JP5303948B2 - オーミック電極形成方法、および電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、III 族窒化物半導体からなる半導体素子のオーミック電極を形成する方法に関する。

ｎ型III 族窒化物半導体のオーミック電極として、Ｔｉ／ＡｌやＶ／Ａｌ上にＮｉ／Ａｕなどのバリア層を形成した構造の電極が多く用いられている（たとえば特許文献１）。ＴｉやＶを用いるのはｎ型III 族窒化物半導体との密着性を高めるためであり、Ａｌを用いるのはｎ型III 族窒化物半導体とのオーミック性がよいからである。最上層にＡｕを用いるのは、ワイヤボンディング等を良好に行うためである。ＮｉはＡｌよりも融点が高いので、Ａｌ層上にＮｉ層を設けることにより、Ａｌが融解するのを防止することができ、ＡｌとＡｕが反応して高抵抗化するのを防止することができる。

このようなオーミック電極は、ｎ型III 族窒化物半導体上に蒸着法によりＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／ＡｕやＶ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの多層膜を形成した後、熱処理を行うことで製造される。熱処理は低コンタクト抵抗化のために行うものである。これにより低抵抗化する理由は、ｎ型III 族窒化物半導体中のＮ原子がＡｌによって吸い上げられ、Ｎ原子が抜けてドナーと同様の働きをする空孔が生じることにより、オーミック電極と接するｎ型III 族窒化物半導体の領域がｎ⁺ 領域化するためと考えられていて、熱処理温度が高温であるほど低抵抗化できるものと思われる。
特開平１１−３４０５７１

しかし、上記のＴｉ／ＡｌやＶ／Ａｌ上にバリア層が形成された構造のオーミック電極の形成方法において、熱処理条件については従来詳しく検討されておらず、どのような条件で熱処理を行えばより低コンタクト抵抗化できるのか不明であった。

そこで本発明の目的は、適正な条件によって熱処理を行うことにより、低コンタクト抵抗なｎ型III 族窒化物半導体のオーミック電極を実現することである。

第１の発明は、ｎ型のIII 族窒化物半導体表面上にオーミック電極を形成する方法において、III 族窒化物半導体表面に接するＶからなる第１層を形成する工程と、第１層上にＡｌからなる第２層を形成する工程と、第２層上に、Ａｌよりも融点の高い金属からなり、Ｎｉからなる単層もしくはＮｉを含む複層である第３層を形成する工程と、第３層上にＡｕからなる第４層を形成する工程と、瞬間熱処理（ＲＴＡ）により８５０〜９５０度で５〜２０秒間熱処理を行う工程と、を有することを特徴とするオーミック電極形成方法である。

第２の発明は、第１の発明の熱処理温度と熱処理時間熱との関係に代えて、熱処理は、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、９００≦Ｔ≦９５０、ただしＴは熱処理温度、ｔは処理時間、を満たす熱処理温度、処理時間で熱処理を行う工程と、を有することを特徴とするオーミック電極形成方法である。

第３の発明は、III 族窒化物半導体からなる電界効果トランジスタの製造方法において、第１の発明または第２の発明のオーミック電極形成方法を用いて、ｎ型のIII 族窒化物半導体表面上にオーミック電極を形成する工程を有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法である。

第４の発明は、第３の発明において、電界効果トランジスタはＨＦＥＴであることを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法である。

本発明においてIII 族窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものである。ｎ型不純物としては、Ｓｉなどを用いる。

また、本発明におけるｎ型のIII 族窒化物半導体には、ノンドープのIII 族窒化物半導体も含む。III 族窒化物半導体はｎ型不純物をドープしなくとも低濃度のｎ型を示すからである。なお、III 族窒化物半導体にｎ型不純物がドープされていると、熱処理によってｎ型不純物が拡散してしまうため、ノンドープのIII 族窒化物半導体表面上にオーミック電極が形成されることが望ましい。

