JP2013172076A - 窒化物半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】オーミックコンタクト抵抗が低いオーミック電極を低い熱処理温度で形成できる窒化物半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】このＧａＮ系ＨＦＥＴは、Ｓｉ基板１０上に形成されたアンドープＧａＮ層１,アンドープＡｌＧａＮ層２と、アンドープＧａＮ層１,アンドープＡｌＧａＮ層２上に形成されたオーミック電極(ソース電極１１,ドレイン電極１２)を備える。このＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極におけるＴｉＡｌ合金のＡｌに対するＴｉの原子数比を４.０〜４０atom％の範囲内にした。また、上記オーミック電極のオーミックアニール温度を４５０℃以上かつ５００℃以下にした。
【選択図】図１
【解決手段】このＧａＮ系ＨＦＥＴは、Ｓｉ基板１０上に形成されたアンドープＧａＮ層１,アンドープＡｌＧａＮ層２と、アンドープＧａＮ層１,アンドープＡｌＧａＮ層２上に形成されたオーミック電極(ソース電極１１,ドレイン電極１２)を備える。このＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極におけるＴｉＡｌ合金のＡｌに対するＴｉの原子数比を４.０〜４０atom％の範囲内にした。また、上記オーミック電極のオーミックアニール温度を４５０℃以上かつ５００℃以下にした。
【選択図】図１
Description
この発明は、窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。
従来、窒化物半導体装置としては、ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層が形成され、このＡｌＧａＮ層から上記ＧａＮ層に至るリセスに、ＴｉおよびＡｌをこの順序で蒸着し、７００℃で熱処理して、オーミック電極としたものが、特許文献１(特許第４３３３６５２号公報)に開示されている。
ところが、上記窒化物半導体装置では、オーミック電極形成時の熱処理温度が低温(６００℃以下)では、低いオーミックコンタクト抵抗が得られないという問題がある。オーミック電極形成時の熱処理温度を高温にすると、ＧａＮ層からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化や特性の変動を招く可能性がある他、電極金属が絶縁膜へ拡散することにより不良が発生する可能性がある。
ここで、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。
そこで、この発明の課題は、オーミックコンタクト抵抗が低いオーミック電極を低い熱処理温度で形成でき、高性能で信頼性の高い窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明は、本発明者による種々の実験の過程で、窒化物半導体装置のＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極において、オーミックコンタクトに寄与すると考えられていたＴｉの原子数がＡｌの原子数に比べて少ない方が、コンタクト抵抗が低減しているという知見を得たことに基づいて、創出された。
すなわち、第１の発明の窒化物半導体装置は、基板と、
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
上記オーミック電極は、
Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であり、かつ、上記ヘテロ界面の近傍に形成される２次元電子ガス層とのコンタクト抵抗が、２Ωｍｍ以下であることを特徴としている。
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
上記オーミック電極は、
Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であり、かつ、上記ヘテロ界面の近傍に形成される２次元電子ガス層とのコンタクト抵抗が、２Ωｍｍ以下であることを特徴としている。
この発明の窒化物半導体装置によれば、上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極のＡｌに対するＴｉの原子数比を、４.０〜４０atom％としたことにより、４５０℃〜５００℃程度の低い温度の熱処理で２Ωｍｍ以下の低いコンタクト抵抗を得ることができる。
また、このように、オーミック電極の低いコンタクト抵抗を低い熱処理温度で得ることができるので、窒化物半導体層からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化を防止できる。
ここで、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記オーミック電極は、
上記窒化物半導体積層体上に、ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって作製されている。
