專利名稱：氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極及其制作工藝，特別涉及一種用于具有高勢(shì)壘高度、低漏電流性能和低電阻并且熱穩(wěn)定的氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極及其制作工藝。
背景技術(shù)：
在氮化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，之前已經(jīng)將包括Ni、Pt和Pd的金屬多層膜結(jié)構(gòu)用作肖特基電極材料(JP 10-223901A、JP11-219919A和JP 2004-087740A)，但是存在這樣的問(wèn)題，即用它們制作的肖特基柵電極顯示出約0.9至1.0eV的低勢(shì)壘高度和大反向漏電流。
作為解決該問(wèn)題的手段，已經(jīng)提出了使用銅(Cu)作為肖特基電極材料。根據(jù)TWHM 2003 proceedings(Topical Workshop onHeterostructure Microelectronics 2003，page 64)，已經(jīng)報(bào)道了通過(guò)形成具有200nm厚度的銅(Cu)膜的肖特基電極，與常規(guī)技術(shù)報(bào)道的值相比，其勢(shì)壘高度增加了0.1至0.2eV，且反向漏電流降低了約2位的量級(jí)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題然而，雖然上述技術(shù)能將肖特基勢(shì)壘高度增加至1.1eV，但是，當(dāng)將肖特基電極用作氮化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極時(shí)，這對(duì)于將氮化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極偏置設(shè)置為高電平是不足夠的，并且由此，需要更高的肖特基勢(shì)壘高度。而且，為了將其用作其柵電極，仍存在需要進(jìn)一步降低電阻的問(wèn)題。
考慮到這種問(wèn)題作出了本發(fā)明，且其目的是提供用于氮化物半導(dǎo)體器件的這種肖特基電極和其制作工藝，當(dāng)將這種肖特基電極用作氮化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵電極時(shí)，該氮化物半導(dǎo)體器件熱穩(wěn)定且具有低電阻值、較高的肖特基勢(shì)壘高度和反向偏置時(shí)的低漏電流。
解決問(wèn)題的手段根據(jù)本發(fā)明的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極特征在于該肖特基電極具有分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括與氮化物半導(dǎo)體接觸的銅(Cu)層和在所述銅(Cu)層上形成的作為其上層的第一電極材料層，并且所述第一電極材料開(kāi)始與銅(Cu)發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是400℃或更高。
根據(jù)本發(fā)明的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極還可以具有所述第一電極材料的熱膨脹系數(shù)小于銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)的特征。
根據(jù)本發(fā)明的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極可以具有第二電極材料層進(jìn)一步形成于所述第一電極材料層上的特征，所述第一電極材料和第二電極材料的熱膨脹系數(shù)小于銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)，或者由所述第一電極材料層和第二電極材料層的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力通過(guò)其塑性形變被降低，并且此外，所述第二電極材料的電阻率低于第一電極材料的電阻率。
