JP5358893B2 - トランジスタ - Google Patents

Description

この発明は、トランジスタに関し、特に、半導体層とショットキー接合を形成する電極を備えるトランジスタに関する。

従来、例えば、下記の特許文献に開示されているように、半導体基板とショットキー接合するゲート電極を備えるトランジスタが知られている。

特開昭６２−１３０５６７号公報 特開昭６１−２０３６７２号公報 特開昭６１−１８３９６１号公報 特開平０５−２１１１７５号公報

ゲート電極の材料として、窒化タンタル（ＴａＮ）を用いる場合がある。ＴａＮを用いた場合、ショットキー障壁高さΦ_ｂ値や理想係数値（ｎ値）を良好な値とすることができ、耐湿性にも優れた特性を有するゲート電極を得ることができる。

しかしながら、ＴａＮを用いた場合に、特に高温保存時などの高温環境下において、ゲート電極が外部に暴露されると、ゲート電極直下の半導体基板からの窒素抜けや、酸化が発生する。このような窒素抜けや酸化が、高温環境下における信頼性の低下を招くおそれある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ショットキー障壁高さや理想係数値といった特性を良好な値に保ちつつ、耐熱性に優れた電極を備えるトランジスタを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、トランジスタであって、
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層に窒化タンタルが積層されてなり、該窒化物半導体層とショットキー接合を形成するゲート電極層と、
前記窒化物半導体層に前記ゲート電極層を囲うように設けられる絶縁膜と、を備え、
前記ゲート電極層は、前記窒化物半導体層と接触する部位に比して該窒化物半導体層と接触しない部位の窒化率が低くされてなり、
前記ゲート電極層は、第１、２ゲート電極層が積層されてなり、
前記第１ゲート電極層は、前記窒化物半導体層に積層されて該窒化物半導体層とショットキー接合を形成する層であり、
前記第２ゲート電極層は、前記第１ゲート電極層よりも低窒化率の窒化タンタルが該第１電極層に積層されてなる層であり、
前記絶縁膜が、前記第２ゲート電極層に接して設けられて該第２ゲート電極層とともに該第１ゲート電極層を覆うことを特徴とする。

第１の発明によれば、窒化物半導体層に接触する部位を高窒化率の窒化タンタルで形成することで、良好なショットキー接合特性を得ることができる。そして、窒化物半導体層に接触しない部位を、低窒化率の窒化タンタルで形成することで、高窒化率の部位が露出するのを防ぐことができる。高温時の劣化は、外部に曝されている部位から進み、かつ、劣化部位の窒化率が高いほど進行し易い。このため、ゲート電極層の低窒化率の部位によって、高窒化率の部位が外部に曝されて劣化するのを防止することができる。その結果、ショットキー障壁高さや理想係数値を良好な値に保ちつつ、耐熱性に優れたゲート電極を備えるトランジスタを得ることができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかるトランジスタ１０の構造を説明するための図である。具体的には、図1は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系トランジスタにおいて、ゲート電極に窒化タンタル（以下、ＴａＮとも呼称する）を用いたショットキー接合ゲート電極を備えるトランジスタ（以下、ショットキーゲート型トランジスタとも呼称する）を示す図である。本実施形態では、トランジスタ１０を、ＧａＮ系の高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）とする。

図１には、本実施形態のトランジスタ１０のゲート電極２０近傍の構造が拡大して示されている。本実施形態では、ＧａＮ層１２、ＡｌＧａＮ層１４の化合物半導体層に、ＴａＮ層２２を積層している。ＴａＮ層２２は、ＡｌＧａＮ層１４とショットキー接合を形成する。ＴａＮ層２２の周囲には、ＳｉＮからなる絶縁膜１６が設けられている。

ＴａＮ層２２には、更に、ＴａＮ層２４が積層される。ＴａＮ層２４は、絶縁膜１６と接するように形成される。これにより、ＴａＮ層２２は、周囲の絶縁膜１６と上層のＴａＮ層２４とによって被覆される。そして、ＴａＮ層２２とＴａＮ層２４とにより、ゲート電極２０が構成される。

