(57)【要約】【課題】本発明は、高い信頼性を有するオーミック電極を備えた化合物半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】実施形態によれば、窒化物半導体層と、この窒化物半導体層上に設けられたオーミック電極と、を備え、前記オーミック電極は、前記窒化物半導体層との間で金属窒化物を形成する金属を含む第１電極層と、前記第１電極層上に設けられた、アルミニウム（Ａｌ）を含む第２電極層と、前記第２電極層の外面を被覆し、かつタングステン（Ｗ）を含む第３電極層と、前記第３電極層の外面を被覆し、かつ金（Ａｕ）を含む第４電極層と、を有することを特徴とする化合物半導体装置が提供される。【選択図】図１
2011204804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層上に設けられたオーミック電極と、
を備え、
前記オーミック電極は、
前記窒化物半導体層との間で金属窒化物を形成する金属を含む第１電極層と、
前記第１電極層上に設けられた、アルミニウム（Ａｌ）を含む第２電極層と、
前記第２電極層の外面を被覆し、かつタングステン（Ｗ）を含む第３電極層と、
前記第３電極層の外面を被覆し、かつ金（Ａｕ）を含む第４電極層と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２】
前記第１電極層は、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）およびバナジウム（Ｖ）のうちの少なくとも２種類の金属を含むことを特徴とする請求項１記載の化合物半導体装置。
【請求項３】
前記窒化物半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）層であることを特徴とする請求項１または２に記載の化合物半導体装置。
【請求項４】
窒化物半導体層上に、前記窒化物半導体層との間で金属窒化物を成す金属を含む第１電極層を形成する工程と、
前記第１電極層上にアルミニウム（Ａｌ）を含む第２電極層を形成する工程と、
前記第２電極層の外面を被覆するようにして、タングステン（Ｗ）を含む第３電極層を形成する工程と、
前記第３電極層の外面を被覆するようにして、金（Ａｕ）を含む第４電極層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層、及び前記第１乃至前記第４電極層に、所定の温度で熱処理を行い、前記窒化物半導体層上に、前記窒化物半導体層とオーミックコンタクトを成すオーミック電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第１電極層は、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）およびバナジウム（Ｖ）のうちの少なくとも２種類の金属を含むことを特徴とする請求項４記載の化合物半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体を材料とする半導体装置は、シリコンを材料とする半導体には無い優れた特性を実現できるものとして期待されている。例えば、ＧａＮ等の窒化物半導体は、広いバンドギャップを有し、高い絶縁破壊電界強度を実現できることから、パワーデバイスの材料として有望視されている。
【０００３】
一方、化合物半導体装置の優れた特性を引き出すためには、外部回路とのインターフェースとなる低抵抗のオーミック電極が必須の要素となる。特に、バンドギャップの広い窒化物半導体に対する低抵抗で安定したオーミック電極の実現が求められている。
【０００４】
例えば、ｎ型ＧａＮに低抵抗のオーミックコンタクトを形成できる電極として、ｎ型ＧａＮ上にＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）を順に積層させたＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ積層構造、あるいは、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ積層構造等を有するオーミック電極が知られている（特許文献１）。
