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JP7056532B2 - Method for manufacturing p-type III nitride semiconductor - Google Patents
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JP7056532B2 - Method for manufacturing p-type III nitride semiconductor - Google Patents

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JP7056532B2 JP2018223662A JP2018223662A JP7056532B2 JP 7056532 B2 JP7056532 B2 JP 7056532B2 JP 2018223662 A JP2018223662 A JP 2018223662A JP 2018223662 A JP2018223662 A JP 2018223662A JP 7056532 B2 JP7056532 B2 JP 7056532B2
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Description

本発明は、p型III 族窒化物半導体の製造方法に関する。特に、イオン注入工程を有するものに関する。 The present invention relates to a method for producing a p-type III nitride semiconductor. In particular, those having an ion implantation step.

III 族窒化物半導体からなる半導体素子の作製において、III 族窒化物半導体層にMgをイオン注入し、その後熱処理を行うことでIII 族窒化物半導体層中にp型領域を形成する方法が知られている。 In the fabrication of semiconductor devices made of group III nitride semiconductors, a method is known in which Mg is ionically injected into a group III nitride semiconductor layer and then heat-treated to form a p-type region in the group III nitride semiconductor layer. ing.

特許文献1、2には、III 族窒化物半導体層上にIII 族窒化物半導体からなるスルー膜を形成しておき、スルー膜を透過させてIII 族窒化物半導体層にMg(マグネシウム)をイオン注入することが記載されている。スルー膜を形成するのは、Mgの注入量を調整するため、およびO(酸素)やSi(ケイ素)などの不純物が入り込むのを抑制するためであることが記載されている。また、特許文献1、2には、スルー膜上に形成するマスクとして、フォトレジストを用いることが記載されている。 In Patent Documents 1 and 2, a through film made of a group III nitride semiconductor is formed on a group III nitride semiconductor layer, and the through film is allowed to pass through to ionize Mg (magnesium) in the group III nitride semiconductor layer. It is stated to inject. It is described that the reason for forming the through film is to adjust the injection amount of Mg and to suppress the entry of impurities such as O (oxygen) and Si (silicon). Further, Patent Documents 1 and 2 describe that a photoresist is used as a mask formed on a through film.

特開2017-54944号公報JP-A-2017-54944 特開2018-56257号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-56257

発明者らは、III 族窒化物半導体に500℃以上の高温でイオン注入を行うことで、注入したMgを活性化しやすくすることを考えた。 The inventors considered that ion implantation into a group III nitride semiconductor at a high temperature of 500 ° C. or higher facilitates activation of the implanted Mg.

しかし、AlNからなるスルー膜上に、イオン注入のマスクとして高温耐性のフォトレジストを用いると、スルー膜とフォトレジストとの密着性が悪く剥離してしまい、フォトレジストがマスクとして機能しないという問題があった。 However, if a high temperature resistant photoresist is used as an ion implantation mask on the through film made of AlN, the adhesion between the through film and the photoresist is poor and the photoresist peels off, and the photoresist does not function as a mask. there were.

そこで本発明の目的は、スルー膜を介してイオン注入することでp型III 族窒化物半導体を形成する場合に、スルー膜とフォトレジストからなるマスク層との密着性を高め、500℃以上の温度でイオン注入可能とすることである。 Therefore, an object of the present invention is to improve the adhesion between the through film and the mask layer made of a photoresist when ion-implanted through the through film to form a p-type III nitride semiconductor, and the temperature is 500 ° C. or higher. Ion implantation is possible at temperature.

本発明は、III 族窒化物半導体にp型不純物をイオン注入してp型のIII 族窒化物半導体を形成するp型III 族窒化物半導体の製造方法において、III 族窒化物半導体からなる半導体層上に、Alを含むIII 族窒化物半導体からなる第1スルー膜を形成する第1スルー膜形成工程と、第1スルー膜上に、Al2 O3 からなる第2スルー膜を形成する第2スルー膜形成工程と、第2スルー膜上に、SiO2 からなる第1マスク層を形成する第1マスク層形成工程と、第1マスク層上に、Siを構成元素として含み、後工程のイオン注入時の温度に対して形状保持可能なフォトレジストからなる第2マスク層を所望のパターンに形成する第2マスク層形成工程と、第2マスク層をマスクとして第1マスク層をエッチングして第2スルー膜を露出させるエッチング工程と、500℃以上の温度で、第1マスク層および第2マスク層をマスクとして、第1スルー膜および第2スルー膜を介して半導体層にp型不純物をイオン注入してイオン注入領域を形成するイオン注入工程と、熱処理によってMgを活性化させることによりイオン注入領域をp型化するp型化工程と、を有するp型III 族窒化物半導体の製造方法である。 The present invention is a method for manufacturing a p-type III nitride semiconductor, which forms a p-type III nitride semiconductor by ion-injecting a p-type impurity into a group III nitride semiconductor. The present invention is a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor. Above, a first through film forming step of forming a first through film made of a Group III nitride semiconductor containing Al, and a second through film forming a second through film made of Al2 O3 on the first through film. The forming step, the first mask layer forming step of forming the first mask layer made of SiO2 on the second through film, and the first mask layer containing Si as a constituent element at the time of ion injection in the subsequent step. A second mask layer forming step of forming a second mask layer made of a photoresist capable of retaining its shape with respect to temperature in a desired pattern, and a second through film by etching the first mask layer using the second mask layer as a mask. In the etching process to expose the semiconductor layer, p-type impurities are ionically injected into the semiconductor layer through the first through film and the second through film using the first mask layer and the second mask layer as masks at a temperature of 500 ° C. or higher. It is a method for producing a p-type III nitride semiconductor having an ion injection step of forming an ion injection region and a p-type step of forming the ion injection region into a p-type by activating Mg by heat treatment.

