JP7628911B2

JP7628911B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP7628911B2
Application number: JP2021123266A
Authority: JP
Inventors: 健太渡邉; 峰司大川; 紘子井口; 秀哉山寺; 大至木村
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Mirise Technologies Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Mirise Technologies Corp
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2025-02-12
Anticipated expiration: 2041-07-28
Also published as: JP2023018902A

Description

本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１に、窒化ガリウム半導体基板をアニールする方法が開示されている。この方法では、まず、窒化ガリウム半導体基板の表面に窒化アルミニウムによって構成された保護膜を形成する。その後、窒化ガリウム半導体基板を１２００℃以下の温度でアニールする。この方法によれば、アニール中に窒化ガリウム半導体基板の表面の劣化を抑制できる。また、特許文献１には、この方法であっても、アニールの温度が１２００℃を超える場合には、窒化ガリウム半導体基板の結晶品質が損なわれることが記載されている。

特開平０８－１８６３３２号公報

本明細書では、窒化ガリウム半導体基板の劣化を抑制しながら、窒化ガリウム半導体基板を１２００℃よりも高い温度でアニールする技術を提案する。

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、窒化ガリウム半導体基板の表面にアモルファスと粒状結晶の少なくとも一方の構造を有する窒化アルミニウムによって構成された保護膜を形成する工程と、前記保護膜によって前記表面が覆われた前記窒化ガリウム半導体基板を１２００℃よりも高い温度でアニールする工程、を有する。

なお、窒化ガリウム半導体基板は、窒化ガリウムを主成分とする半導体層である。例えば、窒化ガリウム半導体基板は、窒化ガリウム（ＧａＮ）により構成されていてもよいし、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）により構成されていてもよいし、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）により構成されていてもよいし、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）により構成されていてもよい。

本願発明者らは、複数の窒化ガリウム半導体基板の表面に構造が異なる種々の窒化アルミニウム膜（すなわち、保護膜）を形成し、その後に各窒化ガリウム半導体基板を１２００℃よりも高い温度でアニールする実験を行った。その結果、柱状結晶（各結晶粒が窒化ガリウム半導体基板の表面から柱状に伸びている多結晶）の構造を有する保護膜が形成された窒化ガリウム半導体基板では、保護膜の下の窒化ガリウム半導体基板の表面で顕著な劣化が生じることが分かった。また、アモルファスと粒状結晶（各結晶粒が粒状の多結晶）の構造を有する保護膜が形成された窒化ガリウム半導体基板では、保護膜の下の窒化ガリウム半導体基板の表面の劣化が抑制されることが分かった。

上述した製造方法では、窒化ガリウム半導体基板の表面にアモルファスと粒状結晶の少なくとも一方の構造を有する窒化アルミニウムによって構成された保護膜を形成する。したがって、その後に窒化ガリウム半導体基板を１２００℃よりも高い温度でアニールするときに、保護膜の下の窒化ガリウム半導体基板の表面の劣化が抑制される。以上に説明したように、この製造方法によれば、窒化ガリウム半導体基板の劣化を抑制しながら、窒化ガリウム半導体基板を１２００℃よりも高い温度でアニールすることができる。

半導体装置の製造方法を示す断面図。半導体装置の製造方法を示す断面図。半導体装置の製造方法を示す断面図。スパッタリング装置を示す構成図。半導体装置の製造方法を示す断面図。保護膜中のピットを示す断面図。窒化ガリウム半導体基板まで拡大したピットを示す断面図。実施例１の製造方法において、流量比Ｒを変更する実験の結果を示す表。サンプルＡの保護膜１８中の構成元素の比率を示すグラフ。サンプルＣの保護膜１８中の構成元素の比率を示すグラフ。サンプルＡの保護膜１８の断面を示す画像。サンプルＣの保護膜１８の断面を示す画像。実施例１において、流量比Ｒとピット密度とピット面積比率の関係を示すグラフ。実施例２の製造方法において、流量比Ｒを変更する実験の結果を示す表。実施例２において、流量比Ｒとピット面積比率の関係を示すグラフ。

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記保護膜の少なくとも一部が、アモルファスの構造を有する窒化アルミニウムによって構成されていてもよい。

