(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層表面に電極を形成する方法において、前記電極はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に接する側から順に、第一の薄膜としてはアルミニウム、第二の薄膜としてはチタン、第三の薄膜としてはアルミニウムよりも高融点の金属が、それぞれ積層されたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を、一段目として２５０℃〜４００℃の温度下で保持した後、二段目として４００℃〜９００℃の温度下で保持し、かつ二段目は一段目よりも必ず温度が高いことを特徴としたｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層への電極形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はｎ型窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体素子の電極の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの窒化ガリウム（GａＮ）系化合物半導体は、組成を選択することでバンドギャップを広範囲に変化させることができ、特に他の組成で実現が困難である青系統の短波長発光を得ることが出来ることから、半導体発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子への応用が検討されている。また窒化ガリウム系化合物半導体は、高温での組成安定性に優れており、高温で動作可能なトランジスタなどの半導体材料として期待されている。
【０００３】
これらの窒化ガリウム系材料を用いた半導体素子のｎ型電極は、多層電極あるいは合金電極とｎ型ＧａＮコンタクト層により比較的低い接触抵抗のものが得られている。電極の例としては、ＴｉとＡｌの合金またはＴｉとＡｌの多層膜がある。図３に従来例１の電極構造の断面図を示す。ｎ型電極はｎ型ＧａＮコンタクト層１表面に、Ｔｉ層２とＡｌ層３を順に積層した構造になっている。この電極構造では電極蒸着後、４００℃以上の温度の熱処理で良好なオーミック特性が得られている。
【０００４】
また、従来例１の電極を改良した電極構造として、ｎ型ＧａＮコンタクト層１表面にＴｉ層２とＡｌ層３を順に積層した後、Ａｌよりも高融点の金属を積層した電極構造が提案されている。Ａｌよりも高融点の金属としては、Ａｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕが挙げられており、特にＡｕ、Ｔｉ、Ｎｉがよいとされている。
【０００５】
図４に従来例２のｎ型電極の構造を示す。図４において、ｎ型電極はｎ型ＧａＮコンタクト層１表面に順次積層されたＴｉ層２、Ａｌ層３、Ｎｉ層４、Ａｕ層５とからなっている。この場合も従来例１の場合と同じく、４００℃以上の温度の熱処理で良好なオーミック特性が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
我々の実験結果を以下に述べる。図６にｎ型電極構造の断面図を示す。ｎ型ＧａＮコンタクト層１表面にＴｉ層２、Ａｌ層３、Ａｕ層５の順で電極を積層した。その後４００℃以上で熱処理した。コンタクト特性（電流Ｉ−電圧Ｖ特性）を測定した結果を図９に示す。このようにオーミック特性を得ることは難しかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
従来の電極形成方法ではＧａＮコンタクト層１の上に、初めにＴｉ層２を蒸着している。その後Ａｌ層３、Ａｕ層５の順に蒸着している。我々の実験結果でオーミック特性が再現性良く得られなかった原因として以下のことを考えた。
【０００８】
酸化膜を除去する目的で前処理を行い、さらに蒸着は真空状態で行う。しかしながら、ＧａＮコンタクト層１表面とＴｉ層２の界面には、ある程度のＴｉの酸化物が生成する。熱処理工程後にＴｉ酸化物はこの界面に残留し、これによりオーミック特性が再現性良く得られることを難しくしている。図５に酸化物生成の標準自由エネルギーの絶対値｜△Ｇ｜と温度との関係を示す（Richard A. Swalin  "固体の熱力学",コロナ社（１９６５））。Ｔｉ酸化物とＡｌ酸化物の標準生成自由エネルギーの絶対値を比較した場合、０℃〜１０００℃の温度範囲でＴｉの酸化物の方が生成自由エネルギーは小さい。よってＴｉの酸化物の方が生成しやすい。すなわちｎ型ＧａＮコンタクト層１表面と接触する第一層をＡｌ層３とした方が、界面に残留する酸化物は減少する。
【０００９】
熱処理をするとＴｉとＡｌは合金化するので、従来、電極蒸着時の積層順は問題としていなかった。今回我々は上記考察から、この電極蒸着時の積層順について注目し鋭意検討した。すなわち、従来例ではＧａＮコンタクト層１表面の上にＴｉ層２を蒸着したが、本発明では初めにＡｌ層３を蒸着することにした。その後Ｔｉ層２、Ａｕ層５の順番で蒸着することにした。
