JP2016039210A - Ｉｉｉ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐圧性が高いＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法を提供する。【解決手段】ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜３と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３上に形成されたショットキー電極４と、を備え、ショットキー電極４は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケルを主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金を主成分とする第２金属層４２と、を含み、第１金属層４１は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法に関し、詳しくは、ショットキー電極を含み耐圧性が高いＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法に関する。

ＩＩＩ族窒化物半導体の一例である窒化ガリウム（ＧａＮ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて、約３倍のバンドキャップ、約１０倍の高い絶縁破壊電界強度、さらには大きな飽和電子速度などの様々な優れた特性を有している。すなわちＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体は、従来のＳｉパワーデバイスでは困難な高耐圧化と、低損失化、すなわち低オン抵抗化との両立が期待できるため、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などのパワーデバイス（電力用半導体素子）への応用が期待されている。

ＳＢＤなどのショットキー電極を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスにおいて、ＩＩＩ族窒化物半導体層上にショットキー電極を形成する場合には、仕事関数が大きい金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属を用いるのが好ましい。

国際公開２０１０／０１６３８８号公報（特許文献１）は、ＳＢＤの耐圧性を高くする観点から、ＧａＮ基板と、ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮ層と、ＧａＮ層上に形成されたショットキー電極と、を備え、ショットキー電極は、ＧａＮ層と接触する位置に形成され、かつＮｉまたはＮｉ合金からなる第１の層を含むＳＢＤを開示する。

国際公開２０１０／０１６３８８号公報

国際公開２０１０／０１６３８８号公報（特許文献１）に開示されたＳＢＤは、ＧａＮ層の表面に形成される酸化物膜は除去が困難であることから、ショットキー電極のＧａＮ層と接触する位置に形成されかつＮｉまたはＮｉ合金からなる第１の層中のニッケル（Ｎｉ）が酸化物膜中の酸素（Ｏ）と反応して、ＧａＮ層とショットキー電極との界面にバリアハイトの低い酸化ニッケル（ＮｉＯ）を形成するため、耐圧が低下するという問題点があった。

そこで、上記問題点を解決して、耐圧性が高いＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜上に形成されたショットキー電極と、を備え、ショットキー電極は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含み、第１金属層は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域を含む。

本発明のある態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜上に形成されたショットキー電極と、を備え、ショットキー電極は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含む金属膜を含み、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理されることにより得られる。

本発明のさらに別の態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板上にＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜上にショットキー電極を形成する工程と、を備え、ショットキー電極を形成する工程は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、前記第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含む金属膜を形成するサブ工程と、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理するサブ工程と、を含む。

上記態様によれば、耐圧性が高いＩＩＩ族窒化物半導体デバイスおよびその製造方法が提供できる。

本発明のある態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの一例を示す概略断面図である。 本発明のさらに別の態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートである。 本発明のさらに別の態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法における熱処理前の金属膜およびその近傍のＩＩＩ族窒化物半導体膜の概略断面図ならびに含有原子の濃度を示すチャートである。 本発明のさらに別の態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法における熱処理後のショットキー電極およびその近傍のＩＩＩ族窒化物半導体膜の概略断面図ならびに含有原子の濃度を示すチャートである。 本発明のさらに別の態様ならびにその他の態様にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法における金属膜の熱処理温度と得られるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの耐圧との関係を示すグラフである。

［本発明の実施形態の説明］
本発明のある実施形態にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜上に形成されたショットキー電極と、を備え、ショットキー電極は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含み、第１金属層は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域を含む。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ショットキー電極が、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含み、第１金属層が、ＩＩＩ族窒化物半導体膜との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域を含むため、耐熱性および耐圧性が高い。

本発明の別の実施形態にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜上に形成されたショットキー電極と、を備え、ショットキー電極は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含む金属膜を含み、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理されることにより得られる。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含む金属膜を、不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理されることにより形成されるショットキー電極の第１金属層が、ＩＩＩ族窒化物半導体膜との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域を含むため、耐熱性および耐圧性が高い。

