JP2004111910A - コンタクト形成方法および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＩＩ　族窒化物半導体の電極の低抵抗化を図る。
【解決手段】基板１上のＩＩＩ　族窒化物半導体層としてのＡｌＧａＮ層３のオーミック・コンタクト形成領域１１の表面に選択的にＳｉ薄膜９とＴｉ薄膜１０とを積層し、この基板１を高温で熱処理する。それにより、ＡｌＧａＮ層３のオーミック・コンタクト形成領域１１内で、Ｓｉが拡散されて濃度〜１０^２０ｃｍ^−３レベルとなり、Ｔｉと反応してオーミック特性を得るために十分に高い電子濃度となる。コンタクト形成領域１１内で、ＳｉとＴｉとの反応によるＴｉＳｉ_２部分１２、ＴｉとＡｌＧａＮとの反応によるＴｉＮ部分１３、および窒素空孔１４、窒素を失ったＧａとＡｌのＩＩＩ　族金属部分が発生して、ＴｉＳｉ_２を主体とする低抵抗の電極膜が形成される。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、青紫色の光を放射する半導体レーザ素子等の発光デバイスや高周波パワーデバイスなどに使用される、ＩＩＩ　族窒化物半導体を用いるコンタクト形成方法および半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般式Ｂ_ｚＡｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｉｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で示されるＩＩＩ　族窒化物半導体は、直接遷移型の広いバンドギャップを有しており、短波長光デバイス用材料としての利用が進んでいる。このＩＩＩ　族窒化物半導体は電子飽和速度が高く、かつ、耐絶縁性が高く、熱伝導率も高いことから、高周波パワーデバイスへの応用も検討されている。
【０００３】
ＩＩＩ　族窒化物半導体を応用した光・電子デバイスにおいて、ｎ型領域に良好なオーミック特性を有するコンタクト（以下、オーミック・コンタクトという）を形成する方法が知られている（例えば非特許文献１，２参照）。
【０００４】
このオーミック・コンタクト形成方法では、たとえば図７（ａ）　に示すように、窒化物半導体３１のｎ型領域３２のコンタクト形成領域の表面にＴｉ膜３３、Ａｌ膜３４、Ａｕ膜３５を積層し、その後に５００〜７００℃の熱処理を施す。
【０００５】
図７（ｂ）　は熱処理後のコンタクト領域の微視的状況を模式的に示す。熱処理によって、Ｔｉがｎ型領域３２の窒化物半導体３１と反応して導電性のＴｉＮ部分３６を形成し、それに伴って、窒化物半導体３１内で窒素空孔３７が発生し、窒素を失った窒化物半導体３１内のＩＩＩ　族金属が金属部分３８を形成する一方で、Ｔｉ膜３３上のＡｌが窒化物半導体３１内に拡散し、表面近傍にＡｕを主体とする低抵抗の金属部分３９が残る。その結果、窒素空孔３７が欠陥準位として電気伝導に寄与するとともに、拡散したＡｌと，ＴｉＮ部分３６，金属部分３８，３９が電気伝導に寄与することになり、低抵抗領域４０がｎ型領域３２内に形成される。
【０００６】
このようにしてオーミック・コンタクトをソース・ドレイン領域に形成した高電子易動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　、以下ＨＥＭＴという）が知られている。
【０００７】
【非特許文献１】
エス・ジェイ・ピアトン等（Ｓ．Ｊ．Ｐｅａｒｔｏｎ　ｅｔ　ａｌ．）著，「ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃ）」，第８６巻，８６，１９９９年，ｐ．１−７８
【０００８】
【非特許文献２】