しかしながら、これらの電極構造に含まれるＡｌは、融点の低い極めて活性な金属であり、大電流を通電するパワーデバイス用の電極として安定性に課題を抱えている。そこで、より安定した信頼度の高いオーミック電極が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−２２１１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高い信頼性を有するオーミック電極を備えた化合物半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上に設けられたオーミック電極と、を備え、前記オーミック電極は、前記窒化物半導体層との間で金属窒化物を形成する金属を含む第１電極層と、前記第１電極層上に設けられた、アルミニウム（Ａｌ）を含む第２電極層と、前記第２電極層の外面を被覆し、かつタングステン（Ｗ）を含む第３電極層と、前記第３電極層の外面を被覆し、かつ金（Ａｕ）を含む第４金属層と、を有することを特徴とする化合物半導体装置が提供される。
【０００８】
本発明の別の一態様によれば、窒化物半導体層上に、前記窒化物半導体層との間で金属窒化物を成す金属を含む第１電極層を形成する工程と、前記第１電極層上にアルミニウム（Ａｌ）を含む第２電極層を形成する工程と、前記第２電極層の外面を被覆するようにして、タングステン（Ｗ）を含む第３電極層を形成する工程と、前記第３電極層の外面を被覆するようにして、金（Ａｕ）を含む第４電極層を形成する工程と、前記窒化物半導体層、及び前記第１乃至前記第４電極層に、所定温度で熱処理を行い、前記窒化物半導体層上に、前記窒化物半導体層とオーミックコンタクトを成すオーミック電極を形成する工程と、を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高い信頼性を有するオーミック電極を備えた化合物半導体装置及びその製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態にかかる化合物半導体装置のオーミック電極の断面構造を示す模式図である。
【図２】一実施例にかかる化合物半導体装置の断面構造を示す模式図である。
【図３】一実施形態に係る化合物半導体装置の製造工程を説明する模式断面図である。
【図４】図３に続く製造工程を説明する模式断面図である。
【図５】図４に続く製造工程を説明する模式断面図である。
【図６】図５に続く製造工程を説明する模式断面図である。
【図７】図６に続く製造工程を説明する模式断面図である。
【図８】別の実施形態に係る化合物半導体装置の断面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。
【００１２】
図１は、一実施形態にかかる化合物半導体装置のオーミック電極の構造を模式的に示す部分断面図である。本実施形態に係る化合物半導体装置は、窒化物半導体層２６と、窒化物半導体層２６の上に設けられたオーミック電極３０と、を備えている。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態に係るオーミック電極３０は、窒化物半導体層２６との間にオーミックコンタクトを形成した第１電極層１２と、第１電極層１２上に設けられたアルミニウム（Ａｌ）を含む第２電極層１３と、を有している。
【００１４】
さらに、第２電極層１３の露出面の全体を被覆するように、例えば、高融点金属であるタングステン（Ｗ）を含む第３電極層１４が設けられている。ここで、露出面とは、例えば、図１において、第３電極層１４およびその上部の層を設けない場合に、空気中に露出する第２電極層１３の側面を含めた外面を意味する。以下、第３電極層１４においても同様である。
【００１５】
オーミック電極３０は、第３電極層１４の露出面の全体を被覆するように設けられた金（Ａｕ）を含む第４電極層１５をさらに備えることができる。
【００１６】
図１に示すオーミック電極３０を構成するには、例えば、電子ビーム蒸着法と、後述するリフトオフ法と、を用いて、第１電極層１２と第２電極層１３とを、図１中に示すように、窒化物半導体層２６の表面に形成した絶縁膜２７の開口の内側に順に設ける。この際、第１電極層１２の厚さは、絶縁膜２７と同等にすることができる。
【００１７】
続いて、第２電極層１３の露出した全表面を覆うように第３電極層１４を設ける。例えば、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法を用いてＷを選択的に第２電極層１３の表面に形成することができる。
【００１８】
別の態様として、例えば、スパッタ法または蒸着法を用いて、第１電極層１２および第２電極層１３を覆う金属層を形成し、窒化物半導体層２６の表面に沿った方向の幅が第１電極層１２および第２電極層１３よりも広いパターンに形成して第３電極層１４とすることができる。
【００１９】