第1スルー膜は、Alを含むIII 族窒化物半導体であれば任意であるが、高温耐性や結晶性、形成の容易さなどの点、半導体層への不純物拡散抑制の点からアンドープのAlNが好ましい。 The first through film is arbitrary as long as it is a group III nitride semiconductor containing Al, but undoped AlN is used in terms of high temperature resistance, crystallinity, ease of formation, and suppression of impurity diffusion into the semiconductor layer. preferable.

イオン注入工程後、p型化工程前に、第2スルー膜、第1マスク層、および第2マスク層を除去し、第1スルー膜は残した状態でp型化工程を行うことが好ましい。第1スルー膜は、p型化の熱処理において窒素が離脱するのを抑制する保護膜として機能させることができるためである。 After the ion implantation step and before the p-type formation step, it is preferable to remove the second through film, the first mask layer, and the second mask layer, and perform the p-type formation step with the first through film left. This is because the first through film can function as a protective film that suppresses the release of nitrogen in the p-type heat treatment.

半導体層と第1スルー膜は、MOCVD法によって連続成長させることが好ましい。半導体層表面に不純物が付着するのを抑制することができるためである。 It is preferable that the semiconductor layer and the first through film are continuously grown by the MOCVD method. This is because it is possible to suppress the adhesion of impurities to the surface of the semiconductor layer.

イオン注入工程は、500℃以上で行えばよいが、より好ましくは500~1000℃の温度である。p型化工程においてp型不純物をより活性化させることができる。 The ion implantation step may be performed at 500 ° C. or higher, but more preferably at a temperature of 500 to 1000 ° C. The p-type impurities can be further activated in the p-type formation step.

第1スルー膜と第2スルー膜の厚さの合計は、5~50nmとすることが好ましい。この範囲であれば、半導体層11へのイオン注入量の制御が容易であり、半導体層への不純物混入も十分に抑制できる。 The total thickness of the first through film and the second through film is preferably 5 to 50 nm. Within this range, the amount of ion implantation into the semiconductor layer 11 can be easily controlled, and the mixing of impurities into the semiconductor layer can be sufficiently suppressed.

第1マスク層と第2マスク層の厚さの合計は、1.5μm以上とすることが好ましい。イオン注入時のイオン不透過膜としての機能を十分とすることができる。 The total thickness of the first mask layer and the second mask layer is preferably 1.5 μm or more. It can sufficiently function as an ion-impermeable membrane at the time of ion implantation.

第2スルー膜および第1マスク層は、ALD法によって形成することが好ましい。厚さや膜質を均一とすることができ、それにより密着性をより向上させることができるためである。 The second through film and the first mask layer are preferably formed by the ALD method. This is because the thickness and the film quality can be made uniform, and thereby the adhesion can be further improved.

本発明によれば、第1スルー膜と第2マスク層の密着性が、第2スルー膜と第1マスク層を介することで向上し、500℃以上の温度でIII 族窒化物半導体にp型不純物をイオン注入することができる。 According to the present invention, the adhesion between the first through film and the second mask layer is improved by passing through the second through film and the first mask layer, and the group III nitride semiconductor is p-type at a temperature of 500 ° C. or higher. Impurities can be ion-implanted.

実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. FIG.

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。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the examples.

実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造方法は、III 族窒化物半導体にp型不純物をイオン注入し、熱処理によりp型不純物を活性化することでp型III 族窒化物半導体を形成する方法である。図1~8は、実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程を示した図である。以下、図を参照に実施例1のp型III 族窒化物半導体の製造工程について順に説明する。 In the method for producing a p-type III nitride semiconductor of Example 1, a p-type impurity is ionically injected into a group III nitride semiconductor and the p-type impurity is activated by heat treatment to form a p-type III nitride semiconductor. How to do it. FIGS. 1 to 8 are views showing a manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1. Hereinafter, the manufacturing process of the p-type III nitride semiconductor of Example 1 will be described in order with reference to the drawings.

