JP2008053426A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ｎ型窒化物半導体層上に形成した電極とｎ型窒化物半導体層との間の接触抵抗を低下させた、窒化物半導体層を有する半導体装置を提供し、高電圧、高周波で動作する高電子移動度電界効果トランジスタ等の半導体装置を提供する。
【解決手段】 ｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層に接する側から順に、第一の金属層と、第二の金属層とを備え、ｎ型窒化物半導体層の不純物は１×１０^１９ｃｍ^−３以上であり、第二の金属層の仕事関数が４．２ｅＶ以下であるものとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタ（高電子移動度トランジスタ：ＨＥＭＴ）、窒化物半導体を用いた半導体レーザーダイオードなどの半導体装置に関するものであり、特にｎ型窒化物半導体層への接触抵抗の低い電極の形成に関する。

窒化物半導体を用いたＨＥＭＴを高出力、高周波で動作させるための重要な課題の一つは、ソース・ドレイン電極の接触抵抗を十分に低下させることである。接触抵抗が大きいと寄生抵抗が増大し、その結果トランスコンダクタンスが低くなり、出力電圧と動作周波数が低下するという問題が生ずる。したがって、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴのソース・ドレイン電極においては、窒化物半導体層と電極との間の接触抵抗は低いほどよい。
ｎ型窒化物半導体層と電極の接触抵抗を低下させるものとしては、Ｓｉをイオン注入により１×１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度でドープしたｎ型Ｇａ_ｚＡｌ_１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）層上に、たとえばＴｉとＡｌとの積層膜、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕの積層膜を電極として設けたものがある。接触抵抗は窒化物半導体層にドープするＳｉの量が多いほど低下することが示されており、ｎ型窒化物半導体層と電極との接触抵抗値としては１×１０^−５Ωｃｍ^２程度のものが得られている（特許文献１参照）。

特開２００６−１３４９３５号公報（第５〜７頁）

窒化物半導体層と電極との間の接触抵抗は低いほどよく、窒化物半導体層にドープするＳｉの量が多いほど接触抵抗が低下するが、電極材料となる金属材料に関してはどのような材料にすれば接触抵抗を低下させることができるか系統だって説明されていなかった。

本発明は、このような課題認識に基づいてなされたもので、ｎ型窒化物半導体層に形成する電極の接触抵抗値を決定する要因を主に金属の仕事関数との関係から明らかにすることにより接触抵抗の低い電極を形成する方法を提供し、この低抵抗電極を用いて高電圧、高周波で動作するＨＥＭＴ等の半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、ｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層に接する側から順に、第一の金属層と、第二の金属層とを備え、前記ｎ型窒化物半導体層は１×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度の不純物を有し、前記第二の金属層の仕事関数が４．２ｅＶ以下であるものである。

この発明によれば、ｎ型窒化物半導体層上に接触抵抗値の低い電極を形成でき、高いパフォーマンスを示すＨＥＭＴ等の半導体装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る半導体装置の電極構造を示す断面模式図である。図１において、半導体層１０上に半導体層１０に接する側から順に、第一の金属層２０、第二の金属層３０が設けられ、第一の金属層２０および第二の金属層３０により電極４０が構成されている。
続いて、本実施の形態の半導体装置の製造方法を順を追って説明する。最初に、ＳｉＣ基板（図示しない）上に有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法によりエピタキシャル成長された半導体層１０であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層（以下ＡｌＧａＮ層）を形成する。次に、半導体層１０にＳｉイオンを１×１０^１５ｃｍ^−２の注入濃度５０ＫｅＶの加速エネルギーで注入する。その後、Ｓｉイオンを注入した半導体層１０を１１００〜１２００℃の温度で短時間の急速加熱（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）処理を行なう。

上記のようにしてＳｉを添加した半導体層１０の上に以下に示すリフトオフ法により電極４０を形成する。まず、電極４０を形成する場所以外にレジストパターンを形成し、その上に第一の金属層２０、第二の金属層３０を順に蒸着する。第一の金属層２０の厚さは１０ｎｍ、第二の金属層３０の厚さは５００ｎｍとする。次にレジストパターンをレジストパターン上の金属ごと除去することにより電極４０を形成し、続いて４００〜７００℃の温度で短時間のＲＴＡ処理を行なう。

ここで、図２に加速エネルギーが５〜２００ＫｅＶで半導体層１０に１×１０^１５ｃｍ^−２の注入濃度のＳｉイオンを注入した場合の半導体層１０中のＳｉ濃度と深さの関係をモンテカルロ計算で求めた図を示す。図２から、５０ＫｅＶの加速エネルギーで１×１０^１５ｃｍ^−２の注入濃度のＳｉイオンを注入した場合の半導体層１０表面のＳｉ濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３以上になると推定される。

