JP2009272530A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面荒れの小さいオーミック電極を有する半導体装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体層（１）と、この半導体層上に形成されたオーミック電極（２）と、このオーミック電極の上面と側面を覆うように形成されたカバー電極（３）とを備え、オーミック電極はＡｌを含有する合金層を含み、カバー電極はＷ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷＮ_x、およびＷＳｉ_xから選択された少なくとも１種の金属層を含みかつ１００ｎｍ以上の膜厚を有することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置とその製造方法に関し、特にＡｌを含むオーミック電極を有する半導体装置とその製造方法の改善に関する。

Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）やＳｉＣなどの化合物半導体材料は、大きなバンドギャップや高い熱安定性などのように材料固有の本質的特性を有している。したがって、これらの化合物半導体材料は、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光素子、さらには高周波トランジスタやパワートランジスタなどの電子デバイスのようなさまざまな半導体装置へ適応し得る材料として注目されている。

半導体装置を電気的に動作させるには、その装置にオーミック電極を形成する必要がある。窒化物半導体装置におけるｎ型層のためのオーミック電極としては、例えば特許文献１から３に開示されているように、下から順に積層されたＴｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、またはＡｌ／Ｔｉ／ＡｕなどのようにＡｌ層を含む積層金属膜が用いられている。オーミック電極は、これらの積層金属膜のいずれかを半導体層上に形成した後に高温で熱処理を行うことによって形成される。この熱処理によってオーミック電極はＡｌ含有合金層を含むことになり、これによって半導体層との間に低いコンタクト抵抗を有するオーミック接触が得られる。
特許第２７８３３４９号公報 特許第３３６０８１２号公報 特許第３４３９１２３号公報

特許文献１から３に開示されているような従来の技術において、オーミック電極の低いコンタクト抵抗を得るために最適な熱処理の温度は、積層金属膜に含まれる金属層の種類や層厚などに依存して変化する。しかしながら、オーミック電極の形成のためにＡｌ層を含む積層金属膜を利用するので、Ａｌの融点である約６６０℃を超える温度で熱処理を行えば、熱処理後のオーミック電極の表面に荒れが発生し、そのオーミック電極の上面やエッジのモフォロジーが悪くなる。その結果として、オーミック電極とその上に形成される配線やボンディングワイヤとの密着性が低下したり、そのようなオーミック電極を含む半導体装置の小型化が困難になるなどの問題が生じる。

本発明は、上述のようにＡｌを含む積層金属膜を利用して形成されるオーミック電極における問題に鑑みてなされたものであり、表面荒れの小さいオーミック電極を有する半導体装置とその製造方法を提供することを目的としている。

本発明による半導体装置は、半導体層と、この半導体層上に形成されたオーミック電極と、このオーミック電極の上面と側面を覆うように形成されたカバー電極とを備え、オーミック電極はＡｌを含有する合金層を含み、カバー電極はＷ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷＮ_x、およびＷＳｉ_xから選択された少なくとも１種の金属層を含みかつ１００ｎｍ以上の膜厚を有することを特徴としている。

なお、半導体層の表面は、オーミック電極、カバー電極、および付加的な絶縁膜のいずれかによって覆われていることが好ましい。半導体層としては、ｎ型の窒化物半導体層またはｐ型の炭化ケイ素半導体層が好ましく用いられ得る。

上述のような半導体装置を製造する方法においては、Ａｌ含有合金層を含むオーミック電極を形成する工程は７００℃以上の温度における熱処理を含むことができる。また、この製造方法において、半導体層の表面のうちでオーミック電極とカバー電極とのいずれによっても覆われない領域を覆うための絶縁膜を付加的に形成する工程を含むこともできる。さらに、カバー電極の形成には、スパッタ法または化学気相堆積法が好ましく用いられ得る。

本発明によれば、Ａｌを含む積層金属膜からなるオーミック電極の上面と側面をカバー電極で覆うことによって、熱処理後に生じるオーミック電極の表面の荒れが抑制され、オーミック電極の上面やエッジのモフォロジーが良好な半導体装置が得られる。

図１の模式的断面図は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の要部の基本的構造を示している。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。また、本願の図面において、同一の参照番号は、同一部分または相当部分を表している。