次に、第３電極層１４の露出した表面の全体を覆うように、第４電極層１５を設ける。ここでは、例えば、スパッタ法または蒸着法を用いてＡｕを主成分とする金属膜を形成し、窒化物半導体層２６の表面に沿った方向の幅が第３電極層１４よりも広いパターンに形成することができる。さらに、第４電極層１５が設けられた、その表面全体には、必要に応じて、例えば、窒化シリコン膜を含む表面保護膜８を形成する。
【００２０】
本実施の形態によれば、耐熱性、さらには、耐食性や耐酸化性等の点にも優れ、高温環境下や高湿度環境下においても高い信頼性を有するオーミック電極３０を備える化合物半導体装置を実現することができる。
【００２１】
例えば、窒化物半導体装置におけるｎ型オーミック電極として、Ｔｉ／Ａｌの積層構造を基本としたオーミック電極が用いられている。具体的には、ｎ型ＧａＮ層に対してオーミックコンタクトを形成する電極として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕを順に積層させたＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ積層構造、あるいはＴｉ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕを順に積層させたＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ積層構造等による電極を、例えば６００℃で熱処理することによって形成する。
【００２２】
一般に、ＧａＮやＡｌＧａＮ等のＧａＮ系半導体におけるＴｉ／Ａｌ積層構造のオーミック電極では、熱処理によってＴｉが窒化物半導体層と反応して、導電性の金属窒化物層、すなわちＴｉＮが形成されるとともに、Ｔｉ上の軽元素であるＡｌが窒化物半導体層内に拡散する。ＴｉＮの形成に伴って生じた窒化物半導体層内の窒素空孔は、ドナーとして機能し、ＴｉＮと、窒素を失ったIII族金属及び拡散したＡｌと、が電気伝導に寄与することにより、低抵抗のオーミックコンタクトを得ることができる。
【００２３】
しかしながら、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ等の電極構成では、金属の過度な拡散やエレクトロマイグレーション、あるいは腐食等に起因した信頼性上の問題がある。
【００２４】
本実施形態に係るオーミック電極３０では、第１電極層１２とＡｌを含む第２電極層１３とからなる積層構造の表面を、例えば、Ｗを含む第３電極層１４で被覆している。この構成において、窒化物半導体層２６との間にオーミックコンタクトを形成するためには、例えば、５００℃〜６５０℃、好ましくは５５０℃〜６００℃の範囲で熱処理を行う。
【００２５】
その際、ＡｌとＷが反応して、ＡｌとＷとの界面にこれらの金属間化合物層が形成される。Ｗは、融点が約３４００℃と極めて高く、熱的安定性に優れている。このため、ＡｌとＷとが反応した際に生成される化合物は、ＡｌとＮｉ、あるいはＡｌとＴｉとが反応して生成される化合物よりも融点が高く、第２電極層１３に含まれるＡｌが第３電極層を通過して外側へ拡散することを防ぐバリア層として機能する。さらに、Ｗは、ＮｉやＴｉよりも熱伝導率が高く、且つ、導電率も高いことから、ＷでＡｌ全体を被覆することにより、ＮｉやＴｉをバリア層に用いた電極構造よりも、放熱性が良くなり、且つ、電気抵抗が小さくなる効果も得られる。
【００２６】
また、上記のように、第３電極層１４がＡｌを含む第２電極層１３の露出面の全体を被覆することにより、製造プロセス中に施される高温の熱処理において、第２電極層１３に含まれるＡｌの過度な拡散が防止され、フラットで均一な表面モフォロジを有する電極が得られる。さらに、化合物半導体装置を、高温の環境下において高電流密度となる動作をさせた時に、Ａｌを含む電極で生じ易いＡｌのエレクトロマイグレーションを抑制することができる。結果として、耐熱性に優れたオーミック電極を実現でき、高い信頼性を有する化合物半導体装置を実現することができる。
【００２７】
一方、Ａｌを含む電極は、酸、アルカリあるいは水分等に侵されやすいために、電極表面から侵食される恐れがある。このため、製造プロセスにおける加工や洗浄工程で実施される条件、あるいは、使用環境等が大きな制約を受ける場合がある。そこで、本実施形態に係るオーミック電極３０では、第３電極層１４で第２電極層１３の露出面を被覆した後、第３電極層１４の露出面を、例えば、ＴｉとＡｕとを積層した第４電極層１５を重ねて被覆する。これにより、オーミック電極３０の耐薬品性および耐環境性能を向上させることができる。
