CN101138074A - Ⅲ-ⅴ族氮化物系化合物半导体装置及电极形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种III－V族氮化物系化合物半导体装置，尤其涉及一种在该半导体的n型层上形成低接触电阻的电极的III－V族氮化物系化合物半导体装置，特别是GaN系半导体装置及其电极形成方法。为提供接触电阻率低的电极形成方法及具有此种电极的半导体装置，在III－V族氮化物系化合物半导体的n型层的表面上形成的电极的电极材料中至少使用Ti、Al、Si。特别地，通过在III－V族氮化物系化合物半导体的n型层的表面上形成Ti层，并在Ti层上叠层由Al和Si的混晶相构成的层，能够形成良好的电极。
Description
技术领域
本发明涉及III-V族氮化物系化合物半导体装置，尤其涉及在该半导体的n型层上形成低接触电阻的电极的III-V族氮化物系化合物半导体装置，特别是GaN系半导体装置及其电极形成方法。
背景技术
以GaN、InGaN、AlGaN、AlInGaN等为代表的III-V族氮化物系化合物半导体，其带隙能大，且是直接跃迁型，并且高温下工作良好，因此，尤其是对使用GaN的发光元件、受光元件、场效应晶体管(FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等的电子·光学设备的开发研究正在积极推进。
以使用GaN的FET的情况为例，在其制造时，采用有机金属化学气相生长(MOCVD)法或气态源分子束外延生长(GSMBE)法，首先在半绝缘性的例如蓝宝石衬底上形成GaN的缓冲层，然后在该缓冲层上依次外延生长规定组成的GaN系化合物半导体，并使最表面层成为发挥活性层功能的n型层，从而形成规定的层结构。并且，在该活性层上形成源电极和漏电极，此外在这些电极间形成栅电极。
然而，形成这些电极的通常做法是，在需要形成电极的n型层的表面，直接将电极材料通过例如真空蒸镀法仅蒸镀规定的厚度，然后对整体进行热处理。作为此种电极材料的结构，使用将Ti层和Al层叠层的结构。并且，对于形成的电极，具有与n型层之间的密接性应良好、并且与n型层之间的接触电阻率小的要求。
专利文献1：特开2004-55840号公报
专利文献2：特开平7-221103号公报
作为III-V族氮化物系化合物半导体，特别是作为在GaN系半导体的n型层上形成的电极，一般将Ti及A1作为材料，利用蒸镀法等形成叠层结构，然后进行热处理，从而形成欧姆接触的电极。此时，热处理温度越高，在III-V族氮化物系化合物半导体的n型层上面形成的Ti层与III-V族氮化物系化合物半导体之间的反应进行地越好，从而具有电极相对于半导体层的密接程度越大的倾向。但是，同时还存在以下问题，即，在作为电极材料使用熔点为660℃附近的Al的情况下，存在由于热处理使表面波度恶化，并且不能得到足够低的接触电阻率的问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种通过热处理得到与n型半导体表面具有良好的密接性，并且接触电阻率低的电极形成方法及具有此种电极的III-V族氮化物系化合物半导体装置。本发明还提供一种具有此种电极，且工作时的导通电阻小，最大电流大的III-V族氮化物系化合物半导体电子器件。
本发明人为解决上述问题，潜心进行研究的结果发现，通过使在III-V族氮化物系化合物半导体的n型层的表面上形成的电极的电极材料至少使用Ti、Al、Si，能够得到与半导体表面密接且接触电阻率小的电极。特别是通过在III-V族氮化物系化合物半导体的n型层的表面上形成Ti层，并在Ti层上叠层主要由Al和Si的混晶相构成的层，能够形成良好的电极。也可以在已在III-V族氮化物系化合物半导体的n型层的表面上形成的Ti层上叠层Si层及Al层，并通过热处理形成Si和Al的混晶相。另外，通过在Al层或由Al和Si的混晶相构成的层上形成Mo层，即使进行热处理，仍能够形成维持良好的表面波度的电极。电极的最表面层除Mo外，也可使用Nb、Ta、W、Re、Os、Ni、Pt、Ir、Ti，也可在其上进一步形成Au或Pt层。
