窒化物半導体装置およびその製造方法
【課題】窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】Ｓi基板１０上に形成されたアンドープＧaＮ層１,アンドープＡlＧaＮ層２と、アンドープＧaＮ層１,アンドープＡlＧaＮ層２上に形成されたＴi/Ａl/ＴiＮからなるオーミック電極(ソース電極１１,ドレイン電極１２)とを備える。上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とする。
【解決手段】Ｓi基板１０上に形成されたアンドープＧaＮ層１,アンドープＡlＧaＮ層２と、アンドープＧaＮ層１,アンドープＡlＧaＮ層２上に形成されたＴi/Ａl/ＴiＮからなるオーミック電極(ソース電極１１,ドレイン電極１２)とを備える。上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物半導体装置としては、ｎ型ＧaＮコンタクト層の表面に酸素プラズマ処理を行って酸素ドープ層を形成した後に、そのｎ型ＧaＮコンタクト層上にオーミック電極を形成することによって、ｎ型ＧaＮコンタクト層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減するものがある(例えば、特許第２９６７７４３号(特許文献１)参照)。
【０００３】
ところが、上記窒化物半導体装置について、本発明者が実際に実験を行ってＧaＮ層に酸素プラズマ処理を行った後にオーミック電極を形成した場合、オーミック電極のコンタクト抵抗が高く、十分に低いコンタクト抵抗を得ることはどうしてもできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２９６７７４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明の課題は、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記従来の窒化物半導体装置のようにＧaＮ層側に酸素をドープさせることなく、窒化物半導体層上に形成されたオーミック電極のコンタクト抵抗について鋭意検討した結果、ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中に酸化物ができない程度の酸素原子を不純物として含有させたとき、オーミック電極中の酸素濃度に応じて窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗の特性が変化することを発見した。
【０００７】
本発明は、このような本発明者の発見に基づいて、オーミック電極中の酸素濃度が特定の範囲内であるときにコンタクト抵抗が大幅に減少することを実験により初めて見出したものである。
【０００８】
すなわち、第１の発明の窒化物半導体装置は、
基板と、
上記基板上に形成された窒化物半導体層と、
上記窒化物半導体層上に形成されたＴiＡl系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中の酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする。
【０００９】
ここで、上記窒化物半導体装置の窒化物半導体は、ＡlxＩnyＧa１−x−yＮ(ｘ≦０、ｙ≦０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。また、ＴiＡl系材料としては、少なくともＴi/Ａlからなり、その上にＴiＮのキャップ層を積層してもよいし、Ａlの上にＡu,Ａg,Ｐtなどを積層してもよい。
【００１０】
上記構成によれば、ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００１１】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記窒化物半導体層は、上記基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含み、
上記第１半導体層と上記第２半導体層とのヘテロ界面に２次元電子ガスが形成され、
上記第２半導体層を貫通して上記第１半導体層の上側の一部に凹部が形成され、上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれている。
【００１２】
上記実施形態によれば、第２半導体層を貫通して第１半導体層の上側の一部に形成された凹部に、オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、第１半導体層と第２半導体層とのヘテロ界面の２次元電子ガスとオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００１３】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記ＴiＡl系材料からなるオーミック電極は、少なくともＴi層とＡl層とが上記基板側から順に積層された積層金属膜である。
【００１４】
上記実施形態によれば、少なくともＴi層とＡl層とが基板側から順に積層された積層金属膜であるオーミック電極を用いて、製造時にＴi層に酸素を含ませる工程によって、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが容易にできる。
【００１５】
また、第２の発明の窒化物半導体装置の製造方法では、
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング中にチャンバー内に酸素を流すことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング中にチャンバー内に酸素を流して、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００１７】
また、第３の発明の窒化物半導体装置の製造方法では
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリングの前にチャンバー内に酸素を流すことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリングの前にチャンバー内に酸素を流して、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００１９】
また、第４の発明の窒化物半導体装置の製造方法では
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップの後、かつ、上記オーミック電極を形成するステップの前に、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング後にそのＴi層の表面に対して酸素プラズマ処理を行うことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップの後、かつ、オーミック電極を形成するステップの前に、ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング後にそのＴi層の表面に対して酸素プラズマ処理を行って、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００２１】
また、一実施形態の窒化物半導体装置の製造方法では
上記第１〜第３の発明の窒化物半導体装置の製造方法において、
上記窒化物半導体層は、上記基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含み、
上記窒化物半導体層を形成した後、かつ、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成する前に、エッチングにより上記第２半導体層を貫通して上記第１半導体層の上側の一部に凹部を形成するステップを含み、
上記第１半導体層と上記第２半導体層とのヘテロ界面に２次元電子ガスが形成されると共に、
上記オーミック電極を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングして上記凹部に少なくとも一部が埋め込まれた上記オーミック電極を形成する。
【００２２】
上記実施形態によれば、エッチングにより第２半導体層を貫通して第１半導体層の上側の一部に形成された凹部に、オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、第１半導体層と第２半導体層とのヘテロ界面の２次元電子ガスとオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００２３】
