JP3866149B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にバンドギャップの大きな化合物半導体にオーミック電極を形成した半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、窒化ガリウム(GaN)等のバンドギャップの大きな半導体へのオーミック電極として、チタニウム(Ti)とアルミニウム(Al)とを積層した電極が使用されていた。GaNの表面に、Ti(下層)/Al(上層)の積層電極を蒸着した後、ラピッドサーマルアニール(RTA)を行うことによりオーミック接触が得られる。RTAを行うと、GaNの表面にわずかに残留する表面酸化層が熱的に破壊され、金属と半導体との接合界面に再結合中心が形成される。この再結合中心を介してキャリアが輸送されることにより、オーミック接触が得られる。
【0003】
さらに、GaN中の不純物濃度を高くすると、GaNの表層部に形成される空乏層が薄くなる。空乏層が薄くなると、接合界面のポテンシャル障壁を乗り越えてキャリアが輸送される熱電子電界放出に加えて、トンネル電流を大きくすることができる。これにより、接触抵抗の小さなオーミック接触を得ることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
半導体と金属との接合部の電流電圧特性は、半導体の電子親和力、バンドギャップ、不純物濃度、及び金属の仕事関数等によって決定される。半導体に金属を接触させると、一般に金属のフェルミ準位が、半導体のバンドギャップの中に固定される傾向がある。GaN等のバンドギャップの大きな半導体に金属を接合させた場合、金属と半導体との界面のショットキ障壁が高くなる。このため、接触抵抗の低減に限界があった。
【0005】
GaNにオーミック電極を形成する場合、GaNの表面に残留する酸素とGaとの結合が強いため、チタニウム電極形成後に、600〜800℃程度の高温で熱処理する必要があった。
【0006】
本発明の目的は、バンドギャップの大きな半導体にオーミック電極を形成したときの接触抵抗を低減させることが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、V族元素として窒素を含むIII−V族化合物半導体からなるn型半導体領域が露出した基板の該半導体領域の表面上に、希土類金属からなる第1の膜を形成する工程と、前記第1の膜の表面上に、主成分としてシリコンを含む第2の膜を形成する工程と、前記第2の膜の表面上に、シリコンとシリサイド反応して、前記第1の膜がシリサイド化された金属シリサイドよりも低抵抗率の金属シリサイドを形成する金属からなる第3の膜を形成する工程と、前記第1の膜及び第2の膜を加熱して、前記第1の膜のうち少なくとも前記第2の膜に接する部分をシリサイド化することにより、オーミック電極を形成する工程とを有し、前記シリサイド化する工程において、前記第3の膜のうち少なくとも前記第2の膜に接する部分をシリサイド化する半導体装置の製造方法が提供される。
【0008】
半導体領域に接する第1の膜が、希土類金属またはそのシリサイド化物で形成されることになる。これにより、バンドギャップの大きな化合物半導体に対しても、接触抵抗の小さなオーミック接触を得ることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、本発明の第1の実施例による半導体装置及びその製造法について説明する。
【0013】
図1(A)に示すように、半導体基板1の上に化合物半導体からなる半導体層2を形成する。半導体層2は、V族元素として窒素を含むIII−V族化合物半導体、例えば窒化ガリウム(GaN)で形成されている。窒素を含むIII−V族化合物半導体として、GaNの他にInGaN、AlGaN、InN、GaInNAs、InAlNAs、AlN等が挙げられる。これらの化合物半導体は、V族元素としてP、As、Sb等を含み、かつNを含まない化合物半導体に比べて、大きなバンドギャップを有する。以下に示す実施例は、大きなバンドギャップを有する化合物半導体、特に3eV以上のバンドギャップを有する化合物半導体で半導体層2を形成する場合に、特に有効である。
【0014】
半導体層2の上に、エルビニウム(Er)からなる金属層3を形成する。金属層3は、1×10-7〜1×10-8Pa程度の高真空中で、例えば、電子ビーム蒸着、るつぼ加熱蒸着、スパッタリング等により形成することができる。成膜雰囲気を、1×10-7〜1×10-8Pa程度の高真空中とすることにより、エルビウムの酸化を防止することができる。
