JP2010517280A - 電子的構成部材 - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体材料からなる基板（３）上に金属層（９）を有する電子的構成部材に関し、この場合金属層（９）と基板（３）との間には、拡散遮断層（７）が形成されており、この拡散遮断層は、金属層（９）の金属に対して小さな拡散係数を有する材料から完成されている。

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載されている電子的構成部材に関する。

半導体材料からなる基板上に金属層を有する電子的構成部材は、例えば半導体トランジスターである。この場合、金属層は、例えば半導体トランジスターの電極である。

金属層のための金属としては、例えば白金またはパラジウムが使用される。この金属層は、一般に直接に半導体材料の表面上に析出されるかまたは半導体材料上の電気絶縁層上に析出される。通常の半導体材料は、例えば窒化ガリウムである。しかし、電子的構成部材を３５０℃を上廻る温度で使用する場合には、電子的構成部材の性質は、不可逆的に劣化しうる。これは、例えば金属層の金属が電気絶縁層中または半導体材料中に拡散するかまたは移動することによって行なわれる。トランジスターの場合には、金属拡散または移動は、チャンネルインピーダンスの変化を生じうるが、しかし、ゲート漏れ電流の著しい上昇をまねく。また、高いゲート漏れ電流を有する半導体トランジスターは、僅かな漏れ電流を有する電子的構成部材よりも本質的に急速に劣化することが判明した。この結果、半導体中への金属層の白金の侵入を電気移動法によって促進することが推奨される。

半導体材料としての窒化ガリウムを有する電子的構成部材は、例えば高性能の電界効果トランジスターおよび高周波の電界効果トランジスターならびにオプトエレクトロニクスにおいて使用される青、白および緑のＬＥＤｓである。３．４ｅＶの大きなバンドギャップおよび窒化ガリウムの熱的結晶安定性のために、窒化ガリウムを基礎とする構成要素は、原理的に約７００℃までの動作温度に適している。

化学的敏感性の電界効果トランジスターは、例えば米国特許第４４３７９６９号明細書の記載から公知である。この電界効果トランジスターの場合、電極は、層構造で構成されている。この電界効果トランジスターは、液状媒体中で中程度の温度で動作される。液状媒体からのイオンが半導体基板中に拡散しうることを回避するために、基板と金属層との間には、イオン拡散遮断層が形成されている。しかし、このイオン拡散遮断層では、高い温度で金属層の金属が半導体基板中に拡散することは阻止されない。

発明の概要
発明の利点
本発明により構成された、半導体材料からなる基板上に金属層を有する電子的構成部材には、金属層と基板との間、または金属層と絶縁層との間に拡散遮断層が形成され、この拡散遮断層は、金属層の金属に対して小さな拡散係数を有する材料から完成されている。この拡散遮断層によって、半導体材料中または絶縁層中への金属の拡散は、減少される。この電子的構成部材は、半導体材料中に拡散する金属によって使用不可能になることはなく、或いは電気絶縁層は、その絶縁特性の点で拡散侵入される金属によって損なわれることはない。

"小さな拡散係数"は、本発明の範囲内で電子的構成部材の使用の際に電子的構成部材の寿命に関して金属の移動による機能損失を生じることがないことを意味する。数多くの使用のためには、拡散遮断層によって保護すべき範囲内、即ち絶縁層または半導体の範囲内で、材料に全ての寿命ｔ_Lに亘って所定の動作温度で臨界閾ｃ_maxの下で（例えば、０．１原子％）金属濃度が留まることが必要とされる。フィックの法則により、要求される寿命ｔ_Lに依存して拡散係数Ｄおよび遮断層厚ｄに対する次の要件が当てはまりうる：

