(57)【要約】【課題】低消費電力化並びに動作速度の高速化を実現することができる窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】窒化物半導体装置１０は、窒化物半導体４と、オーミック接触電極７とを備えている。第１金属層７１は、窒化物半導体４上に設けられ、チタンを主組成とする。第２金属層７２は、第１金属層７１上に設けられ、アルミニウムを主組成とする。このオーミック接触電極７では、第１金属層７１に対する第２金属層７２の比率が8 以上とされている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体と、
前記窒化物半導体上に設けられ、チタンを主組成とする第１金属層と、前記第１金属層上に設けられ、アルミニウムを主組成とする第２金属層とを少なくとも含んで構成され、前記第１金属層に対する前記第２金属層の比率が8 以上とされたオーミック接触電極と、
を備えている窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１金属層の厚さは、1.5 nm以上10 nm以下とされている請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
前記第１金属層の厚さは、2 nm以上4 nm以下とされている請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項４】
基板と、
前記基板上に設けられた電子走行層と、
前記電子走行層上に設けられ、電子供給層とされる前記窒化物半導体と、
前記電子走行層と前記窒化物半導体との界面近傍に形成される二次元電子ガス層と、
前記窒化物半導体上に設けられ、前記二次元電子ガス層のキャリアの流れを制御する制御電極と、
前記制御電極のゲート幅方向の両側部に一対に設けられ、主電極とされる前記オーミック接触電極と、
を有する高電子移動度トランジスタを備えている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体装置に関し、特に窒化物半導体にオーミック接触電極が接続された窒化物半導体装置に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、半導体装置及びその製造方法が開示されている。この半導体装置は高電子移動度トランジスタ（HEMT: High Electron Mobility Transistor）を備えている。HEMTのソース電極及びドレイン電極にはオーミック接触電極が使用され、オーミック接触電極はチタン（Ti）層とこのTi 層上に形成されたアルミニウム（Al）層とを含む積層電極とされている。
【０００３】
この種の半導体装置では、低消費電力化並びに動作速度の高速化を目的として、オーミック接触電極のオーミック接触抵抗値を小さくすることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１７７０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮し、低消費電力化並びに動作速度の高速化を実現することができる窒化物半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の第１実施態様に係る窒化物半導体装置は、窒化物半導体と、窒化物半導体上に設けられ、チタンを主組成とする第１金属層と、第１金属層上に設けられ、アルミニウムを主組成とする第２金属層とを少なくとも含んで構成され、第１金属層に対する第２金属層の比率が8 以上とされたオーミック接触電極と、を備えている。
【０００７】
第１実施態様に係る窒化物半導体装置は、窒化物半導体と、窒化物半導体上に設けられたオーミック接触電極とを備える。オーミック接触電極は、窒化物半導体上に設けられ、チタンを主組成とする第１金属層と、第１金属層上に設けられ、アルミニウムを主組成とする第２金属層とを少なくとも含んで構成される。
【０００８】
ここで、オーミック接触電極において、第１金属層に対する第２金属層の比率が8 以上とされる。この比率の第１金属層の厚さは相対的に第２金属層の厚さに対して薄くなり、第２金属層のアルミニウムが第１金属層を透過し易くなる。窒化物半導体装置の製造プロセスにおいてアニール処理が行われると、窒化物半導体と第１金属層との界面には、第１金属層のチタンと、第２金属層のアルミニウムと、窒化物半導体の窒素とを含む金属窒化物が形成される。この金属窒化物が生成されると、窒化物半導体に窒素欠乏が生じ、窒化物半導体中の窒素欠乏はキャリアとして振る舞う。加えて、窒化物半導体に対するチタンの仕事関数に対して、窒化物半導体に対するチタンとアルミニウムとの合金の仕事関数が低くなる。
このため、窒化物半導体−第１金属層間のエネルギ障壁が狭くなり、トンネル効果によりトンネル電流が流れ易くなるので、オーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
【０００９】
本発明の第２実施態様に係る窒化物半導体装置では、第１実施態様に係る窒化物半導体装置において、第１金属層の厚さは、1.5 nm以上10 nm以下とされている。
【００１０】
