特開 2023-136148 半導体装置及び半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023136148

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/28 20060101AFI20230922BHJP

   H01L 29/417 20060101ALI20230922BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20230922BHJP

【ＦＩ】

H01L21/28 301R

H01L21/28 301B

H01L29/50 M

H01L29/80 F

H01L29/80 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022041616

(22)【出願日】2022-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000154325

【氏名又は名称】住友電工デバイス・イノベーション株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】鳥井 一輝

(72)【発明者】

【氏名】野瀬 幸則

(72)【発明者】

【氏名】原 郁夫

【テーマコード（参考）】

4M104

5F102

【Ｆターム（参考）】

4M104AA03

4M104AA04

4M104BB05

4M104BB14

4M104BB17

4M104CC03

4M104DD37

4M104FF18

4M104GG11

4M104HH15

5F102GB01

5F102GC01

5F102GD01

5F102GJ02

5F102GK04

5F102GL04

5F102GM04

5F102GQ01

5F102GS02

5F102GT01

5F102GV05

5F102GV06

5F102GV08

5F102HC01

5F102HC11

(57)【要約】

【課題】電極の抵抗の上昇を抑制した半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成された半導体層と、前記半導体層の上に形成された電極と、前記電極の上に形成され、第１濃度で窒素を含有する第１バリアメタル膜と、前記第１バリア膜の上に形成された金属膜と、を有し、前記第１バリアメタル膜は、第１多結晶及び第１非晶質の混合物を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の上に形成された半導体層と、
前記半導体層の上に形成された電極と、
前記電極の上に形成され、第１濃度で窒素を含有する第１バリアメタル膜と、
前記第１バリアメタル膜の上に形成された金属膜と、
を有し、
前記第１バリアメタル膜は、第１多結晶及び第１非晶質の混合物を含む半導体装置。

【請求項2】

前記第１多結晶は、タングステン若しくはチタンタングステン又はこれらの両方を含み、
前記第１非晶質は、窒化タングステンを含む、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記第１濃度は、５原子％以上かつ２０原子％以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記電極と前記第１バリアメタル膜との間、又は前記第１バリアメタル膜と前記金属膜との間に形成され、前記第１濃度よりも高い第２濃度で窒素を含有する第２バリアメタル膜を有し、
前記第２バリアメタル膜は、第２多結晶及び第２非晶質の混合物を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記第１バリアメタル膜は、前記金属膜と前記第２バリアメタル膜との間に形成されている、請求項４に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記第２多結晶は、窒化チタンを含み、
前記第２非晶質は、窒化タングステンを含む、請求項４または請求項５に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記第２濃度は、３０原子％以上かつ５０原子％以下である、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項8】

前記金属膜は金膜を含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記電極はアルミニウム層を含む、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項10】

基板の上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の上に電極を形成する工程と、
前記電極の上に、第１濃度で窒素を含有すると共に第１多結晶及び第１非晶質の混合物を含む第１バリアメタル膜を形成する工程と、
前記第１バリアメタル膜の上に金属膜を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置において、電極と、金属を用いた配線とが用いられている。電極と配線との間には、バリアメタルが設けられている。（特許文献１）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－１７３３８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のバリアメタルにて所期の目的は達成されている。しかしながら、さらに電極の抵抗の上昇を抑制することが求められている。

【0005】

本開示は、電極の抵抗の上昇を抑制することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成された半導体層と、前記半導体層の上に形成された電極と、前記電極の上に形成され、第１濃度で窒素を含有する第１バリアメタル膜と、前記第１バリアメタル膜の上に形成された金属膜と、を有し、前記第１バリアメタル膜は、第１多結晶及び第１非晶質の混合物を含む。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、電極の抵抗の上昇を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る半導体装置の第１バリアメタル膜の詳細を示す図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係る半導体装置の窒素の濃度と拡散の起こりやすさとの関係を示すグラフである。