この構成によれば、アニール時に保護膜の下の窒化ガリウム半導体基板の表面の劣化をより効果的に抑制できる。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記保護膜を形成する前記工程では、スパッタリングによって前記保護膜を形成してもよい。前記スパッタリングでは、ターゲットとして窒化アルミニウムを使用してもよい。

ターゲットとして窒化アルミニウムを使用する場合には、前記スパッタリングでは、スパッタリングガスをスパッタリング装置のチャンバー内に供給し、窒素ガスを前記チャンバー内に供給しなくてもよい。

ターゲットとして窒化アルミニウムを使用する場合には、スパッタリングガスとともに窒素ガスをスパッタリング装置のチャンバー内に供給してもよい。この場合には、前記窒素ガスの供給量をｓｃｃｍ単位で表した値を前記スパッタリングガスの供給量をｓｃｃｍ単位で表した値で除算した値が、０．２５未満であってもよい。

本明細書が開示する一例の製造方法においては、前記保護膜を形成する前記工程では、スパッタリングによって前記保護膜を形成してもよい。前記スパッタリングでは、ターゲットとしてアルミニウムを使用し、窒素ガスとスパッタリングガスをスパッタリング装置のチャンバー内に供給してもよい。

ターゲットとしてアルミニウムを使用する場合には、窒素ガスをチャンバー内に供給することで、窒化アルミニウムによって構成された保護膜を形成することができる。

前記ターゲットとしてアルミニウムを使用する場合には、前記窒素ガスの供給量をｓｃｃｍ単位で表した値を前記スパッタリングガスの供給量をｓｃｃｍ単位で表した値で除算した値が、０．２５以上かつ０．４３以下であってもよい。

本明細書が開示する一例の製造方法は、前記保護膜を形成する前記工程の前に、前記窒化ガリウム半導体基板にｐ型不純物を注入する工程をさらに有していてもよい。

この構成によれば、１２００℃よりも高い温度でのアニールによってｐ型不純物を効率的に活性化することができる。

実施例１の半導体装置の製造方法について説明する。実施例１の製造方法では、図１に示すように、ＧａＮにより構成された支持層１２上に、ＧａＮにより構成されたドリフト層１４をエピタキシャル成長させる。ドリフト層１４は、ｎ型不純物濃度が低いｎ型層である。以下では、支持層１２とドリフト層１４の全体を、窒化ガリウム半導体基板１０という。

次に、イオン注入工程を実施する。イオン注入工程では、図２に示すように、ドリフト層１４にｐ型不純物をイオン注入する。ｐ型不純物として、例えば、マグネシウムを使用することができる。また、ここでは、ドリフト層１４が露出している窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａの一部にマスク層８０を形成し、マスク層８０を介してドリフト層１４に選択的にｐ型不純物を注入する。これによって、ドリフト層１４の表層部に、イオン注入層１６を形成する。イオン注入の完了後に、マスク層８０を除去する。

次に、保護膜形成工程を実施する。保護膜形成工程では、図３に示すように、窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａ上、窒化アルミニウムにより構成された保護膜１８を形成する。ここでは、スパッタリングによって保護膜１８を形成する。

図４は、保護膜１８を形成するためのスパッタリング装置１００を示している。スパッタリング装置１００は、チャンバー１１０、ステージ１２０、及び、ターゲット１３０を有している。チャンバー１１０の内部に、ステージ１２０とターゲット１３０が配置されている。ステージ１２０は、チャンバー１１０の下部に配置されている。ステージ１２０上に、窒化ガリウム半導体基板１０を載置することができる。ターゲット１３０は、ステージ１２０の上方に配置されている。ターゲット１３０は、ステージ１２０上に載置された窒化ガリウム半導体基板１０と対向する位置に配置されている。実施例１では、ターゲット１３０は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により構成されている。さらに、スパッタリング装置１００は、スパッタリングガス供給管１５０、窒素ガス供給管１６０、ガス排出管１７０、及び、電源１８０を有している。スパッタリングガス供給管１５０は、チャンバー１１０内にスパッタリングガスを供給する。スパッタリングガスとしては、希ガス等の不活性ガスを使用することができる。実施例１では、スパッタリングガスとしてアルゴン（すなわち、Ａｒ）を使用する。窒素ガス供給管１６０は、チャンバー１１０内に窒素ガス（すなわち、Ｎ_２）を供給する。ガス排出管１７０は、チャンバー１１０内のガスを外部に排出する。電源１８０は、ステージ１２０とターゲット１３０の間に電圧（例えば、直流電圧または高周波電圧）を印加する。

