 300 W / It is characterized by performing a heat treatment to be sq.

本発明の第11の態様は、上記第1乃至第10の態様のいずれか一つに記載の方法により形成されたIII族窒化物膜を用いたことを特徴とするIII族窒化物半導体素子である。   An eleventh aspect of the present invention is a group III nitride semiconductor device using a group III nitride film formed by the method according to any one of the first to tenth aspects. is there.

本発明の第12の態様は、上記第11の態様に記載のIII族窒化物半導体素子において、p型あるいはi型の窒化物半導体にシリコンをイオン注入した後、高温アニールして活性化することによりソース領域とドレイン領域を形成したFET型の化合物半導体デバイスであることを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, in the group III nitride semiconductor device according to the eleventh aspect, silicon is ion-implanted into a p-type or i-type nitride semiconductor and then activated by high-temperature annealing. An FET type compound semiconductor device in which a source region and a drain region are formed by the above.

本発明によれば、高温アニールにより極めて短い時間で、イオン注入層の活性化が可能となり、生産効率が向上する。また、保護膜として窒素抜けを防止する有効な保護膜を設けることが好ましい。   According to the present invention, the ion implantation layer can be activated in a very short time by high-temperature annealing, and the production efficiency is improved. Further, it is preferable to provide an effective protective film for preventing nitrogen escape as a protective film.

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
まず始めに、本発明の位置づけを明確にするために、MOSFET構造の窒化ガリウム(GaN)半導体素子の製造方法を用いて、本発明の適用場面の一例を説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, in order to clarify the position of the present invention, an example of an application situation of the present invention will be described using a method for manufacturing a gallium nitride (GaN) semiconductor element having a MOSFET structure.

図1、図2は、本発明の第1実施形態に係るIII族窒化物膜の製造方法を使用して、MOSFET構造の窒化物化合物半導体トランジスタ(III族窒化物半導体素子)を製造する製造工程を示す断面図である。図1、図2の例では、窒化物化合物として、p型不純物をドープした窒化ガリウム(GaN)を使用する。このMOSFETの製造工程においては、図1(c)から図2(a)の処理工程に本発明の特徴が、もっともよく表れる。   1 and 2 show a manufacturing process for manufacturing a nitride compound semiconductor transistor (group III nitride semiconductor device) having a MOSFET structure using the method for manufacturing a group III nitride film according to the first embodiment of the present invention. FIG. In the example of FIGS. 1 and 2, gallium nitride (GaN) doped with a p-type impurity is used as the nitride compound. In the manufacturing process of this MOSFET, the features of the present invention are most apparent in the processing steps shown in FIGS. 1 (c) to 2 (a).

まず、図1(a)に示すように、例えば、有機金属気相成長(MOCVD)法等によりサファイア、SiC、Si等の基板1上に、AlN又はGaNよりなる厚さ20nm程度のバッファ層2と厚さ1μm程度のp−GaN層を、順に成長する(これらの膜厚はいずれも例示である)。p型ドーパントとして例えばMgが用いられ、そのドーパント濃度は例えば1×1016〜1×1017/cm3とすることができる。 First, as shown in FIG. 1A, a buffer layer 2 made of AlN or GaN and having a thickness of about 20 nm is formed on a substrate 1 made of sapphire, SiC, Si or the like by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Then, a p-GaN layer having a thickness of about 1 μm is grown in order (all of these film thicknesses are examples). For example, Mg is used as the p-type dopant, and the dopant concentration can be set to 1 × 10 16 to 1 × 10 17 / cm 3 , for example.

なお、基板上に成長されるGaN等は、MOCVD法に限られるものではなく、ハイドライド気相成長(HVPE)法、分子線エピタキシー(MBE)法等の他の成長法を用いてもよい。これは、他の実施形態でも同様である。   Note that GaN or the like grown on the substrate is not limited to the MOCVD method, and other growth methods such as a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method and a molecular beam epitaxy (MBE) method may be used. The same applies to other embodiments.

続いて、後述するイオン注入工程による注入処理の際にGaN表面をダメージから防護するとともに、打ち込み深さの位置調整のために、p−GaN層の上に、PCVD等によりシリコン酸化膜4を形成する。   Subsequently, a silicon oxide film 4 is formed on the p-GaN layer by PCVD or the like in order to protect the GaN surface from damage during an implantation process by an ion implantation process described later and to adjust the position of the implantation depth. To do.

次に、図1(b)に示すように、シリコン酸化膜4上に、フォトレジスト5を塗布し、これをマスクパターンにより露光、現像してソース領域とドレイン領域に開口を形成する。その後に、その開口を通してn型ドーパント、例えばシリコンを注入してn+型ソース領域6s、n+型ドレイン領域6dを形成する。この場合、n型ドーパント濃度を例えば1×1018〜2×1020/cm3とする。 Next, as shown in FIG. 1B, a photoresist 5 is applied on the silicon oxide film 4, and this is exposed and developed with a mask pattern to form openings in the source region and the drain region. Thereafter, an n-type dopant, for example, silicon is implanted through the opening to form an n + -type source region 6s and an n + -type drain region 6d. In this case, the n-type dopant concentration is, for example, 1 × 10 18 to 2 × 10 20 / cm 3 .

図1(c)に示すように、フォトレジスト5を除去し、その後シリコン酸化膜4をふっ酸等の溶剤により除去した後に、活性化アニール時のGaNの結晶劣化を抑制するために、図1(d)に示すように、誘電体膜のキャップ層としてのSiO2キャップ7を500nm程度堆積する。 As shown in FIG. 1C, after removing the photoresist 5 and then removing the silicon oxide film 4 with a solvent such as hydrofluoric acid, in order to suppress GaN crystal deterioration during activation annealing, FIG. As shown in (d), a SiO 2 cap 7 as a cap layer of a dielectric film is deposited to a thickness of about 500 nm.

