(57)【要約】【課題】本発明は、窒化物半導体に対して、コンタクト抵抗が低く表面の荒れがほとんど生じないオーミック接触領域を形成することができる方法を提供することを目的とする。【解決手段】サファイア基板１上にＧａＮからなる第一半導体層２を形成し、第一半導体層２上にＡｌＧａＮからなる第二半導体層３を形成したヘテロ接合半導体基板に対して、第二半導体層３の表面にソース電極５及びドレイン電極６としてＴｉ及びＡｕからなる金属複合膜を形成し、金属複合膜を半導体基板とともに真空中で加熱処理してオーミック接触領域を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素を構成元素とする第一半導体層及び窒素を構成元素とするとともに当該第一半導体層よりも電子親和力が小さい第二半導体層を積層したヘテロ接合半導体層上にオーミック接触領域を形成する方法であって、前記第二半導体層の表面の所定領域に金属層を形成し、前記金属層を前記第一及び第二半導体層とともに真空中で加熱処理して前記第二半導体層にオーミック接触領域を形成する方法。
【請求項２】
前記金属層は、前記第二半導体層の表面にチタン又はバナジウムを積層した後金又はアルミニウムを含む少なくとも１種類の金属を積層した金属複合膜である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱処理では、真空度５×１０-2Ｔｏｒｒ以下の真空状態に設定して３５０℃〜７００℃の加熱温度で処理する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第一半導体層がＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層であり、前記第二半導体層がＡｌＧａＮ層又はＡｌＩｎＮ層である請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体にオーミック接触が必要となる領域を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体においてＶ族として窒素（Ｎ）を用いた半導体で、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）といったものが挙げられる。窒化物半導体は、ケイ素（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いた半導体に比べてバンドギャップが大きく、電子飽和速度が高いことから、高耐圧、大電流、高周波での動作に適しており、特に大電力用の電界効果トランジスタといったパワーエレクトロニクス用素子として開発が進められている。
【０００３】
また、窒化物半導体は、上述した優れた材料特性に加え、ＧａＮやＡｌＮよりも電子親和力の小さな窒化物半導体である窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）や窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）といった半導体とヘテロ接合を形成することができる。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ等のヘテロ接合では、窒化物半導体が強い自発分極を示すことから、ヘテロ接合の界面に高濃度の電子が誘起される。そして、界面に誘起された電子は散乱の影響を受けにくいため、ＧａＮやＡｌＮ単体の半導体に比べて高い移動度が得られる。そのため、こうした高い電子濃度及び高い移動度といった特性を利用して、窒化物ヘテロ接合トランジスタの開発が進められており、一部では実用化が図られている。
【０００４】
窒化物ヘテロ接合トランジスタを製造する場合には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＩｎＮ／ＡｌＮ／ＧａＮ等の窒化物半導体をＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の公知の結晶成長技術によって基板（例えばサファイア基板）上に積層し、積層した窒化物半導体上の所望の領域にソース電極及びドレイン電極を形成して製造する。ソース電極及びドレイン電極は、窒化物半導体とオーミック接触するように形成する必要があり、そのために電極を形成する領域ではコンタクト抵抗が小さくかつ表面の荒れを少なくすることが求められる。
【０００５】
オーミック接触領域の形成方法として、例えば、特許文献１では、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層を積層したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に、真空蒸着法、化学気相成長法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法のいずれかの薄膜形成方法により、金属酸化物層又は金属層を形成後３００℃〜８００℃、窒素雰囲気中でアニールすることにより、ソース電極及びドレイン電極のオーミック電極部を形成する方法が記載されている。また、特許文献２では、ワイドバンドギャップ化合物半導体層上に、Ｚｒからなる密着層、オーミック層及び酸化防止層が積層されたオーミック電極を形成した電子デバイスが記載されている。