また、一実施形態の窒化物半導体装置の製造方法では
上記アニールを行うステップにおいて、上記オーミック電極が形成された上記基板を４００℃以上かつ５００℃以下で加熱する。
【００２４】
上記実施形態によれば、アニールを行うステップにおいて、オーミック電極が形成された基板を４００℃以上かつ５００℃以下で加熱することによって、５００℃以上の高温でアニールした場合に比べて、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減できる。
【発明の効果】
【００２５】
以上より明らかなように、この発明の窒化物半導体装置およびその製造方法によれば、ＧaＮ系半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図である。
【図２】図２は上記窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図３】図３は図２に続く工程断面図である。
【図４】図４は図３に続く工程断面図である。
【図５】図５は図４に続く工程断面図である。
【図６】図６はこの発明の第３実施形態の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図７】図７は図６に続く工程断面図である。
【図８】図８は図７に続く工程断面図である。
【図９】図９は図１５に続く工程断面図である。
【図１０】図１０は図９に続く工程断面図である。
【図１１】図１１はオーミック電極中の酸素濃度とコンタクト抵抗との関係を示す図である。
【図１２】図１２はオーミック電極のアニール温度とコンタクト抵抗との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明の窒化物半導体装置およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２８】
〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示しており、この窒化物半導体装置はＧaＮ系ＨＦＥＴ(Hetero-junction Field Effect Transistor；ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。
【００２９】
この半導体装置は、図１に示すように、Ｓi基板１０上に、アンドープＡlＧaＮバッファ層１５、第１半導体層の一例としてのアンドープＧaＮ層１と、第２半導体層の一例としてのアンドープＡlＧaＮ層２からなる窒化物半導体層２０を形成している。このアンドープＧaＮ層１とアンドープＡlＧaＮ層２との界面に２ＤＥＧ(２次元電子ガス)が発生する。
【００３０】
また、ＡlＧaＮ層２上に、互いに間隔をあけてソース電極１１とドレイン電極１２とを形成している。また、ＡlＧaＮ層２上に、ソース電極１１とドレイン電極１２との間かつソース電極１１側にゲート電極１３を形成している。ソース電極１１とドレイン電極１２はオーミック電極であり、ゲート電極１３はショットキー電極である。上記ソース電極１１と、ドレイン電極１２と、ゲート電極１３と、そのソース電極１１,ドレイン電極１２,ゲート電極１３が形成されたＧaＮ層１,ＡlＧaＮ層２の活性領域でＨＦＥＴを構成している。
【００３１】
ここで、活性領域とは、ＡlＧaＮ層２上のソース電極１１とドレイン電極１２との間に配置されたゲート電極１３に印加される電圧によって、ソース電極１１とドレイン電極１２との間でキャリアが流れる窒化物半導体層２０(ＧaＮ層１,ＡlＧaＮ層２)の領域である。
【００３２】
そして、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３が形成された領域を除くＡlＧaＮ層２上に、ＡlＧaＮ層２を保護するため、ＳiＯ２からなる絶縁膜３０を形成している。また、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３とが形成されたＳi基板１０上に、ポリイミドからなる層間絶縁膜４０を形成している。また、図１において、４１はコンタクト部としてのビア、４２はドレイン電極パッドである。なお、絶縁膜は、ＳiＯ２に限らず、ＳiＮやＡl２Ｏ３などを用いてもよい。特に、絶縁膜として、コラプス抑制のために半導体層表面にストイキオメトリックを崩したＳiＮ膜と表面保護のためのＳiＯ２やＳiＮの多層膜構造とするのが好ましい。また、層間絶縁膜は、ポリイミドに限らず、ｐ−ＣＶＤで製造したＳiＯ２膜やＳＯＧ(Spin On Glass)やＢＰＳＧ(ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。
【００３３】
上記構成の窒化物半導体装置において、ＧaＮ層１とＡlＧaＮ層２との界面に形成された２次元電子ガス(２ＤＥＧ)が発生してチャネル層が形成される。このチャネル層をゲート電極１３に電圧を印加することにより制御して、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３を有するＨＦＥＴをオンオフさせる。このＨＦＥＴは、ゲート電極１３に負電圧が印加されているときにゲート電極１３下のＧaＮ層１に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極１３の電圧がゼロのときにゲート電極１３下のＧaＮ層１に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。
【００３４】
次に、上記窒化物半導体装置の製造方法を図２〜図６に従って説明する。なお、図２〜図６では、図を見やすくするためにＳi基板やアンドープＡlＧaＮバッファ層を図示せず、また、ソース電極とドレイン電極の大きさや間隔を変えている。
【００３５】
まず、図２に示すように、Ｓi基板(図示せず)上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法を用いて、アンドープＡlＧaＮバッファ層(図示せず)、アンドープＧaＮ層１０１とアンドープＡlＧaＮ層１０２を順に形成する。アンドープＧaＮ層１０１の厚さは例えば１μm、アンドープＡlＧaＮ層１０２の厚さは例えば３０ｎｍとする。このＧaＮ層１０１とＡlＧaＮ層１０２が窒化物半導体層１２０を構成している。次に、ＡlＧaＮ層１０２上に絶縁膜１３０(例えばＳiＯ２)を例えばプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長))法により２００ｎｍ成膜する。図２において、１０３は、ＧaＮ層１０１とＡlＧaＮ層１０２とのヘテロ界面に形成される２次元電子ガス(２ＤＥＧ)である。
【００３６】
次に、図３に示すように、絶縁膜１３０上にフォトレジストを塗布してパターニングした後、ドライエッチングによりオーミック電極を形成すべき部分を除去して、ＡlＧaＮ層１０２を貫通してＧaＮ層１０１の上側の一部に凹部１０６を形成する。凹部１０６の深さはＡlＧaＮ層１０２の表面から２ＤＥＧまでの深さ以上であればよく、例えば５０ｎｍとする。そして、ドライエッチング後にアニールを行う(例えば５００〜８５０℃)。
【００３７】
次に、図４に示すように、絶縁膜１３０上および凹部１０６にスパッタリングによりＴi/Ａl/ＴiＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成する。ここで、ＴiＮ層は、後工程からＴi/Ａl層を保護するためのキャップ層である。
【００３８】
このとき、Ｔi成膜中に少量(例えば５sccm)の酸素をチャンバー内に流す。ここで、酸素の流量は、Ｔiの酸化物が生成されない量とする。
【００３９】
次に、図５に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極１１１,１１２のパターンを形成する。
【００４０】
そして、オーミック電極１１１,１１２が形成された基板を例えば４００℃以上かつ５００℃以下で１０分以上アニールすることによって、２次元電子ガス(２ＤＥＧ)とオーミック電極１１１,１１２との間にオーミックコンタクトが得られる。この場合、５００℃以上の高温でアニールした場合に比べてコンタクト抵抗を大幅に低減できる。また、４００℃以上かつ５００℃以下の低温でアニールすることにより絶縁膜の特性に悪影響を与えることがない。
【００４１】
