半導体装置及びその製造方法
【課題】半導体装置においてオーミック特性を良好にし、かつ、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有することが可能な技術を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体装置は、不純物が添加された高濃度不純物領域２を有する窒化物半導体層１と、高濃度不純物領域２上に順に積層された下地電極層３及び主電極層４を含む電極１１とを備える。主電極層４は、窒化物半導体層１に対して下地電極層３よりも仕事関数が近い第１金属と、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属とからなる合金を主成分として含む。下地電極層３は、主電極層４よりも窒素との反応性が高い金属を主成分として含み、かつ、第１金属を含む。
【解決手段】半導体装置は、不純物が添加された高濃度不純物領域２を有する窒化物半導体層１と、高濃度不純物領域２上に順に積層された下地電極層３及び主電極層４を含む電極１１とを備える。主電極層４は、窒化物半導体層１に対して下地電極層３よりも仕事関数が近い第１金属と、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属とからなる合金を主成分として含む。下地電極層３は、主電極層４よりも窒素との反応性が高い金属を主成分として含み、かつ、第１金属を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）、レーザーダイオードなどの半導体装置に関するものであり、特に窒化物半導体層を備える半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体を用いたＨＥＭＴを高出力かつ高周波で動作させるための重要な課題の一つは、ソース・ドレイン電極のコンタクト抵抗を十分に低下させることである。なぜなら、コンタクト抵抗が大きいと寄生抵抗が増大して、トランスコンダクタンスが低くなる結果、出力電圧、動作周波数が低下するからである。
【０００３】
ｎ型III族窒化物半導体層に対して良好なオーミックコンタクトを得る手段として、特許文献１には、ＳｉドープＧａＮ層上に、ＴｉとＡｌが含まれる合金、またはＴｉとＡｌとが積層された複数の膜から電極を形成する方法が記載されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の方法のようにＡｌを含む電極を採用すれば接触抵抗を低くすることはできるが、形成工程におけるエッチングにより電極が損傷する。そこで、特許文献２では、Ａｌの代わりにＮｂを主成分とする電極構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２２１１０３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１２４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、発明者は、調査の結果、特許文献２で提案された３層積層タイプのオーミック電極を形成した場合にも、エッチングにより電極が損傷を受ける可能性があることを見出した。そして、特許文献２の技術では、電極形成後に４００〜７００℃の温度で短時間の熱処理が実施されているものの、ＮｂやＰｔなどの高融点金属の相互拡散が十分でないことが、異種金属界面における標準電極電位差に起因したガルバニック腐食や、金属層の腐食耐性が低い順の侵食が生じてしまう原因となるのではないかと、発明者は考えた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、半導体装置においてオーミック特性を良好にし、かつ、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有することが可能な技術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】
【０００８】
本発明に係る半導体装置は、不純物が添加された不純物領域を有する窒化物半導体層と、前記不純物領域上に順に積層された下地電極層及び主電極層を含む電極とを備える。前記主電極層は、前記窒化物半導体層に対して前記下地電極層よりも仕事関数が近い第１金属と、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属とからなる合金を主成分として含む。前記下地電極層は、前記主電極層よりも窒素との反応性が高い金属を主成分として含み、かつ、前記第１金属を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、主電極層は、窒化物半導体層に対して下地電極層よりも仕事関数が近い第１金属を含み、下地電極層も第１金属を含んでいる。したがって、オーミック特性が良好な半導体装置を得ることができる。また、主電極層は、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属を、第１金属との合金として含んでいる。これにより、第１金属と第２金属との相互拡散を、これらを金属層として積層する従来構造よりも向上させることができるので、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有する半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】不純物の注入有無に応じた通電特性を示すグラフである。
【図３】Ｓｉ濃度と深さとの関係を示すグラフである。
【図４】サンプルのコンタクト抵抗を示す図である。
【図５】実施の形態２に係るＨＥＭＴの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ｎ型不純物が注入（添加）された高濃度不純物領域（不純物領域）２を有する窒化物半導体層１と、高濃度不純物領域２上に設けられた複数の電極層を含む電極１１とを備えている。なお、窒化物半導体層１は、図示しないＳｉＣ基板上に形成されているものとする。
【００１２】
本実施の形態では、電極１１下の窒化物半導体層１にｎ型不純物が注入されて高濃度不純物領域２が形成されている。詳細については後述するが、この高濃度不純物領域２でのキャリア濃度が増大していることから、電極１１（オーミック電極）と窒化物半導体層１との接触領域におけるコンタクト抵抗を低減することが可能となっている。なお、本実施の形態では、高濃度不純物領域２のｎ型不純物はＳｉであるものとし、その不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3とする。
【００１３】
図２は、ＡｌＧａＮからなる窒化物半導体層１中にｎ型不純物としてＳｉを注入した場合の通電特性（白抜き四角の点）と、注入していない場合の通電特性（黒塗り丸の点）とを示すグラフである。横軸は印加電圧を示し、縦軸は半導体装置に流れる電流を示す。このグラフによると、Ｓｉを注入した場合には印加電圧の大きさに比例して電流値が増大しており、良好なオーミック性を確認できるが、Ｓｉを注入していない場合には印加電圧によらず、ほとんど電流が流れないことが分かる。本実施の形態では、上述のように窒化物半導体層１にＳｉが注入されて高濃度不純物領域２が形成されていることから、オーミック性が良好となっている。
【００１４】
次に、高濃度不純物領域２上に形成される電極１１は、順に積層された下地電極層３、主電極層４及び保護電極層５を含んでいる。
【００１５】
下地電極層３は、主電極層４よりも窒素との反応性が高い金属を主成分として含んでいる。したがって、窒化物半導体層１中の窒素と結合しやすくなっており、電極１１と窒化物半導体層１との付着力が高くなっている。つまり、電極１１が窒化物半導体層１から剥がれにくくなっている。なお、本実施の形態では、下地電極層３はＴｉを主成分として含んでおり、下地電極層３の膜厚は２０ｎｍであるものとする。また、この下地電極層３は、次に説明する第１金属も含んでいる。
【００１６】
主電極層４は、第１金属と第２金属とからなる合金を主成分として含んでいる。ここで、第１金属は、窒化物半導体層１に対して下地電極層３よりも仕事関数が近い（ここでは低い）金属である。第２金属は、例えば貴金属であり、水素よりもイオン化傾向が小さい金属である。詳細については後述するが、電極１１は、このような主電極層４を含むことにより、低抵抗なオーミック性を有し、かつ腐食耐性が高いオーミック電極となっている。なお、本実施の形態では、第１金属及び第２金属はそれぞれＮｂ及びＰｔであり、主電極層４の膜厚は５０ｎｍであるものとする。
【００１７】
