(57)【要約】【課題】本発明は、ｎ型窒化物半導体層に対して長期にわたって接触抵抗の低いオーミック性電極を形成した半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明による半導体装置は、ｎ型半導体層１０と、ｎ型半導体層１０上に形成される第一の金属層２０と、第一の金属層２０上に形成される第二の金属層３０と、ｎ型半導体層１０の表面、第一および第二の金属層２０、３０の側面、および第二の金属層３０上の所定領域を除く表面を覆うように形成されるＳｉＮy４０とを備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成される第一の金属層と、
前記第一の金属層上に形成される第二の金属層と、
前記ｎ型窒化物半導体層の表面、前記第一および第二の金属層の側面、および前記第二の金属層上の所定領域を除く表面を覆うように形成される窒化シリコン膜と、
を備えることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記第二の金属層は、酸化しやすく酸化物形成の進行が停止しない金属からなることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第一の金属層は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉのいずれかを主成分とすることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第二の金属層は、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ｓｍ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｙ、Ｚｒのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ｎ型窒化物半導体層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
（ａ）ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
（ｂ）前記ｎ型窒化物半導体層上に第一の金属層を形成する工程と、
（ｃ）前記第一の金属層上に第二の金属層を形成する工程と、
（ｄ）前記ｎ型窒化物半導体層の表面、前記第一および第二の金属層の側面、および前記第二の金属層上の表面を窒化シリコン膜で覆うように形成する工程と、
（ｅ）前記第二の金属層上の所定領域において前記窒化シリコン膜を取り除いた後に電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記工程（ａ）は、前記窒化物半導体層の表面のＳｉ濃度が１×１０19ｃｍ-3以上となるように、Ｓｉイオンを１×１０15ｃｍ-2以上の注入濃度で注入する工程であることを特徴とする、請求項６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】
本発明は半導体装置に関し、特にｎ型窒化物半導体層に対して接触抵抗の低いオーミック性電極を形成した半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体は、一般的にヘテロ接合電界効果型トランジスタである高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）、半導体レーザーダイオードなどの半導体装置に用いられている。III族窒化物半導体を用いたＨＥＭＴを高出力、高周波で動作させるためには、ソース・ドレイン電極の接触抵抗を十分に低下させることが重要な課題の一つである。接触抵抗が大きくなると寄生抵抗が増大し、その結果トランスコンダクタンスが低くなって出力電圧、動作周波数が低下するという問題が生じる。従って、III族窒化物半導体を用いたＨＥＭＴのソース・ドレイン電極は、コンタクトの特性がオーミック性であるだけでなく、低い接触抵抗を長期にわたって安定して確保することによって上記半導体装置の信頼性が確保される。しかし、電極を形成する金属層が大気に接触して酸化されるため、接触抵抗が増加し信頼性が確保できないという問題があった。
【０００３】
このような問題の対策として、III族のｎ型窒化物半導体層に対する良好なオーミック性電極には、ｎ型ＡｌＧａＮ層に対してＴｉと仕事関数が４．２ｅＶ以下の金属とを積層して多層膜が用いられており、良好なオーミックコンタクトが得られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３０３４０７号公報（第１、２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、電極の側面が大気に接触しており、酸化によって接触抵抗が増加するという問題がある。
【０００６】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、ｎ型窒化物半導体層に対して長期にわたって接触抵抗の低いオーミック性電極を形成した半導体装置およびその製造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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明による半導体装置は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に形成される第一の金属層と、第一の金属層上に形成される第二の金属層と、ｎ型窒化物半導体層の表面、第一および第二の金属層の側面、および第二の金属層上の所定領域を除く表面を覆うように形成される窒化シリコン膜とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、第一の金属層はｎ型窒化物半導体層上に形成され、第二の金属層は第一の金属層上に形成され、窒化シリコン膜はｎ型窒化物半導体層の表面、第一および第二の金属層の側面、および第二の金属層上の所定領域を除く表面を覆うように形成されるので、ｎ型窒化物半導体層に対して長期にわたって接触抵抗の低いオーミック性電極を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。
