JP5846779B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
Semiconductor device and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP5846779B2 JP5846779B2 JP2011145199A JP2011145199A JP5846779B2 JP 5846779 B2 JP5846779 B2 JP 5846779B2 JP 2011145199 A JP2011145199 A JP 2011145199A JP 2011145199 A JP2011145199 A JP 2011145199A JP 5846779 B2 JP5846779 B2 JP 5846779B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode layer
- layer
- semiconductor device
- nitride semiconductor
- metal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 108
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 85
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 85
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 72
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 51
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 20
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 12
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 11
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 claims description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000002513 implantation Methods 0.000 claims description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 claims description 4
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 3
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims 2
- 101100116570 Caenorhabditis elegans cup-2 gene Proteins 0.000 claims 1
- 101100116572 Drosophila melanogaster Der-1 gene Proteins 0.000 claims 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 53
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 15
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 15
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 15
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 9
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 6
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 6
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical group [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Description
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。 The present invention relates to a semiconductor device such as a high electron mobility transistor (HEMT) and a laser diode, and more particularly to a semiconductor device including a nitride semiconductor layer and a manufacturing method thereof.
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。 One of the important issues for operating a HEMT using a group III nitride semiconductor at high output and high frequency is to sufficiently reduce the contact resistance of the source / drain electrodes. This is because if the contact resistance is large, the parasitic resistance increases and the transconductance decreases, resulting in a decrease in output voltage and operating frequency.
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。
As means for obtaining a good ohmic contact with an n-type group III nitride semiconductor layer,
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。
However, if an electrode containing Al is employed as in the method described in
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。
However, as a result of investigation, the inventor has found that even when the three-layer stacked type ohmic electrode proposed in
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。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a technique capable of improving ohmic characteristics in a semiconductor device and having high resistance to acid / alkali corrosion. The purpose is to do.
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し、Al x Ga 1-x N(0≦x≦1)層、または、Al x In y Ga 1-x-y N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)層からな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み、前記窒化物半導体層とオーミックコンタクトする電極とを備える。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Nbと、水素よりもイオン化傾向が小さいPt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としてTi、Ta、Niのいずれかを主成分に含み、かつ、前記主電極層から拡散したNbを含む。
The semiconductor device according to the present invention, have a impurity region to which an impurity is added, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer, or, Al x In y Ga 1- xy N (0 ≦ x ≦ a 1,0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) nitride ing from layer semiconductor layer, viewed including the underlying electrode layer and the main electrode layer which are sequentially stacked on the impurity region, the nitride semiconductor layer and the ohmic And an electrode to be contacted . The main electrode layer contains, as a main component, an alloy composed of Nb having a work function closer to that of the nitride semiconductor layer than the base electrode layer and Pt having a lower ionization tendency than hydrogen. The base electrode layer contains, as a main component, any one of Ti, Ta, and Ni as a metal having a higher reactivity with nitrogen than the main electrode layer, and Nb diffused from the main electrode layer .
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。 According to the present invention, the main electrode layer includes the first metal having a work function closer to the nitride semiconductor layer than the base electrode layer, and the base electrode layer also includes the first metal. Therefore, a semiconductor device with good ohmic characteristics can be obtained. The main electrode layer includes a second metal having a smaller ionization tendency than hydrogen as an alloy with the first metal. As a result, the interdiffusion between the first metal and the second metal can be improved as compared with the conventional structure in which these are laminated as a metal layer, so that a semiconductor device having high resistance to acid / alkali corrosion is obtained. Can do.
<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。
<
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to
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。
In the present embodiment, n-type impurities are implanted into
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。
FIG. 2 shows current-carrying characteristics when Si is implanted as an n-type impurity into the
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。
Next, the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
In the present embodiment, the
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。 Next, it will be described that the problem can be solved by taking the structure of the semiconductor device as described above.