本発明のさらに別の実施形態にかかるＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板上にＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜上にショットキー電極を形成する工程と、を備え、ショットキー電極を形成する工程は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含む金属膜を形成するサブ工程と、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理するサブ工程と、を含む。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法は、ショットキー電極を形成する工程において、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含む金属膜を形成するサブ工程と、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理するサブ工程と、を含むことから、かかる工程により形成されるショットキー電極の第１金属層のＩＩＩ族窒化物半導体膜との界面側にショットキー接触金含有ニッケル領域が形成されるため、耐熱性および耐圧性が高いＩＩＩ族窒化物半導体デバイスが得られる。

［本発明の実施形態の詳細］
＜ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス＞
｛実施形態１｝
図１を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜３と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３上に形成されたショットキー電極４と、を備え、ショットキー電極４は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケルを主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金を主成分とする第２金属層４２と、を含み、第１金属層４１は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇを含む。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１は、ショットキー電極４が、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケルを主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金を主成分とする第２金属層４２と、を含み、第１金属層４１が、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇを含むため、耐熱性および耐圧性が高い。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１は、大電流に有利な縦型デバイス構造にする観点から、オーミック電極６をさらに備えることができる。

（ＩＩＩ族窒化物半導体基板）
ＩＩＩ族窒化物半導体基板２は、一の主面２ａを有するＩＩＩ族窒化物半導体部分を含む半導体基板をいう。すなわち、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２は、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層で形成されている半導体基板であってもよく、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層とＩＩＩ族窒化物以外の化学組成を有する少なくとも１層の半導体層および少なくとも１層の導電体層の少なくとも１層とで形成されている半導体基板であってもよい。ここで、ＩＩＩ族窒化物以外の化学組成を有する半導体層とは、シリコン（Ｓｉ）層などのＩＶ族半導体層、炭化シリコン（ＳｉＣ）層などのＩＶ族化合物半導体層、ＩＩＩ族窒化物層以外のヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）層などのＩＩＩ−Ｖ族半導体層、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層などのＩＩ−ＶＩ族半導体層などが挙げられる。また、導電層とは、モリブデン（Ｍｏ）層などの金属層、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）層などの酸化物導電層などが挙げられる。

（ＩＩＩ族窒化物半導体膜）
ＩＩＩ族窒化物半導体膜３は、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を含む。すなわち、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３は、単層のＩＩＩ族窒化物半導体層で形成されている膜であっても、複層のＩＩＩ族窒化物半導体層で形成されている膜であってもよい。

（ショットキー電極）
ショットキー電極４は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケル（Ｎｉ）を主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金（Ａｕ）を主成分とする第２金属層４２と、を含み、第１金属層４１は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇを含む。

第１金属層４１は、Ｎｉを主成分とし、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触している。このため、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは耐熱性が高い。ここで、Ｎｉを主成分とするとは、その層を形成する元素の全原子に対するＮｉ原子が５０原子％以上であることをいい、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の耐熱性を高める観点から、６０原子％以上が好ましく、９０原子％以上がより好ましい。第１金属層４１は、たとえば、Ｎｉ層、Ｎｉ−Ａｕ層、Ｎｉ−Ｐｄ層、Ｎｉ−Ｐｔ層などが好適に挙げられる。

第１金属層４１は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇを含み、反対側に主領域４１ｍを含む。このため、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは、耐熱性が高くかつ耐圧性が高い。ここで、ショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇは、特に制限はないが、耐熱性および耐圧性を高める観点から、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３との界面側に連続的に層状になって広がっていることが好ましい。また、ショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇを形成する元素の全原子に対する金（Ａｕ）原子は、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１のバリアハイトを高くする観点から、１原子％以上が好ましく、５原子％以上がより好ましく、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の耐圧性を高くする観点から、５０原子％以下が好ましく、２０原子％以下がより好ましい。

第２金属層４２は、Ａｕを主成分とし、第１金属層４１に接触している。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触する第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する第２金属層４２とを含む金属膜を熱処理することにより、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３の主面３ａ上に形成されていた酸化物膜中のＯ原子をＮｉ原子に結合させることにより形成されたＮｉＯを第２金属層４２側に移動させるとともに、第２金属層４２中のＡｕ原子が第１金属層４１のＩＩＩ族窒化物半導体膜３側に移動して、第１金属層４１のＩＩＩ族窒化物半導体膜３側にショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇが形成される。ここで、Ａｕを主成分とするとは、その層を形成する元素の全原子に対するＡｕ原子が５０原子％以上であることをいい、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の耐圧性を高める観点から、６０原子％以上が好ましく、９０原子％以上がより好ましい。第２金属層４２は、たとえば、Ａｕ層、Ａｕ−Ｎｉ層、Ａｕ−Ｐｔ層、Ａｕ−Ｐｄ層などが好適に挙げられる。