保護電極層５は、水素よりもイオン化傾向が小さい金属（例えばＳｂ，Ｂｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒのいずれか）を主成分として含んでおり、主電極層４における侵食を抑制している。本実施の形態では、保護電極層５の当該金属は第２金属と同じ金属（Ｐｔ）であり、保護電極層５の膜厚は５５ｎｍであるものとする。
【００１８】
なお、本実施の形態では、主電極層４での腐食耐性を大きく高めるために、主電極層４上に保護電極層５を設けた構造としているが、保護電極層５を設けなかったとしても、主電極層４内の第２金属の作用により当該腐食耐性を高めることは可能である。しかしながら、長期間の酸・アルカリへの曝露による合金の粒界に沿った侵食を確実に抑制する、つまり主電極層４での耐腐食性を高める観点から、保護電極層５を設けることが好ましい。また、保護電極層５に含まれる金属は、主電極層４に含まれる貴金属と同一の金属である必要はないが、互いに異なる金属を用いた場合に生じる、標準電極電位差に起因したガルバニック腐食を抑制する観点から、特段の事情がない限り同一の金属を用いることが好ましい。
【００１９】
次に、以上のような半導体装置の構造をとれば、課題を解決することができることについて説明する。
【００２０】
第一に、窒化物半導体層１中に高濃度の不純物（ｎ型不純物）が注入（添加）されたことによってオーミック性が良好となっている。ここで、一般的に、金属と半導体とを接合すると、熱平衡状態においてこれら二つの物質のフェルミ準位が一致しなければならないことから、理想的には金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差分に相当するエネルギー障壁が、金属と半導体の界面に存在することになる。
【００２１】
これに対し、本実施の形態では、上述のように窒化物半導体層１に不純物が添加されていることから、金属・半導体接触によるエネルギーバンドは変調を受けており、不純物が添加された電極１１との界面近傍の伝導帯エネルギーは引き下げられている。その結果、上述のエネルギー障壁の高さは変わらないものの、その厚さが薄くなり、エネルギー障壁を電子がトンネルする確率を高めることができる。よって、コンタクト抵抗を低減することができる。
【００２２】
第二に、下地電極層３は窒化物半導体層１中の窒素と結合し、窒化物を形成することによって電極１１の安定化が図られている。つまり、窒化物半導体層１からの電極１１の剥離の発生を抑制することができている。また、窒化物半導体層１において窒素が抜けたことにより発生した窒素空孔は、ｎ型不純物として機能する。したがって上述のエネルギー障壁を薄くする効果も得られ、コンタクト抵抗を低減することも期待できる。なお、以上のような２つの効果が期待できる下地電極層３として例えばＴｉ、Ｔａ、Ｎｉがあるが、特に窒化物を形成しやすいＴｉ、Ｔａを用いて下地電極層３を形成すれば、優れた効果が期待できる。
【００２３】
第三に、上述のような下地電極層３の選定は、窒化物形成を容易にして電極１１の剥離を抑制することを主目的としており、コンタクト抵抗を低減することを主目的としていない。そこで、コンタクト抵抗を確実に低減するために主電極層４が構成されている。
【００２４】
具体的には、金属・半導体接触界面に存在するエネルギー障壁の高さは、上述したように、金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差分に相当している。ここで、本実施の形態では、主電極層４が、仕事関数が窒化物半導体層１の電子親和力と近い金属を、第１金属として含んでおり、この第１金属が下地電極層３において窒化物半導体層１と接触するように拡散されている。したがって、本実施の形態によれば、エネルギー障壁の高さを低くすることができ、電子がエネルギー障壁を超えて移動する確率やトンネル確率を上昇させることができる。よって、コンタクト抵抗の低減が期待できる。ここで参考までに、金属の仕事関数及び半導体の電子親和力のデータを引用すると、Ｔｉ（４．３３ｅＶ）、Ｔａ（４．２５ｅＶ）、Ｎｉ（５．１５ｅＶ）、Ａｌ（４．２８ｅＶ）、Ｎｂ（４．３ｅＶ）、ＧａＮ（４．１ｅＶ）、ＡｌＮ（０．６ｅＶ）である。
【００２５】
なお、第１金属が下地電極層３内を拡散して窒化物半導体層１と接触するためには、主電極層４の金属と、下地電極層３の金属とが相互拡散することが必要である。したがって、例えば、下地電極層３及び主電極層４の形成後に熱処理等の拡散を促進する処理を行うことが必須である。ここで、第１金属が窒化物半導体層１と接触し易くなるように下地電極層３の膜厚を薄くしすぎると、上述の窒素空孔が発生しにくくなるのでコンタクト抵抗が増大する。逆に、窒素空孔が発生し易くなるように下地電極層３を厚くしすぎると、当該相互拡散を十分に行うことができなくなるのでコンタクト抵抗が増大すると考えられる。したがって、下地電極層３の膜厚には、後述するように上限及び下限を設けることが望ましい。
【００２６】
さて、仮に、窒化物半導体層１の電子親和力に近い仕事関数を有する第１金属のみを用いて主電極層４を形成した場合には、酸・アルカリに対する十分な腐食耐性を得ることは困難である。
【００２７】
そこで、第四として、本実施の形態では、主電極層４は、水素イオンよりもイオン化傾向を小さい金属、つまり化学的安定度が高い金属を第２金属として含んでいる。しかも、本実施の形態では、主電極層４は、このような第２金属を、第１金属との合金として含んでいる。これにより、第１金属と第２金属との相互拡散が、これらを金属層として積層する従来構造よりも向上させることができることから、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有することができる。なお、自然酸化による電極材料の変成に伴う酸・アルカリへの腐食耐性の劣化を確実に抑制するという観点から、第２金属には、ＡｕやＰｔのように酸化しにくい貴金属が好ましい。
【００２８】
＜製造工程＞
次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程について説明する。
【００２９】
＜窒化物半導体層１及び高濃度不純物領域２の形成＞
まず、ＳｉＣ基板（図示せず）上に有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）から成る１層以上の層をエピタキシャル成長させて、窒化物半導体層１を形成する。それから、Ｓｉイオンを、窒化物半導体層１に選択的に注入する。
【００３０】
図３は、加速エネルギーを３０〜２００ＫｅＶ、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2として、Ｓｉイオンを窒化物半導体層１に注入したときのＳｉ濃度と、その深さとの関係を、モンテカルロ計算で求めたグラフである。この図３から、加速エネルギーを５０ＫｅＶとし、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2として、Ｓｉイオンを上述の窒化物半導体層１に注入した場合には、窒化粒半導体層１の表面におけるＳｉ濃度は１×１０19ｃｍ-3以上になることが分かる。
【００３１】
上述の結果に基づき、本実施の形態では、加速エネルギーを５０ＫｅＶとし、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2として、Ｓｉイオンを窒化物半導体層１に注入することにより、表面でのＳｉ濃度が１×１０19ｃｍ-3となる高濃度不純物領域２を形成する。ただし、高濃度不純物領域２の形成はこれに限ったものではなく、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2以上にすることにより、窒化物半導体層１表面におけるＳｉ濃度を１×１０19ｃｍ-3以上としてもよい。なお、Ｓｉイオンの注入を実施しなくても窒化物半導体層１から剥離しにくい電極１１を形成することはできるが、本実施の形態では、図２に示したようにオーミック特性を良くするために当該注入を実施している。
【００３２】
その後、高濃度不純物領域２を有する窒化物半導体層１に対して、１１００〜１２００℃の温度により短時間の急速加熱（Rapid Thermal Annealing：ＲＴＡ）処理を行う。
【００３３】
＜電極１１の形成＞
次に、電極１１を形成する。ここでは、電極１１を形成する場所以外、つまり高濃度不純物領域２を形成した場所以外の窒化物半導体層１上にレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、レジストパターンが形成されなかった窒化物半導体層１、及び、レジストパターンのそれぞれの上に、蒸着法などによって、下地電極層３、主電極層４、保護電極層５を順に積層した後、レジストパターンを除去する。つまり、本実施の形態では、リフトオフ法を用いて電極１１を形成する。
【００３４】
次に、下地電極層３、主電極層４、保護電極層５の形成について詳細に説明する。
