JP4841844B2 - 半導体素子 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子に関する。
窒化物系化合物半導体は、絶縁破壊電界が大きく、耐熱性に優れており、また、電子の飽和ドリフト速度が速いことなどから、Ｓｉ系やＧａＡｓ系のデバイスに比較して、高温動作や大電力動作などの点で優れた電子デバイスを提供することができる。
ところで、電子デバイスの一種である電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を作製するには、窒化物系化合物半導体に対してショットキー特性を有する電極をゲート電極として用いることが必要となる。
従来より、仕事関数の大きいＮｉ（ニッケル）、Ｐｄ（パラジウム）およびＰｔ（白金）などをｎ型窒化物系化合物半導体に対するショットキー電極として用いた場合に、良好な電気的特性が得られることが報告されている。しかし、これらの金属は融点がさほど高くないために、窒化物系化合物半導体を用いたときの特徴となる高温動作時や大電力動作時において電極が劣化するという問題があった。
こうした問題に対しては、金属窒化物を電極に用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
上記の方法では、ＷＮおよびＴｉＮなどを例に挙げて、これらがショットキー特性を有することが示されている。しかしながら、良好なショットキー特性が得られる原理、材料の結晶構造、および、金属と窒素の組成比などについては明確に示されておらず、十分な効果が得られるとは言えなかった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、良好なショットキー特性を有する電極を備えた半導体素子を提供することにある。
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
本願第１の発明は、ｎ型窒化物系化合物半導体と、このｎ型窒化物系化合物半導体の上に形成されたショットキー電極とを備えた半導体素子であって、ショットキー電極は、ｎ型窒化物系化合物半導体の上に形成されて、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、モリブデンおよびタングステンよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、窒素および炭素の少なくとも一方の元素とからなる塩化ナトリウム型構造の電極層を有し、ｎ型窒化物系化合物半導体と電極層とが接触する面において、ｎ型窒化物系化合物半導体の結晶面が六方晶の（０００１）面であり、電極層の結晶面が（１１１）面に配向していることを特徴とする半導体素子に関する。
この発明は以上説明したように、ショットキー電極が、ｎ型窒化物系化合物半導体の上に形成されて、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、モリブデンおよびタングステンよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、窒素および炭素の少なくとも一方の元素とからなる塩化ナトリウム型構造の電極層を有し、ｎ型窒化物系化合物半導体と電極層とが接触する面において、ｎ型窒化物系化合物半導体の結晶面が六方晶の（０００１）面であり、電極層の結晶面が（１１１）面に配向しているので、良好なショットキー特性を有する電極を備えた半導体素子とすることができる。
実施の形態１．
図１（ａ）は、本実施の形態における電極を備えた半導体素子の断面図である。また、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図である。
図１（ａ）は、本実施の形態における電極を備えた半導体素子の断面図である。また、図１（ｂ）は図１（ａ）の平面図である。
図１（ａ），（ｂ）の例では、結晶面方位（０００１）のサファイア基板１の上に、膜厚が２，２００ｎｍであるｉ型ＧａＮ（窒化ガリウム）層２と、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３であり膜厚が１，０００ｎｍであるｎ型ＧａＮ（窒化ガリウム）層３とがこの順に積層されている。ここで、ｎ型ＧａＮ層３は、本発明におけるｎ型窒化物系化合物半導体である。