第２実施態様に係る窒化物半導体装置によれば、第１金属層の厚さが1.5 nm以上とされているので、窒化物半導体の表面の自然酸化膜を除去することができる。このため、オーミック接触をなして窒化物半導体にオーミック接触電極を接続することができ、かつ、オーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
一方、第１金属層の厚さが10 nm以下とされているので、第２金属層のアルミニウムが第１金属層を透過して窒化物半導体と第１金属層との界面まで到達させることが十分に期待される。このため、オーミック接触電極のオーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
さらに、窒化物半導体装置の製造プロセスでは、窒化物半導体上に第１金属層、第２金属層のそれぞれを順次形成した後、アニール処理を経てオーミック接触電極が形成されるが、低いアニール温度においてオーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
【００１１】
本発明の第３実施態様に係る窒化物半導体装置では、第１実施態様又は第２実施態様に係る窒化物半導体装置において、第１金属層の厚さは、2 nm以上4 nm以下とされている。
【００１２】
第３実施態様に係る窒化物半導体装置によれば、第１金属層の膜厚が2 nm以上4 nm以下とされているので、オーミック接触抵抗値をより一層小さくすることができる。
【００１３】
本発明の第４実施態様に係る窒化物半導体装置は、第１実施態様〜第３実施態様のいずれか１つに係る窒化物半導体装置において、基板と、基板上に設けられた電子走行層と、電子走行層上に設けられ、電子供給層とされる窒化物半導体と、電子走行層と窒化物半導体との界面近傍に形成される二次元電子ガス層と、窒化物半導体上に設けられ、二次元電子ガス層のキャリアの流れを制御する制御電極と、制御電極のゲート幅方向の両側部に一対に設けられ、主電極とされるオーミック接触電極と、を有する高電子移動度トランジスタを備えている。
【００１４】
第４実施態様に係る窒化物半導体装置は、基板上に設けられた高電子移動度トランジスタを備える。高電子移動度トランジスタは、電子走行層と、窒化物半導体と、二次元電子ガス層と、制御電極と、一対のオーミック接触電極と、を含んで構成される。電子走行層は基板上に設けられる。窒化物半導体は、電子走行層上に設けられ、電子供給層とされる。二次元電子ガス層は、電子走行層と窒化物半導体（電子供給層）との界面近傍に形成される。制御電極は、窒化物半導体上に設けられ、二次元電子ガス層のキャリアの流れを制御する。オーミック接触電極は、制御電極のゲート幅方向の両側部に一対に設けられ、主電極とされる。
これにより、高電子移動度トランジスタでは、窒化物半導体とオーミック接触電極とのオーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体装置は、低消費電力化並びに動作速度の高速化を実現することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る高電子移動度トランジスタ及びそれを備えた窒化物半導体装置の縦断面構造図である。
【図２】図１に示される高電子移動度トランジスタの窒化物半導体（電子供給層）とオーミック接触電極との接続部位を拡大した縦断面拡大構造図であり、（Ａ）はアニール処理前の構造図、（Ｂ）はアニール処理後の構造図である。
【図３】図２に示される接続部位（オーミック接触部位）におけるチタンに対するアルミニウムの比率とオーミック接触抵抗値との関係を示すグラフである。
【図４】一実施の形態の実施例１、実施例２のそれぞれに係るオーミック接触電極並びに比較例１〜比較例８のそれぞれに係るオーミック接触電極の各パラメータと最適アニール条件とを示す表である。
【図５】図４に示される実施例１、実施例２、比較例１〜比較例８のそれぞれのオーミック接触電極のパラメータのうちチタン層の厚さと最適アニール温度との関係を示すグラフである。
【図６】一実施の形態の実施例３〜実施例６のそれぞれに係るオーミック接触電極並びに比較例９〜比較例１１のそれぞれに係るオーミック接触電極において、各パラメータとしてのチタン層の厚さを一定にしてアニール温度を変化させたときのオーミック接触抵抗値の変化を示す表である。
【図７】図６に示される実施例３〜実施例６並びに比較例９〜比較例１１のそれぞれのオーミック電極のアニール温度とオーミック接触抵抗値との関係を示すグラフである。
【図８】一実施の形態の実施例７〜実施例１２のそれぞれに係るオーミック接触電極並びに比較例１２に係るオーミック接触電極において、パラメータとしてのチタン層の厚さを変化させてアニール温度を一定にしたときのオーミック接触抵抗値の変化を示す表である。
【図９】図８に示される実施例７〜実施例１２並びに比較例１２のオーミック接触電極のチタン層の厚さとオーミック接触抵抗値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図１〜図９を用いて、本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体装置を詳細に説明する。
【００１８】
（窒化物半導体装置の縦断面構造）