根據(jù)本發(fā)明的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極可以具有第一電極材料為鉬、鎢、鈮、鈀、鉑或者鈦的特征。
根據(jù)本發(fā)明的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極可以具有第二電極材料是金或者鋁的特征。
根據(jù)本發(fā)明的氮化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管特征在于，上述用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極用作其柵極。
根據(jù)本發(fā)明的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的制作工藝特征在于，包括形成金屬層的步驟，其中在氮化物半導(dǎo)體層上至少形成銅(Cu)層；和在300℃或更高且650℃或更低的溫度下進(jìn)行熱處理的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的制作工藝可以具有這樣的特征形成金屬層的所述步驟包括如下子步驟形成銅(Cu)層；和形成第一電極材料層。
根據(jù)本發(fā)明的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的制作工藝可以具有這樣的特征所述金屬層形成步驟包括如下子步驟形成銅(Cu)層；形成第一電極材料層；和形成第二電極材料層。
本發(fā)明的效果本發(fā)明提供了一種用于氮化物半導(dǎo)體的肖特基電極，其具有分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括與氮化物半導(dǎo)體接觸的銅(Cu)層和在銅(Cu)層上形成的作為其上層的第一電極材料層，其中選擇這樣的材料作為第一電極材料，即該材料具有比Cu的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)和在400℃或更高開(kāi)始與Cu發(fā)生固相反應(yīng)的閾值溫度。
由于第一電極材料的熱膨脹系數(shù)小于Cu的熱膨脹系數(shù)，因此其具有抑制由氮化物半導(dǎo)體的變形產(chǎn)生的壓電電荷的效果和抑制由產(chǎn)生壓電電荷導(dǎo)致的肖特基勢(shì)壘高度降低的效果。而且，通過(guò)在300℃或更高且650℃或更低的溫度下的熱處理，幾乎不引入第一電極材料與Cu的固相反應(yīng)，并且由此其還具有保持精細(xì)電極形狀的效果。


圖1是示出在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例中用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2是示出在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例中用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3是示出在根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例中用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖4是示意性地示出采用根據(jù)本發(fā)明的肖特基電極的氮化物半導(dǎo)體器件的構(gòu)造的截面圖。
符號(hào)描述1氮化物半導(dǎo)體2銅(Cu)3第一電極材料5第二電極材料6氮化物半導(dǎo)體工作層7源電極8柵電極9漏電極具體實(shí)施方式
以下將參考

本發(fā)明的實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。圖1示出了作為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的截面圖。
如圖1中所示，在氮化物半導(dǎo)體1的表面上形成銅(Cu)層2。通過(guò)增加為其形成的銅(Cu)層2的厚度，能夠降低柵極電阻，從而能夠?qū)崿F(xiàn)在高頻下工作的高輸出晶體管。而且，證實(shí)了在元件的制作工藝中在300℃或400℃這樣的溫度下的熱處理具有增加勢(shì)壘高度和降低柵極漏電流的效果。
