JP2013004961A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】銅を回路層に用いても、信頼性の高い半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体素子は、ＧａＮ系の半導体材料でできている本体２１および少なくとも１つの電極構造物２３を含む。電極構造物２３は、本体２１に形成されるオーミック接触層２３１、本体２１の反対側のオーミック接触層２３１上に形成されるバッファ層２３２、および、銅系の材料でできており、オーミック接触層２３１の反対側のバッファ層２３２に形成される回路層２３３を含む。オーミック接触層２３１は、チタン、アルミニウム、ニッケルおよびそれらの合金から選択される材料でできている。バッファ層２３２は、オーミック接触層２３１の材料とは異なっており、かつ、チタン、タングステン、窒化チタン、タングステン窒化およびそれらの組み合わせから選択される材料でできている。
【選択図】図２

Description

＜関連出願の相互参照＞
この出願は、２０１１年６月１０日に出願された台湾出願番号第１００１２０３６５号の優先権を主張する。

本発明は、本体に銅原子の拡散を防止するために使用されるバッファ層を有する半導体素子に関する。

現在、高電子移動度トランジスタなどの電気部品を有する集積回路を製造する分野において、双方良好な電気伝導率を有している金（Ａｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）は、集積回路の各電気部品を電気的に接続する電極構造物のための主な原材料として使用される。金は優れた電気伝導率および熱伝導率を有するが、アルミニウムなどの他の金属と比較して比較的希少であり、それ故、比較的高価である。従って、集積回路の製造原価を最小化するために、集積回路を生産するために使用される金の量は、減らす必要がある。一方、アルミニウムは、比較的廉価であるが、その電気伝導率および熱伝導率は金と比較して比較的劣っている。それ故、アルミニウムが最小化されたサイズで集積回路に使用される場合、オーバーヒートや高電力消費が起こり、それにより、集積回路の早すぎる劣化や不十分な電池持続期間に帰着する。

銅が高い電気伝導率および良好な熱伝導性を有しており、比較的廉価であることが知られている。したがって、それは、電極のための主材料としての使用に適している。それ故、主電気部品として高電子移動度トランジスタを使用する集積回路の分野において、銅めっきプロセスの導入は、更なる発展のために必要である。

図１を参照すると、従来の半導体素子、例えば高電子移動度トランジスタは、基板１１１、本体１１、ゲート構造物１２および２つの電極構造物１３を含む。

本体１１は、基板１１１に形成されて、主に窒化ガリウムでできている第１のフィルム層１１２、および主にアルミニウム窒化ガリウムでできている第２のフィルム層１１３を含む。

ゲート構造物１２は、第１のフィルム層１１２の反対側にある本体１１の第２のフィルム層１１３の上表面に形成されて、導体、例えば金属でできている。

電極構造物１３は、第２のフィルム層１１３の上表面に形成されて、ゲート構造物１２とは間隔をあけて置かれて、オーミック接触層１３１および回路層１３２を含む。オーミック接触層１３１は、基本的にチタン、アルミニウムおよびニッケルから成っている合金でできている。回路層１３２は、主に銅でできていて、電気的に外部回路に接続するために導線で溶接されるように構成される。

チャネルは、本体１１の第２のフィルム層１１３の上側に形成されている。電極構造物１３のうちの１つは、ドレインとして機能し、そして、電極構造物１３の他の１つはソースとして機能する。更に、ゲート構造物１２は、ゲートとして機能する。

理想的な状態の下で、電圧が導線による外部回路からゲートおよびドレインに印加されるときに、電圧差は、ゲートおよび本体１１との間に、そして、ドレインおよびソースとの間に形成される。この時に、半導体素子が動作することができるように、電流はドレインからチャネルを介してソースへと流れることができる。

しかし、銅は、大きな活動度を有するので、半導体素子の電極構造物１３が製造される、および／または、動作するときに、回路層１３２の銅原子は、オーミック接触層１３１を通過して、本体１１の第２のフィルム層１１３および第１のフィルム層１１２にさえ拡散しやすい。それによって、結果として半導体素子の劣った電気的性質および劣った信頼性を引き起こす。

従って、本発明の目的は、高い信頼性を有する半導体素子を供給することである。

したがって、本発明の半導体素子は、ＧａＮ系の半導体材料でできている本体、および、外部回路に接続されるように構成された少なくとも１つの電極構造物を含む。電極構造物は、本体に形成されるオーミック接触層、本体の反対側のオーミック接触層に形成されるバッファ層、および銅系材料でできており、オーミック接触層の反対側のバッファ層上に形成される回路層を含む。オーミック接触層は、チタン、アルミニウム、ニッケルおよびそれらの合金からなるグループから選択される材料でできている。バッファ層は、オーミック接触層の材料とは異なっており、チタン、タングステン、窒化チタン、タングステン窒化およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される材料でできている。