その後、図2(a)に示すように、1100℃〜1300℃で各温度に応じた所定期間、活性化アニールを行う。アニール温度と時間の関係については後ほど詳細に説明する。アニール処理によるピットの発生をより効果的に抑制するためには、常圧よりも高い窒素加圧雰囲気下で活性化アニールを行うことが好ましい。   Thereafter, as shown in FIG. 2A, activation annealing is performed at a temperature of 1100 ° C. to 1300 ° C. for a predetermined period according to each temperature. The relationship between the annealing temperature and time will be described in detail later. In order to more effectively suppress the generation of pits due to the annealing treatment, it is preferable to perform activation annealing in a nitrogen-pressurized atmosphere higher than normal pressure.

活性化アニールが終わると、SiO2キャップ7をふっ酸等の溶剤で除去し、図2(b)に示すように、PCVD等によりゲート絶縁膜を形成するためのシリコン酸化膜8を形成する。なお、シリコン酸化膜8の代わりにアルミナ(Al23)膜を形成してもよい。 When the activation annealing is completed, the SiO 2 cap 7 is removed with a solvent such as hydrofluoric acid, and as shown in FIG. 2B, a silicon oxide film 8 for forming a gate insulating film is formed by PCVD or the like. Note that an alumina (Al 2 O 3 ) film may be formed instead of the silicon oxide film 8.

その後、シリコン酸化膜8上に導電膜9を形成する。導電膜9としてはポリシリコンが一般に用いられるが、Ni/AlやWSi等の金属膜であってもよい。ポリシリコンの場合にはAs,P(リン)、B(硼素)等がドープされてCVD法により成長され、金属膜の場合にはスパッタ等により形成される。   Thereafter, a conductive film 9 is formed on the silicon oxide film 8. Polysilicon is generally used as the conductive film 9, but a metal film such as Ni / Al or WSi may be used. In the case of polysilicon, As, P (phosphorus), B (boron) or the like is doped and grown by the CVD method, and in the case of a metal film, it is formed by sputtering or the like.

さらに、導電膜9上にフォトレジスト10を塗布し、これを露光、現像してゲート領域に残すとともにソース領域6s、ドレイン領域6dの上から除去する。   Further, a photoresist 10 is applied on the conductive film 9, exposed and developed to leave it in the gate region, and removed from the source region 6s and drain region 6d.

そして、図2(c)に示すように、パターニングされたフォトレジスト10をマスクにして導電膜9及びシリコン酸化膜8をエッチングし、ゲート領域に残された導電膜9をゲート電極9gとなす。ゲート電極9gの下のシリコン酸化膜8は、ゲート絶縁膜として機能する。   Then, as shown in FIG. 2C, the conductive film 9 and the silicon oxide film 8 are etched using the patterned photoresist 10 as a mask, and the conductive film 9 left in the gate region becomes the gate electrode 9g. The silicon oxide film 8 under the gate electrode 9g functions as a gate insulating film.

続いて、図2(d)に示すように、フォトレジスト10を除去した後に、別のフォトレジスト(不図示)を用いたリフトオフ法により、図2(e)に示すように、ソース領域6s上にソース電極11sを形成すると同時に、ドレイン領域6d上にドレイン電極11dを形成する。   Subsequently, after removing the photoresist 10 as shown in FIG. 2D, a lift-off method using another photoresist (not shown) is performed on the source region 6s as shown in FIG. At the same time as forming the source electrode 11s, the drain electrode 11d is formed on the drain region 6d.

ソース電極11s、ドレイン電極11dは、Ti/Al、Ti/AlSi、Mo等の膜からなり、ドレイン領域6d、ソース領域6sを構成するn+−GaN層に対してオーミック接触している。   The source electrode 11s and the drain electrode 11d are made of a film such as Ti / Al, Ti / AlSi, and Mo, and are in ohmic contact with the n + -GaN layer constituting the drain region 6d and the source region 6s.

以上の工程によりノーマリオフ型のMOSFETが形成される。
MOSFETにおいて、ドレイン領域6d、ソース領域6sは、十分活性化されている上に、ピットも抑制されているため、シート抵抗を大幅に改善することができた。
Through the above process, a normally-off type MOSFET is formed.
In the MOSFET, since the drain region 6d and the source region 6s are sufficiently activated and pits are suppressed, the sheet resistance can be greatly improved.

なお、上記実施形態では、チャネル領域としてp−GaN層を形成したが、n型GaN層であってもよいし、その他のIII−V属窒化物化合物半導体層を形成してもよい。   In the above embodiment, the p-GaN layer is formed as the channel region. However, an n-type GaN layer may be used, and other group III-V nitride compound semiconductor layers may be formed.

本発明のIII族窒化物膜の製造方法を検証すべく、アニール条件を各種変化させて、活性化率及びシート抵抗等を測定した。以下に、図3及び図4を用いて、実験の測定対象となるIII族窒化物膜の製造工程を説明する。   In order to verify the manufacturing method of the group III nitride film of the present invention, the activation rate, the sheet resistance, and the like were measured by changing various annealing conditions. Hereinafter, the manufacturing process of the group III nitride film to be measured in the experiment will be described with reference to FIGS.

まず、サファイア基板20上に有機金属気相成長法(MOCVD)によって、図3(a)に示すようなp型のGaN層(p−GaN層)21をエピタキシャル成長させる。サファイア基板上に1100℃でトリメチルアルミニウム(TMA)とアンモニウム(NH)を用いて、AlN系バッファ層を100nm成長し、その後、シクロペンタジェニエルマグネシウム(CpMg)を用い、MgをドープしたGaNを1μm成長させて、p−GaN21を形成する。Mgの添加量は、5×1015cm-3から5×1017cm-3とする。尚、測定には、Mgをドープしない、アンドープGaN(un-GaN)も使用する。 First, a p-type GaN layer (p-GaN layer) 21 as shown in FIG. 3A is epitaxially grown on the sapphire substrate 20 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). An AlN-based buffer layer was grown to 100 nm on a sapphire substrate at 1100 ° C. using trimethylaluminum (TMA) and ammonium (NH 3 ), and then Mg was doped using cyclopentagenier magnesium (Cp 2 Mg). GaN is grown by 1 μm to form p-GaN 21. The amount of Mg added is 5 × 10 15 cm −3 to 5 × 10 17 cm −3 . For the measurement, undoped GaN (un-GaN) not doped with Mg is also used.