(實(shí)例1)以下將通過(guò)參考具體實(shí)例說(shuō)明該實(shí)施例。作為氮化物半導(dǎo)體層1，在高阻SiC襯底上形成具有4nm厚度的AlN緩沖層和具有施主濃度為1017原子·cm-3且厚度為2000nm的n型GaN層。而且，Ti和Al順序淀積于其上，作為氮化物半導(dǎo)體的歐姆電極。之后，在氮?dú)夥罩性?50℃下對(duì)其進(jìn)行熱處理，以形成歐姆接觸。
之后，以200nm或400nm的厚度淀積銅(Cu)層2，且然后進(jìn)行剝離，以形成根據(jù)本發(fā)明的肖特基電極。該肖特基電極還可借助于濺射來(lái)形成。而且，為了對(duì)比，制備了采用Ni/Au、Pt/Au或者Pd/Au作為電極材料的常規(guī)類型樣品。表1示出了這些樣品的測(cè)量結(jié)果。
表1

在表1中概括了用于形成肖特基電極的電極材料及其熱處理溫度、基于正向偏置的其電流/電壓特性而估計(jì)的肖特基二極管的勢(shì)壘高度、作為表示正向偏置的電流/電壓特性的常數(shù)的n值(理想因子理想情況下n＝1)以及形成的電極材料層的厚度。當(dāng)采用銅(Cu)作為電極材料時(shí)，對(duì)于具有200nm和400nm厚度的樣品測(cè)量的勢(shì)壘高度都為1.1eV那樣高。而且，在采用具有200nm厚度的銅(Cu)層的二極管的情況下，通過(guò)在300℃或者400℃下熱處理肖特基二極管，勢(shì)壘高度從1.1eV、即熱處理之前測(cè)量的值進(jìn)一步分別增加到1.24eV或者1.29eV。
相反，在采用具有400nm厚度的銅(Cu)層的二極管的情況下，當(dāng)在300℃或400℃下熱處理肖特基二極管時(shí)，勢(shì)壘高度不從1.1eV、即熱處理之前的值改變，或者降低到1.0eV，并由此不能獲得由于熱處理導(dǎo)致的效果。這可以歸因于，由于該厚度較厚，因此由于在氮化物半導(dǎo)體上的應(yīng)變產(chǎn)生的壓電電荷而導(dǎo)致的氮化物半導(dǎo)體的這種特有現(xiàn)象變得更加明顯，并由此在肖特基勢(shì)壘高度上的這種降低是由于壓電電荷的產(chǎn)生而導(dǎo)致的。
在該實(shí)例中，在采用銅(Cu)作為電極材料且其厚度為200nm的情況下，勢(shì)壘高度從1.1eV、即在熱處理之前的值進(jìn)一步增加到1.24eV或者1.29eV的這種結(jié)果是通過(guò)在300℃或者400℃下進(jìn)行肖特基二極管的熱處理來(lái)獲得的，因此可由此獲得具有高勢(shì)壘高度的肖特基電極。然而，由于肖特基勢(shì)壘高度的降低是由當(dāng)厚度增加時(shí)的壓電電荷的產(chǎn)生而引入的，因此對(duì)于該厚度存在限制。
對(duì)于用于增加勢(shì)壘高度的熱處理，溫度為300℃或更高，且優(yōu)選將該上限設(shè)置為被設(shè)置成650℃或更低的溫度，其對(duì)應(yīng)于在制作工藝中用于形成歐姆接觸的溫度。
(第二實(shí)例)
在圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖2示出了第二實(shí)施例的截面結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例是具有高勢(shì)壘高度、且允許厚度增加以便具有低電阻值的肖特基電極。
在氮化物半導(dǎo)體1的表面上形成具有200nm厚度的銅(Cu)2層，且然后，作為其上層，形成鉬(Mo)層作為第一電極材料層3。如果使用該結(jié)構(gòu)的話，則借助于其中形成有鉬(Mo)層作為上層的分層結(jié)構(gòu)，形成的金屬膜的總厚度可以更厚，因此可降低柵極電阻，由此使得其能夠?qū)崿F(xiàn)在高頻下工作的高輸出晶體管。而且，在用于制作元件的測(cè)試工藝中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在300℃至400℃下的熱處理具有與使用具有200nm厚度的銅(Cu)單層的情況所觀測(cè)的相類似的效果，即改善了勢(shì)壘高度并降低了柵極漏電流。
其歸因于，由于通過(guò)使用具有比銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的Mo而抑制了由在氮化物半導(dǎo)體上的應(yīng)變所產(chǎn)生的壓電電荷的氮化物半導(dǎo)體的這種特有現(xiàn)象，從而也防止了由產(chǎn)生壓電電荷而導(dǎo)致的肖特基勢(shì)壘高度的這種降低。而且，由于Mo與Cu進(jìn)行固相反應(yīng)的溫度是1000℃或更高，因此300至400℃下的熱處理幾乎不會(huì)導(dǎo)致這種固相反應(yīng)，因此其具有很好地保持其精細(xì)電極形狀的效果。