ジ・ファン等（Ｚｈｉ　Ｆａｎ　ｅｔ　ａｌ．）著，「アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ）」，第６８巻，１９９６年，ｐ．１６７２−１６７４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したようにして良好なオーミック・コンタクトを形成するためには、金属電極が形成される窒化物半導体の表面近傍が高濃度の不純物でドープされていることが必要である。上記したＨＥＭＴの場合、コンタクト形成領域はＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造とされていて、このヘテロ接合の界面付近に形成される高濃度・高移動度の二次元電子ガスがソース・ドレイン間に与えられる外部電界により加速されることで、ＨＥＭＴの高速動作が可能になる。この高速動作を可能とするために、上記したＴｉ膜３３、Ａｌ膜３４、Ａｕ膜３５を最上層のＡｌＧａＮ層（ｎ型領域３２の窒化物半導体３１）の上に直接積層し、Ｔｉ膜３３上のＡｌを、ＡｌＧａＮ層内でヘテロ界面の二次元電子ガスに到達するまで十分に拡散させることが必要である。このために必要な不純物は通常、結晶成長中に供給されている。
【００１０】
しかしながら、デバイスの構造上あるいは機能上の制約から、必要十分量の不純物を結晶成長中に導入できない場合がある。たとえばＨＥＭＴでは、最上層のＡｌＧａＮ層がヘテロ界面の二次元電子ガスの濃度とヘテロ界面の電位を規定するため、ゲート直下での不純物濃度の分布、最大許容値は一般に、ソース・ドレイン領域でオーミック特性を得るために必要な不純物濃度に達しない。このため軽元素のＡｌを拡散種として用いているのであるが、このＡｌとＡｌＧａＮとの反応速度、およびＡｌのＡｌＧａＮ内での拡散速度の制御が困難であって、反応が速い場合に絶縁性のＡｌＮ層が生成されてしまい、コンタクト抵抗が高くなるという問題がある。
【００１１】
そこでＳｉを拡散種とすることが考えられるが、ＡｌＧａＮ層の上にＳｉのみを成膜して拡散させる場合には水素雰囲気中で熱処理する必要があり、非常に危険である。水素雰囲気中での熱処理を避けるためには、Ｓｉ膜をマスクで覆えばよいのであるが、マスクとして好適なＳｉＮ膜は熱膨張係数が大きいため、割れや剥がれを起こしやすく、厚さ調節に困難が伴う。また、このＳｉＮ膜の割れや剥がれは特に酸化雰囲気中で起こりやすいため、窒素雰囲気中での熱処理を要すのであるが、１００％窒素雰囲気の形成は困難である。さらに、熱処理後に余剰シリコンが残るため、フッ硝酸で除去する必要があり、取り残しやＡｌＧａＮ層の荒れが発生する恐れがある。
【００１２】
本発明は上記問題を解決するもので、ＩＩＩ　族窒化物半導体層に容易に十分量の不純物を導入して良好なオーミック特性を得るコンタクト形成方法および半導体装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のコンタクト形成方法は、ＩＩＩ　族窒化物半導体層の表面にＳｉとＴｉとを含む膜を形成した後に熱処理を施すことを特徴とする。これによれば、ＩＩＩ　族窒化物半導体の近傍のＳｉが半導体内にｎ型不純物として十分量にて拡散され、熱処理により活性化されるとともに、熱処理によってＴｉとその近傍のＳｉとが反応して低抵抗のＴｉＳｉ_２を生成し、このＴｉＳｉ_２を主体とする低抵抗の電極膜が形成される。ＳｉとＴｉはすべて消費されるので、余剰のＳｉやＴｉを除去する工程は不要である。
【００１４】
好ましくは、膜を形成する際に、ＳｉとＴｉとをこの順に積層する。また好ましくは、熱処理の温度を５００℃〜１１００℃の範囲内とする。このような膜積層順序、熱処理温度とすることにより、低抵抗のＴｉＳｉ_２−Ｃ５４相を容易に生成できるとともに、Ｓｉを十分に速い速度でＩＩＩ　族窒化物半導体内に拡散させることができる。
【００１５】
