JP7218314B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
半導体装置の半導体層には、電流をとるための電極が形成される場合がある。半導体層と電極の接触は、オーミックであることが好ましい。
特開２０１７－１５２６６７号公報
本発明が解決しようとする課題は、接触抵抗の低い電極を有する半導体装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、ｎ型不純物を含むＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層の上に設けられ、Ｔｉ（チタン）及びＩＩＩ－Ｖ族半導体層のｐ型不純物となり得る第１元素を含み、第１領域と、第１領域より第１元素濃度の高い第２領域と、を有する第１導電層と、第１導電層の上に設けられた第２導電層と、を備える。
実施形態の半導体装置の模式断面図である。 比較形態の半導体装置の製造工程を示す模式断面図である。 比較形態の半導体装置を示す模式断面図である。 比較形態の半導体装置のＳＩＭＳプロファイルの一例である。 比較形態の半導体装置のＳＩＭＳプロファイルの他の一例である。 比較形態の半導体装置のＳＩＭＳプロファイルの他の一例である。 実施形態の半導体装置のＳＩＭＳプロファイルの一例である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
（実施形態）
実施形態の半導体装置は、ｎ型不純物を含むＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層の上に設けられ、Ｔｉ（チタン）及びＩＩＩ－Ｖ族半導体層のｐ型不純物となり得る第１元素を含み、第１領域と、第１領域より第１元素濃度の高い第２領域と、を有する第１導電層と、第１導電層の上に設けられた第２導電層と、を備える。
図１は、本実施形態の半導体装置１００の模式断面図である。
半導体装置１００は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２と、第５導電層４と、第１導電層６と、第２導電層１２と、を備える。
第５導電層４、第１導電層６及び第２導電層１２は、例えば、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２の電極として用いられる。
ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２は、ｎ型不純物を含む。ここで、ＩＩＩ－Ｖ族半導体とは、ＩＩＩ族元素とＶ族元素を用いた半導体である。ＩＩＩ族元素は、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）又はＩｎ（インジウム）である。Ｖ族元素は、例えばＮ（窒素）、Ｐ（リン）、ヒ素（Ａｓ）又はＳｂ（アンチモン）である。ｎ型不純物は、例えばＳｉ（シリコン）、Ｓｎ（スズ）、Ｓ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）又はＴｅ（テルル）である。
第５導電層４は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２の上に設けられている。第５導電層４は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２とのオーミック接触のために用いられている。第５導電層４は、例えば、Ａｕ（金）を９９．５ａｔ％、Ｇｅ（ゲルマニウム）を０．５ａｔ％含む。
第１導電層６は、第５導電層４の上に設けられている。第１導電層６は、Ｔｉ（チタン）及びＩＩＩ－Ｖ族半導体層２のｐ型不純物となり得る第１元素を含んでいる。ここで第１元素は、Ｚｎ（亜鉛）、Ｍｇ（マグネシウム）又はＢｅ（ベリリウム）である。
第１導電層６は、第１領域６ａと、第２領域６ｂと、を有する。第２領域６ｂの第１元素濃度は、第１領域６ａの第１元素濃度よりも高い。例えば第２領域６ｂは、第１領域６ａの上に設けられている。しかし、第２領域６ｂは、第１領域６ａの下に設けられていてもかまわない。また、図１においては、半導体装置１００の断面における第１領域６ａ及び第２領域６ｂの形状を長方形として図示した。しかし、半導体装置１００の断面における第１領域６ａ及び第２領域６ｂの形状は、長方形に限定されるものではない。
第２導電層１２は、第１導電層６の上に設けられている。第２導電層１２は、第３導電層８と、第４導電層１０と、を有する。第３導電層８は、例えば、Ｐｔ（白金）を含むＰｔ導電層である。第４導電層１０は、例えば、Ａｕを含むＡｕ導電層である。例えば、第４導電層１０の上に、図示しないボンディングワイヤがボンディングされる。第４導電層１０に用いられるＡｕは、良好なボンディング性を確保するため、含有される不純物が出来るだけ少ないことが好ましい。第３導電層８は、第１導電層６と第４導電層１０の密着性を向上させるために用いられている。
次に、本実施形態の半導体装置１００の製造方法について記載する。
まず、ｎ型不純物を含む、例えばＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）層であるＩＩＩ－Ｖ族半導体層２の上に、Ａｕを９９．５ａｔ％、Ｇｅを０．５ａｔ％含む第５導電層４を形成する。第５導電層４の膜厚は、例えば１００ｎｍである。