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。
First, the ohmic property is improved by implanting (adding) high-concentration impurities (n-type impurities) into the
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。
In contrast, in the present embodiment, since the impurity is added to the
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。
Second, the
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。
Thirdly, the selection of the
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。
Specifically, as described above, the height of the energy barrier existing at the metal / semiconductor contact interface corresponds to the difference between the work function of the metal and the electron affinity of the semiconductor. Here, in the present embodiment, the
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。
In order for the first metal to diffuse in the
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。
Now, if the
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。
Therefore, fourthly, in the present embodiment, the
<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。
<Manufacturing process>
Next, a manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
<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。
<Formation of
First, one or more layers of n-type Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) are formed on a SiC substrate (not shown) by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). These layers are epitaxially grown to form the
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。
FIG. 3 shows the relationship between the Si concentration and the depth when Si ions are implanted into the
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。
Based on the above results, in this embodiment, the acceleration energy is 50 KeV, the implantation concentration is 1 × 10 15 cm −2 , and Si ions are implanted into the
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。
Thereafter, a rapid thermal annealing (RTA) process is performed on the
<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。
<Formation of
Next, the
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。
Next, the formation of the
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。
First, the
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。
Here, the
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。
In the present embodiment, the
<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。
<
Then, as a process of promoting the mutual diffusion of various metals in the
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。
Here, the upper limit of the temperature of RTA is set to 1000 ° C. However, if only the improvement of metal thermal diffusion is considered, it should be as high as possible among the temperatures below the melting point of the metal
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。
As a result of interdiffusion by RTA, the first metal (Nb in this case) in the alloy of the
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。
As described above, in the present embodiment,
<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。
<Thickness of
As described above, the semiconductor device according to the present embodiment can be manufactured. In the above description, the thicknesses of the
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。
Therefore, first, in order to examine the lower limit of the film thickness, evaluation was performed by changing the film thickness of the
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。
FIG. 4 is a diagram showing the results at that time. The horizontal axis indicates the film thickness of Ti (base electrode layer 3), and the horizontal axis indicates the contact resistance. According to this, when the Ti film thickness is 15 nm or less, the contact resistance tends to increase rapidly. Therefore, it can be seen that the thickness of the
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。
Next, the upper limit of the thickness of the
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。
In summary, the
<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。
<Effect>
In the present embodiment, the
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。
In the present embodiment, the
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。
In the present embodiment, the
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。
In the present embodiment, the impurity in the high
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。
In the present embodiment, the
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。
In the present embodiment, the
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。
Further, in the present embodiment, the nitride semiconductor layer 1, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) is a one layer or more layers of layer, the
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。
In the above description, the
<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。
<
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the HEMT according to the second embodiment of the present invention. Hereinafter, in the description of the HEMT according to the present embodiment, components similar to those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
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。
The HEMT according to the present embodiment includes a
<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。
<Manufacturing process>
Next, a process for manufacturing the HEMT according to the present embodiment will be described. First, the buffer layer 22, the
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。
Next, a resist pattern (not shown) is formed on the barrier layer 24 other than the place where the source /
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。
In the HEMT configured as described above, the contact resistance value of the source /
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。 In the above description, the case where the present invention is applied to a planar transistor has been described. However, the same effect as that of this embodiment can be obtained also when applied to a gate recess structure formed by selective etching or selective growth. .
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。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
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み、前記窒化物半導体層とオーミックコンタクトする電極とを備え、
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Nbと、水素よりもイオン化傾向が小さいPt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としてTi、Ta、Niのいずれかを主成分に含み、かつ、前記主電極層から拡散したNbを含む、半導体装置。 It has an impurity region to which an impurity is added, and an Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer or Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) , X + y ≦ 1) nitride semiconductor layer,
Including a base electrode layer and a main electrode layer sequentially stacked on the impurity region, and an electrode in ohmic contact with the nitride semiconductor layer;
The main electrode layer includes, as a main component, an alloy composed of Nb having a work function closer to the nitride semiconductor layer than the base electrode layer and Pt having a lower ionization tendency than hydrogen,
The base electrode layer includes, as a main component, any one of Ti, Ta, and Ni as a metal having higher reactivity with nitrogen than the main electrode layer, and Nb diffused from the main electrode layer. .
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Pt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。 The semiconductor device according to claim 1,
The electrode is
A semiconductor device further comprising a protective electrode layer provided on the main electrode layer and containing Pt as a main component, which has a smaller ionization tendency than hydrogen.
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1×10 19 cm -3 以上である、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein
Wherein the impurity of the impurity region is Si, an impurity concentration Ru der 1 × 10 19 cm -3 or more, the semiconductor device.
前記下地電極層の厚さは15nm以上である、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor device, wherein the base electrode layer has a thickness of 15 nm or more.