【００１０】
本発明のｎ型電極の形成方法は、熱処理前の電極蒸着工程において、窒化ガリウム系化合物半導体のｎ型コンタクト層上にＡｌ層３、Ｔｉ層２、Ａｕ層５の順に積層し、さらに前記電極金属を形成した後、熱処理を行う。また前記熱処理温度は、９００℃未満であることを特徴とする。９００℃以上では、ＧａＮ系化合物半導体膜の結晶性は悪くなり、半導体素子作成後の特性に悪影響を及ぼす。
【００１２】
本発明では、前記電極金属を蒸着した後熱処理する際、前記電極金属を蒸着した後、熱処理する際、一段目として２５０℃〜４００℃の温度下で保持した後、二段目として４００℃〜９００℃の温度下で保持し、かつ二段目は一段目よりも必ず温度が高いことを特徴とする。熱処理時間は一段目は１５分以内、二段目は１５分以内で十分である。一段目の熱処理では、ｎ型ＧａＮコンタクト層１表面とＡｌ層３の間の界面にわずかに存在していたＡｌの酸化物が分解し、Ａｌは窒素と結合し、酸化物は界面に存在しなくなる。分解して発生した酸素は電極外部へ拡散する。この段階でＴｉ―Ａｌ合金をＧａＮコンタクト層表面に形成する。二段目の熱処理では、Ａｕと前記Ｔｉ―Ａｌ合金の界面にＡｕ―Ｔｉ―Ａｌ合金を形成し、これらの金属をなじませる効果をもつ。
【００１４】
また、２段階の熱処理方法においては、まずＡｌとＴｉを蒸着した後、一段目の熱処理を行い、その後Ａｕ層５を蒸着した後、二段目の熱処理を行ってもよい。このような構成をとることにより、良好なオーミック特性が再現性よく得られ、本発明の目的を達成することができる。
【００１５】
別の問題点として、高温で熱処理する場合、チップ状（数ｍｍ角レベル）では特に問題とならないが、直径２インチ以上のウエハ状になると、ウエハの割れ、そり等が発生するおそれがある。ウエハのそりが大きいとその後の半導体素子作成工程で、ウエハの真空吸着が出来ない等のトラブルが生じる。本発明によれば、熱処理温度を４００℃以下に下げることができるので、上記問題に対しても効果がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明におけるｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層への電極形成方法の実施形態では、熱処理開始前にｎ型ＧａＮコンタクト層１表面とＡｌ層３が接触している構造である。さらに本発明におけるｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層への電極形成方法の実施形態では、熱処理温度が２０℃〜９００℃という広い温度範囲においても、再現性良く良好なオーミック特性を得ることが出来る。
【００１７】
【実施例】
［参考例１］本発明の実施形態の参考例1について図１を用いて説明する。図１は本発明の実施例および参考例に係るｎ型電極構造の断面図を示す。ＧａＮコンタクト層１へまずＡｌ層３を２０ｎｍ真空蒸着する。次にＴｉ層２を７０ｎｍ真空蒸着する。更にその上にＡｕ層５を１０００ｎｍスパッタ蒸着した。次に４００℃で１５分間熱処理した。このようにして作成した電極を用いて、ｎコンタクト層の特性を測定した。結果を図７に示す。良好なオーミック特性が再現性よく得られ、接触抵抗値は１×１０―7Ωｃｍ2と十分に低い値であった。
【００１８】
［参考例２］参考例２について以下に示す。ｎ型電極蒸着までは上記参考例１と同じである。熱処理は１００℃で３０分とした。結果は良好なオーミック特性が再現性よく得られた。
【００１９】
［実施例１］本発明の実施形態の実施例１について図２を用いて説明する。電極蒸着までは上記参考例１と同じである。図２に２段階の熱処理方法を示す。一段目の温度は４００℃で１５分、二段目の温度は８５０℃で５分とした。このようにして作成した電極を用いて、ｎコンタクト層の特性を測定した。結果を図８に示す。良好なオーミック特性が再現性よく得られ、コンタクト抵抗値は１×１０―7Ωｃｍ2と十分に低い値であった。
【００２０】
［実施例２］図１０にＧａＮ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の電極形成プロセスを示す。まずガスソース分子線エピタキシャル成長法を用いてＧａＮの結晶成長を行った。成長室とパターニング室を有する超高真空装置を用いる。
【００２１】
成長室においてまず、絶縁性のサファイア基板６上に、ラジカル化した窒素（３×１０―6  Ｔｏｒｒ）とＧａ（５×１０―7  Ｔｏｒｒ）を用いて分子線エピタキシャル成長法により、成長温度６４０℃で５０ｎｍの厚さのｎ-ＧａＮ バッファ層７を形成し、更にその上にＧａ（１×１０―6  Ｔｏｒｒ）とアンモニア（５×１０―5  Ｔｏｒｒ）を用い、成長温度８５０℃でアンドープのＧａＮ アンドープ層８を１０００ｎｍ成長した。次にその上に、Ｇａ（１×１０―7  Ｔｏｒｒ）とアンモニア（５×１０―5  Ｔｏｒｒ）を用い、ドーパントとしてＳｉ（１×１０―9  Ｔｏｒｒ）を用いて、成長温度８５０℃でＧａＮ ｎ層９を２００ｎｍ形成する。この層のキャリア濃度は２×１０17ｃｍ―3となるようにあらかじめホール測定などを用いて設定した。次にその上にＧａ（１×１０―7  Ｔｏｒｒ）とアンモニア（５×１０―5  Ｔｏｒｒ）、Ｓｉ（５×１０―8  Ｔｏｒｒ）を用い、ｎ型ＧａＮコンタクト層１を形成した。このときのキャリア濃度は５×１０18ｃｍ―3とした。