【０００６】
図６は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮを積層した窒化物半導体上にオーミック接触領域を形成する従来の工程に関する説明図である。まず、図６（ａ）に示すように、サファイア基板１０上にチャネル層となるＧａＮ層１１を形成し、ＧａＮ層１１上にバリア層となるＡｌＧａＮ層１２を形成する。このように形成されたＧａＮ層１１とＡｌＧａＮ層１２との間の界面には、ＧａＮ層１１及びＡｌＧａＮ層１２がそれぞれ有する強い自発分極と両層の格子定数が異なることにより生じるピエゾ分極とにより、１×１０13ｃｍ-2程度の高密度の２次元電子ガス１３（Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ；以下「２ＤＥＧ」と略称する）が誘起される。
【０００７】
次に、図６（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＮ層１２上の所望の領域にソース電極用金属膜１４及びドレイン電極用金属膜１５を形成する。例えば、ソース電極用金属膜１４及びドレイン電極用金属膜１５として、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）を積層した複合膜やＴｉ／Ａｕを積層した複合膜が選ばれる。そして、窒化物半導体層及び電極用金属膜が形成されたサファイア基板１０を熱処理装置に導入し、窒素等の不活性ガス中において所定温度（例えば８００℃〜９５０℃）で所定時間（例えば３０秒〜６０秒）加熱してアロイ処理を行う。アロイ処理では、加熱温度の昇温速度及び降温速度をできるだけ速くすることが望ましく、例えば、１００℃／秒〜１５０℃／秒の昇温速度に設定される。こうしたアロイ処理により、図６（ｃ）に示すように、電極用金属膜が溶融してＡｌＧａＮ層１２内に合金領域１４’及び１５’が形成されるようになり、オーミック接触領域が形成される。
【０００８】
しかしながら、上述した従来のオーミック接触領域の形成方法では、コンタクト抵抗が１ｍΩ・ｍｍ〜５ｍΩ・ｍｍと高く、１ｍΩ・ｍｍ以下とすることが困難であった。コンタクト抵抗が高いと、素子特性が著しく低下するようになる。また、合金化により形成すると、電極表面が荒れるため、次のソース及びドレインの間にゲート電極を形成する工程においてゲートパターンの形成が困難になる、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２８８８５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９２５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、窒化物半導体に対して、コンタクト抵抗が低く表面の荒れがほとんど生じないオーミック接触領域を形成することができる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るオーミック接触領域の形成方法は、窒素を構成元素とする第一半導体層及び窒素を構成元素とするとともに当該第一半導体層よりも電子親和力が小さい第二半導体層を積層したヘテロ接合半導体層上にオーミック接触領域を形成する方法であって、前記第二半導体層の表面の所定領域に金属層を形成し、前記金属層を前記ヘテロ接合半導体層とともに真空中で加熱処理して前記第二半導体層にオーミック接触領域を形成する。さらに、前記金属層は、前記第二半導体層の表面にチタン又はバナジウムを積層した後金又はアルミニウムを含む少なくとも１種類の金属を積層した金属複合膜である。さらに、前記加熱処理では、真空度５×１０-2Ｔｏｒｒ以下の真空状態に設定して３５０℃〜７００℃の加熱温度で処理する。さらに、前記第一半導体層がＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層であり、前記第二半導体層がＡｌＧａＮ層又はＡｌＩｎＮ層である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、窒素を構成元素とする第一半導体層及び第二半導体層をヘテロ接合させたヘテロ接合半導体層に対して、コンタクト抵抗が低く表面の荒れがほとんど生じないオーミック接触領域を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】半導体基板に関する断面図である。
【図２】測定対象の試料に関する断面図及び平面図である。
【図３】キャリア移動度の測定結果の推移を示すグラフである。
【図４】シート電子濃度の測定結果の推移を示すグラフである。
【図５】シート抵抗の測定結果の推移を示すグラフである。