ＴａＮ層２４は、下層のＴａＮ層２２よりも、窒化率が低くされている。本実施形態では、ＴａＮ層２２におけるＴａとＮの比率は、Ｎ／Ｔａ＝１．３〜１．７の範囲内とする。また、ＴａＮ層２４については、ＴａとＮの比率がＮ／Ｔａ＝０．９〜１．３の範囲内にあるようにする。具体的には、本実施形態では、ＴａＮ層２２はＮ／Ｔａ＝１．５とし、ＴａＮ層２２はＮ／Ｔａ＝１．１とする。

なお、図示しないが、ソース電極およびドレイン電極は、ＡｌＧａＮ層１４の他の位置に設けられている。このように、本実施形態は、２つのＴａＮ層２２、２４からなるゲート電極２０を備え、半導体層と直接接する下層のＴａＮ層の窒化率が高くされ、上層のＴａＮ層の窒化率が低くされたトランジスタである。

図２は、本実施形態のトランジスタ１０の製造方法の一例を示す工程図である。本実施形態の製造方法では、まず、図２（ａ）に示すように、ＧａＮ層１２、ＡｌＧａＮ層１４の化合物半導体層上にＳｉＮを堆積し、絶縁膜１６を形成する。続いて、ウェットエッチングにより、図２（ｂ）に示すように、ゲート電極位置について絶縁膜１６を部分的に除去する。その後、図２（ｃ）に示すように、ＴａＮ層２２、２４をスパッタにより順次積層する。

このとき、ＴａＮ層２２のスパッタの際のＮ_２ガス圧を相対的に高く、ＴａＮ層２４のスパッタの際のＮ_２ガス圧を相対的に低くすることで、窒化率の異なるＴａＮ層２２、２４の積層構造を形成することができる。次に、ゲート電極２０に相当する部位にレジスト膜３０を塗布し、ゲート電極２０以外の部位をイオントリミングにより除去する（図２（ｄ））。その後、レジスト膜３０を除去して、図２（ｅ）に示すようにゲート電極２０を得る。

［実施の形態１の作用、効果］
ＴａＮ層をゲート電極に用いた場合、ショットキー障壁高さΦ_ｂ値や、理想係数n値が、良好な値となる。ＴａとＮの比率（以下、単に「窒化率」とも呼称する）がある程度高くされている場合、例えば、Ｎ／Ｔａ＝１．３〜１．７程度（以下、この範囲を「高窒化率」とも呼称する）とされた場合に、それらの特性を良好な値とすることができる。

一方、ＴａＮが高温にされた場合、ＴａＮ層中およびゲート電極直下の半導体層中から、窒素抜けや酸化が起こる。窒素抜けや酸化といったゲート電極の劣化は、高温時に大気中にさらされている部分から起こる。

図８は、本実施形態の比較例としての、ＴａＮ層をゲート電極として用いたトランジスタを示す図である。図８のトランジスタ５１０は、ＧａＮ層５１２、ＡｌＧａＮ層５１４、絶縁膜５１６を備え、ゲート電極５２０が特定の窒化率の一層のＴａＮ層で形成されている。図８の比較例の構造では、ＴａＮ層が露出している。

上述したＴａＮ層の劣化は、Ｎ／Ｔａ比率が大きくなるほど、進行し易くなる傾向にある。図３は、ＴａＮ層をゲート電極とした場合における、ＴａとＮとの比率と、ゲート電極の耐熱性との関係について、本願発明者が行った実験結果を示す図である。具体的には、図３は、ＴａとＮの比率を変化させたときの高温保存試験（３８０℃で９６時間保存）後の、シート抵抗変化率を示す図である。N／Ｔａ比率の変化に応じて、シート抵抗変化率が変化している。

図３において、シート抵抗の変化率が大きいほど、耐熱性が低い。このため、図３の結果から、ゲート電極の耐熱性は、窒化率が小さくなるにつれて向上することがわかる。特に、図３に示すように、ＴａとＮの比率がＮ／Ｔａ＝１．３を境に、高窒化率側のシート抵抗変化率の増加割合が大きくなっている。つまり、ＴａＮ層の窒化率がＮ／Ｔａ＝１．３を超えると高温保存環境下における耐熱性の低下が顕著になるので、良好な耐熱性を確保する観点からは、窒化率をＮ／Ｔａ＝０．９〜１．３程度の範囲（以下、この窒化率の範囲を「低窒化率」とも呼称する）とすることが好ましいと考えられる。