【００２８】
上記の第４電極層１５において、Ｔｉは、例えば、Ｗを含む第３電極層１４とＡｕとの間の密着性を高めるために用いる。一方、Ａｕは、熱伝導度・電気伝導度ともに優れ、湿気や酸素及びほとんどの化学的腐食に対して極めて強い耐性を有する。したがって、Ａｕを主成分とする第４電極層１５で第３電極層１４を被覆することにより、耐熱性、さらには耐食性や耐酸化性等の点にも優れたオーミック電極３０を構成することができる。これにより、高温および高湿度の環境下において高い信頼性を有する化合物半導体装置が実現される。
【００２９】
次に、本実施形態に係るオーミック電極３０を適用した化合物半導体装置として、窒化物半導体を用いたＨＦＥＴ（Hetero-junction Field Effect Transistor）を例示して詳細に説明する。
【００３０】
図２は、本実施形態に係るＨＦＥＴ１００の断面構造を示す模式図である。ＨＦＥＴ１００は、例えば、半絶縁性シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板１上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層２（例えば、厚さ１０ｎｍ）、ｉ型ＧａＮからなる電子走行層３（例えば、厚さ２μｍ）、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなるスペーサ層４（例えば、厚さ３ｎｍ）、ｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる電子供給層５（例えば、厚さ１５ｎｍ、Ｓｉドーピング濃度４×１０１８ｃｍ−３）、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６（例えば、厚さ５ｎｍ）を順に積層させたエピタキシャル構造を有している。
【００３１】
上記のエピタキシャル構造は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、ＳｉＣ基板１上に形成することができる。ここで、ｉ型は、不純物を意図的にドープしていないことを意味する。ＧａＮやＡｌＧａＮ等の窒化物半導体では、窒素（Ｎ）の空孔がドナーとして機能するため、不純物をドープしない半導体層でも、ｎ型の導電性を示す。
【００３２】
基板は、上述のＳｉＣ基板に限られるものではなく、サファイア基板またはシリコン基板もしくは窒化ガリウム基板を用いることができる。バッファ層２は、例えば、ＧａＮ層であっても良く、必ずしも設けなくとも良い。電子走行層３と電子供給層５との間に設けられているスペーサ層４は、例えば、ＡｌＮ層としても良い。
【００３３】
ソース電極９およびドレイン電極１１は、それぞれ、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６の上に設けられたオーミック電極である。ゲート電極１０も、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６の上に設けられている。
【００３４】
ゲート電極１０とソース電極９との間、および、ゲート電極１０とドレイン電極１１との間に設けられた第１表面保護膜７には、窒化シリコン膜を用いることができる。ＨＦＥＴ１００の表面全体を保護する第２表面保護膜８も、窒化シリコン膜とすることができる。さらに、第１表面保護膜７および第２表面保護膜８は、窒化シリコン膜に限られるものではなく、酸化シリコン膜を用いることもできる。
【００３５】
次に、ＨＦＥＴ１００の動作について説明する。ＧａＮ層の上にＡｌＧａＮ層を積層したヘテロ構造では、分極効果によって、ｉ型ＧａＮからなる電子走行層３と、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなるスペーサ層４と、の間のスペーサ層４側の界面に、例えば、面密度１×１０１３ｃｍ−２程度のプラスの分極電荷が生じる。これにより、電子走行層３とスペーサ層４との間の電子走行層３側の界面近傍に面密度約１×１０１３ｃｍ−２の二次元電子ガスが誘起される。
【００３６】
この二次元電子ガスの濃度は、ＧａＡｓ系半導体を用いるＧａＡｓＨＦＥＴの二次元電子ガスの濃度に比べて１桁以上大きく、ＨＦＥＴ１００のオン抵抗は、ＧａＡｓＨＦＥＴのオン抵抗よりも小さくすることができる。さらに、ＧａＮのバンドギャップは３．４ｅＶであり、ＧａＡｓの１．４ｅＶに比べて広いため、ＨＦＥＴ１００は、ＧａＡｓＨＦＥＴよりも高電圧の動作が可能である。この結果、ＨＦＥＴ１００では、一般的なＧａＡｓＨＦＥＴを超える高出力特性を得ることができる。