ここで、ショットキー電極４の第１金属層４１（ショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇおよび主領域４１ｍ）および第２金属層４２に含まれる各元素の原子の原子％は、ＥＤＸ（エネルギー分散Ｘ線分析）法により測定される。

（オーミック電極）
オーミック電極６は、大電流に有利な縦型デバイス構造にする観点から、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２のＩＩＩ族窒化物半導体膜３が形成されている主面２ａと反対側の主面２ｂ上に形成され得る。オーミック電極は、低い接触抵抗を得る観点から、たとえば、Ａｌ電極、Ｔｉ電極、Ａｌ／Ｔｉ電極、Ａｌ−Ｔｉ電極などが好適に挙げられる。

｛実施形態２｝
図１を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜３と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３上に形成されたショットキー電極４と、を備え、ショットキー電極４は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケルを主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金を主成分とする第２金属層４２と、を含む金属膜を含み、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理されることにより得られる。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケルを主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金を主成分とする第２金属層４２と、を含む金属膜を、不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理されることにより形成されるショットキー電極４の第１金属層４１が、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇを含むため、耐熱性および耐圧性が高い。

すなわち、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１は、第１金属層４１と第２金属層４２とを含む金属膜を、不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理されることにより、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３との界面側にショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇが形成されるため、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１と同様の構造を有する。

したがって、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１におけるＩＩＩ族窒化物半導体基板２、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３、ショットキー電極４、第１金属層４１（ショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇおよび主領域４１ｍ）、および第２金属層４２は、実施形態１のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１におけるＩＩＩ族窒化物半導体基板２、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３、ショットキー電極４、第１金属層４１（ショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇおよび主領域４１ｍ）、および第２金属層４２とそれぞれ同じである。また、不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理することについては、後述する。

＜ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法＞
｛実施形態３｝
図１および図２を参照して、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２を準備する工程Ｓ１０と、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２上にＩＩＩ族窒化物半導体膜３を形成する工程Ｓ２０と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３上にショットキー電極４を形成する工程Ｓ４０と、を備える。ショットキー電極を形成する工程Ｓ４０は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケルを主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金を主成分とする第２金属層４２と、を含む金属膜を形成するサブ工程ＳＳ４１と、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理するサブ工程ＳＳ４２と、を含む。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の製造方法は、ショットキー電極を形成する工程Ｓ４０において、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケルを主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金を主成分とする第２金属層４２と、を含む金属膜を形成するサブ工程ＳＳ４１と、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理するサブ工程ＳＳ４２と、を含むことから、かかる工程により形成されるショットキー電極の第１金属層のＩＩＩ族窒化物半導体膜との界面側にショットキー接触金含有ニッケル領域が形成されるため、耐熱性および耐圧性が高いＩＩＩ族窒化物半導体デバイスが得られる。

本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の製造方法において、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスのオン抵抗を低減する観点から、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２のＩＩＩ族窒化物半導体膜３が形成されている側と反対側上にオーミック電極を形成する工程Ｓ３０をさらに備えることが好ましい。

（ＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２を準備する工程Ｓ１０を備える。ＩＩＩ族窒化物半導体基板２を準備する方法は、そのＩＩＩ族窒化物半導体基板２に適したものであれば特に制限はない。ＩＩＩ族窒化物半導体基板２が少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層で形成されている場合は、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法、ＭＢＥ（分子線成長）法、昇華法などの気相法、高窒素圧溶液法、フラックス法などの液相法などにより形成される。ＩＩＩ族窒化物半導体基板２が少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層とＩＩＩ族窒化物以外の化学組成を有する少なくとも１層の半導体層および少なくとも１層の導電層の少なくとも１層とで形成されている場合は、ＩＩＩ族窒化物以外の化学組成を有する少なくとも１層の半導体層および少なくとも１層の導電層の少なくとも１層と上記の方法で形成された少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層とが貼り合わされていてもよく、ＩＩＩ族窒化物以外の化学組成を有する少なくとも１層の半導体層および少なくとも１層の導電層の少なくとも１層の上に上記の方法で少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層が形成されていてもよい。

（ＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２の主面２ａ上にＩＩＩ族窒化物半導体膜３を形成する工程Ｓ２０を備える。ＩＩＩ族窒化物半導体膜３は、少なくとも１層のＩＩＩ族窒化物半導体層を含み、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法、昇華法などの気相法、高窒素圧溶液法、フラックス法などの液相法などにより形成される。

（オーミック電極を形成する工程）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２のＩＩＩ族窒化物半導体膜３が形成されている主面２ａ側と反対側の主面３ｂ上にオーミック電極６を形成する工程Ｓ３０を備えることができる。オーミック電極６を形成する方法は、そのオーミック電極６の形成に適している限り特に制限はなく、ＥＢ（電子線）蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法などが挙げられる。また、オーミック電極６は、低抵抗化を図り、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２との密着性を高める観点から、形成した後、熱処理することが好ましい。

（ショットキー電極を形成する工程）
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３上にショットキー電極４を形成する工程Ｓ４０と、を備える。ショットキー電極４を形成する工程Ｓ４０は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３に接触するニッケルを主成分とする第１金属層４１と、第１金属層４１に接触する金を主成分とする第２金属層４２と、を含む金属膜を形成するサブ工程ＳＳ４１と、金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理するサブ工程ＳＳ４２と、を含む。
第１金属層４１と第２金属層４２とを含む金属膜を形成するサブ工程ＳＳ４１において、金属膜を形成する方法は、第１金属層４１および第２金属層４２のそれぞれの形成に適した方法であれば特に制限はなく、ＥＢ（電子線）蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタ法などが挙げられる。また、第１金属層４１の形成方法と第２金属層４２の形成方法とが同じであっても異なっていてもよい。

図３を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３であるＧａＮ膜上にＥＢ蒸着法により形成された第１金属層４１としてのＮｉ層と第２金属層４２としてのＡｕ層を含む金属膜およびその近傍のＩＩＩ族窒化物半導体膜３としてのＧａＮ膜の断面を図３（Ａ）に示し、その断面においてＧａＮ膜内部からＮｉ層内部を経てＡｕ層内部に至る１００ｎｍの距離に亘る各点におけるＥＸＤ法により測定される含有元素の濃度を図３（Ｂ）に示し、ＧａＮ膜とＮｉ層との界面におけるＥＸＤ法により測定される含有元素の濃度を表１の熱処理前の欄に示す。ＧａＮ膜とＮｉ層と境界領域にＯが検出されることから、ＧａＮ膜の表面に酸化物領域が存在することがわかる。

金属膜を熱処理するサブ工程ＳＳ４２において、金属膜を熱処理する雰囲気は、特に制限はないが、Ｎｉ膜の酸化を抑制する観点から、不活性ガス雰囲気が好ましい。ここで、不活性ガスとは、酸素（Ｏ）と反応しないガス、たとえば、窒素ガス（Ｎ₂ガス）、アルゴンガス（Ａｒガス）、ネオンガス（Ｎｅガス）、ヘリウムガス（Ｈｅガス）などをいう。さらに、熱処理の際のＧａＮ膜からの窒素（Ｎ）抜けを抑制する観点から、窒素ガス（Ｎ₂ガス）がより好ましい。また、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの耐圧性を高める観点から、３５０℃以上５５０℃以下であり、４００℃以上５３０℃以下が好ましく、４５０℃以上５１０℃以下がより好ましい。

図４を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３であるＧａＮ膜上に形成された第１金属層４１としてのＮｉ層と第２金属層４２としてのＡｕ層を含む金属膜を窒素ガス雰囲気下５００℃で熱処理することにより形成されたショットキー電極４およびその近傍のＩＩＩ族窒化物半導体膜３の断面を図４（Ａ）に示し、その断面においてＧａＮ膜内部からＮｉ層内部を経てＡｕ層内部に至る１００ｎｍの距離に亘る各点におけるＥＸＤ法により測定される含有元素の濃度を図４（Ｂ）に示し、ＧａＮ膜とＮｉ層との界面におけるＥＸＤ法により測定される含有元素の濃度を表１の熱処理後の欄に示す。ＧａＮ膜とＮｉ層と境界領域において、Ｏが検出されなくなり、Ａｕが検出されることから、ＧａＮ膜の表面に形成されていた酸化物領域が低減し、Ｎｉ層のＧａＮ膜側にショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇが形成されていることがわかる。

