(57)【要約】【課題】半導体層の性能の熱劣化を招くことなく、特定部分の加熱による性能向上を可能とする半導体装置と半導体装置の製造法を提供すること。【解決手段】Ａｌ２Ｏ３またはＳｉＣからなる基板１の上に、半導体基板層２としてＧａＮが堆積され、その上に、半導体エピタキシャル層３としてＡｌＧａＮがエピタキシャル成長し、半導体エピタキシャル層３の所定の位置に、オーミック電極５として、金属積層：Ｔｉ/Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕが形成され、オーミック電極５の上に炭素（Ｃ）からなる最上層６が形成されていることを特徴とする半導体装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層を構成要素とする半導体装置において、前記半導体層上の所定の位置に、前記半導体層の赤外線吸収係数よりも大きな赤外線吸収係数を有する赤外線吸収物質を構成要素とする堆積体を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体層が窒化物半導体層であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記赤外線吸収物質が炭素、シリコンまたはポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記堆積体が積層体であり、該積層体の最上層は前記赤外線吸収物質からなり、該最上層を除く該積層体の層は金属からなることを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体装置の製造方法において、請求項１、２、３または４記載の半導体装置をランプ加熱する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置と半導体装置の製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、Ａ１、Ｇａ、Ｉｎ等のIII族元素のうち少なくとも一つ以上の元素と、Ｖ族元素である窒素との化合物であり、例えば、一般式Ａｌ１−ａ−ｂＧａａＩｎｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で表される。窒化物半導体は、直接遷移型であり、その組成により最大６．２ｅＶから０．８ｅＶまでの幅広い禁止帯幅を有する。また、広い禁止帯幅を有する組成においては、熱的安定性、絶縁破壊電界、飽和電子速度が大きい。以上の特性から、窒化物半導体を用いて、遠赤外から紫外領域での受光・発光デバイス、および、耐高温・高出力・高周波トランジスタ等の電子デバイスヘの応用が期待され、開発が進められている。
【０００３】
電子デバイスの用途においては、ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ：Heterostructure  Field  Effect  Transistor）の開発が進められている。このＨＦＥＴの特性を向上させるために、ＨＦＥＴ用半導体エピタキシャルウェハのシート抵抗の低減、あるいは接触抵抗の低減が必要である。これらはＨＦＥＴの高周波特性、出力特性、電力効率の改善につながる。
【０００４】
シート抵抗の低減には、半導体エピタキシャルウェハの構造の最適化が必要である。例えば、ＡｌＧａＮ障壁層の膜厚の厚膜化やＡｌ組成の増加、変調ドーピングの増加により、チャネルに誘起させる二次元電子ガス（２ＤＥＧ）濃度を増大させることが必要である。
【０００５】
接触抵抗の低減には、半導体エピタキシャルウェハの構造の最適化や、プロセス条件の最適化が必要である。半導体エピタキシャルウェハの障壁層の薄膜化、２ＤＥＧ濃度や変調ドーピング濃度を増加させることにより、接触抵抗の低減が可能である。また、オーミック金属の構造やその後の熱処理温度により接触抵抗の低減が可能である。
【０００６】
しかし、これらの半導体エピタキシャルウェハの構造は、他のトランジスタ特性に影響を与える。例えば、変調ドーピング濃度の増加は、ゲートリークの増加を招く。障壁層の厚膜化や高Ａｌ組成化はシート抵抗の低減には有効であるが、接触抵抗は増加する。また、緩衝層との内部応力が高まるために結晶性が劣化する恐れがある。
【０００７】