【００３５】
まず、主電極層４の金属よりも、窒素との結合を形成するエネルギーが低い金属を用いて、下地電極層３を形成する。その後、下地電極層３上に、上述の第１及び第２金属とからなる合金を用いて主電極層４を形成する。それから、主電極層４上に、水素よりもイオン化傾向が小さい金属を用いて、保護電極層５を形成する。
【００３６】
ここで、主電極層４の形成には、第１及び第２金属が予め合金化されたターゲットを用いて蒸着法もしくはスパッタ法を行ってもよい。あるいは、主電極層４の形成には、第１及び第２金属をそれぞれ単体とするターゲットを同一るつぼ内に投入し、電子ビームにより溶融しつつ同時蒸着してもよい。ただし、後者の場合には、第１及び第２金属それぞれの融点及び熱伝導率の違いによって同時に蒸着されない可能性があることから、融点や熱伝導率が大幅に異ならない第１及び第２金属に対してのみ採用できると考えられる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、下地電極層３、主電極層４、保護電極層５の厚さがそれぞれ２０ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍとなるように、つまり電極１１の厚さが１２５ｎｍとなるように形成する。これら電極層の厚さについては、後で詳細に説明する。
【００３８】
＜電極１１の合金化＞
その後、主電極層４から下地電極層３への第１金属の拡散を含む、下地電極層３及び主電極層４の各種金属の相互拡散を促進する工程として、窒素雰囲気中にて６５０〜１０００℃の温度で短時間のＲＴＡ処理を行う。
【００３９】
なお、ここではＲＴＡの温度上限として１０００℃としているが、金属の熱拡散の向上のみを考慮するのであれば、電極１１を構成する金属元素の融点以下の温度のうち、なるべく高い温度であることが好ましい。しかし、窒化物半導体の成長温度に近い１０００℃を超える温度では、窒化物半導体層１の分解が生じる恐れがあることも考慮すべきであることから、ここでのＲＴＡは、１０００℃以下の温度に留めておくべきである。
【００４０】
さて、ＲＴＡによる相互拡散の結果、主電極層４の合金中の第１金属（ここではＮｂ）が、下地電極層３内において窒化物半導体層１と接触する。本実施の形態では、第１金属は、金属の窒化物である下地電極層３よりも仕事関数が窒化物半導体層１に近いことから、電極１１と窒化物半導体層１との間のエネルギー障壁の高さを下げることができ、コンタクト抵抗が低い電極１１を得ることができる。また、これとは別に、本実施の形態では、窒化物半導体層１は不純物としてＳｉを含み、その不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3以上としていることから、電極１１と窒化物半導体層１との間のエネルギー障壁を薄くすることができる。このことはコンタクト抵抗が低い電極１１を得る上で有効に働く。
【００４１】
以上のように、本実施の形態では、窒化物半導体層１が不純物としてＳｉを１×１０19ｃｍ-3以上含んでおり、また、窒化物半導体層１に対して仕事関数が近い第１金属を下地電極層３及び主電極層４が含んでいることから、これらによる相乗効果が得られる。したがって、本実施の形態では、コンタクト抵抗が比較的大きく低減された電極１１を得ることができる。
【００４２】
＜下地電極層３の厚さ＞
以上により、本実施の形態に係る半導体装置を製造することができる。なお、以上の説明では、下地電極層３、主電極層４及び保護電極層５の厚さを、それぞれ２０ｎｍ、５０ｎｍ及び５５ｎｍとしたが、必ずしもこの厚さである必要はない。ただし、既に述べたように、本実施の形態では、窒素空孔を発生させることによってオーミック特性を改善するとともに、主電極層４に含まれる第１金属を拡散させて窒化物半導体層１と接触させることによってオーミック特性を改善することから、下地電極層３の膜厚には上限及び下限があると予測される。
【００４３】
そこで、まず、膜厚の下限を調べるために、下地電極層３の膜厚を変えて評価を実施した。具体的には、ＮｂとＰｔの合金からなる主電極層４の膜厚は５０ｎｍに揃えて一定とし、Ｔｉからなる下地電極層３を１０ｎｍ，１５ｎｍ，２０ｎｍ，２５ｎｍの膜厚でそれぞれ形成し、それに伴いＰｔからなる保護電極層５を６５ｎｍ，６０ｎｍ，５５ｎｍ，５０ｎｍの膜厚でそれぞれ形成した。つまり、電極１１の厚さの合計は１２５ｎｍに揃えて一定として、サンプルを作成した。そして、下地電極層３及び保護電極層５の厚さが異なるこれらサンプルについて、コンタクト抵抗（接触抵抗）ρcをＴＬＭ（Transfer Length Method）法により求めた。
【００４４】
図４は、そのときの結果を示す図である。横軸はＴｉ（下地電極層３）の膜厚を示し、横軸はコンタクト抵抗を示す。これによるとＴｉ膜厚が１５ｎｍ以下になるとコンタクト抵抗が急激に増大する傾向がある。したがって、下地電極層３の厚さは１５ｎｍ以上であることが好ましいことが分かる。
【００４５】
次に、下地電極層３の厚さの上限について説明する。下地電極層３の効果は、窒化物半導体層１中の窒素と結合することにより、電極１１の当該窒化物半導体層への密着性を高める点にあり、接触抵抗を低減できるように仕事関数やウェットエッチング耐性については着目していない。ここで、下地電極層３をあまりに厚く形成してしまうと、主電極層４の第１金属が拡散して窒化物半導体層１に接触することが妨げられ、コンタクト抵抗を低減することができなくなる。そればかりか、課題である電極１１での酸・アルカリに対する腐食耐性を欠く結果となる。経験的には、下地電極層３は、その膜厚が図４の最大値である２５ｎｍ以下となるように形成すれば、オーミック特性が良好となるとともに、ウェットエッチングなどのエッチング耐性が良好となる。
【００４６】
以上をまとめると、下地電極層３は１５ｎｍ〜２５ｎｍの範囲で形成することが望ましい。これにより、窒化物半導体層１と高い密着性を有するとともに、オーミック特性が良好な電極１１を得ることができる。
【００４７】
＜効果＞
本実施の形態では、主電極層４は、窒化物半導体層１に対して下地電極層３よりも仕事関数が近い第１金属（ここではＮｂ）を含み、下地電極層３も第１金属（ここでは拡散された第１金属）を含んでいる。したがって、コンタクト抵抗が低い、つまりオーミック特性が良好な半導体装置を得ることができる。また、主電極層４は、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属（ここではＰｔ）を、第１金属との合金として含んでいる。これにより、第１金属と第２金属との相互拡散を、これらを金属層として積層する従来構造よりも向上させることができるので、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有する半導体装置を得ることができる。また、下地電極層３は、主電極層４よりも窒素との反応性が高い金属を含んでいることから、電極１１の窒化物半導体層１からの剥離の発生を低減することができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、主電極層４上に保護電極層５が設けられている。したがって、主電極層４の酸化を防ぐことができることから、酸・アルカリによる腐食に対する耐性を高めることができる。また、ドライエッチングなどのエッチング耐性を確保する効果も期待できる。
【００４９】
また、本実施の形態では、主電極層４から下地電極層３への第１金属の拡散を促進するためのＲＴＡ処理が電極１１に施されている。したがって、オーミック特性をより良好にすることができる。また、第２金属の拡散も期待することができ、ウェットエッチングなどのエッチング耐性を確保する効果も期待できる。
【００５０】
また、本実施の形態では、高濃度不純物領域２の不純物はＳｉであり、その不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3以上である。したがって、オーミック特性をより良好にすることができる。
【００５１】
また、本実施の形態では、下地電極層３は、Ｔｉを主成分としている。これにより、電極１１の窒化物半導体層１への良好な密着性と、オーミック特性の良化とを両立することができる。なお、下地電極層３としては、これらを両立できるものであればＴｉを主成分としなくてもよく、例えばＴａやＮｉを主成分としてもよい。すなわち、下地電極層３は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉのいずれかを主成分とすればよい。
【００５２】
また、本実施の形態では、下地電極層３の厚さは１５ｎｍ以上である。これにより、オーミック特性をより良好にすることができる。
【００５３】