【００１０】
〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態１による電極構造の製造途中の断面図である。図１に示すように、ｎ型半導体層（ｎ型窒化物半導体層）１０と、ｎ型半導体層１０上に形成される第一の金属層２０と、第一の金属層２０上に形成される第二の金属層３０と、ｎ型半導体層１０の表面、第一の金属層２０および第二の金属層３０の側面、および第二の金属層３０上の表面を覆うように形成されるＳｉＮy（窒化シリコン膜）４０とからなる。
【００１１】
まず初めに、ＳｉＣ基板（図示せず）上に有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法によってエピタキシャル成長された半導体層であるＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層（以下、ＡｌＧａＮ層とする）を形成する。このとき、IV族元素であるＳｉをドーパントとしたｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層を形成し、これをｎ型半導体層１０とする。なお、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ層の形成方法としては、IV族元素をイオン注入してから熱処理によって形成してもよく、IV族元素を熱拡散させることによって形成してもよい。また、ｎ型半導体層１０の形成は、分子線エピタキシャル（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法など、他のエピタキシャル成長法であってもよい。本実施形態１ではＳｉＣ基板を用いたが、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ基板、サファイア基板であっても同様の効果を奏する。
【００１２】
本実施形態１では、ｎ型半導体層１０のドーパントであるＳｉイオンを注入濃度１×１０15ｃｍ-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで半導体層に注入した後に、１１００〜１２００℃で短時間の急速加熱処理（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＲＴＡ）を行うことによってｎ型半導体層１０を形成する。形成後、半導体層１０の表面のＳｉ濃度は１×１０19ｃｍ-3以上になる。
【００１３】
ｎ型半導体層１０の形成後、電極を形成する場所以外にレジストパターン（図示せず）を形成し、レジストパターン上に第一の金属層２０と第二の金属層３０とを順に蒸着して形成する。このとき、第一の金属層２０の厚さは２５ｎｍ、第二の金属層３０の厚さは２００ｎｍとする。第一の金属層２０および第二の金属層３０の形成後、レジストパターンを除去して４００〜８００℃で短時間のＲＴＡ処理を行なう。
【００１４】
次に、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってＳｉＮy４０を形成する。なお、ＳｉＮy４０の厚さは、第一の金属層２０の側面と第二の金属層３０の側面および表面とを覆うことが可能な厚さであればよく、厚いほど大気からの酸素の侵入を防ぐことができる。本実施形態１では、ＳｉＮy４０の厚さを３００ｎｍとする。また、ＳｉＮy４０を形成する方法としては、熱ＣＶＤや触媒ＣＶＤなどの化学気相法、電子ビーム蒸着や抵抗加熱蒸着などの蒸着法、高周波イオンプレーティングやＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）マグネトロンスパッタリング、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）マグネトロンスパッタリングなどのスパッタ法によって形成してもよい。
【００１５】
ＳｉＮy４０の形成後、図２に示すように、第二の金属層３０の表面の少なくとも一部（所定領域）を覆っているＳｉＮy４０を除去するために、除去部分以外の箇所にレジストパターン５０を形成する。レジストパターン５０を形成した後に、ドライエッチングによってＳｉＮy４０を除去する。なお、ＳｉＮy４０の除去には、ウエットエッチングやイオン照射によるミリングを用いてもよい。ＳｉＮy４０を除去した後、図３に示すように、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ａｕを順に蒸着し、リフトオフ法によって引き出し電極６０を形成する。なお、引き出し電極６０は、Ｔｉ、Ａｕを順に蒸着してもよく、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕを順に蒸着してもよい。
【００１６】
図４は、保護膜であるＳｉＮy４０を形成しない電極構造の断面図である。図５は、ＳｉＮy４０を形成しない電極構造における接触抵抗値の保存時間依存性を示すグラフである。図５に示すように、第一の金属層２０はＴｉ、第二の金属層３０はＡｌまたはＮｂよりなり、３００℃で保存している。第二の金属層３０を構成するＡｌまたはＮｂは仕事関数が４．２ｅＶ以下の金属であり、保存前の接触抵抗値は１×１０-5Ωｃｍ2以下の低い接触抵抗が得られている。３００℃で約１００時間保存すると、第二の金属層３０がＡｌの場合では接触抵抗値に大きな変化はない。これは、Ａｌの表面が酸化されてＡｌ2Ｏ3といった安定な酸化物を形成し、それ以降の酸化が進行せず接触抵抗値に大きな変化がないためである。一方、第二の金属層３０がＮｂの場合では接触抵抗値が１桁以上増加する。これは、Ｎｂの表面が酸化されてＮｂ2Ｏ5やＮｂ2Ｏ3といった酸化物を形成するが、このような酸化物は表面だけでなく膜中にも酸化が進行して接触抵抗値が増加するためである。
【００１７】
