JP2009238956A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流コラプスの小さな窒化物半導体デバイス用のショットキ電極を提供する。
【解決手段】窒素を含む３−５族化合物の半導体層と、前記半導体層に接して前記半導体層より上層に形成された導電体層と、を備えた半導体装置であって、前記導電体層は、２種以上の金属層が積層された積層金属層が合金化されて形成された合金であり、前記合金の仕事関数は、合金化前に前記半導体層に接していた金属の仕事関数より大きい半導体装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。本発明は、特に、電流コラプスを低減できる半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

窒化ガリウム系半導体装置としてのショットキバリアダイオードあるいは電界効果トランジスタはショットキ電極を含む。たとえば非特許文献１には、半導体装置としてＡｌＧａＮ／ＧａＮへテロ構造のＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）が開示され、ショットキ電極としてニッケルおよび金の積層膜をアニールしてなるショットキ電極を有する半導体装置が開示されている。

Ｊ．Ｌｅｅ他著、Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ４８巻（２００４年）、１８５５から１８５９ページ

上記した文献に記載のショットキ電極により、リーク電流が小さなショットキ性接触を得ることができる。しかし、このような電極構造では、ドレイン電流の過渡応答が大きくなる、いわゆる電流コラプスの問題が生じている。よって、電流コラプスの小さな半導体装置が望まれている。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、窒素を含む３−５族化合物の半導体層と、前記半導体層に接して前記半導体層より上層に形成された導電体層と、を備えた半導体装置であって、前記導電体層は、２種以上の金属層が積層された積層金属層が合金化されて形成された合金であり、前記合金の仕事関数は、合金化前に前記半導体層に接していた金属の仕事関数より大きい半導体装置が提供される。前記導電体層は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された２種以上の金属の合金であってよい。前記導電体層は、熱アニールにより前記積層金属層が合金化されて形成されてよい。前記導電体層は、窒素、アルゴン、ヘリウムを含んでよい。前記半導体層と前記導電体層とは、ショットキ接合を形成してよい。

本発明の第２の形態においては、窒素を含む３−５族化合物の半導体層を形成する段階と、前記半導体層に接して第１仕事関数の第１金属層を形成する段階と、前記第１金属層より上層に第２金属層を形成する段階と、前記第１金属層および前記第２金属層を含む積層金属層を合金化して、前記第１仕事関数より大きい第２仕事関数の合金層を形成する段階と、を備えた半導体装置の製造方法が提供される。前記第１金属層は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された何れかの金属層であってよく、前記第２金属層は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された何れかの前記第１金属層とは異なる金属層であってよい。前記合金層を形成する段階は、熱アニール処理により前記積層金属層を合金化して前記合金層を形成する段階であってよい。前記熱アニール処理は、窒素、アルゴン、ヘリウムを含む雰囲気で実施されてよい。

本発明の第３の形態においては、窒素を含む３−５族化合物の半導体層と、前記半導体層に接して前記半導体層より上層に形成された、前記半導体層の内部に存在する深い準位の原因となる元素を引き抜くトラップ層と、を備え、前記半導体層および前記トラップ層は、前記トラップ層が前記半導体層に接して形成された後に熱アニール処理されている半導体装置が提供される。前記トラップ層は、酸化物、窒化物または酸窒化物の絶縁体層であってよく、前記トラップ層より上層に形成された導電体層をさらに備えてよい。前記トラップ層は、金属、金属合金または導電性酸化物の導電体層であってよく、前記導電体層は、前記半導体層とショットキ接合を形成してよい。

