制造p-型Ⅲ族氮化物半导体的方法和制造其电极的方法

专利名称：制造p-型Ⅲ族氮化物半导体的方法和制造其电极的方法
技术领域：
本发明涉及选择性制造p-型III族氮化物半导体的方法，并且涉 及制造p-型III族氮化物半导体的电极的方法。这些方法实现了优异 的可靠性和可再现性。
背景技术：
近年来，III族氮化物半导体不仅作为用于形成发光元件的材料, 而且作为用于形成下一代功率器件的半导体而受到关注。这是因为 III族氮化物半导体的击穿电场比硅的击穿电场大一个数量级。为了实现耐高电压的功率器件， 一般地，从耐电压和强电流操 作的角度考虑，垂直结构比横向结构更有利。日本专利申请特许公开No. 2004-260140 7〉开了几种半导体器件，每种都具有垂直结构 并采用III族氮化物半导体。图6是显示一种已公开的半导体器件的 结构的截面图。通过在p+-InGaN层100中间提供的n-GaN层101， 将p+JnGaN层100分隔为左、右部分。实现这种结构需要用于选择 性形成p-型III族氮化物半导体的技术。日本专利申请特许公开No. 2004-260140和日本应用物理学协会 和相关协会第53届大会(会议论文24a-ZE-15和24a-ZE-16 )公开 了 一种通过干蚀刻技术选择性制造p-型III族氮化物半导体的方法。在日本专利申请特许乂>开No. 2004-260140所公开的制造方法中， 首先，Si02掩模形成于除已生长有p-型GaN的那部分之外的n-型GaN 层上，并且干蚀刻该n-型GaN层直至蚀刻部分的深度达到了预定水 平。然后，通过MOCVD在干蚀刻部分上选择性地生长p-型GaN层，接着去除Si02掩模。在日本应用物理学协会和相关协会第53届大会(会议论文 24a-ZE-15和24a-ZE-16 )中公开的制造方法中，首先，通过MOCVD 外延生长p-型GaN。第二，利用SK)2掩模干蚀刻p-型GaN区域。第 三，移除Si02掩模，接着在所述干蚀刻区域上生长n-型GaN。或者，
不去除Si()2掩模，而在所述干蚀刻区域上选择性地生长n-型GaN。选择性地形成p-型III族氮化物半导体的其它技术包括采用离子 注入的制造方法(例如，日本专利申请特许/iS开No. 2005-183668); 以及在日本专利申请特许公开No. H11-224859以及Y. J. Yang, J. L. Yen, F. S. Yang，和C. Y. Lin: Jpn. J. Appl. Phys. 39( 2000 )L3卯-L392 中公开的方法。在曰本专利申请特许公开No. 2005-183668公开的制造方法中，利 用Mg离子束将Mg离子注入到III族氮化物半导体中，接着在氨-氢 气体混合物的气氛中热处理，从而形成p-型III族氮化物半导体。在曰本专利申请特许公开No. Hll-224859以及Y. J. Yang, J. L. Yen, F. S. Yang,和C. Y. Lin: Jpn. J. Appl. Phys. 39( 2000 )L390-L392 中公开的方法中，在III族氮化物半导体层上形成Mg膜，接着热处理， 从而将Mg扩散到III族氮化物半导体层中。这些方法彼此不同之处在 于前一方法中是通过在氮气氛中热处理来扩散Mg，而后一方法中是 通过在真空中热处理来扩散Mg。然而，在日本专利申请特许公开No. 2004-260140或日本应用物理 学协会和相关协会第53届大^K会议论文24a-ZE-15和24a-ZE-16 ) 中公开的制造方法所造成的问题在于所述方法需要复杂的工艺；亦即，所述方法需要后续生长步骤或选择性生长步骤，从而造成高制 造成本。此外，在n-型GaN再生长期间，p-型GaN通过传质而在 生长表面上迁移，并且在蚀刻区域(即，后续生长n-型GaN的区域) 上生长p-型GaN。在日本专利申请特许公开No. 2005-183668中公开的采用离子注入 的制造方法造成问题(例如，对III族氮化物半导体层的损伤)，并 因此至今仍没有确定为实用技术。