図１に示されるように、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１０は、基板１上に設けられた高電子移動度トランジスタ（以下、単に「HEMT」という）１２を備えている。HEMT１２は、電子走行層３と、窒化物半導体４と、制御電極６と、一対のオーミック接触（Ohmic contact）電極７と、二次元電子ガス（2DEG: Two Dimensional Electron Gas）層５と、を含んで構成されている。
【００１９】
基板１として、ここではシリコン（Si）基板が使用されている。基板１上にはバッファ層２が形成され、バッファ層２は電子走行層３に対する結晶の整合性を確保する。また、基板１としては、炭化シリコン（SiC）基板、サファイア（sapphire）基板、窒化ガリウム（GaN）基板のいずれかを実用的に使用することができる。ここで、例えば、基板１にGaN基板が使用される場合、バッファ層２は必要とされない。
【００２０】
HEMT１２において、電子走行層３は基板１上にバッファ層２を介して設けられている。電子走行層３は、ここではアンドープのGaN層により形成されている。GaNの一般式はInXGa1-XN（X=0〜1）又はInXAlYGa1-X-YN（X=0〜1, Y=0〜1, X+Y=0〜1）である。また、電子走行層３としては、窒化インジウム（InN）層を使用することができる。InNの一般式はInXAl1-XN（X=0〜1）又はInXGa1-XN（X=0〜1）である。
【００２１】
窒化物半導体４は、電子走行層３上に設けられ、電子供給層とされている。窒化物半導体４は、ここではアンドープの窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）層により形成されている。AlGaNの一般式はInXAlYGa1-X-YN（X=0〜1, Y=0〜1, X+Y=0〜1）である。また、窒化物半導体４としては、窒化インジウムアルミニウム（InAlN）層を使用することができる。InAlNの一般式はInXAl1-XN（X=0〜1）である。窒化物半導体４は、エピタキシャル成長法を用いて電子走行層３上に積上げた構成とされている。
この窒化物半導体４と電子走行層３とのヘテロ接合（Hetero-Junction）界面の近傍に2DEG層５が形成される。
【００２２】
制御電極６は窒化物半導体４上に設けられている。制御電極６は、ゲート電極（Ｇ）として使用され、2DEG層５におけるキャリアの流れのオン（ON）、オフ（OFF）を制御する。ここで、制御電極６には、窒化物半導体４にショットキ接触（Schottky contact）をなすショットキ接触電極が使用されている。ショットキ接触電極は、例えば、窒化物半導体４上に設けられたニッケル（Ni）層と、Ni層上に設けられたタングステン（W）層との積層構造により形成されている。
また、ショットキ接触電極に限定されずに、制御電極６は、窒化物半導体４上に酸化膜を介してMOS（Metal Oxide Semiconductor）構造として、或いは窒化物半導体４上に絶縁膜を介してMIS（Metal Insulator Semiconductor）構造として構成してもよい。
【００２３】
オーミック接触電極７は、制御電極６のゲート幅方向の両側部において、窒化物半導体４上に設けられている。オーミック接触電極７はHEMT１２の一対の主電極として構成されている。一対のうちの一方のオーミック接触電極７はソース電極（Ｓ）として使用され、他方のオーミック接触電極７はドレイン電極（Ｄ）として使用される。
【００２４】
詳しく説明すると、図２（Ａ）に示されるように、窒化物半導体装置１０の製造プロセスにおける成膜処理後であってアニール処理前において、オーミック接触電極７は、窒化物半導体４上に設けられた第１金属層７１と、第１金属層７１上に設けられた第２金属層７２とを主要部とする積層電極構造により形成されている。ここでは、第２金属層７２上に更に第３金属層７３が設けられている。
第１金属層７１はチタン（Ti）を主組成として形成されている。ここで、Tiを主組成とするとは、第１金属層７１のすべてがTiにより形成される場合、大半がTiにより形成され、かつ、Ti以外の金属や添加物を含んで形成される場合の双方を含む意味において使用されている。第１金属層７１は窒化物半導体４にオーミック接触により電気的に接続されている。成膜処理後、かつ、アニール処理前において、第１金属層７１の厚さが1.5 nm以上10 nm以下とされている。
第１金属層７１の厚さが1.5 nm以上とされると、窒化物半導体４の表面に生成される自然酸化膜（ここでは、Ga2O3 ）を除去することができ、第１金属層７１と窒化物半導体４とはオーミック接触をなすことができる。
一方、第１金属層７１の厚さが10 nm以下とされると、アニール処理により、第１金属層７１と窒化物半導体４との界面又はその近傍まで、第２金属層７２の主組成金属を透過させることができる。図２（Ｂ）に示されるように、透過された第２金属層７２の主組成金属は、第１金属層７１の主組成金属であるTi及び窒化物半導体４の窒素（N）により、金属窒化物（TiAlN）７４を生成する。
【００２５】
さらに、アニール処理前の第１金属層７１の厚さを2 nm以上4 nm以下とすることが好ましい。１金属層７１の厚さがこの範囲内において形成される場合には、窒化物半導体４とオーミック接触電極７とのオーミック接触抵抗値を十分に小さくすることができる。