【００３７】
上記のように、ＨＦＥＴ１００は、例えば、パワー半導体デバイスとしてのアプリケーションに適している。したがって、ソース電極９とドレイン電極１１との間に大電流が流れる動作状態が想定される。すなわち、ソース電極９およびドレイン電極１１の電流密度が高くなり、発熱して温度上昇を起こし易くなる。そこで、ソース電極９およびドレイン電極１１が、Ａｌを含むオーミック電極であれば、Ａｌ原子があらゆる方向に移動する、所謂エレクトロマイグレーションが生じ、ソース電極９およびドレイン電極１１の信頼性が低下する恐れがある。
【００３８】
一方、ＨＦＥＴ１００の製造プロセスでは、低抵抗のオーミック電極を得るために５００℃〜８５０℃の温度範囲で熱処理が行われる。この際、例えば、ソース電極９およびドレイン電極１１が、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ等の電極構造であれば、前述したように、ＡｌとＴｉあるいはＡｌとＮｉ等、各々の界面で金属同士が相互に拡散する。さらに、Ａｌの融点は６６０℃と極めて低く、またＴｉ、Ｎｉ、Ａｕも融点が低い金属である。このために、熱処理時に金属原子の過度な反応が生じ、ソース電極９およびドレイン電極１１の表面及びエッジのモフォロジが劣化して凹凸ができる。そのために、電界が不均一に印加されてオーミック抵抗が大きくなる場合がある。
【００３９】
さらに、例えば、ＡｌとＡｕがそれぞれＮｉ層あるいはＴｉ層中を拡散して反応し、ＡｕＡｌのように異常膨張する金属間化合物が形成された場合には、ソース電極９およびドレイン電極１１に高抵抗かつ脆弱な領域が形成されてしまう可能性がある。
【００４０】
上記の問題は、Ａｌの融点が低いことに加えて、Ａｌの下層のＴｉ、あるいは、Ａｌの上層のＴｉまたはＮｉの融点が低いことに起因しており、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ等の電極構造では、Ａｌの過度な拡散を抑制する事が困難である。
【００４１】
Ａｌは仕事関数がＧａＮに近く、窒化物半導体を材料とする化合物半導体装置のオーミック電極材料として適している。しかしながら、別の側面では、Ａｌは化学的に活性な金属であり、酸、アルカリあるいは水分等に侵されやすい。このために電極表面が侵食されてしまう恐れがあり、加工、洗浄などのプロセス、あるいは、使用環境条件等に大きな制約を受ける。
【００４２】
例えば、電極の最表面にＡｌが含まれている場合には、大気と接触し高温でのプロセスを経ることにより表面が酸化され、その上部に形成される配線との接触抵抗が増大する場合がある。このような理由から、Ａｌを含む電極を、侵食され難く、且つ、酸化し難い金属で被覆することが望ましい。
【００４３】
上記の通り、ＨＦＥＴ１００のソース電極９およびドレイン電極１１に用いるオーミック電極は、加工、洗浄といったプロセス条件、電流密度等のデバイス動作条件、使用環境条件を十二分に考慮すべきであり、特に、耐熱性、さらには、耐食性や耐酸化性を高める電極構成にすることが信頼性を確保する上において重要である。
【００４４】
ＨＦＥＴ１００のソース電極９およびドレイン電極１１に、図１に示すオーミック電極３０を用いることにより、耐熱性、さらには耐食性や耐酸化性を向上させることができる。前述したように、Ａｌを含む第２電極層１３の露出面の全体をＡｌよりも融点の高い、例えば、Ｗを含む第３電極層１４で被覆することにより、Ａｌの拡散を防止することができる。さらに、Ａｕを含む第４電極層１５で、第３電極層１４の露出面の全体を被覆することにより、耐食性、耐酸化性を向上させることができる。
【００４５】
さらに、本実施形態に係る別の側面として、図２に示すＨＦＥＴ１００において、図１に示すオーミック電極３０の構造を用いたソース電極９及びドレイン電極１１は、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６に接する第１電極層１２に、バナジウム族の金属であるタンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）およびバナジウム（Ｖ）のうちの２種類以上を含むことができる。
【００４６】
例えば、ソース電極９及びドレイン電極１１では、ＴａとＶとを含む第１電極層１２と、Ａｌを含む第２電極層１３とを順次積層して構成され、且つ、第２電極層１３の露出面の全体が、Ｗを含む第３電極層１４で被覆される。さらに、第３電極層１４の露出面の全体がＴｉとＡｕとの積層からなる第４電極層１５で被覆された構造とすることができる。