(半導体層11および第1スルー膜12形成工程)
まず、基板10上に、MOCVD法を用いて、n-GaNからなる半導体層11、AlNからなる第1スルー膜12を連続的に形成する(図1参照)。半導体層11と第1スルー膜12とを連続的に形成することで、半導体層11形成後から第1スルー膜12を形成する直前までの間に、半導体層11表面にOやSiなどの不純物が付着することを防止し、後工程のイオン注入によってその不純物が半導体層11中に注入されてしまうことを防止している。
(Semiconductor layer 11 and first through film 12 forming step)
First, a semiconductor layer 11 made of n-GaN and a first through film 12 made of AlN are continuously formed on the substrate 10 by using the MOCVD method (see FIG. 1). By continuously forming the semiconductor layer 11 and the first through film 12, impurities such as O and Si are formed on the surface of the semiconductor layer 11 between the time when the semiconductor layer 11 is formed and the time immediately before the formation of the first through film 12. Is prevented from adhering to the semiconductor layer 11 and the impurities are prevented from being implanted into the semiconductor layer 11 by ion implantation in a subsequent step.

半導体層11は、Siドープのn型であり、厚さ6μm、Si濃度は1×1016/cm3 である。ただし、半導体層11の伝導型、厚さ、Si濃度はこれらに限るものではなく、任意でよい。また、半導体層11はGaNであるが、AlGaN、InGaN、AlGaInNなど任意の組成のIII 族窒化物半導体であってよい。 The semiconductor layer 11 is a Si-doped n-type, has a thickness of 6 μm, and has a Si concentration of 1 × 10 16 / cm 3 . However, the conduction type, thickness, and Si concentration of the semiconductor layer 11 are not limited to these, and may be arbitrary. Although the semiconductor layer 11 is GaN, it may be a group III nitride semiconductor having an arbitrary composition such as AlGaN, InGaN, and AlGaInN.

第1スルー膜12は、アンドープであり、厚さ30nmである。第1スルー膜12は、後工程のイオン注入において、半導体層11へのイオン注入量を調整し、半導体層11へのOやSiなど不純物の注入を抑制するために設けるものである。 The first through film 12 is undoped and has a thickness of 30 nm. The first through film 12 is provided to adjust the amount of ion implantation into the semiconductor layer 11 and suppress the injection of impurities such as O and Si into the semiconductor layer 11 in the ion implantation in the subsequent step.

第1スルー膜12の厚さは30nmに限るものではないが、上記の第1スルー膜12の機能を十分に発揮させるために厚さ5~50nmとすることが好ましい。 The thickness of the first through film 12 is not limited to 30 nm, but it is preferably 5 to 50 nm in order to fully exert the function of the first through film 12.

また、第1スルー膜12はAlNに限らず、AlGaN、AlGaInNなどAlを含むIII 族窒化物半導体であれば任意である。また、第1スルー膜12は単結晶である必要はなく、多結晶やアモルファスであってもよい。ただし、高温耐性や結晶性、形成の容易さなどの点から実施例1のようにAlNとすることが好ましい。また、第1スルー膜12はアンドープである必要はないが、不純物をドープしているとイオン注入時に半導体層11へ不純物が拡散するためアンドープが好ましい。また、第1スルー膜12の成長温度、成長圧力は、形成の容易さの点から300~1500℃、0.1~1atmが好ましい。 Further, the first through film 12 is not limited to AlN, and is arbitrary as long as it is a group III nitride semiconductor containing Al such as AlGaN and AlGaInN. Further, the first through film 12 does not have to be a single crystal, and may be polycrystalline or amorphous. However, it is preferable to use AlN as in Example 1 from the viewpoints of high temperature resistance, crystallinity, and ease of formation. Further, the first through film 12 does not need to be undoped, but if impurities are doped, the impurities diffuse into the semiconductor layer 11 at the time of ion implantation, so that undoped is preferable. The growth temperature and growth pressure of the first through film 12 are preferably 300 to 1500 ° C. and 0.1 to 1 atm from the viewpoint of ease of formation.

なお、第1スルー膜12はMOCVD法以外の方法、たとえばCVD法などによって形成してもよいが、半導体層11表面にOやSiなどの不純物が付着することを防止するために、実施例1のようにMOCVD法を用いて半導体層11と第1スルー膜12を連続成長させることが好ましい。 The first through film 12 may be formed by a method other than the MOCVD method, for example, a CVD method, but in order to prevent impurities such as O and Si from adhering to the surface of the semiconductor layer 11, Example 1 It is preferable to continuously grow the semiconductor layer 11 and the first through film 12 by using the MOCVD method as described above.

(第2スルー膜13および第1マスク層14形成工程)
次に、第1スルー膜12表面をアセトン、イソプロピルアルコール(IPA)を用いて有機洗浄し、その後、第1スルー膜12上に、ALD法によってAl2 3 からなる第2スルー膜13、SiO2 からなる第1マスク層14を連続的に形成する(図2参照)。成長温度は350℃、第2スルー膜13の厚さおよび第1マスク層14の厚さは10nmである。
(Step of forming the second through film 13 and the first mask layer 14)
Next, the surface of the first through film 12 is organically washed with acetone and isopropyl alcohol (IPA), and then the second through film 13 and SiO made of Al 2 O 3 on the first through film 12 by the ALD method. The first mask layer 14 composed of 2 is continuously formed (see FIG. 2). The growth temperature is 350 ° C., the thickness of the second through film 13 and the thickness of the first mask layer 14 are 10 nm.