同时，日本专利申请特许公开No. Hll-224859或Y.J. Yang ， J.L.Yen, F.S.Yang,和C. Y. Lin: Jpn. J. Appl. Phys. 39 (2000) L3卯-L392中公开的制造方法表现出差的可 靠性和可再现性。日本专利申请特许公开No. 2005-183668以及Y. J. Yang, J. L. Yen, F. S. Yang，和C. Y. Lin: Jpn. J. Appl. Phys. 39( 2000 ) L3卯-L392中公开的制造方法需要用于Mg活化的额外的热处理。

发明内容
鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供一种用于制造p-型III 族氮化物半导体的新方法，该方法可以通过少数步骤来实施并实现优 异的可靠性和可再现性。本发明的另一个目的是提供一种用于形成 与p-型III族氮化物半导体接触的电极的方法，该方法是所述制造方 法的应用。在本发明的第 一方面中，提供一种用于制造p-型III族氮化物半导体的方法，该方法包括在至少含有氨的气氛中使Mg热扩散到III 族氮化物半导体层中，从而活化Mg并形成p-型III族氮化物半导体 层。在本发明的第二方面中，提供一种用于制造p-型III族氮化物半 导体的方法，该方法包括在III族氮化物半导体层的表面上的预定区 域中形成Mg膜；在Mg膜上形成熔点高于下述热处理的温度的金属 膜；以及在至少含有氨的气氛中实施该热处理。在第二方面中，在至少含有氨的气氛中实施热处理后，可移除Mg 膜和金属膜。本发明人对上述传统制造方法(即，在真空或氮气氛中热扩散Mg 的方法，以及包括Mg离子注入和后续热处理的方法)预先进行了研 究。然而，通过这些方法，不能制造p-型半导体。因此，这些传统制 造方法的可靠性和可再现性有待进一步提高。在这样的情况下，本发明人进行了大量的实验以寻求新的p-型半导体制造方法，结杲发现当在至少含有氨的气氛中加热ni族氮化物半导体以将Mg热扩散到半导体中时，所述半导体可被转变为p-型III 族氮化物半导体。在该发现的基础上完成本发明。通过前述程序将III族氮化物半导体转变为p-型III族氮化物半导 体的一个可能的原因是当在氨气氛中加热III族氮化物半导体时，构 成半导体的Ga和N易于迁移，并且Mg适当地ii^Ga位点而不影 响晶体结构。用于本文中时，"至少含有氨的气氛"指单独含有氨的气氛，或是 氨和氢或惰性气体(例如，氮、氩或氦)的气体混合物的气氛。当至 少含有氨的气氛是这种气体混合物气氛时，对于氨浓度没有具体限制，只要m族氮化物半导体可以转变为p-型m族氮化物半导体即可。在本发明的前述方面中，in族氮化物半导体整体可以转变为p-型in族氮化物半导体，或者in族氮化物半导体的预定区域(例如，仅仅是岛状图案(islands-pattern)区域)可以转变为p-型III族氮化 物半导体。用于本文中时，"III族氮化物半导体"是由公式AlxGayln^yN (0Sx《1， OSySl， 0Sl-x-y《1)表示的半导体，例如GaN或AlGaN。 这种III族氮化物半导体可具有任意导电类型。当使用p-型III族氮化 物半导体层时，在Mg膜下方形成其空穴浓度高于III族氮化物半导体 层空穴浓度的p-型区域。在本发明的第三方面中，使用;^i或n-型III 族氮化物半导体层。在这种情况下，在Mg膜下方的III族氮化物半导 体层中形成p-型区域。在本发明的第一和第二方面中，通it^至少^^有氨的气氛中的热 处理，Mg可扩散到III族氮化物半导体层中，同时包含在III族氮化 物半导体层中的Mg可被活化。在这种情况下，除Mg之外，构成金 属膜的金属不可避免地扩散到III族氮化物半导体层中。然而，该金 属不妨碍p-型III族氮化物半导体的形成。为了防止Mg由于加热而 蒸发，在Mg膜上形成熔点高于热处理温度的金属膜。对热处理的温度没有具体限制，只要Mg热扩散到III族氮化物半 导体中即可。