(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、前記窒化物半導体層とオーミックコンタクトする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としてTi、Ta、Niのいずれかを主成分に含む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Nbと、水素よりもイオン化傾向が小さいPt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Nb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。 (A) An Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) layer or an Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) layer Forming an impurity region by implanting impurities into the nitride semiconductor layer;
(B) a step of sequentially laminating a base electrode layer and a main electrode layer on the impurity region to form an electrode in ohmic contact with the nitride semiconductor layer;
The step (b)
(B-1) forming the base electrode layer containing, as a main component, any one of Ti, Ta, and Ni as a metal having higher reactivity with nitrogen than the main electrode layer on the impurity region;
(B-2) On the base electrode layer, using the alloy composed of Nb having a work function closer to the nitride semiconductor layer than the base electrode layer and Pt having a lower ionization tendency than hydrogen, Forming an electrode layer,
After (c) said step (b), further Ru comprising the step of promoting the diffusion of Nb into the underlying electrode layer from the main electrode layer, a method of manufacturing a semiconductor device.
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。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
In the step (c),
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an RTA (Rapid Thermal Annealing) process for promoting the diffusion is performed on the electrode at a temperature of 650 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere .
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。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5 ,
In the step (a),
A region having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more is formed as the impurity region by implanting Si ions into the nitride semiconductor layer at an implantation concentration of 1 × 10 15 cm −2 or more.
In the step (c),
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an RTA (Rapid Thermal Annealing) process for promoting the diffusion is performed on the electrode at a temperature of 650 ° C. to 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere.
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Pt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。 A method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 7,
The step (b)
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a protective electrode layer on the main electrode layer using Pt having a smaller ionization tendency than hydrogen.
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。 A method of manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 5 to 8,
In the step (b),
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming the base electrode layer having a thickness of 15 nm or more.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011145199A JP5846779B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011145199A JP5846779B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013012628A JP2013012628A (en) | 2013-01-17 |
JP5846779B2 true JP5846779B2 (en) | 2016-01-20 |
Family
ID=47686261
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011145199A Active JP5846779B2 (en) | 2011-06-30 | 2011-06-30 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5846779B2 (en) |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7459788B2 (en) * | 2004-02-26 | 2008-12-02 | Nec Corporation | Ohmic electrode structure of nitride semiconductor device |
JP2009164526A (en) * | 2008-01-10 | 2009-07-23 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and manufacturing method therefor |
JP2010212406A (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-24 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
-
2011
- 2011-06-30 JP JP2011145199A patent/JP5846779B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013012628A (en) | 2013-01-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4221697B2 (en) | Semiconductor device | |
JP4866007B2 (en) | Compound semiconductor device | |
CN102576729A (en) | Low ohmic contacts containing germanium for gallium nitride or other nitride-based power devices | |
JP2013153185A (en) | Second schottky contact metal layer to improve schottky diode performance | |
JP4023121B2 (en) | N-type electrode, group III nitride compound semiconductor device, method for manufacturing n-type electrode, and method for manufacturing group III nitride compound semiconductor device | |
WO2008120094A2 (en) | Electronic device with improved ohmic contact | |
JP2009004816A (en) | Optical device and fabrication method thereof | |
US20080121934A1 (en) | Semiconductor device having schottky junction and method for manufacturing the same | |
JP5202897B2 (en) | Field effect transistor and manufacturing method thereof | |
US20120007049A1 (en) | Nitride-based semiconductor device and method for manufacturing the same | |
JP2002057321A (en) | Compound semiconductor device and its manufacturing method | |
JP2011238866A (en) | Semiconductor device and method for producing the same | |
JP4379305B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2008147294A (en) | Electronic device | |
JP2010212406A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP2009049391A (en) | Semiconductor device, semiconductor device manufacturing method, high carrier mobility transistor, and light emitting device | |
JP2006032457A (en) | SiC SEMICONDUCTOR DEVICE AND ITS MANUFACTURING METHOD | |
WO2002099901A1 (en) | Method for manufacturing group-iii nitride compound semiconductor device | |
TWI225311B (en) | Method for producing group III nitride compound semiconductor device | |
US6936487B2 (en) | Semiconductor device with ohmic electrode formed on compound semiconductor having wide band gap and its manufacture method | |
JP5846779B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP5877967B2 (en) | Compound semiconductor device | |
JP2012164718A (en) | Semiconductor device, and method of manufacturing the same | |
US8633101B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device | |
JP4315701B2 (en) | Nitride III-V compound semiconductor electrode and method for producing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140411 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150212 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150217 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150408 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150901 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20151002 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20151027 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20151124 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5846779 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |