JP6090474B2 - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体層にオーミック接続した電極を備える半導体装置、および、当該半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including an electrode that is ohmic-connected to a semiconductor layer, and a method for manufacturing the semiconductor device.
現在、高周波用パワーアンプ等に用いる半導体装置として、窒化物半導体を用いた半導体装置が期待されている。 Currently, a semiconductor device using a nitride semiconductor is expected as a semiconductor device used for a high-frequency power amplifier or the like.
このような半導体装置では、電極を半導体層の表面に形成する必要がある。例えば、電界効果トランジスタを形成する場合、ゲート電極は半導体層に対してショットキー接続するように形成される。一方、ソース電極およびドレイン電極は、半導体層に対してオーミック接続するように形成される。 In such a semiconductor device, it is necessary to form electrodes on the surface of the semiconductor layer. For example, when forming a field effect transistor, the gate electrode is formed so as to be Schottky connected to the semiconductor layer. On the other hand, the source electrode and the drain electrode are formed to be in ohmic contact with the semiconductor layer.
電極と半導体層のオーミック接続は、出来る限り低抵抗であることが好ましい。特に、上述の高周波用パワーアンプ等では、より低抵抗が望まれる。 The ohmic connection between the electrode and the semiconductor layer is preferably as low a resistance as possible. In particular, a lower resistance is desired in the above-described high-frequency power amplifier or the like.
例えば、特許文献1には、窒化物半導体からなる半導体層の表面に、金属層、拡散防止層、導電層を順次形成し、これらを熱処理することで、金属層を構成する金属を半導体層内に侵入させた半導体装置が開示されている。当該半導体装置は、金属層を構成する金属を半導体層内に侵入させることで、オーミック接続の抵抗を低くすることができている。 For example, in Patent Document 1, a metal layer, a diffusion prevention layer, and a conductive layer are sequentially formed on the surface of a semiconductor layer made of a nitride semiconductor, and these are subjected to heat treatment, so that the metal constituting the metal layer is contained in the semiconductor layer. A semiconductor device intruded into is disclosed. In the semiconductor device, the resistance of the ohmic connection can be reduced by allowing the metal constituting the metal layer to enter the semiconductor layer.
しかしながら、特許文献1に記載の従来の電極構造では、次に示す問題が生じる。図10は、従来のオーミック接続される電極の表面を光学顕微鏡で撮影した画像である。図10において、30は半導体層、50は保護層を示す。 However, the conventional electrode structure described in Patent Document 1 has the following problems. FIG. 10 is an image obtained by photographing the surface of a conventional ohmic-connected electrode with an optical microscope. In FIG. 10, 30 indicates a semiconductor layer, and 50 indicates a protective layer.
従来の電極構造では、拡散防止層としてAuを用い、導電層としてAlを用いているが、この電極構造では、高温で熱処理を行うと、図10に示すように、電極表面に凹凸が発生する。この凹凸は、高温の熱処理により形成されたAuとAlとの合金(AuAl2)、所謂パープルプレーグによるものである。これにより、例えば、電極表面の端部が電極表面の中央部に比べて突出する形状になる等、電極表面の平坦性が低下してしまう。特に、本願の発明者は、熱処理温度が800℃を大きく超えると、この現象が顕著になることを実験により突き止めた。In the conventional electrode structure, Au is used for the diffusion preventing layer and Al is used for the conductive layer. However, in this electrode structure, when heat treatment is performed at a high temperature, as shown in FIG. . This unevenness is caused by an alloy of Au and Al (AuAl 2 ) formed by high-temperature heat treatment, so-called purple plague. Thereby, for example, the flatness of the electrode surface is deteriorated such that the end portion of the electrode surface protrudes in comparison with the central portion of the electrode surface. In particular, the inventors of the present application have found through experiments that the phenomenon becomes significant when the heat treatment temperature greatly exceeds 800 ° C.
凹凸が発生した表面状態になると、オーミック接続の抵抗値自体は変化しないものの、電極表面に他の回路を接続する際の接続抵抗が高くなってしまう。したがって、当該半導体素子の実質的な抵抗を低くすることができなくなってしまう。 When the surface state is uneven, the ohmic connection resistance value itself does not change, but the connection resistance when another circuit is connected to the electrode surface increases. Therefore, the substantial resistance of the semiconductor element cannot be reduced.
本発明の目的は、オーミック接続の抵抗値を低く抑えるとともに、電極表面の平坦性を向上させた半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device in which the resistance value of the ohmic connection is kept low and the flatness of the electrode surface is improved.
この発明の半導体装置は、窒化物半導体からなる半導体層と、該半導体層の表面に形成された電極層と、を備える。電極層は、半導体層の表面に形成された密着層と、密着層の半導体層と反対側に形成された拡散補助層と、拡散補助層の密着層と反対側に形成されたドーパント層と、ドーパント層の拡散補助層と反対側に形成された導電層と、を積層した後、合金化されたものである。 A semiconductor device of the present invention includes a semiconductor layer made of a nitride semiconductor and an electrode layer formed on the surface of the semiconductor layer. The electrode layer is an adhesion layer formed on the surface of the semiconductor layer, a diffusion auxiliary layer formed on the opposite side of the adhesion layer to the semiconductor layer, a dopant layer formed on the opposite side of the adhesion layer of the diffusion auxiliary layer, A conductive layer formed on the side opposite to the diffusion auxiliary layer of the dopant layer is laminated and then alloyed.
