(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮおよびＧａを含む半導体層と、
前記半導体層にオーミック接続され、主成分がＡｌである導電層と、
前記半導体層と前記導電層との界面に金属が分布して存在する金属分布領域と、
前記半導体層に前記金属が侵入して存在する金属侵入領域と、
前記導電層の上層に形成され、前記導電層の酸化を防止する導電性のキャップ層と、
前記導電層と前記キャップ層との間に形成された導電性の中間層と、
を備え、
前記金属分布領域および前記金属侵入領域が、前記半導体層の上層に、前記金属を主成分とする金属層、前記金属の拡散を防止するとともに前記導電層を構成する材料の融点より高い融点を有する拡散防止層、および、前記導電層を順次形成し、前記金属層、前記拡散防止層および前記導電層を熱処理することにより形成されたものであり、
前記金属侵入領域が、前記半導体層における前記界面と平行な面内において不均一に形成され、
前記半導体層には、Ｇａと置換して混晶を構成するＡｌが含まれ、前記半導体層における前記金属侵入領域を囲んでＡｌが存在し、
前記金属がＴｉであり、
前記拡散防止層を主に構成する材料が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、ＣｒおよびＮｂから選択されたいずれかの材料、またはこれらの合金、またはこれらの窒化物もしくは酸化物である
半導体装置。
【請求項２】
前記金属侵入領域は、前記半導体層における侵入深さが６ｎｍ以上の領域に達して形成されている、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属は、前記導電層に比較して前記金属侵入領域に多く存在する、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属侵入領域における前記金属の濃度は、モル分率１％以上１００％未満の範囲である、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属侵入領域におけるＧａの濃度は、前記金属侵入領域以外の前記半導体層におけるＧａの濃度より低い、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属侵入領域におけるＧａの濃度は、前記金属侵入領域以外の前記半導体層におけるＧａの濃度より５０％以上低い、
請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属であるＴｉは、前記半導体層に含まれるＮと化合してＴｉＮを構成している、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記拡散防止層を主に構成する材料がＡｕである、
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
基板と、
前記基板の上層に形成され、ＮおよびＧａを含むノンドープ半導体層と、
前記ノンドープ半導体層よりバンドギャップが大きく前記ノンドープ半導体層とヘテロ接合を形成する不純物がドープされたドープド半導体層と、
前記ノンドープ半導体層と前記ドープド半導体層とのヘテロ接合界面に形成されたチャネル領域と、
前記ドープド半導体層とショットキー接続されるゲート電極と、
前記ドープド半導体層とオーミック接続され、主成分がＡｌであるソース電極およびドレイン電極と、
前記ドープド半導体層と前記ソース電極および前記ドレイン電極との界面に金属が分布して存在する金属分布領域と、
前記ドープド半導体層に前記金属の原子が侵入して存在する金属侵入領域と、
前記ソース電極およびドレイン電極の上層に形成され、前記ソース電極およびドレイン電極の酸化を防止する導電性のキャップ層と、
前記ソース電極およびドレイン電極と前記キャップ層との間に形成された導電性の中間層と、
を備え、
前記金属分布領域および前記金属侵入領域が、前記ドープド半導体層の上層に、前記金属を主成分とする金属層、前記金属の拡散を防止するとともに前記ソース電極および前記ドレイン電極を構成する材料の融点より高い融点を有する拡散防止層、および、前記ソース電極および前記ドレイン電極を順次形成し、前記金属層、前記拡散防止層および前記ソース電極および前記ドレイン電極を熱処理することにより形成されたものであり、
前記金属侵入領域が、前記ドープド半導体層における前記界面と平行な面内において不均一に形成され、
前記ドープド半導体層には、Ｇａと置換して混晶を構成するＡｌが含まれ、前記ドープド半導体層における前記金属侵入領域を囲んでＡｌが存在し、
前記金属がＴｉであり、
前記拡散防止層を主に構成する材料が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、ＣｒおよびＮｂから選択されたいずれかの材料、またはこれらの合金、またはこれらの窒化物もしくは酸化物である
高キャリア移動度トランジスタ。
【請求項１０】
前記金属侵入領域が前記チャネル領域に達して形成されている、
請求項９に記載の高キャリア移動度トランジスタ。
【請求項１１】
ＮおよびＧａを含む第１伝導型の第１半導体層と、
前記第１半導体層と第１へテロ接合を形成し、キャリアの再結合による放射光を発生する、ＮおよびＧａを含む第１伝導型の第２半導体層と、
前記第２半導体層と第２ヘテロ接合を形成する、ＮおよびＧａを含む第２伝導型の第３半導体層と、
前記第１半導体層または前記第３半導体層とオーミック接続され、主成分がＡｌである電極と、
前記第１半導体層または前記第３半導体層と前記電極との界面に金属が分布して存在する金属分布領域と、
前記第１半導体層または前記第３半導体層に前記金属の原子が侵入して存在する金属侵入領域と、