本発明の第４の形態においては、窒素を含む３−５族化合物の半導体層を形成する段階と、前記半導体層に接して、前記半導体層の内部に存在する深い準位の原因となる元素を引き抜くトラップ層を形成する段階と、前記半導体層および前記トラップ層を熱アニール処理する段階と、を備えた半導体装置の製造方法が提供される。前記熱アニール処理する段階は、窒素、アルゴン、ヘリウムを含む雰囲気で実施されてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態の半導体装置１００の断面例を示す。同図において半導体装置１００は一つのトランジスタ素子として図示するが、半導体装置１００は多数のトランジスタ素子を備えていてよい。半導体装置１００は、基板１０２、バッファ層１０４、チャネル層１０６、電子供給層１０８、制御電極１１０、入出力電極１１２、パッシベーション層１１４および素子分離領域１１６を備える。

基板１０２は、エピタキシャル成長用の下地基板であってよく、たとえば単結晶のサファイア、シリコンカーバイト、シリコン、ガリウムナイトライドが例示できる。基板１０２は、エピタキシャル成長用の基板として市販されているものが使用できる。基板１０２は、絶縁形が好ましいがｐ形またはｎ形も使用できる。

バッファ層１０４は、基板１０２の上に形成され、材料として、窒素を含む３−５族化合物半導体が適用できる。たとえば、バッファ層１０４は、アルミニウムガリウムナイトライド（ＡｌＧａＮ）、アルミニウムナイトライド（ＡｌＮ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）の単層であってよく、これら単層を積層したものであってもよい。バッファ層１０４は、その膜厚に特に制限はないが、３００ｎｍから３０００ｎｍの範囲が好ましい。バッファ層１０４は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハライドＶＰＥ法または分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）などを用いて形成できる。バッファ層１０４の形成材料として市販の有機金属原料、たとえばトリメチルガリウムあるいはトリメチルインジウム等を用いることができる。

チャネル層１０６は、バッファ層１０４の上に形成され、窒素を含む３−５族化合物半導体であってよい。チャネル層１０６として、ＧａＮ層が好ましいが、ＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層も例示できる。チャネル層１０６の膜厚に特に制限はないが、３００ｎｍから３０００ｎｍの範囲が好ましい。チャネル層１０６の形成方法として、バッファ層１０４の形成方法と同様な方法が例示できる。

電子供給層１０８は、窒素を含む３−５族化合物の半導体層の一例であってよい。電子供給層１０８は、チャネル層１０６に電子を供給する。電子供給層１０８は、チャネル層１０６より上層に形成され、電子供給層１０８とチャネル層１０６との界面のチャネル層１０６の側には２次元電子ガス（以下２ＤＥＧと表記することがある）が形成される。電子供給層１０８は、チャネル層１０６に接して直接形成されてもよく、適切な中間層を介して形成されてもよい。電子供給層１０８は、チャネル層１０６と格子整合または擬格子整合してよく、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層またはＡｌＮ層であってよい。なお、電子供給層１０８自体が基板であってもよい。

電子供給層１０８は、その膜厚を、チャネル層１０６と電子供給層１０８との格子定数差から見積もられる臨界膜厚より小さい範囲内で決定できる。臨界膜厚とは、格子不整合により発生した応力により結晶格子に欠陥が発生して応力が緩和される膜厚であってよい。臨界膜厚は、各層のＡｌ組成あるいはＩｎ組成に依存するが、１０ｎｍから６０ｎｍの範囲が例示できる。したがって電子供給層の膜厚は６０ｎｍ以内で決定することができる。電子供給層１０８の形成方法としてバッファ層１０４の形成方法と同様な方法が例示できる。

制御電極１１０は、電子供給層１０８に接して電子供給層１０８より上層に形成された導電体層の一例であってよい。制御電極１１０は、２種以上の金属層が積層された積層金属層が合金化されて形成された合金であってよい。たとえば制御電極１１０は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された２種以上の金属の合金であってよい。合金の仕事関数は、合金化前に電子供給層１０８に接していた金属の仕事関数より大きくすることができる。合金化した後の制御電極１１０の仕事関数を合金化前に電子供給層１０８に接触している金属の仕事関数より大きくすることにより、キャリアのトラップの原因となり得る準位の深さを小さくできる。

