(57)【要約】【課題】電気的特性の良好な半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１半導体層と、第１電極と、を含む半導体装置が提供される。前記第１半導体層は、第１金属を含む窒化物半導体を含む。前記第１電極は、第１領域と、第２領域と、第３領域と、を含む。前記第１領域は、前記第１金属と前記第１半導体層に対して還元性を有する第２金属との化合物、または前記第１金属と前記第２金属との合金を含む。前記第２領域は、前記第１半導体層と前記第１領域との間に設けられ前記第１金属及び前記第２金属を含む。前記第３領域は、前記第１金属と窒素との化合物を含み、前記第１半導体層と前記第２領域との間に設けられる。前記第１電極は、前記第１半導体層に接して設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属を含む窒化物半導体を含む第１半導体層と、
前記第１金属と前記第１半導体層に対して還元性を有する第２金属との化合物、または前記第１金属と前記第２金属との合金、を含む第１領域と、前記第１半導体層と前記第１領域との間に設けられ前記第１金属及び前記第２金属を含む第２領域と、前記第１金属と窒素との化合物を含み、前記第１半導体層と前記第２領域との間に設けられた第３領域と、を有し、前記第１半導体層に接して設けられた第１電極と、
を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記第１半導体層と前記第１電極はオーミックコンタクトを形成する請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１金属は、アルミニウムである請求項１あるいは２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２領域における前記第１金属に対する前記第２金属の濃度比は、前記第１領域の前記化合物あるいは前記合金における前記第１金属に対する前記第２金属の濃度比より大きい請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２金属は、チタン及びバナジウムの少なくともいずれかである請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１半導体層から前記第１電極に向かう第１方向に沿った前記第２領域の長さは、２ナノメートル以上３ナノメートル以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１領域内の前記第１金属に対する前記第２金属の濃度比は、前記第２領域内の前記第１金属に対する前記第２金属の濃度比より高い請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１領域内の前記第１金属に対する前記第２金属の濃度比は、０．２５以上０．５以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第３領域における前記第２金属の濃度は、１０原子パーセント以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１０】
第１金属を含む第１部分と、
前記第１金属と窒素との化合物を含む第２部分と、
を含む第１電極と、
前記第１金属を含む窒化物半導体を含む第１半導体層と、
を備え、
前記第２部分は、前記第１半導体層と前記第１部分との間に設けられ、
前記第１電極におけるチタンの濃度は、５原子パーセント未満である半導体装置。
【請求項１１】
前記第１金属は、アルミニウムである請求項１０記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第１半導体層の上に設けられた第２電極と、
前記第１半導体層の上に設けられた制御電極と、
第２半導体層と、
をさらに備え、
前記第１半導体層は、前記第２半導体層の上に設けられた請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記第２半導体層は、前記第１半導体層とヘテロ接合する請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第１半導体層は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含み、
前記第２半導体層は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１）を含む請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１５】
第１金属を含む窒化物半導体を含む第１半導体層と、前記第１金属と前記第１半導体層に対して還元性を有する第２金属との化合物、または前記第１金属と前記第２金属の合金を含む第１領域と、前記第１半導体層と前記第１領域との間に設けられ前記第１金属及び前記第２金属を含む第２領域と、前記第１金属と窒素との化合物を含み、前記第１半導体層と前記第２領域との間に設けられた第３領域と、を有し、前記第１半導体層に接して設けられた第１電極と、を含む半導体装置の製造方法であって、
前記第１電極を形成する電極形成工程を備え、
前記電極形成工程は、
前記第１半導体層の上に、前記第１金属と前記第２金属とを含む第１金属層を形成する工程と、
前記第１金属層の上に、前記第２金属を含む第２金属層を形成する工程と、
前記第２金属層の上に、前記第１金属を含む第３金属層を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記電極形成工程は、前記第１金属層、前記第２金属層及び前記第３金属層を５００度以上の温度で加熱する工程をさらに備えた請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記第１金属層における前記第１金属の濃度は、５原子パーセント以上２０原子パーセント以下である請求項１５または１６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記第２金属層における前記第１金属の濃度は、５原子パーセント以下である請求項１５〜１７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