【0015】
金属層3の上に、シリコン層4を形成する。シリコン層4の形成は、1×10-5〜1×10-6Pa程度の真空中で、例えば、電子ビーム蒸着、るつぼ加熱蒸着、スパッタリング等により形成することができる。
【0016】
シリコン層4の表面をレジストパターンで覆い、このレジストパターンをマスクとしてシリコン層4及び金属層3をエッチングする。シリコン層4のエッチングは、例えばSF6とO2とを用いたドライエッチングにより行うことができる。金属層3のエッチングは、例えばArを用いたドライエッチングにより行うことができる。
【0017】
1×10-5〜1×10-6Pa程度の真空中で、温度300〜400℃程度の熱処理を行う。この熱処理により、金属層3とシリコン層4とのシリサイド反応が生ずる。シリコン層4をアモルファスシリコンで形成しておくことにより、400℃以下の低温でシリサイド反応を生じさせることができる。真空中でシリサイド反応を生じさせるため、金属層3の酸化を防止することができる。なお、不活性ガス中でシリサイド反応のための熱処理を行ってもよい。
【0018】
図1(B)に示すように、半導体層2の上に、希土類金属のシリサイド化物からなるオーミック電極5が形成される。さらに、オーミック電極5内のシリコンが半導体層2の表層部まで拡散し、シリコン高濃度領域6が形成される。
【0019】
図3(A)に、図1(A)に示したシリサイド化前の状態のエネルギバンド図を示す。GaNからなる半導体層2のバンドギャップEGは3.4eVである。半導体層2と金属層3との界面に、GaNの電子親和力とエルビウムの仕事関数との差に相当するポテンシャル障壁EBが形成される。なお、図中のEF、EC、及びEVは、それぞれフェルミ準位、伝導帯下端の準位、及び価電子帯上端の準位を示す。
【0020】
エルビニウムの仕事関数(3.25eV)は、チタニウムの仕事関数(4.33eV)よりも小さい。このため、GaNにチタニウム電極を接触させる場合に比べて、ポテンシャル障壁EBを低くすることができる。これにより、熱電子電界放出が大きくなり、低抵抗の接触を得ることができる。このように、図1(A)に示したシリサイド反応前の状態でも、従来のオーミック電極構造に比べて、接触抵抗を低くすることができる。なお、金属層3のうちシリコン層4に接する部分のみをシリサイド化し、半導体層2に接する部分をシリサイド化しない場合も、図3(A)に示したエネルギバンド図と同様のエネルギバンド構造が得られる。金属層3は、Er以外の希土類金属、例えば、仕事関数3.15eVのガドリニウム(Gd)、仕事関数3.0eVのテルビウム(Tb)、仕事関数3.15eVのホロミウム(Ho)等で形成してもよい。
【0021】
希土類金属は、反応性に富み酸化されやすい。希土類金属の酸化物は絶縁体であるため、希土類金属は電極材料として適さなかった。上記実施例の場合には、図1(A)に示したように、希土類金属からなる金属層3がシリコン層4で覆われているため、金属層3の酸化を防止することができる。
【0022】
図3(B)に、図1(B)に示したシリサイド化後のエネルギバンド図を示す。半導体層2と金属層3との界面に形成されたポテンシャル障壁EBの高さは、シリサイド化前の状態のものと変わらない。半導体層2の表層部にシリコンの高濃度領域6が形成されているため、界面から半導体層2の内部に伸びる空乏層が薄くなる。このため、ポテンシャル障壁EB以下のエネルギの電子でも、トンネル現象によって半導体層2から金属層3へ、またはその逆方向に輸送される。このため、接触抵抗をより低減させることができる。
【0023】
実際に、GaN層上にチタニウム電極を形成した場合の接触抵抗が5〜8×10-6Ωcm2であったのに対し、GaN層上にエルビウムシリサイド電極を形成した場合の接触抵抗は2×10-6Ωcm2であった。
【0024】
上記第1の実施例では、希土類金属からなる金属層3とシリコン層4との積層構造を形成した後、シリサイド反応を生じさせたが、希土類金属とシリコンとの2つのるつぼを準備して、両者を同時に蒸着してもよい。この場合には、成膜と同時に、希土類金属のシリサイド化物からなるオーミック電極5を形成することができる。
【0025】
また、従来のチタニウム電極を使用する場合には、チタニウムの成膜前に、GaNの表面を塩酸、フッ酸、水酸化カリウム等で表面処理しなければならなかった。これに対し、上記第1の実施例の場合には、エルビウムからなる金属層3を形成する前に、これらの薬液による半導体層2の表面処理は不要である。