【図4】図４は、第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図（その１）である。

【図5】図５は、第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図（その２）である。

【図6】図６は、第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図（その３）である。

【図7】図７は、第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図（その４）である。

【図8】図８は、第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図（その５）である。

【図9】図９は、第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

【図10】図１０は、第２実施形態に係る半導体装置の第１及び第２バリアメタル膜の詳細を示す図である。

【図11】図１１は、第２実施形態に係る半導体装置の窒素の濃度と拡散の起こりやすさとの関係を示すグラフである。

【図12】図１２は、第２実施形態に係る半導体装置の窒素の濃度と膜中の主成分の割合との関係を示すグラフである。

【図13】図１３は、第２実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

【0010】

〔１〕 本開示の半導体装置は、基板と、前記基板の上に形成された半導体層と、前記半導体層の上に形成された電極と、前記電極の上に形成され、第１濃度で窒素を含有する第１バリアメタル膜と、前記第１バリアメタル膜の上に形成された金属膜と、を有し、前記第１バリアメタル膜は、第１多結晶及び第１非晶質の混合物を含む。

【0011】

第１バリアメタル膜が窒素を含有すると共に第１多結晶及び第１非晶質の混合物を含む。そのため、第１多結晶の平均の粒径が小さく、金属膜から電極への金属の粒界拡散を抑制できる。したがって、電極の抵抗の上昇を抑制できる。

【0012】

〔２〕 〔１〕において、前記第１多結晶は、タングステン若しくはチタンタングステン又はこれらの両方を含み、前記第１非晶質は、窒化タングステンを含む。

【0013】

したがって、タングステンもしくはチタンタングステン又はこれら両方の平均の粒径が小さくなり、金属膜から電極への金属の粒界拡散を抑制できる。したがって、電極の抵抗の上昇を抑制できる。

【0014】

〔３〕 〔１〕または〔２〕において、前記第１濃度は、５原子％以上かつ２０原子％以下である。

【0015】

第１バリアメタル膜に対する窒素の濃度が、５原子％以上かつ２０原子％以下であることによって、第１多結晶の平均の粒径が小さくなり、粒界拡散を抑制できる。したがって、電極の抵抗の上昇を抑制できる。

【0016】

〔４〕 〔１〕から〔３〕において、前記電極と前記第１バリアメタル膜との間、又は前記第１バリアメタル膜と前記金属膜との間に形成され、前記第１濃度よりも高い第２濃度で窒素を含有する第２バリアメタル膜を有し、前記第２バリアメタル膜は、第２多結晶及び第２非晶質の混合物を含む。

【0017】

第１バリアメタル膜が主に粒界拡散を抑制し、第１バリアメタル膜よりも窒素の濃度が高い第２バリアメタル膜が、主に面拡散を抑制する。粒界拡散及び面拡散の両方を抑制できる。したがって、電極の抵抗の上昇を抑制できる。

【0018】

〔５〕 〔４〕において、前記第１バリアメタル膜は、前記金属膜と前記第２バリアメタル膜との間に形成されている。

【0019】

第２バリアメタル膜よりも窒素の濃度の低い第１バリアメタル膜が、金属膜と第２バリアメタル膜との間に形成されることによって、第１バリアメタル膜と金属膜との密着性が高まる。

【0020】

〔６〕 〔４〕または〔５〕において、前記第２多結晶は、窒化チタンを含み、前記第２非晶質は、窒化タングステンを含む。

【0021】

そのため、第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜によって粒界拡散及び面拡散の両方を抑制できる。したがって、電極の抵抗の上昇を抑制できる。

【0022】

〔７〕 〔４〕から〔６〕において、前記第２濃度は、３０原子％以上かつ５０原子％以下である。

【0023】

そのため、第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜により、粒界拡散及び面拡散の両方を抑制できる。したがって、電極の抵抗の上昇を抑制できる。

【0024】

〔８〕 〔１〕から〔７〕において、前記金属膜は金膜を含む。

【0025】

金属膜が金膜を含むことによって、金属膜を低抵抗化できる。

【0026】

〔９〕 〔１〕から〔８〕において、前記電極はアルミニウム層を含む。

【0027】

電極がアルミニウム層を含むことによって、電極の抵抗の上昇を抑制できる。

【0028】

〔１０〕 本開示の他の一態様に係る半導体装置の製造方法は、基板の上に半導体層を形成する工程と、前記半導体層の上に電極を形成する工程と、前記電極の上に、第１濃度で窒素を含有すると共に第１多結晶及び第１非晶質の混合物を含む第１バリアメタル膜を形成する工程と、前記第１バリアメタル膜の上に金属膜を形成する工程と、を有する。