この場合、ｅｒｆ（）は、ガウス誤差（Gausssche Fehlerintegral）を表わす。

ｃ_max＝０．１原子％の例には、層厚、拡散係数および寿命に対して以下：

の比がもたらされる。

例えば、さらに寿命ｔ_L〜１０００時間および層厚ｄ＝１０ｎｍを取る場合には、拡散遮断層中の金属の拡散係数Ｄは、次の値がもたらされる：
Ｄ＜１．５・１０^-30ｃｍ²/秒
金属が電気絶縁層中または基板の半導体材料中に拡散しないようにするために、それによって電子的構成部材は使用不可能になるかもしれないが、拡散遮断層は、特に細孔不含であるか、または層が貫通する通路によって貫通していないという意味において閉鎖された細孔を単に示す。

電子的構成部材の機能の能力が拡散遮断層によって損なわれないようにするために、拡散遮断層は、特に導電性材料から完成されている。拡散遮断層に適した材料は、例えばケイ化物、チタン窒化ケイ素またはタングステン窒化ケイ素である。ケイ化物は、特にケイ化タンタル、ケイ化タングステンまたはケイ化白金である。

しかし、選択可能な方法の場合には、拡散遮断層が電気絶縁性である材料から完成されていることも可能である。拡散遮断層の材料が電気絶縁性である場合には、付加的な電気絶縁層を設けることは、不要であり、電子的構成部材の機能性を保証することができるかまたは高い温度でも僅かな漏れ電流を示すトランジスターを製造することができる。基板の半導体材料は、特に窒化ガリウムである。窒化ガリウムは、ＩＩＩーＶ−化合物半導体であり、このＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体は、例えば高性能の電界効果トランジスターおよび高周波の電界効果トランジスターに使用される。更に、オプトエレクトロニクスにおいては、殊に青、白および緑のＬＥＤｓのために窒化ガリウムが使用される。窒化ガリウムの利点は、３．４ｅＶの大きなバンドギャップおよび熱的結晶安定性に基づいて、窒化ガリウムを基礎とする半導体構成要素が原理的に約７００℃までの動作温度に適していることである。

金属層の金属は、特に元素の周期律表の第９族、第１０族または第１１族の金属、またはこれらの金属の少なくとも２つからなる混合物である。特に有利には、金属層の材料は、白金、パラジウム、イリジウム、金、銀、ロジウムまたはこれらの金属の少なくとも２つからなる混合物から選択されている。殊に、電子的構成部材が、例えば感ガス性の電界効果トランジスターの形でセンサー技術に使用される場合には、材料としての白金またはパラジウムの使用は、電気化学的視点から金属層にとって特に好ましい。センサー技術への使用の場合、金属層は、殊に電界効果トランジスターのゲート電極を形成する。

電子的構成部材の機能性を保証するために、１つの好ましい実施態様において、半導体材料の基板と金属層との間には、さらに１つの電気絶縁層が収容されている。この場合には、一面で電気絶縁層が半導体材料からなる基板と拡散遮断層との間に形成されているか、または電気絶縁層が拡散遮断層と金属層との間に形成されていることが可能である。更に、電気絶縁層の上方および下方に拡散遮断層が存在していることも可能である。付加的な電気絶縁層は、殊に、拡散遮断層が導電性材料から完成されている場合に有利である。

拡散遮断層を酸化から保護するか、または物質または酸化生成物の拡散遮断層中への流出を阻止するために、本発明の１つの実施態様においては、拡散遮断層の上方に１つの保護層が形成されている。この保護層は、電気絶縁性であってもよいし、導電性であってもよい。保護層が電気絶縁性である場合には、この保護層は、例えば電気絶縁性として作用してもよい。

保護層の使用は、殊に拡散層のためにケイ化物または窒化ケイ素を使用する場合に有利である。それというのも、これらケイ化物または窒化ケイ素は、拡散遮断層としての安定性および機能の点で酸化によって損なわれることがないからである。ケイ化物または窒化ケイ素、例えばＷＳｉまたはＷＳｉＮからなる拡散遮断層の場合、例えばＳｉ₃Ｎ₄は、保護層のための材料として適している。保護層は、殊に腐蝕環境中での使用の場合に使用され、および／または高い温度で使用される。