【００２２】
次に、上述のＧａＮエピタキシャル膜を用いた電極作成プロセスを説明する。ＧａＮエピ表面全面に保護膜としてＳiＯ2を熱化学堆積法で付けた。その後フォトリソグラフィを用いパターニングを行い、電極となる部分に沸酸を用い開口部を設けた。次に電極となるＡｌ層３、Ｔｉ層２を真空蒸着装置で順次蒸着していく。まず、Ａｌ層３を２０ｎｍ蒸着する。次にＴｉ層２を７０ｎｍ蒸着する。更にその上にＡｕ層５を１０００ｎｍスパッタ蒸着する。次に４００℃で１５分熱処理して、Ｔｉ―Ａｌ系合金層１３を形成した。更に８５０℃まで上げて５分間熱処理してＡｕ―Ｔｉ―Ａｌ系合金層１４を形成した。２段階の熱処理方法を図２に示す。こうして作成したソース電極１１、ドレイン電極１２は良好なオーミック特性であった。またＧａＮコンタクト層１とこれらの電極１１、１２との接触抵抗を測定した。その結果１×１０―7Ωｃｍ2と十分に低い接触抵抗であった。
【００２３】
ＧａＮの成長には有機金属気相化学堆積法（ＭＯＣＶＤ）を用いても良い。ＧａＮ膜形成には、窒素源としてジメチルヒドラジン、モノメチルヒドラジン、アンモニア等を用いる。またＧａ源としてはトリエチルガリウム、トリメチルガリウムなどの有機金属ガスを用いる。又、ｎ型ドーパントとしてモノシラン、ジシランなどを用いる。
【００２４】
また、三層目の電極であるＡｕ層５は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕにおいても同じ効果が得られる。
【００２５】
また、ＧａＮ以外にもＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなどの窒化ガリウム系半導体においても同じ効果が得られる。
【００２６】
また、ＧａＮ電界効果トランジスタを実施例２で示したが、発光ダイオード、レーザダイオード等で利用されるｎ型電極においても同じ効果が得られる。
【００２７】
【比較例】
本発明の比較例について図６を用いて説明する。図６は比較例のｎ型電極構造の断面図を示す。ＧａＮコンタクト層１表面上に、まずＴｉ層２を２０ｎｍ真空蒸着する。次にＡｌ層３を７０ｎｍ真空蒸着する。更にその上にＡｕ層５を１０００ｎｍスパッタ蒸着した。次に４００℃で１５分間熱処理した。このようにして作成した電極を用いて、ｎコンタクト層の特性を測定した。結果を図９に示す。良好なオーミック特性が得られなかった。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の請求項１〜５に係るｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層表面に電極を形成する方法において、ｎ型ＧａＮコンタクト層と電極との界面に残留する酸化物が抑制され、良好なオーミック特性が再現性良く得られ、接触抵抗は十分に小さい値が得られる。
【００２９】
また、直径２インチ以上のウエハ上に電極を形成する場合、特に熱処理温度を低温領域に設定することことができ、ウエハのワレ、そり等のトラブルの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例１，２に係るｎ型電極構造を示す断面図である。
【図２】  本発明の実施例１，２に係る２段階の熱処理方法である。
【図３】  従来例１のｎ型電極構造を示す断面図である。
【図４】  従来例２のｎ型電極構造を示す断面図である。
【図５】  酸化物生成の標準自由エネルギーと温度との関係
【図６】  比較例のｎ型電極構造を示す断面図である。
【図７】  本発明の参考例１に係る電極の電流電圧特性を示す図である。
【図８】  本発明の参考例２に係る電極の電流電圧特性を示す図である。
【図９】  比較例１に係る電極の電流電圧特性を示す図である。
【図１０】  ＧａＮ  ＦＥＴの電極形成プロセスを示す図である。
【符号の説明】
１  ＧａＮ  コンタクト層
２  Ｔｉ層
３  Ａｌ層
４  Ｎｉ層
５  Ａｕ層
６  サファイア基板
７  ＧａＮ  バッファ層
８  ＧａＮ  アンドープ層
９  ＧａＮ  ｎ層
１０  ゲート電極
１１  ソース電極
１２  ドレイン電極
１３  Ｔｉ―Ａｕ系合金
１４  Ａｕ−Ｔｉ―Ａｌ系合金
【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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