【0029】

第１バリアメタル膜が窒素を含有すると共に第１多結晶及び第１非晶質の混合物を含む。そのため、第１多結晶の平均の粒径が小さく、金属膜から電極への金属の粒界拡散を抑制できる。したがって、電極の抵抗の上昇を抑制できる。

【0030】

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の実施形態について詳細に説明するが、本開示はこれらに限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

【0031】

（第１実施形態）
本開示の実施形態は、窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＥＭＴ）を含む半導体装置に関する。図１は、第１実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

【0032】

ＨＥＭＴは、第１実施形態に係る半導体装置１００の一例である。

【0033】

半導体装置１００は、基板１０１と、バッファ層１０２と、チャネル層１０３と、電子供給層１０４とを有する。基板１０１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体の成長用基板である。基板１０１は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）基板である。基板１０１の厚さは、例えば７５μｍ～１５０μｍの範囲内であり、一例では１００μｍである。

【0034】

バッファ層１０２は、基板１０１上に形成されたＧａＮ層である。バッファ層１０２の厚さは、例えば２０ｎｍである。

【0035】

チャネル層１０３は、バッファ層１０２上に形成されたＧａＮ層である。チャネル層１０３の厚さは、一例では１μｍである。

【0036】

電子供給層１０４は、チャネル層１０３上に形成された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層である。電子供給層１０４の厚さは、一例では３０ｎｍである。

【0037】

半導体装置１００は、電子供給層１０４の上に形成されたソース電極１１１と、ドレイン電極１１２と、ゲート電極１１３と、を有する。絶縁膜１０５は、開口１０８と、開口１０９と、開口１１０とを有する。ソース電極１１１は、開口１０８の内側に形成される。ドレイン電極１１２は、開口１０９の内側に形成される。ゲート電極１１３は、開口１１０の内側に形成される。絶縁膜１０５としては、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜が用いられる。絶縁膜１０５の厚さは、例えば、１００ｎｍである。

【0038】

ソース電極１１１及びドレイン電極１１２は、それぞれオーミック金属層からなる。ソース電極１１１は、第１層１１５と、第２層１１７とを有する。ドレイン電極１１２は、第１層１１６と、第２層１１８とを有する。例えば、第１層１１５は、チタン（Ｔｉ）層もしくはタンタル（Ｔａ）層であり、第２層１１７はアルミニウム（Ａｌ）層である。例えば、第１層１１６は、Ｔｉ層もしくはＴａ層であり、第２層１１８はＡｌ層である。第１層１１５及び第２層１１７の積層構造が熱処理により合金化されてオーミック金属層が構成されている。同様に、第１層１１６及び第２層１１８の積層構造が熱処理により合金化されてオーミック金属層が構成されている。第１層１１５及び第１層１１６の厚さは、例えば５０ｎｍ～２０ｎｍの範囲内であり、一例では１０ｎｍである。第２層１１７及び第２層１１８の厚さは、例えば５０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内であり、一例では５００ｎｍである。

【0039】

ゲート電極１１３は、電子供給層１０４の上に設けられる。ゲート電極１１３は、ソース電極１１１とドレイン電極１１２との間に配置される。ゲート電極１１３は、例えばニッケル（Ｎｉ）層、パラジウム（Ｐｄ）層、及び金（Ａｕ）層の積層構造からなる。Ｎｉ層の厚さは、例えば１００ｎｍであり、Ｐｄ層の厚さは、例えば５０ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは、例えば５００ｎｍである。Ｎｉ層は、電子供給層１０４とショットキー接続をなす。

【0040】

半導体装置１００は、さらに、ソース電極１１１、ゲート電極１１３及びドレイン電極１１２並びに絶縁膜１０５を覆う絶縁膜１０６を有する。絶縁膜１０６としては、一例として、ＳｉＮ膜が用いられる。絶縁膜１０６の厚さは、例えば１００ｎｍである。絶縁膜１０６は、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の上に、それぞれ開口１２８及び開口１２９を有する。