本発明の半導体装置は、ＩＩＩ　族窒化物半導体層の表面にＳｉとＴｉとを含む膜が形成された後に熱処理されてなり、前記Ｓｉが不純物として窒化物半導体層内に拡散され、前記ＴｉとＳｉとの反応で生成したＴｉＳｉ_２を電極膜として有したことを特徴とするもので、低いコンタクト抵抗、良好なオーミック特性を持ったものとなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置であって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を有する高電子易動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成している半導体装置の断面図である。
【００１７】
図１において、１は基板、２は真性ＧａＮ層、３はＧａＮ層２とヘテロ接合を形成するＡｌＧａＮ層であり、このＡｌＧａＮ層３／ＧａＮ層２のへテロ界面に二次元電子ガスが形成される。基板１はサファイア、ＳｉＣ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２などから選択される。
【００１８】
４はゲート電極、５はソース、６はドレイン、７はソース電極、８はドレイン電極であり、ソース電極７、ドレイン電極８はこのトランジスタを外部に接続するために用いられ、ゲート電極４はソース５からドレイン６に流れる電流量を制御する。
【００１９】
上記した半導体装置を製造する際のソース・ドレインコンタクトの形成方法を説明する。
図２（ａ）に示すように、オーミック・コンタクトを形成しようとするＡｌＧａＮ層３上の領域（以下、コンタクト形成領域）に選択的に、Ｓｉ薄膜９とＴｉ薄膜１０とを電子ビーム蒸着法によりこの順に積層する。次に、これらの膜９，１０を備えた基板１を１００％窒素雰囲気中、約９７０℃の高温で約５分アニールする。
【００２０】
図２（ｂ）は、この高温熱処理後のコンタクト形成領域１１（図１のソース５、ドレイン６の領域に相応する）の微視的な状態を模式的に示す。
高温熱処理によって、Ｓｉ薄膜９を構成しているＳｉ（以下、単にＳｉと記す）が、ＡｌＧａＮ層３（以下、単にＡｌＧａＮと記す）内にｎ型不純物として拡散され、活性化される。そして、コンタクト形成領域１１内でＳｉ濃度〜１０^２０ｃｍ^−３レベルになって、Ｔｉ薄膜１０を構成しているＴｉ（以下、単にＴｉと記す）と反応してオーミック特性を得るために十分に高い電子濃度となり、Ｔｉ薄膜１０の近傍のＳｉがＴｉと反応して低抵抗のＴｉＳｉ_２部分１２を生成する。また、ＴｉがＡｌＧａＮと反応して導電性のＴｉＮ部分１３を生成し、それに伴って窒素空孔１４が発生するとともに、窒素を失ったＧａとＡｌとがＩＩＩ　族金属部分１５を形成する。
【００２１】
その結果、窒素空孔１４が欠陥準位として電気伝導に寄与するとともに、ＴｉＳｉ_２部分１２，ＴｉＮ部分１３，ＩＩＩ　族金属部分１５が電気伝導に寄与することになる。
【００２２】
Ｓｉを不純物として拡散させているため、ＡｌＧａＮとの反応は起こらず、従来の拡散種としてのＡｌ等の軽金属では発生していた絶縁物を回避することができる。
【００２３】
ここで、Ｓｉを拡散種とする場合には、従来は水素雰囲気中での熱処理が必要であったり、ＳｉＮ膜などのマスクと１００％窒素雰囲気とが必要であったが、ここではＴｉ薄膜１０がマスクとして機能するため、水素雰囲気や別途のマスクは排除することができ、厳密な１００％窒素雰囲気も要さない。
【００２４】
積層されたＳｉ薄膜９とＴｉ薄膜１０はすべて、ＴｉＳｉ_２部分１２，ＴｉＮ部分１３となることで、また拡散されることで、消費されるため、余剰のＳｉやＴｉを除去する工程は不要である。したがって、従来は除去工程の後にあった取り残しやＡｌＧａＮ層の荒れの恐れはない。
【００２５】
よって、コンタクト形成領域１１は良好な低抵抗オーミック特性を有することになる。
このようにして、実施の形態１の方法により、従来よりも低抵抗で良好なオーミック特性を有するソース・ドレインコンタクトを、従来の方法と同等の工程数で形成できる。
【００２６】
ただし、余剰ＳｉがＡｌＧａＮ層３上に残留しないようなＳｉの拡散を保証するためには、Ｓｉ薄膜９の厚さを十分に厚く設定する必要がある。たとえばＳｉ薄膜９の厚さを３０００Å、Ｔｉ薄膜１０の厚さを３０００Åにすることにより、ＡｌＧａＮ層３とＳｉ薄膜９との界面付近のＳｉを、Ｔｉ薄膜１０との反応が始まる前にＡｌＧａＮ層３内に拡散させることができる。Ｔｉ薄膜１０も、この程度の厚さであれば、Ｓｉと反応しない余剰ＴｉはＡｌＧａＮとの反応に消費されてしまう。