図１の半導体装置において、半導体層１上にオーミック電極２が形成されている。このオーミック電極２の上面と側面は、カバー電極３によって覆われている。半導体層１の表面のうちで、オーミック電極２とカバー電極３とのいずれによっても覆われていない領域は、絶縁膜４によって覆われている。

より具体的には、半導体層１は、例えばｎ型ＧａＮ層であり得る。オーミック電極２は、例えばＡｌ含有合金層を含む積層金属膜で形成され得る。カバー電極３は、例えばＷ層で形成され得る。絶縁膜４は、例えばＳｉＮ層で形成され得る。Ａｌ含有合金層を含む積層金属膜で形成されるオーミック電極２は、さらに具体的には、半導体層１側から（下側から）順に積層された例えばＨｆ／Ａｌ／Ｈｆ／Ａｕ層を熱処理することによって形成され得る。

図１に示されているような半導体装置を製造する方法の一例が、図２と図３の模式的断面図において図解されている。

まず、図２（ａ）において、ｎ型ＧａＮ半導体層１上にＳｉＮ絶縁膜４が化学気相堆積法を用いて形成される。

図２（ｂ）においては、ＳｉＮ絶縁膜４上にフォトレジスト層が塗布され、オーミック電極を形成するためのフォトレジストパタン５が露光と現像の処理によって形成される。その後、オーミック電極を形成する領域におけるＳｉＮ絶縁膜４が、ウェットエッチングによって除去される。

図２（ｃ）においては、フォトレジストパタン５および部分的に露出されたｎ型ＧａＮ半導体層１の上面を覆うように、電子ビーム蒸着法を用いてＨｆ、Ａｌ、Ｈｆ、およびＡｕの各層を順次堆積することによって積層金属膜１２が形成される。

図２（ｄ）においては、リフトオフ法を用いて、フォトレジストパタン５とともにその上の積層金属膜１２が除去される。

図３（ｅ）においては、半導体層１の上方の全面を覆うように、Ｗのカバー金属層１３がスパッタ法を用いて堆積される。

図３（ｆ）においては、Ｗカバー金属層１３上にフォトレジスト層が塗布され、カバー金属層１３を加工するためのフォトレジストパタン６が露光と現像の処理によって形成される。

図３（ｇ）においては、カバー金属層１３のうち不要な領域がドライエッチング法を用いて除去され、その後フォトレジストパタン６を除去することによってカバー電極３が形成される。このとき、カバー金属層１３を加工するためのフォトレジストパタン６およびドライエッチング条件は、半導体層１の表面が絶縁膜４、積層金属膜１２、およびカバー電極３のいずれかで覆われた構造になるように選定される。こうすることによって、半導体層１の表面が露出することが防止され、特性の安定性に優れた半導体装置を製造することが可能となる。

最後に、図３（ｈ）において、８５０℃の窒素雰囲気中で６０秒の熱処理を行うことによって、積層金属膜１２はＡｌ含有合金層を含むオーミック電極２に変換され得る。このとき、半導体層１の一部がそれに接触していた積層金属膜１２と反応して、オーミック電極２内に取り込まれる。

以上のようにして作製された本発明による半導体装置と、カバー電極を用いずに熱処理して作製されたことのみにおいて異なっていた従来技術による半導体装置との特性を比較したところ、いずれの半導体装置のコンタクト抵抗にも大きな差はみられず、いずれの半導体装置においても良好なオーミック接触が得られた。

しかしながら、本発明による半導体装置におけるオーミック電極２とカバー電極３の表面荒さは、そのカバー電極３の厚さが１００ｎｍ以上の場合において、カバー電極を含まない従来の半導体装置のオーミック電極の表面荒さに比べて１／１０以下に小さいことが確認された。

熱処理の温度を変えた場合、熱処理の温度が７００℃未満では、カバー電極を含まない従来の半導体装置のオーミック電極でも表面荒さが小さくなることが確認された。したがって、本発明は、Ａｌ含有層を含むオーミック電極の形成において７００℃以上の熱処理を行う場合に、より効果的であることがわかる。

以上のように、本発明によれば、Ａｌ含有層を含む積層金属膜からオーミック電極を形成する場合に、その積層金属膜の上面と側面が厚さ１００ｎｍ以上の高融点金属層などのカバー電極で覆われることによって、熱処理後に生じるオーミック電極の表面の荒れを抑制できて、電極の上面やエッジのモフォロジーが良好な半導体装置を提供することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