このオーミック電極１１１,１１２がソース電極とドレイン電極となり、後の工程でオーミック電極１１１,１１２の間にＴiＮまたはＷＮなどからなるゲート電極が形成される。
【００４２】
上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成するときに、Ｔi成膜中に酸素をチャンバー内に流すことによって、オーミックコンタクトのためのアニール前のオーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが可能となる。これによって、アニール後の窒化物半導体層の２ＤＥＧとオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００４３】
なお、オーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度は、ＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectroscopy:二次イオン質量分析法)によりアニールによる合金化の前に測定している。
【００４４】
本発明は、窒化物半導体装置の１つであるＧaＮ系ＨＦＥＴについて本発明者が行った様々な実験の過程で、ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中の酸素濃度がコンタクト抵抗に影響することを偶然見出し、その影響について研究した結果によるものであるが、その具体的な原理については未だ不明である。
【００４５】
また、ＡlＧaＮ層１０２を貫通してＧaＮ層１０１の上側の一部に凹部１０６にオーミック電極１１１,１１２の一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、ＧaＮ層１０１とＡlＧaＮ層１０２とのヘテロ界面の２次元電子ガス(２ＤＥＧ)とオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００４６】
また、Ｔi層とＡl層とが基板側から順に積層された積層金属膜であるオーミック電極１１１,１１２を用いて、ＡlＧaＮ層１０２上に最初に形成されるＴi層に酸素を含ませることによって、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが容易にできる。
【００４７】
上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜１３０、ＡlＧaＮ層１０２、ＧaＮ層１０１をドライエッチングにより除去し、凹部１０６を形成したが、絶縁膜１３０をウェットエッチングにより除去し、その後ＡlＧaＮ層１０２、ＧaＮ層１０１をドライエッチングにより除去することにより、凹部１０６を形成してもよい。
【００４８】
上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、Ｔi/Ａl/ＴiＮを積層してオーミック電極としたが、これに限らず、ＴiＮはなくともよく、また、Ｔi/Ａlを積層した後、その上にＡu,Ａg,Ｐtなどを積層してもよい。
【００４９】
〔第２実施形態〕
次に、この発明の第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法を説明する。この第２実施形態の窒化物半導体装置は、図１に示す第１実施形態の窒化物半導体装置と同一の構成をしている。また、この第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、Ｔi成膜中にチャンバー内に酸素を流す代わりにＴi成膜前にチャンバー内に酸素を流すことを除いて第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法と同一の工程を有し、図２〜図５を援用する。
【００５０】
以下、第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法と異なる点について説明する。
【００５１】
第１実施形態において、絶縁膜１３０上および凹部１０６にスパッタリングによりＴi/Ａl/ＴiＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成するときに、Ｔi成膜中に少量の酸素をチャンバー内に流したのに対して、この第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法では、Ｔi成膜前にチャンバー内に酸素を例えば５０ｓｃｃｍ、５分間流すことによって、オーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが可能となる。
【００５２】
上記第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法と同様の効果を有する。
【００５３】
上記第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、オーミック電極となる積層金属膜１０７をスパッタリングにより形成するときに、Ｔi成膜前にチャンバー内に酸素を流すことによって、オーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが可能となる。これによって、窒化物半導体層の２ＤＥＧとオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００５４】
〔第３実施形態〕
図６はこの発明の第３実施形態の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図を示している。この第３実施形態の窒化物半導体装置は、図１に示す第１実施形態の窒化物半導体装置と同一の構成をしている。
【００５５】
まず、図６に示すように、Ｓi基板(図示せず)上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、アンドープＧaＮ層２０１とアンドープＡlＧaＮ層２０２を順に形成する。このＧaＮ層２０１とＡlＧaＮ層２０２が窒化物半導体層２２０を構成している。次に、ＡlＧaＮ層２０２上に絶縁膜２３０(例えばＳiＯ２)を成膜する。図２において、２０３は、ＧaＮ層２０１とＡlＧaＮ層２０２とのヘテロ界面に形成される２次元電子ガス(２ＤＥＧ)である。
【００５６】
次に、図７に示すように、絶縁膜２３０上にフォトレジストを塗布してパターニングした後、ドライエッチングによりオーミック電極を形成すべき部分を除去することによって、ＡlＧaＮ層２０２を貫通してＧaＮ層２０１の上側の一部に凹部２０６を形成する。そして、ドライエッチング後にアニールを行う(例えば５００〜８５０℃)を行う。
【００５７】
次に、図８に示すように、絶縁膜２３０上および凹部２０６にスパッタリングによりＴi層２０７を形成する。
【００５８】
次に、Ｔi層２０７表面に酸素プラズマ処理を行う。この酸素プラズマ処理は、例えば６０℃において、酸素を９００ｓｃｃｍの流量に設定し、ＲＦパワー１０００Ｗにて５分間行うことが望ましい。
【００５９】
次に、図９に示すように、絶縁膜２３０上および凹部２０６にスパッタリングによりＡl/ＴiＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜２０８を形成する。
【００６０】
次に、図１０に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極２１１,２１２のパターンを形成する。
【００６１】
図１８は図１０に続く工程断面図である。
【００６２】
そして、オーミック電極１１１,１１２が形成された基板を例えば４００℃以上かつ５００℃以下で１０分以上アニールすることによって、２ＤＥＧとオーミック電極１１１,１１２との間にオーミックコンタクトが得られる。
【００６３】
上記第３実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法と同様の効果を有する。
【００６４】
上記第３実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成するときに、Ｔi層のスパッタリング後にそのＴi層の表面に対して酸素プラズマ処理を行うことによって、オーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが可能となる。これによって、窒化物半導体層の２ＤＥＧとオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００６５】