前記第２金属は、チタン及びバナジウムのいずれかである請求項１５〜１８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
第１金属を含む第１部分と、第１金属と窒素との化合物を含む第２部分と、を含む第１電極と、前記第１金属を含む窒化物半導体を含む第１半導体層と、を含む半導体装置の製造方法であって、
前記第１電極を形成する電極形成工程を備え、
前記電極形成工程は、
前記第１半導体層に水素を含むガスのプラズマを照射し、前記第１半導体層の窒素を除去する工程と、
前記第１半導体層の上に前記第１金属を含む金属層を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項２１】
前記第１金属は、アルミニウムである請求項１５〜２０のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２２】
前記第１半導体層は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）である請求項１５〜２１のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、広いバンドギャップを有する化合物半導体が、高耐圧用または高周波用のパワー素子の材料として用いられる。化合物半導体を用いた半導体装置では、半導体層に不純物のドーピングが行われず、電極と半導体との良好なコンタクトを形成することが困難な場合がある。安定して電極と半導体との良好な（例えばオーミックな）コンタクトを形成することが望まれる。電気的特性の良好なコンタクトが形成された半導体装置が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２２９４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、電気的特性の良好な半導体装置及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１半導体層と、第１電極と、を含む半導体装置が提供される。前記第１半導体層は、第１金属を含む窒化物半導体を含む。前記第１電極は、第１領域と、第２領域と、第３領域と、を含む。前記第１領域は、前記第１金属と前記第１半導体層に対して還元性を有する第２金属との化合物、もしくは前記第１金属と前記第２金属との合金を含む。前記第２領域は、前記第１半導体層と前記第１領域との間に設けられ前記第１金属及び前記第２金属を含む。前記第３領域は、前記第１金属と窒素との化合物を含み、前記第１半導体層と前記第２領域との間に設けられる。前記第１電極は、前記第１半導体層に接して設けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置の特性を例示するグラフ図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体装置の特性を例示するグラフ図である。
【図４】参考例の半導体装置の特性を例示するグラフ図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を例示する模式図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、実施形態に係る半導体装置を例示する模式図である。
【図７】第２の実施形態に係る半導体装置の一部を例示する模式的断面図である。
【図８】半導体装置の特性を例示するグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体装置を例示する模式的断面図である。  
図１（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体装置１００は、第１電極２１（ドレイン電極）と、第１半導体層１１と、を含む。この例では、半導体装置１００は、第２半導体層１２と、基板１４と、下地層１５と、ゲート絶縁膜１６と、絶縁層１８と、絶縁層１９と、第２電極２２（ソース電極）と、ゲート電極２３（制御電極）と、第１配線４１と、第２配線４２と、をさらに含む。半導体装置１００は、例えば、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor：高速移動度トランジスタ）である。
【０００９】
この例では、第１電極２１は、ドレイン電極であり、第２電極２２は、ソース電極である。第１電極２１をトランジスタにおけるソース電極として用いてもよい。第２電極２２をトランジスタにおけるドレイン電極として用いてもよい。
【００１０】
基板１４には、例えば、シリコン基板が用いられる。基板１４は、例えば、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板やサファイア基板などでもよい。基板１４は、例えば、素子の形成後に、裏面研削やレーザリフトオフなどによって除去してもよい。
【００１１】
下地層１５は、基板１４の上に設けられる。下地層１５は、例えば、窒化物半導体を含む。下地層１５は、例えば、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦１）を含む。下地層１５は、例えば、複数の窒化物半導体層を含む。下地層１５は、例えば、複数のＡｌＮ層と、複数のＡｌＧａＮ層と、複数のＧａＮ層とを含む。これらの各層は、例えば、基板１４と下地層１５との積層方向において、ＡｌＮ層−ＡｌＧａＮ層−ＧａＮ層の順に繰り返し積層される。すなわち、下地層１５は、例えば、超格子層である。下地層１５は、これに限ることなく、例えば、ＡｌＮとＧａＮとの間でＡｌの組成比を段階的に変化させた複数のＡｌＧａＮ層を含む積層膜でもよい。下地層１５は、例えば、ＡｌＮからＧａＮに向けてＡｌの組成比を連続的に変化させた１つの層（いわゆる傾斜層）でもよい。なお、下地層１５は、必要に応じて設けられ、省略可能である。
【００１２】
第２半導体層１２は、下地層１５の上に設けられる。第２半導体層１２は、例えば、窒化物半導体を含む。第１半導体層１１は、第２半導体層１２の上に設けられる。第１半導体層１１は、例えば、第１金属を含む窒化物半導体を含む。第１金属は、例えばアルミニウム（Ａｌ）である。
【００１３】
第１半導体層１１は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む。第２半導体層１２は、例えば、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１）を含む。第２半導体層１２は、例えば、ＧａＮ層である。また、第２半導体層１２は、例えば、ノンドープである。第２半導体層１２は、例えば、不純物を含まない。第１半導体層１１のＡｌの組成比は、例えば、第２半導体層１２のＡｌの組成比よりも高い。第１半導体層１１は、例えば、ＡｌＧａＮ層である。例えば、第２半導体層１２をＡｌＧａＮ層とし、第１半導体層１１を第２半導体層１２よりもＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮ層としてもよい。
【００１４】
第２半導体層１２は、例えば、チャネル層であり、第１半導体層１１は、例えば、バリア層である。第１半導体層１１と第２半導体層１２とは、ヘテロ接合を形成している。また、第1半導体層１１は複数層から構成されていても良く、一部の層はＭｇ等の不純物を含む、ｐ形層であっても良い。
【００１５】
前述のように、第１半導体層１１のＡｌの組成比は、第２半導体層１２のＡｌの組成比よりも高い。すなわち、第１半導体層１１の格子定数は、第２半導体層１２の格子定数よりも小さい。これにより、第１半導体層１１に歪みが生じて、ピエゾ効果により第１半導体層１１内にピエゾ分極が生じる。これにより、第２半導体層１２における第１半導体層１１との界面付近に２次元電子ガス１１ｇが形成される。
【００１６】
ゲート絶縁膜１６は、第１半導体層１１の上に設けられる。ゲート絶縁膜１６には、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、または、ＺｒＯ２などが用いられる。ゲート絶縁膜１６は、必要に応じて設けられ、省略可能である。
【００１７】
第１電極２１は、第１半導体層１１の上に設けられる。第１電極２１は、例えば、第１半導体層１１に接する。第１電極２１は、例えば、第１半導体層１１にオーミック接触する。
【００１８】
第２電極２２は、第１半導体層１１の上に設けられる。第２電極２２は、第１半導体層１１の上に、第１電極２１と離間して配置される。第２電極２２は、例えば、第１半導体装置１１に接する。第２電極２２は、例えば、第１半導体層１１にオーミック接触する。第２電極２２には、後述する第１電極２１の構成と同様の構成を適用することができる。
【００１９】
ゲート電極２３は、第１電極２１と第２電極２２との間において、第１半導体層１１の上に設けられる。ゲート電極２３は、第１電極２１及び第２電極２２のそれぞれと離間して配置される。また、この例では、ゲート電極２３が、ゲート絶縁膜１６の上に設けられる。ゲート電極２３には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とが用いられる。例えば、Ｎｉの上にＡｕが積層される。
【００２０】
半導体装置１００では、ゲート電極２３に印加する電圧を制御することで、ゲート電極２３の下の２次元電子ガス１１ｇの濃度が増減する。これにより、第１電極２１と第２電極２２との間に流れる電流が制御される。
【００２１】
第１配線４１は、例えば、第１電極２１の上に設けられる。第１配線４１は、第１電極２１と電気的に接続される。第１配線４１は、例えば、複数の第１電極２１のそれぞれと電気的に接続される。第２配線４２は、例えば、第２電極２２の上に設けられる。第２配線４２は、第２電極２２と電気的に接続される。第２配線４２は、例えば、複数の第２電極２２のそれぞれと電気的に接続される。
【００２２】
絶縁層１８及び絶縁層１９は、ゲート絶縁膜１６の上に設けられる。絶縁層１８は、例えば、ゲート絶縁膜１６の上において、各電極２１〜２３以外の部分を埋める。絶縁層１９は、例えば、絶縁層１８の上に設けられ、第１配線４１及び第２配線４２を覆う。
【００２３】
第１半導体層１１から第１電極２１へ向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直で、Ｙ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００２４】
図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置１００の第１電極を例示する模式的断面図である。図１（ｂ）に表したように、実施形態に係る第１電極２１は、第１領域２１ａと、第２領域２１ｂと、第３領域２１ｃと、第４領域２１ｄと、を含む。
【００２５】
第２領域２１ｂは、第１領域２１ａと第１半導体層１１との間に設けられる。第３領域２１ｃは、第１半導体層１１と第２領域２１ｂとの間に設けられる。  
第１領域２１ａは、第１金属と第２金属とを含む領域である。例えば、第１領域２１ａは、第１金属と第２金属との化合物又は合金を含む。第１金属には、例えば、Ａｌが用いられる。第２金属には、例えば、還元性メタルが用いられる。第２金属は、例えば、第１半導体層１１に対して還元性を有する。第２金属には、例えば、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）の少なくともいずれか用いられる。この例では、第１領域２１ａは、ＡｌとＴｉとの化合物又は合金を含む。例えば、第１領域２１ａは、Ｔｉ３Ａｌを含む領域である。