上記したMOCVD法に代えて、HVPE法(ハライド気相エピタキシ法)、MBE法(分子線エピタキシ法)等を用いても良い。   Instead of the MOCVD method described above, an HVPE method (halide vapor phase epitaxy method), an MBE method (molecular beam epitaxy method), or the like may be used.

その後、図3(b)に示すように、p-GaN層21上にSiO2膜22を20nm成膜する。次に、図3(c)に示すように、SiO2膜22の上からSiをイオン注入法によって、イオン注入により、Siイオン注入層23を形成する。イオン注入は、1回目がドーズ量3×1014cm-3、加速電圧30 keV、2回目がドーズ量4×1014cm-3、加速電圧60 keV、3回目がドーズ量8×1014cm-3、加速電圧120 keV、4回目がドーズ量1.5×1015cm-3、加速電圧190 keVの4回の打ち込みを行った。 Thereafter, as shown in FIG. 3B, a SiO 2 film 22 is formed on the p-GaN layer 21 to a thickness of 20 nm. Next, as shown in FIG. 3C, a Si ion implantation layer 23 is formed by ion implantation of Si from the top of the SiO 2 film 22 by ion implantation. In the ion implantation, the first dose is 3 × 10 14 cm −3 , the acceleration voltage is 30 keV, the second dose is 4 × 10 14 cm −3 , the acceleration voltage is 60 keV, and the third dose is 8 × 10 14 cm. -3 , an acceleration voltage of 120 keV, and the fourth time, a dose of 1.5 × 10 15 cm -3 and an acceleration voltage of 190 keV were performed four times.

その後、図4(a)に示すように、ふっ酸によりSiO2膜22を除去した後、Siイオン注入層23上にSiO2からなるキャップ層24を形成し、表面を覆う。その後、図4(b)に示すように、SiO2からなるキャップ層24を形成した状態で、測定対象となる各種III族窒化物膜(図4(c))を生成するため、温度と時間を変えて高温アニール処理を行った。その後、図4(c)に示すように、SiO2からなるキャップ層24を除去して、活性化層25の測定を行った。 Thereafter, as shown in FIG. 4A, after the SiO 2 film 22 is removed by hydrofluoric acid, a cap layer 24 made of SiO 2 is formed on the Si ion implanted layer 23 to cover the surface. Thereafter, as shown in FIG. 4 (b), in order to produce various group III nitride films (FIG. 4 (c)) to be measured with the cap layer 24 made of SiO 2 formed, the temperature and time A high temperature annealing process was performed while changing the temperature. Thereafter, as shown in FIG. 4C, the cap layer 24 made of SiO 2 was removed, and the activation layer 25 was measured.

測定対象となるIII族窒化物膜を各種形成するために、1300℃で、5秒、10秒、30秒の時間、熱処理(アニール)を行ったものを製造した。また、1200℃で5秒間アニールしたもの、1100℃で10秒間―5分間―30分間のアニールしたもの、及び1000℃で10秒間アニールしたものを製造し、製造した各III族窒化物膜のそれぞれの活性化率及びシート抵抗を測定し算出した。アニール処理は、1100℃以上のアニール処理にはアニール炉を使用し、その他のアニール処理にはRTAを使用した。昇温速度は、120℃/秒である。活性化アニールは、1気圧(≒1013hPa)で封入された窒素雰囲気のチャンバー内で行った。   In order to form various Group III nitride films to be measured, those that were heat-treated (annealed) at 1300 ° C. for 5 seconds, 10 seconds, and 30 seconds were manufactured. Each of the manufactured group III nitride films manufactured by annealing at 1200 ° C. for 5 seconds, 1100 ° C. for 10 seconds−5 minutes−30 minutes, and 1000 ° C. for 10 seconds are manufactured. The activation rate and sheet resistance were measured and calculated. As for the annealing process, an annealing furnace was used for the annealing process at 1100 ° C. or higher, and RTA was used for the other annealing processes. The heating rate is 120 ° C./second. The activation annealing was performed in a nitrogen atmosphere chamber sealed at 1 atm (≈1013 hPa).

図5に、温度1000℃〜1200℃をターゲットとした場合のRTAによるサンプル導入から昇温、冷却までの温度と時間の関係を示し、図6に温度1300℃をターゲットとした場合のRTAによるサンプル導入から昇温、冷却までの温度と時間の関係を示す。サンプル導入から余熱により200℃または400℃まで加熱し、その後昇温速度90℃―130℃/秒で温度を上げていく。その後、目標とする加熱時間である所定の時間(5秒から30秒)加熱した後、冷却してサンプルを取り出す。これにより、測定対象となるサンプルが形成される。RTAはランプアニール装置を用いて行った。   FIG. 5 shows the relationship between temperature and time from sample introduction by RTA when the temperature is 1000 ° C. to 1200 ° C. as a target, and FIG. 6 shows the sample by RTA when the temperature is 1300 ° C. The relationship between temperature from introduction to temperature rise and cooling and time is shown. The sample is heated to 200 ° C. or 400 ° C. by residual heat from the sample introduction, and then the temperature is increased at a temperature rising rate of 90 ° C. to 130 ° C./second. Then, after heating for a predetermined time (5 seconds to 30 seconds) which is a target heating time, the sample is taken out by cooling. Thereby, the sample used as a measuring object is formed. RTA was performed using a lamp annealing apparatus.