热处理温度是例如700。C-1,150°C。当在高于1，150。C的 温度下实施热处理时，热扩散的Mg量增加，^LIII族氮化物半导体 中产生大量点缺陷。或者，III族氮化物半导体的表面被Mg蚀刻，导 致相当可观的表面粗糙。因此，不适合在这样的高温下热扩散Mg。在本发明的第四方面中，在移除Mg膜和金属膜后，可在主要含 有氮的气氛中进一步实施热处理。通过该热处理，可进一步活化在III 族氮化物半导体层中所含的Mg。在本发明的第五方面中，可通过剥离(lift-off)过程在预定区域中 形成Mg膜和在Mg膜上形成金属膜。具体地，通过光刻法在除预定 区域以外的11I族氮化物半导体层上形成光刻^^掩模；通过气相沉积 形成Mg膜以覆盖III族氮化物半导体层和光刻胶掩模;通过气相沉积 在Mg膜上形成金属膜；以及随后移除光刻胶掩模，从而在预定区域
中提供Mg膜和金属膜。金属膜例如可由Ni、 Pt或Au制成。金属膜可由多个层构成。例 如，金属膜可以是由Ni下层和Pt上层构成的Ni/Pt膜。例如可利用 王水移除Mg膜和金属膜。在本发明的第一方面中，在至少含有氨的气氛中实施用于Mg扩 散的热处理。然而，可利用除氨之外的气体(例如，氮)实施用于 Mg扩散的热处理，接着在至少含有氨的气氛中实施热处理。在本发明的第六方面中，提供一种制造用于p-型III族氮化物半导 体的电极的方法，该方法包括在III族氮化物半导体层表面上的预定 区域中形成Mg膜；在Mg膜上形成电极膜；以及在至少含有氨的气 氛中实施热处理。在本发明的第七方面中，在至少含有氨的气氛中实 施热处理后，可进一步在主要含有氮的气氛中实施热处理。通过该热 处理，可进一步活化在III族氮化物半导体层中所含的Mg。如上所述，通过在氨气氛中热处理，可以扩散并同时活化Mg。 因此，在Mg膜下方的层中形成其空穴浓度高于III族氮化物半导体 层空穴浓度的区域。在Mg膜下方的III族氮化物半导体层是p-型半 导体的情况下，在Mg膜下方的层中形成其空穴浓度高于p-型III族 氮化物半导体层空穴浓度的区域。由于Mg膜和电如度与高空穴浓度 的区域相接触，因此可降4^触电阻。如上所述，可通过剥离过程在预定区域中形成Mg膜和电极膜。 电^JI可由例如Ni制成。在氨气氛中热处理后，可移除Mg膜和电极膜，并可在相同区域 中形成电极膜。通过此程序，可得到更有利的接触。而且，在移除Mg膜和电M之后，可进一步在主要今有氮的气 氛中实施热处理，然后可在相同区域中形成新的电极膜。此外，可实 施热处理，以在低于所述热处理的温度下将新电极与p-型III族氮化 物半导体层熔合。通过此方法可更多地降^^触电阻。或者，在氨气氛中热处理并且移除Mg膜和电M之后，可在相 同区域中形成新的电极膜，并且可进一步在主要含有氮的气氛中实施 热处理。通过此方法可降>[氐接触电阻。 根据本发明的第一和第二方面，由于利用至少含有氨的气体来实施将Mg扩散到III族氮化物半导体层中的热处理，因此可以以高度可 靠的方式形成p-型III族氮化物半导体。此外，由于可以扩散并同时 活化Mg,因此传统上以两个步骤实施的Mg的扩散和活化可以在一 个步骤中完成，得到简化和高效的制造过程。才艮据本发明的第一或第 二方面的p-型III族氮化物半导体的制造方法用于选择性制造p-型III 族氮化物半导体特别有效，并具有优异的可靠性和可再现性。因此， 该制造方法可以容易地实现需要选择性制造p-型III族氮化物半导体 的垂直III族氮化物半导体器件。该制造方法不需要另外的生长步骤 或选择性生长步骤-在日本专利申请特许/>开No. 2004-260140或日本 应用物理学协会和相关协会第53届大会(会议论文24a-ZE-15和 24a-ZE-16 )中公开的用于选择性制造p-型III族氮化物半导体的方 法中需要该步骤-并因此可降低制造成本。根据本发明的第六方面的电极制造方法，由于Mg膜与具有高空 穴浓度的区域相接触，因此可制it^现出低接触电阻的用于p-型III 族氮化物半导体的电极.