【0026】
次に、図2を参照して本発明の第2の実施例による半導体装置及びその製造方法について説明する。
基板1の上に、半導体層2、金属層3、及びシリコン層4を順番に形成する。ここまでの工程は、図1(A)を参照して説明した第1の実施例の工程と同様である。シリコン層4の上に、チタニウムからなる上側金属層8を形成する。上側金属層8の形成は、電子ビーム蒸着、るつぼ加熱蒸着、スパッタリング等により行うことができる。
【0027】
上側金属層8の表面をレジストパターンで覆い、このレジストパターンをマスクとして上側金属層8、シリコン層4、及び金属層3をエッチングする。その後、真空中で熱処理を行い、シリサイド反応を生じさせる。
【0028】
図2(B)に示すように、金属層3とシリコン層4とのシリサイド反応により、オーミック電極5が形成され、その上に、上側金属層8がシリサイド化されたチタンシリサイド(TiSi2)からなる被覆層9が形成される。半導体層2の表層部には、シリコンの高濃度領域6が形成されている。
【0029】
チタンシリサイドの抵抗率は、エルビニウムシリサイドの抵抗率よりも低い。これにより、接触抵抗のみならず、オーミック電極5を含んで構成される電気回路の抵抗を低減させることができる。上記第2の実施例では上側金属層8の材料としてチタニウムを用いたが、その他に、シリコンとシリサイド反応して、オーミック電極5よりも抵抗率の低い金属シリサイドを形成する金属で形成してもよい。このような金属として、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)等が挙げられる。
【0030】
次に、上記第1または第2の実施例によるオーミック電極構造を適用した種々の半導体装置について説明する。
図4に、MESFETの断面図を示す。サファイア(Al2O3)または炭化シリコン(SiC)からなる基板20の上に、GaNからなるバッファ層21、アンドープのGaNからなる下地層22、n型GaNからなるチャネル層23が順番に形成されている。
【0031】
チャネル層23の一部の表面に、Pt(下層)/Au(上層)の2層構造またはNi(下層)/Au(上層)の2層構造を有するゲート電極26がショットキ接触している。ゲート電極26の両側のチャネル層23の上に、ゲート電極26から間隔をおいてエルビウムシリサイドからなるオーミック電極24が形成されている。オーミック電極24の各々の上に、チタニウムシリサイドからなる被覆層25が形成されている。
【0032】
チャネル層23、オーミック電極24及び被覆層25が、それぞれ図2(B)に示した半導体層2、オーミック電極5及び被覆層9に相当する。図4に示したMESFETにおいては、オーミック電極24とチャネル層23との接触抵抗を低減させることができる。
【0033】
図5に、高電子移動度トランジスタ(HEMT)の断面図を示す。サファイア(Al2O3)または炭化シリコン(SiC)からなる基板30の上に、GaNからなるバッファ層31、アンドープのGaNからなる下地層32、アンドープのAlGaNからなる電子走行層33、及びn型AlGaNからなる電子供給層34が順番に形成されている。
【0034】
電子供給層34の一部の表面に、Ptからなるゲート電極37がショットキ接触している。ゲート電極37の両側の電子供給層34の上に、ゲート電極37から間隔をおいてエルビウムシリサイドからなるオーミック電極35が形成されている。オーミック電極35の各々の上に、チタニウムシリサイドからなる被覆層36が形成されている。電子走行層33と電子供給層34との界面に2次元電子ガスが蓄積される。
【0035】
電子供給層34、オーミック電極35及び被覆層36が、それぞれ図2(B)に示した半導体層2、オーミック電極5及び被覆層9に相当する。図5に示したHEMTにおいては、オーミック電極35と電子供給層34との接触抵抗を低減させることができる。これにより、電子走行層33と電子供給層34との界面に蓄積されている2次元電子ガスとオーミック電極35との間の電気抵抗を低減させることができる。
【0036】
図6に、ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)の断面図を示す。サファイア(Al2O3)または炭化シリコン(SiC)からなる基板40の上に、GaNからなるバッファ層41、n型のGaNからなるコレクタ層42、p型のAlGaNからなるベース層43、n型のGaNからなるエミッタ層44が順番に形成されている。コレクタ層42の上面の一部が露出され、その上に、エルビウムシリサイドからなるオーミック電極45が形成されている。オーミック電極45の上にチタニウムシリサイドからなる被覆層46が形成されている。
