JP2007048878A

JP2007048878A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2007048878A
Application number: JP2005230728A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Shiga; 俊彦志賀; Hitoshi Nakamura; 仁志中村; Junji Tanimura; 純二谷村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-02-22
Also published as: US20070035024A1; US7569911B2

Abstract

【課題】高温・高湿環境下における化合物半導体素子の特性劣化を抑制する。
【解決手段】ｐ型GaAs層１の上に、下層Ti層２、拡散防止層３、上層Ti層４、金属層（Au）５を積層したオーミック電極６が設けられている。上記拡散防止層３として、タンタル（Ta）またはニオブ（Nb）を用いた構造とする。
上記構造とすることにより、ｐ型GaAs層１のGa、Asと、金属層５のAuの相互拡散を防止するとともに、高温・高湿環境下において、オーミック電極６の抵抗率の変動を小さく抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、化合物半導体素子の配線または電極の構造に関するものである。

化合物半導体素子の材料として、GaAs、InPなどの化合物半導体が用いられる。また、化合物半導体素子の電極、配線としては、Au（金）が広く用いられている。
これらの電極、配線には、製造工程中、あるいは製品として使用される際に、熱が与えられる。このとき、電極または配線に含まれるAuは、化合物半導体との間や、アルミニウム（Al）電極との間で相互拡散を引き起こす。すると、半導体素子の特性が変化したり、劣化したりする。

特許文献１には、ニッケル（Ni）金属層の上に、モリブデン（Mo）金属層、金（Au）金属層を順次積層した電極構造が開示されている。Mo金属層は融点が高い金属層であるため、Ni金属層とAu金属層との間の相互拡散を防止することができる。

特開２００４−２２７７３号公報

しかし、Moは、耐湿性および耐食性が比較的劣っている。このため、拡散防止層としてMoを用いた化合物半導体素子は、水、水溶液、高温・高湿の環境下に曝されると、腐食されやすい。そうすると、素子抵抗の上昇、導通不良、配線間ショート等の不具合が発生する。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、Auを電極または配線として用いる化合物半導体素子において、Auと化合物半導体との間、またはAuとAl電極との間の相互拡散を防止し、かつ、耐湿性および耐食性を向上させた配線構造または電極構造を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、化合物半導体層または導電層からなる第１の層と、前記第１の層の上層又は下層に設けられ、Auを含む金属層と、TaまたはNbを含み、前記第１の層と前記金属層との間に設けられた拡散防止層とを備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、Auを電極または配線として用いる化合物半導体素子において、Auと化合物半導体との間、またはAuとAl電極との間の相互拡散を防止し、かつ、耐湿性および耐食性を向上させた配線構造または電極構造を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
本実施の形態に係る半導体装置の断面構造を図１に示す。これは、ｐ型GaAs層の上に形成したオーミック電極の断面構造である。GaAs基板（図示しない）の上に、ｐ型GaAs層１が設けられている。その上に、下層から順に、下層Ti層２（膜厚５０nm程度）、拡散防止層３（膜厚５０nm程度）、上層Ti層４（膜厚５０nm程度）、金属層５（膜厚２５０nm程度）が積層されている（以下、下層Ti層２、拡散防止層３、上層Ti層４、金属層５からなる積層膜を、「オーミック電極６」という）。オーミック電極６は、ｐ型GaAs層１の上に、所定幅で形成されている。拡散防止層３としては、タンタル（Ta）が用いられている。金属層５としては、Au（金）が用いられている。
すなわち上記構造は、ｐ型GaAs層１と金属層（Au）５との間に、Taからなる拡散防止層３を設けたものである。