低接触抵抗化のためには、プロセスにおいて、８３０℃以上での熱処理が必要であるとの報告がある（例えば下記非特許文献１参照）。従来の技術では、所定のオーミック電極（例えばＴｉ/Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕ）を堆積した後に、ＳｉあるいはＣの上に試料をおき、ランプ加熱を行う。ランプが放射する高強度の光の波長は 1500nm から 5000nm である。
【０００８】
図１１は、従来技術におけるオーミック電極の接触抵抗低減のための熱処理の手法を示す模式図である。図において、基板１（Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ）の上に半導体基板層２としてＧａＮが堆積され、その上に半導体エピタキシャル層３としてＡｌＧａＮがエピタキシャル成長している。基板１、半導体基板層２及び半導体エピタキシャル層３が半導体エピタキシャルウェハ４を構成している。半導体エピタキシャル層３の上には、オーミック電極５として、金属積層：Ｔｉ/Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕが形成されている。オーミック電極５の接触抵抗低減ためのランプ加熱は、半導体エピタキシャルウェハ４は赤外線を透過するために、ＣもしくはＳｉ等の赤外線を吸収する材料で構成される接触加熱板７を下に敷いて行われる。接触加熱板７のＣもしくはＳｉがランプ加熱され、半導体エピタキシャルウェハ４はその熱により接触加熱される。そのため、半導体エピタキシャルウェハ４、オーミック電極５全体が加熱されることになる。
【０００９】
図１２は、上記の半導体エピタキシャルウェハ４をランプ加熱して、オーミック電極の接触抵抗を低減させる時の模式図であり、半導体エピタキシャルウェハ４は、アニール炉筐体中の接触加熱板７であるＳｉプレートの上に載せられ、Ｓｉプレートが吸収するランプの熱によって接触加熱される。
【００１０】
しかしながら、上記のような方法による高温での熱処理は、シート抵抗の上昇や電流コラプスの増加を招くなどの現象が報告されている（下記非特許文献２、３参照）。このような熱処理による劣化は、熱によって表面状態が変化し、チャネルのポテンシャル状態が変化することや、変調ドープ層のキャリアの活性化率が低下することが要因と考えられる。
【非特許文献１】T. Nakayama et al.,  Appl.  Phys.  Lett.  85(2004)  3775.
【非特許文献２】K. Shiojima et al.,  Jpn.  J.  Appl.  Phys.  43(2004)  100.
【非特許文献３】T. Hashizumeet al.,  Appl.  Surface  Sci.  234(2004)  387.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述のように、窒化物半導体ＨＦＥＴにおいて、接触抵抗の低減のためには、高温での熱処理が必要である。しかし、高温での熱処理は、半導体エピタキシャルウェハの表面状態を劣化させ、シート抵抗の増加や電流コラプスの増加を招くため、他の特性の劣化を招く。
【００１２】
本発明は、以上の問題を解決するために考案されたものであり、本発明が解決しようとする課題は、半導体層の性能の熱劣化を招くことなく、特定部分の加熱による性能向上を可能とする半導体装置と半導体装置の製造法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載したように、
半導体層を構成要素とする半導体装置において、前記半導体層上の所定の位置に、前記半導体層の赤外線吸収係数よりも大きな赤外線吸収係数を有する赤外線吸収物質を構成要素とする堆積体を有することを特徴とする半導体装置を構成する。
【００１４】
また、本発明においては、請求項２に記載したように、
前記半導体層が窒化物半導体層であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置を構成する。
【００１５】
また、本発明においては、請求項３に記載したように、
前記赤外線吸収物質が炭素、シリコンまたはポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置を構成する。