また、ｎ型ＧａＮ層３の上には、膜厚が５０ｎｍであるＷＮｘ（窒化タングステン）層４からなる電極層と、膜厚が２００ｎｍであるＡｕ（金）層５からなる他の電極とを有するショットキー電極６が形成されている。本実施の形態においては、タングステン原子数に対する窒素原子数の比（Ｎ／Ｗの値）が０．０４〜０．５であることが好ましい。
尚、ＷＮｘ層４の上に形成する他の電極層はＡｕ層５に限られるものではなく、Ａｕ、Ｃｕ（銅）およびＡｌ（アルミニウム）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とし、抵抗率が５×１０−８Ωｍ以下であるものであればよい。
ｎ型ＧａＮ層３の上であって且つショットキー電極６の周囲には、膜厚が２０ｎｍであるＴｉ（チタン）層７と、膜厚が５００ｎｍであるＡｌ層８とからなるオーミック電極９が形成されている。ここで、ｉ型ＧａＮ層２およびｎ型ＧａＮ層３は六方晶ＧａＮであり、その結晶面方位は（０００１）面である。
ショットキー電極６を構成するＷＮｘ層４は、Ｗをターゲットとし、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）またはＸｅ（キセノン）などの不活性ガスと、Ｎ２（窒素）ガスとの混合ガスを用いた反応性スパッタリング法により形成することができる。尚、反応性スパッタリング法に代えて、化学気相成長法によってＷＮｘ層４を形成してもよい。この場合には、微細加工した溝内へのメタライズが可能となる。
図２は、反応性スパッタリング法の条件を変えて作製したＷＮｘ電極を有する素子について、オーミック電極とショットキー電極間のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性から求めたショットキー障壁高さφＢと、光電子分光によって測定したＷＮｘ膜中のＮとＷの原子数の比（Ｎ／Ｗ）との関係の一例を示す図である。
図２から明らかであるように、Ｎ／Ｗの値が０．１０のときに最も大きいφＢ値が得られた。
表１は、結晶面方位が（０００１）であるＧａＮ結晶の上に、膜厚が５０ｎｍであるＷＮｘ膜を形成した試料について、そのＸ線回折スペクトルの測定により同定した結晶構造、配向性および格子定数を示した一例である。
表１から分かるように、Ｎ／Ｗの値が０．１０である試料において、ＮａＣｌ型立方晶Ｗ２Ｎ（１１１）面の回折ピークが観察された。また、この試料について、回折角から求めた立方晶Ｗ２Ｎの格子定数は０．４２１ｎｍであった。一方、Ｎ／Ｗの値が０．０４より小さい試料では強い回折ピークは見られなかった。また、Ｎ／Ｗの値が０．１５より大きい試料では、六方晶ＷＮに起因する回折ピークが見られるか、または、顕著な回折ピークが見られないかのいずれかであった。そして、ＷＮｘのｎ型ＧａＮに対するショットキー電極においては、（１１１）面に配向したＮａＣｌ型立方晶Ｗ２Ｎが形成された場合に、最も高いショットキー障壁高さが得られた。
実施の形態２．
本実施の形態の半導体素子は、実施の形態１におけるＷＮｘ層がＴａＮｘ層に置き換わった構造の電極を有する。
本実施の形態の半導体素子は、実施の形態１におけるＷＮｘ層がＴａＮｘ層に置き換わった構造の電極を有する。
図３は、本実施の形態における電極を備えた半導体素子の断面図である。
図３の例では、図１（ａ）と同様に、結晶面方位（０００１）のサファイア基板２１の上に、ｉ型ＧａＮ（窒化ガリウム）層２２およびｎ型ＧａＮ（窒化ガリウム）層２３がこの順に積層されている。ここで、ｎ型ＧａＮ層２３は、本発明におけるｎ型窒化物系化合物半導体である。
また、ｎ型ＧａＮ層２３の上には、ＴａＮｘ（窒化タンタル）層２４からなる電極層と、Ａｕ（金）層２５からなる他の電極層とを有するショットキー電極２６が形成されている。本実施の形態においては、タンタル原子数に対する窒素原子数の比（Ｎ／Ｔａの値）が０．５〜１．２であることが好ましい。
尚、ＴａＮｘ層２４の上に形成する他の電極層はＡｕ層２５に限られるものではなく、Ａｕ、Ｃｕ（銅）およびＡｌ（アルミニウム）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とし、抵抗率が５×１０−８Ωｍ以下であるものであればよい。
ｎ型ＧａＮ層２３の上であって且つショットキー電極２６の周囲には、Ｔｉ（チタン）層２７およびＡｌ層２８からなるオーミック電極２９が形成されている。ここで、ｉ型ＧａＮ層２２およびｎ型ＧａＮ層２３は六方晶ＧａＮであり、その結晶面方位は（０００１）面である。
ショットキー電極２６を構成するＴａＮｘ層２４は、Ｔａをターゲットとして、Ａｒ（アルゴン）、Ｋｒ（クリプトン）またはＸｅ（キセノン）などの不活性ガスと、Ｎ２（窒素）ガスとの混合ガスを用いた反応性スパッタリング法により形成することができる。尚、反応性スパッタリング法に代えて、化学気相成長法によってＴａＮｘ層２４を形成してもよい。この場合には、微細加工した溝内へのメタライズが可能となる。