もしくは、この発明の半導体装置は、窒化物半導体からなる半導体層と、該半導体層の表面に形成された電極層と、を備える。電極層は、半導体層の表面に形成された密着層と、密着層の半導体層と反対側に形成されたドーパント層と、ドーパント層の密着層と反対側に形成された拡散補助層と、拡散補助層の拡散補助層と反対側に形成された導電層と、を積層した後、合金化されたものである。 Alternatively, the semiconductor device of the present invention includes a semiconductor layer made of a nitride semiconductor and an electrode layer formed on the surface of the semiconductor layer. The electrode layer includes an adhesion layer formed on the surface of the semiconductor layer, a dopant layer formed on the opposite side of the adhesion layer to the semiconductor layer, a diffusion auxiliary layer formed on the opposite side of the adhesion layer of the dopant layer, and diffusion A conductive layer formed on the side of the auxiliary layer opposite to the diffusion auxiliary layer is laminated and then alloyed.
これらの構成では、拡散補助層とドーパント層を有することにより、低い熱処理温度でも、ドーパント層を構成する元素が十分に拡散し、例えば、不純物のドーピング濃度が低い、もしくは、熱処理前に不純物がドーピングされていない窒化物半導体からなる半導体層上に電極層を形成する場合であっても、半導体層とのオーミック接続を低抵抗にすることができる。また、熱処理温度が低いことにより、パープルプレーグ等の高温の熱処理によって発生する電極表面への悪影響を抑制できる。さらに、熱処理温度が低いことにより、半導体層への損傷を軽減することができる。なお、半導体層側から、密着層、拡散補助層、ドーパント層、導電層の順に積層した構成からなる電極層の方が、より低抵抗を実現できる。 In these configurations, by having the diffusion auxiliary layer and the dopant layer, the elements constituting the dopant layer are sufficiently diffused even at a low heat treatment temperature. For example, the impurity doping concentration is low or the impurity is doped before the heat treatment. Even in the case where an electrode layer is formed on a semiconductor layer made of a nitride semiconductor that has not been formed, ohmic connection with the semiconductor layer can be made low resistance. In addition, since the heat treatment temperature is low, adverse effects on the electrode surface caused by high-temperature heat treatment such as purple plague can be suppressed. In addition, since the heat treatment temperature is low, damage to the semiconductor layer can be reduced. Note that an electrode layer having a configuration in which an adhesion layer, a diffusion assisting layer, a dopant layer, and a conductive layer are stacked in this order from the semiconductor layer side can achieve lower resistance.
また、この発明の半導体装置では、密着層は、Ti,W,Cr,V,Pd,Taの少なくとも1種類の元素が選択して用いられることが好ましい。これらの元素を選択することにより、半導体層と電極層との密着性を強くすることができる。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that at least one element selected from Ti, W, Cr, V, Pd, and Ta is selected and used for the adhesion layer. By selecting these elements, the adhesion between the semiconductor layer and the electrode layer can be strengthened.
また、この発明の半導体装置では、窒化物半導体は、GaN系半導体であり、ドーパント層は、Si,Ge,Snの少なくとも1種類の元素が選択して用いられることが好ましい。これらの元素は、熱処理後、GaN系半導体からなる半導体層のn型ドーパントとして機能する。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that the nitride semiconductor is a GaN-based semiconductor, and the dopant layer is selected from at least one element of Si, Ge, and Sn. These elements function as n-type dopants in the semiconductor layer made of a GaN-based semiconductor after the heat treatment.
また、この発明の半導体装置では、窒化物半導体は、GaN系半導体であり、導電層は、熱処理によりGaに置換してコンタクト抵抗に寄与する材料で構成されることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the nitride semiconductor is a GaN-based semiconductor, and the conductive layer is preferably made of a material that contributes to contact resistance by being replaced with Ga by heat treatment.
また、この発明の半導体装置では、導電層は、例えばAlを選択することができ、拡散補助層は、例えばAuを選択することができる。 In the semiconductor device of the present invention, for example, Al can be selected as the conductive layer, and Au can be selected as the diffusion auxiliary layer, for example.
また、この発明の半導体装置では、電極層の表面に形成された保護層を備え、該保護層は、電極層を構成する各材料よりも高融点の材料で構成されることが好ましい。 The semiconductor device of the present invention preferably includes a protective layer formed on the surface of the electrode layer, and the protective layer is preferably made of a material having a higher melting point than each material constituting the electrode layer.
この構成では、保護層により、さらに電極層を他の回路に接続する面の平坦性を向上させることができる。 In this configuration, the flatness of the surface connecting the electrode layer to another circuit can be further improved by the protective layer.
また、この発明の半導体装置では、保護層は、Mo,Ta,W,Nbの少なくとも1種類の元素が選択して用いられていることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that at least one element selected from Mo, Ta, W, and Nb is selected and used for the protective layer.
また、この発明の半導体装置の製造方法は、窒化物半導体からなる半導体層を準備する第1の工程と、半導体層の表面に、電極層を形成する第2の工程と、電極層を熱処理する第3の工程と、を備える。第2の工程は、半導体層の表面に、密着層を形成するステップと、密着層の表面に、拡散補助層を形成するステップと、拡散防止層の表面に、ドーパント層を形成するステップと、ドーパント層の表面に、導電層を形成するステップと、を有する。 The semiconductor device manufacturing method of the present invention includes a first step of preparing a semiconductor layer made of a nitride semiconductor, a second step of forming an electrode layer on the surface of the semiconductor layer, and heat-treating the electrode layer. A third step. The second step includes a step of forming an adhesion layer on the surface of the semiconductor layer, a step of forming a diffusion auxiliary layer on the surface of the adhesion layer, a step of forming a dopant layer on the surface of the diffusion prevention layer, Forming a conductive layer on the surface of the dopant layer.
もしくは、この発明の半導体装置の製造方法は、窒化物半導体からなる半導体層を準備する第1の工程と、半導体層の表面に、電極層を形成する第2の工程と、電極層を熱処理する第3の工程と、を備える。第2の工程は、半導体層の表面に、密着層を形成するステップと、密着層の表面に、ドーパント層を形成するステップと、ドーパント層の表面に、拡散補助層を形成するステップと、拡散補助層の表面に、導電層を形成するステップと、を有する。 Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a first step of preparing a semiconductor layer made of a nitride semiconductor, a second step of forming an electrode layer on the surface of the semiconductor layer, and heat-treating the electrode layer A third step. The second step includes a step of forming an adhesion layer on the surface of the semiconductor layer, a step of forming a dopant layer on the surface of the adhesion layer, a step of forming a diffusion auxiliary layer on the surface of the dopant layer, and diffusion. Forming a conductive layer on the surface of the auxiliary layer.