また、瞬間熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）は、ランプを用いて急加熱、急冷却する熱処理である。本発明において処理時間ｔ、処理温度Ｔで熱処理を行うとは、ＲＴＡにより熱処理温度Ｔまで昇温した後、その熱処理温度Ｔを処理時間ｔ維持し、その後降温することを意味する。したがって、処理時間が０秒というのは、熱処理を全く行わないことを意味するものではなく、ある熱処理温度Ｔまで昇温した後、すぐに降温することを意味する。

明細書には、以下の事項が記載されている。III 族窒化物半導体からなり、ノンドープのIII 族窒化物半導体表面上にオーミック電極が形成された電界効果トランジスタにおいて、オーミック電極は、ノンドープのIII 族窒化物半導体表面上に設けられたＴｉまたはＶからなる第１層と、第１層上に設けられたＡｌからなる第２層と、第２層上に設けられたＡｌよりも融点の高い金属からなる第３層と、第３層上に設けられたＡｕからなる第４層と、により構成されていることを特徴とする電界効果トランジスタが記載されている。

電界効果トランジスタは、ノンドープのＡｌＧａＮと、ＧａＮとのヘテロ接合構造を有したＨＦＥＴであり、オーミック電極は、ノンドープのＡｌＧａＮ表面上に形成されている。

また、第３層は、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗのいずれかからなることを特徴とする電界効果トランジスタが記載されている。
また、ｎ型のIII 族窒化物半導体表面上にオーミック電極を形成する方法において、III 族窒化物半導体表面に接するＴｉからなる第１層を形成する工程と、第１層上にＡｌからなる第２層を形成する工程と、第２層上に、Ａｌよりも融点の高い金属からなり、Ｎｉからなる単層もしくはＮｉを含む複層である第３層を形成する工程と、第３層上にＡｕからなる第４層を形成する工程と、瞬間熱処理（ＲＴＡ）により、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、９００≦Ｔ≦９５０、ただしＴは熱処理温度、ｔは処理時間、を満たす熱処理温度、処理時間で熱処理を行う工程と、を有することを特徴とするオーミック電極形成方法が記載されている。
また、上記の熱処理温度と熱処理時間熱との関係に代えて、処理は、８７５〜９２５度で１５〜２０秒間行うことを特徴とするオーミック電極形成方法が記載されている。
また、上記の熱処理温度と熱処理時間熱との関係に代えて、熱処理は、９２５〜９７５度で０〜１０秒間行うことを特徴とするオーミック電極形成方法が記載されている。

Ｔｉからなる第１層、Ａｌからなる第２層、Ａｌよりも融点の高い金属からなる第３層、Ａｕからなる第４層の構成のオーミック電極では、瞬間熱処理により、熱処理温度が９００〜９５０度においては、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、ただしＴは熱処理温度、ｔは処理時間、を満たす処理時間で熱処理を行うと、低コンタクト抵抗なオーミック電極を形成することができる。
また、熱処理温度が８７５〜９２５度においては、処理時間を１５〜２０秒間とすると、より低コンタクト抵抗なオーミック電極を形成することができる。

また、熱処理温度が９２５〜９７５度で０〜１０秒間熱処理を行うと、低コンタクト抵抗なオーミック電極を形成することができる。

また、第１の発明のように、Ｖからなる第１層、Ａｌからなる第２層、Ａｌよりも融点の高い金属からなる第３層、Ａｕからなる第４層の構成のオーミック電極では、瞬間熱処理により、８５０〜９５０度で５〜２０秒間熱処理を行うと、低コンタクト抵抗なオーミック電極を形成することができる。特に第２の発明のように、熱処理温度が９００〜９５０度においては、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、ただしＴは熱処理温度、ｔは処理時間、を満たす熱処理温度、処理時間で熱処理を行うと、より低コンタクト抵抗なオーミック電極を形成することができる。