第2スルー膜13は、第1スルー膜12と同様の役割の他、第1スルー膜12と第1マスク層14の密着性を高めるために設けるものである。第2スルー膜13と第1スルー膜12とは構成元素Alが共通しており、第1マスク層14とは構成元素Oが共通しているので、第2スルー膜13は第1スルー膜12、第1マスク層14の両方に対して密着性がよい。そのため、第1スルー膜12と第1マスク層14の密着性を、第2スルー膜13を介することで高めることができる。 The second through film 13 has the same role as the first through film 12, and is provided to enhance the adhesion between the first through film 12 and the first mask layer 14. Since the constituent element Al is common to the second through film 13 and the constituent element O, and the constituent element O is common to the first mask layer 14, the second through film 13 is the first through film 12. , Good adhesion to both the first mask layer 14. Therefore, the adhesion between the first through film 12 and the first mask layer 14 can be enhanced by passing through the second through film 13.

第1マスク層14は、後工程のイオン注入において所望しない領域へのイオン注入を防止するマスクとして機能させるため、および、後工程で形成する第2マスク層15と第2スルー膜13との密着性を高めるために設けるものである。第1マスク層14と第2スルー膜13とは構成元素Oが共通しており、第2マスク層15とは構成元素Siが共通しているので、第1マスク層14は第2スルー膜13と第2マスク層15の両方に対して密着性がよい。そのため、第2スルー膜13と第2マスク層15の密着性を、第1マスク層14を介することで高めることができる。 The first mask layer 14 functions as a mask for preventing ion implantation into an undesired region in the ion implantation in the subsequent step, and the second mask layer 15 and the second through film 13 formed in the subsequent step are in close contact with each other. It is provided to enhance the sex. Since the constituent element O is common to the first mask layer 14 and the second through film 13, and the constituent element Si is common to the second mask layer 15, the first mask layer 14 is the second through film 13. Good adhesion to both the second mask layer 15 and the second mask layer 15. Therefore, the adhesion between the second through film 13 and the second mask layer 15 can be enhanced by interposing the first mask layer 14.

第2スルー膜13および第1マスク層14の厚さ、成長温度は、上記の値にかぎるものではなく、均一な厚さで均質な膜を得られるのであれば任意である。たとえば成長温度は150~450℃とすることができ、厚さは1~20nmとすることができる。ただし、第1スルー膜12と第2スルー膜13の厚さの合計は5~50nmとすることが好ましい。この範囲であれば、半導体層11へのイオン注入量の制御が容易であり、半導体層11への不純物混入も十分に抑制できる。 The thickness and growth temperature of the second through film 13 and the first mask layer 14 are not limited to the above values, and are arbitrary as long as a uniform film can be obtained with a uniform thickness. For example, the growth temperature can be 150 to 450 ° C. and the thickness can be 1 to 20 nm. However, the total thickness of the first through film 12 and the second through film 13 is preferably 5 to 50 nm. Within this range, the amount of ion implantation into the semiconductor layer 11 can be easily controlled, and the mixing of impurities into the semiconductor layer 11 can be sufficiently suppressed.

なお、実施例1では第2スルー膜13、第1マスク層14の形成にALD法を用いているが、CVD法など他の形成方法を用いてもよい。厚さの均一性や均質さ、それに起因する密着性向上の点からALD法を用いて形成することが好ましい。 In Example 1, the ALD method is used to form the second through film 13 and the first mask layer 14, but other forming methods such as the CVD method may be used. It is preferably formed by the ALD method from the viewpoint of thickness uniformity and homogeneity, and the resulting improvement in adhesion.

(洗浄工程)
次に、第1マスク層14表面をアセトンとIPAで有機洗浄し、窒素雰囲気で110℃、90秒間の熱処理を行って第1マスク層14表面の水分を除去する。そして、第1マスク層14表面をHMDS処理し、窒素雰囲気で120℃、180秒間の熱処理を行う。
(Washing process)
Next, the surface of the first mask layer 14 is organically washed with acetone and IPA, and heat treatment is performed at 110 ° C. for 90 seconds in a nitrogen atmosphere to remove the water content on the surface of the first mask layer 14. Then, the surface of the first mask layer 14 is treated with HMDS and heat-treated at 120 ° C. for 180 seconds in a nitrogen atmosphere.

(第2マスク層15形成工程)
その後、第1マスク層14上に、フォトレジストをスピンコートにより塗布し、フォトリソグラフィにより、イオン注入を行う領域が開口するようにフォトレジストをパターニングし、熱処理により硬化させて第2マスク層15を形成する(図3参照)。
(Second mask layer 15 forming step)
After that, the photoresist is applied onto the first mask layer 14 by spin coating, the photoresist is patterned by photolithography so that the region where ion implantation is performed opens, and the second mask layer 15 is cured by heat treatment. Form (see FIG. 3).