结合附图并参考本发明优选实施方案的下文详细描述，本发明 的各种其它目的、特征和多种附加优点将会变得更加容易理解，其 中图1A 1E表示根据实施方案1的p-GaN制造方法的步骤；图2是表示空穴浓度的温度相关性的图；图3是表示空穴迁移率的温度相关性的图；图4是表示Mg浓度和M面测量的深度之间关系的图；图5A和5B表示根据实施方案2的电极制造方法的步骤；以及图6是表示采用III族氮化物半导体的垂直半导体器件的横截面图。具体实施方案下面将参考附图描述本发明的具体实施方案。但是，本发明不
局限于所述实施方案。 实施方案1图1A 1E表示根据实施方案1的p-GaN制造方法的步骤。下 面将参考图1A 1E描述根据实施方案1的制造步骤。首先，通过MOCVD在蓝宝石衬底10上形成iT-GaN层11 (相当 于本发明中使用的III族氮化物半导体层)，该iT-GaN层ll是低浓 度的n-型层。n-GaN层11的厚度为1.65 jim。接着，在n-GaN层11 的表面上形成光刻胶掩模12，从而在没有形成p-型区域的部分iT-GaN 层11上提供掩模12 (图1A )。然后，通过气相沉积形成Mg膜13， 以覆盖iT-GaN层11和光刻胶掩模12，并通过气相沉积在Mg膜13 上形成Ni/Pt金属膜14 (图1B) 。 Mg膜13的厚度为50nm，并且金 属膜14由厚度为10nm的Ni下层和厚度为10nm的Pt上层构成。此 后，移除光刻胶4^模12，由此仅在形成p-型区域的部分n-GaN层ll 上保留有Mg膜13和金属膜14 (图1C )。此后，在氨气氛中在900'C下实施热处理3小时。通过该热处理， 构成Mg膜13的Mg扩散到n:GaN层11中并同时活化。因此，在 Mg膜13下方的n:GaN层11中形成p-型区15 (图1D )。此后，利 用王水移除Mg膜13和金属膜14(图1E)，接着在氮气氛中在850。C 实施热处理5分钟，在氮气氛中实施该热处理步骤是为了进一步活化 Mg，并且该步骤可任选省略。当形成p-型区15的电极时，在氮气氛中的热处理步骤后，在p-型区15上可形成新的金属层。同样，当金属膜14用于p-型区15的电极时，可不移除Mg膜13 和金属膜14。通过上述步骤，可在预定区域中形成p-型GaN (即，p-型区15)。 由于Mg的熔点(即651'C )低于热处理温度(即卯O'C )，因而提供 金属膜14。金属膜14的提供表现出抑制Mg蒸发的效果，使得能够 以高可靠性和可再现性来形成p-型区15。图2是表示通过根据实施方案1的步骤形成的p-型区15的空穴 浓度的温度相关性图。在环境温度(300K)下，p-型区15的空穴浓 度为lxl0"cm3。图3是表示p-型区15的空穴迁移率的温度相关
性图。在0.5pm的Mg扩散深度处计算空穴浓度和空穴迁移率。将 这些数据与通过Mg掺杂外延生长形成的p-GaN的空穴浓度和空穴 迁移率相比较，表明p-型区15和p-GaN具有几乎相同的空穴浓度和 空穴迁移率。因此，可以以高可靠性和可再现性来选择性制造p-型区15。研究了 p-型区15的深度和Mg浓度之间的关系。结果如图4所示。 水平轴对应于从n-GaN层11的表面沿厚度方向测量的深度。在0 ~ 0.65fim的深度范围内，p-型区15的Mg浓度为5xlO"cnr3或更大， 其等于或高于通过Mg掺杂外延生长形成的p-GaN在对应的深度范围 之内的Mg浓度。实施方案2图5A和5B表示根据实施方案2的电极的制造方法的步骤。电极 附着于p-GaN。下面将参考图5A和5B描述根据实施方案2的制造步 骤。首先，在形成电极的区域中的p-GaN层31上形成Mg膜33，以 与实施方案1相同的方式通过剥离过程在Mg膜33上形成Ni膜34(相 当于在本发明中釆用的电极膜)(图5A)。然后，在氨气氛中在900。C 下实施热处理3小时。通itj^热处理，构成Mg膜33的Mg扩散到 p-GaN层31中并同时活化，由此形成空穴浓度高于p-GaN层31的p+-型区35 (图5B )。由于？+-型区35用作接触区，因此这样形成的电M现出低接触 电阻。或者，可通过下述方法形成电极在4吏用氨热处理之后，移除 Mg膜33和Ni膜34，接着在p^型区35上形成Ni膜。和根据实施方 案2的方法比较，该替代的方法需要增加的步骤数，但是这样形成的 电M现出比根据实施方案2的方法形成的电极更低的接触电阻。可在n-型或本征III族氮化物半导体上形成电极。这种情况下， p+-型区35形成在n-型或本征III族氮化物半导体中，并且所述电极用 作p、型区35的电极。在实施方案1中，金属膜14由Ni/Pt制成。但是，金属膜14例如 可由Au制成。iT-GaN层ll可由i-GaN层或p-GaN层替代。当使用 p-GaN层时，可形成空穴浓度高于p-GaN层的p-型区。在实施方案1和2中，使用GaN。然而，所用的III族氮化物半导体不限于GaN， 并且例如可以是A1N、 InN、 AlGaN、 InGaN或AlGalnN。根据本发明，以优异的可靠性和可再现性选择性制造p-型III族氮 化物半导体。因此，本发明可容易地实现使用III族氮化物半导体的 垂直半导体器件，例如，pn二极管、JFET和HFET。