これらの製造方法では、半導体層と電極層との間で低抵抗のオーミック接続を実現しながら、パープルプレーグ等の高温の熱処理による電極表面への悪影響を抑制できる。 In these manufacturing methods, an adverse effect on the electrode surface due to a high-temperature heat treatment such as purple plague can be suppressed while realizing a low-resistance ohmic connection between the semiconductor layer and the electrode layer.
また、この発明の半導体装置の製造方法では、熱処理は、800℃以下によって行われることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the heat treatment is preferably performed at 800 ° C. or lower.
この製造方法では、電極表面への悪影響をより抑制できる。 In this manufacturing method, the adverse effect on the electrode surface can be further suppressed.
また、この発明の半導体装置の製造方法では、電極層の表面に、電極層を構成する各材料よりも高融点の材料からなる保護層を形成する工程を、さらに有することが好ましい。 In addition, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention preferably further includes a step of forming a protective layer made of a material having a melting point higher than that of each material constituting the electrode layer on the surface of the electrode layer.
この製造方法では、さらに電極層を他の回路に接続する面の平坦性を向上させた半導体装置を製造することができる。 In this manufacturing method, it is possible to manufacture a semiconductor device in which the flatness of the surface connecting the electrode layer to another circuit is further improved.
本願発明によれば、オーミック接続の抵抗値を低く抑えるとともに、電極表面の平坦性を向上させることができる。 According to the present invention, the resistance value of the ohmic connection can be kept low and the flatness of the electrode surface can be improved.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について、図を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の一部断面図である。図1の半導体装置10は、電界効果型トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)である。(First embodiment)
A semiconductor device and a semiconductor device manufacturing method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. A semiconductor device 10 in FIG. 1 is a field effect transistor (FET).
半導体装置10は、ベース基板20、および半導体層30を備える。半導体層30の表面には、半導体層30に対してショットキー接続された構造のゲート電極(図示せず)と、半導体層30に対してオーミック接続されたドレイン電極およびソース電極が形成されている。このドレイン電極およびソース電極が、図1の電極層40および保護層50によって形成されている。 The semiconductor device 10 includes a base substrate 20 and a semiconductor layer 30. On the surface of the semiconductor layer 30, a gate electrode (not shown) having a Schottky connection with the semiconductor layer 30 and a drain electrode and a source electrode with ohmic connection with the semiconductor layer 30 are formed. . The drain electrode and the source electrode are formed by the electrode layer 40 and the protective layer 50 in FIG.
ベース基板20は、例えば、単結晶のAl2O3(サファイア),Si,SiC等からなる。The base substrate 20 is made of, for example, single crystal Al 2 O 3 (sapphire), Si, SiC, or the like.
半導体層30は、例えば、同じ材質を含むが組成が異なる第1半導体層31と第2半導体装置32とからなる。第1半導体層31および第2半導体層32は、例えば、ノンドープの半導体である。 The semiconductor layer 30 includes, for example, a first semiconductor layer 31 and a second semiconductor device 32 that include the same material but have different compositions. The first semiconductor layer 31 and the second semiconductor layer 32 are, for example, non-doped semiconductors.
第1半導体層31は、ベース基板20の表面に形成されている。第2半導体層32は、第1半導体層31の表面に形成されている。 The first semiconductor layer 31 is formed on the surface of the base substrate 20. The second semiconductor layer 32 is formed on the surface of the first semiconductor layer 31.
第1半導体層31は、例えばGaNからなり、第2半導体層32は、AlGaNからなる。第1半導体層31および第2半導体層32からなる半導体層30は、例えば、シングルヘテロエピ構造からなる。すなわち、第1半導体層31と第2半導体層32はヘテロ接合されている。第1半導体層31と第2半導体層32の界面には、2次元電子ガスが発生する。 The first semiconductor layer 31 is made of, for example, GaN, and the second semiconductor layer 32 is made of AlGaN. The semiconductor layer 30 including the first semiconductor layer 31 and the second semiconductor layer 32 has, for example, a single heteroepi structure. That is, the first semiconductor layer 31 and the second semiconductor layer 32 are heterojunction. A two-dimensional electron gas is generated at the interface between the first semiconductor layer 31 and the second semiconductor layer 32.
電極層40は、半導体層30の表面、すなわち、第2半導体層32の表面に形成されている。電極層40は、密着層41、導電層42、ドーパント層43、および拡散補助層44を有し、密着層41と導電層42との間に、ドーパント層43、および拡散補助層44が挟まれており、これらが熱処理(アニール処理)によって合金化された層である。 The electrode layer 40 is formed on the surface of the semiconductor layer 30, that is, on the surface of the second semiconductor layer 32. The electrode layer 40 includes an adhesion layer 41, a conductive layer 42, a dopant layer 43, and a diffusion auxiliary layer 44, and the dopant layer 43 and the diffusion auxiliary layer 44 are sandwiched between the adhesion layer 41 and the conductive layer 42. These are layers alloyed by heat treatment (annealing).
具体的には、電極層40は、熱処理により合金化される前の状態で、半導体層30側から、密着層41、拡散補助層44、ドーパント層43、導電層42の順に積層されている。 Specifically, the electrode layer 40 is laminated in the order of the adhesion layer 41, the diffusion auxiliary layer 44, the dopant layer 43, and the conductive layer 42 from the semiconductor layer 30 side before being alloyed by the heat treatment.