前記電極の上層に形成され、前記電極の酸化を防止する導電性のキャップ層と、
前記電極と前記キャップ層との間に形成された導電性の中間層と、
を備え、
前記金属分布領域および前記金属侵入領域が、前記第１半導体層または前記第３半導体層の上層に、前記金属を主成分とする金属層、前記金属の拡散を防止するとともに前記電極を構成する材料の融点より高い融点を有する拡散防止層、および、前記電極を順次形成し、前記金属層、前記拡散防止層および前記電極を熱処理することにより形成されたものであり、
前記金属侵入領域が、前記第１半導体層または前記第３半導体層における前記界面と平行な面内において不均一に形成され、
前記第１半導体層または前記第３半導体層には、Ｇａと置換して混晶を構成するＡｌが含まれ、前記第１半導体層または前記第３半導体層における前記金属侵入領域を囲んでＡｌが存在し、
前記金属がＴｉであり、
前記拡散防止層を主に構成する材料が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、ＣｒおよびＮｂから選択されたいずれかの材料、またはこれらの合金、またはこれらの窒化物もしくは酸化物である
発光装置。
【請求項１２】
前記金属侵入領域が前記第１へテロ接合または前記第２へテロ接合の界面に達して形成されている、
請求項１１に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法、高キャリア移動度トランジスタおよび発光装置に関する。特に、本発明は、半導体層にオーミック接続される電極の接触抵抗を低減する半導体装置、半導体装置の製造方法、高キャリア移動度トランジスタおよび発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば非特許文献１は、ＡｌＧａＮおよびＧａＮの半導体構造を有する電界効果トランジスタにおいて、金属電極のコンタクト抵抗を低減する金属膜組成、金属膜厚およびアニールの条件を開示する。当該文献によれば、金属膜組成としてＴｉ、Ａｌ、ＮｉおよびＡｕの積層構造を採用して、各層の膜厚を各々３０ｎｍ、１８０ｎｍ、４０ｎｍおよび１５０ｎｍとする。そして、窒素ガス雰囲気におけるＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）処理を９００℃、３０秒の条件で実行することにより、７．３×１０−７Ωｃｍ２の特性接触抵抗が得られたと報告している。
【非特許文献１】Ｂ．Ｊａｃｏｂ他著、「Ｏｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ  ｏｈｍｉｃ  ｃｏｎｔａｃｔ  ｏｎ  ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＦＥＴ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ、２４１巻、２００２年、Ｐ１５−１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記文献に開示の技術によれば、金属コンタクトの構造およびＲＴＡの処理条件を最適化することにより接触抵抗の低減を実現できる。しかし、同文献にも開示の通り、最適条件からずれると接触抵抗は著しく増大する。同文献は、あくまでも接触抵抗低減を中心観点とした金属コンタクトの特定条件下における最適化条件を開示しているに過ぎない。製造条件に敏感でない金属コンタクトの接触抵抗低減技術の提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、ＮおよびＧａを含む半導体層と、半導体層にオーミック接続される導電層と、半導体層と導電層との界面に金属が分布して存在する金属分布領域と、半導体層に金属の原子が侵入して存在する金属侵入領域と、を備える半導体装置を提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００７】
図１は、本実施形態の半導体装置１００の一部断面を示す。本実施形態の半導体装置１００はたとえばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であってよく、図１に示す断面は、たとえばＦＥＴのソースあるいはドレインのコンタクト部分を示す。半導体装置１００は、基板１０２、第１半導体層１０４、第２半導体層１０６、導電層１０８、金属分布領域１１０および金属侵入領域１１２を備える。
【０００８】
基板１０２は、たとえば単結晶Ａｌ２Ｏ３（サファイア）、ＳｉＣ、Ｓｉ等であってよく、これら単結晶Ａｌ２Ｏ３等の表面にＧａＮ単結晶のエピタキシャル成長層を含んでもよい。エピタキシャル成長法として、たとえば有機金属気相成長法、分子線エピタキシャル成長法を例示できる。
【０００９】
第１半導体層１０４および第２半導体層１０６は、ＮおよびＧａを含む半導体層の一例である。第１半導体層１０４および第２半導体層１０６の界面は、ＮおよびＧａを含む半導体のヘテロ接合界面の一例である。第１半導体層１０４および第２半導体層１０６には、Ｇａと置換して混晶を構成する３族元素、たとえばＡｌが含まれてもよい。具体的には、第１半導体層１０４および第２半導体層１０６として、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表される半導体層が挙げられる。第１半導体層１０４として、たとえばＧａＮ層（上式でｘ＝０）が例示できる。第２半導体層１０６として、たとえばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）層が例示できる。
【００１０】
ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層は、たとえば有機金属気相成長法または分子線エピタキシャル成長法等のエピタキシャル成長法により形成できる。ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層は、不純物が導入されない真性半導体層であってよく、Ｐ型またはＮ型の伝導型となる不純物が導入されてもよい。
【００１１】
導電層１０８は、第２半導体層１０６にオーミック接続される。導電層１０８は、半導体装置１００のオーミックコンタクト電極として機能する。また、導電層１０８は、金属侵入領域１１２を介して第１半導体層１０４にオーミック接続されてもよい。導電層１０８の主成分としてＡｌを例示できる。導電層１０８は、たとえば金属のスパッタリングあるいは蒸着による膜形成とフォトリソグラフィ法を用いたパターニングにより形成できる。
【００１２】
導電層１０８は、たとえばＡｌの単一層であってもよく、複数の材料が積層された多層積層構造であってもよい。たとえば導電層１０８の上層に、導電性の中間層およびキャップ層が形成されてもよい。中間層は、導電層１０８とキャップ層との間の接着層または相溶防止層として、キャップ層は導電層１０８の酸化防止層またはボールアップ防止層として機能させることができる。中間層として、Ｎｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐｔ、ＭｏあるいはＡｕを例示できる。キャップ層として、Ｎｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐｔ、ＭｏあるいはＡｕを例示できる。
【００１３】
金属分布領域１１０は、第２半導体層１０６と導電層１０８との界面に存在して、金属分布領域１１０には、金属が均一に分布して存在する。金属分布領域１１０に分布する金属として、Ｔｉが例示できる。なお、金属分布領域１１０に分布する金属は、金属分布領域１１０にだけ存在するわけではなく、導電層１０８にも存在してよい。
【００１４】
金属侵入領域１１２は、少なくとも第２半導体層１０６に存在して、金属侵入領域１１２には、金属分布領域１１０に分布する金属と同種の金属の原子が侵入して存在する。金属侵入領域１１２は、第２半導体層１０６を貫通して第１半導体層１０４にも存在してよい。なお、図１において金属侵入領域１１２の断面形状を擬似的に円形で表示するが、円形には限られない。
【００１５】
本実施形態の半導体装置１００では、半導体層である第２半導体層１０６に金属侵入領域１１２が形成されるので、オーミックコンタクト電極として機能する導電層１０８のコンタクト抵抗を低減できる。当該コンタクト抵抗の低減効果は、金属侵入領域１１２の形成という物理的な性状によって得られるものであり、製造プロセス条件の最適化等によって得られる効果を超越する。
【００１６】
金属侵入領域１１２に侵入する金属としてＴｉを例示できる。Ｔｉは、第１半導体層１０４または第２半導体層１０６に含まれるＮと化合してＴｉＮを構成してもよい。ＴｉＮは仕事関数が小さいから、金属侵入領域１１２内のＴｉがＴｉＮを構成することにより、金属と半導体の間の障壁を低減して、さらにコンタクト抵抗を低減できる。
【００１７】
金属侵入領域１１２は、半導体層である第２半導体層１０６における界面と平行な面内において不均一に形成されている。これにより、金属侵入領域１１２と第１半導体層１０４または第２半導体層１０６との接触面積が大きくなり、コンタクト抵抗を低減できる。また、金属侵入領域１１２は、第２半導体層１０６における侵入深さが６ｎｍ以上の領域に達して形成されている。これにより、金属侵入領域１１２の半導体層内における接触面積を増大して、コンタクト抵抗を低減できる。
【００１８】
金属侵入領域１１２は、第１半導体層１０４と第２半導体層１０６との接合界面つまりヘテロ接合界面に達して形成されてもよい。当該ヘテロ接合界面に２次元電子ガスを形成してチャネルとする高電子移動度トランジスタのようなデバイスに適用すれば、導電層１０８とチャネル領域との間を低抵抗の金属侵入領域１１２で接続できる。その結果、導電層１０８からチャネル領域に至る経路の抵抗を低減できる。
【００１９】
金属侵入領域１１２は、当該ヘテロ接合界面に達しない半導体層の領域つまり第２半導体層１０６に形成されてもよい。たとえば複数のヘテロ接合によって量子井戸を形成する場合に、当該量子井戸内での侵入金属によるキャリアの散乱を抑制できる。
【００２０】
金属侵入領域１１２に侵入する金属は、導電層１０８に比較して金属侵入領域１１２に多く存在してよい。また、金属侵入領域１１２における金属の濃度は、モル分率１％以上１００％未満の範囲であってよい。金属侵入領域１１２におけるＧａの濃度は、金属侵入領域１１２以外の第１半導体層１０４および第２半導体層１０６におけるＧａの濃度より低くてよく、たとえば５０％以上低く形成されてよい。金属侵入領域１１２は、その周囲に３族元素たとえばＡｌが存在してよい。つまり第１半導体層１０４および第２半導体層１０６おいて金属侵入領域１１２を囲んで３族元素たとえばＡｌが存在してよい。
【００２１】
これら金属侵入領域１１２の特徴的な性状は、金属分布領域１１０および金属侵入領域１１２が以下のような方法によって形成されることにより得られる。すなわち、第１半導体層１０４および第２半導体層１０６の上層に金属（たとえばＴｉ）を主成分とする金属層を形成する。当該金属層を構成する金属（たとえばＴｉ）の拡散を防止する拡散防止層を形成する。さらに導電層１０８を形成して、金属層、拡散防止層および導電層１０８を熱処理することにより金属分布領域１１０および金属侵入領域１１２が形成される。拡散防止層を構成する材料は、導電層１０８を構成する材料たとえばＡｌの融点より高い融点を有することができる。
