JP2010056313A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化ガリウム系の化合物半導体層のＮ原子面上に比較的簡単に低抵抗な電極を形成することが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。
【解決手段】ショットキーバリアダイオード１は、導電型がｎ型であるＧａＮ基板２およびｎ−ＧａＮエピタキシャル層３と、オーミック電極６とを備える。オーミック電極６はＧａＮ基板２のＮ原子面９に接触して形成される。オーミック電極６においてＮ原子面９に接している接触電極層６ａの主成分はＮｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔｅ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔからなる群から選択される１つである。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より特定的には、窒化ガリウム系の化合物半導体層を備える半導体装置およびその製造方法に関する。

従来、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の化合物半導体層を備える半導体装置が知られている。このような半導体装置において、たとえば化合物半導体層としてＧａＮ基板および当該ＧａＮ基板の表面（Ｇａ原子面）上に形成されたＧａＮエピタキシャル層を用いた縦型のデバイス（たとえばショットキーバリアダイオードやＬＥＤなど）が提案されている。このような縦型のデバイスにおいては、ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）にコンタクト抵抗の低い電極を形成する必要がある。

ここで、従来は異種基板としてサファイア基板上にエピタキシャル成長させたＧａＮ層を用いてデバイスを形成することが一般的であったことから、当該ＧａＮ層の表面（Ｇａ原子面）上に形成された電極の特性は多くの研究により明確になってきている。一方、ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）に形成された電極の特性については報告例も少なく、またＧａＮのＧａ原子面とＮ原子面とで、電極の特性が異なるという報告もある（たとえば、非特許文献１参照）。また、非特許文献２では、ＧａＮのＮ原子面上に５ｎｍ未満の厚みのパラジウム（Ｐｄ）を形成して、その上にチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）とを積層した導電体層を形成し、当該導電体層を熱処理することで電極を形成している。非特許文献２の図３（ｂ）において、熱処理後の当該電極とＧａＮとの界面には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の薄い層が形成されるとともに、電極はＴｉ−Ａｌ金属間化合物の粒界にＰｄ−Ｇａ金属間化合物およびＡｌ−Ｇａ固溶体が配置された構造となっていることが示されている。非特許文献２では、上述のような構造の電極により十分低いコンタクト抵抗を実現できたと報告している。
Joon Seop Kwak, 他著、「ｎ型自立ＧａＮ基板へのＴｉ／Ａｌコンタクトの結晶極性依存性(Crystal-polarity dependence of Ti/Al contacts to freestanding n-GaN substrate)」、APPLIED PHYSICS LETTERS、12 November 2001、Volume 79, Number 20、pp.3254-3256 T.Jang, 他著、「ｎ型ＧａＮのＧａ面およびＮ面上へのＰｄ／Ｔｉ／ＡｌおよびＴｉ／Ａｌオーミックコンタクト材料の研究(Investigation of Pd/Ti/Al and Ti/Al Ohmic contact materials on Ga-face and N-face surfaces of n-type GaN)」、APPLIED PHYSICS LETTERS, 88, 193505(2006)

しかし、ＧａＮのＮ原子面上における電極形成についてはまだ十分な研究がなされていないことから、上述したように極薄いＰｄ膜を形成してその上にＴｉ／Ａｌ層を形成してから熱処理するといった比較的煩雑な工程を行なわずに、コンタクト抵抗の低い電極を形成できる可能性が考えられる。このようにＧａＮのＮ原子面上にコンタクト抵抗の低い電極を形成するための方法や電極材料が明確になれば、ＧａＮを用いた縦型デバイスの設計の自由度が大きくなると共に、当該デバイスの製造コストを低減できる可能性もある。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、窒化ガリウム系の化合物半導体層のＮ原子面上に比較的簡単に低抵抗な電極を形成することが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することである。

この発明に従った半導体装置は、導電型がｎ型である窒化ガリウム系の化合物半導体層と、電極とを備える。電極は化合物半導体層のＮ原子面に接触して形成される。電極においてＮ原子面に接している領域の主成分はニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テルル（Ｔｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、コバルト（Ｃｏ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）からなる群から選択される１つである。

このようにすれば、窒化ガリウム系の化合物半導体層のＮ原子面（裏面）上に形成された電極のコンタクト抵抗を十分低くすることができる。このため、Ｎ原子面上に形成された電極の化合物半導体層に対するコンタクト抵抗が高いために半導体装置の電気的特性が劣化するといった問題の発生を抑制できる。また、上述した材料により電極を構成するといった簡単な方法でコンタクト抵抗の低い電極（オーミック電極）を構成することができるので、オーミック電極を形成するために積層構造の導電体を形成する場合より製造コストを低減可能である。

また、特にＧａ原子面ではコンタクト抵抗が高くオーミックコンタクトを形成することが難しいニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）およびパラジウム（Ｐｄ）を用いて、Ｎ原子面において十分コンタクト抵抗を低くすることができる。つまり、Ｇａ原子面においてはオーミック電極として利用することが難しい上記Ｎｉ、ＡｕおよびＰｄをＮ原子面でのオーミック電極の構成材料として用いることができるので、半導体装置の設計の自由度を大きくすることができる。

なお、ここで窒化ガリウム系の化合物半導体層とは、ＧａＮを始め、ＡｌＧａＮなどＧａＮを主要な構成要素とし、他の元素が含まれる半導体を含む。また、電極においてＮ原子面に接している領域とは、電極とＮ原子面との接触界面から０．１μｍ以内の電極の領域を意味する。また、主成分とは、当該領域を構成する元素のうち、原子百分率で５０％以上を占める構成元素を意味する。