【００１６】
また、本発明においては、請求項４に記載したように、
前記堆積体が積層体であり、該積層体の最上層は前記赤外線吸収物質からなり、該最上層を除く該積層体の層は金属からなることを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体装置を構成する。
【００１７】
また、本発明においては、請求項５に記載したように、
半導体装置の製造方法において、請求項１、２、３または４記載の半導体装置をランプ加熱する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造法を構成する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明を用いれば、半導体装置の特定部分のみを加熱することが可能となり、半導体層の性能の熱劣化を招くことなく、特定部分の加熱による性能向上を可能とする半導体装置と半導体装置の製造法を提供することができる。
【００１９】
本発明を、半導体エピタキシャルウェハのオーミック電極の性能向上に適用すれば、半導体エピタキシャルウェハのオーミック電極を加熱したときに、オーミック電極のみが加熱され、電極の接触抵抗を低減するとともに、半導体エピタキシャルウェハの熱による表面の劣化を防げるという効果が現れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る半導体装置の特徴は、半導体層を構成要素とし、前記半導体層上の所定の位置に、前記半導体層の赤外線吸収係数よりも大きな赤外線吸収係数を有する赤外線吸収物質を構成要素とする堆積体を有することにあり、本発明に係る半導体装置の製造法の特徴は、上記本発明に係る半導体装置をランプ加熱する工程を有することにある。
【００２１】
以下の説明においては、前記半導体層が窒化物半導体層であり、前記赤外線吸収物質が炭素、シリコンまたはポリイミド樹脂であり、前記堆積体が積層体であり、該積層体の最上層は前記赤外線吸収物質からなり、該最上層を除く該積層体の層は金属からなる場合の、さらに限られた場合について説明するが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００２２】
本発明では、例えば、半導体エピタキシャルウェハの基板として、赤外線を透過する、望ましくは禁止帯幅２ｅＶ以上の材質を用いる。さらに、上記堆積体の構成要素であるオーミック電極として、例えば、複数層の金属を堆積した後に、その上に、上記赤外線吸収物質からなる最上層として、例えば、珪素または炭素を層状に堆積した後に、それをランプ加熱するという手段をとる。
【００２３】
図１は、本発明に係る半導体装置の一例を示す模式図である。図に示したように、半導体エピタキシャルウェハ４の基板１としては、例えばＡｌ２Ｏ３やＳｉＣを用いる。しかし、赤外線を透過する、好ましくは禁止帯幅２ｅＶ以上を有する材料を基板１として用いた場合にも、本発明の効果は同様に現れる。
【００２４】
図１において、基板１の上に半導体基板層２としてＧａＮが堆積され、その上に、上記半導体層である半導体エピタキシャル層３として、窒化物半導体層であるＡｌＧａＮ層がエピタキシャル成長している。基板１、半導体基板層２及び半導体エピタキシャル層３が半導体エピタキシャルウェハ４を構成している。
【００２５】
さらに、図１において、上記堆積体は積層体であり、その構成要素であるオーミック電極５として、金属積層：Ｔｉ/Ａｌ/Ｎｉ/Ａｕが、半導体エピタキシャル層３の所定の位置に形成されている。しかし、金属材料の種類、層数、各層の膜厚は本発明の効果に何ら影響を与えない。また、上記堆積体の構成要素であり、上記赤外線吸収物質からなる最上層６は炭素（Ｃ）からなる層であ。しかし、この赤外線吸収物質は珪素（Ｓｉ）であっても、その効果は同等である。さらに、この赤外線吸収物質は、波長域：1500nm〜5000nm において、上記半導体層である半導体エピタキシャル層３の赤外線吸収係数よりも大きな赤外線吸収係数を有していればよい。その赤外線吸収係数の差が大きいほど著しい効果が現れる。
【００２６】