【図６】従来のオーミック接触領域を形成する工程に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について具体的に説明する。図１は、本実施形態の積層工程に関する説明図である。まず、図１（ａ）に示すように、基板上にヘテロ接合窒化物半導体層を形成した半導体基板を用いる。この例では、基板１上に窒化物半導体からなる第一半導体層２及び第二半導体層３が公知の結晶成長技術により積層されて形成されている。基板１上に積層された第一半導体層２は、その上に積層された第二半導体層３よりも電子親和力が大きく、第一半導体層２がチャネル層として形成され、第二半導体層３がバリア層として形成されている。そして、第一半導体層２と第二半導体層３との間に２ＤＥＧ４が誘起されている。
【００１５】
基板１としては、基板１表面に窒化物半導体層が形成可能な結晶であれば特に限定されないが、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板、サファイア基板、ＳｉＣ基板、及び、ＧａＮ基板等を使用できる。基板１の厚さは、半導体技術の分野において通常の厚さであればよく、特に限定されない。また、基板１のサイズは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の用途等に応じて適宜設定すればよい。
【００１６】
第一半導体層２としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＮが挙げられる。特に、ＧａＮを用いることで、第二半導体層との自発分極差が大きく、また格子不整合により生じるピエゾ分極が大きくなることから、より高い２ＤＥＧ濃度が得られる、といった作用効果が得られる。第一半導体層２の厚さとしては、半導体技術の分野において通常の厚さであればよく、特に限定されない。
【００１７】
第二半導体層３としては、第一半導体層２よりもバンドギャップの大きい材料が使用されることが好ましく、例えば、第一半導体層２がＧａＮの場合には第二半導体層３にＡｌＧａＮを用いることができる。また、第一半導体層がＧａＮの場合にはＡｌＩｎＮを用いることもできる。特に、ＡｌＧａＮをバリア層に用いることで、大電力及び高温条件に対する耐久性を備えることができる。第二半導体層３の厚さとしては、半導体技術の分野において通常の厚さであればよく、特に限定されないが、１０ｎｍ〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００１８】
なお、基板１と第一半導体層２との間には、バッファ層（図示せず）を形成することもできる。バッファ層としては、半導体技術の分野において一般的に用いられるものであればよく、特に限定されないが、例えば、ＧａＮ系超格子層等を形成することができる。
【００１９】
基板１上に第一半導体層２及び第二半導体層３を形成した後、図１（ｂ）に示すように、第二半導体層３の表面にソース電極５及びドレイン電極６を所定間隔を置いて形成する。これらの電極は、オーミック特性を示すオーミック電極として形成される。これらの電極に用いる金属材料としては、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）といったものが挙げられる。これらの金属材料を複数組み合わせて積層して電極を形成する。最下層にＴｉ又はＶを形成した金属複合膜を形成することが好ましく、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｖ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕが挙げられる。
【００２０】
こうしたオーミック電極を形成する場合には、まず、第二半導体層３の表面に一定の膜厚でフォトレジストを塗布し、所望の電極パターンが形成されたフォトマスクをフォトレジストの表面にセットして露光した後現像することで、電極形成領域のフォトレジストを除去する。そして、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｅａｍ）蒸着機等の公知の手段を用いて、金属材料を蒸着により積層する。金属層の厚さは、蒸着レート及び蒸着時間に基づいて設定することができる。金属層を積層した後、アセトン又は剥離液に基板を浸漬することで、フォトレジスト及びフォトレジスト上の金属層を除去し、第二半導体層３の表面において電極形成領域にのみ金属層を形成した基板１を得る。こうした電極形成領域への金属層の形成は、公知の方法を用いればよく、特に限定されない。
【００２１】
第二半導体層３の表面において電極形成領域にのみ金属層を形成した基板１を真空加熱装置に導入して、真空度５×１０-2Ｔｏｒｒ以下の真空状態において３５０℃〜７００℃の加熱処理温度で加熱する。加熱時間は、金属層により適宜設定すればよい。こうした加熱処理を行うことで、電極形成領域の金属層を形成した部分にオーミック接触領域を形成する。形成されたオーミック接触領域は、コンタクト抵抗を１ｍΩ・ｍｍより低くすることができ、また加熱処理後の電極表面を荒れのほとんどない平滑な表面にすることが可能となる。
【００２２】
こうして形成されたオーミック接触領域には、さらに金属層を積層してパッド電極を形成することもできる。また、こうしたオーミック接触領域の形成方法は、電極形成領域以外にも半導体表面においてオーミック接触が必要となる箇所に適用することが可能である。
【００２３】