図４は、反応性スパッタリング法の条件を変えて作製したＴａＮｘ電極を有する素子について、オーミック電極とショットキー電極間のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性から求めたショットキー障壁高さφＢと、光電子分光によって測定したＷＮｘ膜中のＮとＴａの原子数の比（Ｎ／Ｔａ）との関係の一例を示す図である。
図４から明らかであるように、Ｎ／Ｔａの値が１．０のときに最も大きいφＢ値が得られた。
表２は、結晶面方位が（０００１）であるＧａＮ結晶の上に、膜厚が５０ｎｍであるＴａＮｘ膜を形成した試料について、そのＸ線回折スペクトルの測定により同定した結晶構造、配向性および格子定数を示した一例である。
表２から分かるように、Ｎ／Ｔａの値が０．７１〜１．００である試料において、ＮａＣｌ型立方晶ＴａＮ（１１１）面の回折ピークが観察された。また、この試料について、回折角から求めた立方晶ＴａＮの格子定数は、Ｎ／Ｔａの値が０．７１，０．８３，１．００のときに、それぞれ０．４３９ｎｍ，０．４４５ｎｍ，０．４４６ｎｍであった。
また、ＴａＮｘのｎ型ＧａＮに対するショットキー電極においては、（１１１）面に配向したＮａＣｌ型立方晶ＴａＮが形成され、且つ、その格子定数が六方晶ＧａＮにおけるａ軸格子定数の長さ０．３１９ｎｍの２（１／２）倍（＝０．４５１ｎｍ）に近いときに、最も高いショットキー障壁高さが得られた。
上記の実施の形態１および２で得られた結果に共通するのは、ＮａＣｌ型立方晶の窒化物が形成されていて、且つ、その結晶面方位が（１１１）面に配向している場合に高いショットキー障壁高さが得られるという点である。このことについて、以下に詳述する。
六方晶ＧａＮはウルツ鉱型構造をとり、そのｃ面（０００１面）では、一辺が約０．３１９ｎｍである正六角形の頂点と中心にＧａ原子とＮ原子が配置した構造の繰り返しとなる。
また、ＮａＣｌ型結晶構造をとるＷ２ＮやＴａＮの（１１１）面では、正六角形の頂点と中心に金属原子が配置した構造の繰り返しとなる。ここで、正六角形の一辺の長さ、すなわち近接する金属原子間の距離は格子定数ａの２−（１／２）倍である。
具体的には、実施の形態１におけるＷ２Ｎ結晶では、近接する金属原子間の距離は０．２９８ｎｍとなる。また、実施の形態２におけるＴａＮ型結晶では、この距離は０．３１０ｎｍ〜０．３１５ｎｍとなる。したがって、いずれもＧａＮ結晶の最近接原子間距離である０．３１９ｎｍに近い値となる。
上記のことは、六方晶ＧａＮのｃ面と、ＮａＣｌ型結晶であるＷ２ＮおよびＴａＮの（１１１）面とが周期構造が同等であることを示している。このため、ＮａＣｌ型結晶構造をとるＷＮｘおよびＴａＮの堆積は、下地であるＧａＮ層の（０００１）面に対してエピタキシャル成長となる。したがって、結晶性が非常に高く且つ結晶面方位の揃ったＷ２Ｎ薄膜およびＴａＮ薄膜が得られたと言える。そして、このような薄膜が形成されることが、良好なショットキー界面が得られる原因の１つになっていると考えられる。
図５は、Ｎ／Ｗの値が０．１であるＷＮｘ膜を、ＧａＮの（０００１）面と、ＧａＡｓの（１００）面との上に、それぞれ５０ｎｍの膜厚で成膜した試料について、Ｘ線回折スペクトルを測定した結果の一例である。
図５から分かるように、ＧａＮ上に成膜した試料では、Ｗ２Ｎの（１１１）面の回折ピーク（ピークａ）が観察された。尚、図５におけるピークｂ，ｃは、それぞれ基板に由来するピークである。
一方、ＧａＡｓ上に成膜した試料では、成膜条件が同一であるにもかかわらず回折ピークは観察されなかった。これは、Ｗ２Ｎの（１１１）面と、ＧａＡｓの（１００）面との周期構造が異なるためであると考えられる。換言すると、ＧａＮの（０００１）面上において高い結晶性を有するＷＮｘ結晶が得られたのは、ＧａＮの（０００１）面と、Ｗ２Ｎの（１１１）面との周期構造が同等であるとの推論を裏付けるものである。
一般に、ｎ型窒化物系化合物半導体に対する電極のショットキー障壁高さは、電極材料の仕事関数に大きく依存しており、仕事関数が大きいほどショットキー障壁高さも高くなることが知られている。そして、ＮａＣｌ型の結晶構造において仕事関数が最大となる結晶面は、原子密度が最も大きい（１１１）面であると推測される。したがって、こうしたことも、実施の形態１および２における電極で良好なショットキー特性が得られた理由と考えられる。