他の本発明の特徴および効果は、添付図面を参照として、以下の好ましい実施形態の詳細な説明において明らかになる。

図１は、従来の半導体素子の部分略図である。 図２は、本発明による半導体素子の好ましい実施形態の部分略図である。 図３は、本発明の一実施例の半導体素子のための伝送路測定結果を示しているプロットである。

図２を参照すると、この発明の半導体素子の好ましい実施形態は、基板２１１、本体２１、ゲート構造物２２および２つの電極構造物２３を含む。

本体２１は、基板２１１に形成されて、主に窒化ガリウム（ＧａＮ）でできている第１のフィルム層２１２および基板２１１の反対側の第１のフィルム層２１２に形成され、そして、主にアルミニウム窒化ガリウム（ＡｌＧａＮ）でできている第２のフィルム層２１３を含む。本体２１を構成している窒化ガリウムおよびアルミニウム窒化ガリウムは、すべて半導体材料であるので、本体２１は、半導体特性を示す。

ゲート構造物２２は、第１のフィルム層２１２の反対側である本体２１の第２のフィルム層２１３の上面に形成される。本実施形態において、半導体素子が高電子移動度トランジスタであるので、ゲート構造物２２は、導体でできており、第２のフィルム層２１３の上面に形成され、接触するゲート電極層２２１を含む。ゲート構造物２２が、トランジスタの種類によって、わずかに修正されうることに留意されたい。例えば、ゲート構造物２２は、絶縁材料でできている誘電体部材（図示されていない）を更に含むことができ、そして、ゲート電極層２２１は、誘電体部材によって本体２１とは間隔を隔てる。

電極構造物２３はまた、本体２１の第２のフィルム層２１３の上面に別々に形成され、そして、それぞれゲート構造物２２から分離される。図２において、電極構造物２３およびゲート構造物２２は、以下の順序、電極構造物２３のうちの１つ、ゲート構造物２２、そして、および他方の電極構造物２３で配置される。電極構造物２３の各々は、本体２１の第２のフィルム層２１３の上面に形成されるオーミック接触層２３１、本体２１の反対側のオーミック接触層２３１上に形成されるバッファ層２３２、および、オーミック接触層２３１の反対側のバッファ層２３２上に形成される回路層２３３を含む。

オーミック接触層２３１は、チタン、アルミニウム、ニッケルおよびそれらの合金からなるグループから選択される材料でできている。この発明の一実施例において、オーミック接触層２３１は、第２のフィルム層２１３の上面に、チタン、アルミニウムおよびニッケルをスパッタリング、または、蒸気溶着し、その後、高温で焼なますことによって形成される。このようにして、第２のフィルム層２１３は、オーミック接触層２３１とのオーミック接触している。好ましくは、オーミック接触層２３１は、合金でできている。オーミック接触層２３１の厚みがあまりにも小さい場合、電流はオーミック接触層２３１においてスムーズに流れない可能性があり、抵抗は高いだろう。一方、オーミック接触層２３１の厚みがあまりにも大きい場合、オーミック接触層２３１は、高温炉配管におけるアニーリングの間、好ましい合金比率を有することができない可能性があり、低抵抗はやはり達成できない。従って、オーミック接触層２３１は、好ましくは、１６５ｎｍから３３０ｎｍの厚みを有する。オーミック接触層２３１は、低抵抗を有する電流伝送路を形成するために使用される。

バッファ層２３２は、オーミック接触層２３１の材料とは異なっており、チタン、タングステン、窒化チタン、タングステン窒化およびそれらの組み合わせからなるグループから選択される材料でできている。この発明の一実施例において、バッファ層２３２は、チタンでできていて、スパッター法、蒸着処理または化学蒸着処理によってオーミック接触層２３１に形成される。好ましくは、バッファ層２３２は、１０ｎｍから３０ｎｍの厚みを有する。

回路層２３３は、バッファ層２３２の表面と結びついて、外部回路から電力を受けるために外部回路に電気的に接続されるように構成される。回路層２３３は、主に良好な電気伝導率を得て、外部回路との電気接続を確実にするために、銅でできている。好ましくは、回路層２３３は、本体２１、オーミック接触層２３１およびバッファ層２３２と相まって、良好な電通効率を得るために５０ｎｍから１５０ｎｍの厚みを有する。