また、本実施の形態では、窒化物半導体層１は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層から成る１層以上の層であるが、窒化物半導体層１は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層に限ったものではなく、他の結晶の層、例えば、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）層を含んでもよい。この場合であっても、上述と同様の半導体装置を得ることができる。
【００５４】
以上の説明では、窒化物半導体層１はＭＯＣＶＤ法で形成するとしたが、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などのほかのエピタキシャル成長法を用いて形成してもよい。また、窒化物半導体層１が形成される基板はＳｉＣであるとしたが、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ基板、サファイア基板であっても上述と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２に係るＨＥＭＴの構造を模式的に示す断面図である。なお、以下、本実施の形態に係るＨＥＭＴについての説明において、実施の形態１で説明した構成要素と類似するものについては同じ符号を付して説明を省略する。
【００５６】
本実施の形態に係るＨＥＭＴは、基板２１と、基板２１の上に順に形成されたバッファ層２２、チャネル層２３、上述の窒化物半導体層１に対応するバリア層２４と、上述の電極１１に対応するソース・ドレイン電極２５と、ソース・ドレイン電極２５の間に設けられたゲート電極２６とを備えている。なお、ここでは、Ｓｉを不純物とし、不純物濃度が１×１０19ｃｍ-3である高濃度不純物領域２が、バリア層２４の表面からチャネル層２３にかけて設けられている。
【００５７】
＜製造工程＞
次に、本実施の形態に係るＨＥＭＴの製造工程について説明する。まず、基板２１上に、バッファ層２２、チャネル層２３、及び、バリア層２４を順に形成する。その次に、ソース・ドレイン電極２５が形成される領域にのみ、実施の形態１と同様の方法により、加速エネルギーを５０ＫｅＶとし、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2として、Ｓｉイオンをチャネル層２３及びバリア層２４に注入することにより、高濃度不純物領域２を形成する。
【００５８】
次に、実施の形態１と同様の方法により、ソース・ドレイン電極２５を形成する場所以外、つまり高濃度不純物領域２を形成した場所以外のバリア層２４上にレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、レジストパターンが形成されなかったバリア層２４、及び、レジストパターンのそれぞれの上に、下地電極層３、主電極層４及び保護電極層５をこの順に積層した後、レジストパターンを除去する。つまり、本実施の形態では、リフトオフ法を用いてソース・ドレイン電極２５を形成する。ゲート電極２６も同様にリフトオフ法により形成する。
【００５９】
以上により構成されたＨＥＭＴは、実施の形態１と同様、ソース・ドレイン電極２５のコンタクト抵抗値が低減される。したがって、高電圧・高周波で動作可能なＨＥＭＴを得ることができる。
【００６０】
なお、以上の説明ではプレーナ型のトランジスタに適用した場合について言及したが、選択エッチングや選択成長により形成されるゲートリセス構造に適用した場合にも、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 窒化物半導体層、２ 高濃度不純物領域、３ 下地電極層、４ 主電極層、５ 保護電極層、１１ 電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）、レーザーダイオードなどの半導体装置に関するものであり、特に窒化物半導体層を備える半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体を用いたＨＥＭＴを高出力かつ高周波で動作させるための重要な課題の一つは、ソース・ドレイン電極のコンタクト抵抗を十分に低下させることである。なぜなら、コンタクト抵抗が大きいと寄生抵抗が増大して、トランスコンダクタンスが低くなる結果、出力電圧、動作周波数が低下するからである。
【０００３】
ｎ型III族窒化物半導体層に対して良好なオーミックコンタクトを得る手段として、特許文献１には、ＳｉドープＧａＮ層上に、ＴｉとＡｌが含まれる合金、またはＴｉとＡｌとが積層された複数の膜から電極を形成する方法が記載されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の方法のようにＡｌを含む電極を採用すれば接触抵抗を低くすることはできるが、形成工程におけるエッチングにより電極が損傷する。そこで、特許文献２では、Ａｌの代わりにＮｂを主成分とする電極構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２２１１０３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１２４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、発明者は、調査の結果、特許文献２で提案された３層積層タイプのオーミック電極を形成した場合にも、エッチングにより電極が損傷を受ける可能性があることを見出した。そして、特許文献２の技術では、電極形成後に４００〜７００℃の温度で短時間の熱処理が実施されているものの、ＮｂやＰｔなどの高融点金属の相互拡散が十分でないことが、異種金属界面における標準電極電位差に起因したガルバニック腐食や、金属層の腐食耐性が低い順の侵食が生じてしまう原因となるのではないかと、発明者は考えた。
【０００７】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、半導体装置においてオーミック特性を良好にし、かつ、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有することが可能な技術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】
【０００８】
本発明に係る半導体装置は、不純物が添加された不純物領域を有する窒化物半導体層と、前記不純物領域上に順に積層された下地電極層及び主電極層を含む電極とを備える。前記主電極層は、前記窒化物半導体層に対して前記下地電極層よりも仕事関数が近い第１金属と、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属とからなる合金を主成分として含む。前記下地電極層は、前記主電極層よりも窒素との反応性が高い金属を主成分として含み、かつ、前記第１金属を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、主電極層は、窒化物半導体層に対して下地電極層よりも仕事関数が近い第１金属を含み、下地電極層も第１金属を含んでいる。したがって、オーミック特性が良好な半導体装置を得ることができる。また、主電極層は、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属を、第１金属との合金として含んでいる。これにより、第１金属と第２金属との相互拡散を、これらを金属層として積層する従来構造よりも向上させることができるので、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有する半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】不純物の注入有無に応じた通電特性を示すグラフである。
【図３】Ｓｉ濃度と深さとの関係を示すグラフである。
【図４】サンプルのコンタクト抵抗を示す図である。
【図５】実施の形態２に係るＨＥＭＴの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ｎ型不純物が注入（添加）された高濃度不純物領域（不純物領域）２を有する窒化物半導体層１と、高濃度不純物領域２上に設けられた複数の電極層を含む電極１１とを備えている。なお、窒化物半導体層１は、図示しないＳｉＣ基板上に形成されているものとする。
【００１２】
本実施の形態では、電極１１下の窒化物半導体層１にｎ型不純物が注入されて高濃度不純物領域２が形成されている。詳細については後述するが、この高濃度不純物領域２でのキャリア濃度が増大していることから、電極１１（オーミック電極）と窒化物半導体層１との接触領域におけるコンタクト抵抗を低減することが可能となっている。なお、本実施の形態では、高濃度不純物領域２のｎ型不純物はＳｉであるものとし、その不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3とする。