ここで、拡散防止層とは、その上層膜に含まれる元素と、下層膜に含まれる元素とが入れ替わるように拡散すること（相互拡散）を防止するためのものである。上記拡散防止層３として、Taを用いた場合の相互拡散の抑制効果について説明する。
図１に示したオーミック電極６を、４７５℃の温度で１０分間加熱する。このサンプルを、オージェ電子分光法により測定した。これにより得られた構成元素の原子数比を図２に示す。金属層５（図１参照）の表面側からｐ型GaAs層１側に向かう深さを横軸とし、それぞれの位置に対応する構成元素の原子数比が縦軸に示されている。
横軸の中央からやや右側の位置に、左側から順に、上層Ti層４のTiのピークａ、拡散防止層３のTaのピークｂ、下層Ti層２のTiのピークｃが存在している。ピークａの左側にはAuのピークが存在し、ピークｃの右側には、Auは殆んど存在していない。このことから、金属層５のAuのｐ型GaAs層１側への拡散が、効果的に抑制されていることが分かる。また、ピークｃの右側にはGa、Asのピークが存在し、ピークａの左側には、Ga、Asは殆んど存在していない。このことから、ｐ型GaAs層１のGa、Asの金属層５側への拡散が、効果的に抑制されていることが分かる。

以上のことから、拡散防止層３としてTaを用いることにより、高温条件下においても、ｐ型GaAs層１のGa、Asと、金属層５のAuの相互拡散を効果的に抑制できることが分かる。

次に、上記拡散防止層３として、Taを用いた場合の耐湿性について説明する。
まず、半絶縁性GaAs基板上にTa膜（膜厚100nm程度）を形成したサンプルと、半絶縁性GaAs基板上にモリブデン（Mo）膜（膜厚100nm程度）を形成したサンプルとを作製する。次に、これらのサンプルの抵抗率（Ｒ_１）をそれぞれ測定する。次に、これらのサンプルを高温・高湿環境下に曝露し、抵抗率（Ｒ_２）を測定する。そして、それぞれのサンプルについて、曝露前と曝露後の抵抗率の変化率（（｜Ｒ_２−Ｒ_１｜/Ｒ_１）×100（％））を比較した。
上記それぞれのサンプルについて、抵抗率の変化率を比較した結果を図３に示す。Mo膜を形成したサンプルの抵抗率の変化率は、７５〜８０％以上である。これに対して、Ta膜を形成したサンプルでは、抵抗率の変化率がほぼゼロに抑えられていることが分かる。これは、拡散防止層３としてTa膜を用いることにより、Mo膜を用いた場合と比較して、耐湿性が飛躍的に向上することを示している。

以上のことから、拡散防止層３としてTa膜を用いた場合には、高温・高湿環境下においても拡散防止層の腐食、素子特性の劣化を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、ｐ型GaAs層１の上層に拡散防止層３が形成され、さらにその上層に金属層５が形成された構造とした。しかし、ｐ型GaAs層１の下層にAuを含む金属層が設けられ、これらの層の間に、拡散防止層が形成された構造であっても良い。このような構造であっても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

次に、上記実施の形態１の変形例について説明する。
上記実施の形態１では、拡散防止層３としてTaを用いるようにした。これに置き換えて、ニオブ（Nb）を用いるようにしても良い。Nbは、Taと同様に元素周期表のVa族に位置し、その化学的性質、物理的性質は、Taと極めて類似している。このため、拡散防止層３としてNbを用いても、上記実施の形態１と同様の効果が得られると考えられる。

実施の形態２．
本実施の形態に係る半導体装置の断面構造を図４に示す。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。この構造は、実施の形態１と同様に、ｐ型GaAs層の上に、オーミック電極を形成したものである。本実施の形態では、拡散防止層３として、MoとNbからなる合金膜を用いた構造とする。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

拡散防止層３としてMoとNbからなる合金膜を用いることにより、MoあるいはNbを単独で用いた場合と同様に、ｐ型GaAs層１のGa、Asと、金属層５のAuの相互拡散を効果的に抑制することができる。

次に、図４に示した拡散防止層３として、MoとNbからなる合金膜を用いた場合の耐湿性について説明する。
まず、半絶縁性GaAs基板上にMoとNbからなる合金膜（膜厚100nm程度）を形成したサンプルと、半絶縁性GaAs基板上にMo膜（膜厚100nm程度）を形成したサンプルとを作製した。MoとNbからなる合金膜を形成したサンプルは、Nbの含有率（原子数比）が１〜８％の範囲で、複数作製した。これらのサンプルを実施の形態１と同様に、高温・高湿環境下に曝露し、曝露前と曝露後の抵抗率の変化率を比較した。抵抗率の変化率の定義は、実施の形態１と同様とする。
Nbの含有率（原子数比）を横軸にとり、それぞれのサンプルについて、抵抗率の変化率を比較した結果を図５に示す。Nbが０％、すなわちMoのみからなる膜のとき、実施の形態１と同様に、抵抗率の変化率は７５〜８０％以上である。これに対して、Nbの含有率が２％以上のサンプルは、抵抗率の変化率が５０％以下に抑えられていることが分かる。これは、拡散防止層３としてMoとNbからなる合金膜を用いることにより、Moのみからなる膜を用いた場合と比較して、耐湿性が向上することを示している。
NbはMoよりも耐湿性、耐食性に優れた金属である。このため、MoにNbを添加して合金化することにより耐湿性が向上したと考えられる。

次に、上記拡散防止層３の機械的強度について説明する。上記合金膜を用いる場合、Nbの原子含有率を２０％程度以下とすることが好適である。その理由は、Nbの含有率を上記のように小さく抑えることにより、オーミック電極８の機械的強度（弾性率、硬度など）を、Moのみからなる膜とほぼ同等とすることができためである。

以上のことから、拡散防止層３としてMoとNbからなる合金膜を用いる場合、耐湿性と機械的強度の双方を考慮すると、Nbの原子含有率を２〜２０％の範囲とすることが好適である。これにより、Moのみからなる膜と比較して、オーミック電極８の機械的強度を同等とし、かつ、高温・高湿環境下での抵抗率の変化率を小さく抑えることができる。

なお、Nb、Moの結晶構造は、いずれも体心立方格子である。このため、これらの元素をいかなる混合比で混合しても、Mo相とNb相に分離することなく固溶体が形成される。従って、この合金膜の薄膜を形成する際には、結晶構造の制御が容易であるという利点がある。また、この合金膜はMoのみからなる膜に対して抵抗率の上昇が小さいため、良好な素子特性が得られる。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。
上記実施の形態２では、拡散防止層３として、MoとNbからなる合金膜を用いるようにした。これに置き換えて、MoとTaからなる合金膜を用いるようにしても良い。
Taは、Nbと同様に元素周期表のVa族に位置し、その化学的性質、物理的性質は、Nbと極めて類似している。このため、拡散防止層３としてMoとTaからなる合金膜を用いることにより、上記実施の形態２と同様の効果が得られると考えられる。
また、拡散防止層３は、上記合金膜の他、Ta、Nb、Moからなる合金膜であっても良い。このような合金膜であっても、上記実施の形態２と同様の効果が得られると考えられる。

実施の形態３．
本実施の形態に係る半導体装置の断面構造を図６に示す。ここでは、実施の形態１、２と異なる点を中心に説明する。この構造は、ｎ型GaAs層の上に形成したショットキー電極、およびその上に形成した配線の断面構造である。
基板（図示しない）上にｎ型GaAs層８が設けられている。その上に、Ti膜９（膜厚５０nm程度）、第１金属層１０（膜厚５００nm程度）が、所定幅で積層されている（以下、Ti膜９、第１金属層１０からなる積層膜を「ショットキー電極１１」という）。第１金属層１０としては、アルミニウム（Al）が用いられている。
ショットキー電極１１の上に、下層から順に、下層Ti層１２（膜厚５０nm程度）、拡散防止層１３（膜厚５０nm程度）、上層Ti層１４（膜厚５０nm程度）、第２金属層１５（膜厚８００nm程度）が積層されている（以下、下層Ti層１２、拡散防止層１３、上層Ti層１４、第２金属層１５からなる積層膜を、「配線層１６」という）。配線層１６は、ショットキー電極１１の上に、ショットキー電極１１の幅よりも小さい所定幅で形成されている。
拡散防止層１３としては、タンタル（Ta）が用いられている。第２金属層１５としては、Au（金）が用いられている。

上記構造は、第１金属層１０と第２金属層１５との間に、拡散防止層１３としてTaを用いた構造である。上記構造とすることにより、第１金属層１０のAlが第２金属層１５側に拡散するのを抑制し、第２金属層１５のAuが第１金属層１０側に拡散するのを抑制することができる。すなわち、第１金属層１０のAlと、第２金属層１５のAuの相互拡散を抑制することができる。

次に、上記実施の形態３の変形例について説明する。
上記拡散防止層１３として、実施の形態１で示したように、Taに置き換えてNbを用いるようにしても良い。また、上記拡散防止層１３として、実施の形態２およびその変形例で示したように、MoとNbからなる合金膜、MoとTaからなる合金膜、Ta、Nb、Moからなる合金膜を用いるようにしても良い。
これらの膜を用いることによっても、上記実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
本実施の形態に係る半導体装置の断面構造を図７に示す。ここでは、実施の形態１〜３と異なる点を中心に説明する。この構造は、ｎ型GaAs層の上に、Auを含む金属配線を形成した構造である。
基板（図示しない）上に、ｎ型GaAs層１７が設けられている。その上に、シリコン窒化膜からなる層間絶縁膜１８が設けられている。その上に、Ti膜１９（膜厚５０nm程度）、Auからなる金属層２０（膜厚２０００nm程度）、Ta又はNbからなる保護層２１が積層されている（以下、Ti膜１９、金属層２０、保護層２１からなる積層膜を「金属配線２２」という）。金属配線２２は、層間絶縁膜１８の上に、所定幅で形成されている。
なお、上記金属層２０は、Alなどの金属を含むものであっても良い。

半導体装置は、製造工程の途中や、製品として使用される際には、外部から機械的衝撃が与えられることがある。図７に示した金属層２０に含まれるAuやAlなどの金属膜は、機械的硬度が低い膜である。しかし、金属層２０の上に保護層２１を設けたことにより、金属配線２２に欠陥が発生するのを防ぐことができる。つまり、金属配線２２の機械的強度を向上させることができる。
また、実施の形態１で示したように、Ta、Nbは、Moと比較して耐湿性が優れている。従って、保護層としてMoを用いた場合と比較して、高温・高湿環境下において、配線の抵抗率が変動するのを抑制することができる。

次に、上記実施の形態４の変形例について説明する。
上記実施の形態４では、保護層２１として、TaまたはNbを用いるようにした。これに置き換えて、MoとTaからなる合金膜、又はMoとNbからなる合金膜、又はMo、Ta、Nbからなる合金膜を用いるようにしても良い。これらの膜を保護層として用いることによっても、金属配線２２の機械的強度を向上させることができる。
さらに、上記合金膜を用いた場合、TaまたはNbの原子含有率を２〜２０％の範囲とすることが好適である。これにより、金属配線２２の機械的強度を向上させ、かつ、高温・高湿環境下の抵抗率の変化率を小さく抑えることができる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面構造を示す図。実施の形態１に係る半導体装置の元素構成を示す図。実施の形態１に係る半導体装置の抵抗率の変化率を示す図。実施の形態２に係る半導体装置の断面構造を示す図。実施の形態２に係る半導体装置の抵抗率の変化率を示す図。実施の形態３に係る半導体装置の断面構造を示す図。実施の形態４に係る半導体装置の断面構造を示す図。

符号の説明

１ｐ型GaAs層、３拡散防止層、５金属層、６オーミック電極、８ｎ型GaAs層、１０第１金属層、１１ショットキー電極、１３拡散防止層、１５第２金属層、１６配線層、１７ｎ型GaAs層、１８層間絶縁膜、２０金属層、２２金属配線。

Claims

化合物半導体層または導電層からなる第１の層と、
前記第１の層の上層又は下層に設けられ、Auを含む金属層と、
TaまたはNbを含み、前記第１の層と前記金属層との間に設けられた拡散防止層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
前記拡散防止層は、Ta、Nbの少なくとも一方と、Moとからなる合金膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記合金膜のTaまたはNbの原子含有率は、２〜２０％の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
前記第１の層は、GaおよびAsを含む化合物半導体層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
前記第１の層は、Alを含む導電層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
AuまたはAlを含む導電層と、
前記導電層の上に設けられ、TaまたはNbを含む保護層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
前記保護層は、Ta、Nbの少なくとも一方と、Moとからなる合金膜であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
前記合金膜のTaまたはNbの原子含有率は、２〜２０％の範囲であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。