【００２６】
図２（Ａ）に示される第２金属層７２は、オーミック接触電極７及びそれに電気的に接続される図示省略の配線の主体として構成され、低抵抗値を有するアルミニウム（Al）を主組成として形成されている。Tiを主組成とする定義と同様に、Alを主組成とするとは、第２金属層７２のすべてがAlにより形成される場合、大半がAlにより形成され、かつ、Al以外の金属や添加物を含んで形成される場合の双方を含む意味において使用されている。特に、第２金属層７２として、アロイスパイクを抑制するシリコン（Si）、マイグレーションを抑制する銅（Cu）の少なくともいずれか一方が添加物として添加されたAl合金を実用的に使用することができる。
第２金属層７２は、第１金属層７１に対して8 以上の比率を持って構成され、第１金属層７１の厚さに対して８倍以上の厚さに形成されている。具体的には、第２金属層７２の厚さは100 nm〜200 nmに設定されている。
また、図２（Ｂ）に示されるように、アニール処理後には、第２金属層７２に第１金属層７１のTiが取込まれ、AlとTiとの合金（AlTi）層７５が形成される。
【００２７】
図２（Ａ）に示される第３金属層７３は、高融点金属層、ここではタングステン（W）層により形成され、特に厚さは限定されないが、例えば20 nm〜60 nmの厚さとされている。第３金属層７３はバリアメタルとしての機能を有する。アニール処理後の第３金属層７３は、図２（Ｂ）に示されるように、第３金属層７６とされる。
なお、第３金属層７３として、モリブデン（M）、タンタル（Ta）等の他の高融点金属、TiN、WN等の金属窒化物を使用することができる。
【００２８】
（オーミック接触電極のAl／Tiの比率とオーミック接触抵抗値との関係）
図３にはオーミック接触電極７の第１金属層７１と第２金属層７２との比率、すなわちAl／Tiの比率とオーミック接触抵抗値との関係が示されている。横軸はAl／Tiの比率である。ここで、Al／Tiの比率とは、Tiに対するAlの比率である。第１金属層７１の平面形状と第２金属層７２の平面形状とが同一であれば、単純に双方の膜厚比により表すことができる。例示として、Ti層の膜厚が「10 nm」、Al層の膜厚が「100 nm」であれば、Al／Tiの比率は「10」である。縦軸は窒化物半導体４とオーミック接触電極７との接続部位におけるオーミック接触抵抗値[Ω・cm2]である。
【００２９】
図３に示されるように、オーミック接触電極７の第１金属層７１と第２金属層７２との比率が8 以上に設定されると、オーミック接触抵抗値は小さくなり、かつ、一定の飽和状態となる。ここでは、オーミック接触抵抗値は、5.0×10-5 [Ω・cm2]〜7.0×10-5 [Ω・cm2]の範囲まで小さくなり、かつ、比率が更に上昇しても一定となる。
【００３０】
（オーミック接触電極におけるTi層の厚さと最適アニール温度との関係）
次に、オーミック接触電極７における第１金属層７１の厚さと最適アニール温度との関係について説明する。図４として示される表には、本実施の形態の実施例１及び実施例２に係るオーミック接触電極７、比較例１〜比較例８に係るオーミック接触電極の各パラメータとアニール条件とが掲載されている。
各パラメータとしては、電極構造、第１金属層７１としてのTi層の厚さ[nm]、第２金属層７２としてのAl層の厚さ[nm]、第３金属層７３としてのW層の厚さ[nm]、Al／Tiの比率のそれぞれが左から右へ向かって順次掲載されている。
電極構造は、左から右へ向かって各層の積層順序と、積層された層の主組成とを示している。例えば、「Ti／Al／W」の表記は、窒化物半導体４側の最も下層が「Ti」層であり、Ti層上に「Al」層が積層され、更にAl層上に「W」層が積層されていることを表している。
【００３１】
本実施の形態における最適アニール条件として、最適アニール温度[℃]、最適アニール時間[sec]、ガス雰囲気のそれぞれが左から右へ向かって順次掲載されている。最適アニール温度とは、最も低いオーミック接触抵抗値が得られたアニール温度である。また、最適アニール時間とは、最も低いオーミック接触抵抗値が得られたアニール時間である。ガス雰囲気とは、アニール処理中のガス雰囲気であり、「N2」は窒素ガス雰囲気、「Ar」はアルゴンガス雰囲気である。
【００３２】
実施例１に係るオーミック接触電極７は、第１金属（Ti）層７１の厚さが10 nm、第２金属（Al）層７２の厚さが150 nm、第３金属（W）層７３の厚さが20 nmとされる電極構造である。このオーミック接触電極７のAl／Tiの比率は15.0である。N2 雰囲気中における最適アニール温度は580℃、最適アニール時間は60 secであった。
実施例２に係るオーミック接触電極７は、第１金属（Ti）層７１の厚さが2 nm、第２金属（Al）層７２の厚さが150 nm、第３金属（W）層７３の厚さが20 nmの電極構造とされる。このオーミック接触電極７のAl／Tiの比率は75.0である。N2 雰囲気中における最適アニール温度は500℃、最適アニール時間は600 secであった。
【００３３】