図２は、本発明に係る半導体装置の製造法におけるランプ加熱による熱処理としての、オーミック電極５の接触抵抗低減のための熱処理の手法を示す模式図である。図において、図１に示した半導体装置に、ランプが放射する赤外線が照射される。電極部は、最上層６の炭素あるいは珪素が赤外線を吸収するため、加熱される。一方、半導体エピタキシャルウェハ４は赤外線を透過するため、加熱されない。よって、この手法では、電極部のみが局所的に加熱されるため、半導体エピタキシャルウェハ４の表面状態の劣化を抑制することが可能である。
【００２７】
なお、本発明におけるＣもしくはＳｉは、単結晶、微結晶、非晶質等の結晶性を問わない。
【００２８】
［実施の形態例１］
まず、半導体エピタキシャルウェハ４のＡｌＧａＩｎＮの表面（エピ表面）にレジストを塗布し、オーミック電極５を堆積する部分を露光と現像で取り除く。次に、電子線蒸着（ＥＢ蒸着）によりオーミック電極５を堆積し、図３に示す状態とした。
【００２９】
次に、Ａｒプラズマを用いたスパッタ法により、最上層６として、ＣもしくはＳｉを堆積して、図４に示す状態とした。堆積するＣまたはＳｉの膜厚は２μｍである。なお、堆積するＣまたはＳｉの膜厚は０．１μｍから５μｍで同様の効果が得られる。
【００３０】
その後、有機溶剤によりリフトオフを行い、レジスト上のオーミック電極５と最上層６とをレジストと共に除去して、図５に示す状態とした。図５に示す状態は図１に示した状態と同じである。
【００３１】
本発明に係る半導体装置の製造法におけるランプ加熱の工程の一例として、上記のようにして作製した本発明に係る半導体装置（図１、５に示す）をランプ加熱してオーミック電極５の接触抵抗を低減した。
【００３２】
図６に、ランプ加熱の工程の模式図を示す。ランプ加熱に際し、オーミック電極５の上の最上層６がランプからの赤外線を吸収して加熱され、オーミック電極５の熱伝導率は高いので、オーミック電極５と半導体エピタキシャルウェハ４との接触部も加熱され、それによって、オーミック電極５の接触抵抗が低減される。一方、半導体エピタキシャルウェハ４は、赤外線を透過し、しかも、その周縁部のみで支持されているので、その支持体が、例えば、ＳｉＯ２のように赤外線透過性であれば、ほとんど加熱されない。よって、本発明に係る半導体装置の製造法によれば、電極部のみが局所的に加熱されるため、半導体エピタキシャルウェハ４の表面状態の劣化を抑制することが可能である。当然のことながら、このランプ加熱の工程においては、従来法で用いる接触加熱板は用いない。ただし、赤外線を透過する材料（例えばＳｉＯ２）で構成される支持板で、半導体エピタキシャルウェハ４を支持してもよい。
【００３３】
図７に、本発明に係る半導体装置の製造法におけるランプ加熱時の温度分布の一例を示す。ランプが放射する赤外線を吸収し、電極上最上層のＣもしくはＳｉは８５０℃に加熱されている。その時、電極金属部は熱伝導度が高いので、金属と半導体の接触部は８３０℃になる。半導体部は電極金属と比べ熱伝導率が低いため、チャネル部の温度はおよそ３００℃に留まっている。
【００３４】
一方、従来法におけるランプ加熱時の温度分布の一例を図８に示す。下のプレート部がまず加熱されるために、下部がもっとも温度が高く９５０℃となっている。熱はプレート（接触加熱板７）からの接触伝熱で伝導し、金属と半導体の接触部および、チャネル部ともに８３０℃であった。
【００３５】
以上のように、本発明に係る半導体装置の製造法においては、チャネル部（左右のオーミック電極５に挟まれた部分）の温度の上昇を抑制する効果が顕著であることが分かる。
【００３６】
ランプ加熱後、他のプロセスを施した後に、再びレジストを塗布し、最上層６上の或る領域のレジストを露光と現像により取り除き、ドライエッチにより、最上層６のＣもしくはＳｉを取り除いて、図９に示した状態とした。また、Ｃについては、酸素プラズマ照射によるプラズマアッシングを用いても除去できる。
【００３７】
Ａｕをパッドとして蒸着した後に、リフトオフを行い、レジスト上のＡｕをレジストと共に除去して、図１０に示す状態とした。図中、パッドはＡｕで示されている。
【００３８】
チャネル抵抗が４５０Ω/ｓｑ．である試料について、本実施の形態例の方法によりオーミック電極を作製した結果、オーミック電極の接触抵抗は０．３Ω/ｍｍと良好であり、チャネル抵抗は４５０Ω/ｓｑ．と劣化することなく良好な特性が得られた。（従来方法によれば接触抵抗は良好な（０．３Ω/ｍｍ）反面、チャネル抵抗は５７０Ω/ｓｑ．に増加（劣化）していた。）これは、本実施の形態例において、ランプ加熱時に、オーミック電極のみが加熱され、エピタキシャルウェハは加熱されなかったため、エピタキシャルウェハの品質の劣化が抑制されたことによると考えられる。