電気絶縁層に好ましい材料は、例えばＳｉ₃Ｎ₄である。電気絶縁層の材料がＳｉ₃Ｎ₄である場合、拡散遮断層は、電子的構成部材の製造中にエッチング停止層としても使用することができる。エッチング停止層なしでは、ゲート電極の範囲内での不動態化層のアンダーエッチングにより、自動的に絶縁層も一緒にエッチング除去されてしまうであろう。しかし、例えば、ガスセンサーに必要とされるような多孔質の金属層には、この機能では満足させることができなかった。

また、拡散遮断層のもう１つの利点は、この拡散遮断層を金属層のための付着補助層として半導体材料からなる基板上で使用することができることである。殊に、ガスセンサーに有利に使用される金属の白金およびパラジウムは、窒化ガリウムからなる基板上で、既に２０ｎｍの層厚から離層する。しかし、拡散遮断層を付着補助層として使用する場合には、金属層は、拡散遮断層上で付着したままであり、離層しない。

拡散遮断層の最上層がガス環境に対して適した化学的性質を示す場合には、電子的構成部材をガスセンサーとして使用することは、好ましい。即ち、殊にこの層は、測定ガス、または測定ガスの解離生成物または反応生成物に対する吸着場所を提供し、この吸着場所は、界面層での電荷分離または双極形成を生じる。即ち、例えばＮＨ₃、ＨＣ、Ｈ₂、ＣＯおよびＮＯ_xには、窒化物形成層または酸化物形成層または界面酸化物形成層が有効であることが実証された。しかし、同時に、前記層は、環境に対して化学的に安定性であることが必要とされる。これは、殊に拡散遮断層のための既に上記した材料で満足される。

半導体トランジスターのゲート電極の層構造を例示的に示す略図。

次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。

発明の実施形態
本発明により構成された電子的構成部材１は、基板３を含み、この基板は、半導体材料から完成されている。好ましい半導体材料は、窒化ガリウムである。しかし、半導体材料としては、窒化ガリウムと共に、窒化アルミニウム、ガリウム窒化アルミニウムおよび炭化ケイ素も適している。前記に既に記載したように、窒化ガリウムは、ＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体であり、このＩＩＩ−Ｖ−化合物半導体は、例えば高性能の電界効果トランジスターおよび高周波の電界効果トランジスターに使用される。更に、オプトエレクトロニクスにおいては、殊に青、白および緑のＬＥＤｓのために窒化ガリウムが使用される。窒化ガリウムからなる基板を有する電子的構成部材は、原理的に約７００℃までの動作温度に適している。それによって、この種の構成要素は、高温での使用の場合にも、例えば自動車の排出ガス流中でのガスセンサー技術に使用されることができる。

半導体材料からなる基板３上には、最初に電気絶縁層５が施こされている。電気絶縁層５は、特にチップの不動態化層と同じ材料から製造されている。電気絶縁層５のための材料としては、例えばＳｉ₃Ｎ₄が適している。電気絶縁層５の厚さは、特に１〜１００ｎｍの範囲内にある。

一般に、電気絶縁層５の材料は、半導体材料からなる基板３上に析出される。即ち、例えばＳｉ₃Ｎ₄のその場での析出は、半導体表面の成長直後に窒化ガリウムから可能である。しかし、選択可能な方法の場合には、電気絶縁層５は、その場から析出されたＣＶＤ（化学的蒸着）によるＳｉ₃Ｎ₄層であることも可能である。

ゲート電極を有する電子的構成部材の場合には、電気絶縁層５によってゲートダイオードは、絶縁され、ゲート漏れ電流、ひいては電気移動は最少化され、電気的動作は安定化され、簡単な信号評価を保証することができる。更に、図１に図示されているように、電気絶縁層５が直接に基板３上に析出されることが可能であり、この場合この基板は、この電気絶縁層を僅かな界面状態密度を有する拡散遮断層のための付着補助層として使用する。

電気絶縁層５上には、拡散遮断層７が塗布されている。拡散遮断層７は、特に１〜３００ｎｍの範囲内の厚さを有する。拡散遮断層７の材料は、特にこの材料が、拡散遮断層７上に塗布されている金属層９の金属に対して小さな拡散係数を有するように選択されている。このために、拡散遮断層７は、特に本質的に細孔不含であるかまたは単に閉鎖された細孔を示す。