保護膜形成工程では、まず、図４に示すように、ステージ１２０上に窒化ガリウム半導体基板１０を載置する。ここでは、表面１０ａが露出する向きで窒化ガリウム半導体基板１０を載置する。次に、図示しない真空ポンプを作動させてチャンバー１１０内のガスをガス排出管１７０から排出し、チャンバー１１０内を減圧する。次に、スパッタリングガス供給管１５０からチャンバー１１０内にスパッタリングガスを供給する。また、必要に応じて、スパッタリングガスとともに、窒素ガス供給管１６０からチャンバー１１０内に窒素ガスを供給する。次に、電源１８０によってステージ１２０とターゲット１３０の間に電圧を印加する。すると、スパッタリングガスがプラズマ化し、スパッタリングガスの原子（すなわち、Ａｒ）がターゲット１３０に衝突する。すると、ターゲット１３０から窒化アルミニウム原子が飛び出し、飛び出した窒化アルミニウム原子が窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａ上に堆積する。したがって、表面１０ａ上に、窒化アルミニウムによって構成された保護膜１８が形成される。

次に、アニール工程を実施する。アニール工程では、表面１０ａに保護膜１８が形成された窒化ガリウム半導体基板１０を、１２００℃よりも高い温度に加熱する。例えば、窒化ガリウム半導体基板１０を、１４００℃以上の温度で加熱する。また、例えば、窒化ガリウム半導体基板１０を、アンモニア（すなわち、ＮＨ_３）の雰囲気下でアニールしてもよい。窒化ガリウム半導体基板１０を加熱すると、イオン注入層１６内のｐ型不純物が活性化する。その結果、図５に示すように、ドリフト層１４の表層部にｐ型層２０が形成される。なお、窒化ガリウム半導体基板１０を１４００℃以上の温度で加熱する場合には、イオン注入層１６内のｐ型不純物の活性化率が高く、キャリア濃度が高いｐ型層２０を形成することができる。

アニール工程でｐ型層２０を形成したら、その他の必要な半導体層を形成し、窒化ガリウム半導体基板１０に接する電極、絶縁膜等を形成することで、半導体装置が完成する。製造される半導体装置は、スイッチング素子（例えば、電界効果トランジスタ、高電子移動度トランジスタ等）であってもよいし、ダイオードであってもよいし、その他の素子であってもよい。

アニール工程では、窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａが保護膜１８に覆われているので、表面１０ａにおける窒化ガリウム半導体基板１０の分解が抑制される。但し、図６に示すように保護膜１８にピット３０（厚み方向に伸びる空隙）が存在していると、アニール工程中にピット３０の下部で窒化ガリウム半導体基板１０が分解される。この場合、図７に示すように、ピット３０が拡大して窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａまで達する。すなわち、窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａにピット３０が形成される。表面１０ａにピット３０が形成されると、窒化ガリウム半導体基板１０の表面状態が悪くなる。以下に、保護膜形成工程における条件と、アニール工程後の窒化ガリウム半導体基板１０の表面状態との関係について説明する。

保護膜１８の膜質は、スパッタリング工程における窒素ガスの供給量（以下、流量ＦＮ（単位：ｓｃｃｍ）という）とスパッタリングガスの供給量（以下、流量ＦＳ（単位：ｓｃｃｍ）という）との比によって変化する。以下では、流量ＦＮと流量ＦＳの比を、流量比Ｒとして表す。流量比Ｒは、流量ＦＮを流量ＦＳで除算した値である。図８は、流量比Ｒを変化させて保護膜１８を形成した実験結果を示している。図８に示すサンプルＡ～Ｄは、図８中に示された流量比Ｒの条件で保護膜１８を形成したサンプルである。図８の中段の各画像は、アニール工程前の保護膜１８の表面を示している。アニール工程前において、サンプルＡ～Ｄのいずれでも、保護膜１８の表面に異常は認められなかった。

