JP2009130047A

JP2009130047A - 窒化物半導体用電極および窒化物半導体装置

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Publication number: JP2009130047A
Application number: JP2007301914A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Ito; 伸之伊藤; Nobuaki Teraguchi; 信明寺口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-21
Also published as: JP5324076B2

Abstract

【課題】窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置における電極の信頼性を向上することができる窒化物半導体用電極およびそれを含む窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】窒化物半導体上に形成される電極であって、窒化物半導体上に形成される金属窒化物層と、金属窒化物層上に形成される第１金属層と、第１金属層上に形成される第２金属層とを備え、第１金属層は、金属窒化物層に含まれる金属と同一の金属元素を含む窒化物半導体用電極とおよびそれを含む窒化物半導体装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体用電極および窒化物半導体装置に関し、特に、窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置における電極の信頼性を向上することができる窒化物半導体用電極およびそれを含む窒化物半導体装置に関する。

窒化物半導体は、絶縁破壊電界が大きく、耐熱性に優れており、また、電子の飽和ドリフト速度が速いこと等の理由から、窒化物半導体を用いた電子デバイスは、シリコン系やガリウムヒ素系の電子デバイスと比較して、高温時における動作や大電力時における動作等の点で優れた電子デバイスとすることができる。

ところで、電子デバイスの一種である電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor）を作製するためには、窒化物半導体に対してショットキー特性を有するショットキー電極をゲート電極として用いることが必要となる。

従来、仕事関数の大きいＮｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）およびＰｔ（白金）等の金属がｐ型窒化物半導体に対するオーミック電極材料であることから、ｎ型窒化物半導体に対するショットキー電極に用いられ、良好な電気的特性が得られることが報告されている（たとえば、非特許文献１参照）。

しかしながら、これらの金属からなる電極は窒化物半導体に対する付着力が弱く、また、４００℃以上の温度では漏れ電流が増大するため、これらの金属からなる電極を窒化物半導体上に形成した電子デバイスにおいては、高温動作時や大電力動作時における特性がきわめて悪化するという問題があった。

そこで、たとえば特許文献１には、窒化物半導体上に形成される電極材料として窒化タングステン（ＷＮ）等の金属窒化物を用いることによって、窒化物半導体に対する付着力や温度特性を向上した電極が開示されている。

特許文献１に開示されている電極においては、窒化物半導体上に金属窒化物を形成することによって、窒素原子を介した化学結合が形成されるため、従来の半導体／金属界面よりも強固な結合を形成することができる。
特開２００６−１９０７４９号公報ｐ型ＧａＮにおけるＰｄオーミック電極の特性ｖｏｌ．６０，Ｎｏ．１（１９９９９０１）ｐ．３０３社団法人応用物理学会

しかしながら、金属窒化物は、配線材料である金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）等の金属との付着力が弱いため、金属窒化物層上にＡｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌ等の金属層を堆積して電極を形成した場合には、リフトオフ時における電極の剥離やボンディング後の配線の引っ張りに対する電極の耐久性が低いという問題があった。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置における電極の信頼性を向上することができる窒化物半導体用電極およびそれを含む窒化物半導体装置を提供することにある。

本発明は、窒化物半導体上に形成される電極であって、窒化物半導体上に形成される金属窒化物層と、金属窒化物層上に形成される第１金属層と、第１金属層上に形成される第２金属層とを備え、第１金属層は、金属窒化物層に含まれる金属と同一の金属元素を含む窒化物半導体用電極であることを特徴とする。

ここで、本発明の窒化物半導体用電極において、金属窒化物層に含まれる金属は、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデンおよびタングステンからなる群から選択される少なくとも１種の金属であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体用電極において、金属窒化物層の比抵抗が０．００１Ωｃｍ以上０．０１５Ωｃｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体用電極において、第２金属層は、金、銀、銅およびアルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含むことが好ましい。

さらに、本発明は、上記のいずれかの窒化物半導体用電極を含む窒化物半導体装置である。

本発明によれば、窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置における電極の信頼性を向上することができる窒化物半導体用電極およびそれを含む窒化物半導体装置を提供することができる。

図１に、本発明の窒化物半導体用電極の一例の模式的な断面図を示す。ここで、本発明の窒化物半導体用電極１５は、窒化物半導体１１上に形成されており、窒化物半導体１１上に形成された金属窒化物層１２と、金属窒化物層１２上に形成された第１金属層１３と、第１金属層１３上に形成された第２金属層１４とを備えており、第１金属層１３が金属窒化物層１２に含まれる金属と同一の金属元素を含むことを特徴としている。

一般に、金属窒化物層と金属層との付着力は、金属−金属間の付着力に比べて弱いという問題がある。そこで、本発明者が鋭意検討した結果、金属窒化物層と金属層との間に、金属窒化物層に含まれる金属と同一の金属元素を含む金属層を挿入して、段階的に電極材料を変化させることによって、電極を構成する層間の付着力が強化されて電極の信頼性が改善されることを見いだし、本発明を完成するに至ったものである。