上記窒化物半導体積層体上に、ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって作製されている。
この実施形態によれば、上記オーミック電極は、上記窒化物半導体積層体上に、ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なうことによって作製され、コンタクト抵抗を２Ωｍｍ以下にできる。
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、上記第２の窒化物半導体層を貫通して上記第１の窒化物半導体層の上側の一部に凹部が形成され、上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれている。
この実施形態によれば、第２の窒化物半導体層を貫通して第１の窒化物半導体層の上側の一部に形成された凹部に、オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、上記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのヘテロ界面近傍に形成される２次元電子ガス層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を２Ωｍｍ以下に低減できる。
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、基板と、
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
上記オーミック電極は、
ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって作製され、Ａｌに対するＴｉの原子数比が４.０atom％以上かつ４０atom％以下である。
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
上記オーミック電極は、
ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって作製され、Ａｌに対するＴｉの原子数比が４.０atom％以上かつ４０atom％以下である。
この実施形態の窒化物半導体装置によれば、ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって、上記ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極のＡｌに対するＴｉの原子数比を、４.０〜４０atom％とした。これにより、２Ωｍｍ以下の低いコンタクト抵抗を得ることができる。
また、第２の発明の窒化物半導体装置の製造方法は、基板上に第１,第２の窒化物半導体層を順に形成して上記第１,第２の窒化物半導体層によるヘテロ界面を有すると共に、上記ヘテロ界面の近傍に２次元電子ガス層が形成されるように、窒化物半導体積層体を形成し、
上記窒化物半導体積層体上に、ＴｉとＡｌを、Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であるＴｉＡｌ系材料が形成できるように設け、
上記ＴｉおよびＡｌに４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって、Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であるＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極を形成することを特徴としている。
上記窒化物半導体積層体上に、ＴｉとＡｌを、Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であるＴｉＡｌ系材料が形成できるように設け、
上記ＴｉおよびＡｌに４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって、Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であるＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極を形成することを特徴としている。
この発明の窒化物半導体装置の製造方法によれば、ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃〜５００℃で熱処理を行なって、Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０〜４０atom％であるＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極を形成する。これにより、２Ωｍｍ以下の低いコンタクト抵抗のオーミック電極を得ることができる。
また、一実施形態の窒化物半導体装置の製造方法では、上記オーミック電極は、
所定の厚さのＴｉ層上に所定の厚さのＡｌ層を積層し、そのＴｉ層とＡｌ層を熱処理して作製する。
所定の厚さのＴｉ層上に所定の厚さのＡｌ層を積層し、そのＴｉ層とＡｌ層を熱処理して作製する。
この実施形態によれば、上記所定の厚さのＴｉ層とＡｌ層を順に積層して上記熱処理を行なうことによって、２Ωｍｍ以下の低いコンタクト抵抗のオーミック電極を得ることができる。