【００４７】
また、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６に接する第１電極層１２は、これに限られるものではなく、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａのうちの少なくとも２種類の金属層を積層させた構造とすることもできる。  
第１電極層１２を構成するＴａ、Ｎｂ、Ｖは、いずれもＴｉよりも融点が高い。Ｔｉの融点が１６７０℃であるのに対し、Ｔａの融点は、約３０００℃、Ｎｂの融点は約２４５０℃、Ｖの融点は、約１９００℃である。これにより、オーミック特性を得るために、例えば、５００℃〜６５０℃（好ましくは５５０℃〜６００℃）で熱処理した時に、第２電極層１３に含まれるＡｌの窒化物半導体層２６側への過度な拡散を抑制できる。さらに、高電流密度・高温動作時のＡｌのエレクトロマイグレーションを抑制することができるので、熱的安定性に優れたオーミック電極を実現できる。
【００４８】
また、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖは、例えば、５００℃〜６５０℃（好ましくは５５０℃〜６００℃）で熱処理した時に、いずれも窒化物半導体層の窒素と反応して導電性の金属窒化物を形成する。したがって、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖのうちの少なくとも２種類を第１電極層１２に含有させるか、または、第１電極層１２を、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖのうちの少なくとも２種類の金属を積層させた構造とすることにより、導電性の金属窒化物を含む低抵抗のオーミックコンタクトを形成することができる。加えて、Ｔａ、Ｎｂ、Ｖは、Ｔｉよりも仕事関数が小さく導電率が高いことからも、コンタクト抵抗を低減する上で有利である。
【００４９】
次に、本実施形態に係るＨＦＥＴ１００の製造方法について、図３〜図７を参照しながら説明する。
【００５０】
まず、図３（ａ）に示すように、ＳｉＣ基板１の上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＡｌＮからなるバッファ層２（例えば、厚さ１０ｎｍ）、ｉ型ＧａＮからなる電子走行層３（例えば、厚さ２μｍ）、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなるスペーサ層４（例えば、厚さ３ｎｍ）、ｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎからなる電子供給層５（例えば、厚さ１５ｎｍ、Ｓｉドーピング濃度４×１０１８ｃｍ−３）、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６（例えば、厚さ５ｎｍ）を順次堆積させた積層構造を形成する。
【００５１】
続いて、図示しない素子分離構造を形成する。例えば、最上層であるｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６の表面にレジストマスクを形成し、塩素系ガスによるドライエッチング法を用いて所定の領域に素子分離溝を形成する。また、イオン注入により絶縁性の素子分離領域を形成しても良い。
【００５２】
次に、図３（ｂ）に示すように、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６の表面に、例えばＣＶＤ法を用いて、厚さ２０ｎｍの窒化シリコンからなる第１表面保護膜７を堆積させる。
【００５３】
次に、図４（ａ）に示すように、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６上の所望の位置に開口２１を設けた２層のレジストマスク２０ａ、２０ｂを形成する。同図中に示すように、開口２１において、レジストマスク２０ｂの端部が、レジストマスク２０ａの上方に張り出したオーバーハング形状とする。続いて、例えば、ドライエッチング法を用いて、ソース電極９およびドレイン電極１１を設ける部分の第１表面保護膜７を除去する。
【００５４】
次に、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、Ｔａ膜（例えば、厚さ１０ｎｍ）およびＶ膜（例えば、厚さ１０ｎｍ）を積層した第１電極層１２と，Ａｌを主成分とする厚さ２００ｎｍの第２電極層１３とを、第１表面保護膜７がエッチングされた開口部に順に設ける。例えば、第１電極層１２と第２電極層１３との積層構造は、蒸着リフトオフ法を用いて形成することができる。第１電極層１２は、ＴａとＶとを含む合金層（例えば、厚さ２０ｎｍ）として設けても良い。
【００５５】
図４（ｂ）中に示すように、オーバーハング形状に形成された２層のレジストマスク２０ａ、２０ｂによって、第１電極層１２および第２電極層１３となる蒸着膜が、開口２１の底部に蒸着された部分と、レジストマスク２０ｂの表面に蒸着された部分と、に分離されて形成される。続いて、レジストマスク２０ａおよび２０ｂをウェット処理により除去すると、図４（ｃ）に示すように、開口２１の底部に蒸着された部分のみが残り、ソース電極９およびドレイン電極１１となる第１電極層１２および第２電極層１３の積層構造が形成される。
【００５６】
次に、図５（ａ）に示すように、第２電極層１３側面を含む露出面の全面を、第３電極層１４で被覆する。第３電極層１４には、例えば、厚さ１００ｎｍのＷを主成分とする膜を用いることができる。Ｗ膜は、第２電極層１３の露出面のみに選択的にＷを堆積させるＣＶＤ法を用いて形成することができる。
【００５７】
次に、図５（ｂ）に示すように、Ｔｉ（例えば、厚さ１５ｎｍ）と、Ａｕ（例えば、厚さ３００ｎｍ）と、の積層膜からなる第４電極層１５を設ける。第４電極層１５となるＴｉとＡｕとの積層膜は、例えば、スパッタ法を用いて、第３電極層１４および第１表面保護膜７の表面全面に堆積させることができる。そして、レジストマスクを用いたウェットエッチング処理により、不要な部分のＴｉ／Ａｕ膜を除去する。これにより、Ｔａ／Ｖ／Ａｌ／Ｗ／Ｔｉ／Ａｕの積層構造を有するソース電極９およびドレイン電極１１を形成することができる。
【００５８】
続いて、オーミック特性が得られるように、例えば、５００℃〜６５０℃（好ましくは５５０℃〜６００℃）の温度範囲で、短時間の急速熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）を行い、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６と、ソース電極９およびドレイン電極１１と、の間にオーミックコンタクトを形成する。このような条件で熱処理を行うことで、良好なオーミック特性が得られるとともに、金属間の過度な拡散を抑制することができる。
【００５９】
次に、図６（ａ）に示すように、ソース電極９とドレイン電極１１との間に開口２２を有する２層のレジストマスク２０ｃ、２０ｄを形成し、開口２２の底部に位置する第１表面保護膜７を除去し、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６の表面を露出させる。図６（ａ）中に示すように、レジストマスク２０ｃおよび２０ｄは、リフトオフ法によりゲート電極１０を形成するために、オーバーハング形状に形成する。
【００６０】
続いて、図６（ｂ）に示すように、例えば、蒸着法を用いてＮｉおよびＡｕを順に積層したゲート電極１０となる金属層１０ａを形成する。そして、ウェット剥離処理により、レジストマスク２０ｄ上に蒸着された金属層１０ａをレジストマスク２０ｃおよび２０ｄとともに除去して、図７（ａ）に示すようにＮｉ／Ａｕの積層構造を有するゲート電極１０を形成する。
【００６１】
その後、図７（ｂ）に示すように、例えば、ＣＶＤ法を用いて、第２表面保護膜８である窒化シリコン（例えば、厚さ４００ｎｍ）を堆積させる。このようにして、本実施形態に係るＨＦＥＴ１００を製作することができる。
【００６２】
上記の実施形態では、オーミック電極３０であるソース電極９およびドレイン電極１１は、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６に接触して設けられているが、これに限られるものではない。例えば、ｎ型窒化物半導体層に接触するように設けることもできる。すなわち、ソース電極９およびドレイン電極１１を形成する所定の領域のｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６を、例えば、塩素系ガスを用いたドライエッチング法によって除去し、ｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（Ｓｉドーピング濃度４×１０１８ｃｍ−３）である電子供給層５を露出させ、その上にソース電極９およびドレイン電極１１を形成しても良い。
【００６３】