以上のことは、実施の形態１および２で述べたＷ２ＮおよびＴａＮ以外の材料にもあてはまる。すなわち、本発明においては、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）およびＷ（タングステン）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、窒素および炭素の少なくとも一方の元素とからなる塩化ナトリウム型構造の材料を電極層として用いることができる。ここで、ｎ型ＧａＮ層と電極層とが接触する面において、ｎ型ＧａＮ層の結晶面が六方晶の（０００１）面であり、電極層の結晶面が（１１１）面に配向していることが好ましい。
周期表の４ａ族〜６ａ族に属する遷移金属であるＺｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、ＭｏおよびＷなどは、いずれも窒素および炭素と化合物を形成し、また、その多くはＮａＣｌ型構造をとる。このときの格子定数は、文献値によれば０．４１ｎｍ〜０．４７ｎｍである。したがって、（１１１）面における原子間距離は０．２９ｎｍ〜０．３３ｎｍである。そこで、実施の形態１および２と同様に、ＮａＣｌ型の結晶構造をとり且つＧａＮの（０００１）面に対して（１１１）面に配向するように成膜すれば、高い結晶性を持つ膜が得られるので、ｎ型ＧａＮに対して高いショットキー障壁高さを持つ電極とすることが期待できる。
ところで、ＧａＮの（０００１）面の原子間隔と、ＮａＣｌ型結晶の（１１１）面の原子間隔とが等しくなるのは、ＮａＣｌ型構造の格子定数が０．３１９ｎｍの２（１／２）倍、すなわち０．４５１ｎｍのときである。しかし、Ｗ２Ｎ結晶とＴａＮ結晶の格子定数は、文献値によればそれぞれ０．４１２６ｎｍ、０．４３４０ｎｍであり、これらはいずれも０．４５１ｎｍより小さい値である。このように原子間隔に差が生じていても、上述したように、ＧａＮ上に成膜された薄膜は良好な結晶性を示すが、原子間隔の差をより小さくすることによって、結晶の不完全性および残留応力などをさらに低減できると考えられる。
また、ＮａＣｌ型結晶構造のＨｆＮおよびＴａＣの格子定数は、文献値によればそれぞれ０．４５２５ｎｍ、０．４４５５ｎｍである。したがって、この場合の（１１１）面における原子間隔とＧａＮの（０００１）面における原子間隔とは、Ｗ２ＮおよびＴａＮの場合に比較して近いものとなる。それ故、ＨｆＮまたはＴａＣをＧａＮの（０００１）面の上に成膜した場合には、Ｗ２ＮまたはＴａＮを成膜した場合に比べて、さらに強く配向した欠陥の少ない良質の薄膜を形成することが可能となる。
本発明においては、電極層の格子定数が、ｎ型窒化物系化合物半導体におけるａ軸格子定数を２（１／２）倍した値の０．９５倍〜１．０５倍であることが好ましい。
さらに、本発明においては、２種以上の金属元素の混合物を用いたり、または、窒素および炭素を混合して用い、これらの組成比を最適化したりすることによって、ＧａＮの（０００１）面における原子間隔と完全に一致する原子間隔を有する材料を得ることも可能である。また、ＧａＮと熱膨張係数の近い材料を選択することによって、残留応力を低減したり、素子製造工程での電極材料の変質を抑制したり、素子の使用環境に伴う温度履歴によってデバイス特性が変動するのを低減したりすることができる。
以上から明らかであるように、実施の形態１および２で述べたショットキー電極をゲート電極とし、窒化物系化合物半導体を活性層に用いることによって、電気的特性に優れた電界効果トランジスタを提供することができる。
また、本発明で述べたショットキー障壁高さの高い材料、すなわち仕事関数の大きい材料は、ｐ型窒化物系化合物半導体に対して良好なオーミック接合が得られると期待される。したがって、これらの材料を半導体レーザ等の発光素子またはバイポータトランジスタのｐ型窒化物系化合物半導体に対するオーミック電極として使用することにより、電気的特性および信頼性に優れた電極を提供することができる。
すなわち、ｐ型窒化物系化合物半導体と、このｐ型窒化物系化合物半導体の上に形成されたオーミック電極とを備えた半導体素子において、オーミック電極を、ｐ型窒化物系化合物半導体の上に形成されて、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）およびＷ（タングステン）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物からなる塩化ナトリウム型構造の電極層とすることができる。この場合、ｐ型窒化物系化合物半導体と電極層とが接触する面において、ｐ型窒化物系化合物半導体の結晶面が六方晶の（０００１）面であり、電極層の結晶面が（１１１）面に配向していることが好ましい。