【0037】
ベース層43の上面の一部が露出され、その上に、Pt(下層)/Au(上層)の2層構造またはNi(下層)/Au(上層)の2層構造を有するベース電極47が形成されている。エミッタ層44の上に、エルビウムシリサイドからなるオーミック電極48が形成され、その上にチタニウムシリサイドからなる被覆層49が形成されている。
【0038】
コレクタ層42、オーミック電極45、及び被覆層46が、それぞれ図2(B)に示した半導体層2、オーミック電極5及び被覆層9に相当する。さらに、エミッタ層44、オーミック電極48、及び被覆層49が、それぞれ図2(B)に示した半導体層2、オーミック電極5及び被覆層9に相当する。これにより、オーミック電極45とコレクタ層42との接触抵抗、及びオーミック電極48とエミッタ層44との接触抵抗を低減させることができる。
【0039】
図7に、発光ダイオード(LED)の断面図を示す。サファイア(Al2O3)または炭化シリコン(SiC)からなる基板50の上に、GaNからなるバッファ層51、n型のGaNからなるn型コンタクト層52、n型のAlGaNからなるカソード層53、アンドープのInGaNからなる発光層54、p型のAlGaNからなるアノード層55、p型のGaNからなるp型コンタクト層56が順番に形成されている。
【0040】
n型コンタクト層52の上面の一部が露出され、この上にエルビウムシリサイドからなるオーミック電極57が形成されている。オーミック電極57の上に、チタニウムシリサイドからなる被覆層58が形成されている。p型コンタクト層56の一部の表面上に、Pt(下層)/Au(上層)の2層構造またはNi(下層)/Au(上層)の2層構造を有するp側電極59が形成されている。
【0041】
n型コンタクト層52、オーミック電極57、及び被覆層58が、それぞれ図2(B)に示した半導体層2、オーミック電極5及び被覆層9に相当する。これにより、オーミック電極57とn型コンタクト層52との接触抵抗を低減させることができる。
【0042】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0043】
上記実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
(付記1) 化合物半導体からなる半導体領域が露出した基板の該半導体領域の表面上に、希土類金属からなる第1の膜を形成する工程と、
前記第1の膜の表面上に、主成分としてシリコンを含む第2の膜を形成する工程と、
前記第1の膜及び第2の膜を加熱して、前記第1の膜のうち少なくとも前記第2の膜に接する部分をシリサイド化する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【0044】
(付記2) 前記半導体領域が、V族元素として窒素を含むIII−V族化合物半導体で形成されている付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記3) 前記半導体領域が、バンドギャップ3eV以上の化合物半導体で形成されている付記1に記載の半導体装置の製造方法。
【0045】
(付記4) 前記シリサイド化する工程において、前記第1の層の全厚さ部分をシリサイド化する付記1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記5) 前記第2の膜を形成した後、前記第1の膜をシリサイド化する前に、さらに、前記第2の膜の表面上に、シリコンとシリサイド反応して、前記第1の膜がシリサイド化された金属シリサイドよりも低抵抗率の金属シリサイドを形成する金属からなる第3の膜を形成する工程を有し、
前記シリサイド化する工程において、前記第3の膜のうち少なくとも前記第2の膜に接する部分をシリサイド化する付記1〜4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0046】
(付記6) 前記シリサイド化する工程において、前記第2の膜中のシリコン原子が、前記半導体領域のうち前記第1の膜に接する部分まで拡散する条件で熱処理を行う付記1〜5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0047】