上記半導体装置において、化合物半導体層に対する電極のコンタクト抵抗は１ｍΩｃｍ^２以下であってもよい。この場合、電極のコンタクト抵抗が十分低い値となっているため、半導体装置の電気的特性を十分向上させることができる。

上記半導体装置において、電極は、ニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つを構成元素として有する合金を含んでいてもよい。この場合、熱処理などにより上記構成元素を含む金属を合金化して形成された電極をＮ原子面上のオーミック電極として利用することができる。

上記半導体装置において、電極は、ニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つを構成元素として含む積層構造を有していてもよい。この場合、上記構成元素を含む積層構造を有する電極をＮ原子面上のオーミック電極として利用することができる。また、積層構造とすることで、電極の酸化などを防止する保護膜などを積層構造に含めることができる。

また、上記構成元素として金やニッケルを用いる場合に、化合物半導体層のＧａ原子面（表面）上に導電型がｐ型の窒化ガリウム系の上部化合物半導体層を形成してもよい。また、上部化合物半導体層のＧａ原子面（表面）上に、上記電極と同じ構成元素を含む上部電極を形成してもよい。ここで、上記金やニッケルは、導電型がｐ型のＧａＮのＧａ原子面上においてオーミック電極の材料として用いることができる。つまり、Ｇａ原子面上のオーミック電極（上部電極）と、Ｎ原子面の電極との材料を共通化することができる。このため、上記Ｇａ原子面とＮ原子面とに対して両面同時に金などをスパッタリングなどにより成膜すれば、Ｇａ原子面とＮ原子面との上に個別に電極となるべき膜を形成する場合より、半導体装置の製造工程数を削減できる。

上記半導体装置において、上記積層構造は、Ｎ原子面に接している層と、当該層上に形成された被覆層とを含んでいてもよい。被覆層は金（Ａｕ）からなっていてもよい。この場合、被覆層としてＡｕなど安定な原子からなる膜を形成するので、電極の酸化を抑制できる。このため、電極の酸化による特性の劣化を抑制できる。

この発明に従った半導体装置の製造方法では、導電型がｎ型である窒化ガリウム系の化合物半導体層を形成する工程を実施する。そして、化合物半導体層のＮ原子面上に電極となるべき導電体層を形成する工程を実施する。そして、導電体層が形成された化合物半導体層を熱処理する工程を実施する。熱処理する工程により、導電体層から、Ｎ原子面に接する領域の主成分がニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つである電極が形成される。このようにすれば、本発明による半導体装置を容易に得ることができる。

上記半導体装置の製造方法では、熱処理する工程における熱処理温度が３００℃以上９００℃以下であってもよい。この場合、コンタクト抵抗の低い電極を確実に低得ることができる。

上記半導体装置の製造方法において、熱処理する工程では、不活性ガスを雰囲気ガスとして用いてもよい。不活性ガスとしては、たとえば窒素ガスやアルゴンガスなどを用いることができる。この場合、熱処理する工程における電極の酸化を防止することができる。

本発明によれば、窒化ガリウム系の化合物半導体層におけるＮ原子面上にコンタクト抵抗の低い電極を形成することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明による半導体装置の一実施形態であるショットキーバリアダイオードの断面模式図である。図１を参照して、本発明によるショットキーバリアダイオード１を説明する。

図１に示すように、ショットキーバリアダイオード１では、導電型がｎ型のＧａＮ基板２の主表面（Ｇａ原子面８）上にｎ−ドリフト層としてのｎ−ＧａＮエピタキシャル層３が形成されている。なお、ｎ−ＧａＮエピタキシャル層３とＧａＮ基板２との間に半導体層としてのｎ＋ＧａＮエピタキシャル層を形成してもよい。このとき、ドリフト層のキャリア濃度としてはたとえば１×１０^１６ｃｍ^−３としてもよい。また、ＧａＮ基板２において、ｎ−ＧａＮエピタキシャル層３が形成されている主表面と反対側の表面（Ｎ原子面９である裏面）には、オーミック電極６が形成されている。オーミック電極６の具体的な構成については後述する。

ｎ−ＧａＮエピタキシャル層３上には、絶縁層４が形成されている。絶縁層４の厚みＴは任意の厚みとすることができる。また、この絶縁層４の中央部には平面形状が円形状の開口部７が形成されている。

この開口部においてはｎ−ＧａＮエピタキシャル層３の上部表面が露出した状態となっている。この開口部７の内部から絶縁層４の上部表面上にまで延在するとともに、開口部７の内部においてｎ−ＧａＮエピタキシャル層３の上部表面と接触するようにショットキー電極５が形成されている。ショットキー電極５の平面形状は円形状である。また、開口部７の側壁を構成する絶縁層４の端部は、開口部７の底部に向けて徐々に厚みが薄くなるようにテーパ状の形状を有している。つまり、開口部７の側壁は当該開口部７の底壁に対して傾斜している。また、異なる観点から言えば、開口部７の平面積は開口部７の底壁から上部開口部に向けて徐々に大きくなっている。

ショットキー電極５は、ｎ−ＧａＮエピタキシャル層３と接触する下部電極層５ａと、当該下部電極層５ａ上に積層して形成された上部電極層５ｂとからなる。下部電極層５ａはたとえばニッケル（Ｎｉ）からなる。また、上部電極層５ｂはたとえば金（Ａｕ）からなる。なお、ショットキー電極５の外周部において、絶縁層４の上部表面上に延在している部分は、フィールドプレート（ＦＰ）電極部分として作用する。