さらに、別の態様として、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６、ｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層である電子供給層５およびスペーサ層４の一部が除去されて、ソース電極９およびドレイン電極１１がｉ型ＧａＮ層である電子走行層３に接する構成とすることもできる。また、ｉ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層６に代えて、例えば、ｎ型あるいはｉ型のＧａＮ層を用いることもできる。
【００６４】
図８は、別の実施形態に係る化合物半導体装置の断面を示す模式図である。化合物半導体装置は、サファイア基板４０の上に設けられた窒化物半導体を材料とする発光ダイオード２００である。
【００６５】
発光ダイオード２００は、サファイア基板４０の上に、図示しないバッファ層を介して成長された、例えば、ｎ型ＧａＮ層であるｎコンタクト層３１、ｎ型ＡｌＧａＮ層であるｎクラッド層３２、ＩｎＧａＮ層とｎ型ＡｌＧａＮ層が周期性を持って積層されたＭＱＷ（Multi-Quantum-Well）構造を有する発光層３３、ｐ型ＡｌＧａＮ層であるｐクラッド層３４、および、ｐ型ＧａＮ層であるｐコンタクト層３５を有している。さらに、ｎコンタクト層３１に電気的に接続して設けられたｎ電極３６と、ｐコンタクト層に電気的に接続して設けられたｐ電極３７を有している。
【００６６】
発光ダイオード２００は、ｐ電極３７からｎ電極３６へ、ｐコンタクト層３５、ｐクラッド層３４、発光層３３、ｎクラッド層３２、および、ｎコンタクト層３１を介して電流を流すことにより、発光層３３を発光させることにより動作する。
【００６７】
発光ダイオード２００の発光強度を高くするためには、ｐ電極３７からｎ電極３６へ流す電流を大きくする。したがって、照明などの高い発光強度が求められる用途に使用される場合には、ｐ電極３７およびｎ電極３６に流れる電流密度が高く、それぞれの電極に耐熱性が求められる。さらに、ｐ電極３７およびｎ電極３６には、発熱による電力損失を少なくするために、低抵抗のオーミックコンタクトであることが求められる。
【００６８】
すなわち、前述した実施形態に係るＨＦＥＴ１００と同じように、ｐ電極３７およびｎ電極３６には、耐熱性を、さらには、耐食性や耐酸化性を備えることが求められる。さらに、ｎ型窒化物半導体層が用いられるｎ電極３６のコンタクト抵抗を低減するためには、Ａｌを含む電極が有利であり、図１に示すオーミック電極３０を用いることが有効である。
【００６９】
以上、本発明に係る化合物半導体装置は、上述した実施形態に係るＨＦＥＴ１００および発光ダイオード２００に限られるものではなく、ＭＥＳＦＥＴ、ＭＩＳＦＥＴ、半導体レーザ、その他の発光素子及び受光素子、窒化物半導体のｎ型又はアンドープの半導体層にオーミック電極を形成するあらゆる化合物半導体装置に広く適用することができる。
【００７０】
本発明に係る２つの実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、出願時の技術水準に基づいて、当業者がなし得る設計変更や、材料の変更等、本発明と技術的思想を同じとする実施態様も本発明の技術的範囲に含有される。
【００７１】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において、組成比ｘおよびｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００７２】
１ ＳｉＣ基板
２ バッファ層
３ ｉ型ＧａＮ電子走行層
４ ｉ型ＡｌＧａＮスペーサ層
５ ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層
６ ｉ型ＡｌＧａＮ層
７ 第１表面保護膜
８ 第２表面保護膜
９ ソース電極
１０ ゲート電極
１０ａ 金属層
１１ ドレイン電極
１２ 第１電極層
１３ 第２電極層
１４ 第３電極層
１５ 第４電極層
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ フォトレジスト
２１，２２ 開口
２６ 窒化物半導体層
２７ 絶縁膜
３０ オーミック電極
３１ コンタクト層
３２ クラッド層
３３ 発光層
３４ クラッド層
３５ コンタクト層
３６ ｎ電極
３７ ｐ電極
４０ サファイア基板
１００ ＨＦＥＴ
２００ 発光ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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