フォトレジストは、Siを構成元素として含み、後工程のイオン注入時の温度に耐えられる感光性樹脂を用いる。イオン注入時の温度に耐えられるとは、イオン注入時と同一温度に晒された場合でもフォトレジストが除去されたり形状が変化したりせず、現像後の形状が保持されることを意味する。実施例1ではイオン注入時の温度が500℃以上であるため、フォトレジストは少なくとも500℃に耐えられるものを用いる。もちろん、500℃よりも高温に耐えられるものが好ましい。 The photoresist contains Si as a constituent element and uses a photosensitive resin that can withstand the temperature at the time of ion implantation in the subsequent step. Being able to withstand the temperature at the time of ion implantation means that the photoresist is not removed or the shape does not change even when exposed to the same temperature as at the time of ion implantation, and the shape after development is maintained. In Example 1, since the temperature at the time of ion implantation is 500 ° C. or higher, a photoresist capable of withstanding at least 500 ° C. is used. Of course, those that can withstand higher temperatures than 500 ° C. are preferable.

フォトリソグラフィは、詳細には次のような工程である。フォトレジストを塗布後、プリベークしてフォトレジストの溶剤を除去する。その後、所望のパターンを有するマスクを介して光(たとえばi線)を照射して露光する。次に、現像処理を行うことでフォトレジストを所望のパターンとする。現像処理は、TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)水溶液などの現像液を用いて、フォトレジストがポジ型の場合には露光部分を、ネガ型の場合には未露光部分を除去する処理である。次に、ポストベークを行う。以上がフォトリソグラフィの詳細である。 Photolithography is the following process in detail. After applying the photoresist, it is prebaked to remove the photoresist solvent. Then, light (for example, i-line) is irradiated through a mask having a desired pattern for exposure. Next, the photoresist is made into a desired pattern by performing a developing process. The developing process is a process of removing an exposed portion when the photoresist is a positive type and an unexposed portion when the photoresist is a negative type using a developing solution such as TMAH (tetramethylammonium hydroxide) aqueous solution. Next, post-baking is performed. The above is the details of photolithography.

ここで、第2マスク層15は、第1マスク層14と構成元素Siが共通しているため、第1マスク層14に対する密着性がよい。また、第1マスク層14表面がHMDS処理されているため、より密着性が向上されている。そのため、現像処理時に、現像液によってフォトレジストが剥離してしまうことはなく、所望のパターン通りにフォトレジストを形成することができる。 Here, since the second mask layer 15 shares the constituent element Si with the first mask layer 14, the adhesion to the first mask layer 14 is good. Further, since the surface of the first mask layer 14 is treated with HMDS, the adhesion is further improved. Therefore, during the developing process, the photoresist does not peel off due to the developing solution, and the photoresist can be formed according to a desired pattern.

第2マスク層15の厚さは、イオン注入時にイオンを透過させない厚さであれば任意である。好ましくは、第1マスク層14と第2マスク層15の合計の厚さが1.5μm以上となるようにすればよい。イオン注入時のイオン不透過膜として十分に機能させることができる。ただし、パターニング精度確保のために第2マスク層15の厚さは2μm以下が好ましい。たとえば、第2マスク層15の厚さは1.8~2.0μmである。 The thickness of the second mask layer 15 is arbitrary as long as it does not allow ions to pass through during ion implantation. Preferably, the total thickness of the first mask layer 14 and the second mask layer 15 may be 1.5 μm or more. It can sufficiently function as an ion-impermeable membrane at the time of ion implantation. However, in order to ensure patterning accuracy, the thickness of the second mask layer 15 is preferably 2 μm or less. For example, the thickness of the second mask layer 15 is 1.8 to 2.0 μm.

(エッチング工程)
次に、第2マスク層15をマスクとして、第1マスク層14を第2スルー膜13が露出するまでドライエッチングする(図4)。エッチングガスは、たとえばフッ素系ガスであり、COF2 (フッ化カルボニル)などである。第2スルー膜13のエッチングレートは、第1マスク層14のエッチングレートに比べて非常に遅い。そのため、第2スルー膜13はエッチングストッパ層として機能し、第2スルー膜13の表面が露出した段階で精度よくドライエッチングを終了させることができる。
(Etching process)
Next, using the second mask layer 15 as a mask, the first mask layer 14 is dry-etched until the second through film 13 is exposed (FIG. 4). The etching gas is, for example, a fluorine-based gas, such as COF 2 (carbonyl fluoride). The etching rate of the second through film 13 is much slower than the etching rate of the first mask layer 14. Therefore, the second through film 13 functions as an etching stopper layer, and dry etching can be accurately completed when the surface of the second through film 13 is exposed.