第４領域２１ｄは、第１領域２１ａの上に設けられる。第４領域２１ｄは、第１金属とは異なり第２金属とも異なる金属を含む。第４領域２１ｄは、必要に応じて設けられる。第４領域２１ｄは、複数の層を含む場合がある。
【００２６】
第２領域２１ｂは、第１金属と第２金属とを含む。第３領域２１ｃは、第１金属と窒素との化合物を含む。
【００２７】
例えば、第３領域２１ｃは、第１半導体層１１と接する。第３領域２１ｃは、例えば、第１半導体層１１と第１電極２１との界面層である。例えば、第２領域２１ｂは、第３領域２１ｃと接する。例えば、第２領域２１ｂは、第１領域２１ａと接する。
【００２８】
図２及び図３は、第１の実施形態に係る半導体装置の特性を例示するグラフ図である。
図２及び図３に例示したグラフは、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）によって得ることができる。
【００２９】
図２は、半導体装置１００の第１電極２１及び第１半導体層１１における濃度ＣＲ（原子パーセント）を例示している。  
図２は、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線に沿った濃度を例示している。図２の縦軸は、濃度ＣＲであり、図２の横軸は、Ｚ軸方向における、測定を開始した位置からの距離Ｐｚをナノメートル（ｎｍ）の単位で示している。図２は、窒素の濃度ＲＮと、Ｔｉの濃度ＲＴｉと、Ａｌの濃度ＲＡｌと、Ｇａの濃度ＲＧａと、を例示している。元素の濃度は、例えば、ＥＤＸによって測定された強度を換算することで、得られる。
図３は、半導体装置１００の第１電極２１及び第１半導体層１１における、第１金属の濃度に対する第２金属の濃度の比、すなわち原子数比を例示している。図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線に沿った濃度比の変化を示している。この例では、第１金属は、Ａｌであり、第２金属は、Ｔｉである。
図３の横軸は、Ｚ軸方向における、測定を開始した位置からの距離Ｐｚ（ｎｍ）を示している。図３の縦軸は、第１金属に対する第２金属の濃度比、すなわち原子数比である。図３は、Ｚ軸方向のある位置における、一定体積内の原子数の比、つまり濃度比を表しており、濃度比のＺ軸方向における変化を示している。  
濃度比は、ＥＤＸによって測定されたＡｌの検出強度を感度係数によって換算した濃度と、同様にしてＴｉの検出強度から換算したＴｉの濃度との比によって得られる。  
なお、各図におけるＰｚ＝０が示す位置は、必ずしも試料中の同じ位置とは限らない。各図におけるＰｚ＝０は、例えば、ＥＤＸの測定において、測定を開始した位置に対応する。また、各図における距離Ｐｚの範囲は、測定を行った範囲に依存する。
【００３０】
図２及び図３に表したように、第１領域２１ａにおいて、第１電極２１は、Ｔｉを含んでいる。例えば、第１領域２１ａは、ＡｌとＴｉとの化合物又は合金を含む。図３において、第１領域２１ａ内の第１位置における第１金属に対する第２金属の濃度比をＲｃ１とする。濃度比Ｒｃ１は、０．２５以上０．５以下であり、好ましくは０．２６以上０．４以下である。例えば、第１領域２１ａにおける濃度比Ｒｃは、０．３程度である。例えば、第１領域２１ａにおける濃度比Ｒｃの変動は、第１領域２１ａにおける濃度比Ｒｃの平均のプラスマイナス２０％以内である。
【００３１】
第３領域２１ｃ（例えば界面層）は、窒素とＡｌとを含む。第３領域２１ｃは、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む領域である。図２に示すように第３領域２１ｃにおいて、濃度ＲＴｉは小さい。例えば、第３領域２１ｃは、チタンをほとんど含まない。例えば、第３領域２１ｃにおける第２金属（例えばＴｉ）の濃度は、１０原子パーセント（ａｔ％）以下である。図３に示す通り第３領域２１ｃにおける濃度比Ｒｃは、例えば、０．１５以下であり、０．１以下であることが好ましい。第３領域２１ｃのＺ軸方向に沿った長さ（厚さ）は、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下である。例えば、第３領域２１ｃにおける濃度比Ｒｃの変動は、第３領域２１ｃにおける濃度比Ｒｃの平均のプラスマイナス２０％以内である。
【００３２】
図３に示すように第２領域２１ｂは、第１領域２１ａと第３領域２１ｃとの間において、濃度比がＺ軸方向に沿って変化する領域である。第２領域２１ｂ内の第２位置における、第１金属に対する第２金属の濃度比をＲｃ２とする。濃度比Ｒｃ２は、０．３３程度から０．１程度まで変化しており、Ａｌに対してＴｉの減少が増加していることを示している。
【００３３】
第１領域２１ａにおける濃度比Ｒｃ１のＺ軸方向に沿った分布の最大値は、第２領域２１ｂにおける濃度比Ｒｃ２のＺ軸方向に沿った分布の最大値よりも大きい。すなわち、第１領域２１ａと第３領域２１ｃとの間において、濃度比ＲｃのＺ軸方向に沿った分布は、第１領域２１ａにおける濃度比Ｒｃ１の最大値よりも大きいピークを持たない。
【００３４】
第２領域２１ｂのＺ軸方向に沿った長さ（厚さ）は、例えば、１ｎｍ以上４ｎｍ以下である。例えば、第２領域２１ｂの厚さは、２ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３５】
このように、実施形態に係る半導体装置１００においては、Ｔｉの濃度が低い第３領域２１ｃと、ＡｌとＴｉとの化合物又は合金が形成された第１領域２１ａと、の間において、Ｚ軸方向に沿って、急峻にＴｉの濃度が変化する。例えば、濃度比Ｒｃは、第２領域２１ｂにおいてＺ軸方向に沿って、１ｎｍあたり０．０７〜０．１３程度の割合で変化する。
【００３６】
また、第２領域２１ｂにおける濃度比Ｒｃ２は、第１領域２１ａにおける濃度比Ｒｃよりも小さい。濃度比ＲｃのＺ軸方向に沿った分布は、例えば第１領域２１ａにおける濃度比Ｒｃ１の最大値よりも大きいピークを持たず、傾斜的に変化する。
【００３７】