第二の金属層３０にＡｌとＮｂとを用いた場合について比較すると、Ａｌを用いた方が接触抵抗が低いことが分かる。しかし、第二の金属層にＡｌのような酸やアルカリ溶液に溶解し易い金属を用いた場合、第二の金属層形成後の表面を酸やアルカリによる処理ができず、洗浄性低下によって接触抵抗が増加することがある。従って、本実施形態では、半導体装置に要求されるオーミック性を良くし、半導体装置製造方法に要求されるプロセスマージンを大きくするため、第二の金属３０としてＮｂを用いている。
【００１８】
図６は、保護膜であるＳｉＮy４０を形成した電極構造とＳｉＮy４０を形成しない電極構造とにおける接触抵抗値の保存時間依存性を示すグラフである。図６に示すように、第一の金属層２０はＴｉ、第二の金属層３０はＮｂからなり、３００℃で保存している。一方の電極構造はＳｉＮy４０を形成しており、他方の電極構造はＳｉＮy４０を形成していない。保存前の接触抵抗値は両構造とも１×１０-5Ωｃｍ2以下であるが、３００℃で約１００時間保存すると、ＳｉＮy４０を形成した電極構造では接触抵抗値に大きな変化はないが、ＳｉＮy４０を形成しない電極構造では接触抵抗値が１桁以上増加している。ＳｉＮy４０を形成した電極構造では、約５００時間保存しても接触抵抗値に大きな変化はない。
【００１９】
以上のことから、ｎ型半導体層１０の表面、第一の金属層２０および第二の金属層３０の側面、および第二の金属層３０上の所定領域を除く表面を覆うようにＳｉＮy４０を形成することによって、低い接触抵抗を長期にわたって安定させることができる。
【００２０】
なお、本実施形態１では第一の金属２０としてＴｉを用いたが、ＮｉやＴａであってもよい。
【００２１】
また、第二の金属層３０としてＮｂを用いたが、酸化しやすくその進行が表面で止まらない、Ｂｉ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ｓｍ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｙ、Ｚｒのうちの少なくとも一つを含むものであってもよい。
【００２２】
本実施形態１では、ｎ型半導体層１０としてｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層を用いて説明したが、例えばｎ型ＡｌmＩｎnＧａ1-mＮ（０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１、ｍ＋ｎ≦１）であってもよい。
【００２３】
〈実施形態２〉
図７は、本発明の実施形態２による高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）の断面図である。図７に示すように、基板１００上にバッファ層１２０、チャネル層１４０、バリア層１６０を順に形成する。そして、バリア層１６０におけるソース・ドレイン領域となる箇所にのみ、本実施形態１と同様の方法でドーパントであるＳｉイオンを注入濃度１×１０15ｃｍ-2、加速エネルギー５０ｋｅＶで注入した後に、短時間のＲＴＡ処理を行うことによってＳｉ濃度が１×１０19ｃｍ-3以上であるＳｉ高濃度バリア層１８０を形成する。
【００２４】
その後、Ｓｉ高濃度バリア層１８０上にソース・ドレイン電極として第一の金属２０および第二の金属層３０を順に形成する。本実施形態２のＨＥＭＴでは、第一の金属層２０は厚さ２５ｎｍのＴｉ、第二の金属層３０は厚さ２００ｎｍのＮｂである。このときの電極のパターニングは、実施形態１と同様に、予め電極を形成しない箇所にレジストパターンを形成するリフトオフ法を用いる。
【００２５】
レジストパターンを除去した後、４００〜８００℃で短時間のＲＴＡ処理を行なう。その後、実施形態１と同様に、ＳｉＮy４０の形成、第二の金属層３０上に形成されたＳｉＮy４０の除去、引き出し電極６０の形成を順に行う。ゲート電極７０の形成方法は、本実施形態１での引き出し電極６０の形成方法と同様に、ＳｉＮy４０の部分除去後、ゲート電極７０を形成する箇所以外にレジストパターンを形成し、リフトオフ法によってバリア層１６０上に形成する。
【００２６】
なお、本実施形態２では、ソース・ドレイン電極に対してＲＴＡ処理を行なった後に、ＳｉＮy４０の形成、第二の金属層３０上に形成されたＳｉＮy４０の除去、引き出し電極６０の形成、ゲート電極７０の形成の順に作製したが、ソース・ドレイン電極に対してＲＴＡ処理を行なった後にゲート電極７０を形成し、その後に、ＳｉＮy４０の形成、第二の金属層３０上に形成されたＳｉＮy４０の除去、引き出し電極６０の形成の順に作製してもよい。
【００２７】
以上のことから、上記の材料および作製工程によって形成されたＨＥＭＴは、ソース・ドレイン電極の接触抵抗値を長期にわたって低抵抗にすることができるため、長期にわたって高電圧、高周波で動作させることが可能であり、ＨＥＭＴの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態１による電極構造の断面図である。
【図２】本発明の実施形態１による電極構造の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１による電極構造の断面図である。
【図４】本発明の実施形態１によるＳｉＮyを形成しない電極構造の断面図である。
【図５】本発明の実施形態１によるＳｉＮyを形成しない電極構造における接触抵抗値の保存時間依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態１による電極構造における接触抵抗値の保存時間依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態２による高電子移動度電界効果トランジスタの断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ｎ型半導体層、２０  第一の金属層、３０  第二の金属層、４０  ＳｉＮy、５０  レジストパターン、６０  引き出し電極、７０  ゲート電極、１００  基板、１２０  バッファ層、１４０  チャネル層、１６０  バリア層、１８０  Ｓｉ高濃度バリア層。
【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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