(イオン注入工程)
次に、第1マスク層14および第2マスク層15をマスクとして、半導体層11に、第1スルー膜12、第2スルー膜13を通してMgをイオン注入する。これにより、半導体層11中にMgイオンが注入されたイオン注入領域16を形成する(図5参照)。イオン注入領域16の平面パターンは、第1マスク層14および第2マスク層15の開口パターンと同一となる。
(Ion implantation process)
Next, using the first mask layer 14 and the second mask layer 15 as masks, Mg is ion-implanted into the semiconductor layer 11 through the first through film 12 and the second through film 13. As a result, an ion implantation region 16 in which Mg ions are implanted is formed in the semiconductor layer 11 (see FIG. 5). The planar pattern of the ion implantation region 16 is the same as the opening pattern of the first mask layer 14 and the second mask layer 15.

イオン注入は、500℃、加速電圧230keV、ドーズ量2.3×1014/cm2 で行う。第2マスク層15としてイオン注入時の温度に耐えられるフォトレジストを用いているため、イオン注入を500℃で行っても第2マスク層15の形状は変わらず、第2マスク層15の開口パターン通りにイオン注入領域16を形成することができる。また、イオン注入を500℃で行うことで、半導体層11への注入ダメージを低減することができ、後工程の熱処理によるMg活性化率を向上させることができる。 Ion implantation is performed at 500 ° C., an acceleration voltage of 230 keV, and a dose amount of 2.3 × 10 14 / cm 2 . Since the photoresist that can withstand the temperature at the time of ion implantation is used as the second mask layer 15, the shape of the second mask layer 15 does not change even if the ion implantation is performed at 500 ° C., and the opening pattern of the second mask layer 15 The ion implantation region 16 can be formed as per. Further, by performing the ion implantation at 500 ° C., the implantation damage to the semiconductor layer 11 can be reduced, and the Mg activation rate due to the heat treatment in the subsequent step can be improved.

なお、イオン注入の温度は500℃に限らず、500℃以上であれば任意の温度でよいが、後工程の熱処理によるMg活性化率を十分に向上させるために500~1000℃とすることが好ましい。より好ましくは500~800℃、さらに好ましくは500~600℃である。 The temperature of ion implantation is not limited to 500 ° C., and any temperature may be used as long as it is 500 ° C. or higher, but it may be 500 to 1000 ° C. in order to sufficiently improve the Mg activation rate by the heat treatment in the subsequent step. preferable. It is more preferably 500 to 800 ° C, still more preferably 500 to 600 ° C.

また、イオン注入する原子はMg以外のp型不純物でもよく、たとえばBeをイオン注入してもよい。また、イオン注入の加速電圧やドーズ量は上記値に限るものではなく、イオン注入領域16の深さやMg濃度が所望の値となるように設定すればよい。また、イオン注入を異なる加速電圧で複数回行うことで、イオン注入領域16の深さ方向の幅をより広げることも可能である。 Further, the atom to be ion-implanted may be a p-type impurity other than Mg, and for example, Be may be ion-implanted. Further, the acceleration voltage and the dose amount of ion implantation are not limited to the above values, and the depth of the ion implantation region 16 and the Mg concentration may be set to be desired values. Further, by performing ion implantation a plurality of times at different acceleration voltages, it is possible to further widen the width of the ion implantation region 16 in the depth direction.

(マスク除去工程)
次に、第2マスク層15を有機溶剤を用いて除去する。その後、アッシングを行って第2マスク層15の残渣を除去し、さらにTMAH水溶液で表面処理することで、第1スルー膜12、第2スルー膜13、および第1マスク層14を除去する(図6参照)。なお、第1スルー膜12を残して保護膜として活用してもよい(図7参照)。
(Mask removal process)
Next, the second mask layer 15 is removed using an organic solvent. After that, ashing is performed to remove the residue of the second mask layer 15, and further surface treatment is performed with an aqueous solution of TMAH to remove the first through film 12, the second through film 13, and the first mask layer 14 (FIG. 6). The first through film 12 may be left and used as a protective film (see FIG. 7).

(p型化工程)
次に、熱処理を行ってイオン注入領域16のMgの活性化を行う。これにより、イオン注入領域16をp型半導体領域17とする(図8参照)。熱処理は、たとえば窒素雰囲気で800~1500℃、1~60分間行う。また、熱処理は加圧環境下、つまり圧力が1atmより大きい雰囲気で行うことが好ましい。熱処理中に半導体層11から窒素が離脱するのを抑制することができる。同様の目的で、熱処理前に半導体層11上にAlNなどの保護膜を形成してもよい。
(P-type process)
Next, heat treatment is performed to activate Mg in the ion implantation region 16. As a result, the ion implantation region 16 becomes the p-type semiconductor region 17 (see FIG. 8). The heat treatment is performed, for example, in a nitrogen atmosphere at 800 to 1500 ° C. for 1 to 60 minutes. Further, it is preferable that the heat treatment is performed in a pressurized environment, that is, in an atmosphere where the pressure is larger than 1 atm. It is possible to suppress the release of nitrogen from the semiconductor layer 11 during the heat treatment. For the same purpose, a protective film such as AlN may be formed on the semiconductor layer 11 before the heat treatment.