図１において、窒化物半導体１１は、窒化物半導体装置の最上層を構成している。ここで、窒化物半導体１１としては、たとえば、ＩＩＩ族元素の窒化物からなる結晶を用いることができ、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≠０）の組成式で表わされる窒化物半導体結晶等を用いることができる。なお、上記の組成式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｎは窒素を示す。また、ｘはＡｌの組成比を示し、ｙはＧａの組成比を示し、ｚはＩｎの組成比を示す。また、窒化物半導体１１は、ｎ型またはｐ型の導電型を有していてもよい。また、本発明における窒化物半導体装置は窒化物半導体からなる層を少なくとも１層含んでいればよい。

また、金属窒化物層１２に含まれる金属は、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。金属窒化物層１２に含まれる金属として、高融点材料であるＺｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＭｏおよびＷからなる群から選択される少なくとも１種の金属を用いた場合には、高温環境下においても優れた特性を有する窒化物半導体用電極１５の形成が可能となる。

ここで、金属窒化物層１２の比抵抗は０．００１Ωｃｍ以上０．０１５Ωｃｍ以下であることが好ましい。金属窒化物層１２の比抵抗が０．００１Ωｃｍ未満である場合にはリーク電流が増大し、０．０１５Ωｃｍを超える場合には絶縁体としての特性が現れ、閾値の制御が困難となる傾向にある。なお、上記の金属窒化物層の比抵抗は、２５℃における金属窒化物層の比抵抗の値のことを意味する。また、金属窒化物層１２は単層となる構成だけでなく、複数層となる構成となっていてもよい。

また、第１金属層１３は、金属窒化物層１２に含まれる金属と同一の金属元素を含むことが必要である。このような構成とすることによって、金属窒化物層１２、第１金属層１３および第２金属層１４の間で段階的に電極材料を変化させて、窒化物半導体用電極１５を構成する層間の付着力を高めることができるため、窒化物半導体の窒化物半導体１１上に形成される窒化物半導体用電極１５の信頼性を向上することができる。

また、第２金属層１４は、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含むことが好ましい。第２金属層１４がＡｕ、Ａｇ、ＣｕおよびＡｌからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含む場合には第２金属層１４の比抵抗の値が小さくなって、配線を接続するためのパッド電極としての機能が優れる傾向にある。

図２に、本発明の窒化物半導体装置の一例の模式的な断面図を示す。ここで、窒化物半導体装置は、基板の一例であるサファイア基板２１と、サファイア基板２１上に形成された窒化物半導体バッファ層２２と、窒化物半導体バッファ層２２上に形成されたｎ型ＧａＮ層２３と、ｎ型ＧａＮ層２３の端部に形成されたオーミック電極２９と、ｎ型ＧａＮ層２３の中央部に形成されたショットキー電極２８とを有している。

ここで、サファイア基板２１としては、たとえば、成長面となる表面に（０００１）面を有するサファイア基板を用いることができる。また、基板としては、サファイア基板２１に限定されず、たとえば、シリコン（Ｓｉ）基板、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基板、酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板若しくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板等の半導体結晶基板、またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板若しくはインジウムヒ素（ＩｎＡｓ）基板等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶基板、またはセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体結晶基板、または石英ガラス若しくはＭＥＳＡガラス等のガラス基板を用いることができる。

また、ここでは、窒化物半導体バッファ層２２としては、厚さ２０ｎｍの低温成長窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いている。なお、窒化物半導体バッファ層２２としては、たとえば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）若しくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）等からなるアモルファス層、または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）若しくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）等からなる単結晶層を用いることができる。

また、ここでは、キャリア濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3であって、厚さが１μｍのｎ型ＧａＮ層２３を積層した構成を採用しているが、この構成に限定されるものではない。

また、オーミック電極２９としては、たとえば、Ａｌ、またはＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｈｆ／Ａｕ等の少なくとも１種の４族元素を含んだ多層金属若しくは合金等を用いることができる。

また、ここでは、ショットキー電極２８は、ｎ型ＧａＮ層２３上に、成膜時の圧力を５．０Ｐａとして堆積した第１のＷＮ（窒化タングステン）層２４、成膜時の圧力を０．５Ｐａとして堆積した第２のＷＮ（窒化タングステン）層２５、Ｗ（タングステン）層２６およびＡｕ（金）層２７が順次積層された構成となっている。このような構成としたショットキー電極２８は、ｎ型ＧａＮ層２３に対してショットキー特性を有することになる。