【００２７】
ＳｉはＡｌＧａＮ層３中のＡｌ割合が多いほど拡散しにくいため、それを考慮する必要があるが、Ａｌが２５％、ＡｌＧａＮ層３の厚さが２５０Åの場合には、Ｓｉ薄膜９の厚さ５０〜１００Å、Ｔｉ薄膜１０の厚さ１００〜５００Å程度がより望ましい。
【００２８】
図３（ａ）　は実施の形態１の方法によってソース・ドレインコンタクトを形成したＨＥＭＴのＩ−Ｖ特性を示し、図３（ｂ）　は従来の方法（図７参照）によってソース・ドレインコンタクトを形成したＨＥＭＴのＩ−Ｖ特性を示す。
【００２９】
図３（ａ）　の処理対象物：基板の厚さ４００μｍ、ＧａＮ層の厚さ２μｍ、ＡｌＧａＮ層（Ａｌ／Ｇａ＝０．２５／０．７５）の厚さ２５ｎｍ、Ｓｉ薄膜の厚さ１００Å、Ｔｉ薄膜の厚さ１００Å、コンタクト抵抗３×１０^−６Ωｃｍ^２とした。
【００３０】
図３（ｂ）　の処理対象物：基板の厚さ４００μｍ、ＧａＮ層の厚さ２μｍ、ＡｌＧａＮ層（Ａｌ／Ｇａ＝０．２５／０．７５）の厚さ２５ｎｍ、Ｔｉ膜の厚さ２００Å、Ａｌ膜の厚さ２０００Å、Ａｕ膜の厚さ２０００Å、コンタクト抵抗２×１０^−５Ωｃｍ^２とした。基板および膜形成領域のサイズは図３（ａ）　の処理対象物と同一である。
【００３１】
図３（ａ）（ｂ）から明らかなように、実施の形態１のＨＥＭＴは従来のＨＥＭＴに比べて、同じゲート電圧で、線形領域においてより低い抵抗を示し、飽和領域においてより高いドレイン電流を示しており、より良好な出力特性が得られている。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における半導体装置であって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を有する高電子易動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を構成している半導体装置の断面図である。
【００３２】
図４において、１は基板、２は真性ＧａＮ層、２ａはＳｉでドープされたＧａＮ層、３は前記ドープされたＧａＮ層２ａとヘテロ接合を形成するＡｌＧａＮ層であり、二次元電子ガスはＡｌＧａＮ層３／ＧａＮ層２ａのへテロ界面近傍のＧａＮ層２ａ内に形成される。基板１はサファイア、ＳｉＣ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２などから選択される。一般に、ドープされたチャネル層を有するＨＥＭＴは、ドープされていないチャネル層によるＨＥＭＴ（例えば実施の形態１に示したＨＥＭＴ）よりも最大電流が高く、より高いパワーが得られる。
【００３３】
４はゲート電極、５はソース、６はドレイン、７はソース電極、８はドレイン電極であり、ソース電極７、ドレイン電極８はこのトランジスタを外部に接続するために用いられ、ゲート電極４はソース５からドレイン６に流れる電流量を制御する。
【００３４】
上記した半導体装置を製造する際のソース・ドレインコンタクトの形成方法を説明する。
図５に示すように、オーミック・コンタクトを形成しようとするＡｌＧａＮ層３上の領域（コンタクト形成領域）に選択的に、ＳｉとＴｉとを同時に堆積し、さらにその上にＴｉを堆積することにより、ＡｌＧａＮ層３の表面にＳｉ薄膜９とＴｉ薄膜１０の双方が接触し、かつ、Ｓｉ薄膜９をＴｉ薄膜１０が覆うように成膜する。次に、これらの膜９，１０を備えた基板１を１００％窒素雰囲気中、約１０００℃の高温で約５分アニールする。
【００３５】
この高温熱処理により、コンタクト形成領域（図４のソース５、ドレイン６の領域）内に上記した実施の形態１と同様の構造が形成され（図２（ｂ）参照）、コンタクト形成領域は良好な低抵抗オーミック特性を有することになる。
【００３６】