また、第３、４の発明のように、本発明は、オーミック電極の低コンタクト抵抗化が強く求められるＨＦＥＴなどの電界効果トランジスタの製造に用いるのに適している。

また、コンタクト抵抗の低い電界効果トランジスタを実現することができる。

以下、本発明の具体的な実施例を図を参照にしながら説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ構造のオーミック電極を有する、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造のＨＦＥＴ（図１参照）を作製し、熱処理の条件（処理温度、処理時間）の違いによるコンタクト抵抗の変化を検討するものである。

ＨＦＥＴは、以下のようにして作製した。まず、サファイア基板１０上にＭＯＣＶＤ法によってバッファ層１１、ノンドープＧａＮ層１２、ノンドープＡｌＧａＮ層１３を積層させた。用いた原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ₃ ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）であり、キャリアガスにはＨ₂ またはＮ₂ を用いた。次に、フォトリソグラフィによりレジスト膜を所定のパターンに形成した後、ノンドープＡｌＧａＮ層１３の表面に電子線蒸着法によってＴｉからなる第１層１００、および第１層１００上にＡｌからなる第２層１０１を形成し、抵抗加熱蒸着法により第２層１０１上にＮｉからなる第３層１０２、および第３層１０２上にＡｕからなる第４層１０３を形成した。膜厚は、第１層１００が１７５Å、第２層１０１が６００Å、第３層１０２が３５０Å、第４層１０３が５００Åである。その後、レジスト膜を除去することで、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ構造のソース電極１４およびドレイン電極１５を形成した。その後、低コンタクト抵抗化のために熱処理を行った。次に、ソース電極１４とドレイン電極１５の間に、フォトリソグラフィ、真空蒸着、リフトオフによってゲート電極１６を形成した。

このＨＦＥＴは、ノンドープＧａＮ層１２とノンドープＡｌＧａＮ層１３との界面１７をチャネルとして動作するノーマリオン型の素子である。

ソース電極１４およびドレイン電極１５形成後の熱処理は、処理温度が５５０〜９５０度まで５０度ごと、処理時間５、２０、６０秒間の計２７の条件で行った。また、熱処理は窒素ガス雰囲気中において行った。熱処理は、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いた瞬間熱処理により行った。また、ＲＴＡ装置には１秒あたり１００度加熱することができるものを用いた。

上記各条件による熱処理の結果、処理時間が２０秒間および６０秒間では７５０度以上の処理温度、処理時間が５秒間では８００度以上の処理温度で良好なオーミック特性が得られることがわかった。

また、８００〜９５０度の温度範囲において、各処理時間における処理温度とコンタクト抵抗率の関係を解析したところ、図２のグラフに示す結果を得た。短時間かつ高温の熱処理であるほどコンタクト抵抗率が低くなる傾向にあり、処理温度が９００度の場合は処理時間が２０秒間、処理温度が９５０度の場合は処理時間が５秒間で、最もコンタクト抵抗率が低くなった。このことから、処理温度が８７５〜９２５度の場合は処理時間が１５〜２０秒間、処理温度が９２５〜９７５度の場合は処理時間が０〜１０秒間、の条件で熱処理を行うと低コンタクト抵抗化できて望ましいと推察される。さらには、処理温度をＴ（９００≦Ｔ≦９５０）、処理時間をｔとして、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、を満たす処理時間ｔの範囲が、その処理温度Ｔにおいて最もコンタクト抵抗化に適した処理時間ｔの範囲であると推察される。なお、処理時間が０秒間というのは、熱処理を行わないことを意味するものではなく、処理温度まで昇温させた後すぐに降温させることを意味する。

また、これらの各処理時間、各処理温度でのコンタクト抵抗率のうち、最もコンタクト抵抗率が低くなるのは、処理時間が５秒間、処理温度が９５０度の時で、そのコンタクト抵抗率は約５．４×１０^-7Ωｃｍ² であった。ＨＦＥＴのコンタクト抵抗率は、１×１０^-5Ωｃｍ² 以下であることが望まれているが、この値はそれを十分に満たしている。