密着層41は、電極層40を半導体層30に密着させるための層である。密着層41の材質としては、Ti,W,Cr,V,Pd,Ta等が用いられる。本実施形態のように、GaN系の半導体層30が用いられる場合には、密着層41は、Tiからなることが好ましい。密着層41にTiを用いることで、熱処理により、半導体層30を構成するGaN系半導体と反応して、TiNが形成され、電極層40と半導体層30とのオーミック接続に寄与させることができる。 The adhesion layer 41 is a layer for bringing the electrode layer 40 into close contact with the semiconductor layer 30. As the material of the adhesion layer 41, Ti, W, Cr, V, Pd, Ta or the like is used. When the GaN-based semiconductor layer 30 is used as in the present embodiment, the adhesion layer 41 is preferably made of Ti. By using Ti for the adhesion layer 41, TiN is formed by reaction with the GaN-based semiconductor constituting the semiconductor layer 30 by heat treatment, and can contribute to the ohmic connection between the electrode layer 40 and the semiconductor layer 30.
導電層42は、GaN系の半導体層30のGaと置換する可能性のある材料の層である。導電層42は、具体的には、Gaと同族の元素を用いればよく、例えば、Alを用いることが好適である。Alを用いることで、耐環境性が高く、接触抵抗率を低くすることもできる。 The conductive layer 42 is a layer of a material that may replace Ga in the GaN-based semiconductor layer 30. Specifically, the conductive layer 42 may use an element in the same group as Ga. For example, Al is preferable. By using Al, the environmental resistance is high and the contact resistivity can be lowered.
ドーパント層43は、GaN系の半導体層30に対して、n型ドーパントとなる材質からなる。ドーパント層43は、Si,Ga,Sn等が好適である。特に、ドーパント層43には、Siを用いることが好ましい。Siは、窒化物半導体に対するn型ドーパントとしての活性化率が高いので、半導体層30に対して、n型ドーピングを効果的に行うことができる。 The dopant layer 43 is made of a material that becomes an n-type dopant with respect to the GaN-based semiconductor layer 30. The dopant layer 43 is preferably Si, Ga, Sn or the like. In particular, Si is preferably used for the dopant layer 43. Since Si has a high activation rate as an n-type dopant for the nitride semiconductor, the semiconductor layer 30 can be effectively doped with n-type.
拡散補助層44は、ドーパント層43の元素を拡散し易くするために設けられた層である。拡散補助層44の材料には、例えば、Auを用いることが好ましい。 The diffusion auxiliary layer 44 is a layer provided to facilitate the diffusion of the elements of the dopant layer 43. For example, Au is preferably used as the material of the diffusion auxiliary layer 44.
さらに、拡散補助層44は、導電層42よりも層厚が薄いことが好ましい。層厚を薄くすることで、パープルプレーグの発生を抑制することができる。 Furthermore, the diffusion auxiliary layer 44 is preferably thinner than the conductive layer 42. Generation of purple plague can be suppressed by reducing the layer thickness.
保護層50は、電極層40の表面、すなわち導電層42の表面に形成されている。保護層50は、電極層40を構成する各材質よりも高融点の材質が用いられている。保護層50には、例えば、Mo,Ta,W,Nb等が用いられる。特に、保護層50には、Moを用いることが好ましい。Moは、成膜が容易であり、且つ、上述の電極層40の各層の材質と合金になりにくい。したがって、熱処理が行われても、保護層50の表面、すなわち、ドレイン電極およびソース電極としての表面の平坦性を高く確保することができる。なお、保護層50は、省略することも可能であるが、備えていることが好ましい。 The protective layer 50 is formed on the surface of the electrode layer 40, that is, the surface of the conductive layer 42. The protective layer 50 is made of a material having a melting point higher than that of each material constituting the electrode layer 40. For example, Mo, Ta, W, Nb or the like is used for the protective layer 50. In particular, it is preferable to use Mo for the protective layer 50. Mo is easy to form, and hardly forms an alloy with the material of each layer of the electrode layer 40 described above. Therefore, even when heat treatment is performed, high flatness of the surface of the protective layer 50, that is, the surface as the drain electrode and the source electrode can be ensured. The protective layer 50 can be omitted, but is preferably provided.
第1の実施形態に係る半導体装置10は、次に示すように製造される。 The semiconductor device 10 according to the first embodiment is manufactured as follows.
まず、ベース基板20を用意し、ベース基板20の表面に、第1半導体層31、第2半導体層32の順に、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、分子線エピタキシャル成長法等のエピタキシャル成長法により、半導体層30を形成する。 First, a base substrate 20 is prepared, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method and a molecular beam epitaxial growth method are formed on the surface of the base substrate 20 in the order of a first semiconductor layer 31 and a second semiconductor layer 32. The semiconductor layer 30 is formed by an epitaxial growth method such as the above.
次に、半導体層30の表面に、密着層41、拡散補助層44、ドーパント層43、導電層42を順に、真空蒸着法、スパッタリング法、電子線(EB:Electron Beam)蒸着法等を用いて形成する。 Next, the adhesion layer 41, the diffusion auxiliary layer 44, the dopant layer 43, and the conductive layer 42 are sequentially formed on the surface of the semiconductor layer 30 by using a vacuum deposition method, a sputtering method, an electron beam (EB) deposition method, or the like. Form.
次に、導電層42の表面に、保護層50を、真空蒸着法、スパッタリング法、EB蒸着法等を用いて形成する。 Next, the protective layer 50 is formed on the surface of the conductive layer 42 using a vacuum deposition method, a sputtering method, an EB deposition method, or the like.
次に、予め設定した温度および時間で熱処理(アニール処理)する。この際、熱処理温度は、800℃以下であることが好ましい。なお、熱処理温度は、800℃を大きく超えなければ、半導体装置10の要求仕様によっては、800℃以上を適用することも可能である。 Next, heat treatment (annealing treatment) is performed at a preset temperature and time. At this time, the heat treatment temperature is preferably 800 ° C. or lower. If the heat treatment temperature does not greatly exceed 800 ° C., 800 ° C. or higher can be applied depending on the required specifications of the semiconductor device 10.