電子的構成部材１が半導体トランジスターである場合には、拡散遮断層７が導電性材料から完成されていることは、好ましい。拡散遮断層７に導電性材料を使用することによって、基板の半導体材料４と電界の源との間の距離は、最小になる。それによって、半導体トランジスターのトランスコンダクタンスは、改善される。拡散遮断層７が導電性材料から完成されている場合には、電界の源と基板の半導体材料との間の距離は、電気絶縁層５の厚さ１１だけに相当する。しかし、電気絶縁材料が拡散遮断層７に使用される場合には、拡散遮断層７の層厚１３は、電界の源と基板３の半導体材料との間の距離に加えられ、したがって半導体トランジスターのトランスコンダクタンスは低下する。この結果、拡散遮断層７のための絶縁材料の場合には、電界の源は金属層９だけであることが重要である。

選択可能な方法の場合には、拡散遮断層７が電気絶縁材料から完成されていることも可能であり、付加的な電気絶縁層５は、省略することができる。しかし、一般に拡散遮断層７は、電気絶縁層５よりも本質的に大きな層厚を有しなければならないので、導電性の厚手の拡散遮断層７と薄手の電気絶縁層５を組み合わせることは、好ましく、半導体トランジスターとして構成された電子的構成部材１のトランスコンダクタンスを改善することができる。

電気絶縁層５の厚さ１１と比較して拡散遮断層７の大きな層厚１３は、必要であり、金属層９からなる拡散金属と比較して十分な遮断効果を達成することができ、金属層９からの金属が基板３の半導体材料中に解散することは、阻止することができる。

更に、電気絶縁層５および付加的な拡散遮断層７の利点は、多数の材料が直接の析出の際に半導体表面上に作用し、殊に半導体材料が窒化ガリウムである場合に作用し、開いた化学結合、所謂"ダングリングボンズ（dangling bonds）"が生じることである。このことから、トランジスター特性を劣化させる変動しない界面電荷が結果として生じる。極めて高い界面状態密度の場合、トランジスターの制御は、むしろ不可能になることができる。従って、電気絶縁層５に極めて僅かな界面状態密度で析出される材料が選択された場合には、基板３上への拡散遮断層７の直接の析出と比較して改善された性質を達成することができる。窒化ガリウムを半導体材料として使用する場合には、殊にＳｉ₃Ｎ₄は、極めて僅かな界面状態密度を示す。しかし、Ｓｉ₃Ｎ₄は、拡散遮断層として存在するのではないので、付加的な拡散遮断層７が必要とされる。

拡散遮断層７に好ましい材料は、例えば窒化チタン、チタンとタングステンとの合金、タングステンまたは金である。更に、ケイ化物または窒化物、例えばケイ化タンタル、ケイ化タングステン、ケイ化モリブデンまたはケイ化白金、チタン窒化ケイ素またはタングステン窒化ケイ素、または窒化硼素が適している。拡散遮断層７のための材料として特に好ましいのは、ケイ化タンタルまたはケイ化タングステンである。

金属層９は、一般に電子的構成部材１の動作のために導電体と結合される。金属層のための材料としては、全ての任意の金属が適している。しかし、好ましい金属は、元素の周期律表の第９族、第１０族または第１１族の金属である。殊に好ましいのは、白金、パラジウム、イリジウム、金、銀、ロジウムまたはこれらの金属の少なくとも２つの混合物である。電子的構成部材１をガスセンサーとして使用する場合には、金属層９は、特に白金またはパラジウムから完成されている。