また、一実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、上記窒化物半導体積層体を形成した後、エッチングにより上記第２の窒化物半導体層を貫通して上記第１の窒化物半導体層の上側の一部に凹部を形成し、
上記オーミック電極は、上記凹部に少なくとも一部が埋め込まれるように、上記窒化物半導体積層体上にＴｉとＡｌをスパッタリングして形成する。
上記オーミック電極は、上記凹部に少なくとも一部が埋め込まれるように、上記窒化物半導体積層体上にＴｉとＡｌをスパッタリングして形成する。
この実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、エッチングにより第２の窒化物半導体層を貫通して第１の窒化物半導体層の上側の一部に形成された凹部に、オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのヘテロ界面近傍の２次元電子ガス層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を２Ωｍｍ以下に低減できる。
この発明の窒化物半導体装置によれば、ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極のＡｌに対するＴｉの原子数比を、４.０〜４０atom％としたことで、４５０℃〜５００℃程度の低い温度の熱処理で２Ωｍｍ以下の低いコンタクト抵抗のオーミック電極を得ることができる。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
(第１の実施の形態)
図１はこの発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示しており、この窒化物半導体装置はＧａＮ系ＨＦＥＴ(Hetero-junction Field Effect Transistor；ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。
図１はこの発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示しており、この窒化物半導体装置はＧａＮ系ＨＦＥＴ(Hetero-junction Field Effect Transistor；ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。
この窒化物半導体装置は、図１に示すように、Ｓｉ基板１０上に、アンドープＡｌＧａＮバッファ層１５、第１の窒化物半導体層の一例としてのアンドープＧａＮチャネル層１と、第２の窒化物半導体層の一例としてのアンドープＡｌＧａＮバリア層２を形成している。このアンドープＧａＮチャネル層１とアンドープＡｌＧａＮバリア層２とのヘテロ界面近傍に２ＤＥＧ(２次元電子ガス)層３が発生する。上記アンドープＧａＮチャネル層１とアンドープＡｌＧａＮバリア層２とが窒化物半導体積層体２０を構成している。
なお、上記ＧａＮチャネル層１に替えて、上記ＡｌＧａＮバリア層２よりもバンドギャップの小さい組成を有するＡｌＧａＮ層としてもよい。また、上記ＡｌＧａＮバリア層２上にキャップ層として例えばＧａＮからなる約１ｎｍの厚さの層を設けてもよい。
また、ソース電極１１とドレイン電極１２とを、上記ＡｌＧａＮ層２,２ＤＥＧ３を貫通してＧａＮ層１まで達する凹部１０６と１０９に互いに間隔をあけて形成している。また、ＡｌＧａＮ層２上に、ソース電極１１とドレイン電極１２との間かつソース電極１１側にゲート電極１３を形成している。ソース電極１１とドレイン電極１２はオーミック電極であり、ゲート電極１３はショットキー電極である。上記ソース電極１１と、ドレイン電極１２と、ゲート電極１３と、そのソース電極１１,ドレイン電極１２,ゲート電極１３が形成されたＧａＮ層１,ＡｌＧａＮ層２の活性領域でＨＦＥＴを構成している。
ここで、活性領域とは、ＡｌＧａＮ層２上のソース電極１１とドレイン電極１２との間に配置されたゲート電極１３に印加される電圧によって、ソース電極１１とドレイン電極１２との間でキャリアが流れる窒化物半導体層(ＧａＮ層１,ＡｌＧａＮ層２)の領域である。
そして、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３が形成された領域を除くＡｌＧａＮ層２上に、ＡｌＧａＮ層２を保護するため、ＳｉＯ２からなる絶縁膜３０を形成している。また、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３とが形成されたＳｉ基板１０上に、ポリイミドからなる層間絶縁膜４０を形成している。また、図１において、４１はコンタクト部としてのビア、４２はドレイン電極パッドである。なお、絶縁膜は、ＳｉＯ２に限らず、ＳｉＮやＡｌ２Ｏ３などを用いてもよい。特に、絶縁膜として、コラプス抑制のために半導体層表面にストイキオメトリックを崩したＳｉＮ膜と表面保護のためのＳｉＯ２やＳｉＮの多層膜構造とするのが好ましい。また、層間絶縁膜は、ポリイミドに限らず、ｐ−ＣＶＤ(プラズマＣＶＤ)で製造したＳｉＯ２膜やＳＯＧ(Spin On Glass)やＢＰＳＧ(ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。