第１金属と第２金属との濃度比が、このような分布を有する電極を形成する。後述するように、これにより、第１電極２１と第１半導体層１１との間に良好な（例えばオーミックな）電気的接触（コンタクト）が得られる。これにより、電気抵抗を低減することができる。
【００３８】
図４は、参考例の半導体装置の特性を例示するグラフ図である。  
図４の横軸は、Ｚ軸方向における測定開始位置からの距離Ｐｚ（ｎｍ）である。図４の縦軸は、濃度比Ｒｃである。
【００３９】
図４に例示した半導体装置１１９においても、第１電極２１と第１半導体層１１とが設けられる。半導体装置１１９の第１半導体層１１については、半導体装置１００について説明した構成と同様の構成を適用することができる。半導体装置１１９においても、第１金属としてＡｌが用いられ、第２金属としてＴｉが用いられている。
【００４０】
図４に表したように、参考例の半導体装置１１９の第１電極２１においても第１領域２１ａ、第２領域２１ｂ及び第３領域２１ｃが設けられる。半導体装置１１９の第１領域２１ａは、半導体装置１００の第１領域２１ａと同様に、ＡｌとＴｉとの化合物又は合金を含む。半導体装置１１９の第１領域２１ａにおいても、濃度比Ｒｃは、例えば、０．２以上０．４以下である。例えば、濃度比Ｒｃは、０．３程度である。
【００４１】
また半導体装置１１９の第３領域２１ｃは、半導体装置１００の第１領域２１ｃと同様に、Ａｌと窒素との化合物を含む界面層である。半導体装置１１９においても、第３領域２１ｃは、例えばＴｉをほとんど含まず、濃度比Ｒｃは、例えば０．１以下である。
【００４２】
一方、第１領域２１ａと第３領域２１ｃとの間の第２領域２１ｂにおける濃度比Ｒｃは、第１領域２１ａにおける濃度比Ｒｃよりも大きい部分を有する。例えば、第２領域２１ｂにおける濃度比Ｒｃが０．６以上である部分を有する。例えば、第１領域２１ａと界面層との間において、濃度比ＲｃのＺ方向における分布がピークを有する。これは、例えば、チタンとアルミとの化合物又は合金ではなく、Ｔｉと別の不純物等との化合物が形成されていることを示唆する。本願発明者の検討によると、例えば、このようなＴｉの化合物が形成された場合、電極と半導体層との界面における電気抵抗は、オーミックでない。良好な電気的特性を安定して得ることが難しい場合がある。
【００４３】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を例示する模式図である。
【００４４】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、半導体装置１００の製造工程において、第１電極２１を形成する工程を例示している。図５（ａ）〜図５（ｄ）においては、見やすさのため一部の要素を省略している。
【００４５】
図５（ａ）に表したように、基板１４の上に第１半導体層１１、第２半導体層１２を形成する。例えば、第１半導体層１１の上にパッシベーション膜６０を形成する。パッシベーション膜６０には、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられる。パッシベーション膜６０の形成は、必要に応じて行われ、適宜省略されてもよい。
【００４６】
図５（ｂ）に表したように、パッシベーション膜６０にパターンを形成する。例えば、パッシベーション膜６０の上にレジスト６２を形成し、フォトリソグラフィなどにより、レジストにパターンを形成する。レジスト６２をマスクとして、例えば、反応性イオンエッチングなどを用いて、パッシベーション膜６０にパターンを形成する。これにより、第１半導体層１１の一部が露出する。
【００４７】
図５（ｃ）に表したように、例えば、さらに第１半導体層１１の一部をエッチングしてもよい。第１半導体層１１のエッチングは、例えば必要に応じて行われ適宜省略されてもよい。
【００４８】
図５（ｄ）に表したように、レジスト６２を除去したのち、レジスト６４を形成する。例えば、蒸着によって、第１電極２１となる金属層２１ｆを第１半導体層１１の上に形成する。その後、レジスト６４を除去し、熱処理を行う。例えば、５００度以上７００度以下の温度における熱処理を行う。これにより、第１電極２１が形成される。金属層２１ｆの形成には、例えばスパッタ法を用いてもよい。
【００４９】
必要に応じて半導体層１１にイオン注入を行い、ゲート絶縁膜１６、ゲート電極２３、絶縁層１８などを形成する。これにより、ＨＥＭＴが完成される。  
図５（ｄ）に表した第１電極２１を形成する工程（電極形成工程）についてさらに説明する。
【００５０】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、実施形態に係る半導体装置を例示する模式図である。  
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第１電極２１を形成する工程において、熱処理前の金属層２１ｆを例示している。
【００５１】
図６（ａ）は、第１電極２１を形成する工程における模式的断面図を例示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）に対応する写真像である。
【００５２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に表したように、第１電極２１を形成する工程において、第１金属層２１ｆａと、第２金属層２１ｆｂと、第３金属層２１ｆｃと、が設けられる。第１電極２１を形成する工程は、第１金属層２１ｆａを形成する工程と、第２金属層２１ｆｂを形成する工程と、第３金属層２１ｆｃを形成する工程とを含む。第３金属層２１ｆｃの上に、第４金属層２１ｆｄ（図示しない）が形成されていても良い。
【００５３】
第１半導体層１１の上に、例えば蒸着によって、第１金属と第２金属とを含む第１金属層２１ｆａを形成する。第１金属層２１ｆａにおける第１金属の濃度は、例えば、１０ａｔ％以上２０ａｔ％以下である。
【００５４】
第１金属層２１ｆａの上に、例えば蒸着によって、第２金属層２１ｆｂを形成する。第２金属層２１ｆｂは、第２金属を含む。