これらの実験の結果を、図7及び図8に示す。図7は活性化アニール後の活性化率を示す図であり、図8はアニール後のシート抵抗値を示す図である。通常の数値は、p-GaN層21へのイオン注入の場合を示し、<>は、un-GaN層へイオン注入した場合の測定結果を示している。1300℃10秒のアニール処理結果を見ると、活性化率及びシート抵抗ともに、un-GaN層の方がp-GaN層21よりも活性化率が2〜3%高くなり、シート抵抗は低くなっている。Mgの量とSiのドーズ量の違いから、他の温度で及びアニール時間においても、同様の傾向となることが推測される。   The results of these experiments are shown in FIGS. FIG. 7 is a diagram showing the activation rate after activation annealing, and FIG. 8 is a diagram showing the sheet resistance value after annealing. Normal numerical values indicate the case of ion implantation into the p-GaN layer 21, and <> indicates a measurement result when ions are implanted into the un-GaN layer. Looking at the annealing treatment result at 1300 ° C. for 10 seconds, both the activation rate and the sheet resistance are 2 to 3% higher for the un-GaN layer than the p-GaN layer 21, and the sheet resistance is lower. ing. From the difference between the amount of Mg and the dose of Si, it is presumed that the same tendency is observed at other temperatures and also in the annealing time.

尚、図6に示す1300℃で30秒加熱した場合の活性化率が100%を超えているのは、活性化キャリア濃度が高くなったためホール測定が不能となったためである。また、図7中の「NG」は、有効な活性化が認められなかったことを示している。さらに、図7、図8における「―UN−」の表示は、種々の理由により、データ測定を行わなかったことを表している。   The reason why the activation rate when heated at 1300 ° C. for 30 seconds as shown in FIG. 6 exceeds 100% is that the hole measurement becomes impossible because the activated carrier concentration becomes high. Further, “NG” in FIG. 7 indicates that effective activation was not recognized. Furthermore, the display of “-UN-” in FIGS. 7 and 8 indicates that data measurement was not performed for various reasons.

図7及び図8からわかるように、高温で長時間アニールするほど、活性化率が向上し、シート抵抗が下がっている。特に、1300℃、30秒においては、シート抵抗26Ω/sq.の性能を得ることができた。従来の82Ω/sq.(活性化率86%)に比べて格段に良好な数値を得ることが立証された。   As can be seen from FIGS. 7 and 8, the activation rate increases and the sheet resistance decreases as the annealing time is increased for a long time at a high temperature. In particular, at 1300 ° C. for 30 seconds, a sheet resistance of 26Ω / sq. Was obtained. It was proved that a much better numerical value was obtained compared to the conventional 82Ω / sq. (Activation rate 86%).

また、上述のように、SiO2膜22を介して190keVでSiイオンを打ち込んでもIII族窒化物の表面にはほとんど損傷が見られないことが判明した。 Further, as described above, it has been found that even if Si ions are implanted through the SiO 2 film 22 at 190 keV, the surface of the group III nitride is hardly damaged.

しかし、例えば1100℃以上1300℃以下で所定期間以上アニール処理を行うと、III族窒化膜の表面に大量のピットが発生することが確認された。このため、上述の条件
下で活性化アニールを行ったIII族窒化膜を用いて半導体デバイスを作成すると、リーク電流の増大が懸念される。特に電界効果型トランジスタの場合、反転キャリアの移動度の減少、ゲート酸化膜直下のGaN表面にダメージが生じることによる界面準位を増やしてしまうこと等が問題となる。
However, for example, it was confirmed that a large amount of pits were generated on the surface of the group III nitride film when annealing was performed for a predetermined period of time at 1100 ° C. or more and 1300 ° C. or less. For this reason, when a semiconductor device is formed using a group III nitride film that has been subjected to activation annealing under the above-described conditions, there is a concern about an increase in leakage current. In particular, in the case of a field effect transistor, there are problems such as a decrease in inversion carrier mobility and an increase in interface states due to damage on the GaN surface directly under the gate oxide film.

高温アニールによるこのようなピットの発生は、III族窒化物膜内の窒化脱離によるものと考えられる。特に窒化物の膜は高密度の結晶欠陥を含んでおり、欠陥部位での原子間結合力は脆弱であるため、例えば1050℃以上においては、窒素の脱離が促進されやすいと考えられる。   The generation of such pits due to the high temperature annealing is considered to be due to nitridation desorption in the group III nitride film. In particular, a nitride film contains high-density crystal defects and the interatomic bonding force at the defect site is fragile. Therefore, it is considered that desorption of nitrogen is easily promoted at, for example, 1050 ° C. or higher.

そのため、本発明の実験では、III族窒化物膜の表面をSiOからなるキャップ層24で覆ったが、より効果的には、窒素抜けを防止するために有効な保護膜、例えば、SiN等のキャップ層(誘電体膜のキャップ層)で覆うことにより高温アニール時の窒素の脱離を防止することが望ましい。また、誘電体膜のキャップ層で覆っても、窒素の脱離を完全に抑制することは難しいため、誘電体膜のキャップ層に代えて、または誘電体膜のキャップ層に加えて、窒素雰囲気加圧下で高温アニール処理を行うことにより、窒素の脱離をより抑制することが可能となる。この場合において、窒素雰囲気加圧下とは、窒素単独のならず、その他のガスを混合した雰囲気をも含む概念である。 Therefore, in the experiment of the present invention, the surface of the group III nitride film was covered with the cap layer 24 made of SiO 2 , but more effectively, a protective film effective for preventing nitrogen escape, such as SiN, etc. It is desirable to prevent desorption of nitrogen during high-temperature annealing by covering with a cap layer (cap layer of dielectric film). Further, even if covered with a cap layer of a dielectric film, it is difficult to completely suppress the desorption of nitrogen. Therefore, instead of the cap layer of the dielectric film or in addition to the cap layer of the dielectric film, a nitrogen atmosphere By performing high-temperature annealing under pressure, it is possible to further suppress nitrogen desorption. In this case, under nitrogen atmosphere pressurization is a concept that includes not only nitrogen alone but also an atmosphere in which other gases are mixed.