オーミック電極６は、ＧａＮ基板２のＮ原子面９と接触する接触電極層６ａと、接触電極層６ａ上に積層される積層電極層６ｂ〜６ｄとを含む。接触電極層６ａはたとえばニッケル（Ｎｉ）からなる。また、積層電極層６ｂ〜６ｄは、接触電極層６ａ側からそれぞれチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）からなる。接触電極層６ａの厚みはたとえば０．１μｍ以上である。接触電極層６ａは、ＧａＮ基板２のＮ原子面９とのオーミックコンタクトを形成することが可能な材料により構成される。また、ここでＰｔからなる積層電極層６ｃは拡散防止層としての機能を有する。また、Ａｕからなる積層電極層６ｄは電極パッドおよび保護層としての機能を有する。

上述のショットキーバリアダイオード１の特徴的な構成を要約すれば、この発明に従った半導体装置としてのショットキーバリアダイオード１は、導電型がｎ型である窒化ガリウム系の化合物半導体層（ＧａＮ基板２およびｎ−ＧａＮエピタキシャル層３）と、電極としてのオーミック電極６とを備える。オーミック電極６はＧａＮ基板２のＮ原子面９に接触して形成される。オーミック電極６においてＮ原子面９に接している領域（接触電極層６ａ）の主成分はニッケル（Ｎｉ）である。ここで、接触電極層６ａの特にＧａＮ基板２との接触界面近傍は、後述する熱処理工程によりＮｉが合金化された部分を含んでいるが接触電極層６ａ全体としてはその主成分（原子百分率で５０％以上の成分）はニッケルとなっている。なお、上記接触電極層６ａの主成分は、上記Ｎｉ、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テルル（Ｔｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、コバルト（Ｃｏ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）からなる群から選択される１つであってもよい。なお、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄについては後述するように実験によりＧａＮ基板２のＮ原子面上におけるオーミック電極を形成できることが分かった。また、上述したＭｏ、Ｒｕ、Ｔｅ、Ｒｈ、Ｃｏ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒの各材料は、以下のような理由によりオーミック電極６を構成する材料として有効であると考えられる。すなわち、ｎ型のオーミック材料として、Ｇａ面（Ｇａ原子面）では仕事関数が小さいものが有効であるということが知られている。たとえば、Ａｌ（仕事関数４．２ｅＶ）、Ｔｉ（仕事関数０．４３ｅＶ）などである。しかし、上述したＮ原子面では、仕事関数がある程度大きくてもオーミック材料として用いることが可能であることを発明者は確認した。たとえば、Ｎｉ（仕事関数５．２ｅＶ）、Ａｕ（仕事関数５．１ｅＶ）、Ｐｄ（仕事関数４．９ｅＶ）などである。しかし、仕事関数が大きすぎると、やはりオーミック材料としては使用できなかった。たとえばＰｔ（仕事関数５．７ｅＶ）ではオーミック電極を構成することはできなかった。このことから、仕事関数が０．４２ｅＶ以上５．６ｅＶ程度である金属（たとえば上述したＭｏなどの金属）を用いれば、Ｎ原子面において良好なオーミック接触を得られると推測される。

このようにすれば、ＧａＮ基板２のＮ原子面９（裏面）上に形成されたオーミック電極６のコンタクト抵抗を十分低くすることができる。このため、Ｎ原子面９上に形成されたオーミック電極６のＧａＮ基板２に対するコンタクト抵抗が高いためにショットキーバリアダイオード１の電気的特性が劣化するといった問題の発生を抑制できる。

また、特にＧａ原子面８側ではコンタクト抵抗が高くオーミックコンタクトを形成することが難しいニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）およびパラジウム（Ｐｄ）を用いて、Ｎ原子面９において十分コンタクト抵抗を低くすることができる。つまり、Ｇａ原子面側においてはオーミック電極として利用することが難しい上記Ｎｉ、ＡｕおよびＰｄをＮ原子面９でのオーミック電極６の構成材料として用いることができるので、半導体装置の設計の自由度を大きくすることができる。

上記ショットキーバリアダイオード１において、ＧａＮ基板２に対するオーミック電極６のコンタクト抵抗は１ｍΩｃｍ^２以下である。この場合、オーミック電極６のコンタクト抵抗が十分低い値となっているため、ショットキーバリアダイオード１の電気的特性を十分向上させることができる。

上記ショットキーバリアダイオード１において、オーミック電極６は、ニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つを構成元素として有する合金を含んでいてもよい。たとえば、当該合金を接触電極層６ａとして形成してもよい。また、接触電極層６ａのみによりオーミック電極６を構成してもよい。この場合、熱処理などにより上記構成元素を含む金属を合金化して形成された接触電極層６ａをＮ原子面９上のオーミック電極として利用することができる。また、オーミック電極として積層構造を採用する場合よりオーミック電極の構成を簡略化できる。

上記ショットキーバリアダイオード１において、オーミック電極６は、ニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つを構成元素として含む積層構造を有する（たとえば、接触電極層６ａおよび積層電極層６ｂ〜６ｄからなる積層構造）。この場合、上記構成元素を含む積層構造を有するオーミック電極６をＮ原子面９上のオーミック電極として利用することができる。また、積層構造のうちＧａＮ基板２のＮ原子面９と接触する領域（接触電極層６ａ）以外の層については、オーミック特性とは関係なく他の機能（たとえば接触電極層６ａの酸化の防止など）を有する材料を採用することが可能になる。この結果、オーミック電極の信頼性といった特性をより向上させることが可能になる。なお、上述した積層構造のうちＧａＮ基板２のＮ原子面９と接触する領域（接触電極層６ａ）以外の層（積層電極層６ａ〜６ｄ）については、後述するように、接触電極層６ａに対する熱処理を行なった後、当該接触電極層６ａの酸化防止などの目的で接触電極層６ａ上に積層されてもよい。