一方、比較例１に係るオーミック接触電極は、Ti層の厚さが60 nm、Al層の厚さが100 nm、W層の厚さが30 nmとされる電極構造に形成される。このオーミック接触電極のAl／Tiの比率は1.7である。N2 雰囲気中におけるアニール温度は870℃、アニール時間は30 secであった。
比較例２に係るオーミック接触電極は、Ti層の厚さが20 nm、Al層の厚さが100 nm、W層の厚さが20 nmとされる電極構造に形成される。このオーミック接触電極のAl／Tiの比率は5.0である。N2 雰囲気中におけるアニール温度は600℃、アニール時間は60 secであった。
比較例３に係るオーミック接触電極は、Ti層の厚さが40 nm、Al層の厚さが100 nm、W層の厚さが60 nmとされる電極構造に形成される。このオーミック接触電極のAl／Tiの比率は2.5である。N2 雰囲気中におけるアニール温度は875℃、アニール時間は30 secであった。
比較例４に係るオーミック接触電極は、Ti層の厚さが60 nm、Al層の厚さが100 nm、W層の厚さが30 nmとされる電極構造に形成される。このオーミック接触電極のAl／Tiの比率は1.7である。N2 雰囲気中におけるアニール温度は920℃、アニール時間は30 secであった。
【００３４】
比較例５に係るオーミック接触電極は、Ti層の厚さが15 nm、Al層の厚さが115 nmとされる電極構造に形成される。この電極構造はW層を形成していない２層の積層構造である。オーミック接触電極のAl／Tiの比率は7.7である。Ar雰囲気中におけるアニール温度は700℃、アニール時間は15 secであった。
比較例６に係るオーミック接触電極は、Ti層の厚さが35 nm、Al層の厚さが115 nmとされる電極構造に形成される。オーミック接触電極のAl／Tiの比率は3.3である。Ar雰囲気中におけるアニール温度は750℃、アニール時間は15 secであった。
比較例７に係るオーミック接触電極は、Ti層の厚さが55 nm、Al層の厚さが115 nmとされる電極構造に形成される。オーミック接触電極のAl／Tiの比率は2.1である。Ar雰囲気中におけるアニール温度は1000℃、アニール時間は15 secであった。
比較例８に係るオーミック接触電極は、Ti層の厚さが75 nm、Al層の厚さが115 nmとされる電極構造に形成される。オーミック接触電極のAl／Tiの比率は1.5である。Ar雰囲気中におけるアニール温度は1000℃、アニール時間は15 secであった。
【００３５】
図５には、図４に示される実施例１、実施例２のオーミック接触電極７のTi層の厚さと最適アニール温度との関係、比較例１〜比較例８のオーミック接触電極のTi層の厚さとアニール温度との関係がグラフとして示されている。横軸はTi層の厚さ[nm]である。縦軸は最適アニール温度[℃]である。
図５に示されるように、比較例１〜比較例８では、Ti層が厚く形成されているので、アニール温度が600℃以上とされる結果となった。
これに対して、実施例１に係るオーミック接触電極７では、Ti層が10 nmと薄く形成され、最適アニール温度は、600℃を下回り、580℃の低温度になる結果が得られた。さらに、実施例２に係るオーミック接触電極７に至っては、Ti層が10 nm以下の2 nmと極薄に形成されているので、最適アニール温度は500℃の低温度になる結果が得られた。
本実施の形態では、このような600℃未満の低温度を最適アニール温度として採用することができる。低温度アニールの採用によれば、窒化物半導体４や電子走行層３の熱負荷に起因する結晶ダメージを小さくすることができる。
【００３６】
（Ti層の厚さ一定の場合におけるアニール温度とオーミック接触抵抗値との関係）
次に、オーミック接触電極７における第１金属層７１の厚さが一定とされた場合における最適アニール温度について説明する。図６として示される表には、本実施の形態の実施例３〜実施例６に係るオーミック接触電極７、比較例９〜比較例１１に係るオーミック接触電極の各パラメータとアニール条件とが掲載されている。
各パラメータとしては、図４に示される各パラメータと同様に、電極構造、Ti層の厚さ[nm]、Al層の厚さ[nm]、W層の厚さ[nm]、Al／Tiの比率のそれぞれが左から右へ向かって順次掲載されている。Ti層、Al層、W層のそれぞれの厚さ並びにAl／Tiの比率は、実施例３〜実施例６、比較例９〜比較例１１のそれぞれにおいて同一である。特に、Ti層の厚さは「2 nm」に固定され、Al／Tiの比率は「75」に固定された。
アニール条件としては、アニール温度[℃]及びアニール時間[min]が掲載されている。アニール時間は、実施例３〜実施例６、比較例９〜比較例１１のそれぞれにおいて同一の「10 min」に固定された。
【００３７】
実施例３に係るオーミック接触電極７は、第１金属（Ti）層７１の厚さが2 nm、第２金属（Al）層７２の厚さが150 nm、第３金属（W）層７３の厚さが20 nmとされる電極構造（実施例４〜実施例６、比較例９〜比較例１１において同様）に形成される。オーミック接触電極７のAl／Tiの比率は75.0である。N2 雰囲気中において、アニール温度475℃、アニール時間10 minのアニール処理を実施した結果、1.07×10-5[Ω・cm2]〜1.14×10-5[Ω・cm2]の範囲内のオーミック接触抵抗値が得られた。