【００２２】
図２〜図６は、半導体装置１００の製造工程における断面の一例を示す。図２に示すように、たとえばサファイアで例示される基板１０２上に、たとえばＧａＮで例示される第１半導体層１０４を形成した後に、さらにたとえばＡｌＧａＮで例示される第２半導体層１０６を形成する。第１半導体層１０４および第２半導体層１０６は、有機金属気相成長法、分子線エピタキシャル成長法等のエピタキシャル成長法により形成できる。第１半導体層１０４の膜厚としてたとえば２μｍが、第２半導体層１０６の膜厚として３０ｎｍが例示できる。第１半導体層１０４および第２半導体層１０６には、半導体装置１００のデバイス構成に応じて、適宜ドナーまたはアクセプタとなる不純物を導入できる。
【００２３】
図３に示すように、第２半導体層１０６の上面にパターニングされたレジスト膜１２０を形成する。レジスト膜１２０は、第２半導体層１０６上の全面にレジストを塗布して、導電層１０８を形成する領域に開口が形成されるようフォトリソグラフィによりパターニングする。なお、導電層１０８を形成するためのレジスト膜１２０の形成前に、半導体装置１００のデバイス構成に応じたプロセスを完了できる。たとえばＦＥＴのソース領域およびドレイン領域への不純物のイオン打ち込みおよびアニール、ゲート電極の形成等のプロセスを完了してよい。
【００２４】
図４に示すように、レジスト膜１２０を形成した第２半導体層１０６の上面に、金属層１３０、拡散防止層１３２、導電層１３４、中間層１３６およびキャップ層１３８を順次形成する。金属層１３０、拡散防止層１３２、導電層１３４、中間層１３６およびキャップ層１３８は、たとえば蒸着法、スパッタリング法その他の金属薄膜堆積法により形成できる。金属層１３０は、金属分布領域１１０および金属侵入領域１１２を形成する金属を含む。拡散防止層１３２は、金属層１３０を構成する金属の拡散を防止する。導電層１３４は、加工されて導電層１０８になる。
【００２５】
金属層１３０を主に構成する金属としてＴｉが例示でき、Ｔｉ層の膜厚として２０ｎｍが例示できる。導電層１３４を主に構成する材料としてＡｌが例示でき、Ａｌ層の膜厚として１８０ｎｍが例示できる。中間層１３６を主に構成する金属としてＮｉが例示でき、Ｎｉ層の膜厚として２５ｎｍが例示できる。キャップ層１３８を主に構成する金属としてＡｕが例示でき、Ａｕ膜の膜厚として３０ｎｍが例示できる。なお、中間層１３６およびキャップ層１３８を構成する材料として、他にＴａ、Ｎｂ、Ｗ、ＰｔまたはＭｏを適用できる。
【００２６】
拡散防止層１３２を構成する材料は、導電層１３４を構成する材料の融点より高い融点を有する。拡散防止層１３２が導電層１３４より高い融点を有するので、導電層１３４が溶融する状態においても金属層１３０を構成する金属の導電層１３４への拡散を防止できる。拡散防止層１３２を主に構成する材料としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｐｔ、ＰｄおよびＳｉが例示できるが、前記例示した金属のうちＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ 、Ｐｄ、Ｓｉが好ましい。拡散防止層１３２を主に構成する材料としてさらにＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｉがより好ましく、特にＡｕが好ましい。
【００２７】
拡散防止層１３２は、前記例示したＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｐｔ、ＰｄおよびＳｉから選択されたいずれかの材料、またはこれらの合金、またはこれらの窒化物もしくは酸化物であってよい。これらの中でも、何れかの金属、またはこれらの合金が好ましい。拡散防止層１３２は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上２００ｎｍ以下、さらに好ましくは２５ｎｍ以上８０ｎｍ以下の膜厚で形成できる。
【００２８】
図５に示すように、たとえばレジスト膜１２０を剥離して、パターニングされた金属層１４０、拡散防止層１４２、導電層１４４、中間層１４６およびキャップ層１４８を形成する。ここではレジスト膜１２０を剥離することによるリフトオフ法によるパターニングを例示するが、ドライエッチング等によってパターニングを実行してもよい。
【００２９】
図６に示すように、金属層１４０、拡散防止層１４２、導電層１４４、中間層１４６およびキャップ層１４８の形成後に、たとえばＲＴＡによる熱処理を施す。当該熱処理により、金属層１４０は溶融または軟化して、金属層１４０を構成する金属は、第１半導体層１０４および第２半導体層１０６に拡散する。一方、金属層１４０の上層には拡散防止層１４２が存在するので、導電層１４４の方向への金属層１４０を構成する金属の拡散は抑制される。そのため金属層１４０を構成する金属は、より強い濃度勾配を受けて第１半導体層１０４および第２半導体層１０６の方向に拡散する。この結果、金属分布領域１１０および金属侵入領域１１２が形成される。
【００３０】
上記熱処理によって、導電層１４４も溶融または軟化して、拡散防止層１４２、中間層１４６およびキャップ層１４８が原形を止めないほどに融合される場合がある。このような場合、熱処理の結果形成される導電層１０８は、導電層１４４を構成する元素に加えて、これら拡散防止層１４２、中間層１４６およびキャップ層１４８を構成する元素を含んで形成されることになる。なお、中間層１４６およびキャップ層１４８を形成しない場合も本実施形態の半導体装置１００を構成することは可能であり、このような場合には熱処理の結果形成された導電層１０８に中間層１４６およびキャップ層１４８を構成する元素を含まないことは言うまでもない。