上記ショットキーバリアダイオード１では、積層構造において、Ｎ原子面９に接している層（接触電極層６ａ）と、当該層上に形成された被覆層（積層電極層６ｃ、６ｄ）とが形成されている。被覆層は金（Ａｕ）から構成されている。この場合、積層電極層６ｃ、６ｄとしてＡｕなど安定な原子からなる膜を形成するので、オーミック電極６（より具体的には接触電極層６ａ）の酸化を抑制できる。このため、オーミック電極６の酸化による特性の劣化を抑制できる。

図２は、図１に示したショットキーバリアダイオードの製造方法を説明するためのフローチャートである。図３は、図２に示した裏面電極形成工程を説明するためのフローチャートである。図２および図３を参照して、図１に示したショットキーバリアダイオードの製造方法を説明する。

図２に示すように、まず基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）においては、導電型がｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）基板２（図１参照）を準備する。このＧａＮ基板２としては、任意の製造方法で形成された基板を用いることができるが、たとえばＨＶＰＥ法で作製された（０００１）面のＧａＮ基板２を準備する。なお、このＧａＮ基板２における平均転位密度は１×１０⁷ｃｍ^-2以下、より好ましくは１×１０^６ｃｍ^-2とすることが好ましい。なお、転位密度は、たとえば溶融ＫＯＨ中のエッチングによりできるピットの個数を数えて、エッチングを行なった基板の面積で割るという方法によって測定することができる。また、ＧａＮ基板２のキャリア濃度としては１×１０^１７ｃｍ^−３以上、好ましくは３×１０^１７ｃｍ^−３とすることができる。

次に、エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、ＧａＮ基板２の主表面（Ｇａ原子面８）上にｎ−ＧａＮエピタキシャル層３（図１参照）を任意の方法で形成する。ｎ−ＧａＮエピタキシャル層３の形成方法としては、任意の方法を用いることができるが、たとえば有機金属気相成長法（Organo-Metallic Vapor Phase Epitaxy：ＯＭＶＰＥ法）を用いてもよい。上記工程（Ｓ１０）および工程（Ｓ２０）が、本発明における導電型がｎ型である窒化ガリウム系の化合物半導体層（ＧａＮ基板２およびｎ−ＧａＮエピタキシャル層３）を形成する工程に対応する。

次に絶縁層形成工程を実施する。この絶縁層形成工程においては、ｎ−ＧａＮエピタキシャル層３上に絶縁層４を形成する。絶縁層４の製造方法としては任意の方法を用いることができる。また、絶縁層４を構成する材料としては、任意の材料を用いることができるが、たとえば窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化窒化ケイ素、酸化ハフニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化スカンジウムなどを用いることができる。

次に、裏面電極形成工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）においては、ＧａＮ基板２の裏面（ＧａＮ基板２においてｎ−ＧａＮエピタキシャル層３が形成された表面と反対側のＮ原子面９）上にオーミック電極６を形成する。なお、このオーミック電極６を形成する工程に先立って、ＧａＮ基板２の少なくとも裏面を洗浄することが好ましい。この洗浄方法としては、たとえば有機洗浄と塩酸洗浄とを組合せて実施してもよい。

裏面電極形成工程（Ｓ３０）では、図３に示すように、まず導電体層形成工程（Ｓ３１）を実施する。具体的には、ＧａＮ基板２のＮ原子面９上にＮｉからなる接触電極層６ａ、Ｔｉからなる積層電極層６ｂ、Ｐｔからなる積層電極層６ｃ、Ａｕからなる積層電極層６ｄを順番に形成する。これらの電極層の形成方法としては、電子線蒸着法（ＥＢ蒸着法）など任意の方法を用いることができる。この導電体層形成工程（Ｓ３１）が、本願発明の化合物半導体層（ＧａＮ基板２）のＮ原子面９上に電極（オーミック電極６）となるべき導電体層（接触電極層６ａ、積層電極層６ｂ〜６ｄ）を形成する工程に対応する。接触電極層６ａの厚みは、たとえば０．１μｍ以上とすることができる。

次に、熱処理工程（Ｓ３２）を実施する。この工程（Ｓ３２）では、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを雰囲気ガスとして用いて、たとえば３００℃以上９００℃以下、より好ましくは４００℃以上８５０℃以下の温度で熱処理を行なう。上述のように不活性ガスを雰囲気ガスとして用いることで、熱処理工程（Ｓ３２）においてオーミック電極６の酸化を防止することができる。熱処理時間は、たとえば３０秒以上１０時間以下、より好ましくは１分以上１時間以下、より好ましくは１分以上５分以下とすることができる。この結果、オーミック電極６を構成する金属が合金化し、当該オーミック電極６のＧａＮ基板２に対するコンタクト抵抗をより低減することができる。この熱処理工程（Ｓ３２）が、本願発明の導電体層（接触電極層６ａ、積層電極層６ｂ〜６ｄ）が形成された化合物半導体層（ＧａＮ基板２）を熱処理する工程に対応する。この熱処理工程（Ｓ３２）により、接触電極層６ａおよび積層電極層６ｂ〜６ｄから、Ｎ原子面９に接する領域（つまり接触電極層６ａ）の主成分がニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つであるオーミック電極６（図１参照）が形成される。なお、上述した熱処理工程（Ｓ３２）に先立つ導電体層形成工程（Ｓ３１）において、接触電極層６ａとなるべき導電体層のみを形成し、熱処理工程（Ｓ３２）を実施してから、積層電極層６ｂ〜６ｄを形成するようにしてもよい。また、上記工程（Ｓ３１）において、接触電極層６ａに続いて積層電極層６ｂのみ、または積層電極層６ｂ、６ｃも形成してもよい。この場合、熱処理工程（Ｓ３２）後に積層電極層６ｃ、６ｄまたは積層電極層６ｄのみを形成することになる。