熱処理により、電極層40は合金化されて、電極層を構成する元素は拡散するとともに、電極層40と半導体層30の第1半導体層31と第2半導体層32との界面に生じる二次元電子ガスとがオーミック接続される。 By the heat treatment, the electrode layer 40 is alloyed, the elements constituting the electrode layer diffuse, and two-dimensional electrons generated at the interface between the first semiconductor layer 31 and the second semiconductor layer 32 of the electrode layer 40 and the semiconductor layer 30. The gas is ohmically connected.
図2、図3は、熱処理後の各層を構成する元素の拡散の様子を示すEDX画像およびTEM画像である。なお、元素の濃度が高いほど白く表示される。図2(A)は、保護層50のMoのEDX画像を示し、図2(B)は導電層42のAlのEDX画像を示し、図2(C)はドーパント層43のSiのEDX画像を示す。図3(A)は、拡散補助層44のAuのEDX画像を示し、図3(B)は密着層41のTiのEDX画像を示し、図3(C)はTEM画像を示す。図2(A)、(B)、(C)及び図3(A)、(B)と、図3(C)との撮影位置は同一である。また、図2、図3の各図において、IFは、電極層と半導体層との界面を示している。 2 and 3 are an EDX image and a TEM image showing a state of diffusion of elements constituting each layer after the heat treatment. The higher the element concentration, the more white the image is displayed. 2A shows an EDX image of Mo of the protective layer 50, FIG. 2B shows an EDX image of Al of the conductive layer 42, and FIG. 2C shows an EDX image of Si of the dopant layer 43. Show. 3A shows an EDX image of Au of the diffusion auxiliary layer 44, FIG. 3B shows an EDX image of Ti of the adhesion layer 41, and FIG. 3C shows a TEM image. 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, and 3C are the same shooting positions. 2 and 3, IF indicates an interface between the electrode layer and the semiconductor layer.
図2、図3に示すように、本実施形態の構成および製造方法を用いることで、電極層40を構成する各層(密着層41、導電層42、ドーパント層43、拡散補助層44)を構成する各元素(Ti,Al,Si,Au)は、電極層40内および第2半導体層32の界面付近に、効果的に拡散される。これにより、電極層40と半導体層30とのオーミック接続の抵抗を小さくすることができる。 As shown in FIGS. 2 and 3, each layer (adhesion layer 41, conductive layer 42, dopant layer 43, diffusion assisting layer 44) constituting the electrode layer 40 is configured by using the configuration and manufacturing method of the present embodiment. Each element (Ti, Al, Si, Au) to be diffused effectively in the electrode layer 40 and in the vicinity of the interface of the second semiconductor layer 32. Thereby, the resistance of the ohmic connection between the electrode layer 40 and the semiconductor layer 30 can be reduced.
一方、保護層50を構成する元素(Mo)は、融点が高いため、殆ど拡散せず、電極層40の表面に分布する。そして、保護層50内には、電極層40を構成する各元素は拡散していない。したがって、保護層50の表面の平坦性を高く維持することができる。 On the other hand, since the element (Mo) constituting the protective layer 50 has a high melting point, it hardly diffuses and is distributed on the surface of the electrode layer 40. In the protective layer 50, each element constituting the electrode layer 40 is not diffused. Therefore, the flatness of the surface of the protective layer 50 can be maintained high.
図4は、従来構成(比較構成)と本願構成での接触抵抗率の比較を行った結果を示す図である。図4(A)は、各サンプルの抵抗率をプロットした図である。図4(B)は、従来構成および本願構成の電極構成およびアニール処理条件を比較した表を示す。 FIG. 4 is a diagram showing a result of comparison of contact resistivity between the conventional configuration (comparative configuration) and the present configuration. FIG. 4A is a diagram plotting the resistivity of each sample. FIG. 4B shows a table comparing the electrode configuration and annealing treatment conditions of the conventional configuration and the present configuration.
ここで、従来構成は、半導体層側から順に、密着層としてのTi、導電層としてのAl、バリア層としてPt、保護層としてのAuが順に積層された電極構造である。各層の厚みは、Ti/Al/Pt/Au=50[Å]/2000[Å]/400[Å]/1500[Å]である。アニール温度は870[℃]であり、アニール時間は30[sec.]である。 Here, the conventional configuration is an electrode structure in which Ti as an adhesion layer, Al as a conductive layer, Pt as a barrier layer, and Au as a protective layer are sequentially stacked from the semiconductor layer side. The thickness of each layer is Ti / Al / Pt / Au = 50 [Å] / 2000 [Å] / 400 [Å] / 1500 [Å]. The annealing temperature is 870 [° C.], and the annealing time is 30 [sec. ].
一方、本願構成は、半導体層側から順に、密着層としてのTi、拡散補助層としてのAu、ドーパント層としてのSi、導電層としてのAl、保護層としてのMoが順に積層された電極構造である。各層の厚みは、Ti/Au/Si/Al/Mo=250[Å]/100[Å]/100[Å]/1000[Å]/2000[Å]である。アニール温度は770[℃]であり、アニール時間は180[sec.]である。 On the other hand, the configuration of the present application is an electrode structure in which Ti as an adhesion layer, Au as a diffusion auxiliary layer, Si as a dopant layer, Al as a conductive layer, Mo as a protective layer are sequentially stacked from the semiconductor layer side. is there. The thickness of each layer is Ti / Au / Si / Al / Mo = 250 [Å] / 100 [Å] / 100 [Å] / 1000 [Å] / 2000 [Å]. The annealing temperature is 770 [° C.], and the annealing time is 180 [sec. ].