【００５５】
第２金属層２１ｆｂの上に、例えば蒸着法によって、第３金属層２１ｆｃを形成する。第３金属層２１ｆｃは、第１金属を含む。
【００５６】
図６（ｃ）は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に表したＢ１−Ｂ２線に沿った濃度を例示している。図６（ｃ）の縦軸は、濃度ＣＲ（ａｔ％）である。図６（ｃ）の横軸は、Ｚ軸方向における、測定開始位置からの距離Ｐｚである。この例では、第１金属にはＡｌが用いられ、第２金属にはＴｉが用いられている。また、第１半導体層１１には、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）が用いられている。図６（ｃ）は、Ａｌの濃度ＲＡｌ、Ｔｉの濃度ＲＴｉ、Ｇａの濃度ＲＧａ、及び窒素の濃度ＲＮを例示している。図６（ｃ）の濃度ＣＲ（ａｔ％）は、例えばＥＤＸによって得られた測定結果である。
【００５７】
図６（ｃ）に表したように、第３金属層２１ｆｃにおいては、Ａｌの濃度ＲＡｌが高い。第３金属層２１ｆｃは、例えば、Ａｌ層である。第３金属層２１ｆｃは、例えば、第２金属をほとんど含まない。第３金属層２１ｆｃにおける第２金属（例えばＴｉ）の濃度は、例えば、５ａｔ％以下である。
【００５８】
第２金属層２１ｆｂにおいては、Ｔｉの濃度ＲＴｉが高い。例えば、第２金属層２１ｆｂは、Ｔｉ層である。第２金属層２１ｆｂにおける第１金属（例えばＡｌ）の濃度は、例えば、５ａｔ％以下である。
【００５９】
第１金属層２１ｆａは、例えば、ＡｌとＴｉとを含む金属層である。第１金属層２１ｆａにおける第１金属（例えばＡｌ）の濃度は、例えば５ａｔ％以上２０ａｔ％以下である。第１金属層の濃度は、１０ａｔ％以上２０ａｔ％以下であることが好ましい。第１金属層２１ｆａにおけるＡｌの濃度は、第２金属層２１ｆｂにおけるＡｌの濃度よりも高い。
【００６０】
第１半導体層１１においては、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）の濃度に対応して、ＡｌとＧａと窒素とが検出される。図６（ｃ）に表したように、第１半導体層１１は、Ｇａ、Ａｌ及び窒素を含んでいることが分かる。例えば、Ｇａの濃度ＲＧａは、５０ａｔ％以上８０ａｔ％以下である。窒素の濃度ＲＮは、例えば、１０ａｔ％以上３０ａｔ％以下である。例えば、第１金属層２１ｆａにおけるＡｌの濃度は、第１半導体層１１におけるＡｌの濃度よりも低い。
【００６１】
第１電極２１を形成する工程は、このようにして形成された、第１金属層２１ｆａ、第２金属層２１ｆｂ、第３金属層２１ｆｃ及び第１半導体層１１を加熱する工程を含む。例えば、５００度以上７００度以下の温度で加熱する。これにより、図２及び図３において説明したような組成の第１電極が形成される。例えばオーミックなコンタクトが形成される。電気抵抗を低減することができる。
【００６２】
バンドギャップが広い化合物半導体を用いたパワー素子は、例えば耐圧が高く、高周波に対応した特性を有することができる。しかし、シリコンを用いた半導体とは異なり、このようなワイドバンドギャップ半導体では、オーミック電極を半導体表面に形成しただけでは、オーミックコンタクトを形成することは困難である。このため、例えば、熱処理などが行われる。例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮとＧａＮの積層膜を用いたＨＥＭＴ素子では、半導体層はドーピングされていない。安定して、オーミックなコンタクトを形成することは困難な場合がある。
【００６３】
一方、実施形態においては、例えば第１金属層２１ｆａのように、ＡｌＧａＮ層（第１半導体層）と接触する金属層が、１０％〜２０％程度のＡｌを含む。このように、ＴｉとＡｌとを含み、Ａｌの濃度が１０〜２０ａｔ％程度の金属層を形成し、所定の範囲の温度で加熱することで、安定して、電極と半導体とのコンタクト（例えばオーミックなコンタクト）を形成することができることが分かった。
【００６４】
ＡｌＧａＮ層の表面に、第１金属層２１ｆａのような、ＴｉまたはＶ等の還元性の金属を含む層を形成する。そして、５００度以上の温度で熱処理を行う。これにより、例えば、ＴｉやＶなどの還元性の金属は、ＡｌＧａＮ層の表面から窒素を除去し、ＡｌＧａＮ層の表面に窒素の空孔を形成する。これは、例えばｎ型層となる。
【００６５】
また、熱処理を行うことにより、例えば、第３金属層２１ｆｃに含まれるＡｌがＡｌＧａＮ表面に拡散し、Ｔｉ層とＡｌＧａＮ層との界面で、窒素と反応する。これにより、例えば、ＡｌＮを含む第３領域２１ｃが形成される。
【００６６】
熱処理によって、例えば、第２金属層２１ｆａに含まれる第２金属（例えばＴｉ）と、第３金属層２１ｆｃに含まれる第１金属（例えばＡｌ）と、が反応し、第１金属と第２金属との化合物又は合金を含む第１領域２１ａが形成される。第１領域２１ａと第３領域２１ｃと、の間に、濃度（濃度比Ｒｃ）が変化する第２領域２１ｂが形成される。
【００６７】
例えば、このように形成されたＡｌＮ層（第３領域２１ｃ）は、ＡｌＧａＮ層表面に形成されたｎ型層と、オーミックメタル（第１領域２１ａ）との間の例えば界面層となる。ＡｌＮ層には、例えば、トンネル電流が流れる。これにより、例えばオーミックなコンタクトを形成することができる。
【００６８】
実施形態においては、第１金属層２１ｆａが、還元性の第２金属を含むことで、例えばｎ型層を形成することができる。さらに、第１金属層２１ｆａは、第１金属を含む。これにより、上記の熱処理において、第１金属層２１ｆａ中の第１金属と、ＡｌＧａＮ層表面の窒素と、が反応しやすい。安定して界面層が形成されやすい。これにより、安定して、例えばオーミックなコンタクトを得ることができる。
【００６９】