図９はサンプルＡの保護膜１８の深さ方向における構成元素の濃度分布を示している。また、図１０は、サンプルＣの保護膜１８の深さ方向における構成元素の濃度分布を示している。図１０に示すように、サンプルＣでは、保護膜１８中に窒素原子とアルミニウム原子が略同じ割合で含まれている。これに対し、図９に示すように、サンプルＡでは、保護膜１８中において、アルミニウム原子の割合が窒素原子の割合よりも明らかに高い。すなわち、サンプルＡの保護膜１８中では、サンプルＣの保護膜１８中よりも、アルミニウム原子が占める割合が高い。このように、スパッタリング工程において流量比Ｒを変化させことで、形成される保護膜１８中の構成元素の割合を変化させることができる。

図１１、１２は、アニール工程前の保護膜１８の断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）により撮影した画像である。図１１はサンプルＡの保護膜１８を撮影した画像であり、図１２はサンプルＣの保護膜１８を撮影した画像である。

上述したように、サンプルＣの保護膜１８中には、窒素原子とアルミニウム原子が略同じ割合で含まれている。このため、図１２に示すように、サンプルＣの保護膜１８は、多結晶の構造を有する。図１２に示すように、サンプルＣの保護膜１８中では、各結晶粒が窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａからほぼ垂直方向に沿って柱状に伸びている。すなわち、サンプルＣの保護膜１８は、柱状結晶の構造を有している。また、図１２に示すように、サンプルＣでは、保護膜１８の表面から深さ方向に伸びるピット３０（白い部分）が確認された。ピット３０の深さは約１２２ｎｍである。このように、サンプルＣでは、保護膜１８が柱状結晶により構成されており、このため保護膜１８中に多数のピット３０が存在する。図示していないが、サンプルＤでも、保護膜１８が柱状結晶により構成されており、保護膜１８に多数のピット３０が存在する。

上述したように、サンプルＡの保護膜１８中では、アルミニウム原子の割合が窒素原子の割合よりもかなり高い。このため、図１１に示すように、サンプルＡでは、保護膜１８の略全体がアモルファスの構造を有する。サンプルＡでは、保護膜１８全体が略均質であり、保護膜１８中にピット３０は確認されない。また、図示していないが、サンプルＢでは、保護膜１８の一部が粒状結晶により構成されており、保護膜１８のその他の部分がアモルファスにより構成されていた。サンプルＢでは、保護膜１８中にピット３０はほとんど確認されない。

図８の下段の各画像は、１４００℃でアニール工程を実施した後の窒化ガリウム半導体基板１０及び保護膜１８の表面を示している。下段の各画像において、左側の部分は保護膜１８の表面を示しており、右側の部分は保護膜１８を除去することによって露出させた窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａを示している。表面１０ａを示す各画像の中で、黒い部分がピット３０である。また、図１３は、図８の下段の各画像に基づいてピット密度とピット面積比率を算出した結果を示している。ピット密度は、表面１０ａにおけるピット３０の密度であり、ピット面積比率は、表面１０ａに占めるピット３０の面積の比率である。図８、１３に示すように、流量比Ｒが低いほどピット密度及びピット面積比率が低くなる。

以上に説明したように、流量比Ｒが低い条件で保護膜１８が形成されたサンプルＡ、Ｂでは、保護膜１８がアモルファスまたは粒状結晶の構造を有しており、保護膜１８中のピット３０が少ない。したがって、サンプルＡ、Ｂでは、アニール工程で窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａに形成されるピット３０が少ない。このように、実施例１の保護膜形成工程では、流量比Ｒが低いほど、保護膜１８の結晶性が低下し、保護膜１８中のピット３０が少なくなる。したがって、流量比Ｒが低いほど、アニール工程で表面１０ａに形成されるピット３０が少なくなる。図１３から明らかなように、実施例１では、流量比Ｒを０．２５未満とすることで、保護膜１８がアモルファスと粒状結晶の少なくとも一方の構造となり、窒化ガリウム半導体基板１０でのピット３０の発生を抑制できる。特に、流量比Ｒを０．０４以下とすることで、ピット３０の発生をより効果的に抑制できる。このように、保護膜１８がアモルファスと粒状結晶の少なくとも一方の構造である場合には、単一の保護膜１８によって、１２００℃よりも高温のアニール工程において窒化ガリウム半導体基板１０の劣化を抑制できる。