図１１は上記窒化物半導体装置のオーミック電極中の酸素濃度とコンタクト抵抗との関係を示す図である。
【００６６】
ただし、図１１の酸素濃度(横軸)は、アニールする前のオーミック電極中の酸素濃度をＳＩＭＳにより測定している。なお、酸素濃度の測定は、ＡＥＳ(Atomic Emission Spectroscopy:オージェ電子分光法)などの他の測定方法を用いて行ってもよい。
【００６７】
一方、図１１のコンタクト抵抗(縦軸)は、アニールした後のオーミック電極のコンタクト抵抗を測定したものである。
【００６８】
図１１から明らかなように、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることで、コンタクト抵抗が６Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置を実現することができる。特に、オーミック電極中の酸素濃度が１×１０２０ｃｍ−３を越えたところにコンタクト抵抗が急激に増大する変曲点が存在し、このオーミック電極中の酸素濃度に依存したコンタクト抵抗特性の変曲点はこれまで全く知られていなかった。
【００６９】
このようなコンタクト抵抗が６Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置は、シリコン素子よりも大電流駆動が可能でかつ高温動作に適した製品として性能面およびコスト面で商業的価値を有する。
【００７０】
また、図１２は第１実施形態に示す窒化物半導体装置の製造方法を用いて作製したオーミック電極のアニール温度とコンタクト抵抗との関係を表す図である。
【００７１】
このとき、Ｔi成膜中に５ｓｃｃｍの酸素をチャンバー内に流しながらスパッタリングを行い、アニールする前のオーミック電極中の酸素濃度をＳＩＭＳにより測定したところ、２×１０１９ｃｍ−３であった。
【００７２】
このように、４００℃以上かつ５００℃以下の温度でアニールすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減できることがわかる。
【００７３】
通常、ｎ型ＧaＮのアニール温度が６００℃、ノンドープＧaＮのアニール温度が８００℃で行われるのに対して、この窒化物半導体装置の製造方法では、アニールを行うステップにおいて、オーミック電極が形成された基板を４００℃以上かつ５００℃以下の低い温度で加熱することによって、アニール温度が４００℃より低温かまたは５００℃より高温の場合に比べて、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減することができる。
【００７４】
上記第１〜第３実施の形態では、Ｓi基板を用いた窒化物半導体装置について説明したが、Ｓi基板に限らず、サファイヤ基板やＳiＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳiＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧaＮ基板にＡlＧaＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成してもよいし、窒化物半導体層の第１半導体層と第１半導体層と第２半導体層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。
【００７５】
また、上記第１〜第３実施の形態では、オーミック電極がＧaＮ層に達するリセス構造のＨＦＥＴについて説明したが、リセスを形成せずにアンドープＡlＧaＮ層上にソース電極およびドレイン電極となるオーミック電極を形成したＨＦＥＴにこの発明を適用してもよい。また、この発明の窒化物半導体装置は、２ＤＥＧを利用するＨＦＥＴに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。
【００７６】
また、上記第１〜第３実施の形態では、ノーマリーオンタイプのＨＦＥＴについて説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置にこの発明を適用してもよい。また、ショットキー電極に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタにこの発明を適用してもよい。
【００７７】
この発明の窒化物半導体装置の窒化物半導体は、ＡlxＩnyＧa１−x−yＮ(ｘ≦０、ｙ≦０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。
【００７８】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１,１０１,２０１……ＧaＮ層
２,１０２,２０２…ＡlＧaＮ層
３,１０３,２０３…２ＤＥＧ
１１…ソース電極
１２…ドレイン電極
１３…ゲート電極
１５…ＡlＧaＮバッファ層
２０…窒化物半導体層
３０,１３０,２３０…絶縁膜
４０…層間絶縁膜
４１…ビア
４２…ドレイン電極パッド
１１１,２１１,１１２,２１２…オーミック電極
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物半導体装置としては、ｎ型ＧaＮコンタクト層の表面に酸素プラズマ処理を行って酸素ドープ層を形成した後に、そのｎ型ＧaＮコンタクト層上にオーミック電極を形成することによって、ｎ型ＧaＮコンタクト層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減するものがある(例えば、特許第２９６７７４３号(特許文献１)参照)。
【０００３】
ところが、上記窒化物半導体装置について、本発明者が実際に実験を行ってＧaＮ層に酸素プラズマ処理を行った後にオーミック電極を形成した場合、オーミック電極のコンタクト抵抗が高く、十分に低いコンタクト抵抗を得ることはどうしてもできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２９６７７４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明の課題は、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記従来の窒化物半導体装置のようにＧaＮ層側に酸素をドープさせることなく、窒化物半導体層上に形成されたオーミック電極のコンタクト抵抗について鋭意検討した結果、ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中に酸化物ができない程度の酸素原子を不純物として含有させたとき、オーミック電極中の酸素濃度に応じて窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗の特性が変化することを発見した。
【０００７】
本発明は、このような本発明者の発見に基づいて、オーミック電極中の酸素濃度が特定の範囲内であるときにコンタクト抵抗が大幅に減少することを実験により初めて見出したものである。
【０００８】
すなわち、第１の発明の窒化物半導体装置は、
基板と、
上記基板上に形成された窒化物半導体層と、
上記窒化物半導体層上に形成されたＴiＡl系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中の酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする。
【０００９】
ここで、上記窒化物半導体装置の窒化物半導体は、ＡlxＩnyＧa１−x−yＮ(ｘ≦０、ｙ≦０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。また、ＴiＡl系材料としては、少なくともＴi/Ａlからなり、その上にＴiＮのキャップ層を積層してもよいし、Ａlの上にＡu,Ａg,Ｐtなどを積層してもよい。
【００１０】
上記構成によれば、ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００１１】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記窒化物半導体層は、上記基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含み、
上記第１半導体層と上記第２半導体層とのヘテロ界面に２次元電子ガスが形成され、
上記第２半導体層を貫通して上記第１半導体層の上側の一部に凹部が形成され、上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれている。