【００３９】
本実施の形態例においては、加熱されるＣ又はＳｉは電極と同寸法で電極直上に形成されたが、オーミック電極を含めて周辺部を加熱すれば効果を得られるので、電極面積より大きいＣ又はＳｉを、電極を覆うように形成しても構わない。また、同様に、電極面積より小さいＣ又はＳｉを電極表面上の一部に形成しても構わない。
【００４０】
［実施の形態例２］
実施の形態例２は、赤外線吸収物質に感光性ポリイミド樹脂を用いることを特徴とする。電極が形成された試料表面（例えば、図１において、最上層６が無い状態の半導体装置の上面）に、ポリイミド樹脂を、スピンコータを用いて、試料表面全面に２０μｍの膜厚で塗布する。この感光性ポリイミド樹脂に、通常の半導体プロセスに用いる露光装置による露光を施した後、現像を施して、電極上にポリイミド樹脂が残り、電極以外の部分のポリイミド樹脂が除去されるようにパターニングする。これによって、例えば、図１において、最上層６がポリイミド樹脂からなる状態が実現する。このポリイミド樹脂を赤外線吸収物質として用いて、実施の形態例１と同様にランプ加熱を行う。この後のポリイミド樹脂の除去は、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて行う。本実施の形態例の方法によれば、実施の形態例１に比べて簡便に赤外線吸収物質を形成でき、実施の形態例１と同様の効果が得られる。
【００４１】
以上の実施の形態例はあくまで一例であり、本発明はこれに限定されない。一般に、半導体装置が、電極上の最上層として、該半導体装置中の半導体層よりも赤外線を強く吸収する赤外線吸収物質の層を有し、半導体装置の製造法におけるランプ加熱時に、半導体装置を接触加熱する接触加熱板を用いない限りにおいて、本発明の効果が現れる。
【００４２】
なお、上記の実施の形態例においては、半導体装置の作製工程において最後に赤外線吸収物質を除去しているが、赤外線吸収物質を除去することなく電極上に残した場合も同様な効果が得られる。例えば、電極面積より小さいＣ、Ｓｉ、ポリイミド樹脂などを電極表面上の一部に形成した半導体装置を作製して、赤外線吸収物質が形成されていない電極表面部分に導線を接続することにより半導体装置に電流を注入して動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る半導体装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明に係る半導体装置の製造法におけるランプ加熱による熱処理としての、オーミック電極５の接触抵抗低減のための熱処理の手法を示す模式図である。
【図３】本発明に係る半導体装置におけるオーミック電極を形成する方法を示す模式図である。
【図４】本発明に係る半導体装置における電極上最上層を形成する方法を示す模式図である。
【図５】本発明に係る半導体装置の一例を示す模式図である。
【図６】本発明に係る半導体装置の製造法におけるランプ加熱の工程を示す模式図である。
【図７】本発明に係る半導体装置の製造法におけるランプ加熱時の温度分布の一例を示す図である。
【図８】従来法の半導体装置の製造法におけるランプ加熱時の温度分布の一例を示す図である。
【図９】本発明に係る半導体装置にパッドを形成する前の状態を示す模式図である。
【図１０】本発明に係る半導体装置にパッドを形成した状態を示す模式図である。
【図１１】従来技術におけるオーミック電極の接触抵抗低減のための熱処理の手法を示す模式図である。
【図１２】従来の半導体装置の製造法における、オーミック電極の接触抵抗を低減させる時のランプ加熱の方法を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：基板、２：半導体基板層、３：半導体エピタキシャル層、４：半導体エピタキシャルウェハ、５：オーミック電極、６：最上層、７：接触加熱板。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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