その後、図２に示すように表面電極形成工程（Ｓ４０）を実施する。この工程（Ｓ４０）においては、具体的に絶縁層４上にフォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト膜を形成する。当該レジスト膜には、絶縁層４においてショットキー電極５（図１参照）が配置されるべき開口部７を形成する領域上に開口パターンが形成されている。

そして、レジスト膜をマスクとして用いて、絶縁層４をエッチングにより部分的に除去する。この結果、絶縁層４において開口部７が形成される。ここで、絶縁層４を部分的に除去するためのエッチングとしては、ドライエッチングを用いてもよいがウエットエッチングを用いてもよい。その後、レジスト膜を除去する。

そして、絶縁層４上に、フォトリソグラフィ法を用いてパターンを有するレジスト膜を再度形成する。当該レジスト膜には、ショットキー電極５（図１参照）が配置されるべき領域上に開口パターンが形成されている。すなわち、絶縁層４の開口部７が内側において露出している開口パターンが形成される。

次に、ショットキー電極５（図１参照）の下部電極層５ａおよび上部電極層５ｂとなるべき金属膜を積層する。なお、下部電極層５ａを構成する金属膜としては、上述したＮｉ以外であって、金などのショットキー特性の良好な材料を用いることができる。金属膜の形成方法としては、任意の方法を用いることができるが、たとえばＥＢ蒸着法などを用いることができる。なお、上述した金属膜を形成する工程に先立って、開口部において露出しているＧａＮエピタキシャル層３の表面を塩酸などを用いた洗浄工程によって洗浄してもよい。

次に、レジスト膜を除去することにより、レジスト膜上に形成されていた金属膜を同時に除去する（リフトオフ）。この結果、図１に示すように、開口部７の内部から絶縁層４の上部表面上にまで延在するように金属膜が残り、当該金属膜からなるショットキー電極５が形成される。

次に、後処理工程を実施する。この後処理工程では、ｎ−ＧａＮエピタキシャル層３やショットキー電極５、オーミック電極６などが形成されたＧａＮ基板２を個々のチップに分割する分割工程などを実施する。このようにして、図１に示したショットキーバリアダイオード１を得ることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明による半導体装置の一実施形態である発光素子の断面模式図である。図４を参照して、本発明による発光素子１０を説明する。

図４を参照して、発光素子１０は発光ダイオード（ＬＥＤ）であって、窒化物半導体基板であるＧａＮ基板２と、ＧａＮ基板２の表面（Ｇａ原子面）上に形成されたＧａＮからなるバッファ層１１と、当該バッファ層１１上に形成されたｎ−ＧａＮ層１２と、ｎ−ＧａＮ層１２上に形成された活性層１３（発光層）と、活性層１３上に形成されたｐ−ＡｌＧａＮ層１４と、ｐ−ＡｌＧａＮ層１４上に形成されたＧａＮからなるｐ−コンタクト層１５と、ｐ−コンタクト層１５上に形成されたｐ電極１７と、ＧａＮ基板２の裏面（Ｎ原子面）上に形成されたオーミック電極６とを備える。活性層１３はＩｎＧａＮ系の活性層である。すなわち、発光素子１０では、ＧａＮ基板２のＧａ原子面上にバッファ層１１、ｎ−ＧａＮ層１２、活性層１３、ｐ−ＡｌＧａＮ層１４、およびｐ−コンタクト層１５からなるエピタキシャル層２３が形成され、また当該エピタキシャル層２３上およびＧａＮ基板のＮ原子面上にそれぞれｐ電極１７およびｎ電極としてのオーミック電極６が形成されている。

ｐ電極１７は、ｐ−コンタクト層１５に接触する下部電極層１７ａと、当該下部電極層１７ａ上に積層された上部電極層１７ｂとからなる。下部電極層１７ａはたとえばニッケル（Ｎｉ）からなる。また、上部電極層１７ｂはたとえば金（Ａｕ）からなる。また、ＧａＮ基板２の裏面（Ｎ原子面）に形成されたオーミック電極６は、図１に示したショットキーバリアダイオード１のオーミック電極６と同様の構成を備える。

このような構成によっても、ＧａＮ基板２の裏面においてコンタクト抵抗の低いオーミック電極を形成することができるため、実施の形態１における効果と同様の効果を得ることができる。

また、オーミック電極６の接触電極層６ａを構成する元素としてニッケルを用いる場合、化合物半導体層の一部としてのｐ−コンタクト層１５のＧａ原子面（表面）上に、上記オーミック電極６の接触電極層６ａと同じ構成元素（図４に示した発光素子ではＮｉ）を含む上部電極としてのｐ電極１７を形成することが好ましい。ここで、上記Ｎｉは、導電型がｐ型のＧａＮのＧａ原子面上におけるオーミック電極の材料として用いることができる。つまり、ｐ型ＧａＮのＧａ原子面上のオーミック電極（ｐ電極１７の下部電極層１７ａ）と、Ｎ原子面のオーミック電極の接触電極層６ａとの材料を共通化することができる。このため、上記Ｇａ原子面とＮ原子面とに対して両面同時に金などをスパッタリングなどにより成膜すれば、Ｇａ原子面とＮ原子面との上に個別に電極となるべき膜を形成する場合より、発光素子１０の製造工程数を削減できる。