【００１２】
上記実施形態によれば、第２半導体層を貫通して第１半導体層の上側の一部に形成された凹部に、オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、第１半導体層と第２半導体層とのヘテロ界面の２次元電子ガスとオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００１３】
また、一実施形態の窒化物半導体装置では、
上記ＴiＡl系材料からなるオーミック電極は、少なくともＴi層とＡl層とが上記基板側から順に積層された積層金属膜である。
【００１４】
上記実施形態によれば、少なくともＴi層とＡl層とが基板側から順に積層された積層金属膜であるオーミック電極を用いて、製造時にＴi層に酸素を含ませる工程によって、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが容易にできる。
【００１５】
また、第２の発明の窒化物半導体装置の製造方法では、
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング中にチャンバー内に酸素を流すことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング中にチャンバー内に酸素を流して、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００１７】
また、第３の発明の窒化物半導体装置の製造方法では
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリングの前にチャンバー内に酸素を流すことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリングの前にチャンバー内に酸素を流して、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００１９】
また、第４の発明の窒化物半導体装置の製造方法では
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップの後、かつ、上記オーミック電極を形成するステップの前に、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング後にそのＴi層の表面に対して酸素プラズマ処理を行うことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップの後、かつ、オーミック電極を形成するステップの前に、ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング後にそのＴi層の表面に対して酸素プラズマ処理を行って、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００２１】
また、一実施形態の窒化物半導体装置の製造方法では
上記第１〜第３の発明の窒化物半導体装置の製造方法において、
上記窒化物半導体層は、上記基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含み、
上記窒化物半導体層を形成した後、かつ、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成する前に、エッチングにより上記第２半導体層を貫通して上記第１半導体層の上側の一部に凹部を形成するステップを含み、
上記第１半導体層と上記第２半導体層とのヘテロ界面に２次元電子ガスが形成されると共に、
上記オーミック電極を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングして上記凹部に少なくとも一部が埋め込まれた上記オーミック電極を形成する。
【００２２】
上記実施形態によれば、エッチングにより第２半導体層を貫通して第１半導体層の上側の一部に形成された凹部に、オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、第１半導体層と第２半導体層とのヘテロ界面の２次元電子ガスとオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００２３】
また、一実施形態の窒化物半導体装置の製造方法では
上記アニールを行うステップにおいて、上記オーミック電極が形成された上記基板を４００℃以上かつ５００℃以下で加熱する。
【００２４】
上記実施形態によれば、アニールを行うステップにおいて、オーミック電極が形成された基板を４００℃以上かつ５００℃以下で加熱することによって、５００℃以上の高温でアニールした場合に比べて、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減できる。
【発明の効果】
【００２５】
以上より明らかなように、この発明の窒化物半導体装置およびその製造方法によれば、ＧaＮ系半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を低減できる窒化物半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図である。
【図２】図２は上記窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図３】図３は図２に続く工程断面図である。
【図４】図４は図３に続く工程断面図である。
【図５】図５は図４に続く工程断面図である。
【図６】図６はこの発明の第３実施形態の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図７】図７は図６に続く工程断面図である。
【図８】図８は図７に続く工程断面図である。
【図９】図９は図１５に続く工程断面図である。
【図１０】図１０は図９に続く工程断面図である。
【図１１】図１１はオーミック電極中の酸素濃度とコンタクト抵抗との関係を示す図である。
【図１２】図１２はオーミック電極のアニール温度とコンタクト抵抗との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明の窒化物半導体装置およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２８】
〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態の窒化物半導体装置の断面図を示しており、この窒化物半導体装置はＧaＮ系ＨＦＥＴ(Hetero-junction Field Effect Transistor；ヘテロ接合電界効果トランジスタ)である。
【００２９】
この半導体装置は、図１に示すように、Ｓi基板１０上に、アンドープＡlＧaＮバッファ層１５、第１半導体層の一例としてのアンドープＧaＮ層１と、第２半導体層の一例としてのアンドープＡlＧaＮ層２からなる窒化物半導体層２０を形成している。このアンドープＧaＮ層１とアンドープＡlＧaＮ層２との界面に２ＤＥＧ(２次元電子ガス)が発生する。
【００３０】
また、ＡlＧaＮ層２上に、互いに間隔をあけてソース電極１１とドレイン電極１２とを形成している。また、ＡlＧaＮ層２上に、ソース電極１１とドレイン電極１２との間かつソース電極１１側にゲート電極１３を形成している。ソース電極１１とドレイン電極１２はオーミック電極であり、ゲート電極１３はショットキー電極である。上記ソース電極１１と、ドレイン電極１２と、ゲート電極１３と、そのソース電極１１,ドレイン電極１２,ゲート電極１３が形成されたＧaＮ層１,ＡlＧaＮ層２の活性領域でＨＦＥＴを構成している。
【００３１】
ここで、活性領域とは、ＡlＧaＮ層２上のソース電極１１とドレイン電極１２との間に配置されたゲート電極１３に印加される電圧によって、ソース電極１１とドレイン電極１２との間でキャリアが流れる窒化物半導体層２０(ＧaＮ層１,ＡlＧaＮ層２)の領域である。
【００３２】