【0041】

半導体装置１００は、開口１２８の内側に形成されソース電極１１１の表面を覆うバリアメタル膜１２１を有する。半導体装置１００は、開口１２９の内側に形成されドレイン電極１１２の表面を覆うバリアメタル膜１２２を有する。バリアメタル膜１２１及び１２２は、第１バリアメタル膜の一例である。バリアメタル膜１２１及び１２２の厚さは、例えば、５０ｎｍ～２００ｎｍの範囲内であり、一例では１００ｎｍである。

【0042】

さらに、バリアメタル膜１２１及びバリアメタル膜１２２の上に開口１３８及び開口１３９を有する絶縁膜１０７が形成される。開口１３８は、ソース電極１１１の上に形成され、開口１３９は、ドレイン電極１１２の上に形成される。開口１３８の内側には、金属膜１３１が形成され、バリアメタル膜１２１を介してソース電極１１１に接続される。開口１３９の内側には、金属膜１３２が形成され、バリアメタル膜１２２を介してドレイン電極１１２に接続される。

【0043】

絶縁膜１０７の厚さは、例えば、１．０μｍ～５．０μｍの範囲内であり、一例では２．０μｍである。絶縁膜１０７は、例えばポリイミド膜である。金属膜１３１及び金属膜１３２の厚さは、例えば、１．０μｍ～５．０μｍの範囲内であり、一例では２．０μｍである。金属膜１３１及び金属膜１３２は、例えば、金膜である。

【0044】

続いて、第１実施形態の作用効果について説明する。

【0045】

バリアメタル膜１２１は、金属膜１３１からソース電極１１１への金属原子の拡散を抑制し、バリアメタル膜１２２は、金属膜１３２からドレイン電極１１２への金属原子の拡散を抑制する。

【0046】

第１バリアメタルを介しての金属原子の拡散には、主に、粒界拡散、面拡散及び転移拡散がある。粒界拡散は、多結晶の結晶粒界を原子が移動する拡散である。面拡散は、体拡散とも呼ばれ、結晶内部を原子が移動する拡散である。転移拡散は、単結晶内の結晶欠陥を原子が移動する拡散である。粒界拡散は、粒界拡散、面拡散及び転移拡散の中で、最も速度の速い拡散である。

【0047】

第１バリアメタル膜について、図２を用いて説明する。第１バリアメタル膜は、第１多結晶１２３及び第１非晶質１２４の混合物を含む。第１多結晶１２３の平均の粒径は小さい。そのため、第１多結晶１２３は、第１非晶質１２４で周りを取り囲まれ、島状に形成される。

【0048】

したがって、結晶粒界による拡散経路が金属膜１３１及び１３２とソース電極１１１及びドレイン電極１１２との間に形成されることを抑制できる。その結果、最も高速の粒界拡散が抑制され、金属膜１３１及び１３２からソース電極及びドレイン電極１１２への金属原子の拡散を効果的に抑制できる。したがって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0049】

第１バリアメタル膜は、一例として、窒化チタンタングステン（ＴｉＷＮ）膜である。第１多結晶１２３は、タングステン（Ｗ）もしくはチタンタングステン（ＴｉＷ）又はこれらの混合物を含む。第１非晶質１２４は、窒化タングステン（ＷＮ_ｘ）を含む。なお、第１非晶質１２４は、窒化チタン（ＴｉＮ_ｘ）を含んでいてもよい。

【0050】

そのため、ＷもしくはＴｉＷ又はこれら両方の平均の粒径が小さくなる。そのため、金属原子が、金属膜１３１及び１３２からソース電極１１１及びドレイン電極１１２へ粒界拡散することを抑制できる。したがって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0051】

第１多結晶１２３を第１非晶質１２４内に島状に形成することは、第１多結晶１２３の平均の粒径を小さくすることによって実現される。具体的には、第１バリアメタル膜の窒素の濃度を制御することにより行われる。以下、図３を用いて説明する。