詳しく説明すると、ここでは１つのサンプルの面内において複数の２箇所の測定結果が示されている。各測定箇所におけるオーミック接触抵抗値は、各々、1.14×10-5[Ω・cm2]、1.07×10-5[Ω・cm2]であった。
【００３８】
実施例４に係るオーミック接触電極７では、アニール温度だけが異なり、アニール温度は500℃である。アニール処理を実施した結果、2.54×10-6[Ω・cm2]〜2.86×10-6[Ω・cm2]の範囲内のオーミック接触抵抗値が得られた。ここでは、４箇所の測定結果が示されている。各測定箇所におけるオーミック接触抵抗値は、各々、2.54×10-6[Ω・cm2]、2.59×10-6[Ω・cm2]、2.84×10-6[Ω・cm2]、2.86×10-6[Ω・cm2]であった。実施例３に係るオーミック接触電極７に比べて、実施例４に係るオーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値は１桁小さく、最も低いオーミック接触抵抗値2.54×10-6[Ω・cm2]が得られた。
実施例５に係るオーミック接触電極７では、アニール温度は525℃である。アニール処理を実施した結果、6.35×10-6[Ω・cm2]〜7.90×10-6[Ω・cm2]の範囲内のオーミック接触抵抗値が得られた。ここでは、２箇所の測定結果が示されている。各測定箇所におけるオーミック接触抵抗値は、各々、6.35×10-6[Ω・cm2]、7.90×10-6[Ω・cm2]であった。実施例３に係るオーミック接触電極７に比べて、実施例５に係るオーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値は１桁小さい結果が得られた。
実施例６に係るオーミック接触電極７では、アニール温度が550℃に設定された。ここでは、２箇所の測定結果が示されている。アニール処理を実施した結果、各々、6.77×10-6[Ω・cm2]、6.26×10-6[Ω・cm2]のオーミック接触抵抗値が得られた。実施例３に係るオーミック接触電極７に比べて、実施例６に係るオーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値は１桁小さい結果が得られた。
【００３９】
一方、比較例９に係るオーミック電極では、アニール温度が300℃に設定された。アニール処理を実施した結果、オーミック接触は得られずに非オーミック接触抵抗となった。
比較例１０に係るオーミック電極では、アニール温度が400℃に設定された。アニール処理を実施した結果、比較例９と同様に、非オーミック接触抵抗となった。
比較例１１に係るオーミック電極では、アニール温度が450℃に設定された。アニール処理を実施した結果、オーミック接触抵抗であったが、2.43×10-2[Ω・cm2]の高いオーミック接触抵抗値であった。実施例３に係るオーミック接触電極７に比べても、比較例１１に係るオーミック接触電極のオーミック接触抵抗値は３桁程大きい結果となった。
【００４０】
図７には、図６に示される実施例３〜実施例６のオーミック接触電極７のアニール温度、比較例１１のオーミック接触電極のアニール温度のそれぞれとオーミック接触抵抗値との関係がグラフとして示されている。横軸はアニール温度[℃]である。縦軸はオーミック接触抵抗値[Ω・cm2]である。
図７に示されるように、比較例１１では、アニール温度が450℃と低い場合でもオーミック接触抵抗は得られるものの、オーミック接触抵抗値は十分に小さくならない結果となった。
【００４１】
これに対して、実施例３〜実施例６に係る各オーミック接触電極７では、Ti層が2 nmと薄く形成され、アニール温度としては低い475℃〜550℃の温度範囲内において、1.07×10-5[Ω・cm2]〜7.90×10-6[Ω・cm2]の小さいオーミック接触抵抗値が得られた。各オーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値は、比較例１１のオーミック接触電極のオーミック接触抵抗値に比べても３桁以上小さい結果が得られた。
特に、実施例４に係るオーミック接触電極７によれば、アニール温度が500℃において、2.54×10-6[Ω・cm2]の最も小さいオーミック接触抵抗値が得られた。
このような475℃を超えて600℃未満、特に500℃〜550℃の低温度をアニール温度として採用すれば、上記の通り、窒化物半導体４や電子走行層３の熱負荷に起因する結晶ダメージを小さくすることができる。
【００４２】
（Ti層の厚さとオーミック接触抵抗値との関係）
そして、最後に、オーミック接触電極７における第１金属層７１の厚さとオーミック接触抵抗値との関係について説明する。図８として示される表には、本実施の形態の実施例７〜実施例１２に係るオーミック接触電極７、比較例１２に係るオーミック接触電極の各パラメータとアニール条件とが掲載されている。
各パラメータとしては、図４に示される各パラメータと同様に、電極構造、Ti層の厚さ[nm]、Al層の厚さ[nm]、W層の厚さ[nm]、Al／Tiの比率のそれぞれが左から右へ向かって順次掲載されている。ここではTi層の厚さが異なり、Al層、W層のそれぞれの厚さは実施例７〜実施例１２、比較例１２のそれぞれにおいて同一である。Al層の厚さは「150 nm」、W層の厚さは「20 nm」のそれぞれに固定された。Al／Tiの比率はTi層の厚さに応じて変化する。