【００１３】
図２は、ＡｌＧａＮからなる窒化物半導体層１中にｎ型不純物としてＳｉを注入した場合の通電特性（白抜き四角の点）と、注入していない場合の通電特性（黒塗り丸の点）とを示すグラフである。横軸は印加電圧を示し、縦軸は半導体装置に流れる電流を示す。このグラフによると、Ｓｉを注入した場合には印加電圧の大きさに比例して電流値が増大しており、良好なオーミック性を確認できるが、Ｓｉを注入していない場合には印加電圧によらず、ほとんど電流が流れないことが分かる。本実施の形態では、上述のように窒化物半導体層１にＳｉが注入されて高濃度不純物領域２が形成されていることから、オーミック性が良好となっている。
【００１４】
次に、高濃度不純物領域２上に形成される電極１１は、順に積層された下地電極層３、主電極層４及び保護電極層５を含んでいる。
【００１５】
下地電極層３は、主電極層４よりも窒素との反応性が高い金属を主成分として含んでいる。したがって、窒化物半導体層１中の窒素と結合しやすくなっており、電極１１と窒化物半導体層１との付着力が高くなっている。つまり、電極１１が窒化物半導体層１から剥がれにくくなっている。なお、本実施の形態では、下地電極層３はＴｉを主成分として含んでおり、下地電極層３の膜厚は２０ｎｍであるものとする。また、この下地電極層３は、次に説明する第１金属も含んでいる。
【００１６】
主電極層４は、第１金属と第２金属とからなる合金を主成分として含んでいる。ここで、第１金属は、窒化物半導体層１に対して下地電極層３よりも仕事関数が近い（ここでは低い）金属である。第２金属は、例えば貴金属であり、水素よりもイオン化傾向が小さい金属である。詳細については後述するが、電極１１は、このような主電極層４を含むことにより、低抵抗なオーミック性を有し、かつ腐食耐性が高いオーミック電極となっている。なお、本実施の形態では、第１金属及び第２金属はそれぞれＮｂ及びＰｔであり、主電極層４の膜厚は５０ｎｍであるものとする。
【００１７】
保護電極層５は、水素よりもイオン化傾向が小さい金属（例えばＳｂ，Ｂｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒのいずれか）を主成分として含んでおり、主電極層４における侵食を抑制している。本実施の形態では、保護電極層５の当該金属は第２金属と同じ金属（Ｐｔ）であり、保護電極層５の膜厚は５５ｎｍであるものとする。
【００１８】
なお、本実施の形態では、主電極層４での腐食耐性を大きく高めるために、主電極層４上に保護電極層５を設けた構造としているが、保護電極層５を設けなかったとしても、主電極層４内の第２金属の作用により当該腐食耐性を高めることは可能である。しかしながら、長期間の酸・アルカリへの曝露による合金の粒界に沿った侵食を確実に抑制する、つまり主電極層４での耐腐食性を高める観点から、保護電極層５を設けることが好ましい。また、保護電極層５に含まれる金属は、主電極層４に含まれる貴金属と同一の金属である必要はないが、互いに異なる金属を用いた場合に生じる、標準電極電位差に起因したガルバニック腐食を抑制する観点から、特段の事情がない限り同一の金属を用いることが好ましい。
【００１９】
次に、以上のような半導体装置の構造をとれば、課題を解決することができることについて説明する。
【００２０】
第一に、窒化物半導体層１中に高濃度の不純物（ｎ型不純物）が注入（添加）されたことによってオーミック性が良好となっている。ここで、一般的に、金属と半導体とを接合すると、熱平衡状態においてこれら二つの物質のフェルミ準位が一致しなければならないことから、理想的には金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差分に相当するエネルギー障壁が、金属と半導体の界面に存在することになる。
【００２１】
これに対し、本実施の形態では、上述のように窒化物半導体層１に不純物が添加されていることから、金属・半導体接触によるエネルギーバンドは変調を受けており、不純物が添加された電極１１との界面近傍の伝導帯エネルギーは引き下げられている。その結果、上述のエネルギー障壁の高さは変わらないものの、その厚さが薄くなり、エネルギー障壁を電子がトンネルする確率を高めることができる。よって、コンタクト抵抗を低減することができる。
【００２２】
第二に、下地電極層３は窒化物半導体層１中の窒素と結合し、窒化物を形成することによって電極１１の安定化が図られている。つまり、窒化物半導体層１からの電極１１の剥離の発生を抑制することができている。また、窒化物半導体層１において窒素が抜けたことにより発生した窒素空孔は、ｎ型不純物として機能する。したがって上述のエネルギー障壁を薄くする効果も得られ、コンタクト抵抗を低減することも期待できる。なお、以上のような２つの効果が期待できる下地電極層３として例えばＴｉ、Ｔａ、Ｎｉがあるが、特に窒化物を形成しやすいＴｉ、Ｔａを用いて下地電極層３を形成すれば、優れた効果が期待できる。
【００２３】
第三に、上述のような下地電極層３の選定は、窒化物形成を容易にして電極１１の剥離を抑制することを主目的としており、コンタクト抵抗を低減することを主目的としていない。そこで、コンタクト抵抗を確実に低減するために主電極層４が構成されている。
【００２４】
具体的には、金属・半導体接触界面に存在するエネルギー障壁の高さは、上述したように、金属の仕事関数と半導体の電子親和力の差分に相当している。ここで、本実施の形態では、主電極層４が、仕事関数が窒化物半導体層１の電子親和力と近い金属を、第１金属として含んでおり、この第１金属が下地電極層３において窒化物半導体層１と接触するように拡散されている。したがって、本実施の形態によれば、エネルギー障壁の高さを低くすることができ、電子がエネルギー障壁を超えて移動する確率やトンネル確率を上昇させることができる。よって、コンタクト抵抗の低減が期待できる。ここで参考までに、金属の仕事関数及び半導体の電子親和力のデータを引用すると、Ｔｉ（４．３３ｅＶ）、Ｔａ（４．２５ｅＶ）、Ｎｉ（５．１５ｅＶ）、Ａｌ（４．２８ｅＶ）、Ｎｂ（４．３ｅＶ）、ＧａＮ（４．１ｅＶ）、ＡｌＮ（０．６ｅＶ）である。
【００２５】
なお、第１金属が下地電極層３内を拡散して窒化物半導体層１と接触するためには、主電極層４の金属と、下地電極層３の金属とが相互拡散することが必要である。したがって、例えば、下地電極層３及び主電極層４の形成後に熱処理等の拡散を促進する処理を行うことが必須である。ここで、第１金属が窒化物半導体層１と接触し易くなるように下地電極層３の膜厚を薄くしすぎると、上述の窒素空孔が発生しにくくなるのでコンタクト抵抗が増大する。逆に、窒素空孔が発生し易くなるように下地電極層３を厚くしすぎると、当該相互拡散を十分に行うことができなくなるのでコンタクト抵抗が増大すると考えられる。したがって、下地電極層３の膜厚には、後述するように上限及び下限を設けることが望ましい。
【００２６】
さて、仮に、窒化物半導体層１の電子親和力に近い仕事関数を有する第１金属のみを用いて主電極層４を形成した場合には、酸・アルカリに対する十分な腐食耐性を得ることは困難である。
【００２７】
そこで、第四として、本実施の形態では、主電極層４は、水素イオンよりもイオン化傾向を小さい金属、つまり化学的安定度が高い金属を第２金属として含んでいる。しかも、本実施の形態では、主電極層４は、このような第２金属を、第１金属との合金として含んでいる。これにより、第１金属と第２金属との相互拡散が、これらを金属層として積層する従来構造よりも向上させることができることから、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有することができる。なお、自然酸化による電極材料の変成に伴う酸・アルカリへの腐食耐性の劣化を確実に抑制するという観点から、第２金属には、ＡｕやＰｔのように酸化しにくい貴金属が好ましい。
【００２８】
＜製造工程＞
次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造工程について説明する。
【００２９】
＜窒化物半導体層１及び高濃度不純物領域２の形成＞
まず、ＳｉＣ基板（図示せず）上に有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）から成る１層以上の層をエピタキシャル成長させて、窒化物半導体層１を形成する。それから、Ｓｉイオンを、窒化物半導体層１に選択的に注入する。
【００３０】