上記構成の窒化物半導体装置において、ＧａＮ層１とＡｌＧａＮ層２との界面近傍に発生した２次元電子ガス(２ＤＥＧ)層３でチャネルが形成され、このチャネルをゲート電極１３に電圧を印加することにより制御して、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３を有するＨＦＥＴをオンオフさせる。このＨＦＥＴは、ゲート電極１３に負電圧が印加されているときにゲート電極１３下のＧａＮ層１に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極１３の電圧がゼロのときにゲート電極１３下のＧａＮ層１に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。
次に、上記窒化物半導体装置の製造方法を図２〜図５に従って説明する。なお、図２〜図５では、図を見やすくするためにＳｉ基板やアンドープＡｌＧａＮバッファ層を図示せず、また、ソース電極とドレイン電極の大きさや間隔を変えている。
まず、図２に示すように、Ｓｉ基板(図示せず)上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法を用いて、アンドープＡｌＧａＮバッファ層(図示せず)、アンドープＧａＮ層１０１とアンドープＡｌＧａＮ層１０２を順に形成する。アンドープＧａＮ層１０１の厚さは例えば１μｍ、アンドープＡｌＧａＮ層１０２の厚さは例えば３０ｎｍとする。このＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２が窒化物半導体積層体１２０を構成している。
次に、ＡｌＧａＮ層１０２上に絶縁膜１３０(例えばＳｉＯ２)を例えばプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長))法により２００ｎｍ成膜する。図２において、１０３は、ＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２とのヘテロ界面近傍に形成される２次元電子ガス(２ＤＥＧ)層１０３である。
次に、絶縁膜１３０上にフォトレジスト(図示せず)を塗布してパターニングした後、塩素系ドライエッチングにより、図３に示すように、オーミック電極を形成すべき部分を除去して、ＡｌＧａＮ層１０２を貫通してＧａＮ層１０１の上側の一部に２ＤＥＧ層１０３よりも深い凹部１０６,１０９を形成する。この凹部１０６,１０９の深さはＡｌＧａＮ層１０２の表面から２ＤＥＧ層までの深さ以上であればよく、例えば５０ｎｍとする。そして、上記塩素系ドライエッチング後に、エッチングダメージを低減するためのアニールを行う(例えば５００〜８５０℃)。
次に、図４に示すように、絶縁膜１３０上および凹部１０６,１０９にスパッタリングにより、Ｔｉ,Ａｌ,ＴｉＮを順に積層することで、Ｔｉ/Ａｌ/ＴｉＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成する。ここで、ＴｉＮ層は、後工程からＴｉ/Ａｌ層を保護するためのキャップ層である。
上記スパッタリングにおいて、上記Ｔｉ層の層厚α(ｎｍ)と上記Ａｌ層の層厚β(ｎｍ)との比α/βを、４/１００〜４０/１００として、後述するオーミックアニール工程の後に形成されるオーミック電極のＴｉＡｌ合金のＡｌに対するＴｉの原子数比が、４.０〜４０atom％の範囲内(例えば８atom％)となるようにした。
尚、上記スパッタリングに替えて上記Ｔｉ,Ａｌを蒸着してもよい。
次に、図５に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極１１１,１１２のパターンを形成する。
そして、オーミック電極１１１,１１２が形成された基板を例えば４５０℃以上かつ５００℃以下で１０分間以上アニールすることによって、２次元電子ガス(２ＤＥＧ)１０３とオーミック電極１１１,１１２との間にオーミックコンタクトが得られる。この場合、５００℃を超える高温(例えば６００℃以上)でアニールした場合に比べて、コンタクト抵抗を大幅に低減できる。また、４５０℃以上かつ５００℃以下の低温でアニールすることにより絶縁膜１３０への電極金属の拡散を抑制でき絶縁膜１３０の特性に悪影響を与えることがない。また、上記低温のアニールにより、ＧａＮ層１０１からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化や特性変動を防ぐことができる。なお、「電流コラプス」とは、低電圧動作でのトランジスタのオン抵抗と比べて高電圧動作でのトランジスタのオン抵抗が高くなってしまう現象である。
ここでは、上記アニール時間を１０分間以上としたが、上記アニール時間は、ＡｌにＴｉが十分に拡散する時間に設定すればよい。
このオーミック電極１１１,１１２がソース電極とドレイン電極となり、後の工程でオーミック電極１１１,１１２の間にＴｉＮまたはＷＮなどからなるゲート電極が形成される。
本発明者らは、窒化物半導体装置の１つであるＧａＮ系ＨＦＥＴについて行った様々な実験の過程で、ＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極中のＴｉＡｌ合金において、Ａｌの原子数に対してＴｉの原子数を４.０〜４０％とした方が、良好なオーミックコンタクトが得られることを見出した。