次に、図４に示した発光素子１０の製造方法を説明する。図４に示した発光素子１０は、基本的には図２および図３に示したショットキーバリアダイオードの製造方法と類似の製造方法により製造することができる。具体的には、発光素子１０の製造方法では、図２に示した製造方法と同様に、基板準備工程（Ｓ１０）を実施する。この工程（Ｓ１０）では、たとえば（０００１）面を主表面とするＧａＮ基板２（図４参照）を準備する。

次に、エピタキシャル層形成工程（Ｓ２０）を実施する。具体的には、たとえば有機金属気相成長法を用いて、図４に示したバッファ層１１〜ｐ−コンタクト層１５までをエピタキシャル成長させる。

次に、裏面電極形成工程（Ｓ３０）を実施する。具体的には、ＧａＮ基板２の裏面にオーミック電極６を形成する。このオーミック電極６は、図３に示した製造方法と同様の方法により形成することができる。

次に、表面電極形成工程（Ｓ４０）を実施する。具体的には、ｐ−コンタクト層１５の上部表面上にｐ電極１７（図４参照）の下部電極層１７ａおよび上部電極層１７ｂとなるべき金属膜を積層する。なお、下部電極層５ａを構成する金属膜としては、上述したＮｉ以外であって、ＧａＮからなるｐ−コンタクト層１５とオーミックコンタクトが可能な任意の材料を用いることができる。金属膜の形成方法としては、任意の方法を用いることができるが、たとえばＥＢ蒸着法などを用いることができる。なお、上述した金属膜を形成する工程に先立って、ｐ−コンタクト層１５の表面を、塩酸などを用いた洗浄工程によって洗浄してもよい。

その後、後処理工程を実施する。具体的には、ＧａＮ基板２を所定のサイズのチップ（たとえば平面形状が四角形状のチップ）にダイシングなどにより分割する。このようにして、図４に示す発光素子１０を得ることができる。

（実施例１）
ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）および表面（Ｇａ原子面）にニッケル（Ｎｉ）からなる電極を形成し、当該電極について熱処理温度とコンタクト抵抗との関係を測定した。

（試料）
測定用の試料として、ＨＶＰＥ法により作製された（０００１）面のＧａＮ自立基板を準備した。このＧａＮ自立基板は導電型がｎ型であり、キャリア濃度は３×１０^１８ｃｍ^-3である。また、この基板の平均転位密度は１×１０^６ｃｍ^-2である。当該基板の厚みは４００μｍである。

（処理方法）
まず、上記基板に対して有機洗浄を行なった。その後、基板の裏面（Ｎ原子面）上に、フォトリソグラフィ法を用いてＴＬＭ（Transmission Line Model）法に用いる円形の電極パターン（円形ＴＬＭ電極用のパターン）をレジスト膜により形成した。具体的には、当該レジスト膜において平面形状が円形状であるＴＬＭ電極用の開口パターンが複数個形成される。当該開口パターンの半径は１００μｍである。また、１対の開口パターンの間の距離が１０μｍ、２０μｍ、４０μｍ、８０μｍとなるように、各開口パターンを配置した。

次に、基板表面を塩酸洗浄した後、上記基板の裏面にニッケル（Ｎｉ）を蒸着する。形成されたＮｉ膜の膜厚は２００ｎｍである。当該Ｎｉ膜は電子線蒸着法（ＥＢ蒸着法）を用いて形成した。この後、レジスト膜を除去することにより、円形ＴＬＭ電極となるＮｉ膜以外の部分を除去する（リフトオフ）。

上記のようにＧａＮ基板の裏面側に円形ＴＬＭ電極を形成した基板を５０枚準備した。そして、４００℃、６００℃、８００℃、９００℃という４つの温度条件で２分間の合金化熱処理を行なった。上記温度条件ごとに１０枚の基板を処理した。この合金化熱処理は窒素雰囲気で行なった。なお、残りの１０枚の基板については熱処理を行なわない場合の試料とした。

また、比較用として、ＧａＮ基板の表面（Ｇａ原子面）に、上述した方法と同様の方法によりＮｉからなる円形ＴＬＭ電極を形成した基板を５０枚準備した。そして、上述のように４つの温度条件で２分間の合金加熱処理を行なった。なお、Ｇａ原子面に円形ＴＬＭ電極を形成した基板についても、上記温度条件ごとに１０枚づつ基板を処理した。

（測定方法および測定結果）
上述のように円形ＴＬＭ電極が形成された基板について、ＴＬＭ法を用いてコンタクト抵抗を測定した。具体的には、ＧａＮ基板の表面または裏面上に形成された、円形ＴＬＭ電極について、それぞれの電極の間の間隔が異なる複数の電極対について電気抵抗を測定する。そして、当該電極間隔を横軸とし、測定した結果得られた電気抵抗を縦軸とした座標上に、測定された電気抵抗をプロットする。そして、このプロットされた点から得られた近似的な一次直線の傾きおよび切片から当該電極のコンタクト抵抗を求めることができる。

測定結果を図５に示す。図５は、Ｎｉからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。図５は、ＧａＮ基板のＧａ原子面とＮ原子面とのいずれかにおいてニッケルからなる円形ＴＬＭ電極を配置した試料についての熱処理温度とコンタクト抵抗との関係を示す。図５において、横軸は熱処理温度（単位：℃）を示し、縦軸はコンタクト抵抗Ｒｃ（単位：ｍΩｃｍ^２）を示している。また、図中の凡例の丸印はＧａＮ基板のＮ原子面に電極が形成された基板のデータを示し、凡例の三角印はＧａＮ基板のＧａ原子面に電極が形成された基板のデータを示している。なお、プロットされたそれぞれのデータは同じ条件で熱処理された基板についてのコンタクト抵抗の値の平均値を示している。