金属層９の厚さは、特に１〜１００ｎｍの範囲内にある。

電子的構成部材１をガスセンサーとして使用する場合には、金属層は、特に多孔質である。金属層９が多孔質である場合には、拡散遮断層７は、付加的に電子的構成部材１の製造の際にエッチング停止層を使用する。即ち、一般に、最初に不動態化層は、基板３の半導体材料上に塗布される。この不動態化層は、電子的構成部材の製造のためにアンダーエッチングされる。エッチング停止層なしでは、不動態化層のアンダーエッチングにより、自動的に電気絶縁層５もエッチング除去されてしまうであろう。多孔質の金属層９を直接に電気絶縁層５上に塗布した場合には、この金属層は、エッチング停止層として使用することができず、電気絶縁層５は、同様にエッチング除去される。しかし、拡散遮断層７によって、多孔質の金属層９の場合でも電気絶縁層５がエッチング除去されることは、回避される。

本明細書中で図示された、基板３上に最初に電気絶縁層５、次に拡散遮断層７、最終的に金属層９を塗布する構造と共に、基板３上に最初に拡散遮断層７、次に引続き電気絶縁層５を塗布することも可能である。更に、付加的な拡散遮断層を設けることも可能である。更に、この拡散遮断層は、例えば基板３と電気絶縁層５との間に存在していてもよい。

付加的に拡散遮断層７の上方には、付加的な保護層が施こされていてよく、この保護層によって物質または酸化生成物の拡散遮断層７中への流出または拡散遮断層７の酸化が阻止される。通常、付加的な保護層は、拡散遮断層７と金属層９との間に存在する。拡散遮断層７が直接に基板３上に存在し、電気絶縁層５が拡散遮断層７上に塗布されている場合には、１つの実施態様において、電気絶縁層５は、付加的な保護層として使用される。選択可能な方法の場合には、付加的な保護層は、拡散遮断層７と電気絶縁層５との間に収容されていてもよい。

電気絶縁層５が必要でない場合には、電気絶縁層５の代わりに、付加的な保護層が拡散遮断層７上に施こされていることも可能である。

１ 電子的構成部材、 ３ 基板、 ５ 電気絶縁層、 ７ 拡散遮断層、 ９ 金属層、 １１ 電気絶縁層５の厚さ、 １３ 拡散遮断層７の大きな層厚

Claims (13)

1. 半導体材料からなる基板（３）上に金属層（９）を有する電子的構成部材において、金属層（９）と基板（３）との間に拡散遮断層（７）が形成され、この拡散遮断層は、金属層（９）の金属に対して小さな拡散係数を有する材料から完成されていることを特徴とする、半導体材料からなる基板（３）上に金属層（９）を有する電子的構成部材。
2. 拡散遮断層（７）が本質的に細孔不含である、請求項１記載の電子的構成部材。
3. 拡散遮断層（７）が導電性である材料から完成されている、請求項１または２記載の電子的構成部材。
4. 拡散遮断層（７）の材料がケイ化物、チタン窒化ケイ素またはタングステン窒化ケイ素である、請求項１から３までのいずれか１項記載の電子的構成部材。
5. ケイ化物がケイ化タンタルまたはケイ化タングステンである、請求項４記載の電子的構成部材。
6. 基板（３）の半導体材料が窒化ガリウムである、請求項１から５までのいずれか１項記載の電子的構成部材。
7. 金属層（９）の金属が、元素の周期律表の第９族、第１０族または第１１族の金属、またはこれらの金属の少なくとも２つからなる混合物である、請求項１から６までのいずれか１項記載の電子的構成部材。
8. 金属層（９）の材料が、白金、パラジウム、イリジウム、金、銀、ロジウムまたはこれらの金属の少なくとも２つからなる混合物である、請求項１から７までのいずれか１項記載の電子的構成部材。
9. さらに、基板（３）と金属層（９）との間には、電気絶縁層（５）が収容されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の電子的構成部材
10. 電気絶縁層（５）がＳｉ₃Ｎ₄から完成されている、請求項９記載の電子的構成部材。
11. 金属層（９）が電極、殊にゲート電極である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電子的構成部材。
12. 拡散遮断層（７）上に付加的に保護層が塗布されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電子的構成部材。
13. 付加的な保護層のための材料がＳｉ₃Ｎ₄である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の電子的構成部材。

Images