また、制御電極１１０の合金化は、積層金属層を熱アニールにより合金化してよい。熱アニールは、たとえば２５０〜５５０℃、好ましくは４５０〜５００℃で実施できる。また、熱アニールは、１分〜１０時間の範囲、好ましくは３分〜１時間の範囲、さらに好ましくは１０分〜３０分の範囲で実施できる。さらに熱アニールは、窒素、アルゴン、ヘリウム等の希ガスの雰囲気で実施できる。特に熱アニールは窒素雰囲気で実施でき、この場合制御電極１１０は、窒素を含んでよい。

熱アニールにより、深い準位を形成するトラップの要因を低減できる。また、窒素を含むことにより、深い準位を形成するトラップの要因を低減できる。なお、電子供給層１０８と制御電極１１０とは、ショットキ接合を形成してよい。

なお、制御電極１１０は、電子供給層１０８の内部に存在する深い準位の原因となる元素を引き抜くトラップ層としても把握できる。引き抜かれる物として、酸素を含有する物質たとえば水、酸素分子および酸素原子が例示できる。あるいは水素、炭素が例示できる。制御電極１１０により深い準位の原因となる元素を引き抜いて、電流コラプスを低減できる。

入出力電極１１２は、電子供給層１０８の上に形成される。入出力電極１１２は、たとえばＴｉおよびＡｌなどの金属を蒸着法などで形成した後、リフトオフ法などで所定の形状に加工できる。

パッシベーション層１１４は、制御電極１１０および入出力電極１１２が形成された領域以外の領域の電子供給層１０８を覆う。パッシベーション層１１４を形成すると、電流コラプスが大きくなる場合があるが、本実施形態では電流コラプスの原因になり得るトラップを低減しているので、電流コラプスの発生を抑制できる。パッシベーション層１１４は、たとえば１０ｎｍから１００ｎｍ程度の膜厚の窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜が例示できる。

素子分離領域１１６は、トランジスタの活性領域を取り囲むように、電子供給層１０８を貫いて形成される。素子分離領域１１６は、電流が流れる領域を規定する。素子分離領域１１６は、たとえばエッチングにより分離溝を形成して、窒化物等の絶縁体を埋め込むことにより形成できる。あるいは素子分離領域１１６は、窒素または水素を形成領域にイオン打ち込みにより打ち込んで形成できる。

図２から図６は、半導体装置１００の製造過程における断面例を示す。図２に示すように、チャネル層１０６および電子供給層１０８を有して、電子供給層１０８が表面を為す基板１０２を用意する。電子供給層１０８は、窒素を含む３−５族化合物であってよい。基板１０２には、バッファ層１０４を有してよく、バッファ層１０４、チャネル層１０６および電子供給層１０８が順次形成されて電子供給層１０８が表面を為す基板はＨＥＭＴ形成用のエピタキシャル基板として供給されているものであってよい。

図３に示すように、電子供給層１０８に接して第１仕事関数の第１金属層１２０となる金属膜を形成した後、第１金属層１２０より上層に第２金属層１２２となる金属膜を形成して金属積層膜を形成する。その後、当該金属積層膜をパターニングすることにより第１金属層１２０および第２金属層１２２を形成する。第１金属層１２０は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された何れかの金属層であってよい。第２金属層１２２は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された何れかの第１金属層１２０とは異なる金属層であってよい。

図４に示すように、パッシベーション層１１４を形成する。パッシベーション層１１４の形成により、前記した通り電流コラプスの原因になり得るトラップが発生する場合がある。

図５に示すように、第１金属層１２０および第２金属層１２２を含む積層金属層を合金化して、第１仕事関数より大きい第２仕事関数の制御電極１１０を形成する。制御電極１１０は合金層の一例であってよい。合金層の形成は、熱アニール処理により積層金属層を合金化するものであってよい。熱アニール処理は、窒素を含む雰囲気で実施ことが特に好ましい。