例えば、図５（ａ）〜図５（ｄ）に例示した製造工程において、第１半導体層１１の表面は、酸化物又は有機物などによって、汚染される場合がある。第１半導体層１１の上に堆積した第２金属（Ｔｉ又はＶ等）が、これらの汚染物質と化合物を形成してしまう場合がある。これにより、例えば、熱処理において、第３金属層２１ｆｃに含まれるＡｌがＡｌＧａＮ層へ拡散することが妨げられてしまう場合がある。また、第２金属が汚染物質と反応することで、十分に、ＡｌＧａＮ層の表面から窒素を除去することができない場合がある。ＡｌＧａＮ層の表面に十分なｎ型層を形成することができない場合がある。
【００７０】
例えば、図４に例示した参考例の半導体装置１１９においては、第１領域２１ａと第２領域２１ｃとの間の第２領域２１ｂにおいて、Ｔｉと汚染物との化合物などが形成されていると考えられる。図４に例示したような濃度比Ｒｃを有する電極においては、例えば、ｎ型層が十分に形成されず、良好なコンタクトが形成されていない。
【００７１】
これに対して、実施形態においては、第１金属層２１ｆａが、第１金属を含む。これにより、例えば、第２金属と汚染物質等との化合物の形成が抑制される。また、仮に、第２金属と汚染物質等との化合物が形成され、第３金属層２１ｆｃに含まれる第１金属の拡散が妨げられても、第１金属層２１ｆａが、第１金属を含むことによって、第１金属と窒素との化合物が形成されやすい。これにより、安定して、コンタクトを形成することができる。
【００７２】
例えば、第１半導体層１１中の窒素が除去される量は、第１半導体層の上に堆積される第２金属の層の厚さに依存する。また、第１半導体層１１の表面における窒素の抜けやすさは、第１半導体層１１の組成（例えば、ＡｌＧａＮ層表面のＡｌ組成）に依存する。また、第１半導体層１１の表面における窒素の抜けやすさは、第１半導体層１１の表面の状態に依存する。
【００７３】
しかし、第１半導体層１１の表面の組成は、ＦまたはＣｌ等を用いた表面のエッチング処理、水素などのプラズマ処理、または、高温処理などによって、変化しやすい。例えば、ＡｌＧａＮ層の表面における組成は、製造工程中の処理によって、ＡｌＧａＮ層のエピタキシャル成長において制御された組成と大きく異なる場合もある。このように表面の状態が変化すると、設定した第２金属の層の厚さにおいて、想定よりも過剰に窒素が抜かれる場合がある。これにより、例えば、第２金属の化合物（例えばＴｉＮ）が形成される。例えば、ＡｌのＡｌＧａＮ層への拡散が妨げられ、良好な界面層が形成しにくい場合がある。例えば、参考例の半導体装置１１９においては、ＴｉＮによって、Ａｌの拡散が妨げられ、良好な界面層が形成されていない。例えば、オーミックなコンタクトが得られない。
【００７４】
これに対して、実施形態においては、第１金属層２１ｆａが第１金属を含む。これにより、例えば、第２金属が半導体層１１の表面から過剰に窒素を除去することを防ぐことができる。第２金属の化合物（例えばＴｉＮ）の形成を抑制することができる。
【００７５】
実施形態においては、第１金属層２１ｆａの上に、例えばＡｌを含まないＴｉの層（第２金属層２１ｆｂ）を形成する。熱処理によって、第３金属層２１ｆｃからＡｌが拡散する。還元性メタル（第２金属）がＡｌＧａＮ層表面から窒素を抜き、ｎ型低抵抗層が形成される。
【００７６】
このように形成された実施形態に係る半導体装置１００の第１電極２１においては、例えば、濃度比Ｒｃが、第３領域２１ｃ（界面層）と第１領域２１ａとの間で急峻に変化する。
例えば、第１金属層２１ｆａが第１金属を含むことで、第１半導体層１１の表面において第１金属と窒素との化合物を含む界面層（第３領域２１ｃ）が形成されやすくなる。これにより例えば、第２領域２１ｂと第３領域２１ｃとの境界付近において、第１金属の濃度は、低くなる。
【００７７】
第１金属層２１ｆａが第１金属を含むことで、例えば、第２金属と、ＡｌＧａＮ層表面における汚染物質等と、の化合物が形成されにくい。これにより、例えば、第１金属の熱による拡散が阻害されず、第１金属と第２金属との化合物又は合金を含む領域（第１領域２１ａ）が形成されやすい。また、濃度比ＲｃのＺ軸方向に沿った分布は、第２金属と汚染物質等との化合物によるピークを持たない。
【００７８】
このように、実施形態においては、第１領域２１ａ及び第３領域２１ｃが形成されやすい。例えば、第１領域２１ａと第３領域２１ｃとの間の第２領域２１ｂの幅は、狭くなる。第２領域２１ｂにおける濃度比Ｒｃは、急峻に変化する。本願発明者の検討によると、このように形成され、図３に例示したような濃度（濃度比Ｒｃ）を有する電極は、良好な電気的特性を有することが分かった。例えばオーミックなコンタクトを得ることができる。
【００７９】
（第２の実施形態）  
図７は、第２の実施形態に係る半導体装置の一部を例示する模式的断面図である。  
図７は、半導体装置１０１における第１電極２１及び第１半導体層１１の模式的断面図を例示している。半導体装置１０１においても、第１半導体層１１、第２半導体層１２、第２電極２２及びゲート電極２３などが設けられる。これらについては、半導体装置１００において説明した構成と同様の構成を適用することができる。
【００８０】
半導体装置１０１における第１電極２５は、第１部分２５ａと、第２部分２５ｂと、を含む。第１部分２５ａは、第１金属を含む。第２部分２５ｂは、第１金属と窒素との化合物を含む。
【００８１】
例えば、第１部分２５ａは、Ａｌ層である。第２部分２５ｂは、例えば、第１金属と第１半導体層との界面層である。第２部分２５ｂは、例えば、ＡｌＮを含む。
【００８２】
第１電極２５においては、第２金属（例えばチタン）の濃度は低い。例えば、第１電極２５は、第２金属を実質的に含まない。第１電極２５における第２金属の濃度は、例えば５原子パーセント未満である。１原子パーセント未満であることが好ましい。
半導体装置１０１における第１電極２５を形成する電極形成工程について説明する。  
基板上に第１半導体層１１を形成し、必要に応じて、第１の実施形態と同様にレジスト及びパッシベーション膜などを設けてパターニングした加工体を準備する。
【００８３】
電極形成工程は、第１半導体層１１の（例えば表面の）窒素を除去する工程と、第１金属を含む金属層を形成する工程と、熱処理工程と、を含む。
【００８４】