図4に示すように、本願構成および製造方法を用いることで、アニール温度を低下させながら、従来構成および製造方法と同様に、10−6[Ω・cm2]オーダーの接触抵抗率を実現することができる。As shown in FIG. 4, by using the present configuration and the manufacturing method, a contact resistivity of the order of 10 −6 [Ω · cm 2 ] is realized in the same manner as the conventional configuration and manufacturing method while lowering the annealing temperature. be able to.
図5は、本願構成を用いた電極の表面を光学顕微鏡で撮影した画像である。図5において、30は半導体層、50は保護層を示す。図5に示すように、本願構成および製造方法を用いることで、パープルプレーグの発生を大幅に抑制することができ、電極表面の凹凸が殆ど発生しない。これに対して、従来構成において、本願発明と同様のアニール条件を用いた場合、電極表面に凹凸が発生したことを確認している。したがって、本願発明の構成および製造方法を用いることで、デバイスとしての抵抗が低い、すなわち、外部回路との接続面を含めた抵抗が低い半導体装置10を形成することができる。 FIG. 5 is an image obtained by photographing the surface of the electrode using the configuration of the present application with an optical microscope. In FIG. 5, 30 is a semiconductor layer and 50 is a protective layer. As shown in FIG. 5, by using the configuration and the manufacturing method of the present application, the occurrence of purple plague can be significantly suppressed, and the electrode surface is hardly uneven. On the other hand, in the conventional configuration, it was confirmed that unevenness occurred on the electrode surface when annealing conditions similar to those of the present invention were used. Therefore, by using the configuration and the manufacturing method of the present invention, the semiconductor device 10 having a low resistance as a device, that is, a low resistance including a connection surface with an external circuit can be formed.
なお、本願構成の拡散補助層44およびドーパント層43の一方のみを用いた場合、抵抗値が増加してしまう。したがって、電極層40は、上述の密着層41、導電層42、ドーパント層43、拡散補助層44を用いることが好適である。すなわち、従来から用いられている、密着層と導電層との間に、単にドーパント層のみを挟んだり、単に拡散補助層を挟んだりする構成ではなく、密着層と導電層との間にドーパント層と拡散補助層との両方を挟んだ構成とすることで、上述の作用効果をより確実に得ることができる。 In addition, when only one of the diffusion auxiliary layer 44 and the dopant layer 43 having the configuration of the present application is used, the resistance value increases. Therefore, it is preferable to use the adhesion layer 41, the conductive layer 42, the dopant layer 43, and the diffusion auxiliary layer 44 described above for the electrode layer 40. That is, it is not a configuration in which only the dopant layer is simply sandwiched between the adhesion layer and the conductive layer or the diffusion auxiliary layer is simply sandwiched between the adhesion layer and the conductive layer. The above-mentioned operation and effect can be obtained more reliably by adopting a configuration sandwiching both the diffusion auxiliary layer and the diffusion auxiliary layer.
図6は、第1の実施形態に係る本願構成の電極構造において、拡散補助層の厚みと導電層の厚みの比を変化させた場合の接触抵抗率の変化を示した図である。図6では、横軸に導電層42の厚みに対する拡散補助層44の厚みの比を用い、縦軸に接触抵抗率を用いる。 FIG. 6 is a diagram showing a change in contact resistivity when the ratio of the thickness of the diffusion auxiliary layer and the thickness of the conductive layer is changed in the electrode structure of the present application configuration according to the first embodiment. In FIG. 6, the ratio of the thickness of the auxiliary diffusion layer 44 to the thickness of the conductive layer 42 is used on the horizontal axis, and the contact resistivity is used on the vertical axis.
図6に示すように、ドーパント層43を構成する元素が十分に拡散するのであれば、拡散補助層44の厚みは導電層42の厚みよりも薄いことが好ましい。 As shown in FIG. 6, the diffusion auxiliary layer 44 is preferably thinner than the conductive layer 42 if the elements constituting the dopant layer 43 are sufficiently diffused.
図7は、拡散補助層の厚みのみを変化させた場合の電極の表面を光学顕微鏡で撮影した画像である。図7において、D1,D2,D3,D4は、拡散補助層44の厚みを示し、D1<D2<D3<D4である。図7において、30は半導体層、50は保護層を示す。 FIG. 7 is an image obtained by photographing the surface of the electrode with an optical microscope when only the thickness of the diffusion assisting layer is changed. In FIG. 7, D1, D2, D3, and D4 indicate the thickness of the diffusion auxiliary layer 44, and D1 <D2 <D3 <D4. In FIG. 7, 30 is a semiconductor layer and 50 is a protective layer.
図7に示すように、拡散補助層44の厚みが薄いほど、電極表面の凹凸の発生が少なくなる。したがって、拡散補助層44は薄いことが好ましい。 As shown in FIG. 7, the thinner the diffusion assisting layer 44, the less the unevenness of the electrode surface. Accordingly, the diffusion assisting layer 44 is preferably thin.
以上のように、本実施形態の構成及び製造方法を用いることで、オーミック接続の抵抗値を低く抑えるとともに、電極表面の平坦性が高い半導体装置を実現することができる。 As described above, by using the configuration and the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to realize a semiconductor device in which the resistance value of the ohmic connection is kept low and the flatness of the electrode surface is high.
また、本実施形態のように、半導体層に、熱処理前にノンドーピングとしている半導体を用いることにより、半導体層全体でのドーピング濃度を下げ、電圧無印加時の半導体装置自体の抵抗を高く確保することができる。したがって、オフ時のリーク電流が少ない高周波パワーアンプ等に用いるのに、より好適である。 Further, as in this embodiment, by using a semiconductor that is non-doped before heat treatment as the semiconductor layer, the doping concentration in the entire semiconductor layer is lowered, and the resistance of the semiconductor device itself when no voltage is applied is ensured to be high. be able to. Therefore, it is more suitable for use in a high-frequency power amplifier or the like that has a low leakage current when turned off.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について、図を参照して説明する。図8は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の一部断面図である。(Second Embodiment)
Next, a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a partial cross-sectional view of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態の半導体装置10Aは、電極層40Aの熱処理前の積層構造が異なるものであり、他の構成は、第1の実施形態に係る半導体装置10と同じである。したがって、第1の実施形態に係る半導体装置10と異なる箇所について具体的に説明する。 The semiconductor device 10A of the present embodiment is different in the stacked structure of the electrode layer 40A before the heat treatment, and other configurations are the same as those of the semiconductor device 10 according to the first embodiment. Therefore, different parts from the semiconductor device 10 according to the first embodiment will be specifically described.