要求第一電極材料3具有比銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)，并且在300℃或更高的溫度下的熱處理中不會(huì)與銅(Cu)發(fā)生任何固相反應(yīng)，并且希望其發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是400℃或更高。因此，在該實(shí)施例中，對(duì)于其中將Mo用作第一電極材料的這種模式進(jìn)行了說(shuō)明，但是Nb和W與Cu發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是1000℃或更高，并且由此它們可以具有非常相似的效果。而且，全部都比Mo、W和Nb更容易真空淀積的Pb、Pt和Ti與Cu發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是500℃或更高，且因此這些金屬具有相似的效果。
當(dāng)將顯示出發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是400℃或者更高的前述金屬淀積為分層形狀，作為第一電極材料層，并對(duì)其進(jìn)行熱處理時(shí)，優(yōu)選在至少為300℃或更高但是不高于所述金屬與銅(Cu)發(fā)生固相反應(yīng)的溫度(固相反應(yīng)溫度)范圍內(nèi)選擇熱處理的溫度。關(guān)于這一點(diǎn)，當(dāng)將熱處理溫度設(shè)置為比金屬與銅(Cu)發(fā)生固相反應(yīng)的溫度(固相反應(yīng)溫度)更高的溫度時(shí)，優(yōu)選在幾十秒或更短的范圍內(nèi)選擇熱處理時(shí)間。
如果使用將顯示出發(fā)生固相反應(yīng)的溫度低于400℃的金屬材料例如Al(固相反應(yīng)溫度300℃)、Au(固相反應(yīng)溫度240℃)或者Ni(固相反應(yīng)溫度150℃)淀積為分層形狀作為第一電極材料層3的這種結(jié)構(gòu)，則用于柵電極的金屬層總厚度增加。因此，也降低了柵極電阻，由此可以實(shí)現(xiàn)在高頻下工作的高輸出晶體管。另一方面，在用于制作元件的測(cè)試工藝中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在300至400℃下進(jìn)行熱處理時(shí)，與具有200nm厚度的銅(Cu)發(fā)生合金形成反應(yīng)，因此柵電極的形態(tài)也是無(wú)序的，從而不能使晶體管工作。因此，在使用將顯示出發(fā)生固相反應(yīng)的溫度低于400℃的金屬材料淀積為分層形狀作為第一電極材料層3的這種結(jié)構(gòu)的情況下，改善勢(shì)壘高度和降低柵極漏電流的效果不可能通過(guò)熱處理實(shí)現(xiàn)。
(實(shí)例2)以下將參考具體實(shí)例說(shuō)明該實(shí)施例。作為氮化物半導(dǎo)體層1，在高阻SiC襯底上形成具有4nm厚度的AlN緩沖層和具有施主濃度為1017原子·cm-3且2000nm厚度的n型GaN層。而且，順序地真空淀積Ti和Al，作為氮化物半導(dǎo)體的歐姆電極。之后，在氮?dú)夥罩性?50℃下進(jìn)行熱處理以形成歐姆接觸。
之后，以200nm的厚度真空淀積銅(Cu)2，并且隨后通過(guò)電子束淀積以300nm的厚度淀積鉬(Mo)，且然后進(jìn)行剝離以形成根據(jù)本發(fā)明的肖特基電極。該肖特基電極還可通過(guò)濺射來(lái)形成。勢(shì)壘高度是基于正向偏置下肖特基二極管的其電流/電壓特性來(lái)估計(jì)的。在表2中概括出各結(jié)果。
表2