ここで、ショットキー電極２８はたとえば反応性スパッタ法により形成することができる。この反応性スパッタ法は、たとえば以下のように行なうことができる。

（ｉ）まず、ターゲットにＷ（タングステン）を用い、アルゴン流量をたとえば１６．８ｓｃｃｍとし、窒素流量をたとえば５０ｓｃｃｍとして、成膜室内にアルゴンおよび窒素をそれぞれ導入し、成膜時の圧力をたとえば５．０Ｐａとし、投入電力をたとえば３００Ｗとした条件で反応性スパッタを行なう。これにより、たとえば厚さ５０ｎｍの第１のＷＮ（窒化タングステン）膜２４をｎ型ＧａＮ層２３上に形成する。

（ｉｉ）次に、ターゲットとしてＷ（タングステン）を用い、アルゴン流量をたとえば１６．８ｓｃｃｍとし、窒素流量をたとえば５０ｓｃｃｍとして、成膜室内にアルゴンおよび窒素をそれぞれ導入し、成膜時の圧力をたとえば０．５Ｐａとし、投入電力をたとえば３００Ｗとした条件で反応性スパッタを行なう。これにより、たとえば厚さ１０ｎｍの第２のＷＮ（窒化タングステン）膜２５を第１のＷＮ（窒化タングステン）膜２４上に形成する。

（ｉｉｉ）次に、ターゲットとしてＷ（タングステン）を用い、アルゴン流量をたとえば５０ｓｃｃｍとして、成膜室内にアルゴンを導入し、投入電力をたとえば３００Ｗとした条件で反応性スパッタを行なう。これによりたとえば厚さ１０ｎｍのＷ（タングステン）膜２６を第２のＷＮ（窒化タングステン）膜２５上に形成する。

（ｉｖ）次に、ターゲットとしてＡｕ（金）を用い、アルゴン流量をたとえば５０ｓｃｃｍとして、投入電力をたとえば１００Ｗとした条件で反応性スパッタを行なう。これにより、たとえば厚さ２００ｎｍのＡｕ（金）膜２７をＷ（タングステン）膜２６上に形成する。

ここで、実施例として、上記の（ｉ）〜（ｉｖ）の条件で反応性スパッタにより、４層構造（第１のＷＮ膜２４／第２のＷＮ膜２５／Ｗ膜２６／Ａｕ膜２７）のショットキー電極２８を１００個形成した。

一方、比較例として、ＷＮ膜上に直接Ａｕ膜を堆積した２層構造のショットキー電極を１００個形成した。

そして、１００個の実施例のショットキー電極と１００個の比較例のショットキー電極のそれぞれにＡｕワイヤーによるボンディングを行なった結果、実施例の４層構造のショットキー電極においては、ショットキー電極の各膜の界面での剥離が生じず、各膜の界面における強い付着力が確認された。

一方、比較例の２層構造のショットキー電極においては、１００個中３２個でＷＮ膜とＡｕ膜との界面で剥離を生じた。

図３に、比較例の２層構造のショットキー電極において、Ａｕワイヤーによるボンディングの際にＷＮ膜とＡｕ膜との界面で剥離が生じたときの写真を示す。

また、図４に、実施例の４層構造のショットキー電極において、Ａｕワイヤーによるボンディングを行なった際に、ショットキー電極の各膜の界面での剥離が生じなかったときの写真を示す。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の窒化物半導体用電極の一例の模式的な断面図である。本発明の窒化物半導体装置の一例の模式的な断面図である。比較例の２層構造のショットキー電極において、Ａｕワイヤーによるボンディングの際にＷＮ膜とＡｕ膜との界面で剥離が生じたときの写真である。実施例の４層構造のショットキー電極において、Ａｕワイヤーによるボンディングを行なった際に、ショットキー電極の各膜の界面での剥離が生じなかったときの写真である。

符号の説明

１１窒化物半導体、１２金属窒化物層、１３第１金属層、１４第２金属層、１５窒化物半導体用電極、２１サファイア基板、２２窒化物半導体バッファ層、２３ｎ型ＧａＮ層、２４第１のＷＮ層、２５第２のＷＮ層、２６Ｗ層、２７Ａｕ層、２８ショットキー電極、２９オーミック電極。

Claims

窒化物半導体上に形成される電極であって、
前記窒化物半導体上に形成される金属窒化物層と、
前記金属窒化物層上に形成される第１金属層と、
前記第１金属層上に形成される第２金属層と、
を備え、
前記第１金属層は、前記金属窒化物層に含まれる金属と同一の金属元素を含むことを特徴とする、窒化物半導体用電極。
前記金属窒化物層に含まれる金属は、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、モリブデンおよびタングステンからなる群から選択される少なくとも１種の金属であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体用電極。
前記金属窒化物層の比抵抗が０．００１Ωｃｍ以上０．０１５Ωｃｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体用電極。
前記第２金属層は、金、銀、銅およびアルミニウムからなる群から選択された少なくとも１種の金属を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体用電極。
請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体用電極を含む、窒化物半導体装置。