電極層40Aは、半導体層30側から、密着層41、ドーパント層43、拡散補助層44、導電層42の順に積層された構成を備える。 The electrode layer 40 </ b> A has a configuration in which an adhesion layer 41, a dopant layer 43, a diffusion auxiliary layer 44, and a conductive layer 42 are stacked in this order from the semiconductor layer 30 side.
図9は、第2実施形態の電極構成と、第1実施形態の電極構成でのコンタクト部分の接触抵抗率の比較を示す図である。図9において、横軸はアニール時間であり、縦軸は接触抵抗率である。図9において、実線は第1実施形態の構成であり、破線は第2実施形態の構成である。なお、各層の厚みは、第1実施形態の電極40も第2実施形態の電極40Aも同じであり、アニール温度も、第1の実施形態と第2の実施形態で同じ条件である。 FIG. 9 is a diagram showing a comparison of the contact resistivity of the contact portion between the electrode configuration of the second embodiment and the electrode configuration of the first embodiment. In FIG. 9, the horizontal axis represents the annealing time, and the vertical axis represents the contact resistivity. In FIG. 9, the solid line is the configuration of the first embodiment, and the broken line is the configuration of the second embodiment. The thickness of each layer is the same for both the electrode 40 of the first embodiment and the electrode 40A of the second embodiment, and the annealing temperature is also the same condition in the first embodiment and the second embodiment.
図9に示すように、第1実施形態および第2の実施形態の構成のいずれの構成であっても、10−6[Ω・cm2]オーダーの接触抵抗率を実現することができる。ただし、第1の実施形態の構成の方が、第2の実施形態の構成と比べて、接触抵抗率をより低くすることができる。As shown in FIG. 9, a contact resistivity of the order of 10 −6 [Ω · cm 2 ] can be realized with any of the configurations of the first embodiment and the second embodiment. However, the configuration of the first embodiment can make the contact resistivity lower than that of the configuration of the second embodiment.
また、図9に示すように、いずれの構成であっても、接触抵抗率の値はアニール時間に依存していない。 Further, as shown in FIG. 9, in any configuration, the value of contact resistivity does not depend on the annealing time.
上述の実施形態では、半導体装置として、電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)の例を示したが、電極層と半導体層との間でオーミック接続された半導体装置であれば、本発明の実施形態の構成および製造方法を適用することができる。 In the above-described embodiment, an example of a field effect transistor (FET) is shown as the semiconductor device. However, if the semiconductor device is in an ohmic connection between the electrode layer and the semiconductor layer, the present invention may be implemented. The configuration of the form and the manufacturing method can be applied.
また、上述の実施形態では、シングルへテロ構造をとる半導体層を用いた例を示したが、ダブルへテロ構造等の半導体層を用いたものであってもよい。また、半導体層は、ヘテロ構造をとらない半導体層であってもよい。 Moreover, although the example using the semiconductor layer which takes a single hetero structure was shown in the above-described embodiment, a semiconductor layer such as a double hetero structure may be used. The semiconductor layer may be a semiconductor layer that does not have a heterostructure.
10,10A:半導体装置
20:ベース基板
30:半導体層
31:第1半導体層
32:第2半導体層
40,40A:電極層
41:密着層
42:導電層
43:ドーパント層
44:拡散補助層
50:保護層10, 10A: Semiconductor device 20: Base substrate 30: Semiconductor layer 31: First semiconductor layer 32: Second semiconductor layer 40, 40A: Electrode layer 41: Adhesion layer 42: Conductive layer 43: Dopant layer 44: Diffusion auxiliary layer 50 : Protective layer
Claims (8)
該半導体層の表面に形成された電極層と、を備え、
前記電極層は、
前記半導体層の表面に形成され、Ti,W,Cr,V,Pd,Taの少なくとも1種類の元素が選択して用いられる密着層と、
該密着層の前記半導体層と反対側に形成され、Auが用いられる拡散補助層と、
該拡散補助層の前記密着層と反対側に形成され、Si,Ga,Snの少なくとも1種類の元素が選択して用いられるドーパント層と、
該ドーパント層の前記拡散補助層と反対側に形成され、Ga、Alの少なくとも1種類の元素が選択して用いられる導電層と、
を含み、
前記密着層に用いられる元素、前記拡散補助層に用いられる元素、前記ドーパント層に用いられる元素、および、前記導電層に用いられる元素は、互いの層内に拡散され、合金化されている、
半導体装置。 A semiconductor layer made of a nitride semiconductor;
An electrode layer formed on the surface of the semiconductor layer,
The electrode layer is
An adhesion layer formed on the surface of the semiconductor layer, wherein at least one element of Ti, W, Cr, V, Pd, Ta is selected and used ;
A diffusion auxiliary layer formed on the opposite side of the adhesion layer from the semiconductor layer and using Au ;
A dopant layer which is formed on the opposite side to the adhesion layer of the diffusion assisting layer, and at least one element of Si, Ga, Sn is selectively used ;
A conductive layer formed on the opposite side of the diffusion assisting layer of the dopant layer, wherein at least one element of Ga and Al is selectively used ;
Including
The element used for the adhesion layer, the element used for the diffusion auxiliary layer, the element used for the dopant layer, and the element used for the conductive layer are diffused and alloyed in each other layer ,
Semiconductor device.