図9に、図7乃至図8に示す測定データに基づいて、半導体デバイスを製造する際のIII族窒化物膜を活性化するためのアニール温度と時間の適正条件の判定結果を示す。○は、アニール温度と時間が適正なものであり、×は不適正なものを表す。尚、(○)、(×)は、測定データはないものの、測定データの変化の傾向から予測して判定したことを示している。また、斜線部は、RTA装置では装置限界により実験できず、データがとれないことを示している。   FIG. 9 shows determination results of appropriate conditions of annealing temperature and time for activating the group III nitride film in manufacturing a semiconductor device based on the measurement data shown in FIGS. ○ represents an appropriate annealing temperature and time, and x represents an inappropriate temperature. In addition, (◯) and (×) indicate that there is no measurement data, but the prediction is made based on the tendency of change in the measurement data. The shaded area indicates that the RTA apparatus cannot be experimented due to apparatus limitations, and data cannot be obtained.

図7乃至図9からわかるように、1300℃の温度の場合、10秒乃至30秒程度の極短い時間でアニールを行うことにより、活性化を図ることができ、特に、30秒のアニール処理により、シート抵抗を大幅に低減させることが可能となる。実際には、一定の温度幅(例えば1250℃〜1350℃)においても近似した結果を得ることが可能であると考えられる。   As can be seen from FIGS. 7 to 9, at a temperature of 1300 ° C., activation can be achieved by annealing in an extremely short time of about 10 seconds to 30 seconds, in particular, by annealing for 30 seconds. The sheet resistance can be greatly reduced. Actually, it is considered that an approximate result can be obtained even in a certain temperature range (for example, 1250 ° C. to 1350 ° C.).

また、1200℃近傍の温度の場合でも、30秒間以上のアニールにより、シート抵抗を所定の値以下にすることが可能であり、さらに、1100℃であっても、30分アニールすることにより、極めて良好なシート抵抗のIII族窒化物膜を得ることができる。   In addition, even when the temperature is around 1200 ° C., the sheet resistance can be reduced to a predetermined value or less by annealing for 30 seconds or more, and even at 1100 ° C., by annealing for 30 minutes, A group III nitride film having good sheet resistance can be obtained.

また、活性化アニールの前に、III族窒化物膜の表面に窒素抜けを防止するために有効な保護膜、例えば、500nm前後の厚いシリコン窒化膜のキャップ層を設けることにより、高温アニールによるピットの発生を抑制可能である。ピットの発生をより抑制するためには、さらに窒素加圧雰囲気下でアニールすることが望ましい。この場合、誘電体膜のキャップ層は無くてもよい。   In addition, by providing a protective film effective for preventing nitrogen escape on the surface of the group III nitride film, for example, a cap layer of a thick silicon nitride film of about 500 nm before activation annealing, pits caused by high-temperature annealing are provided. Can be suppressed. In order to further suppress the generation of pits, it is desirable to further anneal in a nitrogen pressurized atmosphere. In this case, the cap layer of the dielectric film may be omitted.

尚、アニール処理においてRTAを用いると、短い時間で高温にすることができ、短時間で活性化アニール処理を行うことができるが、窒素雰囲気下での加圧には向いていない。一方、電気炉は加圧が可能であるが高温にするのに時間がかかる。従って、不純物の濃度、目標とする活性化率等に応じて、どのような方法により活性化アニールを行うか選択することが望ましい。   Note that when RTA is used in the annealing process, the temperature can be increased in a short time and the activation annealing process can be performed in a short time, but is not suitable for pressurization in a nitrogen atmosphere. On the other hand, an electric furnace can be pressurized but takes time to reach a high temperature. Therefore, it is desirable to select a method for performing the activation annealing according to the impurity concentration, the target activation rate, and the like.

次に、本発明の第2実施形態に係るIII族窒化物膜の製造方法を説明する。ここでは、第2実施形態に係るIII族窒化物膜の製造方法を使用して、上記第1実施形態と同様に、MOSFT構造の窒化物化合物半導体トランジスタ(III族窒化物半導体素子)を製造する工程を説明する。   Next, a method for manufacturing a group III nitride film according to the second embodiment of the present invention will be described. Here, using the method for manufacturing a group III nitride film according to the second embodiment, a nitride compound semiconductor transistor (group III nitride semiconductor device) having a MOSFT structure is manufactured as in the first embodiment. The process will be described.

本実施形態に係るIII族窒化物膜の製造方法では、図1(a)に示す基板1として、シリコン(Si)基板を用いる。
まず,シリコン(Si)基板上に,MOCVD法(有機金属気相成長法)によって、1100℃でトリメチルアルミニウム(TMA)とアンモニア(NH3)を用いて,AlN系バッファ層2を100 nmエピタキシャル成長させる。
In the method for producing a group III nitride film according to the present embodiment, a silicon (Si) substrate is used as the substrate 1 shown in FIG.
First, an AlN buffer layer 2 is epitaxially grown 100 nm on a silicon (Si) substrate by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) at 1100 ° C. using trimethylaluminum (TMA) and ammonia (NH 3 ). .

この後,シクロペンタジェニエルマグネシウム(Cp2Mg)を用い,Mgをドープしたp−GaN層3を1 mm成長させる。Mgの添加量は5x1015 cm-3から5x1017cm-3とする。
なお,上記したMOCVD法に代えて,HVPE法(ハライド気相エピタキシ法),MBE法(分子線エピタキシー法)等を用いてもよい。
その後,p−GaN層3上にシリコン酸化膜(SiO2)4を20 nm成膜する。
Thereafter, the Mg-doped p-GaN layer 3 is grown by 1 mm using cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg). The addition amount of Mg is set to 5 × 10 15 cm −3 to 5 × 10 17 cm −3 .
Instead of the MOCVD method described above, an HVPE method (halide vapor phase epitaxy method), an MBE method (molecular beam epitaxy method), or the like may be used.
Thereafter, a 20 nm thick silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is formed on the p-GaN layer 3.

次に,図1(b)に示すように、シリコン酸化膜4上に、フォトレジスト5を塗布し、これをマスクパターンにより露光、現像してソース領域とドレイン領域に開口を形成する。その後に、その開口を通してn型ドーパント、例えばシリコンを注入してn+型ソース領域6s、n+型ドレイン領域6dを形成する。この場合、Siをイオン注入法によってドーズ量3x1015 cm-2,加速 電圧190 keV等で注入し,300 nm深さのBOX層を生成する。 Next, as shown in FIG. 1B, a photoresist 5 is applied on the silicon oxide film 4, and this is exposed and developed with a mask pattern to form openings in the source region and the drain region. Thereafter, an n-type dopant, for example, silicon is implanted through the opening to form an n + -type source region 6s and an n + -type drain region 6d. In this case, Si is implanted by ion implantation at a dose of 3x10 15 cm -2 and an acceleration voltage of 190 keV to produce a 300 nm deep BOX layer.

次に、図1(c)に示すように、フォトレジスト5を除去し、その後シリコン酸化膜4をふっ酸等の溶剤により除去した後に、活性化アニール時のGaNの結晶劣化を抑制するために、図1(d)に示すように、誘電体膜のキャップ層としてのSiO2キャップ7を500nm程度堆積する。 Next, as shown in FIG. 1C, after removing the photoresist 5 and then removing the silicon oxide film 4 with a solvent such as hydrofluoric acid, in order to suppress GaN crystal deterioration during activation annealing. As shown in FIG. 1D, a SiO 2 cap 7 as a cap layer of a dielectric film is deposited to a thickness of about 500 nm.

その後,図4(b)に示すように、SiO2からなるキャップ層24を形成した状態で、測定対象となる各種III族窒化物膜(図4(c))を生成するため、イオン注入後に行う活性化工程において、活性化アニール後のシート抵抗を70 W/sq.以上300 W/sq.以下となるように高温アニール処理を行う。 Thereafter, as shown in FIG. 4B, in order to generate various group III nitride films (FIG. 4C) to be measured with the cap layer 24 made of SiO 2 formed, after ion implantation, In the activation step to be performed, high-temperature annealing is performed so that the sheet resistance after activation annealing is 70 W / sq. Or more and 300 W / sq. Or less.

具体的には、アニール炉或いはRTA装置を用いて,Arフロー下で,900℃以上1300℃以下,5秒以上2分以下の活性化アニール(高温アニール処理)を行った。昇温速度は120℃/secである。なお,ここでは活性化アニールを、アニール炉或いはRTA装置に代えて、電気炉等を用いても良い。
その後、図4(c)に示すように、SiO2からなるキャップ層24を除去して、活性化層25の測定を行った。
Specifically, activation annealing (high-temperature annealing) was performed at 900 ° C. to 1300 ° C. for 5 seconds to 2 minutes under an Ar flow using an annealing furnace or RTA apparatus. The heating rate is 120 ° C./sec. Here, the activation annealing may be performed using an electric furnace or the like instead of the annealing furnace or the RTA apparatus.
Thereafter, as shown in FIG. 4C, the cap layer 24 made of SiO 2 was removed, and the activation layer 25 was measured.

図10および図11は、その活性化アニール(高温アニール処理)をアニール炉を用いて行った場合における実験の結果を示す。また、図12および図13は、その活性化アニールをRTA装置を用いて行った場合における実験の結果を示す。これらの実験結果から、その高温アニール処理が高温長時間になるほど,活性化率が向上しており,シート抵抗が減少している、ことが分かる。   10 and 11 show the results of an experiment in the case where the activation annealing (high temperature annealing treatment) is performed using an annealing furnace. FIG. 12 and FIG. 13 show the results of experiments when the activation annealing is performed using an RTA apparatus. From these experimental results, it can be seen that the activation rate is improved and the sheet resistance is decreased as the high-temperature annealing treatment is performed for a long time at a high temperature.

また、図15は、上記活性化アニール(高温アニール処理)を、(1)1300℃,30秒の条件で行った場合に、活性化アニールした後の表面状態を撮影した写真である。この写真から、GaN層の表面に、丸状の剥がれと端でも剥がれが観測されていることが分かる。一方,図14は、上記活性化アニールを、(2)1200℃,10秒の条件で行った場合に、活性化アニールした後の表面状態を撮影した写真である。この写真から、GaN層の表面が鏡面になっていることが分かる。このことから,より過酷な条件である1300℃ ,30秒の条件(1)で活性化アニールを行ったサンプルでは,シート抵抗は40 W/sq.と極めて低いが,GaN層の表面が剥がれるといったトレードオフが確認された。一方、1200℃,10秒の条件(2)で活性化アニールを行ったサンプルでは,シート抵抗は100 W/sq.と実用上問題ないレベル(例えば,FETのオン抵抗が劇的には増加しない)となることが再現良く得られている。   FIG. 15 is a photograph of the surface state after activation annealing when the activation annealing (high temperature annealing treatment) is performed under the conditions of (1) 1300 ° C. for 30 seconds. From this photograph, it can be seen that round peeling and peeling are observed on the surface of the GaN layer. On the other hand, FIG. 14 is a photograph of the surface state after activation annealing when the activation annealing is performed under the conditions of (2) 1200 ° C. for 10 seconds. From this photograph, it can be seen that the surface of the GaN layer is a mirror surface. For this reason, in the sample subjected to activation annealing under the severer conditions of 1300 ° C and 30 seconds (1), the sheet resistance is extremely low at 40 W / sq., But the surface of the GaN layer is peeled off. A trade-off was confirmed. On the other hand, in the sample subjected to activation annealing at 1200 ° C for 10 seconds (2), the sheet resistance is 100 W / sq., Which is practically acceptable (for example, the on-resistance of the FET does not increase dramatically). ) Is obtained with good reproducibility.