アニール条件としては、アニール温度[℃]及びアニール時間[min]が掲載されている。実施例７〜実施例１２、比較例１２のそれぞれにおいて、アニール温度は「500℃」、アニール時間は「10 min」のそれぞれに固定された。
【００４３】
実施例７に係るオーミック接触電極７は、第１金属（Ti）層７１の厚さが1.5 nm、第２金属（Al）層７２の厚さが150 nm、第３金属（W）層７３の厚さが20 nmとされる電極構造に形成される。オーミック接触電極７のAl／Tiの比率は100である。N2 雰囲気中において、アニール温度500℃、アニール時間10 minのアニール処理を実施した結果、2.96×10-5[Ω・cm2]〜3.17×10-5[Ω・cm2]の範囲内のオーミック接触抵抗値が得られた。ここでは、２箇所の測定結果が示されている。各測定箇所におけるオーミック接触抵抗値は、各々、3.17×10-5[Ω・cm2]、2.96×10-5[Ω・cm2]であった。
【００４４】
実施例８に係るオーミック接触電極７では、Ti層の膜厚だけが異なり、Ti層の膜厚は2 nmである。オーミック接触電極７のAl／Tiの比率は75である。実施例８に係るオーミック接触電極７はTi層の厚さの違いによるオーミック接触抵抗値の変化を明確にするために掲載されており、アニール処理の結果は前述の実施例７に係るオーミック接触電極７の結果と同一である。すなわち、ここでは、４箇所の測定結果が示されている。各測定箇所におけるオーミック接触抵抗値は、各々、2.54×10-6[Ω・cm2]、2.59×10-6[Ω・cm2]、2.84×10-6[Ω・cm2]、2.86×10-6[Ω・cm2]であった。実施例７に係るオーミック接触電極７に比べても、実施例８に係るオーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値は１桁小さく、最も低いオーミック接触抵抗値2.54×10-6[Ω・cm2]が得られた。
【００４５】
実施例９に係るオーミック接触電極７では、Ti層の膜厚は3 nmである。オーミック接触電極７のAl／Tiの比率は50である。２箇所の測定箇所においてアニール処理を実施した結果、オーミック接触抵抗値は5.54×10-6[Ω・cm2]、7.52×10-6[Ω・cm2]であった。実施例７に係るオーミック接触電極７に比べて、実施例９に係るオーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値は１桁小さい結果が得られた。
実施例１０に係るオーミック接触電極７では、Ti層の膜厚は4 nmである。オーミック接触電極７のAl／Tiの比率は37.5である。２箇所の測定箇所においてアニール処理を実施した結果、オーミック接触抵抗値は5.13×10-6[Ω・cm2]、6.59×10-6[Ω・cm2]であった。実施例７に係るオーミック接触電極７に比べて、実施例１０に係るオーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値は１桁小さい結果が得られた。
【００４６】
実施例１１に係るオーミック接触電極７では、Ti層の膜厚は7 nmである。オーミック接触電極７のAl／Tiの比率は21.42857である。２箇所の測定箇所においてアニール処理を実施した結果、オーミック接触抵抗値は1.98×10-5[Ω・cm2]、2.41×10-5[Ω・cm2]であった。
実施例１２に係るオーミック接触電極７では、Ti層の膜厚は10 nmである。オーミック接触電極７のAl／Tiの比率は15である。２箇所の測定箇所においてアニール処理を実施した結果、オーミック接触抵抗値は1.15×10-5[Ω・cm2]、8.72×10-6[Ω・cm2]であった。
【００４７】
一方、比較例１２に係るオーミック電極では、Ti層の膜厚は1 nmである。オーミック接触電極７のAl／Tiの比率は150である。アニール処理を実施した結果、非オーミック接触抵抗となった。
【００４８】
図９には、図８に示される実施例７〜実施例１２のオーミック接触電極７のTi層の厚さとオーミック接触抵抗値との関係がグラフとして示されている。横軸はTi層の厚さ[nm]である。縦軸はオーミック接触抵抗値[Ω・cm2]である。
図９に示されるように、実施例７〜実施例１２に係る各オーミック接触電極７では、Ti層が1.5 nm〜10 nmとされ、3.17×10-5[Ω・cm2]〜2.54×10-6[Ω・cm2]の小さいオーミック接触抵抗値が得られた。各オーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値は、前述の図６に示される比較例１１のオーミック接触電極のオーミック接触抵抗値に比べても３桁以上小さい。
さらに、実施例８〜実施例１０に係るオーミック接触電極７によれば、Ti層の厚さが2 nm〜4 nmに設定されているので、7.52×10-6[Ω・cm2]以下の小さいオーミック接触抵抗値が得られた。特に、実施例８に係るオーミック接触電極７によれば、Ti層の厚さが2 nmに設定されることにより、2.54×10-6[Ω・cm2]の最も小さいオーミック接触抵抗値が得られた。
このようにTi層の厚さが薄くされると、500℃の低温度のアニール温度を用いて、オーミック接触抵抗値を十分に小さくすることができる。