そして、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３が形成された領域を除くＡlＧaＮ層２上に、ＡlＧaＮ層２を保護するため、ＳiＯ２からなる絶縁膜３０を形成している。また、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３とが形成されたＳi基板１０上に、ポリイミドからなる層間絶縁膜４０を形成している。また、図１において、４１はコンタクト部としてのビア、４２はドレイン電極パッドである。なお、絶縁膜は、ＳiＯ２に限らず、ＳiＮやＡl２Ｏ３などを用いてもよい。特に、絶縁膜として、コラプス抑制のために半導体層表面にストイキオメトリックを崩したＳiＮ膜と表面保護のためのＳiＯ２やＳiＮの多層膜構造とするのが好ましい。また、層間絶縁膜は、ポリイミドに限らず、ｐ−ＣＶＤで製造したＳiＯ２膜やＳＯＧ(Spin On Glass)やＢＰＳＧ(ホウ素・リン・シリケート・ガラス)などの絶縁材料を用いてもよい。
【００３３】
上記構成の窒化物半導体装置において、ＧaＮ層１とＡlＧaＮ層２との界面に形成された２次元電子ガス(２ＤＥＧ)が発生してチャネル層が形成される。このチャネル層をゲート電極１３に電圧を印加することにより制御して、ソース電極１１とドレイン電極１２とゲート電極１３を有するＨＦＥＴをオンオフさせる。このＨＦＥＴは、ゲート電極１３に負電圧が印加されているときにゲート電極１３下のＧaＮ層１に空乏層が形成されてオフ状態となる一方、ゲート電極１３の電圧がゼロのときにゲート電極１３下のＧaＮ層１に空乏層がなくなってオン状態となるノーマリーオンタイプのトランジスタである。
【００３４】
次に、上記窒化物半導体装置の製造方法を図２〜図６に従って説明する。なお、図２〜図６では、図を見やすくするためにＳi基板やアンドープＡlＧaＮバッファ層を図示せず、また、ソース電極とドレイン電極の大きさや間隔を変えている。
【００３５】
まず、図２に示すように、Ｓi基板(図示せず)上に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法を用いて、アンドープＡlＧaＮバッファ層(図示せず)、アンドープＧaＮ層１０１とアンドープＡlＧaＮ層１０２を順に形成する。アンドープＧaＮ層１０１の厚さは例えば１μm、アンドープＡlＧaＮ層１０２の厚さは例えば３０ｎｍとする。このＧaＮ層１０１とＡlＧaＮ層１０２が窒化物半導体層１２０を構成している。次に、ＡlＧaＮ層１０２上に絶縁膜１３０(例えばＳiＯ２)を例えばプラズマＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長))法により２００ｎｍ成膜する。図２において、１０３は、ＧaＮ層１０１とＡlＧaＮ層１０２とのヘテロ界面に形成される２次元電子ガス(２ＤＥＧ)である。
【００３６】
次に、図３に示すように、絶縁膜１３０上にフォトレジストを塗布してパターニングした後、ドライエッチングによりオーミック電極を形成すべき部分を除去して、ＡlＧaＮ層１０２を貫通してＧaＮ層１０１の上側の一部に凹部１０６を形成する。凹部１０６の深さはＡlＧaＮ層１０２の表面から２ＤＥＧまでの深さ以上であればよく、例えば５０ｎｍとする。そして、ドライエッチング後にアニールを行う(例えば５００〜８５０℃)。
【００３７】
次に、図４に示すように、絶縁膜１３０上および凹部１０６にスパッタリングによりＴi/Ａl/ＴiＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成する。ここで、ＴiＮ層は、後工程からＴi/Ａl層を保護するためのキャップ層である。
【００３８】
このとき、Ｔi成膜中に少量(例えば５sccm)の酸素をチャンバー内に流す。ここで、酸素の流量は、Ｔiの酸化物が生成されない量とする。
【００３９】
次に、図５に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極１１１,１１２のパターンを形成する。
【００４０】
そして、オーミック電極１１１,１１２が形成された基板を例えば４００℃以上かつ５００℃以下で１０分以上アニールすることによって、２次元電子ガス(２ＤＥＧ)とオーミック電極１１１,１１２との間にオーミックコンタクトが得られる。この場合、５００℃以上の高温でアニールした場合に比べてコンタクト抵抗を大幅に低減できる。また、４００℃以上かつ５００℃以下の低温でアニールすることにより絶縁膜の特性に悪影響を与えることがない。
【００４１】
このオーミック電極１１１,１１２がソース電極とドレイン電極となり、後の工程でオーミック電極１１１,１１２の間にＴiＮまたはＷＮなどからなるゲート電極が形成される。
【００４２】
上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成するときに、Ｔi成膜中に酸素をチャンバー内に流すことによって、オーミックコンタクトのためのアニール前のオーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが可能となる。これによって、アニール後の窒化物半導体層の２ＤＥＧとオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００４３】
なお、オーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度は、ＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectroscopy:二次イオン質量分析法)によりアニールによる合金化の前に測定している。
【００４４】
本発明は、窒化物半導体装置の１つであるＧaＮ系ＨＦＥＴについて本発明者が行った様々な実験の過程で、ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中の酸素濃度がコンタクト抵抗に影響することを偶然見出し、その影響について研究した結果によるものであるが、その具体的な原理については未だ不明である。
【００４５】
また、ＡlＧaＮ層１０２を貫通してＧaＮ層１０１の上側の一部に凹部１０６にオーミック電極１１１,１１２の一部が埋め込まれたリセス構造の窒化物半導体装置において、ＧaＮ層１０１とＡlＧaＮ層１０２とのヘテロ界面の２次元電子ガス(２ＤＥＧ)とオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００４６】
また、Ｔi層とＡl層とが基板側から順に積層された積層金属膜であるオーミック電極１１１,１１２を用いて、ＡlＧaＮ層１０２上に最初に形成されるＴi層に酸素を含ませることによって、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが容易にできる。
【００４７】
上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜１３０、ＡlＧaＮ層１０２、ＧaＮ層１０１をドライエッチングにより除去し、凹部１０６を形成したが、絶縁膜１３０をウェットエッチングにより除去し、その後ＡlＧaＮ層１０２、ＧaＮ層１０１をドライエッチングにより除去することにより、凹部１０６を形成してもよい。
【００４８】
上記第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、Ｔi/Ａl/ＴiＮを積層してオーミック電極としたが、これに限らず、ＴiＮはなくともよく、また、Ｔi/Ａlを積層した後、その上にＡu,Ａg,Ｐtなどを積層してもよい。
【００４９】
〔第２実施形態〕
次に、この発明の第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法を説明する。この第２実施形態の窒化物半導体装置は、図１に示す第１実施形態の窒化物半導体装置と同一の構成をしている。また、この第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、Ｔi成膜中にチャンバー内に酸素を流す代わりにＴi成膜前にチャンバー内に酸素を流すことを除いて第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法と同一の工程を有し、図２〜図５を援用する。
【００５０】
以下、第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法と異なる点について説明する。
【００５１】
第１実施形態において、絶縁膜１３０上および凹部１０６にスパッタリングによりＴi/Ａl/ＴiＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成するときに、Ｔi成膜中に少量の酸素をチャンバー内に流したのに対して、この第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法では、Ｔi成膜前にチャンバー内に酸素を例えば５０ｓｃｃｍ、５分間流すことによって、オーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが可能となる。