ここで、実施例1では、イオン注入を500℃以上の温度で行っている。そのため、この熱処理においてイオン注入によるダメージが十分に回復し、Mgの活性化率が高くなり、高いホール濃度のp型半導体領域17を形成することができる。 Here, in Example 1, ion implantation is performed at a temperature of 500 ° C. or higher. Therefore, in this heat treatment, the damage caused by ion implantation is sufficiently recovered, the activation rate of Mg is increased, and the p-type semiconductor region 17 having a high hole concentration can be formed.

たとえば、p型半導体領域17のMg活性化率を1%以上とすることができ、Mg濃度が5×1018~1×1019/cm3 で、ホール濃度が5×1016~1×1017/cm3 のp型半導体領域17を形成することができる。 For example, the Mg activation rate of the p-type semiconductor region 17 can be 1% or more, the Mg concentration is 5 × 10 18 to 1 × 10 19 / cm 3 , and the hole concentration is 5 × 10 16 to 1 × 10. A p-type semiconductor region 17 of 17 / cm 3 can be formed.

以上、実施例1によれば、第1スルー膜12と第2マスク層15の密着性を、第2スルー膜13と第1マスク層14を介することで高めることができ、半導体層11に対して500℃以上の高温でp型不純物をイオン注入することが可能となる。 As described above, according to the first embodiment, the adhesion between the first through film 12 and the second mask layer 15 can be enhanced by passing through the second through film 13 and the first mask layer 14, and the adhesion with respect to the semiconductor layer 11 can be enhanced. It is possible to ion-implant p-type impurities at a high temperature of 500 ° C. or higher.

次に、実施例1に関する実験例を説明する。 Next, an experimental example relating to Example 1 will be described.

第1スルー膜12と第2マスク層15の密着性を評価するため、以下の4種類の試料を作製した。GaN基板上に、実施例1の製造方法によって厚さ6μmのGaN、厚さ30nmのAlN、厚さ10nmのAl2 3 、厚さ10nmのSiO2 、厚さ2μmのフォトレジストをこの順に積層させた試料を作製した(以下、実施例1の試料)。実施例1の試料におけるAlN、Al2 3 およびSiO2 を省いた試料(以下、比較例1の試料)、実施例1の試料におけるAl2 3 とSiO2 を省いた試料(以下、比較例2の試料)、実施例1の試料におけるSiO2 を省いた試料(以下、比較例3の試料)、も作製した。 In order to evaluate the adhesion between the first through film 12 and the second mask layer 15, the following four types of samples were prepared. GaN having a thickness of 6 μm, AlN having a thickness of 30 nm, Al 2 O 3 having a thickness of 10 nm, SiO 2 having a thickness of 10 nm, and a photoresist having a thickness of 2 μm are laminated in this order on a GaN substrate according to the manufacturing method of Example 1. A sample was prepared (hereinafter referred to as the sample of Example 1). A sample in which Al N, Al 2 O 3 and SiO 2 were omitted in the sample of Example 1 (hereinafter, a sample of Comparative Example 1), and a sample in which Al 2 O 3 and SiO 2 were omitted in the sample of Example 1 (hereinafter, comparison). A sample of Example 2) and a sample of Example 1 in which SiO 2 was omitted (hereinafter referred to as a sample of Comparative Example 3) were also prepared.

フォトレジスト現像後の各試料表面を観察したところ、比較例1では、フォトレジストのパターンが一部消失していた。また、比較例2では、フォトレジストのパターンが一部消失し、また開口部からフォトレジストとAlNとの間に現像液が浸み込むことが確認された。また、比較例3では、フォトレジストのパターンが完全に消失していた。これら比較例1~3の結果から、フォトレジストの密着性が弱く、現像時にフォトレジストが流れてしまったものと考えられる。 When the surface of each sample after the photoresist development was observed, in Comparative Example 1, the photoresist pattern was partially lost. Further, in Comparative Example 2, it was confirmed that the pattern of the photoresist partially disappeared and that the developing solution penetrated between the photoresist and AlN from the opening. Further, in Comparative Example 3, the photoresist pattern was completely lost. From the results of Comparative Examples 1 to 3, it is considered that the adhesion of the photoresist was weak and the photoresist flowed during development.

一方、実施例1の試料では、フォトレジストがパターン通りに形成されていた。AlNとフォトレジストの間に、Al2 3 、SiO2 を介在させることで、フォトレジストの密着性が高まり、現像時においてもフォトレジストがしっかりと定着していて流されなかったためと考えられる。 On the other hand, in the sample of Example 1, the photoresist was formed according to the pattern. It is probable that by interposing Al 2 O 3 and SiO 2 between Al N and the photoresist, the adhesion of the photoresist was enhanced, and the photoresist was firmly fixed even during development and was not washed away.