以上の結果から、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ構造のオーミック電極の低コンタクト抵抗化に適した熱処理条件は、８７５〜９２５度の場合は１５〜２０秒間、９２５〜９７５度の場合は０〜１０秒間、熱処理を行うことである。もしくは、処理温度をＴ（９００≦Ｔ≦９５０）、処理時間をｔとして、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、を満たす処理時間、処理温度で熱処理を行うことである。また、最も望ましい熱処理条件は、瞬間熱処理により９５０度で５秒間行うことである。

実施例２は、Ｖ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ構造のオーミック電極を有する、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造のＨＦＥＴ（図３参照）を作製し、熱処理条件によるコンタクト抵抗の違いを検討するものである。ＨＦＥＴの構造は、オーミック電極であるソース電極２４とドレイン電極２５の構造以外については実施例１と同様であり、製造方法についても同様である。ソース電極２４とドレイン電極２５の構造は、ノンドープＡｌＧａＮ層１３の表面にＶからなる第１層２００、第１層２００上にＡｌからなる第２層２０１、第２層２０１上にＮｉからなる第３層２０２、第３層２０２上にＡｕからなる第４層２０３が形成されたＶ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ構造である。第１層２００、第２層２０１は電子線蒸着法、第３層２０２、第４層２０３は抵抗加熱蒸着法により形成した。膜厚は、第１層２００が１７５Å、第２層２０１が６００Å、第３層２０２が３５０Å、第４層２０３が５００Åである。この実施例２におけるＨＦＥＴもまた、実施例１におけるＨＦＥＴと同様にノンドープＧａＮ層１２とノンドープＡｌＧａＮ層１３との界面１７をチャネルとして動作するノーマリオン型の素子である。

Ｖ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ構造のソース電極２４とドレイン電極２５形成後の熱処理は、処理温度が５５０〜９５０度まで５０度ごと、処理時間５、２０、６０秒間の計２７の条件で、窒素ガス雰囲気中において熱処理を行った。熱処理は、実施例１で用いたものと同一のＲＴＡ装置を用いた瞬間熱処理により行った。

上記各条件による熱処理の結果、処理時間が６０秒間では７００度以上の処理温度、処理時間が５秒間、２０秒間では７５０度以上の処理温度で良好なオーミック特性が得られることがわかった。

また、８００〜９５０度の温度範囲において、各処理時間における処理温度とコンタクト抵抗率の関係を解析したところ、図４のグラフに示す結果を得た。実施例１と同様の傾向、つまり、短時間かつ高温の熱処理であるほどコンタクト抵抗率が低くなる傾向にあり、処理時間が２０秒間では８５０〜９００度の処理温度、処理時間が５秒間では９５０度の処理温度で最もコンタクト抵抗率が低くなった。このことから、処理温度が８５０〜９５０度の場合は処理時間が５〜２０秒間の条件で熱処理を行うと低コンタクト抵抗化できて望ましいと推察される。特に、処理温度が９００〜９５０度の範囲においては、処理温度をＴ（９００≦Ｔ≦９５０）、処理時間をｔとして、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、を満たす処理時間ｔの範囲が、その処理温度Ｔにおいて最もコンタクト抵抗化に適した処理時間ｔの範囲であると推察される。また、処理温度が８５０〜９００度の範囲においては、処理時間を５〜２０秒間とするとよく、とくに処理時間が２０秒間であればコンタクト抵抗率がより低くより望ましいことがわかる。

また、これらの各処理時間、各処理温度でのコンタクト抵抗率のうち、最もコンタクト抵抗率が低くなるのは、処理時間が５秒間、処理温度が９５０度の時で、そのコンタクト抵抗率は約３．８×１０^-6Ωｃｍ² であった。

以上の結果から、Ｖ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ構造のオーミック電極の低コンタクト抵抗化に適した熱処理条件は、瞬間熱処理により８００〜９５０度で０〜３０秒間行うことである。より望ましくは、８５０〜９５０度で５〜２０秒間行うことである。特に、処理温度が９００〜９５０度の範囲においては、処理温度をＴ（９００≦Ｔ≦９５０）、処理時間をｔとして、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、を満たす処理時間で熱処理を行うことが望ましい。また、処理温度が８５０〜９００度の範囲では、処理時間を５〜２０秒間とすることが望ましく、２０秒間とすることがさらに望ましい。最も望ましい熱処理条件は、瞬間熱処理により９５０度で５秒間行うことである。