通過(guò)在300℃或400℃下熱處理肖特基二極管，可將勢(shì)壘高度從1.1eV、即在熱處理之前測(cè)量的值分別進(jìn)一步增加到1.24eV或者1.29eV。用厚度為200nm的銅(Cu)層和厚度為300nm的鉬(Mo)層厚厚地形成肖特基電極，但是，對(duì)于勢(shì)壘高度，在這種情況下保持了與具有200nm厚度的薄的Cu單層所觀測(cè)到的相同的效果。在這種情況下，不會(huì)發(fā)生由熱處理導(dǎo)致的勢(shì)壘高度降低，而這是在為了減小電極的電阻而使用具有400nm的增加厚度的Cu單層的情況下發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。通過(guò)厚厚地形成具有厚度為200nm的銅(Cu)層和厚度為300nm的鉬(Mo)層的肖特基電極，獲得了具有高勢(shì)壘高度和低電阻的肖特基電極。
在銅(Cu)層上形成第一電極材料層作為上層的分層結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選用作下層的銅(Cu)層的厚度d0選擇為不薄于10nm，其是允許形成所需柵電極圖形和淀積為層狀的最小厚度，但是將該厚度選擇為在不會(huì)導(dǎo)致脫離的厚度范圍內(nèi)，考慮到膜應(yīng)力，尤其是在200nm或更小的范圍內(nèi)。而且，如果考慮到氮化物半導(dǎo)體和第一電極材料以及銅(Cu)之間的熱膨脹系數(shù)的差別，則要求層疊于其上的第一電極材料3的厚度d1滿足d0≤d1。通常以低速率淀積用作第一電極材料3的、具有幾乎與氮化物半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相同量級(jí)的熱膨脹系數(shù)的金屬材料?？紤]到批量生產(chǎn)，第一電極材料層3的厚度d1優(yōu)選選擇為在300nm更薄的范圍內(nèi)，其中采用具有低淀積速率的金屬材料用于該第一電極材料層3。
而且，當(dāng)代替鉬(Mo)使用鎢(W)和鈮(Nb)作為第一電極材料3時(shí)，獲得相似的效果。對(duì)于使用這三種金屬的肖特基二極管，通過(guò)600℃下的熱處理決不會(huì)退化性能。對(duì)于容易通過(guò)電子束淀積來(lái)淀積的鈀(Pb)、鉑(Pt)或者鈦(Ti)，通過(guò)300℃或400℃下的熱處理獲得相似的效果。
對(duì)于用于增加勢(shì)壘高度的熱處理，將溫度為300℃或更高，且其優(yōu)選將上限設(shè)置為被設(shè)置成650℃或更低的溫度，其低于與Cu發(fā)生固相反應(yīng)的溫度，且對(duì)應(yīng)于用于在制作工藝中用于形成歐姆接觸的溫度。因此，對(duì)于用于改進(jìn)勢(shì)壘高度的熱處理，優(yōu)選將該溫度設(shè)置為300℃或更高且650℃或更低。
當(dāng)將顯示出發(fā)生固相反應(yīng)的溫度為400℃或更高的溫度的前述金屬淀積為分層形狀作為第一電極材料層時(shí)，在例如于300℃或更高但不高于650℃的范圍內(nèi)、但是達(dá)到高于與銅(Cu)發(fā)生固相反應(yīng)的溫度(固相反應(yīng)溫度)的溫度范圍內(nèi)選擇熱處理溫度的情況下，優(yōu)選在幾十秒或更短的范圍內(nèi)選擇熱處理時(shí)間。
(實(shí)例3)在圖4中示出了使用根據(jù)本實(shí)施例的肖特基電極作為柵電極8的氮化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。作為氮化物半導(dǎo)體工作層6，在高阻SiC襯底上形成厚度為4nm的AlN緩沖層、厚度為2000nm的未摻雜GaN層和AlGaN層(Al組分比0.25，厚度30nm)。
作為源電極7和漏電極9，順序地真空淀積了Ti和Al。之后，在氮?dú)夥罩性?50℃下進(jìn)行熱處理，以形成歐姆接觸。之后，以200nm的厚度真空淀積銅(Cu)，且以300nm的厚度真空淀積鉬(No)作為第一電極材料，并進(jìn)行剝離，以形成根據(jù)本發(fā)明的柵電極8。
通過(guò)使用肖特基電極作為柵電極8，可形成由于增加的電極厚度而具有低柵極電阻并具有降低的反向漏電流的場(chǎng)效應(yīng)晶體管?？赏ㄟ^(guò)具有1微米的柵極長(zhǎng)度和1mm的柵極寬度的高輸出器件在20GHz工作頻率下以60V工作獲得20dB的高增益和10W/mm(每柵極寬度)的高輸出密度。
(第三實(shí)施例)參考圖3，作為根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例示出了氮化物半導(dǎo)體肖特基電極的截面圖。該實(shí)施例是允許厚度增加且具有低電阻值的肖特基電極。