本体２１、ゲート構造物２２および２つの電極構造物２３は、半導体素子の高電子移動度を有するトランジスタを形成することができる。チャネルは、第２のフィルム層２１３の上側に形成されている。電極構造物２３のうちの１つは、ドレインとして機能し、電極構造物２３の他の１つは、ソースとして機能する。更に、ゲート構造物２２は、ゲートとして機能する。

所定の電圧が、ゲート構造物２２および電極構造物２３の１つに印加されるときに、所定の電圧差が、ゲートおよび本体２１との間に、そして、ドレインおよびソースとの間に形成される。この時に、半導体素子が、オン状態において正常に動作できるように、電流は、ドレインから本体２１の第２のフィルム層２１３のチャネルを介してソースへと流れることができる。ゲートおよび本体２１の間の、または、ドレインおよびソースの間の電圧差がない場合、半導体素子はオフ状態にある。

バッファ層２３２によって、半導体素子がオンまたはオフ状態にある場合、回路層２３３の銅原子が本体２１に拡散するのを防止される。従って、本体２１の半導体特性は、維持され、そして、半導体素子がオン状態にある場合、データ、例えば電流値、必要な電力、等価抵抗および半導体素子の電気部品の電気伝導率は、正確に算出されることができる。したがって、この発明の半導体素子は、高い信頼性を示す。

＜実施例＞
最初に、窒化ガリウムでできている第１のフィルム層２１２が、基板２１１に形成され、そして、アルミニウム窒化ガリウムでできている第２のフィルム層２１３が、第１のフィルム層２１２の上面に形成された。そして、その後に第２のフィルム層２１３の上面にゲート構造物２２を形成することが続いた。次に、フォトレジスト層（図示されていない）は、第２のフィルム層２１３およびゲート構造物の上面をカバーするために形成されて、第２のフィルム層２１４の上面の２つの部分を露出している２つの通り穴を有するようにパターンを形成された。それから、２０ｎｍのチタン、２５ｎｍのアルミニウムおよび１２０ｎｍのニッケルが、スパッター法によって第２のフィルム層２１３の上面の２つの露出部上に順々に蒸着させられた。チタン、アルミニウムおよびニッケルは、それから、１６５ｎｍの厚み幅を有するオーミック接触層２３１を構成する合金を形成するために、８００℃の温度で、高温炉配管において焼なましされた。その後で、主にチタンでできているバッファ層２３２は、スパッター法を使用して、オーミック接触層２３１の上面に形成された。銅でできている回路層２３３は、スパッター法を使用して、バッファ層２３２の上面に形成された。それによって、トランジスタのドレインおよびソースとして機能する２つの間隔を置かれた電極構造物２３を形成した。最後に、その上に形成されるフォトレジスト層および金属層は、はく離法を使用して除去された。こうして、本発明の半導体素子は、得られた。

＜比較例＞
最初に、窒化ガリウムでできている第１のフィルム層が、基板上に形成され、そして、アルミニウム窒化ガリウムでできている第２のフィルム層が、第１のフィルム層の上面に形成された。そして、その後に、第２のフィルム層の上面にゲート構造物を形成することが続いた。次に、上述した実施例のそれらと同じ材料でできているオーミック接触層および回路層は、上述した実施例と同様の方法で第２のフィルム層の上面に形成された。このように、比較例のための半導体素子は、得られる。

＜信頼性試験＞
実施例および比較例のための半導体素子の信頼性を測定するために、半導体デバイスは、一般の半導体素子のための動作温度（５００℃）より高い８００℃でのベーキング法を行うために、１０分間、高温炉配管に置かれた。

次に、実施例および比較例の両方に関する半導体素子のオーミック接触特性は、半導体素子の信頼性を測定するための伝送線路測定（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ：ＴＬＭ）方法によって測定された。

より詳しくは、実施例および比較例に関する半導体素子の各々において、直流電源の陽極が電極構造物のうちの１つに電気的に接続され、そして、電源装置の陰極が電極構造物の他方の１つに電気的に接続された。所定の電圧が電源から半導体素子に印加されるときに、２つの電極構造物は２つの抵抗器として機能し、そして、２つの電極構造物との間に位置付けされる第２のフィルム層はもう１つの抵抗器として機能する。このように、３つの抵抗器、すなわち、電極構造物のうちの１つによって形成された等価抵抗器、電極構造物との間に位置付けされる第２のフィルム層によって形成された等価抵抗器および電極構造物の他方の１つによって形成された等価抵抗器は、等価回路を形成するために、直列に接続された。２つの電極構造物が同じものであるので、第２のフィルム層の抵抗が入手可能である場合、電極構造物の等価抵抗は算出できる。