また、ソース電極及びドレイン電極の電極形成領域にオーミック接触領域を形成した後、ソース電極及びドレイン電極の間にゲート電極を形成することで電界効果トランジスタを構成することができる。この場合、オーミック接触領域を形成する際に第二半導体層３の表面が平坦で荒れのほとんどない状態になっているので、ゲート電極のパターン形成を安定して行うことができ、良好なゲート電極を得ることが可能となる。ゲート電極に用いる金属材料としては、Ｎｉ、Ａｕ、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）といったものが挙げられる。
【実施例】
【００２４】
サファイア基板上にチャネル層としてＧａＮ層を形成し、その上にバリア層としてＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層（厚さ２５ｎｍ）をＭＯＣＶＤ法により形成したものを準備した。
【００２５】
ＡｌＧａＮ層の表面にフォトレジストを塗布してフォトマスクにより所望のソース電極及びドレイン電極のパターンを露光した後現像液によりフォトレジストを除去して電極形成領域を露出した状態にした。次に、公知のＥＢ蒸着機によりＴｉ及びＡｕを順次１００ｎｍずつ蒸着させて積層して金属複合膜を形成した。そして、フォトレジスト及びフォトレジスト上の金属複合膜を除去して、電極形成領域にのみＴｉ／Ａｕからなる金属複合膜を積層した半導体基板を得た。
【００２６】
次に、真空加熱装置に基板を導入して、真空度１×１０-2Ｔｏｒｒの真空状態に設定し、４００℃の加熱温度で６０分間加熱処理した。加熱処理後の電極形成領域に形成されたオーミック接触領域の表面を光学顕微鏡で観察したところ、平坦で荒れのほとんどない状態であることが確認できた。また、ＴＭＬ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｉｎｅ  Ｍｏｄｅｌ）法によりコンタクト抵抗を測定したところ０．３ｍΩ・ｍｍであり、従来のアロイ処理法に比べてコンタクト抵抗が約１／１０に低下した。
【００２７】
図２は、上記の方法で形成されるオーミック接触領域の特性を測定するための試料を示しており、図２（ａ）が試料の断面図を、図２（ｂ）が試料の平面図を示している。図２（ａ）に示すように、サファイア基板１００上にチャネル層としてＧａＮ層１０１を形成し、その上にバリア層としてＡｌＧａＮ層１０２（Ａｌ組成０．２５、厚さ２５ｎｍ）を形成した実施例と同様の半導体基板を準備した。ＡｌＧａＮ層１０２の表面の四隅にオーミック電極１０３を形成した。オーミック電極１０３は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕの４層膜で、各々の厚みは１５／６０／３５／５０ｎｍである。ＡｌＧａＮ層１０２の表面の中央部分に実施例と同様にＴｉ／Ａｕ（厚さ１００／１００ｎｍ）を積層した金属複合膜１０４を形成した。試料の寸法は、７ｍｍ×７ｍｍである。実施例と同様に真空加熱装置に試料を導入し、真空度１×１０-2Ｔｏｒｒの真空状態に設定して、室温（絶対温度３００Ｋ）から７５０℃（絶対温度１０２３Ｋ）まで加熱温度を上昇させていき、７５０℃から室温まで降下させて、温度の依存性を調べた。１００℃毎に設定された加熱温度において、真空中においてＨａｌｌ効果（Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ法）によりヘテロ接合窒化物半導体層のキャリア移動度（μ；ｃｍ2／Ｖs）、シート電子濃度（ｎｓ；×１０13ｃｍ-2）及びシート抵抗（Ｒsh；Ω／ｓｈ．）を測定した。なお、シート抵抗については、以下の式により算出した。ここで、ｑは、電子電荷（クーロン）である。
Ｒsh＝１／（ｑ・ｎｓ・μ）
【００２８】
測定結果を図３から図５に示す。図３に示すキャリア移動度については、昇温前の測定値に比べて降温後の測定値が約２０％程度増加している。また、図４に示すシート電子濃度については、昇温時において３２０℃（６００Ｋ）付近で急激な増加が認められた。また、昇温前に比べて降温後の測定値が約６倍に増加している。図５に示すシート抵抗については、昇温時に複雑な推移を示しているが、降温時には単調に減少していき、昇温前に比べて降温後の測定値が１／８に減少している。
【００２９】
以上の測定結果より、金属複合膜を積層後に真空状態で加熱処理して形成されたオーミック接触領域では、金属複合膜の金属と窒化物半導体とが反応して加熱処理前に比べて高電子濃度、高キャリア移動度及び低抵抗の介在層が形成されていることを確認できた。こうした介在層をオーミック接触領域として使用することで、コンタクト抵抗の低いオーミック接触を実現することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・基板、２・・・第一半導体層、３・・・第二半導体層、４・・・二次元電子ガス、５・・・ソース電極、６・・・ドレイン電極
【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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