次に、第５導電層４の上に、Ｔｉ及び第１元素としてのＺｎを含む第１導電層６を、形成する。なお、第１導電層６の形成においては、例えばいわゆる同時スパッタリングにより、ＴｉとＺｎが同時に第１導電層６内に形成される。しかし、Ｔｉ膜とＺｎ膜を交互にスパッタリングにより形成してもかまわない。第１導電層６の膜厚は、例えば１００ｎｍである。
次に、第１導電層６の上に、例えばＰｔ導電層である第３導電層８を形成する。第３導電層８の膜厚は、例えば７０ｎｍである。
次に、第３導電層８の上に、例えばＡｕ導電層である第４導電層１０を形成する。第４導電層１０の膜厚は、例えば６００ｎｍである。
第５導電層４、第１導電層６、第３導電層８及び第４導電層１０は、例えば、スパッタリング又は真空蒸着法により形成される。
次に、Ａｒ（アルゴン）雰囲気中において、例えば３７０℃、３分間の熱処理をおこなう。これにより、第１導電層６内に、第１領域６ａ及び第２領域６ｂが形成される。このようにして、本実施形態の半導体装置１００を得る。
次に、本実施形態の半導体装置１００の作用効果を記載する。
図２は、比較形態の半導体装置８００の製造工程を示す模式断面図である。図３は、比較形態の半導体装置８００を示す模式断面図である。半導体装置８００の製造方法について述べる。図２に示すように、例えばｎ型不純物を含むＧａＡｓ層であるＩＩＩ－Ｖ族半導体層２の上に、例えばＡｕを９９．５ａｔ％、Ｇｅを０．５ａｔ％含む第５導電層４を形成する。第５導電層４の上に、例えばＡｕ及びＺｎを含む導電層９２を形成する。導電層９２の上に、例えばＴｉを含む導電層９４を形成する。導電層９４の上に、例えばＰｔ導電層である第３導電層８を形成する。第３導電層８の上に、例えばＡｕ導電層である第４導電層１０を形成する。その後熱処理を行うことにより、電極としてのオーミック性を確保すると共に、図３に示すように、導電層９２と導電層９４の間に、導電層９２中のＺｎと導電層９４中のＴｉの一部が合金化された導電層９６が形成される。導電層９６は、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２中の構成元素及び他の元素の拡散を防止するバリアメタルとして機能する。
ここで、熱処理及びその後のチップ製造工程で加わる熱履歴における工程バラツキにより、ＺｎとＴｉの合金形態が不安定となりバリアメタルとしての機能が低下してしまう問題があった。つまり、ＡｕＺｎとＴｉとを積層構造にて形成し熱処理を加えると、ＺｎはＴｉとの合金を形成すると共に、Ｔｉを含む導電層９４とは反対方向（ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２の方向）にも拡散する。そのため、Ｔｉと合金化すべきＺｎが熱処理工程の変動に伴い濃度変動を起こし、合金形態が不安定となってしまう。その結果、バリア機能にもバラツキが発生してしまうという問題があった。
図４は、比較形態の半導体装置８００のＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）プロファイルの一例である。図４は、導電層９６によるバリア性が保たれているときのＳＩＭＳプロファイルである。図４において「半導体層」とは、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２である。「導電層」とは、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２の上に設けられた導電層を含む。例えば図４の場合、「導電層」は、第５導電層４、導電層９２、導電層９６、導電層９４、第３導電層８及び第４導電層１０を含む。
図４においては、ＩＩＩ－Ｖ族半導体層２の構成元素であるＧａが、積層メタル（導電層）中に拡散している様子が見て取れるが、Ｔｉ及びＺｎの二次イオン強度が高い、ＴｉＺｎが合金化された部分において、拡散が停止していることがわかる。
図５は、比較形態の半導体装置８００のＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）プロファイルの他の一例である。図５は、導電層９６によるバリア性が低下した場合のＳＩＭＳプロファイルである。図４のＳＩＭＳプロファイルと比べ、ＴｉＺｎのプロファイルに大きな違いはないものの、Ｚｎのプロファイルの広がりが若干大きくなっており、Ｇａが積層メタル表面部（第４導電層１０表面部）まで突き抜けている様子が見て取れる。第４導電層１０は、図示しないボンディングワイヤなどが接続されるボンディング層として機能するが、表面に達したＧａは第４導電層１０の最表面にて酸化膜を形成し、ボンディング性を妨げる要因となり得る。このように、同じ形成プロセスを経て作成された導電層９６においても、熱処理及びその後のチップ製造工程で加わる熱履歴における工程バラツキにより性能の安定性に問題があった。
図６は、比較形態の半導体装置８００のＳＩＭＳの他の一例である。図６は、Ｔｉ－Ｚｎ合金の形態を安定化するために、導電層９２の形成時の堆積膜厚を増加させることにより、メタル中のＺｎ量を増加する試みをおこなったものである。その結果、図６の様にＺｎ量自体は増加するものの、熱処理による半導体側への拡散の影響を防ぐことは出来なかった。そのため、Ｔｉ－Ｚｎ合金の形態を安定化することはできないという問題があった。
そこで、本実施形態の半導体装置１００においては、Ｔｉ（チタン）及びＩＩＩ－Ｖ族半導体層のｐ型不純物となり得る第１元素を含む第１導電層６を形成している。すなわち、比較形態においては、ＡｕＺｎとＴｉとを積層構造にて順次形成し熱処理を加えることでＺｎとＴｉの合金を形成している。これに対して、本実施形態の半導体装置１００においては、予めＴｉ－Ｚｎの形態で形成した構造に熱処理を加えてＴｉＺｎ合金を形成する。
図７は、実施形態の半導体装置１００のＳＩＭＳプロファイルの一例である。深さ０．７μｍ付近と深さ０．８μｍ付近の間における、Ｚｎの二次イオン強度が特に高い領域が、第２領域６ｂである。また、深さ０．８μｍ付近と深さ１．２μｍ付近の間における、第２領域６ｂよりもＺｎの二次イオン強度が低い領域が、第１領域６ａである。第１領域６ａ及び第２領域６ｂのいずれにおいても、図４及び図５に示したＳＩＭＳプロファイルと比較すると、Ｚｎの二次イオン強度が高くなっている。
図７において、Ｇａの拡散は、第２領域６ｂに対応する深さより深い所で抑制されている。そのため、第１導電層６が良好なバリア層としての機能を果たしていることがわかる。また、比較形態においてＧａの拡散が停止されている図４のＳＩＭＳプロファイルにおいては、Ｇａの拡散フロントのプロファイルとＺｎのプロファイルが同領域で低下している。これに対して、図７のＳＩＭＳプロファイルにおいては、Ｚｎ量が多い領域よりも深い所で、Ｇａ量低下が見られる。具体的には、図４のＳＩＭＳプロファイルでは、Ｚｎの二次イオン強度が高くかつＴｉの二次イオン強度が高い深さにおいて、Ｇａの二次イオン強度が１×１０４以上である。これに対して、図７のＳＩＭＳプロファイルでは、Ｚｎの二次イオン強度が高くかつＴｉの二次イオン強度が高い深さにおいて、Ｇａの二次イオン強度は１×１０３以下である。この様に、実施形態の半導体装置１００では、Ｚｎの量が多いため、Ｔｉとの合金量も多いと考えられ、十分なバリア性能が得られ、結果としてＧａ拡散停止のマージンが増加していると考えられる。
本実施形態の半導体装置１００と比較形態の半導体装置８００のＳＩＭＳプロファイルの違いは、上述の、Ｔｉ及びＩＩＩ－Ｖ族半導体層のｐ型不純物となり得る第１元素を含む第１導電層６の形成によるものである。また、半導体装置１００においてはＺｎの二次イオン強度が高いため、Ｇａの拡散が抑制されている。さらに、第１領域６ａよりも第１元素濃度の高い第２領域６ｂが設けられているため、特に第２領域６ｂにおいて、元素拡散がさらに抑制されているものと考えられる。
なお、第５導電層４及び第１導電層６の膜厚については、何れも５０～５００ｎｍの範囲が好ましい。また、熱処理温度は、２８０℃以上４００℃の範囲が好ましい。
本発明によれば、半導体層から拡散する不純物の、導電層への効果的に抑止することができる。そのため、例えば表面層として金属ワイヤなどが接続されるボンディング層において、不純物拡散のため酸化膜が形成されボンディング性が妨げられる要因を抑制することが可能となる。
なお、図４、図５、図６及び図７に示したＳＩＭＳプロファイルにおいて、各元素の濃度の絶対校正は実施されていない。そのため、図４、図５及び図６に示した各元素間の濃度の高低関係は、実際の半導体装置８００のものとは異なっている。また、図７に示した各元素間の高低関係は、実際の半導体装置１００のものとは異なっている。ただし、図４、図５、図６及び図７に示したＳＩＭＳプロファイルにおいて、異なる図面に示したＳＩＭＳプロファイル間の、Ｚｎ量、Ｔｉ量及びＧａ量の比較を行うことは、可能である。
なお、図４に示したＳＩＭＳプロファイルで、深さ方向におけるＴｉ量の比較をおこなうこと、深さ方向におけるＺｎ量の比較をおこなうこと、及び深さ方向におけるＧａ量の比較をおこなうことは、それぞれ可能である。また、図４に示したＳＩＭＳプロファイルで、Ｔｉ量とＺｎ量を比較すること、Ｔｉ量とＧａ量を比較すること、及びＺｎ量とＧａ量を比較することは、上述の通り各元素の濃度の絶対校正が実施されていないため、できない。図５、図６及び図７に示したＳＩＭＳプロファイルにおいても、同様である。
本実施形態の半導体装置によれば、接触抵抗の低い電極を有する半導体装置の提供が可能となる。
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
２ ＩＩＩ－Ｖ族半導体層
４ 第５導電層
６ 第１導電層
６ａ 第１領域
６ｂ 第２領域
８ 第３導電層
１０ 第４導電層
１２ 第２導電層
１００ 半導体装置

Claims (3)

  1. ｎ型不純物を含むＩＩＩ－Ｖ族半導体層と、
    前記ＩＩＩ－Ｖ族半導体層の上に設けられ、Ｔｉ（チタン）及び前記ＩＩＩ－Ｖ族半導体層のｐ型不純物となり得る第１元素を含み、第１領域と、前記第１領域より第１元素濃度の高い第２領域と、を有する第１導電層と、
    前記第１導電層の上に設けられた第２導電層と、
    を備える半導体装置。
  2. 前記第２領域は、前記第１領域の上に設けられている請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記第１元素は、Ｚｎ（亜鉛）、Ｍｇ（マグネシウム）又はＢｅ（ベリリウム）である請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
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