【００３１】
熱処理は、６５０℃以上９００℃以下の温度範囲で実行でき、７５０℃以上９００℃以下の温度範囲が好ましく、７９０℃以上８７０℃以下の温度範囲がさらに好ましい。本実施形態における熱処理の条件として、窒素雰囲気、熱処理温度８００℃、処理時間３０秒が例示できる。以上のような処理により、図１に示すコンタクト部分を有する半導体装置１００が製造できる。
【００３２】
表１は、上記のようにして製造した半導体装置１００におけるコンタクト部分の接触抵抗の評価結果を示す。実施例１〜４において、拡散防止層１４２（拡散防止層１３２）であるＡｕ層の膜厚を変化させて、接触抵抗を評価した。また、各実施例におけるコンタクト部分の断面を、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）およびＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）で観察して、金属侵入領域１１２の大きさをＴｉ進入深さとして評価した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
実施例１〜４において、金属層１４０（金属層１３０）であるＴｉ層の膜厚を２０ｎｍ、導電層１４４（導電層１３４）であるＡｌ層の膜厚を１８０ｎｍとした。また実施例１〜４において、中間層１４６（中間層１３６）であるＮｉ層の膜厚を２５ｎｍ、キャップ層１４８（キャップ層１３８）であるＡｕ層の膜厚を３０ｎｍとした。拡散防止層１４２（拡散防止層１３２）であるＡｕ層の膜厚は、実施例１では６０ｎｍ、実施例２では３０ｎｍ、実施例３では２０ｎｍ、実施例４では１０ｎｍとした。熱処理は、何れの実施例においても、窒素雰囲気、８００℃、３０秒の条件におけるＲＴＡ処理とした。
【００３５】
接触抵抗として、ＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｉｎｅ  Ｍｏｄｅｌ）法による特性接触抵抗を２端子プロービングにより評価した。Ｔｉ進入深さは、ＴＥＭによる断面観察および同視野でのＥＤＸによるＴｉプロファイルの観察から、Ｔｉ濃度の高い領域を金属侵入領域１１２として特定して、当該金属侵入領域１１２の深さ方向への到達距離として評価した。また、比較例１として、拡散防止層１４２（拡散防止層１３２）を備えないものを作成して、実施例と同様に評価した。
【００３６】
図７は、表１に示す特性接触抵抗およびＴｉ進入深さをＡｕ膜厚の関数として示す。特性接触抵抗は対数で示す。図７において、黒四角のプロットは、対数特性接触抵抗の実測値を示しており、黒丸のプロットは、Ｔｉ侵入深さの実測値を示している。×印は比較例１の特性接触抵抗値を示している。実線２０２および実線２０４は対数特性接触抵抗の実験直線を示しており、破線２０６はＴｉ侵入深さの実験曲線を示す。
【００３７】
図７より、拡散防止層１４２（拡散防止層１３２）であるＡｕ層の膜厚が大きいほど、特性接触抵抗が低下していることがわかる。また、Ａｕ膜厚が大きいほど、Ｔｉ進入深さが大きくなることがわかる。当該結果は、拡散防止層１４２（拡散防止層１３２）の接触抵抗低下に対する効果を直接示しており、Ｔｉ進入深さが大きいほど特性接触抵抗が低下することを示している。
【００３８】
また、図７の結果は、１０ｎｍ程度のＡｕ膜厚で、比較例１の半分程度の接触抵抗に低減できることを示しており、Ａｕ膜厚が１０ｎｍ以上で大きな接触抵抗低減効果が得られていることを示している。なお、実線２０２および実線２０４の実験直線は、Ａｕ膜厚が２０〜３０ｎｍの範囲にあるとき対数特性接触抵抗の変曲点が存在することを示している。これは、接触抵抗低減のメカニズムが変化していることを示唆していると考えられる。同様の示唆は、破線２０６の実験曲線がＡｕ膜厚３０ｎｍ付近を境に変曲していることからも読み取れる。すなわち、６０ｎｍを大きく超えてＡｕ膜厚を増加させたとしても大きな接触抵抗の低減効果が望み難くなることを示唆している。
【００３９】
以上のことから、接触抵抗低減の効果を得るには、拡散防止層１４２（拡散防止層１３２）であるＡｕ層の膜厚を１０ｎｍ以上好ましくは２５ｎｍ以上とするのがよく、Ａｕ膜厚の上限値は、加工容易性を考慮して５００ｎｍ以下とするのが好ましい。Ａｕ膜厚が３０ｎｍ以上になると接触抵抗低減の効果が減退すること、および加工容易性をさらに考慮して、Ａｕ膜厚の上限値は２００ｎｍ以下あるいは８０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。
【００４０】
表２は、熱処理温度以外の半導体装置１００の製造条件を実施例２と同様にした半導体装置１００におけるコンタクト部分の接触抵抗の評価結果を示す。実施例５、実施例６および実施例７の各熱処理温度は、７５０℃、８５０℃、９００℃とした。
【００４１】
【表２】
0005357457.tif 000003
【００４２】
図８は、実施例２および実施例５〜７の特性接触抵抗を熱処理温度の関数として示す。黒丸のプロットは実測値を、実線は実験曲線を示す。図８より、特性接触抵抗を小さくする最適の熱処理温度があることがわかる。熱処理温度は、７５０℃以上９００℃以下の温度範囲が好ましく、７９０℃以上８７０℃以下の温度範囲がさらに好ましい。
【００４３】
【表３】
0005357457.tif 000004
【００４４】