図６に示すように、パッシベーション層１１４を適切にエッチングして、当該エッチング部に入出力電極１１２を形成する。入出力電極１１２はたとえば蒸着法により金属膜を形成した後、リフトオフ法等を用いて形成できる。入出力電極１１２を形成した後、加熱によりアニールを実行してもよい。金属膜は金属積層膜であってよい。

その後、素子分離領域１１６となる領域に開口を有する適切なマスクを形成して、当該マスクの開口部に選択的にイオンを打ち込み、素子分離領域１１６を形成する。素子分離領域１１６に打ち込むイオンはたとえば窒素または水素であってよく、電子供給層１０８およびチャネル層１０６が絶縁体となるイオンであれば任意に選択できる。以上のようにして、図１の半導体装置１００が製造できる。

本実施形態の半導体装置１００とその製造方法によれば、制御電極１１０の近傍に形成される、電流コラプスの原因になり得るトラップ、あるいは物質を低減できる。これにより電流コラプスの発生を抑制できる。

（実験例１）
図７および図８は、制御電極１１０と電子供給層１０８との界面部分を観察したＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真を示す。図７はアニール前、図８はアニール後を示す。アニール前における第１金属層１２０はニッケル、第２金属層１２２は金とした。電子供給層１０８としてＡｌＧａＮを用いた。アニールにより、第１金属層１２０と第２金属層１２２との界面が消失していることが観察された。

図９から図１６は、図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。図９および図１０はアルミニウム像を示しており、図１１および図１２はニッケル像を示す。また、図１３および図１４はガリウム像を示しており、図１５および図１６は金像を示す。アニールにより、第１金属層１２０と第２金属層１２２とが合金化して制御電極１１０になっていることが観察された。

（実験例２）
Ｃ面サファイア基板にＭＯＣＶＤ法でＡｌＧａＮ／ＧａＮ構造のＨＥＭＴを作成した。オーミック電極はＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕの金属積層構造、ゲート電極はＮｉ／Ａｕの金属積層構造とした。パッシベーション膜としてＰＥＣＶＤ法による窒化シリコン膜を形成した。その後高速熱アニール（ＲＴＡ）を施した。

図１７は、ＨＥＭＴのドレイン電流−ソースドレイン電圧の特性を示す。実線は上記の通り作成したＨＥＭＴの特性を示す。破線は、窒化シリコンのパッシベーション膜を形成しない場合（Ａ）とパッシベーション膜形成後アニールをしない場合（Ｂ）を比較として示した。破線のＡでは良好な特性を示すものの、パッシベーション膜の形成により特性が極度に悪化していることがわかる。しかし、アニールを施すことにより（実線）、特性は良好に回復した。

図１８は、電流コラプス特性を示す。ソースドレイン電圧を２０Ｖから１Ｖに低減した場合のソースドレイン電流密度の過渡特性から電流コラプスを評価した。実線はアニールをした場合、破線はアニールをしない場合を示す。アニールをしない場合、ソースドレイン電圧を１Ｖに変化させて直後にからしばらくの間電流密度が変化する過渡特性を示した。しかし、アニールしたものでは、過渡特性は観察されなかった。このことより、アニールによって、電流コラプスを抑制できたことが判明した。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

たとえば、図１９は、本実施形態の変更例であってよい半導体装置２００の断面例を示す。図示するように、制御電極１１０と電子供給層１０８との間にトラップ層１３０を設けてよい。トラップ層１３０は、電子供給層１０８に接して電子供給層１０８より上層に形成され、電子供給層１０８の内部に存在する深い準位の原因となる元素を引き抜く。トラップ層１３０は、トラップ層１３０が電子供給層１０８に接して形成された後に熱アニール処理されてよい。

トラップ層１３０は、酸化物、窒化物または酸窒化物の絶縁体層であってよく、あるいはＴＩＯ等の酸化物導電体であってよい。これらトラップ層１３０によって深い準位の原因となる元素が引き抜かれ、電流コラプスが低減できる。