上述在III-V族氮化物系化合物半导体的n型层的表面上形成的Ti层的优选厚度为0.02μm～0.03μm。由Si和Al构成的层的优选厚度为0.08μm～0.12μm，Si：Al的优选组成比为0.05∶0.95～0.35∶0.65。此外，由Si和Al构成的层还可以通过以下方式形成，即，依次叠层Si层和Al层，进行热处理使两者扩散。如此，在分别叠层Si层和Al层的情况下，Si层的优选厚度为0.01μm～0.03μm，Al层的优选厚度为0.07μm～0.10μm。如上所述，在III-V族氮化物系化合物半导体的n型层的表面上叠层构成电极的各层之后，优选在650℃～1100℃，更优选在800℃～1000℃的范围内进行热处理。
而且，在电极上设置绝缘保护膜的情况下，优选在成为电极与绝缘保护膜的边界部的电极最上层形成Ti层。由此，能够使电极与绝缘保护膜的密接性提高。
在III-V族氮化物系化合物半导体的n型层的表面上形成的电极的形成方法中，通过至少将Ti、Al、Si用于电极材料，能够达到形成与半导体表面的密接性良好并且接触电阻率小的电极的效果。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的GaN系半导体场效应晶体管的剖面图。
图2是表示对不同的电极结构，比较接触电阻的结果的图。
图3是本发明的第二实施方式的GaN系半导体场效应晶体管的剖面图。
图4是本发明的第三实施方式的GaN系半导体场效应晶体管的剖面图。
图中，1-衬底；2-缓冲层；3-沟道层；4-电子供给层；5-Ti层；6-Al和Si的合金层；7-Mo层；8-Si层；9-Al层；10-Ni层；11-Au层；12-Ti层；13-绝缘保护膜。
具体实施方式
以下参照附图对本发明所述的III-V族氮化物系化合物半导体装置的实施方式进行说明。而且，本发明并不限定于该实施方式。
(第一实施方式)
图1是本发明的III-V族氮化物系化合物半导体装置的第一实施方式的GaN系半导体场效应晶体管的剖面图。该GaN系半导体场效应晶体管在硅(111)衬底1上例如形成由GaN构成的缓冲层2和成为场效应晶体管的沟道层3的非掺杂GaN层。在沟道层3上形成作为电子供给层4的非掺杂AlGaN层，并在其上形成源电极S、栅电极G及漏电极D。
此处，由于在与沟道的长度相当的非掺杂GaN层(沟道层3)的表面异质结合非掺杂AlGaN层(电子供给层4)，所以在接合的部分的界面上产生二维电子气。因此，二维电子气成为载流子，从而沟道层3显示出导电性。此外，源电极S及漏电极D从与电子供给层4的表面接近的一侧开始，依次由Ti层5、由Al和Si的混晶相构成的层即Al和Si的合金层6、及Mo层7叠层而构成。此外，栅电极G从电子供给层4的表面依次由Ni层10及Au层11叠层而构成。
图2是表示对于不同结构的源电极S及漏电极D的叠层构造，比较接触电阻Rc的结果的图。样品“A”是表示形成本第一实施方式所述的源电极S及漏电极D的情况，样品“B”～“D”是表示以往技术所述的源电极及漏电极的情况。各样品均为在电子供给层4上形成第一层为Ti层，在其上形成的第二层为由Al和Si的混晶相构成的层，或者Al层。此外，阻挡金属层表示在第二层上形成的层。
从图2明确可知，在第二层为Si和Al的混晶相的样品“A”中，与第二层为Al层的以往技术所述的样品“B”～“D”相比，能够大幅度地降低源电极及漏电极的接触电阻Rc，即接触电阻率。由此可知，能够实现工作时的导通电阻更小的GaN系半导体场效应晶体管。