上述したように、ゲート電極の特性を良好にする観点からは、ゲート電極として用いるＴａＮ層の窒化率をＮ／Ｔａ＝１．３〜１．７程度とすることが好ましい。しかしながら、図８の比較例のようにゲート電極５２０が露出している構造では、ゲート電極５２０の窒化率を高くすると、それに付随してゲート電極５２０の耐熱性も低下してしまう。また、図３で述べたように、ゲート電極を低窒化率のＴａＮ層とすることで耐熱性を向上させることができるものの、この場合には、Φ_ｂ値やｎ値といった特性も低下してしまう。このように、図８の比較例の構造では、良好な特性を得るために窒化率を高めると、それに相反して、耐熱性の低下を招くこととなる。

そこで、本実施形態では、図1に示すように、半導体層と接する部分に高窒化率のＴａＮ層２２を形成し、その上に低窒化率のＴａＮ層２４を積層した２層構造のＴａＮゲート電極構造を用いることとする。ＴａＮ層２２の膜厚は、両側の絶縁膜１６より薄くする。

このような構成によれば、ＴａＮ層２２の上部を、低窒化率のＴａＮ層２４によって被覆し、ＴａＮ層２２の側面部を、絶縁膜１６によって被覆することができる。そして、ショットキー接合を形成するＴａＮ層２２が、高窒化率（Ｎ／Ｔａ＝１．３〜１．７）の層とされることで、良好なΦ_ｂ値、ｎ値を得ることができる。また、ＴａＮ層２２を保護するＴａＮ層２４は低窒化率（Ｎ／Ｔａ＝０．９〜１．３）の層とされているので、耐熱性が高く、高温環境下で大気に暴露されてもその劣化が抑えられる。これにより、高窒化率のＴａＮ層２２が大気に暴露されるのを防ぐことができ、耐熱性に優れたゲート電極を得ることができる。

また、本実施形態では、窒化率の異なる二つのＴａＮ層を積層した２層構造ゲート電極構造を用いている。このような手法によれば、２つの層の間に剥離が生ずるおそれを小さくし、高窒化率のＴａＮ層２２を確実に保護することができる。また、本実施形態のゲート電極２０は、窒化率を異ならしめつつＴａＮ層を積層することで製造可能であるため、製造上の利点もある。

［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、ＴａＮ層２４によってＴａＮ層２２の上面を、絶縁膜１６によってＴａＮ層２２の側面を、それぞれ被覆した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。高窒化率に形成されるＴａＮ層２２をＴａＮ層２４と絶縁膜１６によって被覆するという観点からは、例えば、ＴａＮ層２２が絶縁膜１６よりも厚く形成されている場合には、ＴａＮ層２４によってＴａＮ層２２の上面と側面の両方を被服することとしてもよい。

なお、実施の形態１の構成によれば、絶縁膜１６で、ＴａＮ層２２の側面部を被覆することができる。従って、ゲート電極２０全体で見た場合の外部露出面積が少なくなる。また、実施の形態１では、絶縁膜１６をＳｉＮで形成したが、本発明はこれに限られない。例えば、ＳｉＯ_２など、適宜、好適な絶縁膜材料を選択し、半導体層上に形成すればよい。

（第２変形例）
実施の形態１では、ＴａＮ層２２をＮ／Ｔａ＝１．５の層とし、ＴａＮ層２４はＮ／Ｔａ＝１．１の層とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ＴａＮ層２２の窒化率を相対的に高く、ＴａＮ層２４の窒化率を相対的に低くするとこととすればよく、それぞれの層の窒化率の値を適宜変更してもよい。