このように、第2実施形態では、イオン注入工程では、シリコン(Si)基板上に成長されたIII族窒化物膜にドーパントをイオン注入し、イオン注入後に行う活性化工程において、活性化アニール後のシート抵抗を70 W/sq.以上300 W/sq.以下となるように高温アニール処理を行う。具体的には,イオン注入後の活性化アニール工程において,900℃以上1500℃以下,1秒以上1時間以下の条件下で,シート抵抗を70 W/sq.以上300 W/sq.以下となるように高温アニールを行う。この手法によって,シリコン(Si)基板上に形成したGaN層の剥がれ、つまり、図15に示すようなGaN層表面での剥がれの発生を抑制でき,かつ,高い活性率を達成できる。   As described above, in the second embodiment, in the ion implantation step, dopant is ion-implanted into the group III nitride film grown on the silicon (Si) substrate, and after the activation annealing in the activation step performed after the ion implantation. High-temperature annealing is performed so that the sheet resistance is 70 W / sq. Or more and 300 W / sq. Or less. Specifically, in the activation annealing process after ion implantation, the sheet resistance is 70 W / sq. Or more and 300 W / sq. Or less under conditions of 900 ° C to 1500 ° C and 1 second to 1 hour. High temperature annealing is performed. By this method, peeling of the GaN layer formed on the silicon (Si) substrate, that is, occurrence of peeling on the surface of the GaN layer as shown in FIG. 15 can be suppressed, and a high activity rate can be achieved.

また、上記活性化アニールを、(3)1300℃,10秒の条件で行った場合、図16の写真で示すように、GaN層とシリコン(Si)基板の界面にも剥がれが生じる。第2実施形態によれば、そのような、GaN層とシリコン(Si)基板の界面での剥がれの発生を抑制でき,かつ,高い活性率を達成できる。   Further, when the activation annealing is performed under the conditions of (3) 1300 ° C. for 10 seconds, peeling occurs at the interface between the GaN layer and the silicon (Si) substrate as shown in the photograph of FIG. According to the second embodiment, the occurrence of such peeling at the interface between the GaN layer and the silicon (Si) substrate can be suppressed, and a high activity rate can be achieved.

以上の説明は、p型の窒化物膜にn型イオン(シリコン)を注入する場合について説明したが、n型の窒化物膜にp型のイオン(例えば、Mg,Zn,Be等)を注入することも可能である。すなわち、III族元素の格子サイトと窒素の格子サイトの少なくともいずれかに導入可能な元素のイオンを注入することが可能である。また、III族元素の格子サイトに導入可能な元素のイオンと、窒素の格子サイトに導入可能な元素のイオンの両方を注入することも可能である。   In the above description, the case where n-type ions (silicon) are implanted into the p-type nitride film has been described. However, p-type ions (eg, Mg, Zn, Be, etc.) are implanted into the n-type nitride film. It is also possible to do. That is, it is possible to implant ions of an element that can be introduced into at least one of a group III element lattice site and a nitrogen lattice site. It is also possible to implant both ions of elements that can be introduced into the lattice sites of group III elements and ions of elements that can be introduced into the lattice sites of nitrogen.

本発明の第1実施形態に係る製造方法を使用して、MOSFET構造の窒化物化合物半導体トランジスタを製造する製造工程の一部を示す断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) which shows a part of manufacturing process which manufactures the nitride compound semiconductor transistor of MOSFET structure using the manufacturing method which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る形成方法を使用して、MOSFET構造の窒化物化合物半導体トランジスタを製造する製造工程の一部(その2)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part (the 2) of the manufacturing process which manufactures the nitride compound semiconductor transistor of MOSFET structure using the formation method which concerns on 1st Embodiment of this invention. データ測定のために、各種温度―時間条件を変えて形成したIII族窒化物膜の製造工程の一部(その1)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part (the 1) of the manufacturing process of the group III nitride film formed by changing various temperature-time conditions for data measurement. データ測定のために、各種温度―時間条件を変えて形成したIII族窒化物膜の製造工程の一部(その2)を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part (the 2) of the manufacturing process of the group III nitride film formed by changing various temperature-time conditions for data measurement. 温度1000℃、1200℃をターゲットとした場合のRTAによるサンプル導入から昇温、冷却までの温度と時間の関係を示ス図である。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the time from sample introduction by RTA to temperature rise and cooling when temperature 1000 ° C. and 1200 ° C. are targets. 温度1300℃をターゲットとした場合のRTAによるサンプル導入から昇温、冷却までの温度と時間の関係を示ス図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the temperature and time from sample introduction by RTA to temperature rise and cooling when a temperature of 1300 ° C. is targeted. 活性化アニール後の活性化率を示す図である。It is a figure which shows the activation rate after activation annealing. アニール後のシート抵抗値を示す図である。It is a figure which shows the sheet resistance value after annealing. 半導体デバイスを製造する際のIII族窒化物膜を活性化するためのアニール温度と時間の適正条件の判定結果を示す図である。It is a figure which shows the determination result of the appropriate conditions of annealing temperature and time for activating the group III nitride film at the time of manufacturing a semiconductor device. 本発明の第2実施形態に係る製造方法の活性化アニールを、アニール炉を用いて行った場合の実験結果で、アニール温度を変化させた場合の実験結果を示す。The experimental result when the annealing temperature is changed is shown as an experimental result when the activation annealing of the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention is performed using an annealing furnace. 図10と同様の実験結果で、アニール時間を変化させた場合の実験結果を示す。The same experimental results as in FIG. 10 show the experimental results when the annealing time is changed. 本発明の第2実施形態に係る製造方法の活性化アニールを、RTA装置を用いて行った場合の実験結果で、アニール温度を変化させた場合の実験結果を示す。The experimental result when the annealing temperature is changed is shown as an experimental result when activation annealing of the manufacturing method according to the second embodiment of the present invention is performed using an RTA apparatus. 図12と同様の実験結果で、アニール時間を変化させた場合の実験結果を示す。The experimental result similar to FIG. 12 shows the experimental result when the annealing time is changed. 活性化アニールを1200℃,10秒の条件で行った場合に、活性化アニールした後の表面状態を撮影した写真。A photograph of the surface condition after activation annealing when activation annealing was performed at 1200 ° C for 10 seconds. 活性化アニールを1300℃,30秒の条件で行った場合に、活性化アニールした後の表面状態を撮影した写真。A photograph of the surface state after activation annealing when activation annealing was performed at 1300 ° C for 30 seconds. 活性化アニールを1300℃,10秒の条件で行った場合に、活性化アニールした後の、GaN層とシリコン(Si)基板の界面を撮影した写真。A photograph of the interface between the GaN layer and the silicon (Si) substrate after activation annealing when activation annealing was performed at 1300 ° C for 10 seconds.