図３は、加速エネルギーを３０〜２００ＫｅＶ、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2として、Ｓｉイオンを窒化物半導体層１に注入したときのＳｉ濃度と、その深さとの関係を、モンテカルロ計算で求めたグラフである。この図３から、加速エネルギーを５０ＫｅＶとし、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2として、Ｓｉイオンを上述の窒化物半導体層１に注入した場合には、窒化粒半導体層１の表面におけるＳｉ濃度は１×１０19ｃｍ-3以上になることが分かる。
【００３１】
上述の結果に基づき、本実施の形態では、加速エネルギーを５０ＫｅＶとし、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2として、Ｓｉイオンを窒化物半導体層１に注入することにより、表面でのＳｉ濃度が１×１０19ｃｍ-3となる高濃度不純物領域２を形成する。ただし、高濃度不純物領域２の形成はこれに限ったものではなく、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2以上にすることにより、窒化物半導体層１表面におけるＳｉ濃度を１×１０19ｃｍ-3以上としてもよい。なお、Ｓｉイオンの注入を実施しなくても窒化物半導体層１から剥離しにくい電極１１を形成することはできるが、本実施の形態では、図２に示したようにオーミック特性を良くするために当該注入を実施している。
【００３２】
その後、高濃度不純物領域２を有する窒化物半導体層１に対して、１１００〜１２００℃の温度により短時間の急速加熱（Rapid Thermal Annealing：ＲＴＡ）処理を行う。
【００３３】
＜電極１１の形成＞
次に、電極１１を形成する。ここでは、電極１１を形成する場所以外、つまり高濃度不純物領域２を形成した場所以外の窒化物半導体層１上にレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、レジストパターンが形成されなかった窒化物半導体層１、及び、レジストパターンのそれぞれの上に、蒸着法などによって、下地電極層３、主電極層４、保護電極層５を順に積層した後、レジストパターンを除去する。つまり、本実施の形態では、リフトオフ法を用いて電極１１を形成する。
【００３４】
次に、下地電極層３、主電極層４、保護電極層５の形成について詳細に説明する。
【００３５】
まず、主電極層４の金属よりも、窒素との結合を形成するエネルギーが低い金属を用いて、下地電極層３を形成する。その後、下地電極層３上に、上述の第１及び第２金属とからなる合金を用いて主電極層４を形成する。それから、主電極層４上に、水素よりもイオン化傾向が小さい金属を用いて、保護電極層５を形成する。
【００３６】
ここで、主電極層４の形成には、第１及び第２金属が予め合金化されたターゲットを用いて蒸着法もしくはスパッタ法を行ってもよい。あるいは、主電極層４の形成には、第１及び第２金属をそれぞれ単体とするターゲットを同一るつぼ内に投入し、電子ビームにより溶融しつつ同時蒸着してもよい。ただし、後者の場合には、第１及び第２金属それぞれの融点及び熱伝導率の違いによって同時に蒸着されない可能性があることから、融点や熱伝導率が大幅に異ならない第１及び第２金属に対してのみ採用できると考えられる。
【００３７】
なお、本実施の形態では、下地電極層３、主電極層４、保護電極層５の厚さがそれぞれ２０ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍとなるように、つまり電極１１の厚さが１２５ｎｍとなるように形成する。これら電極層の厚さについては、後で詳細に説明する。
【００３８】
＜電極１１の合金化＞
その後、主電極層４から下地電極層３への第１金属の拡散を含む、下地電極層３及び主電極層４の各種金属の相互拡散を促進する工程として、窒素雰囲気中にて６５０〜１０００℃の温度で短時間のＲＴＡ処理を行う。
【００３９】
なお、ここではＲＴＡの温度上限として１０００℃としているが、金属の熱拡散の向上のみを考慮するのであれば、電極１１を構成する金属元素の融点以下の温度のうち、なるべく高い温度であることが好ましい。しかし、窒化物半導体の成長温度に近い１０００℃を超える温度では、窒化物半導体層１の分解が生じる恐れがあることも考慮すべきであることから、ここでのＲＴＡは、１０００℃以下の温度に留めておくべきである。
【００４０】
さて、ＲＴＡによる相互拡散の結果、主電極層４の合金中の第１金属（ここではＮｂ）が、下地電極層３内において窒化物半導体層１と接触する。本実施の形態では、第１金属は、金属の窒化物である下地電極層３よりも仕事関数が窒化物半導体層１に近いことから、電極１１と窒化物半導体層１との間のエネルギー障壁の高さを下げることができ、コンタクト抵抗が低い電極１１を得ることができる。また、これとは別に、本実施の形態では、窒化物半導体層１は不純物としてＳｉを含み、その不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3以上としていることから、電極１１と窒化物半導体層１との間のエネルギー障壁を薄くすることができる。このことはコンタクト抵抗が低い電極１１を得る上で有効に働く。
【００４１】
以上のように、本実施の形態では、窒化物半導体層１が不純物としてＳｉを１×１０19ｃｍ-3以上含んでおり、また、窒化物半導体層１に対して仕事関数が近い第１金属を下地電極層３及び主電極層４が含んでいることから、これらによる相乗効果が得られる。したがって、本実施の形態では、コンタクト抵抗が比較的大きく低減された電極１１を得ることができる。
【００４２】
＜下地電極層３の厚さ＞
以上により、本実施の形態に係る半導体装置を製造することができる。なお、以上の説明では、下地電極層３、主電極層４及び保護電極層５の厚さを、それぞれ２０ｎｍ、５０ｎｍ及び５５ｎｍとしたが、必ずしもこの厚さである必要はない。ただし、既に述べたように、本実施の形態では、窒素空孔を発生させることによってオーミック特性を改善するとともに、主電極層４に含まれる第１金属を拡散させて窒化物半導体層１と接触させることによってオーミック特性を改善することから、下地電極層３の膜厚には上限及び下限があると予測される。
【００４３】
そこで、まず、膜厚の下限を調べるために、下地電極層３の膜厚を変えて評価を実施した。具体的には、ＮｂとＰｔの合金からなる主電極層４の膜厚は５０ｎｍに揃えて一定とし、Ｔｉからなる下地電極層３を１０ｎｍ，１５ｎｍ，２０ｎｍ，２５ｎｍの膜厚でそれぞれ形成し、それに伴いＰｔからなる保護電極層５を６５ｎｍ，６０ｎｍ，５５ｎｍ，５０ｎｍの膜厚でそれぞれ形成した。つまり、電極１１の厚さの合計は１２５ｎｍに揃えて一定として、サンプルを作成した。そして、下地電極層３及び保護電極層５の厚さが異なるこれらサンプルについて、コンタクト抵抗（接触抵抗）ρcをＴＬＭ（Transfer Length Method）法により求めた。
【００４４】
図４は、そのときの結果を示す図である。横軸はＴｉ（下地電極層３）の膜厚を示し、横軸はコンタクト抵抗を示す。これによるとＴｉ膜厚が１５ｎｍ以下になるとコンタクト抵抗が急激に増大する傾向がある。したがって、下地電極層３の厚さは１５ｎｍ以上であることが好ましいことが分かる。
【００４５】
次に、下地電極層３の厚さの上限について説明する。下地電極層３の効果は、窒化物半導体層１中の窒素と結合することにより、電極１１の当該窒化物半導体層への密着性を高める点にあり、接触抵抗を低減できるように仕事関数やウェットエッチング耐性については着目していない。ここで、下地電極層３をあまりに厚く形成してしまうと、主電極層４の第１金属が拡散して窒化物半導体層１に接触することが妨げられ、コンタクト抵抗を低減することができなくなる。そればかりか、課題である電極１１での酸・アルカリに対する腐食耐性を欠く結果となる。経験的には、下地電極層３は、その膜厚が図４の最大値である２５ｎｍ以下となるように形成すれば、オーミック特性が良好となるとともに、ウェットエッチングなどのエッチング耐性が良好となる。
【００４６】
以上をまとめると、下地電極層３は１５ｎｍ〜２５ｎｍの範囲で形成することが望ましい。これにより、窒化物半導体層１と高い密着性を有するとともに、オーミック特性が良好な電極１１を得ることができる。
【００４７】
＜効果＞
本実施の形態では、主電極層４は、窒化物半導体層１に対して下地電極層３よりも仕事関数が近い第１金属（ここではＮｂ）を含み、下地電極層３も第１金属（ここでは拡散された第１金属）を含んでいる。したがって、コンタクト抵抗が低い、つまりオーミック特性が良好な半導体装置を得ることができる。また、主電極層４は、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属（ここではＰｔ）を、第１金属との合金として含んでいる。これにより、第１金属と第２金属との相互拡散を、これらを金属層として積層する従来構造よりも向上させることができるので、酸・アルカリによる腐食に対し高い耐性を有する半導体装置を得ることができる。また、下地電極層３は、主電極層４よりも窒素との反応性が高い金属を含んでいることから、電極１１の窒化物半導体層１からの剥離の発生を低減することができる。