従って、良好なショットキー接合特性を得る観点、および、良好な耐熱性を得る観点から、ＴａＮ層２２、２４の窒化率を必要に応じて適切な値に定めることができる。なお、上述したように、特に、ＴａＮ層２２を高窒化率（Ｎ／Ｔａ＝１．３〜１．７）の層とすることで、良好なΦ_ｂ値、ｎ値を得ることができ、また、ＴａＮ層２４を低窒化率（Ｎ／Ｔａ＝０．９〜１．３）の層とすることで（但し、「ＴａＮ層２２の窒化率＞ＴａＮ層２４の窒化率」とする）、良好な耐熱性を得ることが可能となる。

（第３変形例）
図４は、実施の形態１の第３変形例の構造を示す図である。図４のトランジスタ１０は、ゲート電極２０のＴａＮ層２４に、比抵抗の低い金属材料からなる低抵抗層４０を備えている。本変形例では、低抵抗層４０を、金（Ａｕ）を用いて形成する。これにより、ゲート電極を低抵抗とすることができる。なお、Ａｕ（比抵抗：２．１μΩ・ｃｍ）に代えて、Ｃｕ（比抵抗：１．９μΩ・ｃｍ）などの低比抵抗材料を用いても良い。

（第４変形例）
図５は、実施の形態１の第４変形例の構造を示す図である。図５のトランジスタ５０では、ゲート電極を構成するＴａＮ層２２、２４のうち、上層のＴａＮ層２４を、Ｔａ層６４（つまり、窒化率が零のＴａＮ層）としている。上述したように、窒化率が低いほどＴａＮ層の耐熱性は高まる。このため、第４変形例のように、ゲート電極６０をＴａＮ層２２とＴａ層６４から形成することで、高耐熱性のゲート電極を得ることができる。なお、第４変形例は、図２で述べた工程におけるＴａＮ層２４の形成工程を、Ｔａ層のみを積層する工程に代えることで実現できる。

なお、本実施形態では、高電子移動度トランジスタであるトランジスタ１０に対して、本発明の思想にかかるゲート電極構造を適用した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ショットキー接合ゲート電極を備えるトランジスタについて、適宜、本発明を用いることができる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかるトランジスタの構成を示す図である。図６のトランジスタ１１０は、ゲート電極２０に代えてゲート電極１２０を用いている点を除き、実施の形態１の図１のトランジスタ１０と同様の構造を有している。以下の説明では、本実施形態の特徴点であるゲート電極１２０についてのみ説明する。

実施の形態２では、ＴａＮ層１２２を実施の形態１のＴａＮ層２２と同様に高窒化率の層（Ｎ／Ｔａ＝１．５）とする。そして、ＴａＮ層１２４はＴａＮ層１２２よりも低窒化率（Ｎ／Ｔａ＝１．３）とし、ＴａＮ層１２６はＴａＮ層１２４よりも低窒化率とする（Ｎ／Ｔａ＝１．１）。このように、実施形態２では、ゲート電極を三層のＴａＮ層で構成し、その窒化率を、下層から上層へ向かって（ＴａＮ層１２２、１２４、１２６の順に）段階的に低くしていく構造とする。

図1のようにゲート電極を２層構造とする場合に、窒素比率の大きく異なるＴａＮ層を積層すると、界面に生ずる応力によりメタル剥がれが生じる可能性がある。そこで、図６のようにＴａＮ層の窒化率を下層から上層に向けて段階的に低くしていくことで、界面応力を緩和することができる。これにより、ゲート電極のメタル剥離を回避することが可能となる。

なお、本実施形態のトランジスタ１１０を製造する際には、図２で述べた工程のうち、図２（ｃ）の工程の際に、窒化率をより細かく変化させながら複数のＴａＮ層の積層を行うこととすればよい。

なお、実施の形態２では、ゲート電極１２０を、ＴａＮ層１２２、１２４、１２６の三層構造とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。窒化率の異なる四層、五層その他の複数層のＴａＮ層を、上層に行くほど低窒化率となるように積層することができる。これにより、窒化率の段階的な変化がより滑らかなものとなり、界面応力の緩和を更に効果的に行うことができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３にかかるトランジスタ２１０の構成を示す図である。トランジスタ２１０は、ゲート電極２０に代えてゲート電極２２０を用いている点を除き、実施の形態１の図１のトランジスタ１０と同様の構造を有している。