本発明は、FET、pnダイオード、HFET、IGBTなど各種半導体素子の製造に適用することができる。 The present invention can be applied to the manufacture of various semiconductor devices such as FETs, pn diodes, HFETs, and IGBTs.

10:基板
11:半導体層
12:第1スルー膜
13:第2スルー膜
14:第1マスク層
15:第2マスク層
16:イオン注入領域
17:p型半導体領域
10: Substrate 11: Semiconductor layer 12: First through film 13: Second through film 14: First mask layer 15: Second mask layer 16: Ion implantation region 17: p-type semiconductor region

Claims (8)

III 族窒化物半導体にp型不純物をイオン注入してp型のIII 族窒化物半導体を形成するp型III 族窒化物半導体の製造方法において、
III 族窒化物半導体からなる半導体層上に、Alを含むIII 族窒化物半導体からなる第1スルー膜を形成する第1スルー膜形成工程と、
前記第1スルー膜上に、Alからなる第2スルー膜を形成する第2スルー膜形成工程と、
前記第2スルー膜上に、SiOからなる第1マスク層を形成する第1マスク層形成工程と、
前記第1マスク層上に、Siを構成元素として含み、後工程のイオン注入時の温度に対して形状保持可能なフォトレジストからなる第2マスク層を所望のパターンに形成する第2マスク層形成工程と、
前記第2マスク層をマスクとして前記第1マスク層をエッチングして前記第2スルー膜を露出させるエッチング工程と、
500℃以上の温度で、前記第1マスク層および前記第2マスク層をマスクとして、前記第1スルー膜および前記第2スルー膜を介して前記半導体層にp型不純物をイオン注入してイオン注入領域を形成するイオン注入工程と、
熱処理によってMgを活性化させることによりイオン注入領域をp型化するp型化工程と、
を有するp型III 族窒化物半導体の製造方法。
In a method for manufacturing a p-type III nitride semiconductor, which forms a p-type III nitride semiconductor by ion-injecting a p-type impurity into a group III nitride semiconductor.
A first through film forming step of forming a first through film made of a group III nitride semiconductor containing Al on a semiconductor layer made of a group III nitride semiconductor,
A second through film forming step of forming a second through film made of Al 2 O 3 on the first through film, and a second through film forming step.
A first mask layer forming step of forming a first mask layer made of SiO 2 on the second through film, and a process of forming the first mask layer.
Forming a second mask layer on the first mask layer, which contains Si as a constituent element and is made of a photoresist capable of maintaining its shape with respect to the temperature at the time of ion implantation in the subsequent step, in a desired pattern. Process and
An etching step of etching the first mask layer using the second mask layer as a mask to expose the second through film, and an etching step.
Ion implantation of p-type impurities into the semiconductor layer through the first through film and the second through film using the first mask layer and the second mask layer as masks at a temperature of 500 ° C. or higher. The ion implantation process that forms the region and
A p-type step that p-types the ion implantation region by activating Mg by heat treatment, and
A method for producing a p-type III nitride semiconductor having the above.
前記第1スルー膜は、アンドープのAlNであることを特徴とする請求項1に記載のp型III 族窒化物半導体の製造方法。 The method for producing a p-type III nitride semiconductor according to claim 1, wherein the first through film is an undoped AlN. 前記イオン注入工程後、前記p型化工程前に、前記第2スルー膜、前記第1マスク層、および前記第2マスク層を除去し、前記第1スルー膜は残した状態で前記p型化工程を行う、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のp型III 族窒化物半導体の製造方法。 After the ion injection step and before the p-type step, the second through film, the first mask layer, and the second mask layer are removed, and the p-type is formed with the first through film left. The method for producing a p-type III nitride semiconductor according to claim 1 or 2, wherein the process is performed. 前記半導体層と前記第1スルー膜は、MOCVD法によって連続成長させる、ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のp型III 族窒化物半導体の製造方法。 The method for producing a p-type III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 3, wherein the semiconductor layer and the first through film are continuously grown by a MOCVD method. 前記イオン注入工程は、500~1000℃の温度で行う、ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のp型III 族窒化物半導体の製造方法。 The method for producing a p-type III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 4, wherein the ion implantation step is performed at a temperature of 500 to 1000 ° C. 前記第1スルー膜と前記第2スルー膜の厚さの合計は、5~50nmであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のp型III 族窒化物半導体の製造方法。 The p-type III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 5, wherein the total thickness of the first through film and the second through film is 5 to 50 nm. Manufacturing method. 前記第1マスク層と前記第2マスク層の厚さの合計は、1.5μm以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のp型III 族窒化物半導体の製造方法。 The p-type III nitride according to any one of claims 1 to 6, wherein the total thickness of the first mask layer and the second mask layer is 1.5 μm or more. Semiconductor manufacturing method. 前記第2スルー膜および前記第1マスク層は、ALD法によって形成する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のp型III 族窒化物半導体の製造方法。 The method for producing a p-type III nitride semiconductor according to any one of claims 1 to 7, wherein the second through film and the first mask layer are formed by the ALD method.
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