本実施形態の半導体装置１００の断面例を示す。 半導体装置１００の製造過程における断面例を示す。 半導体装置１００の製造過程における断面例を示す。 半導体装置１００の製造過程における断面例を示す。 半導体装置１００の製造過程における断面例を示す。 半導体装置１００の製造過程における断面例を示す。 制御電極１１０と電子供給層１０８との界面部分を観察したＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真を示す。 制御電極１１０と電子供給層１０８との界面部分を観察したＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真を示す。 図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。 図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。 図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。 図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。 図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。 図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。 図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。 図７および図８に各々対応する領域のＥＤＸ像を示す。 ＨＥＭＴのドレイン電流−ソースドレイン電圧の特性を示す。 電流コラプス特性を示す。 本実施形態の変更例であってよい半導体装置２００の断面例を示す。

符号の説明

１００ 半導体装置
１０２ 基板
１０４ バッファ層
１０６ チャネル層
１０８ 電子供給層
１１０ 制御電極
１１２ 入出力電極
１１４ パッシベーション層
１１６ 素子分離領域
１２０ 第１金属層
１２２ 第２金属層
１３０ トラップ層
２００ 半導体装置

Claims (14)

1. 窒素を含む３−５族化合物の半導体層と、
   前記半導体層に接して前記半導体層より上層に形成された導電体層と、
   を備えた半導体装置であって、
   前記導電体層は、２種以上の金属層が積層された積層金属層が合金化されて形成された合金であり、
   前記合金の仕事関数は、合金化前に前記半導体層に接していた金属の仕事関数より大きい半導体装置。
2. 前記導電体層は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された２種以上の金属の合金である、
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記導電体層は、熱アニールにより前記積層金属層が合金化されて形成される、
   請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記導電体層は、窒素を含む、
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の半導体装置。
5. 前記半導体層と前記導電体層とは、ショットキ接合を形成する、
   請求項１から請求項４の何れか一項に記載の半導体装置。
6. 窒素を含む３−５族化合物の半導体層を形成する段階と、
   前記半導体層に接して第１仕事関数の第１金属層を形成する段階と、
   前記第１金属層より上層に第２金属層を形成する段階と、
   前記第１金属層および前記第２金属層を含む積層金属層を合金化して、前記第１仕事関数より大きい第２仕事関数の合金層を形成する段階と、
   を備えた半導体装置の製造方法。
7. 前記第１金属層は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された何れかの金属層であり、
   前記第２金属層は、Ｎｉ、ＡｕおよびＰｔから選択された何れかの前記第１金属層とは異なる金属層である、
   請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記合金層を形成する段階は、熱アニール処理により前記積層金属層を合金化して前記合金層を形成する段階である、
   請求項６または請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記熱アニール処理は、窒素、アルゴン、ヘリウムを含む雰囲気で実施される、
   請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 窒素を含む３−５族化合物の半導体層と、
    前記半導体層に接して前記半導体層より上層に形成された、前記半導体層の内部に存在する深い準位の原因となる元素を引き抜くトラップ層と、
    を備え、
    前記半導体層および前記トラップ層は、前記トラップ層が前記半導体層に接して形成された後に熱アニール処理されている半導体装置。
11. 前記トラップ層は、酸化物、窒化物または酸窒化物の絶縁体層であり、
    前記トラップ層より上層に形成された導電体層をさらに備える、
    請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記トラップ層は、金属、金属合金または導電性酸化物の導電体層であり、
    前記導電体層は、前記半導体層とショットキ接合を形成する、
    請求項１０に記載の半導体装置。
13. 窒素を含む３−５族化合物の半導体層を形成する段階と、
    前記半導体層に接して、前記半導体層の内部に存在する深い準位の原因となる元素を引き抜くトラップ層を形成する段階と、
    前記半導体層および前記トラップ層を熱アニール処理する段階と、
    を備えた半導体装置の製造方法。
14. 前記熱アニール処理する段階は、窒素、アルゴン、ヘリウムを含む雰囲気で実施される、
    請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。