該半導体層の表面に形成された電極層と、を備え、
前記電極層は、
前記半導体層の表面に形成され、Ti,W,Cr,V,Pd,Taの少なくとも1種類の元素が選択して用いられる密着層と、
該密着層の前記半導体層と反対側に形成され、Si,Ga,Snの少なくとも1種類の元素が選択して用いられるドーパント層と、
該ドーパント層の前記密着層と反対側に形成され、Auが用いられる拡散補助層と、
該拡散補助層の前記拡散補助層と反対側に形成され、Ga、Alの少なくとも1種類の元素が選択して用いられる導電層と、
を含み、
前記密着層に用いられる元素、前記拡散補助層に用いられる元素、前記ドーパント層に用いられる元素、および、前記導電層に用いられる元素は、互いの層内に拡散され、合金化されている、
半導体装置。 A semiconductor layer made of a nitride semiconductor;
An electrode layer formed on the surface of the semiconductor layer,
The electrode layer is
An adhesion layer formed on the surface of the semiconductor layer, wherein at least one element of Ti, W, Cr, V, Pd, Ta is selected and used ;
A dopant layer formed on the opposite side of the adhesion layer from the semiconductor layer, wherein at least one element of Si, Ga, Sn is selected and used ;
A diffusion auxiliary layer formed on the opposite side of the adhesion layer from the adhesion layer and using Au ;
A conductive layer formed on a side opposite to the diffusion auxiliary layer of the diffusion auxiliary layer, wherein at least one element of Ga and Al is selectively used ;
Including
The element used for the adhesion layer, the element used for the diffusion auxiliary layer, the element used for the dopant layer, and the element used for the conductive layer are diffused and alloyed in each other layer ,
Semiconductor device.
該保護層は、前記電極層を構成する各材料よりも高融点の材料で構成され、合金化されていない、
請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 A protective layer formed on the surface of the alloyed electrode layer;
The protective layer is made of a material having a melting point higher than each material constituting the electrode layer and is not alloyed.
The semiconductor device according to claim 1 or 2 .
請求項3に記載の半導体装置。 For the protective layer, at least one element of Mo, Ta, W, and Nb is selected and used.
The semiconductor device according to claim 3 .
前記半導体層の表面に、電極層を形成する第2の工程と、
前記電極層を熱処理して合金化を行う第3の工程と、を備え、
前記第2の工程は、
前記半導体層の表面に、Ti,W,Cr,V,Pd,Taの少なくとも1種類の元素を選択して用いた密着層を形成するステップと、
前記密着層の表面に、Auを用いた拡散補助層を形成するステップと、
前記拡散防止層の表面に、Si,Ga,Snの少なくとも1種類の元素を選択して用いたドーパント層を形成するステップと、
前記ドーパント層の表面に、Ga、Alの少なくとも1種類の元素を選択して用いた導電層を形成するステップと、
を有し、
前記合金化は、前記密着層に用いられる元素、前記拡散補助層に用いられる元素、前記ドーパント層に用いられる元素、および、前記導電層に用いられる元素の合金化である、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first step of preparing a semiconductor layer made of a nitride semiconductor;
A second step of forming an electrode layer on the surface of the semiconductor layer;
And a third step of alloying the electrode layer by heat treatment,
The second step includes
Forming an adhesion layer on the surface of the semiconductor layer by selecting and using at least one element of Ti, W, Cr, V, Pd, Ta ;
Forming a diffusion auxiliary layer using Au on the surface of the adhesion layer;
Forming a dopant layer on the surface of the diffusion prevention layer by selecting and using at least one element of Si, Ga, Sn ;
Forming a conductive layer on the surface of the dopant layer by selecting and using at least one element of Ga and Al ;
I have a,
The alloying is an alloying of an element used for the adhesion layer, an element used for the diffusion auxiliary layer, an element used for the dopant layer, and an element used for the conductive layer.
The method of manufacturing a semiconductor device comprising a call.
前記半導体層の表面に、電極層を形成する第2の工程と、
前記電極層を熱処理して合金化を行う第3の工程と、を備え、
前記第2の工程は、
前記半導体層の表面に、Ti,W,Cr,V,Pd,Taの少なくとも1種類の元素を選択して用いた密着層を形成するステップと、
前記密着層の表面に、Si,Ga,Snの少なくとも1種類の元素を選択して用いたドーパント層を形成するステップと、
前記ドーパント層の表面に、Auを用いた拡散補助層を形成するステップと、
前記拡散補助層の表面に、Ga、Alの少なくとも1種類の元素を選択して用いた導電層を形成するステップと、
を有し、
前記合金化は、前記密着層に用いられる元素、前記拡散補助層に用いられる元素、前記ドーパント層に用いられる元素、および、前記導電層に用いられる元素の合金化である、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first step of preparing a semiconductor layer made of a nitride semiconductor;
A second step of forming an electrode layer on the surface of the semiconductor layer;
And a third step of alloying the electrode layer by heat treatment,
The second step includes
Forming an adhesion layer on the surface of the semiconductor layer by selecting and using at least one element of Ti, W, Cr, V, Pd, Ta ;
Forming a dopant layer on the surface of the adhesion layer by selecting and using at least one element of Si, Ga, and Sn ;
Forming a diffusion assisting layer using Au on the surface of the dopant layer;
Forming a conductive layer on the surface of the diffusion auxiliary layer by selecting and using at least one element of Ga and Al ; and
Have,
The alloying is an alloying of an element used for the adhesion layer, an element used for the diffusion auxiliary layer, an element used for the dopant layer, and an element used for the conductive layer.
The method of manufacturing a semiconductor device comprising a call.
請求項5または請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 The heat treatment is performed at 800 ° C. or lower.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5 .
さらに有する、請求項5乃至請求項7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 A step of forming a protective layer which is made of a material having a melting point higher than each material constituting the electrode layer and is not alloyed on the surface of the alloyed electrode layer,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5 , further comprising:
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