また、ｐ型窒化物系化合物半導体と、このｐ型窒化物系化合物半導体の上に形成されたオーミック電極とを備えた半導体素子において、オーミック電極を、ｐ型窒化物系化合物半導体の上に形成されて、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）およびＷ（タングステン）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の窒化物からなる塩化ナトリウム型構造の電極層とすることもできる。この場合、ｐ型窒化物系化合物半導体と電極層とが接触する面において、ｐ型窒化物系化合物半導体の結晶面が六方晶の（０００１）面であり、電極層の結晶面が（１１１）面に配向していることが好ましい。
さらに、六方晶の炭化ケイ素（６Ｈ−ＳｉＣ等）におけるｃ面も、六方晶ＧａＮと同様の構造であり、また、ａ軸の長さは約０．３１ｎｍであるので、上記の材料を電極に適用することによって、高い結晶性を持つ電極材料とすることができる。
すなわち、炭化ケイ素半導体と、この炭化ケイ素半導体の上に形成された電極とを備えた半導体素子において、電極を、炭化ケイ素半導体の上に形成されて、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）およびＷ（タングステン）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の炭化物からなる塩化ナトリウム型構造の電極層とすることができる。この場合、炭化ケイ素半導体と電極層とが接触する面において、炭化ケイ素半導体の結晶面が六方晶の（０００１）面であり、前記電極層の結晶面が（１１１）面に配向していることが好ましい。
また、炭化ケイ素半導体と、この炭化ケイ素半導体の上に形成された電極とを備えた半導体素子において、電極を、炭化ケイ素半導体の上に形成されて、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｏ（モリブデン）およびＷ（タングステン）よりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素の窒化物からなる塩化ナトリウム型構造の電極層とすることもできる。この場合、炭化ケイ素半導体と電極層とが接触する面において、炭化ケイ素半導体の結晶面が六方晶の（０００１）面であり、前記電極層の結晶面が（１１１）面に配向していることが好ましい。
１，２１ サファイア基板
２，２２ ｉ型ＧａＮ層
３，２３ ｎ型ＧａＮ層
４ ＷＮｘ層
５，２５ Ａｕ層
６，２６ ショットキー電極
７，２７ Ｔｉ層
８，２８ Ａｌ層
９，２９ オーミック電極
２４ ＴａＮｘ層
２，２２ ｉ型ＧａＮ層
３，２３ ｎ型ＧａＮ層
４ ＷＮｘ層
５，２５ Ａｕ層
６，２６ ショットキー電極
７，２７ Ｔｉ層
８，２８ Ａｌ層
９，２９ オーミック電極
２４ ＴａＮｘ層
Claims (3)
- ｎ型窒化物系化合物半導体と、
前記ｎ型窒化物系化合物半導体の上に形成されたショットキー電極とを備えた半導体素子であって、
前記ショットキー電極は、前記ｎ型窒化物系化合物半導体の上に形成されて、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、モリブデンおよびタングステンよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素と、窒素および炭素の少なくとも一方の元素とからなる塩化ナトリウム型構造の電極層を有し、
前記ｎ型窒化物系化合物半導体と前記電極層とが接触する面において、前記ｎ型窒化物系化合物半導体の結晶面が六方晶の（０００１）面であり、前記電極層の結晶面が（１１１）面に配向していることを特徴とする半導体素子。 - 前記電極層の格子定数が、前記ｎ型窒化物系化合物半導体におけるａ軸格子定数を２（１／２）倍した値の０．９５倍〜１．０５倍である請求項１に記載の半導体素子。
- 前記ショットキー電極は、前記電極層の上に、金、銅およびアルミニウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を主成分とし、抵抗率が５×１０−８Ωｍ以下である他の電極層を有する請求項１または２に記載の半導体素子。
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