すなわち、この実施形態によれば、ＡｌＧａＮ層１０２を貫通してＧａＮ層１０１の上側の一部まで形成された凹部１０６,１０９にオーミック電極１１１,１１２の一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、ＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２とのヘテロ界面近傍の２次元電子ガス(２ＤＥＧ)層１０３とオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
図６は、上記窒化物半導体装置のオーミック電極のＴｉ/Ａｌ濃度(％)とオーミックコンタクト抵抗との関係を示す図である。図６では、ＴｉＡｌ合金のＡｌの原子数に対するＴｉの原子数の比率(atom％)をＴｉ/Ａｌ濃度(％)として横軸に取り、縦軸に上記オーミック電極のコンタクト抵抗(Ωｍｍ)を取っている。図６の横軸のＴｉ/Ａｌ濃度(％)は、ＡＥＳ(Atomic Emission Spectroscopy:オージェ電子分光法)を用い、アニール後のオーミック電極についてＡｌ濃度,Ｔｉ濃度がほぼ一定(ほぼ均一)になっているところで測定した。なお、上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)の測定は、ＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectroscopy:二次イオン質量分析法)などの他の測定方法を用いて行ってもよい。
図６において、Ｋ１は、オーミックアニール温度を４２０℃とした場合の特性であり、Ｋ２,Ｋ３,Ｋ４,Ｋ５,Ｋ６は、それぞれ、オーミックアニール温度を４５０℃,４７５℃,５００℃,５２５℃,５５０℃とした場合の特性である。図６から明らかなように、オーミック電極の上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)を４.０％以上かつ４０％以下とすることで、オーミックアニール温度が４５０℃以上かつ５００℃以下の範囲において、オーミック電極のコンタクト抵抗が２Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置を実現することができる。
このようなコンタクト抵抗が２Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置は、シリコン素子よりも大電流駆動が可能でかつ高温動作に適した製品として性能面およびコスト面で商業的価値を有する。
また、２Ωｍｍ以下の低いオーミックコンタクト抵抗のオーミック電極を４５０℃〜５００℃の低い熱処理温度で形成できるので、ＧａＮ層からの窒素抜けによる電流コラプスの悪化や特性変動を防止できる。また、電極金属が絶縁膜３０に拡散することを抑制でき、絶縁膜の特性を損なうおそれがない。
一方、オーミックアニール温度が４５０℃以上かつ５００℃以下の範囲でも、上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４.０％を下回る場合や上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４０％を上回る場合にはコンタクト抵抗が急上昇している。
また、オーミック電極の上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)を４.０％以上かつ４０％以下とした場合でも、オーミックアニール温度を４５０℃を下回る４２０℃にした場合(特性Ｋ２)には、コンタクト抵抗を２Ωｍｍ以下にできていない。また、オーミックアニール温度を５００℃を上回る５２５℃,５５０℃(特性Ｋ５,Ｋ６)にした場合には、上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４.０％のときに、コンタクト抵抗を２Ωｍｍ以下にできるが、上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が１５％になるとコンタクト抵抗が２Ωｍｍを上回っている。
次に、図７は、上記窒化物半導体装置のオーミック電極のオーミックアニール温度とオーミックコンタクト抵抗との関係を示す図である。図７では、上記オーミックアニール温度を熱処理温度(℃)として横軸に取り、縦軸に上記オーミック電極のコンタクト抵抗(Ωｍｍ)を取っている。図７において、Ｚ１は、ＴｉＡｌ合金のＡｌの原子数に対するＴｉの原子数の比率(％)であるＴｉ/Ａｌ濃度(％)を２％とした場合の特性であり、Ｚ２,Ｚ３,Ｚ４,Ｚ５は、それぞれ、上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)を４.０％,１５％,４０％,１００％とした場合の特性である。
図７から分かるように、オーミックアニール温度を４５０℃〜５００℃の範囲内にすることで、Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４.０％以上かつ４０％以下の範囲でオーミック電極のコンタクト抵抗が２Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置を実現することができる。