図５からもわかるように、Ｇａ原子面においては、熱処理温度が上がると電極のコンタクト抵抗が上昇する傾向が見られた。一方、Ｎ原子面においては、熱処理温度が上がればコンタクト抵抗が低下する傾向が見られた。たとえば、熱処理温度が８００℃の場合には、Ｎ原子面におけるＮｉ電極のコンタクト抵抗は約０．１ｍΩｃｍ^２となっている。

なお、Ｇａ原子面およびＮ原子面のそれぞれに電極を形成し、熱処理温度を９００℃とした条件での合金化熱処理を行なった試料では、いずれの試料においても高いコンタクト抵抗を示しコンタクト抵抗を測定できなかった。また、当該試料を目視で確認すると、円形ＴＬＭ電極の色が変わっていた。これは、円形ＴＬＭ電極を構成するニッケルが窒化されたことにより、当該電極の導電性が低下した（電気抵抗値が大きくなった）ためであると考えられる。

（実施例２）
ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）および表面（Ｇａ原子面）に金（Ａｕ）からなる電極を形成し、当該電極について熱処理温度とコンタクト抵抗との関係を測定した。

（試料）
上述した実施例１において準備したＧａＮ基板と同様のＧａＮ基板を準備した。

（処理内容）
ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）にＡｕからなる円形ＴＬＭ電極を形成した。当該円形ＴＬＭ電極の形成方法は、実施例１における円形ＴＬＭ電極の形成方法と同様である。また、比較例として、表面（Ｇａ原子面）にもＡｕからなる円形ＴＬＭ電極を形成したＧａＮ基板を準備した。ＧａＮ基板の表面側における円形ＴＬＭ電極の形成方法も、上述した裏面側における円形ＴＬＭ電極の形成方法と同様とした。

そして、これらの基板について、円形ＴＬＭ電極の合金化熱処理を４００℃、６００℃、８００℃と異なる温度条件で行なった。なお、ＧａＮ基板の裏面に円形ＴＬＭ電極を形成した基板について、上記の各温度条件ごとに１０枚づつ割当てて熱処理を行なった。また、ＧａＮ基板の表面に円形ＴＬＭ電極を形成した基板についても、上記の各温度条件ごとに１０枚づつ割当てて熱処理を行なった。

（測定方法および測定結果）
上述したＧａＮ基板について、金（Ａｕ）からなる円形ＴＬＭ電極についてコンタクト抵抗を測定した。測定方法は実施例１におけるコンタクト抵抗の測定方法と同様である。

測定結果を図６に示す。図６は、Ａｕからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。図６における縦軸、横軸、凡例の表示は、基本的に図５と同様である。

図６からもわかるように、金からなる電極をＧａ原子面に形成した場合には、熱処理温度が上がるとコンタクト抵抗が上昇する傾向が見られた。一方、ＧａＮ基板のＮ原子面においては、熱処理温度が上がれば金からなる電極のコンタクト抵抗が低下する傾向が見られる。たとえば、熱処理温度が８００℃である場合には、金からなる電極のコンタクト抵抗は約０．１ｍΩｃｍ²と十分低い値を示す。

（実施例３）
次に、ＧａＮ基板の表面および裏面においてパラジウム（Ｐｄ）からなる電極を形成した場合のコンタクト抵抗を測定した。

（試料）
基板として、実施例１において準備した基板と同様のＧａＮ基板を準備した。

（処理内容）
ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）にＰｄからなる円形ＴＬＭ電極を形成した。当該円形ＴＬＭ電極の形成方法は、実施例１における円形ＴＬＭ電極の形成方法と同様である。また、比較例として、表面（Ｇａ原子面）にもＰｄからなる円形ＴＬＭ電極を形成したＧａＮ基板を準備した。ＧａＮ基板の表面側における円形ＴＬＭ電極の形成方法も、上述した裏面側における円形ＴＬＭ電極の形成方法と同様とした。

そして、これらの基板について、実施例２の場合と同様に電極の合金化熱処理を４００℃、６００℃、８００℃と異なる温度条件で行なった。

（測定方法および測定結果）
実施例１における測定方法と同様の方法により、Ｐｄからなる電極のコンタクト抵抗を測定した。

測定結果を図７に示す。図７は、Ｐｄからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。図７における縦軸、横軸、凡例の表示は、基本的に図５と同様である。

図７からもわかるように、ＧａＮ基板の表面側については合金化熱処理の温度条件が上がるにつれてコンタクト抵抗の値が上がっている傾向が見られた。一方、ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）については、合金化の熱処理温度がたとえば８００℃である場合には、コンタクト抵抗Ｒｃが０．１ｍΩｃｍ²と十分低い値となっていることがわかる。

（参考例１）
ＧａＮ基板の表面および裏面にアルミニウム（Ａｌ）からなる電極を形成し、そのコンタクト抵抗と熱処理温度との関係を測定した。

（試料）
実施例１において準備したＧａＮ基板と同様のＧａＮ基板を準備した。

（処理内容）
ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）にＡｌからなる円形ＴＬＭ電極を形成した。当該円形ＴＬＭ電極の形成方法は、実施例１における円形ＴＬＭ電極の形成方法と同様である。また、比較例として、表面（Ｇａ原子面）にもＡｌからなる円形ＴＬＭ電極を形成したＧａＮ基板を準備した。ＧａＮ基板の表面側における円形ＴＬＭ電極の形成方法も、上述した裏面側における円形ＴＬＭ電極の形成方法と同様とした。