【００５２】
上記第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法と同様の効果を有する。
【００５３】
上記第２実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、オーミック電極となる積層金属膜１０７をスパッタリングにより形成するときに、Ｔi成膜前にチャンバー内に酸素を流すことによって、オーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが可能となる。これによって、窒化物半導体層の２ＤＥＧとオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００５４】
〔第３実施形態〕
図６はこの発明の第３実施形態の窒化物半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図を示している。この第３実施形態の窒化物半導体装置は、図１に示す第１実施形態の窒化物半導体装置と同一の構成をしている。
【００５５】
まず、図６に示すように、Ｓi基板(図示せず)上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、アンドープＧaＮ層２０１とアンドープＡlＧaＮ層２０２を順に形成する。このＧaＮ層２０１とＡlＧaＮ層２０２が窒化物半導体層２２０を構成している。次に、ＡlＧaＮ層２０２上に絶縁膜２３０(例えばＳiＯ２)を成膜する。図２において、２０３は、ＧaＮ層２０１とＡlＧaＮ層２０２とのヘテロ界面に形成される２次元電子ガス(２ＤＥＧ)である。
【００５６】
次に、図７に示すように、絶縁膜２３０上にフォトレジストを塗布してパターニングした後、ドライエッチングによりオーミック電極を形成すべき部分を除去することによって、ＡlＧaＮ層２０２を貫通してＧaＮ層２０１の上側の一部に凹部２０６を形成する。そして、ドライエッチング後にアニールを行う(例えば５００〜８５０℃)を行う。
【００５７】
次に、図８に示すように、絶縁膜２３０上および凹部２０６にスパッタリングによりＴi層２０７を形成する。
【００５８】
次に、Ｔi層２０７表面に酸素プラズマ処理を行う。この酸素プラズマ処理は、例えば６０℃において、酸素を９００ｓｃｃｍの流量に設定し、ＲＦパワー１０００Ｗにて５分間行うことが望ましい。
【００５９】
次に、図９に示すように、絶縁膜２３０上および凹部２０６にスパッタリングによりＡl/ＴiＮを積層して、オーミック電極となる積層金属膜２０８を形成する。
【００６０】
次に、図１０に示すように、通常のフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いて、オーミック電極２１１,２１２のパターンを形成する。
【００６１】
図１８は図１０に続く工程断面図である。
【００６２】
そして、オーミック電極１１１,１１２が形成された基板を例えば４００℃以上かつ５００℃以下で１０分以上アニールすることによって、２ＤＥＧとオーミック電極１１１,１１２との間にオーミックコンタクトが得られる。
【００６３】
上記第３実施形態の窒化物半導体装置の製造方法は、第１実施形態の窒化物半導体装置の製造方法と同様の効果を有する。
【００６４】
上記第３実施形態の窒化物半導体装置の製造方法によれば、オーミック電極となる積層金属膜１０７を形成するときに、Ｔi層のスパッタリング後にそのＴi層の表面に対して酸素プラズマ処理を行うことによって、オーミック電極１１１,１１２中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることが可能となる。これによって、窒化物半導体層の２ＤＥＧとオーミック電極１１１,１１２とのコンタクト抵抗を低減できる。
【００６５】
図１１は上記窒化物半導体装置のオーミック電極中の酸素濃度とコンタクト抵抗との関係を示す図である。
【００６６】
ただし、図１１の酸素濃度(横軸)は、アニールする前のオーミック電極中の酸素濃度をＳＩＭＳにより測定している。なお、酸素濃度の測定は、ＡＥＳ(Atomic Emission Spectroscopy:オージェ電子分光法)などの他の測定方法を用いて行ってもよい。
【００６７】
一方、図１１のコンタクト抵抗(縦軸)は、アニールした後のオーミック電極のコンタクト抵抗を測定したものである。
【００６８】
図１１から明らかなように、オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下とすることで、コンタクト抵抗が６Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置を実現することができる。特に、オーミック電極中の酸素濃度が１×１０２０ｃｍ−３を越えたところにコンタクト抵抗が急激に増大する変曲点が存在し、このオーミック電極中の酸素濃度に依存したコンタクト抵抗特性の変曲点はこれまで全く知られていなかった。
【００６９】
このようなコンタクト抵抗が６Ωｍｍ以下の窒化物半導体装置は、シリコン素子よりも大電流駆動が可能でかつ高温動作に適した製品として性能面およびコスト面で商業的価値を有する。
【００７０】
また、図１２は第１実施形態に示す窒化物半導体装置の製造方法を用いて作製したオーミック電極のアニール温度とコンタクト抵抗との関係を表す図である。
【００７１】
このとき、Ｔi成膜中に５ｓｃｃｍの酸素をチャンバー内に流しながらスパッタリングを行い、アニールする前のオーミック電極中の酸素濃度をＳＩＭＳにより測定したところ、２×１０１９ｃｍ−３であった。
【００７２】
このように、４００℃以上かつ５００℃以下の温度でアニールすることによって、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減できることがわかる。
【００７３】
通常、ｎ型ＧaＮのアニール温度が６００℃、ノンドープＧaＮのアニール温度が８００℃で行われるのに対して、この窒化物半導体装置の製造方法では、アニールを行うステップにおいて、オーミック電極が形成された基板を４００℃以上かつ５００℃以下の低い温度で加熱することによって、アニール温度が４００℃より低温かまたは５００℃より高温の場合に比べて、窒化物半導体層とオーミック電極とのコンタクト抵抗を大幅に低減することができる。
【００７４】
上記第１〜第３実施の形態では、Ｓi基板を用いた窒化物半導体装置について説明したが、Ｓi基板に限らず、サファイヤ基板やＳiＣ基板を用いてもよく、サファイヤ基板やＳiＣ基板上に窒化物半導体層を成長させてもよいし、ＧaＮ基板にＡlＧaＮ層を成長させる等のように、窒化物半導体からなる基板上に窒化物半導体層を成長させてもよい。また、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を形成してもよいし、窒化物半導体層の第１半導体層と第１半導体層と第２半導体層との間にヘテロ改善層を形成してもよい。
【００７５】
また、上記第１〜第３実施の形態では、オーミック電極がＧaＮ層に達するリセス構造のＨＦＥＴについて説明したが、リセスを形成せずにアンドープＡlＧaＮ層上にソース電極およびドレイン電極となるオーミック電極を形成したＨＦＥＴにこの発明を適用してもよい。また、この発明の窒化物半導体装置は、２ＤＥＧを利用するＨＦＥＴに限らず、他の構成の電界効果トランジスタであっても同様の効果が得られる。
【００７６】
また、上記第１〜第３実施の形態では、ノーマリーオンタイプのＨＦＥＴについて説明したが、ノーマリーオフタイプの窒化物半導体装置にこの発明を適用してもよい。また、ショットキー電極に限らず、絶縁ゲート構造の電界効果トランジスタにこの発明を適用してもよい。
【００７７】
この発明の窒化物半導体装置の窒化物半導体は、ＡlxＩnyＧa１−x−yＮ(ｘ≦０、ｙ≦０、０≦ｘ＋ｙ≦１)で表されるものであればよい。
【００７８】
この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第１〜第３実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１,１０１,２０１……ＧaＮ層
２,１０２,２０２…ＡlＧaＮ層
３,１０３,２０３…２ＤＥＧ
１１…ソース電極
１２…ドレイン電極
１３…ゲート電極
１５…ＡlＧaＮバッファ層
２０…窒化物半導体層
３０,１３０,２３０…絶縁膜
４０…層間絶縁膜