また、Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４.０％(特性Ｚ２)の場合には、オーミックアニール温度が５００℃を超えても、コンタクト抵抗は２Ωｍｍ以下のままである。一方、Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４.０％の場合でも、オーミックアニール温度が４５０℃を下回り、４２０℃になるとコンタクト抵抗が２Ωｍｍを超えている。
また、Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が１５％,４０％(特性Ｚ３,Ｚ４)の場合には、オーミックアニール温度が４５０℃を下回るとコンタクト抵抗が急上昇し２Ωｍｍを超えている。Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が１５％(特性Ｚ３)の場合には、オーミックアニール温度が５００℃を上回るとコンタクト抵抗が上昇し、５５０℃では約３Ωｍｍに達している。また、Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４０％(特性Ｚ４)の場合には、オーミックアニール温度が５００℃を上回るとコンタクト抵抗が急上昇し、５５０℃では９Ωｍｍを超えている。
また、上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４.０％を下回る２％(特性Ｚ１)では、オーミックアニール温度が４２０℃〜５５０℃に亘って、コンタクト抵抗が４Ωｍｍ以上であった。また、上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)が４０％を上回る１００％(特性Ｚ５)では、オーミックコンタクトが取れず非オーミック電極であった。
上述の図６,図７の特性から、オーミック電極の上記Ｔｉ/Ａｌ濃度(％)を４.０％以上かつ４０％以下とすると共に、オーミックアニール温度を４５０℃以上かつ５００℃以下とすることによって、オーミック電極のコンタクト抵抗が２Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置を実現することができる。このオーミック電極のコンタクト抵抗が２Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置は、シリコン素子よりも大電流駆動が可能でかつ高温動作に適した製品として性能面およびコスト面で商業的価値を有する。また、上述の図６の特性から、オーミック電極のＡｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ１０atom％以下の範囲であれば、より広いアニール温度範囲(４２０℃〜５５０℃)でオーミック電極のコンタクト抵抗を低減でき、コンタクト抵抗のばらつきを抑制できるので、好ましい。
尚、上記実施形態では、絶縁膜１３０、ＡｌＧａＮ層１０２、ＧａＮ層１０１をドライエッチングにより除去し、凹部１０６,１０９を形成したが、絶縁膜１３０をウェットエッチングにより除去し、その後ＡｌＧａＮ層１０２、ＧａＮ層１０１をドライエッチングにより除去することにより、凹部１０６,１０９を形成してもよい。
また、上記実施形態では、上記ＡｌＧａＮバリア層２上にＳｉＯ２からなる絶縁膜３０を形成したが、この絶縁膜３０は形成しなくてもよい。また、上記実施形態では、上記ＳｉＯ２からなる絶縁膜３０に形成した開口に露出したＡｌＧａＮ層２にショットキー電極としてのゲート電極１３を形成したが。上記絶縁膜３０上にゲート電極を形成してＭＯＳ構造としてもよい。
また、上記実施形態では、Ｔｉ/Ａｌ/ＴｉＮを積層してオーミック電極としたが、これに限らず、ＴｉＮはなくともよく、また、Ｔｉ/Ａｌを積層した後、その上にＡｕ,Ａｇ,Ｐｔなどを積層してもよい。
また、上記実施の形態では、Ｓｉ基板を用いた窒化物半導体装置について説明したが、Ｓｉ基板に限らず、サファイヤ基板やＳｉＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳｉＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧａＮ基板にＡｌＧａＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成してもよいし、窒化物半導体層の第１半導体層と第１半導体層と第２半導体層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。
また、上記実施形態では、オーミック電極がＧａＮ層に達するリセス構造のＨＦＥＴについて説明したが、リセスを形成せずにアンドープＡｌＧａＮ層上にソース電極およびドレイン電極となるオーミック電極を形成したＨＦＥＴにこの発明を適用してもよい。
また、この発明の窒化物半導体装置は、２ＤＥＧを利用するＨＦＥＴに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。
また、上記実施の形態では、ノーマリーオンタイプのＨＦＥＴについて説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置にこの発明を適用してもよい。また、ショットキー電極に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタにこの発明を適用してもよい。