そして、これらの基板について、実施例２の場合と同様に電極の合金化熱処理を４００℃、６００℃、８００℃と異なる温度条件で行なった。

（測定方法および測定結果）
実施例１の場合と同様に、ＴＬＭ法を用いてＡｌからなる電極のコンタクト抵抗を測定した。

図８に測定結果を示す。図８は、Ａｌからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。図８における縦軸、横軸、凡例の表示は、基本的に図５と同様である。

図８からもわかるように、ＧａＮ基板の表面（Ｇａ原子面）および裏面（Ｎ原子面）のいずれにおいても、熱処理を行なわない場合（熱処理温度として３０℃程度とされている場合）および４００℃以上の熱処理を行なった場合のいずれにおいても、約０．１ｍΩｃｍ²という低いコンタクト抵抗を示すことがわかる。

上述した実施例１〜実施例３および参考例の結果から、ＧａＮ基板における表面（Ｇａ原子面）でのＡｌからなる電極のコンタクト抵抗値と同程度の低いコンタクト抵抗を、裏面（Ｎ原子面）においてニッケル、金、パラジウムといった電極によって形成することができることが示される。

（参考例２）
次に、ＧａＮ基板の表面および裏面において白金（Ｐｔ）からなる電極を形成した場合のコンタクト抵抗を測定した。

（試料）
基板として、実施例１において準備した基板と同様のＧａＮ基板を準備した。

（処理内容）
ＧａＮ基板の裏面（Ｎ原子面）にＰｔからなる円形ＴＬＭ電極を形成した。当該円形ＴＬＭ電極の形成方法は、実施例１における円形ＴＬＭ電極の形成方法と同様である。また、比較例として、表面（Ｇａ原子面）にもＰｔからなる円形ＴＬＭ電極を形成したＧａＮ基板を準備した。ＧａＮ基板の表面側における円形ＴＬＭ電極の形成方法も、上述した裏面側における円形ＴＬＭ電極の形成方法と同様とした。

そして、これらの基板について、実施例２の場合と同様に電極の合金化熱処理を４００℃、６００℃、８００℃と異なる温度条件で行なった。

（測定方法および測定結果）
実施例１における測定方法と同様の方法により、Ｐｔからなる電極のコンタクト抵抗を測定した。

測定結果を図９に示す。図９は、Ｐｔからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。図７における縦軸、横軸、凡例の表示は、基本的に図５と同様である。

図９からもわかるように、ＧａＮ基板の表面側と裏面側の両方とも合金化熱処理の温度条件が上がるにつれてコンタクト抵抗の値が上がっている傾向が見られた。また、ほとんどの条件でＮ原子面およびＧａ原子面とも、約１０ｍΩｃｍ²以上というコンタクト抵抗を示すことがわかる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、ＧａＮ系化合物半導体のＮ原子面上にコンタクト抵抗の低い電極（オーミック電極）を有する半導体装置、たとえばＧａＮ基板を用いたショットキーバリアダイオードやＬＥＤなどの縦型の素子に有利に適用される。

本発明による半導体装置の一実施形態であるショットキーバリアダイオードの断面模式図である。 図１に示したショットキーバリアダイオードの製造方法を説明するためのフローチャートである。 図２に示した裏面電極形成工程を説明するためのフローチャートである。 本発明による半導体装置の一実施形態である発光素子の断面模式図である。 Ｎｉからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。 Ａｕからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。 Ｐｄからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。 Ａｌからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。 Ｐｔからなる電極のＧａＮ基板におけるコンタクト抵抗と合金化の熱処理温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ショットキーバリアダイオード、２ ＧａＮ基板、３ ｎ−ＧａＮエピタキシャル層、４ 絶縁層、５ ショットキー電極、５ｂ 上部電極層、５ａ 下部電極層、６ オーミック電極、６ａ 接触電極層、６ｃ〜６ｄ 積層電極層、７ 開口部、８ Ｇａ原子面、９ Ｎ原子面、１０ 発光素子、１１ バッファ層、１２ ｎ−ＧａＮ層、１３ 活性層、１４ ｐ−ＡｌＧａＮ層、１５ ｐ−コンタクト層、１７ ｐ電極、１７ｂ 上部電極層、１７ａ 下部電極層、２３ エピタキシャル層。

Claims (8)

1. 導電型がｎ型である窒化ガリウム系の化合物半導体層と、
   前記化合物半導体層のＮ原子面に接触して形成された電極とを備え、
   前記電極において前記Ｎ原子面に接している領域の主成分がニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つである、半導体装置。
2. 前記化合物半導体層に対する前記電極の接触抵抗が１ｍΩｃｍ^２以下である、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記電極は、ニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つを構成元素として有する合金を含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記電極は、ニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つを構成元素として含む積層構造を有する、請求項１または２に記載の半導体装置。
5. 前記積層構造は、前記Ｎ原子面に接している層と、前記層上に形成された被覆層とを含み、
   前記被覆層は金からなる、請求項４に記載の半導体装置。
6. 導電型がｎ型である窒化ガリウム系の化合物半導体層を形成する工程と、
   前記化合物半導体層のＮ原子面上に電極となるべき導電体層を形成する工程と、
   前記導電体層が形成された前記化合物半導体層を熱処理する工程とを備え、
   前記熱処理する工程により、前記導電体層から、前記Ｎ原子面に接する領域の主成分がニッケル、金、パラジウム、モリブデン、ルテニウム、テルル、ロジウム、コバルト、レニウム、オスミウム、イリジウムからなる群から選択される１つである電極が形成される、半導体装置の製造方法。
7. 前記熱処理する工程における熱処理温度が３００℃以上９００℃以下である、請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記熱処理する工程では、不活性ガスを雰囲気ガスとして用いる、請求項６または７に記載の半導体装置の製造方法。

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