【0052】

図３は、第１バリアメタル膜であるＴｉＷＮ膜に含まれる窒素の濃度を横軸に、拡散の起こりやすさを縦軸にしたグラフである。このグラフは、窒素の濃度と、第１多結晶１２３及び第２多結晶１２５の拡散の起こりやすさとの関係を示している。第２多結晶１２５は、窒化チタン（ＴｉＮ）を含む。縦軸の拡散の起こりやすさは、下に行くほど拡散が起こりにくいことを示す。なお、窒素の濃度は、走査透過型電子顕微鏡（scanning transmission electron microscope：ＳＴＥＭ）－エネルギ分散型Ｘ線分析（energy dispersive X-ray spectroscopy：ＥＤＸ）法により測定できる。また、バリアメタル膜の厚さが１μｍ以上である場合は、電界放出型電子線マイクロアナライザ（field emission - electron probe microanalyzer：ＦＥ－ＥＰＭＡ）を用いて窒素の濃度を測定することもできる。

【0053】

図３に示されるように、第１多結晶１２３の拡散の起こりやすさは、窒素が増加するに従って減少する。具体的には、第１多結晶１２３の拡散の起こりやすさは、窒素の濃度が５原子％になるまでは急激に減少し、窒素の濃度が５原子％以上になると穏やかに減少する。

【0054】

第２多結晶１２５の拡散の起こりやすさは、窒素の濃度が増加するに伴って増加する。具体的には、第２多結晶１２５の拡散の起こりやすさは、窒素の濃度が２０原子％になるまでは、穏やかに増加し、窒素の濃度が２０原子％以上になると急激に増加する。また、第２多結晶１２５の拡散の起こりやすさは、窒素の濃度が３０原子％を超えると減少する。

【0055】

ここで、窒素の濃度は、第１多結晶１２３及び第２多結晶１２５が、共に拡散しにくい範囲が好ましい。一例として、グラフに点線で示したように、窒素の濃度が５原子％以上から２０原子％以下の範囲は、第１多結晶１２３及び、第２多結晶１２５の拡散の起こりやすさが共に低い範囲となっている。したがって、第１多結晶１２３及び第２多結晶１２５による粒界拡散を抑制するためには、窒素の濃度が５原子％以上から２０原子％以下の範囲が好ましいことが分かる。

【0056】

さらに、より粒界拡散を抑制するためには、上記より拡散の起こりやすさが低い、窒素の濃度が７原子％以上から２０原子％以下の範囲が好ましい。

【0057】

窒素の濃度が５原子％以上から２０原子％以下の範囲のとき、第１多結晶１２３の平均の粒径は、２ｎｍ以下である。この平均の粒径は、窒素をほぼ含まないＴｉＷの平均の粒径よりも小さい。窒素をほぼ含まないＴｉＷの平均の粒径は、例えば６ｎｍ～１１ｎｍである。

【0058】

Ｘ線回折を用いて測定される結晶の粒径は、結晶子サイズとも呼ばれ、結晶子サイズと同じである。したがって、平均の粒径は、結晶子サイズを測定することで求められる。結晶子サイズは、Ｘ線回折を用いて測定した回折線の幅を利用したシェラー（Ｓｃｈｅｒｒｅｒ）の式によって求められる。このシェラーの式を式（１）に示す。

【0059】

【数1】

【0060】

ここで、式（１）中の各文字が示す内容は下記のとおりである。
Ｄ： 結晶子サイズ（ｎｍ）
Ｋ： シェラー定数
λ： Ｘ線の波長（ｎｍ）
Ｂ： 回折線幅の広がり（ｒａｄ）
θ： ブラッグ角（ｒａｄ）

【0061】

回折線幅の広がりは、回折線強度の２分の１の高さにおける回折線幅の広がりである半値全幅である。なお、シェラー定数は、０．８９である。

【0062】

このように、第１バリアメタル膜に対する窒素の濃度が、５原子％以上かつ２０原子％以下の範囲では、第１多結晶１２３の平均の粒径及び第２多結晶１２５の平均の粒径は小さい。そのため、金属原子が、金属膜からソース電極１１１及びドレイン電極１１２へ粒界拡散することを抑制できる。したがって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0063】