【００４８】
また、本実施の形態では、主電極層４上に保護電極層５が設けられている。したがって、主電極層４の酸化を防ぐことができることから、酸・アルカリによる腐食に対する耐性を高めることができる。また、ドライエッチングなどのエッチング耐性を確保する効果も期待できる。
【００４９】
また、本実施の形態では、主電極層４から下地電極層３への第１金属の拡散を促進するためのＲＴＡ処理が電極１１に施されている。したがって、オーミック特性をより良好にすることができる。また、第２金属の拡散も期待することができ、ウェットエッチングなどのエッチング耐性を確保する効果も期待できる。
【００５０】
また、本実施の形態では、高濃度不純物領域２の不純物はＳｉであり、その不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3以上である。したがって、オーミック特性をより良好にすることができる。
【００５１】
また、本実施の形態では、下地電極層３は、Ｔｉを主成分としている。これにより、電極１１の窒化物半導体層１への良好な密着性と、オーミック特性の良化とを両立することができる。なお、下地電極層３としては、これらを両立できるものであればＴｉを主成分としなくてもよく、例えばＴａやＮｉを主成分としてもよい。すなわち、下地電極層３は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉのいずれかを主成分とすればよい。
【００５２】
また、本実施の形態では、下地電極層３の厚さは１５ｎｍ以上である。これにより、オーミック特性をより良好にすることができる。
【００５３】
また、本実施の形態では、窒化物半導体層１は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層から成る１層以上の層であるが、窒化物半導体層１は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層に限ったものではなく、他の結晶の層、例えば、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）層を含んでもよい。この場合であっても、上述と同様の半導体装置を得ることができる。
【００５４】
以上の説明では、窒化物半導体層１はＭＯＣＶＤ法で形成するとしたが、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などのほかのエピタキシャル成長法を用いて形成してもよい。また、窒化物半導体層１が形成される基板はＳｉＣであるとしたが、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ基板、サファイア基板であっても上述と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施の形態２に係るＨＥＭＴの構造を模式的に示す断面図である。なお、以下、本実施の形態に係るＨＥＭＴについての説明において、実施の形態１で説明した構成要素と類似するものについては同じ符号を付して説明を省略する。
【００５６】
本実施の形態に係るＨＥＭＴは、基板２１と、基板２１の上に順に形成されたバッファ層２２、チャネル層２３、上述の窒化物半導体層１に対応するバリア層２４と、上述の電極１１に対応するソース・ドレイン電極２５と、ソース・ドレイン電極２５の間に設けられたゲート電極２６とを備えている。なお、ここでは、Ｓｉを不純物とし、不純物濃度が１×１０19ｃｍ-3である高濃度不純物領域２が、バリア層２４の表面からチャネル層２３にかけて設けられている。
【００５７】
＜製造工程＞
次に、本実施の形態に係るＨＥＭＴの製造工程について説明する。まず、基板２１上に、バッファ層２２、チャネル層２３、及び、バリア層２４を順に形成する。その次に、ソース・ドレイン電極２５が形成される領域にのみ、実施の形態１と同様の方法により、加速エネルギーを５０ＫｅＶとし、注入濃度を１×１０15ｃｍ-2として、Ｓｉイオンをチャネル層２３及びバリア層２４に注入することにより、高濃度不純物領域２を形成する。
【００５８】
次に、実施の形態１と同様の方法により、ソース・ドレイン電極２５を形成する場所以外、つまり高濃度不純物領域２を形成した場所以外のバリア層２４上にレジストパターン（図示せず）を形成する。そして、レジストパターンが形成されなかったバリア層２４、及び、レジストパターンのそれぞれの上に、下地電極層３、主電極層４及び保護電極層５をこの順に積層した後、レジストパターンを除去する。つまり、本実施の形態では、リフトオフ法を用いてソース・ドレイン電極２５を形成する。ゲート電極２６も同様にリフトオフ法により形成する。
【００５９】
以上により構成されたＨＥＭＴは、実施の形態１と同様、ソース・ドレイン電極２５のコンタクト抵抗値が低減される。したがって、高電圧・高周波で動作可能なＨＥＭＴを得ることができる。
【００６０】
なお、以上の説明ではプレーナ型のトランジスタに適用した場合について言及したが、選択エッチングや選択成長により形成されるゲートリセス構造に適用した場合にも、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 窒化物半導体層、２ 高濃度不純物領域、３ 下地電極層、４ 主電極層、５ 保護電極層、１１ 電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物が添加された不純物領域を有する窒化物半導体層と、
前記不純物領域上に順に積層された下地電極層及び主電極層を含む電極とを備え、
前記主電極層は、前記窒化物半導体層に対して前記下地電極層よりも仕事関数が近い第１金属と、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属とからなる合金を主成分として含み、
前記下地電極層は、前記主電極層よりも窒素との反応性が高い金属を主成分として含み、かつ、前記第１金属を含む、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記電極は、
前記主電極層上に設けられ、水素よりもイオン化傾向が小さい金属を主成分として含む保護電極層をさらに含む、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
窒素雰囲気中にて６５０℃以上１０００℃以下の温度による、前記主電極層から前記下地電極層への前記第１金属の拡散を促進するためのＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理が、前記電極に施されている、半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記不純物領域の前記不純物はＳｉであり、その不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3以上である、半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記下地電極層は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉのいずれかを主成分とする、半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１金属はＮｂであり、前記第２金属はＰｔである、半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記下地電極層の厚さは１５ｎｍ以上である、半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記窒化物半導体層は、
ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層、または、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）層である、半導体装置。
【請求項９】
（ａ）窒化物半導体層に不純物を注入して不純物領域を形成する工程と
（ｂ）前記不純物領域上に下地電極層及び主電極層を順に積層して電極を形成する工程とを備え、
前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）前記不純物領域上に、前記主電極層よりも窒素との反応性が高い金属を用いて前記下地電極層を形成する工程と、
（ｂ−２）前記下地電極層上に、前記窒化物半導体層に対して前記下地電極層よりも仕事関数が近い第１金属と、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属とからなる合金を用いて前記主電極層を形成する工程とを含み、