上記のようにして形成した半導体装置のｎ型半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値の形成条件依存性を以下に示す。
図３は、第一の金属層２０がＮｉ、第二の金属層３０がＡｌである場合の半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値と半導体層１０中Ｓｉ濃度の関係を示した図である。図３において、半導体層１０のＳｉ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３の場合接触抵抗値は１×１０^−６Ωｃｍ^２以下となり、半導体層１０のＳｉ濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３と１×１０^１６ｃｍ^−３である場合と比較して接触抵抗値は４桁以上低い値を示す。なお、半導体層１０のＳｉ濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３と１×１０^１６ｃｍ^−３の場合のＳｉ添加方法はイオン注入法とは別の方法を用いた。
図３に示したように、半導体層１０のＳｉ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上にすることにより半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値を十分に低下させることができる。

次に、半導体層１０上と電極４０間の接触抵抗値と第一の金属層２０の仕事関数の関係を示したものを図４に示す。また、半導体層１０上と電極４０間の接触抵抗値と第二の金属層３０の仕事関数の関係を示したものを図５に示す。図４および図５において、第一の金属層２０にはＴｉ，Ｎｉ，Ｔａを使用し、第二の金属層３０にはＡｌ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｐｔを使用している。
図４および図５によれば、半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値は、第一の金属層２０の仕事関数とは特別な依存性は見られないが、第二の金属層３０の仕事関数に関しては第一の金属層２０の金属材料に関わらず接触抵抗値が第二の金属層３０の仕事関数の指数関数に比例する関係があり、図５の場合、接触抵抗値ρcと第二の金属層３０の仕事関数Ｗｆは
ρc ∝ ｅｘｐ（２．８×Ｗｆ）
という関係にある。

図５より、Ｓｉ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であるｎ型ＡｌＧａＮ半導体層１０上に第一の金属層２０および第二の金属層３０で構成される電極４０を形成したものの接触抵抗値は、第二の金属層３０の仕事関数の指数関数に比例する関係があることが見出された。したがって、第二の金属層３０として仕事関数の小さな金属を使用することにより接触抵抗値を十分に低下させることができる。

ここで、本実施の形態における各種金属の仕事関数値を記した図を図６に示す。仕事関数が４．２８ｅＶであるＡｌは一般的によく電極材料として使用されている金属であるが、Ａｌより仕事関数の小さい金属としては図６に示されるようにＡｇ，Ｐｂ，Ｔａ，Ｃｄ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｃ，Ｌａ，Ｙ，Ｌｉ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｒｂ，Ｃｓがある。これらの金属を第二の金属層３０として使用することにより接触抵抗値は低下し、図５に示される関係によると仕事関数を１ｅＶ低下させることにより接触抵抗値は一桁以上低下する。
また、電極４０の表面にＡｌが存在する場合には、大気と接触することにより表面が酸化されやすいＡｌの性質により電極４０表面のＡｌとその上部に形成される配線との接触抵抗が増大する可能性があり、さらに、Ａｌの酸に腐食されやすい性質からＡｌが最表面に存在する状態では洗浄や加工の方法に制約が生じる。このような理由からも、第二の金属３０としてＡｌではなくＡｌより仕事関数の小さな金属を選択することが望ましい。

本実施の形態によれば、Ｓｉ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上であるｎ型ＡｌＧａＮ半導体層１０上に第一の金属層２０および第二の金属層３０で構成される電極４０を形成し、第二の金属層３０の仕事関数をＡｌの仕事関数より小さくすることにより接触抵抗値を低下させることができ、たとえば第二の金属層３０として仕事関数が３．７ｅＶ以下のものを選択した場合接触抵抗値を１０^−７Ωｃｍ^２以下に低下させることができる。

実施の形態２．
本実施の形態においては、第二の金属層３０をＡｌ、第一の金属層２０をＮｉとし、第一の金属層２０の膜厚を１０，２５，１００ｎｍとしたこと以外は実施の形態１と同様とした。図７に、本実施の形態の半導体装置の電極構造における半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値と第一の金属層２０の膜厚の関係を示す。
図７において、半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値は第一の金属層２０の膜厚が１０ｎｍのものと２５ｎｍのものではほとんど差が無く低い値を示すが、第一の金属層２０の膜厚が１００ｎｍの場合は第一の金属層２０の膜厚が１０ｎｍおよび２５ｎｍの場合より接触抵抗値が１桁以上増加する。
図７に示すように、半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値が低い値を示し、また、実施の形態１に示したように第二の金属層３０の仕事関数の指数関数に比例する関係を示すためには、第一の金属層２０の厚さは第二の金属層３０の影響がｎ型窒化物半導体層に達する程度に小さいことが必要である。