符号の説明Explanation of symbols

1:基板
2:バッファ層
3:GaN層
4:シリコン参加膜
5:フォトレジスト
6s:ソース領域
6d:ドレイン領域
7:シリコン酸化膜
8:シリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)
9:導電膜
9g:ゲート電極
10:フォトレジスト
11s:ソース電極11d:ドレイン電極
20:サファイア基板21:p−GaN
22:シリコン酸化膜
23:Si注入層
24:シリコン酸化膜
25:活性化層
1: Substrate 2: Buffer layer 3: GaN layer 4: Silicon participation film 5: Photoresist 6s: Source region 6d: Drain region 7: Silicon oxide film 8: Silicon oxide film (gate insulating film)
9: Conductive film 9g: Gate electrode 10: Photoresist 11s: Source electrode 11d: Drain electrode 20: Sapphire substrate 21: p-GaN
22: Silicon oxide film 23: Si injection layer 24: Silicon oxide film 25: Activation layer

Claims (12)

III族窒化物膜にドーパントをイオン注入する工程と、
イオン注入後のIII族窒化物膜を1100℃以上1350℃以下の温度下で、温度に応じて10秒以上90分以下の期間高温アニール処理を行うことにより窒化物膜を活性化する活性化工程と、
を備えるIII族窒化物膜の製造方法。
A step of ion-implanting a dopant into the group III nitride film;
An activation step of activating the nitride film by subjecting the group III nitride film after ion implantation to a high temperature annealing treatment at a temperature of 1100 ° C. to 1350 ° C. for a period of 10 seconds to 90 minutes depending on the temperature. When,
A method for producing a group III nitride film comprising:
前記活性化工程は、1250℃以上1350℃以下のアニール温度で、10秒以上30秒以下の時間アニール処理を行うことを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物膜の製造方法。   2. The method for producing a group III nitride film according to claim 1, wherein in the activation step, annealing is performed at an annealing temperature of 1250 ° C. or higher and 1350 ° C. or lower for 10 seconds or longer and 30 seconds or shorter. 前記活性化工程は、1150℃以上1250℃以下のアニール温度で30秒以上30分以下の時間アニール処理を行うことを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物膜の製造方法。   2. The method for producing a group III nitride film according to claim 1, wherein in the activation step, annealing is performed at an annealing temperature of 1150 ° C. or more and 1250 ° C. or less for a time of 30 seconds or more and 30 minutes or less. 前記活性化工程は、1100℃で30分以上90分以下の時間活性化アニール処理を行うことを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物膜の製造方法。   2. The method for producing a group III nitride film according to claim 1, wherein in the activation step, activation annealing is performed at 1100 ° C. for 30 minutes to 90 minutes. 3. 前記イオン注入工程が、III族元素の格子サイトと窒素の格子サイトの少なくともいずれかに導入可能な元素のイオンを注入することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のIII族窒化物膜の製造方法。   5. The III according to claim 1, wherein the ion implantation step implants ions of an element that can be introduced into at least one of a group III element lattice site and a nitrogen lattice site. A method for producing a group nitride film. 前記イオン注入工程は、III族元素の格子サイトに導入可能な元素のイオンと、窒素の格子サイトに導入可能な元素のイオンの両方を注入することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のIII族窒化物膜の製造方法。   5. The ion implantation step of implanting both ions of an element that can be introduced into a lattice site of a group III element and ions of an element that can be introduced into a lattice site of nitrogen. 2. A method for producing a group III nitride film according to item 1. 前記イオン注入工程の後であって前記アニール工程の前に、さらに、III族窒化物膜の表面を誘電体膜のキャップ層で覆う工程を備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のIII族窒化物膜の製造方法。   7. The method according to claim 1, further comprising a step of covering the surface of the group III nitride film with a cap layer of a dielectric film after the ion implantation step and before the annealing step. 2. A method for producing a group III nitride film according to item 1. 前記アニール工程は、窒素加圧雰囲気内において高温アニール処理を行うことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のIII族窒化物膜の製造方法。   The method of manufacturing a group III nitride film according to any one of claims 1 to 7, wherein in the annealing step, high-temperature annealing is performed in a nitrogen-pressurized atmosphere. 前記アニール工程は、1013hPa以上の窒素加圧雰囲気内において前記アニール処理を行うことを特徴とする請求項8に記載のIII族窒化物膜の製造方法。   9. The method for producing a group III nitride film according to claim 8, wherein the annealing step is performed in a nitrogen pressure atmosphere of 1013 hPa or more. 前記イオン注入工程では、シリコン基板上に成長されたIII族窒化物膜にドーパントをイオン注入し、
前記イオン注入後に行う前記活性化工程において、活性化アニール後のシート抵抗を70 W/sq.以上300 W/sq.以下となるように高温アニール処理を行うことを特徴とする請求項1,5,6,7,8および9のいずれか1項に記載のIII族窒化物膜の製造方法。
In the ion implantation step, a dopant is ion-implanted into a group III nitride film grown on a silicon substrate,
The high temperature annealing treatment is performed in the activation step performed after the ion implantation so that the sheet resistance after the activation annealing is 70 W / sq. Or more and 300 W / sq. Or less. , 6, 7, 8, and 9. The method for producing a group III nitride film according to any one of the above.
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の方法により形成されたIII族窒化物膜を用いたことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。   A group III nitride semiconductor device comprising a group III nitride film formed by the method according to claim 1. p型あるいはi型の窒化物半導体にシリコンをイオン注入した後、高温アニールして活性化することによりソース領域とドレイン領域を形成したFET型の化合物半導体デバイスであることを特徴とする請求項11に記載のIII族窒化物半導体素子。   12. An FET type compound semiconductor device in which a source region and a drain region are formed by ion-implanting silicon into a p-type or i-type nitride semiconductor and then activating by high-temperature annealing. The group III nitride semiconductor device described in 1.
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