表３は、半導体装置１００におけるコンタクト部分の接触抵抗の評価結果およびＴｉ進入深さを示す。表３において、実施例８は、Ａｌ組成０．４６５のＡｌＧａＮ層を形成した基板（ＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板）を用いて実施例１と同様の製造条件により作成した半導体装置１００の例である。ＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板は、例えばＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社のＡｌＧａＮ／ＧａＮエピウエハ（製品名）として入手することができる。
【００４５】
表３において、実施例９は、Ａｌ組成０．２４のＡｌＧａＮ層を形成した基板（ＨＥＭＴエピタキシャル基板）を用いて実施例１と同様の製造条件により作成した半導体装置１００の例である。表３において、実施例１０は、Ａｌ組成がゼロのエピタキシャル基板を用いて実施例１と同様の製造条件により作成した半導体装置１００の例である。実施例１０のエピタキシャル基板は、ｎ型の伝導型にした。ｎ型を与えるＳｉの濃度は２．０×１０１８ｃｍ−３に制御した。
【００４６】
接触抵抗として、ＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｉｎｅ  Ｍｏｄｅｌ）法による特性接触抵抗を４端子プロービングにより評価した。Ｔｉ進入深さは、ＴＥＭによる断面観察および同視野でのＥＤＸによるＴｉプロファイルの観察から、Ｔｉ濃度の高い領域を金属侵入領域１１２として特定して、当該金属侵入領域１１２の深さ方向への到達距離を評価した。
【００４７】
比較例２として、Ａｌ組成０．４６５のＡｌＧａＮ層を形成した基板（ＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板）を用いて表１の比較例１と同様の製造条件により半導体装置を作成した。比較例３として、Ａｌ組成がゼロのエピタキシャル基板を用いて表１の比較例１と同様の製造条件により半導体装置を作成した。比較例３のエピタキシャル基板は、実施例１０と同様にｎ型の伝導型にした。比較例２および比較例３を、実施例８〜１０と同様に評価した。
【００４８】
Ａｌ組成０．３５以上のＡｌＧａＮ層を形成した基板（ＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板）はワイドバンドギャップが実現されることから実用上有利な基板として期待されるが、接触抵抗が大きくなることが予想される。しかし、本実施形態の技術を用いれば、表３の実施例８に示すとおり、Ａｌ組成０．３５以上のＡｌＧａＮ層を形成した基板（ＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板）を用いても、実施例９に示すＡｌ組成が０．２４程度の従前の半導体装置１００と同程度の抵抗値に低減できる。さらにＡｌ組成の大きいＡｌＧａＮ層を形成した基板（ＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板）を用いた場合でも、Ａｌ組成が０．２４程度の従前の半導体装置１００と同程度の抵抗値に低減できることが期待できる。すなわち、本実施形態の技術は、ワイドバンドギャップと、コンタクト抵抗の低いオーミック接続との双方を実現することができる。
【００４９】
また、Ａｌ組成が各々０．４６５、０．２４、０の実施例８および比較例２、実施例１および比較例１、実施例１０および比較例３の各特性接触抵抗の比較結果から、以下の事項が考察できる。すなわち、Ａｌ組成が０．４６５の実施例８と比較例２とを比較すれば、実施例８の接触抵抗は比較例２の接触抵抗よりも１０−２倍程度小さく、Ａｌ組成が０．２４の実施例１と比較例１とを比較すると、実施例１の接触抵抗は比較例１の接触抵抗より１０−１倍程度小さい。さらにＡｌ組成がゼロのＡｌＧａＮ層を形成しないＨＥＭＴ用エピタキシャル基板を用いた実施例１０と比較例３とを比較すると、実施例１０の接触抵抗は比較例３の接触抵抗よりも０．８倍程度小さい。
【００５０】
上記の結果は、何れのＡｌ組成のＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板を用いた場合でも、本実施形態の技術の適用により接触抵抗が小さくなったことを示すとともに、Ａｌ組成が大きくなるに従い、本実施形態の技術による効果が大きくなることを示している。すなわち、Ａｌ組成が０、０．２４、０．４６５と大きくなるに従い、本実施形態の技術を適用する実施例と比較例との接触抵抗の減少度合いは０．８倍、０．１倍、０．０１倍と大きくなり、Ａｌ組成が０．４６５を超えてさらに大きくなった場合にも、接触抵抗の減少の度合いがさらに大きくなることが期待できる。
【００５１】
図９は、実施例２の製造条件による半導体装置１００のコンタクト部分を観察したＴＥＭ像を示す。第１半導体層１０４と第２半導体層１０６の境界が判読し難いので同一領域として符号を付しているが、第１半導体層１０４の上層に第２半導体層１０６が形成されている。第２半導体層１０６の上層には導電層１０８が形成されている。第２半導体層１０６と導電層１０８との境界には界面ＩＦが形成される。
【００５２】
図１０は、図９のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＴｉマッピング像を示す。Ｔｉ濃度が大きいほど白く表示される。図９から、第２半導体層１０６と導電層１０８との界面ＩＦに白く表示される領域、すなわち金属分布領域１１０が形成されていることがわかる。また、第１半導体層１０４および第２半導体層１０６の領域に白く表示される円形の領域、すなわち金属侵入領域１１２が形成されていることがわかる。図１０に示すように金属侵入領域１１２は界面ＩＦが属する平面において不均一に形成されている。
【００５３】