在氮化物半導(dǎo)體1的表面上形成包括厚度為200nm的銅(Cu)層2、作為第一電極材料層3的鉬(Mo)層和作為其上層的作為第二電極材料層4的金(Au)層的分層結(jié)構(gòu)。如果使用該結(jié)構(gòu)，則由于連續(xù)形成了鉬(Mo)和電阻率低于Mo的Au的層的結(jié)構(gòu)作為上層，因此與第一和第二實(shí)施例相比能夠進(jìn)一步降低柵極電阻，由此其能夠?qū)崿F(xiàn)在較高頻率下工作的高輸出晶體管。
關(guān)于銅(Cu)2/第一電極材料3/第二電極材料4的分層結(jié)構(gòu)，如果使用厚度d0和電阻率ρ0的銅(Cu)2、厚度d1和電阻率ρ1的第一電極材料3、厚度d2和電阻率ρ2的第二電極材料4，則該分層結(jié)構(gòu)的薄層電阻ρsheet3由(1/ρsheet3)＝(d0/ρ0)+(d1/ρ1)+(d2/ρ2)給出。銅(Cu)2/第一電極材料3的該分層結(jié)構(gòu)的薄層電阻ρsheet2由(1/ρsheet2)＝(d0/ρ0)+(d1/ρ2)給出。通過(guò)提供該第二電極材料層4而降低柵極電阻的效果在(d2/ρ2)≥{(d0/ρ0)+(d1/ρ1)}或至少(d2/ρ2)≥(d1/ρ1)的情況下更為顯著。為了以高可控性來(lái)制作具有約1μm尺寸的柵電極，優(yōu)選分層結(jié)構(gòu)的總厚度(d0+d1+d2)選擇在對(duì)應(yīng)于上述柵電極尺寸的范圍內(nèi)。因此，第一電極材料層3的厚度d1和第二電極材料層4的厚度d2優(yōu)選選擇為至少滿足(ρ2/ρ1)·d1≤d2≤1μm的條件。
而且，在用于制作元件的測(cè)試工藝中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在300至400℃下的熱處理具有改善勢(shì)壘高度和降低柵極漏電流的效果，與使用具有200nm厚度的銅(Cu)單層的情況相類似。這可以歸因于，通過(guò)使用具有比銅(Cu)小的熱膨脹系數(shù)的Mo和使用Au作為第二電極材料而抑制了由于在氮化物半導(dǎo)體上的應(yīng)變而產(chǎn)生的壓電電荷這種對(duì)于氮化物半導(dǎo)體所特有的現(xiàn)象，其中由熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致的應(yīng)變通過(guò)其塑性形變而降低，由此還能防止由產(chǎn)生壓電電荷導(dǎo)致的肖特基勢(shì)壘高度的這種降低。
而且，由于Mo與Cu發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是1000℃或更高，因此很難由300至400℃下的熱處理導(dǎo)致這種固相反應(yīng)，因此，其具有很好地保持其精細(xì)電極形狀的效果。在此，在該實(shí)施例中，對(duì)于將Mo用作第一電極材料3的這種模式進(jìn)行了說(shuō)明，但是Nb和W與Cu發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是1000℃或更高，由此它們可以具有非常相似的效果。而且，全部都比Mo、W和Nb更容易真空淀積的Pd、Pt和Ti與Cu發(fā)生固相反應(yīng)的溫度為500℃或更高，因此這些金屬具有相似的效果。而且，代替Au使用鋁(Al)作為第二電極材料4具有相似的效果。
要求第一電極材料3具有比銅(Cu)小的熱膨脹系數(shù)，并能夠在300℃或更高的熱處理下與銅(Cu)不發(fā)生任何固相反應(yīng)，且希望其發(fā)生固相反應(yīng)的溫度為400℃或更高。適合的第二電極材料4是這樣的材料，其比第一電極材料3的導(dǎo)電性更優(yōu)越，且進(jìn)一步具有如下屬性，即小于銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)，或者通過(guò)其塑性形變降低由第一電極材料3和第二電極材料4中的熱膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
對(duì)于用于增加勢(shì)壘高度的熱處理，溫度為300℃或更高，且優(yōu)選將上限設(shè)置為被設(shè)置成650℃或更低的溫度，這比與Cu發(fā)生固相反應(yīng)的溫度低并且對(duì)應(yīng)于在制作工藝中形成歐姆接觸的溫度。因此，對(duì)于用于改進(jìn)勢(shì)壘高度的熱處理，優(yōu)選將溫度設(shè)置為300℃或更高且650℃或更低。