実施例２の製造方法では、保護膜形成工程で使用するターゲット１３０が単体のアルミニウムである点で実施例１の製造方法と異なる。実施例２の製造方法のその他の構成は、実施例１の製造方法と等しい。実施例２の保護膜形成工程では、ターゲット１３０からアルミニウム原子が飛び出し、飛び出したアルミニウム原子が窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａ上に堆積する。また、表面１０ａ上に堆積するアルミニウム原子は、窒素ガスと反応して窒化アルミニウムとなる。したがって、窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａ上に、窒化アルミニウムによって構成された保護膜１８が形成される。

図１４は、実施例２の保護膜形成工程で流量比Ｒを変化させて保護膜１８を形成した実験結果を示している。図１４に示すサンプルＥ～Ｉは、図１４中に示された流量比Ｒの条件で保護膜１８を形成したサンプルである。図１４の中段の各画像は、アニール工程前の保護膜１８の表面を示している。アニール工程前において、サンプルＥ～Ｉのいずれでも、保護膜１８の表面に異常は認められなかった。

図１４の下段の各画像は、１４００℃でアニール工程を実施した後の窒化ガリウム半導体基板１０及び保護膜１８を示している。下段の各画像において、左側の部分は保護膜１８の表面を示しており、右側の部分は保護膜１８を除去することによって露出させた窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａを示している。表面１０ａを示す各画像の中で、黒い部分がピット３０である。また、図１５は、図１４の下段の各画像に基づいてピット面積比率を算出した結果を示している。図１４、１５に示すように、実施例２では、流量比Ｒが低すぎる場合と流量比Ｒが高すぎる場合のいずれでも、ピット面積比率が上昇する結果となった。図１５に示すように、実施例２では、流量比Ｒを０．２５以上かつ０．４３以下とすることで、保護膜１８がアモルファスと粒状結晶の少なくとも一方の構造となり、窒化ガリウム半導体基板１０でのピット３０の発生を抑制できる。

なお、実施例１、２のいずれにおいても、保護膜１８の厚さを１００ｎｍ以上とすることで、窒化ガリウム半導体基板１０の表面１０ａにおけるピット３０の形成をより効果的に抑制することができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０：窒化ガリウム半導体基板、１２：支持層、１４：ドリフト層、１６：イオン注入層、１８：保護膜、２０：ｐ型層、３０：ピット

Claims

半導体装置の製造方法であって、
窒化ガリウム半導体基板（１０）の表面（１０ａ）に、粒状結晶により構成された部分とアモルファスにより構成された部分とを有する窒化アルミニウムによって構成された保護膜（１８）を形成する工程と、
前記保護膜によって前記表面が覆われた前記窒化ガリウム半導体基板を、１２００℃よりも高い温度でアニールする工程、
を有する製造方法。
前記保護膜を形成する前記工程では、スパッタリングによって前記保護膜を形成し、
前記スパッタリングでは、ターゲットとして窒化アルミニウムを使用する、
請求項１に記載の製造方法。
前記スパッタリングでは、スパッタリングガスをスパッタリング装置のチャンバー内に供給し、窒素ガスを前記チャンバー内に供給しない、請求項２に記載の製造方法。
前記スパッタリングでは、窒素ガスとスパッタリングガスをスパッタリング装置のチャンバー内に供給し、
前記窒素ガスの供給量をｓｃｃｍ単位で表した値を前記スパッタリングガスの供給量をｓｃｃｍ単位で表した値で除算した値が、０．２５未満である、
請求項２に記載の製造方法。
前記保護膜を形成する前記工程では、スパッタリングによって前記保護膜を形成し、
前記スパッタリングでは、ターゲットとしてアルミニウムを使用し、窒素ガスとスパッタリングガスをスパッタリング装置のチャンバー内に供給する、
請求項１に記載の製造方法。
前記窒素ガスの供給量をｓｃｃｍ単位で表した値を前記スパッタリングガスの供給量をｓｃｃｍ単位で表した値で除算した値が、０．２５以上かつ０．４３以下である、請求項５に記載の製造方法。
前記保護膜を形成する前記工程の前に、前記窒化ガリウム半導体基板にｐ型不純物を注入する工程をさらに有する請求項１～６のいずれか一項に記載の製造方法。