权利要求
1.一种用于制造p-型III族氮化物半导体的方法，所述方法包括在至少含有氨的气氛中使Mg热扩散到III族氮化物半导体层中，从而活化Mg并形成p-型III族氮化物半导体层。
2. —种用于制造p-型III族氮化物半导体的方法，所述方法包括 在III族氮化物半导体层的表面上的预定区域中形成Mg膜； 在所述Mg膜上形成熔点高于下述热处理的温度的金属膜；和 在至少含有氨的气氛中实施所述热处理。
3. —种用于制造p-型III族氮化物半导体的方法，所述方法还包括 在所述实施所述热处理后，移除所述Mg膜和所述金属膜。
4. 根据权利要求1所述的用于制造p-型III族氮化物半导体的方法， 其中所述III族氮化物半导体层由本征或n-型III族氮化物半导体形 成。
5. 根据权利要求2所述的用于制造p-型III族氮化物半导体的方法， 其中所述III族氮化物半导体层由本征或n-型III族氮化物半导体形 成。
6. 根据权利要求3所述的用于制造p-型HI族氮化物半导体的方法， 其中所述III族氮化物半导体层由#或n-型III族氮化物半导体形 成。
7. 根据权利要求3所述的用于制造p-型III族氮化物半导体的方法， 其还包括在移除所述Mg膜和所述金属膜之后，在主M有氮的气氛 中实施热处理。
8. 根据权利要求6所述的用于制造p-型III族氮化物半导体的方法， 其还包括在移除所述Mg膜和所述金属膜之后，在主J^^有氮的气氛 中实施热处理。
9. 根据权利要求2所述的用于制造p-型III族氮化物半导体的方法， 其中通过剥离过程来实施所述Mg膜的形成和所述金属膜在所述Mg 膜上的形成。
10. 根据权利要求3所述的用于制造p-型III族氮化物半导体的方法， 其中通过剥离过程来实施所述Mg膜的形成和所述金属膜在所述Mg 膜上的形成。
11. 一种用于制造p-型III族氮化物半导体电极的方法，所述方法包 括在III族氮化物半导体层表面上的预定区域中形成Mg膜； 在所述Mg膜上形成电极膜；和 在至少含有氨的气氛中实施热处理.
12. 根据权利要求11所述的用于制造p-型III族氮化物半导体电极的 方法，其还包括在所述热处理后，在主J^有氮的气氛中实施附加的 热处理。
13. 根据权利要求11所述的用于制造p-型III族氮化物半导体电极的 方法，其还包括在所述热处理后，移除所述Mg膜和所述电极膜，并 在所述p-型III族氮化物半导体层的暴露表面上形成第二电极膜。
14. 根据权利要求11所述的用于制造p-型III族氮化物半导体电极的 方法，其还包括在所述热处理后，移除所述Mg膜和所述电极膜，之 后在主J^有氮的气氛中实施附加的热处理，并在所述p-型III族氮 化物半导体层的暴露表面上形成第二电极膜。
15. 根据权利要求11所述的用于制造p-型III族氮化物半导体电极的 方法，其还包括在所述热处理后，移除所述Mg膜和所述电极膜，之 后在所述p-型III族氮化物半导体层的暴露表面上形成第二电^LM， 并在主J^有氮的气氛中实施附加的热处理。
全文摘要
本发明提供一种具有优异的可靠性和可再现性的p-型III族氮化物半导体的制造方法。在n^--GaN层表面上形成光刻胶掩模。接着，形成Mg膜以覆盖所述n^--GaN层和所述光刻胶掩模，并在所述Mg膜上形成Ni/Pt金属膜。之后，移除所述光刻胶掩模，由此使得所述Mg膜和所述金属膜仅保留在形成p-型区的部分n^--GaN层上。随后，当在氨气氛中在900℃下实施热处理3小时时，Mg扩散到n^--GaN层中并同时被活化。因此，形成p-型区。此后，利用王水移除所述Mg膜和所述金属膜。
文档编号H01L21/02GK101150056SQ20071014959
公开日2008年3月26日 申请日期2007年9月12日 优先权日2006年9月20日
发明者上杉勉, 兼近将一, 加地彻, 杉本雅裕, 石黑修, 菊田大悟 申请人:株式会社丰田中央研究所