電源への接続が完了したあと、電極構造物との間に位置付けされた第２のフィルム層の長さは変えられ、そして、３つの抵抗器の全抵抗のバリエーションは測定された。このように、第２のフィルム層の断面積に対する抵抗性の比率を得ることができる。次に、抵抗の定義によって、すなわち、抵抗が、オブジェクトの断面積に対する抵抗性の比率が固定されるとき、オブジェクトの長さと比例している（Ｒ＝ρ（１／Ａ））ことによって、電極構造物の等価抵抗の総計は、３つの抵抗器の全抵抗から第２のフィルム層の等価抵抗を減算して算出できる。第２のフィルム層が銅原子をドーピングされない場合、第２のフィルム層の等価抵抗は一般のインピーダンスとみなされることができ、そして、断面積に対する抵抗性の比率は固定される。銅原子が第２のフィルム層に拡散する場合、断面積に対する抵抗性の比率は不安定であり、第２のフィルム層の長さが増加するにつれて、抵抗性は急速に増加する。

図３を参照すると、この発明の実施例の第２のフィルム層２１３の長さが変わるとき、測定された抵抗の分布は、一般的には傾斜線である、つまり、抵抗性は、急速な変化なく本発明の半導体素子の実施例の長さに比例している。電極構造物２３の接触抵抗は、７×１０^-5Ωｃｍ²に維持される。そして、そのことは、上述した実施例がより良い信頼性を有することを意味する。

本発明の半導体素子の好ましい実施例が、１つのトランジスタを有するにもかかわらず、本発明の半導体素子は、他の実施形態における複数のトランジスタを形成するために、複数の電極構造物および／またはゲート構造物を含むことができることに留意されたい。本発明の半導体素子が複数の電極構造物を含む場合、それは様々なタイプのトランジスタ、またはキャパシタ、抵抗器などとして形成されうる。

要約すれば、バッファ層２３２によって、本体２１への回路層２３３の銅原子の拡散を、緩和する又は排除することができ、そして、このように、この発明の半導体素子は優れた信頼性を有することができる。

本発明は、最も実際的で好ましい実施形態と考えられるものと関連して説明されたが、本発明は開示された実施形態に限られず、すべてのこの種の修正および同等の装置を含むように、幅広い解釈の範囲に含まれるさまざまな装置をカバーすることを目的とするものと理解される。

２１ 本体
２１２ 第１のフィルム層
２１３ 第２のフィルム層
２２１ ゲート電極層
２３ 電極構造物
２３１ オーミック接触層
２３２ バッファ層
２３３ 回路層

Claims (4)

1. ＧａＮ系の半導体材料でできている本体（２１）、および、
   外部回路に接続されるように構成された少なくとも１つの電極構造物（２３）であって、前記本体（２１）上に形成されるオーミック接触層（２３１）、前記本体（２１）の反対側の前記オーミック接触層（２３１）上に形成されるバッファ層（２３２）、および、銅系の材料でできており、前記オーミック接触層（２３１）の反対側の前記バッファ層（２３２）上に形成される回路層（２３３）を含み、前記オーミック接触層（２３１）は、チタン、アルミニウム、ニッケルおよびそれらの合金からなるグループから選択される材料でできており、前記バッファ層（２３２）は、前記オーミック接触層（２３１）の前記材料とは異なっており、かつ、チタン、タングステン、窒化チタン、窒化タングステンおよびそれらの組み合わせからなるグループから選択される材料でできている、電極構造物を含むこと、を特徴とする、半導体素子。
2. 前記電極構造物（２３）のうちの２つを含み、そして、導体材料でできており、かつ、前記本体（２１）上に形成されて、前記電極構造物（２３）から分離されているゲート電極層（２２１）を更に含むこと、を特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記オーミック接触層（２３１）は、１６５ｎｍから３３０ｎｍの厚みを有し、前記バッファ層（２３２）は、１０ｎｍから３０ｎｍの厚みを有し、そして、前記回路層（２３３）は、銅でできており、かつ、５０ｎｍから１５０ｎｍの厚みを有すること、を特徴とする、請求項２に記載の半導体素子。
4. 前記本体（２１）は、主に窒化ガリウムでできている第１のフィルム層（２１２）と、前記オーミック接触層（２３１）によるオーミック接触を作るために前記第１のフィルム層（２１２）上に形成され、かつ、主にアルミニウム窒化ガリウムでできている第２フィルム層（２１３）とを含むこと、を特徴とする、請求項３に記載の半導体素子。

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