上述的GaN系半导体场效应晶体管可如下地制作。
(1)半导体制作工序
首先，将由硅(111)形成的衬底1导入MOCVD(Metal OrganicChemical Vapor Deposition)装置内，且由涡轮泵将MOCVD装置内的真空度通过真空抽出调整到1×10-6hPa以下为止，然后将真空度设在100hPa，并将衬底1升温到1100℃。在温度稳定后，以900rpm使衬底1旋转，并将作为原料的三甲基铝(TMA)以100cm3/min，氨以12升/min的流量导入衬底1的表面，进行由GaN构成的缓冲层2的生长。生长时间为4分钟，缓冲层2的膜厚为50nm左右。
然后，将三甲基镓(TMG)以100cm3/min，氨以12升/min的流量导入缓冲层2上，从而进行由GaN层构成的沟道层3的生长。生长时间为1000sec，沟道层3的膜厚为800nm。接下来，将三甲基铝(TMA)以50cm3/min、三甲基镓(TMG)以100cm3/min、氨以12升/min的流量导入，进行由Al0.25Ga0.75N层构成的电子供给层4的生长。生长时间为40sec，电子供给层4的膜厚为20nm。如此完成如图1所示的半导体装置的构造(除了电极部分)。
(2)电极形成工序
在电子供给层4上，例如通过等离子CVD(Chemical Vapor Deposition)形成SiO2膜。SiO2膜的厚度为300nm左右。接下来进行图案化，掩蔽需要形成栅电极D处的SiO2膜，将需要形成源电极S和漏电极D处露出开口，露出电子供给层4的表面，并在此处依次蒸镀Ti、Al和Si的合金膜、及Mo，形成源电极S和漏电极D。然后在900℃下进行了1分钟的热处理。Ti层5的厚度为0.025μm，Al和Si的合金层6的厚度为0.10μm，Al∶Si的组成比为0.88∶0.12。接下来，相反地形成将源电极S、漏电极D上掩蔽，且在成为栅电极G的部分设有开口部的SiO2掩模，并且依次蒸镀Ni、Au，形成栅电极G，从而制作图1所示的场效应晶体管。如此制作的源电极S及漏电极D的接触电阻率为0.5Ωmm。
对热处理后的电极部的剖面进行俄歇(auger)观察的结果发现，Al扩散到Ti层中，形成了Ti∶Al组成比大致为25∶60、厚度为0.025μm的TiAl层。此外，Mo扩散到TiAl层上的AlSi层，形成了Al∶Si∶Mo组成比大致为57∶7∶10、厚度为0.1μm的混晶相。如上所述，通过热处理，能够观察到构成电极的元素的扩散，电极表面的波度不比热处理逊色，即使在引线结合时也不存在问题。
(第二实施方式)
图3是本发明所述的III-V族氮化物系化合物半导体装置的第二实施方式的GaN系半导体场效应晶体管的剖面图。与第一实施方式所示的半导体制作工序同样地制作半导体部分。在电极形成工序中，在需形成源电极S’和漏电极D’处依次蒸镀厚度为0.025μm的Ti层5、厚度为0.010μm的Si层8、厚度为0.090μm的Al层9，接着还蒸镀了Mo层7。而且，在栅电极部蒸镀Ni层10、Au层11，形成了栅电极G。然后在900℃下进行了1分钟的热处理的结果，在源电极S’及漏电极D’的内部形成了Si和Al的混晶相，接触电阻率为0.5Ωmm。
而且，通过如此形成Si和Al的混晶相，有时存在在该混晶相的下部及上部分别残存未混晶完全的Si层和Al层的情况。在此情况下，形成在Ti层5上依次叠层Si层、由Si和Al的混晶相构成的层、及Al层的结构的源电极S’及漏电极D’。
(第三实施方式)
图4是本发明的III-V族氮化物系化合物半导体装置的第三实施方式的GaN系半导体场效应晶体管的剖面图。如图4所示，该第三实施方式的GaN系半导体场效应晶体管在第一实施方式所述的GaN系半导体场效应晶体管的结构的基础上，具备在源电极S及漏电极D的最上层进一步形成Ti层12的源电极S”及漏电极D”。此外，在源电极S”及漏电极D”上具备由SiOx、SiNx等构成的绝缘保护膜13。