第１半導体層１１の上に、水素を含むガスのプラズマを照射する。これにより、第１半導体層の窒素（の一部）を除去する。これにより、例えば、第１半導体層１１の表面において、低抵抗のｎ型層が形成される。プラズマ処理においては、例えば、チャンバー内に加工体と水素を含むガスとを導入する。このガスに高周波の電圧を印加してプラズマ化させる。水素を含むガスには、例えば、ＮＨ３を含むガスが用いられる。
【００８５】
プラズマ処理を行った後に、第１半導体層の上に第１金属を含む金属層を形成する。第１金属には、例えば、Ａｌが用いられる。金属層は、例えば、Ｔｉ及びＶを含まない。
【００８６】
金属層を形成した後に、例えば、５００度以上７００度以下の温度における熱処理を行う。温度は、例えば６００度以上であることが好ましい。このようにして第１電極２５が形成される。
【００８７】
図８は、半導体装置の特性を例示するグラフ図である。  
図８は、参考例の半導体装置１１９ａ、参考例の半導体装置１１９ｂ、実施形態に係る半導体装置１０１ａ、及び実施形態に係る半導体装置１０１ｂの特性を例示している。
【００８８】
図８の縦軸は、第１半導体層１１の表面におけるＧａの濃度に対する窒素の濃度の濃度比Ｒｇである。すなわち、Ｒｇ＝（Ｎの濃度）／（Ｇａの濃度）である。この例では、第１半導体層１１には、ＡｌＧａＮが用いられている。
【００８９】
半導体装置１１９ａにおいては、第１半導体層１１の表面にプラズマ処理がされていない。半導体装置１１９ｂにおいては、第１半導体層１１の表面に、水素を含まないガス（例えばＮ２を含むガス）を用いてプラズマ処理がされている。半導体装置１０１ａ及び半導体装置１０１ｂにおいては、第１半導体層１１に、半導体装置１０１について説明したプラズマ処理と同様のプラズマ処理がされている。半導体装置１０１ａにおいては、ＮＨ３を含むガスの流量は、３０ｃｃ／分である。半導体装置１０１ｂにおいては、ＮＨ３を含むガスの流量は、１００ｃｃ／分である。
【００９０】
図８に表したように、水素を含まないガスを用いてプラズマ処理を行った半導体装置１１９ｂにおける濃度比Ｒｇは、プラズマ処理を行わない半導体装置１１９ａにおける濃度比Ｒｇと同程度である。例えば、Ｒｇは、２．７５程度である。
【００９１】
一方、半導体装置１０１ａにおける濃度比Ｒｇは、２．６〜２．６５程度である。半導体装置１０１ｂにおける濃度比Ｒｇは、２．６〜２．６５程度である。このように、水素を含むガスを用いて、プラズマ処理を行う。これにより、第１半導体層１１の表面から窒素を除去することができる。第１半導体層１１の表面において、例えば低抵抗なｎ型層を形成することができる。半導体装置１０１においても、良好な電気的特性を有するコンタクト（例えばオーミックコンタクト）が形成される。
【００９２】
実施形態によれば、電気的特性が良好な半導体装置及びその製造方法が提供できる。
【００９３】
なお、本願明細書において、「垂直」は、厳密な垂直だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直であれば良い。
【００９４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、第１半導体層、第１電極、第１金属、第２金属、制御電極、第１〜第３領域、第１〜第２部分及び第１〜第３金属層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００９５】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体装置及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体装置及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００９６】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００９７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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、変更を行うことができる。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ともに、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。
【符号の説明】
【００９８】
１１…第１半導体層、  １１ｇ…２次元電子ガス、  １２…第２半導体層、  １４…基板、  １５…下地層、  １６…ゲート絶縁膜、  １８…絶縁層、  １９…絶縁層、  ２１…第１電極、  ２１ａ…第１領域、  ２１ｂ…第２領域、  ２１ｃ…第３領域、  ２１ｄ…第４領域、  ２１ｆ…金属層、  ２１ｆａ…第１金属層、  ２１ｆｂ…第２金属層、  ２１ｆｃ…第３金属層、  ２１ｆｄ…第４金属層、  ２２…第２電極、  ２３…ゲート電極、  ２５…第１電極、  ２５ａ…第１部分、  ２５ｂ…第２部分、  ４１…第１配線、  ４２…第２配線、  ６０…パッシベーション膜、  ６２…レジスト、  ６４…レジスト、  １００、１００ａ、１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１１９、１１９ａ、１１９ｂ…半導体装置、  ＣＲ…濃度、  Ｐｚ…距離、  ＲＡｌ…濃度、  ＲＧａ…濃度、  ＲＮ…濃度、  ＲＴｉ…濃度、  Ｒｃ…濃度比、  Ｒｃ１…濃度比、  Ｒｃ２…濃度比、  Ｒｇ…濃度比
【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７】
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【図８】
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【図６】
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