図３と図４との対比および表１の熱処理の前後の対比から、ＧａＮ膜と金属膜の第１金属層４１としてのＮｉ層との境界領域にＯが検出されるのに対し、金属膜の熱処理によりショットキー電極を形成すると、ＧａＮ膜とショットキー電極の第１金属層４１との境界領域に、Ｏ検出されなくなり、Ａｕが検出される。このことは、熱処理前にＧａＮ膜の表面に存在していた酸化物のＯとＮｉ層のＮｉとが結合しＡｕ層側に移動し、Ａｕ層中のＡｕがＮｉ層を経由してＮｉ層のＧａＮ膜側に移動してショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇが形成されたものと考えられる。

（実施例１）
１．ＩＩＩ族窒化物半導体基板の準備
図１および図２を参照して、まず、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２を準備する工程Ｓ１０において、ＩＩＩ族窒化物半導体基板２として、ＨＶＰＥ法により作製された主面２ａが（０００１）面であるｎ型ＧａＮ基板を準備した。かかるｎ型ＧａＮ基板は、１×１０⁶ｃｍ^-2以下の転位密度を有し、３×１０¹⁸ｃｍ^-3のキャリア濃度を有し、４００μｍの厚さを有していた。ここで、転位密度は溶融ＫＯＨ中のエッチングによるピット密度により測定されたものであり、キャリア濃度はＣ−Ｖ（容量−電圧）法により測定されたものであった。

２．ＩＩＩ族窒化物半導体膜の形成
次に、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３を形成する工程Ｓ２０において、上記ＩＩＩ族窒化物半導体基板２の主面２ａ上に、ＭＯＶＰＥ法により、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３として、ｎ型ＧａＮ膜をエピタキシャル成長させた。かかるｎ型ＧａＮ膜は、１×１０⁶ｃｍ^-2の転位密度を有し、１×１０¹⁶ｃｍ^-3のキャリア濃度を有し、１０μｍの厚さを有していた。

３．オーミック電極の形成
次に、オーミック電極６を形成する工程Ｓ３０において、上記ＩＩＩ族窒化物半導体基板２のＩＩＩ族窒化物半導体膜３が形成されている主面２ａと反対側の主面２ｂ上に、ＥＢ蒸着法と抵抗加熱蒸着法とにより、２０ｎｍの厚さのＴｉ層、１００ｎｍの厚さのＡｌ層、２０ｎｍの厚さのＴｉ層、および２００ｎｍの厚さのＡｕ層をこの順に形成した。かかる金属層（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ層）を形成した後、窒素ガス雰囲気中６００℃で２分間熱処理することにより合金化した。これによりオーミック電極６を形成した。

４．ショットキー電極の形成
次に、ショットキー電極４を形成する工程Ｓ４０において、金属膜を形成するサブ工程ＳＳ４１および金属膜を熱処理するサブ工程ＳＳ４２を行なった。

金属膜を形成するサブ工程ＳＳ４１において、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３の主面３ａ上に、フォトリソグラフィーを用いて直径２００μｍの開口部を有するレジスト層（図示せず）を形成した後、ＥＢ蒸着法により第１金属層４１としての５０ｎｍの厚さを有するＮｉ層を形成し、Ｎｉ層上に抵抗加熱蒸着法により第２金属層４２としての３００ｎｍの厚さを有するＡｕ層を形成した。

図３を参照して、金属膜を形成するサブ工程ＳＳ４１後の第１金属層４１としてのＮｉ層と第２金属層４２としてのＡｕ層を含む金属膜およびその近傍のＩＩＩ族窒化物半導体膜３としてのｎ型ＧａＮ膜の断面を図３（Ａ）に示し、その断面においてｎ型ＧａＮ膜内部からＮｉ層内部を経てＡｕ層内部に至る１００ｎｍの距離に亘る各点におけるＥＸＤ法により測定される含有元素の濃度を図３（Ｂ）に示し、ＧａＮ膜とＮｉ層との界面におけるＥＸＤ法により測定される含有元素の濃度を表１の熱処理前の欄に示した。ｎ型ＧａＮ膜とＮｉ層と境界領域にＯが検出されることから、ｎ型ＧａＮ膜の表面に酸化物領域が存在することがわかった。