４１…ビア
４２…ドレイン電極パッド
１１１,２１１,１１２,２１２…オーミック電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板上に形成された窒化物半導体層と、
上記窒化物半導体層上に形成されたＴiＡl系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中の酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
上記窒化物半導体層は、上記基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含み、
上記第１半導体層と上記第２半導体層とのヘテロ界面に２次元電子ガスが形成され、
上記第２半導体層を貫通して上記第１半導体層の上側の一部に凹部が形成され、上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の窒化物半導体装置において、
上記ＴiＡl系材料からなるオーミック電極は、少なくともＴi層とＡl層とが上記基板側から順に積層された積層金属膜であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項４】
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング中にチャンバー内に酸素を流すことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項５】
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリングの前にチャンバー内に酸素を流すことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項６】
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップの後、かつ、上記オーミック電極を形成するステップの前に、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング後にそのＴi層の表面に対して酸素プラズマ処理を行うことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項４から６までのいずれか１つに記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
上記窒化物半導体層は、上記基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含み、
上記窒化物半導体層を形成した後、かつ、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成する前に、エッチングにより上記第２半導体層を貫通して上記第１半導体層の上側の一部に凹部を形成するステップを含み、
上記第１半導体層と上記第２半導体層とのヘテロ界面に２次元電子ガスが形成されると共に、
上記オーミック電極を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングして上記凹部に少なくとも一部が埋め込まれた上記オーミック電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項４から７までのいずれか１つに記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
上記アニールを行うステップにおいて、上記オーミック電極が形成された上記基板を４００℃以上かつ５００℃以下で加熱することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１】
基板と、
上記基板上に形成された窒化物半導体層と、
上記窒化物半導体層上に形成されたＴiＡl系材料からなるオーミック電極と
を備え、
上記ＴiＡl系材料からなるオーミック電極中の酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体装置において、
上記窒化物半導体層は、上記基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含み、
上記第１半導体層と上記第２半導体層とのヘテロ界面に２次元電子ガスが形成され、
上記第２半導体層を貫通して上記第１半導体層の上側の一部に凹部が形成され、上記凹部に上記オーミック電極の少なくとも一部が埋め込まれていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の窒化物半導体装置において、
上記ＴiＡl系材料からなるオーミック電極は、少なくともＴi層とＡl層とが上記基板側から順に積層された積層金属膜であることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項４】
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング中にチャンバー内に酸素を流すことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項５】
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリングの前にチャンバー内に酸素を流すことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項６】
基板上に窒化物半導体層を形成するステップと、
上記窒化物半導体層上にＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップと、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングしてオーミック電極を形成するステップと、
上記オーミック電極が形成された上記基板に対してアニールを行うステップと
を含み、
上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成するステップの後、かつ、上記オーミック電極を形成するステップの前に、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜のうちのＴi層のスパッタリング後にそのＴi層の表面に対して酸素プラズマ処理を行うことによって、上記オーミック電極中の酸素濃度を１×１０１６ｃｍ−３以上かつ１×１０２０ｃｍ−３以下にすることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項４から６までのいずれか１つに記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
上記窒化物半導体層は、上記基板上に順に積層された第１半導体層およびその第１半導体層とヘテロ界面を形成する第２半導体層を含み、
上記窒化物半導体層を形成した後、かつ、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をスパッタリングにより形成する前に、エッチングにより上記第２半導体層を貫通して上記第１半導体層の上側の一部に凹部を形成するステップを含み、
上記第１半導体層と上記第２半導体層とのヘテロ界面に２次元電子ガスが形成されると共に、
上記オーミック電極を形成するステップにおいて、上記ＴiＡl系材料からなる金属膜をエッチングして上記凹部に少なくとも一部が埋め込まれた上記オーミック電極を形成することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項４から７までのいずれか１つに記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
上記アニールを行うステップにおいて、上記オーミック電極が形成された上記基板を４００℃以上かつ５００℃以下で加熱することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−４８１６（Ｐ２０１３−４８１６Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３５６８８（Ｐ２０１１−１３５６８８）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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