(付記7) 前記第2の膜がアモルファスシリコンで形成されており、前記シリサイド化する工程において、熱処理温度を400℃以下とする付記1〜6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0048】
(付記8) 化合物半導体からなる半導体領域を表層部に有する基板と、
前記半導体領域の表面上に直接配置され、希土類金属からなる第1の膜と
を有する半導体装置。
【0049】
(付記9) 前記半導体領域が、V族元素として窒素を含むIII−V族化合物半導体で形成されている付記8に記載の半導体装置。
(付記10) 化合物半導体からなる半導体領域を表層部に有する基板と、
前記半導体領域の表面上に直接配置され、希土類金属のシリサイド化物からなる第1の膜と
を有する半導体装置。
【0050】
(付記11) 前記半導体領域が、V族元素として窒素を含むIII−V族化合物半導体で形成されている付記10に記載の半導体装置。
(付記12) さらに、前記第1の膜の表面上に直接配置され、該第1の膜の抵抗率よりも低い抵抗率を有する金属シリサイドからなる第2の膜を有する付記10または11に記載の半導体装置。
【0051】
(付記13) 前記半導体領域のうち、前記第1の膜に接する部分のシリコン濃度が、該第1の膜から遠い部分のシリコン濃度よりも高い付記10〜12のいずれかに記載の半導体装置。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バンドギャップの大きな化合物半導体に、希土類金属または希土類金属のシリサイド化物からなる電極を接触させることにより、接触抵抗の低いオーミック接触を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図である。
【図2】 第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図である。
【図3】 第1の実施例による半導体装置の半導体層と金属層との界面近傍のエネルギバンド図である。
【図4】 第2の実施例による半導体装置の構造を適用したMESFETの断面図である。
【図5】 第2の実施例による半導体装置の構造を適用したHEMTの断面図である。
【図6】 第2の実施例による半導体装置の構造を適用したHBTの断面図である。
【図7】 第2の実施例による半導体装置の構造を適用したLEDの断面図である。
【符号の説明】
1 基板
2 半導体層
3 金属層
4 シリコン層
5 オーミック電極
6 シリコン高濃度領域
8 上側金属層
9 被覆層
20、30、40、50 基板
21、31、41、51 バッファ層
22、32 GaN下地層
23 n型GaNチャネル層
24、35、45、48、57 ErSiオーミック電極
25、36、46、49、58 TiSi被覆層
26、37 ゲート電極
33 AlGaN電子走行層
34 n型AlGaN電子供給層
42 n型GaNコレクタ層
43 p型AlGaNベース層
44 p型GaNエミッタ層
47 ベース電極
52 n型GaNコンタクト層
53 n型AlGaNカソード層
54 InGaN発光層
55 p型AlGaNアノード層
56 p型GaNコンタクト層
59 p側電極
Claims (2)
- V族元素として窒素を含むIII−V族化合物半導体からなるn型半導体領域が露出した基板の該半導体領域の表面上に、希土類金属からなる第1の膜を形成する工程と、
前記第1の膜の表面上に、主成分としてシリコンを含む第2の膜を形成する工程と、
前記第2の膜の表面上に、シリコンとシリサイド反応して、前記第1の膜がシリサイド化された金属シリサイドよりも低抵抗率の金属シリサイドを形成する金属からなる第3の膜を形成する工程と、
前記第1の膜及び第2の膜を加熱して、前記第1の膜のうち少なくとも前記第2の膜に接する部分をシリサイド化することにより、オーミック電極を形成する工程と
を有し、
前記シリサイド化する工程において、前記第3の膜のうち少なくとも前記第2の膜に接する部分をシリサイド化する半導体装置の製造方法。 - 前記シリサイド化する工程において、前記第2の膜中のシリコン原子が、前記半導体領域のうち前記第1の膜に接する部分まで拡散する条件で熱処理を行う請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
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