実施の形態３のトランジスタ２１０が備えるゲート電極２２０は、実施の形態１、２のゲート電極と同様に、ＴａＮにより形成されている。実施の形態３では、ＡｌＧａＮ層１４と接触する部位２２２の窒化率を実施の形態１のＴａＮ層２２と同様に高くする。そして、接触部位２２２から離れるに従って窒化率を段階的に低くし、大気暴露されうる最上部２２４については、実施の形態１のＴａＮ層２４と同様に窒化率を低くする。このような構成により、ショットキー接合特性と耐熱性とを良好にし、実施の形態２で述べた界面応力による剥がれのおそれを回避することができる。

トランジスタ２１０の製造を行う場合には、図２で述べた工程のうち、図２（ｃ）の工程において、ＴａＮ層のスパッタリングを、Ｎ_２ガス圧を連続的に変化させつつ行うことで作製することができる。

なお、実施の形態１で述べた変形例の思想を、実施の形態２、３に対して適用することができる。例えば、比抵抗の低い金属からなる層を、適宜、ゲート電極１２０、２２０に積層することができる。また、ゲート電極１２０のＴａＮ層１２６をＴａ層としてもよい。

本発明の実施の形態１のトランジスタの構成を示す図である。 実施の形態１にかかるトランジスタの製造方法を示す図である。 図３は、ＴａＮ層をゲート電極とした場合における、ＴａとＮとの比率と、ゲート電極の耐熱性との関係についての実験結果を示す図である。 実施の形態１の変形例を示す図である。 実施の形態１の変形例を示す図である。 実施の形態２のトランジスタの構成を示す図である。 実施の形態３のトランジスタの構成を示す図である。 実施の形態１に対する比較例の構成を示す図である。

符号の説明

１０、５０、１１０、２１０ トランジスタ
１２ ＧａＮ層
１４ ＡｌＧａＮ層
２２ ＴａＮ層（高窒化率）
２４ ＴａＮ層（低窒化率）
１６ 絶縁膜
２０、６０ ゲート電極
３０ レジスト膜
４０ 低抵抗層
６４ Ｔａ層
１１０ トランジスタ
１２０ ゲート電極
１２２ ＴａＮ層（高窒化率）
１２４ ＴａＮ層（中窒化率）
１２６ ＴａＮ層（低窒化率）
２１０ トランジスタ
２２０ ゲート電極
２２２ 接触部位
２２４ 最上部

Claims (6)

1. 窒化物半導体層と、
   前記窒化物半導体層に窒化タンタルが積層されてなり、該窒化物半導体層とショットキー接合を形成するゲート電極層と、
   前記窒化物半導体層に前記ゲート電極層を囲うように設けられる絶縁膜と、を備え、
   前記ゲート電極層は、前記窒化物半導体層と接触する部位に比して該窒化物半導体層と接触しない部位の窒化率が低くされてなり、
   前記ゲート電極層は、第１、２ゲート電極層が積層されてなり、
   前記第１ゲート電極層は、前記窒化物半導体層に積層されて該窒化物半導体層とショットキー接合を形成する層であり、
   前記第２ゲート電極層は、前記第１ゲート電極層よりも低窒化率の窒化タンタルが該第１電極層に積層されてなる層であり、
   前記絶縁膜が、前記第２ゲート電極層に接して設けられて該第２ゲート電極層とともに該第１ゲート電極層を覆うことを特徴とするトランジスタ。
2. 前記第２ゲート電極層は、窒化率が実質的に零とされたタンタルにより形成されてなる層であることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタ。
3. 前記第２ゲート電極層は、前記第１ゲート電極層から離れた位置にある層ほど窒化率が低くなるように、窒化率の異なる複数の窒化タンタル層が積層されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のトランジスタ。
4. 前記絶縁膜が前記第１ゲート電極層よりも厚く形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトランジスタ。
5. 前記第１ゲート電極層の窒化率は、Ｎ／Ｔａ比率がＮ／Ｔａ＝１．３以上であり、前記第２ゲート電極層の窒化率は、Ｎ／Ｔａ比率がＮ／Ｔａ＝１．３未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトランジスタ。
6. 前記ゲート電極層に、該ゲート電極層よりも比抵抗の低い層がさらに積層されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のトランジスタ。

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