例えば、上述の実施形態ではＧａＮ層上にオーミック電極を形成する場合が説明されたが、ＧａＮ以外の例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯなどの他の化合物半導体層、さらにはＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮなどの積層化合物半導体上にオーミック電極を形成する場合にも同様に本発明を適用することができる。

上述の実施形態では絶縁膜としてＳｉＮを用いた例が説明されたが、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＴａＯ_x、ＭｇＯ、Ｇａ₂Ｏ₃、ＭｇＦ₂、ＡｌＮなどの絶縁膜や、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂、ＳｉＮ／ＳｉＯ₂／ＳｉＮなどの積層絶縁膜を用いても、本発明を同様に実施できることはもちろんである。

上述の実施形態ではｎ型ＧａＮ層用のオーミック電極を形成するための積層金属膜１２としてＨｆ／Ａｌ／Ｈｆ／Ａｕが例示されたが、Ｔｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｌ／Ｖ／Ｎｉ／Ａｌ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ａｌ／Ｔｉ／ＡｕなどのようにＡｌを含む他の積層金属膜もｎ型窒化物系半導体層のためのオーミック電極の形成に利用することができる。また、Ａｌ、ＡｌＳｉなどの単層金属膜や、Ａｌ／Ｔｉ、ＡｌＳｉ／Ｔｉなどの積層金属膜も、ｐ型ＳｉＣ層のためのオーミック電極の形成に利用することができる。

上述の実施形態ではオーミック電極を形成するための積層金属膜１２の形成方法として電子ビーム蒸着法が例示されたが、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法、化学気相堆積法などの他の方法を利用することもできる。

上述の実施形態ではカバー電極３としてＷの単層を用いた例が説明されたが、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、ＷＮ_x、ＷＳｉ_xなどの他の高融点金属の層や、これらの層の複数を含む積層高融点金属膜を用いることもできる。

上述の実施形態ではカバー電極３を形成する方法としてスパッタ法が例示されたが、電子ビーム蒸着法、抵抗加熱蒸着法、化学気相堆積法などの他の方法を用いることもできる。ただし、オーミック電極２の表面荒れを抑制するためには、積層金属膜１２の上面と側面ともに覆うようにカバー電極３を形成できる方法が好ましく、具体的にはスパッタ法または化学気相堆積法を用いることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、Ａｌを含む積層金属膜からなるオーミック電極の上面と側面をカバー電極で覆うことによって、熱処理後に生じるオーミック電極の表面の荒れが抑制され、オーミック電極の上面やエッジのモフォロジーが良好な半導体装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の要部の基本的構造を示す模式的断面図である。 図１の半導体装置を製造する工程を説明するための模式的断面図である。 図２に続く工程を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１ 半導体層、２ オーミック電極、３ カバー電極、４ 絶縁膜、５、６ フォトレジストパタン、１２ 積層金属膜、１３ カバー金属層。

Claims (7)

1. 半導体層と、
   前記半導体層上に形成されたオーミック電極と、
   前記オーミック電極の上面と側面を覆うように形成されたカバー電極とを備え、
   前記オーミック電極は、Ａｌを含有する合金層を含み、
   前記カバー電極は、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、ＷＮ_x、およびＷＳｉ_xから選択された少なくとも１種の金属層を含み、かつ１００ｎｍ以上の膜厚を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体層の表面は、前記オーミック電極、前記カバー電極、および付加的な絶縁膜のいずれかによって覆われていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記半導体層はｎ型の窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記半導体層はｐ型の炭化ケイ素半導体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
5. 請求項１の半導体装置の製造方法であって、
   前記半導体層上にオーミック電極用にＡｌ含有層を含む金属膜を形成する工程と、
   前記オーミック電極用の金属膜の上面と側面を覆うように前記カバー電極を形成する工程と、
   前記オーミック電極用の金属膜を７００℃以上の温度で熱処理してオーミック電極に仕上げる工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記半導体層の表面のうちで前記オーミック電極と前記カバー電極とのいずれによっても覆われない領域を覆うための絶縁膜を付加的に形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記カバー電極の形成には、スパッタ法または化学気相堆積法が用いられることを特徴とする請求項５または６記載の半導体装置の製造方法。

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