【００４９】
（本実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態に係る窒化物半導体装置１０は、図１に示されるように、窒化物半導体４と、窒化物半導体４上に設けられたオーミック接触電極７とを備える。図２（Ａ）に示されるように、オーミック接触電極７は、窒化物半導体４上に設けられ、Tiを主組成とする第１金属層７１と、第１金属層７１上に設けられ、Alを主組成とする第２金属層７２とを少なくとも含んで構成される。
【００５０】
ここで、図３に示されるように、オーミック接触電極７において、第１金属層７１に対する第２金属層７２の比率が8 以上とされる。この比率の第１金属層７１の厚さは相対的に第２金属層７２の厚さに対して薄くなり、第２金属層７２のAlが第１金属層７１を透過し易くなる。アニール処理が行われると、図２（Ｂ）に示されるように、窒化物半導体４と第１金属層７１との界面には、第１金属層７１のTiと、第２金属層７２のAlと、窒化物半導体４のNとを含む金属窒化物（TiAlN）７４が形成される。この金属窒化物７４が生成されると、窒化物半導体４にN欠乏が生じ、窒化物半導体４中のN欠乏はキャリアとして振る舞う。加えて、窒化物半導体４に対するTiの仕事関数に対して、窒化物半導体４に対するTiとAlとの合金の仕事関数が低くなる。
このため、窒化物半導体４−第１金属層７１間のエネルギ障壁が狭くなり、トンネル効果によりトンネル電流が流れ易くなるので、窒化物半導体４とオーミック接触電極７とのオーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
これにより、窒化物半導体装置１０では、低消費電力化並びに動作速度の高速化を実現することができる。
【００５１】
また、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１０では、図８及び図９に示されるように、第１金属層７１の厚さが1.5 nm以上10 nm以下とされている。
第１金属層７１の厚さが1.5 nm以上とされているので、窒化物半導体４の表面の自然酸化（Ga2O3）膜を除去するができる。このため、オーミック接触をなして窒化物半導体４にオーミック接触電極７を接続することができ、かつ、オーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
一方、第１金属層７１の厚さが10 nm以下とされているので、第２金属層７２のAlが第１金属層７１を透過して窒化物半導体４と第１金属層７１との界面まで到達させることが十分に期待される。このため、オーミック接触電極７のオーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
加えて、図１に示される窒化物半導体装置１０の製造プロセスでは、図２（Ａ）に示されるように窒化物半導体４上に第１金属層７１、第２金属層７２のそれぞれを順次形成した後、アニール処理を経て図２（Ｂ）に示されるオーミック接触電極７が形成される。図６及び図７に示されるように、アニール温度が475℃〜550℃の低い温度範囲において、オーミック接触抵抗値を小さくすることができる。特に、アニール温度が500℃〜550℃の温度範囲では、更にオーミック接触抵抗値を小さくすることができる。
【００５２】
さらに、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１０では、図８及び図９に示されるように、第１金属層７１の厚さが2 nm以上4 nm以下とされている。これにより、オーミック接触抵抗値をより一層小さくすることができる。
【００５３】
また、本実施の形態に係る窒化物半導体装置１０は、図１に示されるように、基板１上に設けられたHEMT１２を備えている。HEMT１２は、電子走行層３と、窒化物半導体（電子供給層）４と、2DEG層５と、制御電極６と、一対のオーミック接触電極７と、を含んで構成される。これにより、窒化物半導体装置１０では、HEMT１２の窒化物半導体４とオーミック接触電極７とのオーミック接触抵抗値を小さくすることができるので、低消費電力化並びに動作速度の高速化を実現することができる。
【００５４】
［上記実施の形態の補足説明］
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において例えば以下の通り変形可能である。例えば、本発明は、HEMTの主電極としてのオーミック接触電極に限定されるものではなく、抵抗素子、容量素子等のオーミック接触電極に適用してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…基板、３…電子走行層、４…窒化物半導体、５…2DEG層、６…制御電極、７…オーミック接触電極、１０…窒化物半導体装置、１２…HEMT、７１…第１金属層、７２…第２金属層、７３…第３金属層、８１…金属窒化物。
【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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【図９】
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