金属膜を熱処理するサブ工程ＳＳ４２において、上記金属膜を窒素ガス雰囲気中５００℃で２分間熱処理をした。これにより、第１金属層４１と第２金属層４２とを含むショットキー電極４を形成した。

図４を参照して、ＩＩＩ族窒化物半導体膜３であるｎ型ＧａＮ膜上に形成された第１金属層４１としてのＮｉ層と第２金属層４２としてのＡｕ層を含む金属膜を窒素ガス雰囲気下５００℃で熱処理することにより形成されたショットキー電極４のおよびその近傍のＩＩＩ族窒化物半導体膜３としてのｎ型ＧａＮ膜の断面を図４（Ａ）に示し、図４（Ｂ）にその断面においてｎ型ＧａＮ膜内部からＮｉ層内部を経てＡｕ層内部に至る１００ｎｍの距離に亘る各点におけるＥＸＤ法により測定される含有元素の濃度を示し、ＧａＮ膜とＮｉ層との界面におけるＥＸＤ法により測定される含有元素の濃度を表１の熱処理後の欄に示した。ｎ型ＧａＮ膜とＮｉ層と境界領域において、Ｏが検出されなくなり、Ａｕが検出されることから、ｎ型ＧａＮ膜の表面に形成されていた酸化物領域が低減し、ショットキー接触金含有ニッケル領域が形成されたことがわかった。

図３と図４との対比および表１の熱処理の前後の対比から、ｎ型ＧａＮ膜と金属膜の第１金属層４１としてのＮｉ層との境界領域にＯが検出されたのに対し、金属膜の熱処理によりショットキー電極を形成すると、ｎ型ＧａＮ膜とショットキー電極の第１金属層４１との境界領域に、Ｏが検出されなくなり、Ａｕが検出された。このことは、熱処理前にｎ型ＧａＮ膜の表面に存在していた酸化物のＯとＮｉ層のＮｉとが結合しＡｕ層側に移動し、Ａｕ層中のＡｕがＮｉ層を経由してＮｉ層のｎ型ＧａＮ膜側に移動してショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇが形成されたものと考えられた。

上記のようにして形成されたＩＩＩ族窒化物半導体デバイス１について、その耐圧は、プローバー測定器により測定したところ、６５０Ｖと高かった。このように高い耐圧性を示したのは、熱処理前にｎ型ＧａＮ膜の表面に存在していた酸化物のＯとＮｉ層のＮｉとが結合しＡｕ層側に移動し、Ａｕ層中のＡｕがＮｉ層を経由してＮｉ層のｎ型ＧａＮ膜側に移動してショットキー接触金含有ニッケル領域４１ｇが形成されたことによるものと考えられた。

（実施例２）
図５を参照して、ショットキー電極を形成する工程における熱処理温度を、それぞれ３３０℃、３８０℃、４４０℃、５００℃、５３０℃、５６０℃、および熱処理なし（表示は２５℃）としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを作製した。得られたＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの耐圧は、図５の丸印を付した折れ線で示すように、熱処理なし（表示は２５℃）のとき４５８Ｖ、３３０℃の熱処理温度のとき４１０Ｖ、３８０℃の熱処理温度のとき４３０Ｖ、４４０℃の熱処理温度のとき５６０Ｖ、５００℃の熱処理温度のとき６５５Ｖ、５３０℃の熱処理温度のとき５３０Ｖ、および５６０℃の熱処理温度のとき４００Ｖであった。このことから、ショットキー電極を形成する工程における熱処理温度は、３５０℃以上５５０℃以下であり、４００℃以上５３０℃以下が好ましく、４５０℃以上５１０℃以下がより好ましいことがわかった。