図１１は、図９のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＧａマッピング像を示す。Ｇａ濃度が大きいほど白く表示される。図１１から、金属侵入領域１１２が形成されている領域のＧａ濃度が低下していることがわかる。本実施例２における金属侵入領域１１２でのＧａ濃度の低下は、金属侵入領域１１２ではない領域と比較して１０〜４３％に低下していると測定される。
【００５４】
図１２は、図９のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＡｌマッピング像を示す。Ａｌ濃度が大きいほど白く表示される。図１２から、金属侵入領域１１２の周囲がＡｌによって囲まれていることがわかる。
【００５５】
図１３は、比較例１におけるＴＥＭ像を示す。図１３において第１半導体層１０４と第２半導体層１０６との境界が判別できるので符号を分けて表示した。図９と同様に、第２半導体層１０６の上層に導電層１０８が形成され、第２半導体層１０６と導電層１０８との境界には界面ＩＦが形成されている。
【００５６】
図１４は、図１３のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＴｉマッピング像を示す。Ｔｉ濃度が大きいほど白く表示される。比較例１においては、図１０に示すような金属侵入領域１１２が形成されていないことがわかる。このことからも接触抵抗の低減は、金属侵入領域１１２が形成されることに起因することが強く支持される。なお、比較例１におけるＴｉの進入深さは５ｎｍ以下と観測される。
【００５７】
また図１４に示すように、比較例１においては、Ｔｉ濃度の高い領域は導電層１０８に形成されている。一方図１０に示すように、実施例２においては、Ｔｉ濃度の高い領域は導電層１０８ではなく第１半導体層１０４および第２半導体層１０６に形成されている。すなわち、実施例２においては、Ｔｉは導電層１０８より第１半導体層１０４および第２半導体層１０６に多く存在する。図１４および図１０を対比すれば、拡散防止層１４２（拡散防止層１３２）であるＡｕ層の存在により、Ｔｉの導電層１０８への拡散が抑制される一方、Ｔｉの第１半導体層１０４および第２半導体層１０６への注入が発生していることがわかる。
【００５８】
図１５は、図１３のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＧａマッピング像を示す。Ｇａ濃度が大きいほど白く表示される。また、図１６は、図１３のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＡｌマッピング像を示す。Ａｌ濃度が大きいほど白く表示される。図１５および図１６においては、図１１および図１２に示されたような金属侵入領域１１２に特徴的な元素プロファイルは何ら表示されていないことがわかる。
【００５９】
以上説明した本実施形態の半導体装置１００によれば、導電層１０８下部の半導体層とのコンタクト部分に、金属分布領域１１０および金属侵入領域１１２が形成される。これにより、コンタクト部分の接触抵抗が著しく低減される。なお、当該効果は金属侵入領域１１２という特徴的な導電領域が半導体と導電層（電極）との界面に形成されることによって得られるものであり、熱処理条件等を最適化することによってさらに接触抵抗を低減できる可能性を含むことは言うまでもない。
【００６０】
図１７は、本実施形態の半導体装置１００の一例としての発光装置３００を示す。発光装置３００は、第１半導体層３０２、第２半導体層３０４、第３半導体層３０６、電極３０８、金属分布領域３１０、金属侵入領域３１２、透明電極３１４およびコンタクトパッド３１６を備える。
【００６１】
第１半導体層３０２は、ＮおよびＧａを含むたとえば第１伝導型としてｎ型の半導体層であってよく、第２半導体層３０４は、第１半導体層３０２と第１へテロ接合を形成する、ＮおよびＧａを含むたとえばｎ型の半導体層であってよい。第２半導体層３０４は、キャリアの再結合による放射光を発生する。第３半導体層３０６は、第２半導体層３０４と第２ヘテロ接合を形成する、ＮおよびＧａを含むたとえば第２伝導型としてｐ型の半導体層であってよい。
【００６２】
電極３０８は、第１半導体層３０２とオーミック接続される。金属分布領域３１０は、第１半導体層３０２と電極３０８との界面に金属たとえばＴｉが分布して存在する。金属侵入領域３１２は、第１半導体層３０２に金属たとえばＴｉが侵入して存在する。透明電極３１４は、第３半導体層３０６に接して形成され、コンタクトパッド３１６は透明電極３１４にコンタクトする。
【００６３】
発光装置３００は、電極３０８と透明電極３１４との間に電流を流すことにより、第２半導体層３０４でキャリアの再結合を生じ、これにより発光する。発光装置３００において、電極３０８と第１半導体層３０２との間には、金属分布領域３１０および金属侵入領域３１２が形成されている。このため、オーミックコンタクトの接触抵抗を低減できる。発光装置３００においては、消費電力の低減、発熱量の低減、発光効率の向上が求められており、接触抵抗の低減によってこれら要求を満足できる効果が期待できる。
【００６４】
なお、透明電極３１４に代えて、電極３０８と同様の電極を構成できる。すなわち、透明電極３１４に代える電極が第３半導体層３０６とオーミック接続されてもよく、透明電極３１４に代える電極と第３半導体層３０６との界面に金属分布領域が形成されてもよい。そして第３半導体層３０６にたとえばＴｉを侵入させて金属侵入領域を形成してもよい。また、金属侵入領域３１２は、第１へテロ接合または第２へテロ接合の界面に達して形成されてもよい。
【００６５】