(實(shí)例4)下面通過(guò)參考具體實(shí)例來(lái)說(shuō)明該實(shí)施例。作為氮化物半導(dǎo)體層1，在高阻SiC襯底上形成具有4nm厚度的AlN緩沖層和施主濃度為1017原子·cm-3且厚度為2000nm的n型GaN層。而且，作為用于氮化物半導(dǎo)體的歐姆電極，順序地真空淀積Ti和Al。之后，在氮?dú)夥罩性?50℃下進(jìn)行熱處理，以形成歐姆接觸。
之后，以200nm的厚度真空淀積銅(Cu)2，且通過(guò)電子束淀積來(lái)順序地淀積厚度為100nm的鉬(Mo)作為第一電極材料層3和厚度為300nm的金(Au)作為第二電極材料4，并進(jìn)行剝離以形成根據(jù)本發(fā)明的肖特基電極。該肖特基電極還可借助于濺射形成?；谡蚱玫男ぬ鼗O管的其電流/電壓特性估計(jì)勢(shì)壘高度。在表3中概括出其結(jié)果。
表3

通過(guò)在300℃或400℃下熱處理肖特基二極管，勢(shì)壘高度從1.1eV、即在熱處理之前測(cè)量的值分別進(jìn)一步增加到1.24eV或者1.29eV。雖然用厚度為200nm的銅(Cu)層、厚度為100nm的鉬(Mo)層和厚度為300nm的金(Au)層厚厚地形成肖特基電極，但是由于對(duì)于勢(shì)壘高度，在這種情況下，保持了對(duì)于具有200nm厚度的薄Cu單層所觀測(cè)到的相同的效果。在這種情況下不會(huì)發(fā)生由熱處理導(dǎo)致的勢(shì)壘高度的降低，而這是在為了降低電極的電阻而使用具有400nm的增加厚度的Cu單層的情況下發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。
具有高勢(shì)壘高度和低電阻的肖特基電極通過(guò)用厚度為200nm的銅(Cu)層、厚度為100nm的鉬(Mo)層和厚度為300nm的金(Au)層厚厚地形成肖特基電極來(lái)獲得。
在此，將鉬(Mo)用作第一電極材料3，但是當(dāng)使用鎢(W)和鈮(Nb)代替鉬(Mo)作為第一電極材料3時(shí)，獲得相似的效果。對(duì)于使用這三種金屬的肖特基二極管，通過(guò)600℃的熱處理絕對(duì)不會(huì)退化性能。對(duì)于容易通過(guò)電子束淀積來(lái)淀積的鈀(Pb)、鉑(Pt)或者鈦(Ti)，通過(guò)300℃或400℃的熱處理獲得相似的效果。而且，當(dāng)將鋁(Al)用作第二電極材料4時(shí)獲得相似的效果。
對(duì)于用于增加勢(shì)壘高度的熱處理，溫度是300℃或更高，且優(yōu)選將這種上限設(shè)置為被設(shè)置成650℃或更低的溫度，其對(duì)應(yīng)于用于在制作工藝中形成歐姆接觸的溫度。
(實(shí)例5)在圖4中示出了使用根據(jù)本實(shí)施例的肖特基電極作為柵電極8的氮化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。作為氮化物半導(dǎo)體工作層6，在高阻SiC襯底上形成厚度為4nm的AlN緩沖層、厚度為2000nm的未摻雜GaN層和AlGaN層(Al組分比0.25，厚度30nm)。作為源電極7和漏電極9，順序地淀積Ti和Al。之后，在氮?dú)夥罩性?50℃下進(jìn)行熱處理，以形成歐姆接觸。
之后，以200nm的厚度淀積銅(Cu)2，且通過(guò)電子束淀積來(lái)順序地淀積厚度為100nm的鉬(Mo)作為第一電極材料和厚度為300nm的金(Au)作為第二電極材料，并進(jìn)行剝離以形成根據(jù)本發(fā)明的柵電極8。肖特基電極還可借助于濺射來(lái)形成。
通過(guò)使用肖特基電極作為柵電極8，能形成由于增加的電極厚度而具有低的柵電阻且具有降低的反向漏電流的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。通過(guò)具有1微米的柵極長(zhǎng)度和1mm的柵極寬度的高輸出器件在20GHz的工作頻率下以60V操作能獲得高于實(shí)例的23dB的增益和與實(shí)例3的相同的10W/mm(每柵極寬度)的高輸出密度。
已經(jīng)基于實(shí)例具體地描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于實(shí)例的模式，而是可以以各種形式進(jìn)行改變，這當(dāng)然不會(huì)脫離其構(gòu)思。