また、比較のために、ショットキー電極の金属膜として、３５０ｎｍの厚さのＮｉＡｕ層（Ｎｉが４０原子％でＡｕが６０原子％の合金層）、３５０ｎｍの厚さのＮｉ層、および３５０ｎｍの厚さのＡｕ層をそれぞれ形成し、異なる熱処理温度でＩＩＩ族窒化物半導体デバイスを作製した。３５０ｎｍの厚さのＮｉＡｕ層を熱処理して得られたショットキー電極を有するＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの耐圧は、図５の正四角形印を付した折れ線で示すように、熱処理なし（表示は２５℃）のとき４８０Ｖ、３３０℃の熱処理温度のとき４３０Ｖ、３８０℃の熱処理温度のとき４２０Ｖ、４４０℃の熱処理温度のとき３８０Ｖ、５００℃の熱処理温度のとき３３０Ｖ、５３０℃の熱処理温度のとき２５０Ｖ、および５６０℃の熱処理温度のとき１５０Ｖであった。３５０ｎｍの厚さのＮｉ層を熱処理して得られたショットキー電極を有するＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの耐圧は、図５の正三角形印を付した折れ線で示すように、熱処理なし（表示は２５℃）のとき４３０Ｖ、３３０℃の熱処理温度のとき４０５Ｖ、３８０℃の熱処理温度のとき４１０Ｖ、４４０℃の熱処理温度のとき５１０Ｖ、５００℃の熱処理温度のとき５１５Ｖ、５３０℃の熱処理温度のとき４１０Ｖ、および５６０℃の熱処理温度のとき３２０Ｖであった。３５０ｎｍの厚さのＡｕ層を熱処理して得られたショットキー電極を有するＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの耐圧は、図５のひし形印を付した折れ線で示すように、熱処理なし（表示は２５℃）のとき７５０Ｖ、２２０℃の熱処理温度のとき２６０Ｖ、３３０℃の熱処理温度のとき６０Ｖ、および４４０℃の熱処理温度のとき１５Ｖであった。

Ｎｉ層とＡｕ層とを含む金属膜を熱処理して得られたショットキー電極を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは３５０℃以上５５０℃以下の熱処理による高耐化が大きかったのに対し、Ｎｉ層で形成される金属膜を熱処理して得られたショットキー電極を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは３５０℃以上５５０℃以下の熱処理による高耐圧化が小さく、ＮｉＡｕ層で形成される金属膜を熱処理して得られたショットキー電極を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは３５０℃以上５５０℃以下の熱処理により耐圧が低下し、Ａｕ層で形成される金属膜を熱処理して得られたショットキー電極を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスは２００℃以上の熱処理により耐圧が急激に低下した。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス
２ ＩＩＩ族窒化物半導体基板
２ａ，２ｂ，３ａ，４ｂ 主面
３ ＩＩＩ族窒化物半導体膜
４ ショットキー電極
６ オーミック電極
４１ 第１金属層
４１ｇ ショットキー接触金含有ニッケル領域
４１ｍ 主領域
４２ 第２金属層
Ｓ１０ ＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程
Ｓ２０ ＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程
Ｓ３０ オーミック電極を形成する工程
Ｓ４０ ショットキー電極を形成する工程
ＳＳ４１ 金属膜を形成するサブ工程
ＳＳ４２ 金属膜を熱処理するサブ工程。

Claims (3)

1. ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜上に形成されたショットキー電極と、を備え、
   前記ショットキー電極は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、前記第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含み、
   前記第１金属層は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜との界面側に形成されているショットキー接触金含有ニッケル領域を含む、ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
2. ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体膜と、前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜に形成されたショットキー電極と、を備え、
   前記ショットキー電極は、前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、前記第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含む金属膜を含み、前記金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理されることにより得られるＩＩＩ族窒化物半導体デバイス。
3. ＩＩＩ族窒化物半導体基板を準備する工程と、
   前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板上にＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成する工程と、
   前記ＩＩＩ族窒化物半導体膜上にショットキー電極を形成する工程と、を備え、
   前記ショットキー電極を形成する工程は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜に接触するニッケルを主成分とする第１金属層と、前記第１金属層に接触する金を主成分とする第２金属層と、を含む金属膜を形成するサブ工程と、前記金属膜を不活性ガス雰囲気中３５０℃以上５５０℃以下の温度で熱処理するサブ工程と、を含むＩＩＩ族窒化物半導体デバイスの製造方法。