図１８は、本実施形態の半導体装置１００の一例としての高キャリア移動度トランジスタ４００を示す。高キャリア移動度トランジスタ４００は、基板４０２と、バッファ層４０４と、基板４０２の上層に形成されＮおよびＧａを含むノンドープ半導体層４０６と、ノンドープ半導体層４０６よりバンドギャップが大きくノンドープ半導体層４０６とヘテロ接合を形成する不純物がドープされたドープド半導体層４０８と、ノンドープ半導体層４０６とドープド半導体層４０８とのヘテロ接合界面に形成されたチャネル領域４１０と、ドープド半導体層４０８とショットキー接続されるゲート電極４２４と、ドープド半導体層４０８とオーミック接続されるソース電極４１２と、ドープド半導体層４０８とオーミック接続されるドレイン電極４１８と、ドープド半導体層４０８とソース電極４１２との界面に金属が分布して存在する金属分布領域４１４と、ドープド半導体層に金属の原子が侵入して存在する金属侵入領域４１６と、ドープド半導体層４０８とドレイン電極４１８との界面に金属が分布して存在する金属分布領域４２０と、ドープド半導体層４０８に金属の原子が侵入して存在する金属侵入領域４２２と、を備える。
【００６６】
高キャリア移動度トランジスタ４００によれば、ソース電極４１２とドープド半導体層４０８との界面に金属分布領域４１４および金属侵入領域４１６が形成される。そして、ドレイン電極４１８とドープド半導体層４０８との界面に金属分布領域４２０および金属侵入領域４２２が形成される。この結果、ソースドレイン間のオン抵抗を低減できる。高周波領域で動作する高キャリア移動度トランジスタ４００において、オン抵抗の低減は高周波動作を確保する上で特に効果が大きい。なお、金属侵入領域４１６、金属侵入領域４２２は、チャネル領域４１０に達して形成されてよい。
【００６７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本実施形態の半導体装置１００の一部断面を示す。
【図２】半導体装置１００の製造工程における断面の一例を示す。
【図３】半導体装置１００の製造工程における断面の一例を示す。
【図４】半導体装置１００の製造工程における断面の一例を示す。
【図５】半導体装置１００の製造工程における断面の一例を示す。
【図６】半導体装置１００の製造工程における断面の一例を示す。
【図７】表１に示す特性接触抵抗およびＴｉ進入深さをＡｕ膜厚の関数として示す。
【図８】実施例２および実施例５〜７の特性接触抵抗を熱処理温度の関数として示す。
【図９】実施例２の製造条件による半導体装置１００のコンタクト部分を観察したＴＥＭ像を示す。
【図１０】図９のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＴｉマッピング像を示す。
【図１１】図９のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＧａマッピング像を示す。
【図１２】図９のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＡｌマッピング像を示す。
【図１３】比較例１におけるＴＥＭ像を示す。
【図１４】図１３のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＴｉマッピング像を示す。
【図１５】図１３のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＧａマッピング像を示す。
【図１６】図１３のＴＥＭ像と同一視野でのＥＤＸによるＡｌマッピング像を示す。
【図１７】本実施形態の半導体装置１００の一例としての発光装置３００を示す。
【図１８】本実施形態の半導体装置１００の一例としての高キャリア移動度トランジスタ４００を示す。
【符号の説明】
【００６９】
１００  半導体装置
１０２  基板
１０４  第１半導体層
１０６  第２半導体層
１０８  導電層
１１０  金属分布領域
１１２  金属侵入領域
１２０  レジスト膜
１３０  金属層
１３２  拡散防止層
１３４  導電層
１３６  中間層
１３８  キャップ層
１４０  金属層
１４２  拡散防止層
１４４  導電層
１４６  中間層
１４８  キャップ層
３００  発光装置
３０２  第１半導体層
３０４  第２半導体層
３０６  第３半導体層
３０８  電極
３１０  金属分布領域
３１２  金属侵入領域
３１４  透明電極
３１６  コンタクトパッド
４００  高キャリア移動度トランジスタ
４０２  基板
４０４  バッファ層
４０６  ノンドープ半導体層
４０８  ドープド半導体層
４１０  チャネル領域
４１２  ソース電極
４１４  金属分布領域
４１６  金属侵入領域
４１８  ドレイン電極
４２０  金属分布領域
４２２  金属侵入領域
４２４  ゲート電極
【図１】
0005357457.tif 000005
【図２】
0005357457.tif 000006
【図３】
0005357457.tif 000007
【図４】
0005357457.tif 000008
【図５】
0005357457.tif 000009
【図６】
0005357457.tif 000010
【図７】
0005357457.tif 000011
【図８】
0005357457.tif 000012
【図１７】
0005357457.tif 000013
【図１８】
0005357457.tif 000014
【図９】
0005357457.tif 000015
【図１０】
0005357457.tif 000016
【図１１】
0005357457.tif 000017
【図１２】
0005357457.tif 000018
【図１３】
0005357457.tif 000019
【図１４】
0005357457.tif 000020
【図１５】
0005357457.tif 000021
【図１６】
0005357457.tif 000022