この発明の窒化物半導体装置の窒化物半導体は、ＡｌxＩnyＧａ１−x−yＮ(ｘ≦０、ｙ≦０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
１,１０１ ＧａＮ層
２,１０２ ＡｌＧａＮ層
３,１０３ ２ＤＥＧ層
１０ Ｓｉ基板
１１ ソース電極
１２ ドレイン電極
１３ ゲート電極
１５ ＡｌＧａＮバッファ層
２０,１２０ 窒化物半導体積層体
３０,１３０ 絶縁膜
４０ 層間絶縁膜
４１ ビア
４２ ドレイン電極パッド
１０６,１０９ 凹部
１１１,１１２ オーミック電極
２,１０２ ＡｌＧａＮ層
３,１０３ ２ＤＥＧ層
１０ Ｓｉ基板
１１ ソース電極
１２ ドレイン電極
１３ ゲート電極
１５ ＡｌＧａＮバッファ層
２０,１２０ 窒化物半導体積層体
３０,１３０ 絶縁膜
４０ 層間絶縁膜
４１ ビア
４２ ドレイン電極パッド
１０６,１０９ 凹部
１１１,１１２ オーミック電極
Claims (7)
- 基板と、
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
上記オーミック電極は、
Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であり、かつ、上記ヘテロ界面の近傍に形成される２次元電子ガス層とのコンタクト抵抗が、２Ωｍｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。 - 請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
上記オーミック電極は、
上記窒化物半導体積層体上に、ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって作製されていることを特徴とする窒化物半導体装置。 - 請求項１または２に記載の窒化物半導体装置において、
上記第２の窒化物半導体層を貫通して上記第１の窒化物半導体層の上側の一部に凹部が形成され、上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれていることを特徴とする窒化物半導体装置。 - 基板と、
上記基板上に形成されていると共にヘテロ界面を有する窒化物半導体積層体と、
上記窒化物半導体積層体上または上記窒化物半導体積層体内に少なくとも一部が形成されたＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記窒化物半導体積層体は、
上記基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
上記第１の窒化物半導体層上に形成されていると共に上記第１の窒化物半導体層とヘテロ界面を形成する第２の窒化物半導体層と
を有し、
上記オーミック電極は、
上記窒化物半導体積層体上に、ＴｉとＡｌをＴｉ,Ａｌの順に積層し、４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって作製され、Ａｌに対するＴｉの原子数比が４.０atom％以上かつ４０atom％以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。 - 基板上に第１,第２の窒化物半導体層を順に形成して上記第１,第２の窒化物半導体層によるヘテロ界面を有すると共に、上記ヘテロ界面の近傍に２次元電子ガス層が形成されるように、窒化物半導体積層体を形成し、
上記窒化物半導体積層体上に、ＴｉとＡｌを、Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であるＴｉＡｌ系材料が形成できるように設け、
上記ＴｉおよびＡｌに４５０℃以上かつ５００℃以下で熱処理を行なって、Ａｌに対するＴｉの原子数比が、４.０atom％以上かつ４０atom％以下であるＴｉＡｌ系材料からなるオーミック電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項５に記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
上記オーミック電極は、
所定の厚さのＴｉ層上に所定の厚さのＡｌ層を積層し、そのＴｉ層とＡｌ層を熱処理して作製することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項５または６に記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
上記窒化物半導体積層体を形成した後、エッチングにより上記第２の窒化物半導体層を貫通して上記第１の窒化物半導体層の上側の一部に凹部を形成し、
上記オーミック電極は、上記凹部に少なくとも一部が埋め込まれるように、上記窒化物半導体積層体上にＴｉとＡｌをスパッタリングして形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
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