堆積されたＳｉ薄膜９とＴｉ薄膜１０はすべて消費されて、ＴｉＳｉ_２部分，ＴｉＮ部分となり、また拡散されるため、余剰のＳｉやＴｉを除去する工程は不要である。
【００３７】
このようにして、実施の形態２の方法により、従来よりも低抵抗で良好なオーミック特性を有するソース・ドレインコンタクトを、従来の方法と同等の工程数で形成できる。
【００３８】
図６（ａ）　は実施の形態２の方法によってソース・ドレインコンタクトを形成したドープトチャネルを有するＨＥＭＴのＩ−Ｖ特性を示し、図６（ｂ）　は従来の方法（図７参照）によってソース・ドレインコンタクトを形成したドープトチャネルを有するＨＥＭＴのＩ−Ｖ特性を示す。
【００３９】
図６（ａ）　の処理対象物：基板の厚さ４００μｍ、ＧａＮ層の厚さ２μｍ、ＡｌＧａＮ層（Ａｌ／Ｇａ＝０．２５／０．７５）の厚さ２５ｎｍ、Ｓｉ薄膜の厚さ５０Å、Ｔｉ薄膜の厚さ１５０Å、コンタクト抵抗１．５×１０^−６Ωｃｍ^２とした。
【００４０】
図６（ｂ）　の処理対象物：基板の厚さ４００μｍ、ＧａＮ層の厚さ２μｍ、ＡｌＧａＮ層（Ａｌ／Ｇａ＝０．２５／０．７５）の厚さ２５ｎｍ、Ｔｉ膜の厚さ２００Å、Ａｌ膜の厚さ２０００Å、Ａｕ膜の厚さ２０００Å、コンタクト抵抗２×１０^−５Ωｃｍ^２とした。基板および膜形成領域のサイズは図６（ａ）　の処理対象物と同一である。
【００４１】
図６（ａ）（ｂ）から明らかなように、実施の形態２のＨＥＭＴは従来のＨＥＭＴに比べて、同じゲート電圧で、線形領域においてより低い抵抗を示し、飽和領域においてより高いドレイン電流を示しており、より良好な出力特性が得られている。
【００４２】
なお、実施の形態１では、Ｓｉ薄膜９の上にＴｉ薄膜１０を形成し、実施の形態２では、Ｓｉ薄膜９の側方と上とにＴｉ薄膜１０を形成したが、Ｓｉを単体として存在させ得るなら、ＳｉとＴｉとが混在した膜を形成するようにしてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、窒化物半導体にＳｉとＴｉとを含む膜を形成した後に熱処理を施すことにより、従来の方法と比べて工程数を増加することなく、従来よりも低抵抗で良好なオーミックコンタクトを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の断面図
【図２】図１の半導体装置のコンタクト形成工程を示す断面図
【図３】図２の方法および従来の方法でそれぞれコンタクト形成した半導体装置のＩ−Ｖ特性図
【図４】本発明の実施の形態２における半導体装置の断面図
【図５】図４の半導体装置のコンタクト形成工程を示す断面図
【図６】図５の方法および従来の方法でそれぞれコンタクト形成した半導体装置のＩ−Ｖ特性図
【図７】従来の半導体装置のコンタクト形成工程を示す断面図
【符号の説明】
１　　基板
２　　ＧａＮ層
２ａ　　ドープされたＧａＮ層
３　　ＡｌＧａＮ層
４　　ゲート電極
５　　ソース
６　　ドレイン
７　　ソース電極
８　　ドレイン電極
９　　Ｓｉ薄膜
１０　　Ｔｉ薄膜
１１　　コンタクト形成領域
１２　　ＴｉＳｉ_２部分
１３　　ＴｉＮ部分
１４　　窒素空孔
１５　　ＩＩＩ族金属部分

Claims (4)

1. ＩＩＩ　族窒化物半導体層の表面にＳｉとＴｉとを含む膜を形成した後に熱処理を施すことを特徴とするコンタクト形成方法。
2. 膜を形成する際に、ＳｉとＴｉとをこの順に積層することを特徴とする請求項１記載のコンタクト形成方法。
3. 熱処理の温度を５００℃〜１１００℃の範囲内とすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のコンタクト形成方法。
4. ＩＩＩ　族窒化物半導体層の表面にＳｉとＴｉとを含む膜が形成された後に熱処理されてなり、前記Ｓｉが不純物として窒化物半導体層内に拡散され、前記ＴｉとＳｉとの反応で生成したＴｉＳｉ_２を電極膜として有した半導体装置。

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