実施例では第３層にＮｉを用いているが、Ｗ、Ｍｏなどの他の高融点金属を用いてもよい。また、第３層は単層に限らず、高融点金属からなる複層であってもよい。

また、実施例では、熱処理は窒素ガス雰囲気中で行っているが、III 族窒化物半導体と反応しない不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。

また、実施例ではオーミック電極をノンドープのＡｌＧａＮ上に形成しているが、本発明はＡｌＧａＮに限るものではなく、III 族窒化物半導体であればよい。また、ノンドープでもｎ型不純物がドープされていてもよいが、ノンドープである方が望ましい。ｎ型不純物がドープされていると、熱処理によってｎ型不純物が拡散してしまうためである。

また、実施例は本発明のオーミック電極形成方法をＨＦＥＴに適用した例であるが、本発明はこれ以外にもさまざまな半導体素子に適用することができる。特に、オーミック電極の低コンタクト抵抗化が強く求められる電界効果トランジスタに本発明を適用すると、効果が高く望ましい。

本発明によると、低コンタクト抵抗なIII 族窒化物半導体からなるＨＦＥＴなどを実現することができる。

ＨＦＥＴの構造を示す図。 処理温度とコンタクト抵抗率の関係を示すグラフ。 ＨＦＥＴの構造を示す図。 処理温度とコンタクト抵抗率の関係を示すグラフ。

１０：サファイア基板
１１：バッファ層
１２：ノンドープＧａＮ層
１３：ノンドープＡｌＧａＮ層
１４：ソース電極
１５：ドレイン電極
１６：ゲート電極
１００：第１層
１０１：第２層
１０２：第３層
１０３：第４層

Claims (4)

1. ｎ型のIII 族窒化物半導体表面上にオーミック電極を形成する方法において、
   前記III 族窒化物半導体表面に接するＶからなる第１層を形成する工程と、
   前記第１層上にＡｌからなる第２層を形成する工程と、
   前記第２層上に、Ａｌよりも融点の高い金属からなり、Ｎｉからなる単層もしくはＮｉを含む複層である第３層を形成する工程と、
   前記第３層上にＡｕからなる第４層を形成する工程と、
   瞬間熱処理（ＲＴＡ）により８５０〜９５０度で５〜２０秒間熱処理を行う工程と、
   を有することを特徴とするオーミック電極形成方法。
2. ｎ型のIII 族窒化物半導体表面上にオーミック電極を形成する方法において、
   前記III 族窒化物半導体表面に接するＶからなる第１層を形成する工程と、
   前記第１層上にＡｌからなる第２層を形成する工程と、
   前記第２層上に、Ａｌよりも融点の高い金属からなり、Ｎｉからなる単層もしくはＮｉを含む複層である第３層を形成する工程と、
   前記第３層上にＡｕからなる第４層を形成する工程と、
   瞬間熱処理（ＲＴＡ）により、（−３／１０）×Ｔ＋２８５≦ｔ≦（−３／１０）×Ｔ＋２９５、９００≦Ｔ≦９５０、ただしＴは熱処理温度、ｔは処理時間、を満たす熱処理温度、処理時間で熱処理を行う工程と、
   を有することを特徴とするオーミック電極形成方法。
3. III 族窒化物半導体からなる電界効果トランジスタの製造方法において、
   請求項１又は請求項２に記載のオーミック電極形成方法を用いて、ｎ型のIII 族窒化物半導体表面上にオーミック電極を形成する工程を有することを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
4. 前記電界効果トランジスタはＨＦＥＴであることを特徴とする請求項３に記載の電界効果トランジスタの製造方法。

Images