（ｃ）前記工程（ｂ）後に、前記主電極層から前記下地電極層への前記第１金属の拡散を促進する工程をさらに備える、半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ａ）において、
Ｓｉイオンを１×１０15ｃｍ-2以上の注入濃度で前記窒化物半導体層に注入することにより、不純物濃度が１×１０19ｃｍ-3以上の領域を前記不純物領域として形成し、
前記工程（ｃ）において、
窒素雰囲気中にて６５０℃以上１０００℃以下の温度により、前記拡散を促進するためのＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理を前記電極に施す、半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、
前記主電極層上に、水素よりもイオン化傾向が小さい金属を用いて保護電極層を形成する工程を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）において、
Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉのいずれかを用いて前記下地電極層を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）において、
前記第１金属であるＮｂと、前記第２金属であるＰｔとからなる合金を用いて前記主電極層を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項９乃至請求項１３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）において、
１５ｎｍ以上の厚さを有する前記下地電極層を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項９乃至請求項１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ａ）において、
前記窒化物半導体層として、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層、または、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）層を準備することを含む、半導体装置の製造方法。
【請求項１】
不純物が添加された不純物領域を有する窒化物半導体層と、
前記不純物領域上に順に積層された下地電極層及び主電極層を含む電極とを備え、
前記主電極層は、前記窒化物半導体層に対して前記下地電極層よりも仕事関数が近い第１金属と、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属とからなる合金を主成分として含み、
前記下地電極層は、前記主電極層よりも窒素との反応性が高い金属を主成分として含み、かつ、前記第１金属を含む、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記電極は、
前記主電極層上に設けられ、水素よりもイオン化傾向が小さい金属を主成分として含む保護電極層をさらに含む、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
窒素雰囲気中にて６５０℃以上１０００℃以下の温度による、前記主電極層から前記下地電極層への前記第１金属の拡散を促進するためのＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理が、前記電極に施されている、半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記不純物領域の前記不純物はＳｉであり、その不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3以上である、半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記下地電極層は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉのいずれかを主成分とする、半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記第１金属はＮｂであり、前記第２金属はＰｔである、半導体装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記下地電極層の厚さは１５ｎｍ以上である、半導体装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の半導体装置であって、
前記窒化物半導体層は、
ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層、または、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）層である、半導体装置。
【請求項９】
（ａ）窒化物半導体層に不純物を注入して不純物領域を形成する工程と
（ｂ）前記不純物領域上に下地電極層及び主電極層を順に積層して電極を形成する工程とを備え、
前記工程（ｂ）は、
（ｂ−１）前記不純物領域上に、前記主電極層よりも窒素との反応性が高い金属を用いて前記下地電極層を形成する工程と、
（ｂ−２）前記下地電極層上に、前記窒化物半導体層に対して前記下地電極層よりも仕事関数が近い第１金属と、水素よりもイオン化傾向が小さい第２金属とからなる合金を用いて前記主電極層を形成する工程とを含み、
（ｃ）前記工程（ｂ）後に、前記主電極層から前記下地電極層への前記第１金属の拡散を促進する工程をさらに備える、半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ａ）において、
Ｓｉイオンを１×１０15ｃｍ-2以上の注入濃度で前記窒化物半導体層に注入することにより、不純物濃度が１×１０19ｃｍ-3以上の領域を前記不純物領域として形成し、
前記工程（ｃ）において、
窒素雰囲気中にて６５０℃以上１０００℃以下の温度により、前記拡散を促進するためのＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理を前記電極に施す、半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、
前記主電極層上に、水素よりもイオン化傾向が小さい金属を用いて保護電極層を形成する工程を含む、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）において、
Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉのいずれかを用いて前記下地電極層を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１２のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）において、
前記第１金属であるＮｂと、前記第２金属であるＰｔとからなる合金を用いて前記主電極層を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項９乃至請求項１３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｂ）において、
１５ｎｍ以上の厚さを有する前記下地電極層を形成する、半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
請求項９乃至請求項１４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ａ）において、
前記窒化物半導体層として、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層、または、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）層を準備することを含む、半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１２６２８（Ｐ２０１３−１２６２８Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４５１９９（Ｐ２０１１−１４５１９９）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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