權(quán)利要求
1.一種用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極，其特征在于所述肖特基電極具有分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括與氮化物半導(dǎo)體接觸的銅(Cu)層和在所述銅(Cu)層上形成的作為其上層的第一電極材料層，并且所述第一電極材料開(kāi)始與銅(Cu)發(fā)生固相反應(yīng)的溫度是400℃或更高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極，其中所述第一電極材料的熱膨脹系數(shù)小于銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極，其中第二電極材料層進(jìn)一步形成在所述第一電極材料層上，所述第一電極材料和第二電極材料的熱膨脹系數(shù)小于銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)，或者由在所述第一電極材料層和第二電極材料中的熱膨脹導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力通過(guò)其塑性形變被減小，并且此外，所述第二電極材料的電阻率低于第一電極材料的電阻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任何一項(xiàng)的用于氮化半導(dǎo)體器件的肖特基電極，其中所述第一電極材料是鉬、鎢、鈮、鈀、鉑或鈦。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極，其中所述第二電極材料是金或鋁。
6.一種氮化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其特征在于，將根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任何一項(xiàng)的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極用作其柵電極。
7.一種用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的制作工藝，其特征在于包括形成金屬層的步驟，其中在氮化物半導(dǎo)體層上形成至少銅(Cu)層；以及在300℃或更高且650℃或更低的溫度下進(jìn)行熱處理的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的制作工藝，其中形成金屬層的所述步驟包括如下子步驟形成銅(Cu)層；以及形成第一電極材料層。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極的制作工藝，其中所述金屬層形成步驟包括如下子步驟形成銅(Cu)層；形成第一電極材料層；以及形成第二電極材料層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于氮化物半導(dǎo)體器件的肖特基電極及其制作工藝，其具有高的勢(shì)壘高度、低的漏電流性能和低電阻，并且熱穩(wěn)定。該氮化物半導(dǎo)體肖特基電極具有分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括與氮化物半導(dǎo)體接觸的銅(Cu)層和在銅(Cu)的上層上形成的第一電極材料。下述金屬材料被用于第一電極材料，該金屬材料具有比銅(Cu)的熱膨脹系數(shù)低的熱膨脹系數(shù)，并且在400℃或更高的溫度下與銅(Cu)發(fā)生固相反應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/338GK1981381SQ20058002306
公開(kāi)日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月8日
發(fā)明者宮本廣信, 中山達(dá)峰, 安藤裕二, 岡本康宏, 葛原正明, 井上隆, 幡谷耕二 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社