如此，通过在源电极S及漏电极D的最上层即在各电极与绝缘保护膜13的边界部形成作为密接层的Ti层，与在Mo层7上直接形成绝缘保护膜13的情况相比，能够使绝缘保护膜13相对于各电极的密接性提高。而且，Mo层7可置换为由Nb、Ta、W、Re、Os、Ni、Pt或Ir构成的层，而在这些情况下，通过在最上层形成Ti层，能够使绝缘保护膜13的密接性提高。此外，也可替代Mo层7而设置Ti层，并在其上形成绝缘保护膜13。
该第三实施方式的GaN系半导体场效应晶体管通过与第一实施方式所述的GaN系半导体场效应晶体管同样的工序形成。但是，在电极形成工序中，在蒸镀Mo层7并蒸镀作为密接层的Ti层后，进行热处理，形成源电极S及漏电极D。接着，在形成栅电极G后，蒸镀绝缘保护膜13。而且，也可以在蒸镀Mo层7并进行热处理后，设置作为密接层的Ti层，但考虑将制造工序简略化，优选在蒸镀Ti层后进行热处理。
(工业上的可利用性)
如上所述，本发明的III-V族氮化物系化合物半导体装置及电极形成方法，对于在III-V族氮化物系化合物半导体的n型层上形成低接触电阻的电极的III-V族氮化物系化合物半导体装置及其电极形成方法有用，特别适用于形成接触电阻率小的电极的GaN系半导体装置及其电极形成方法。
Claims (10)
1.一种III-V族氮化物系化合物半导体装置，其特征在于，在由III-V族氮化物系化合物半导体构成的n型层的表面上形成的电极材料中至少包含Ti、Al、Si。
2.如权利要求1所述的III-V族氮化物系化合物半导体装置，其特征在于，所述电极是在由III-V族氮化物系化合物半导体构成的n型层的表面上至少依次叠层第一层和第二层的电极，该第一层至少包含Ti，该第二层至少包含Al和Si。
3.如权利要求2所述的III-V族氮化物系化合物半导体装置，其特征在于，所述第二层包含主要由Al和Si的混晶相构成的层。
4.如权利要求2或3所述的III-V族氮化物系化合物半导体装置，其特征在于，所述第二层具有Si层和Al层按照该顺序依次叠层在Ti层上的结构。
5.如权利要求1～4中任一项所述的III-V族氮化物系化合物半导体装置，其特征在于，所述电极在包含Ti、Al、Si的层上还叠层由从Mo、Nb、Ta、W、Re、Os、Ni、Pt、Ir、Ti中选择的一种或多种构成的层。
6.如权利要求1～5中任一项所述的III-V族氮化物系化合物半导体装置，其特征在于，在所述电极上具备绝缘保护膜，所述电极在与所述绝缘保护膜的边界部具有Ti层。
7.一种III-V族氮化物系化合物半导体的电极形成方法，是在III-V族氮化物系化合物半导体上形成电极的方法，其特征在于，该电极具有至少包含Ti、Al、Si的层，在由III-V族氮化物系化合物半导体构成的n型层的表面上，至少叠层由Ti构成的第一层及由Al和Si构成的第二层。
8.一种III-V族氮化物系化合物半导体的电极形成方法，是在III-V族氮化物系化合物半导体上形成电极的方法，其特征在于，该电极具有至少包含Ti、Al、Si的层，在由III-V族氮化物系化合物半导体构成的n型层的表面上，至少将由Ti构成的层、由Si构成的层及由Al构成的层按照该顺序叠层后，进行热处理。
9.如权利要求7或8所述的III-V族氮化物系化合物半导体的电极形成方法，其特征在于，在所述包含Ti、Al、Si的层上还叠层由从Mo、Nb、Ta、W、Re、Os、Ni、Pt、Ir、Ti中选择的一种或多种构成的层。
10.如权利要求7～9中任一项所述的III-V族氮化物系化合物半导体的电极形成方法，其特征在于，在最上层上形成Ti层。
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