本実施の形態において、第一の金属層２０の膜厚を２５ｎｍ以下にすることにより、半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値を第二の金属層３０の仕事関数に支配させることができ、第二の金属層３０として仕事関数の小さい金属を使用することにより半導体層１０と電極４０間の接触抵抗値を低下できる。

なお、上記実施の形態１および実施の形態２においては、窒化物半導体層１０としてｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層の例を示したが、窒化物半導体層１０としては、これに限らず、例えばＡｌ_ｙＩｎ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，０≦ｙ＋ｚ≦１）であっても良い。窒化物半導体層１０の形成方法としては、ＭＯＣＶＤ法の例を示したが、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法等の他のエピタキシャル成長法であっても良い。
また、第二の金属３０の厚さは５００ｎｍとしたが、この厚さは５００ｎｍに限られるものではなく５０〜１０００ｎｍであってもよい。
さらに、基板についてはＳｉＣ基板の例を示したが、基板はＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ基板、サファイア基板であっても同様の効果を奏する。

実施の形態３．
図８は、この発明を実施するための実施の形態３に係る半導体装置の断面模式図であり、半導体装置の一例としてのＨＥＭＴの例を示したものである。図８において、基板１００上に、バッファ層１２０、チャネル層１４０、バリア層１６０を順に形成し、その上からソース・ドレイン領域となる場所にのみ実施の形態１と同様にＳｉイオンを１×１０^１５ｃｍ^−２の注入濃度、５０ＫｅＶの加速エネルギーで注入しＳｉ高濃度領域１８０を形成する。Ｓｉイオン注入後、１１００〜１２００℃の温度で短時間のＲＴＡ処理を行なう。
次に、ソース・ドレイン電極４０として、Ｓｉ高濃度領域１８０上に第一の金属層２０および第二の金属層３０を順に形成する。この場合、第一の金属層２０は厚さ１０ｎｍのＮｉ、第二の金属層３０は厚さ５００ｎｍのＨｆとする。この際、電極４０のパターニングは、実施の形態１と同様にあらかじめ電極４０を形成しない場所にレジストパターンを形成しておくリフトオフ法を用いる。また、バリア層１６０上にリフトオフ法によりゲート電極５０を形成する。続いて、４００〜７００℃の温度で短時間のＲＴＡ処理を行なう。

上記のようにして作製したＨＥＭＴは、第二の金属層３０の仕事関数をＡｌの仕事関数より小さくすることによりソース・ドレイン電極４０とＳｉ高濃度領域１８０との接触抵抗値を低下させることができるため、高電圧、高周波で動作させることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の電極構造を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体層中の深さと半導体層の不純物濃度の関係をモンテカルロ計算で求めた図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体層と電極間の接触抵抗値と半導体層中Ｓｉ濃度の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体層と電極間の接触抵抗値と第一の金属層の仕事関数の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体層と電極間の接触抵抗値と第二の金属層の仕事関数の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る各種金属の仕事関数値を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体層と電極間の接触抵抗値と第一の金属層の膜厚との関係を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構造を示す断面模式図である。

符号の説明

１０ ｎ型半導体層、２０ 第一の金属層、３０ 第二の金属層、４０ 電極、５０ ゲート電極、１００基板、１２０ バッファ層、１４０ チャネル層、１６０ バリア層、１８０ Ｓｉ高濃度領域

Claims (5)

1. ｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層に接する側から順に、第一の金属層と、第二の金属層とを備え、前記ｎ型窒化物半導体層は１×１０^１９ｃｍ^−３以上の濃度の不純物を有し、前記第二の金属層の仕事関数が４．２ｅＶ以下であることを特徴とする半導体装置。
2. 第一の金属層の厚さが２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 第一の金属層はＴａ、Ｎｉ、Ｔｉのいずれか一種を主成分とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. ｎ型窒化物半導体層がＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層表面のＳｉ濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３以上となるように前記窒化物半導体層にＳｉイオンを注入する工程と、前記窒化物半導体層上に第一の金属層を形成する工程と、前記第一の金属層上に第二の金属層を形成する工程と、加熱工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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