例えば、第１バリアメタル膜に対する窒素の濃度が５原子％未満のとき、第１多結晶１２３の平均の粒径は、大きくなる。また、第１バリアメタル膜に対する窒素の濃度が２０原子％より大きいとき、第２多結晶１２５の平均の粒径は、大きくなる。すなわち、いずれの平均の粒径も第１バリアメタルに対する窒素の濃度が５原子％以上かつ２０原子％以下の範囲のときの第１多結晶１２３の平均の粒径よりも大きくなる。そのため、結晶粒界による拡散経路が金属膜１３１及び１３２とソース電極１１１及びドレイン電極１１２との間に形成されやすくなる。したがって、第１バリアメタル膜に対する窒素の濃度が５原子％未満の範囲及び第１バリアメタル膜に対する窒素の濃度が２０原子％より大きい範囲は、粒界拡散を抑制するために好ましくない。

【0064】

金膜によって、金属膜１３１及び１３２を低抵抗化できる。また、第１バリアメタル膜によって、金原子が金膜からソース電極１１１及びドレイン電極１１２へ粒界拡散することを抑制できる。したがって、金膜を使用した場合でも、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0065】

Ａｌ層によって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２を低抵抗化できる。また、第１バリアメタル膜によって、Ａｌ層に、金属原子が金属膜１３１及び１３２から粒界拡散することを抑制できる。したがって、Ａｌ層を使用した場合でもソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0066】

次に、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。図４～図８は、実施形態に係る半導体装置１００の製造工程を示す断面図である。

【0067】

まず、図４に示すように、半導体層１０が基板１０１上に形成される。半導体層１０は、バッファ層１０２と、電子走行層として機能するチャネル層１０３と、電子供給層１０４とを有する。

【0068】

バッファ層１０２は、基板１０１上にエピタキシャル成長されたＧａＮ層である。ＧａＮ層は、例えば有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ： ＭＯＣＶＤ）を用いて、基板１０１上にエピタキシャル成長される。

【0069】

チャネル層１０３は、バッファ層１０２上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長される。電子供給層１０４は、チャネル層１０３上に、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長される。

【0070】

チャネル層１０３と電子供給層１０４との間には、格子定数の違いから歪みが生じる。この歪みによって、チャネル層１０３電子供給層１０４との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じチャネル領域が形成される。

【0071】

続いて、図５に示すように、絶縁膜１０５が電子供給層１０４の上に形成される。絶縁膜１０５は、例えば、化学気相成長（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法により形成される。

【0072】

続いて、ソース電極１１１とドレイン電極１１２とに対応する箇所の絶縁膜１０５を、マスクを用いてエッチングし、開口１０８及び開口１０９を形成する。このエッチングにより、開口１０８及び開口１０９において電子供給層１０４が露出する。露出された電子供給層１０４上には、オーミック金属層が形成される。オーミック金属層を形成する工程は、一例として、露出した電子供給層１０４の上に第１層１１５及び第１層１１６と、第２層１１７及び第２層１１８とを形成し、熱処理して合金化する工程を含む。第１層１１５及び第１層１１６と第２層１１７及び第２層１１８とは、例えば、真空蒸着法によって形成される。形成されたオーミック金属層は、それぞれソース電極１１１とドレイン電極１１２となる。

【0073】

続いて、図６に示すように、ソース電極１１１とドレイン電極１１２との間の絶縁膜１０５を一部エッチングし、開口１１０を形成する。このエッチングにより、開口１１０の底部において電子供給層１０４が露出する。この露出した電子供給層１０４の上にゲート電極１１３が形成される。ゲート電極１１３は、例えば、電子供給層１０４上に形成されたＮｉ層と、このＮｉ層の上に形成されたＡｕ層とからなる。

【0074】

続いて、図７に示すように、例えばＣＶＤ法によって、全面に絶縁膜１０６が形成される。絶縁膜は、ソース電極１１１と、ドレイン電極１１２と、ゲート電極１１３と、絶縁膜１０５とを覆う。

【0075】

続いて、絶縁膜１０６が、マスクを用いてエッチングされ、開口１２８及び開口１２９が形成される。開口１２８及び１２９は、それぞれソース電極１１１及びドレイン電極１１２の表面を露出させる。

【0076】

続いて、例えば、スパッタリング法により、全面に第１バリアメタル膜が形成される。この第１バリアメタル膜は、マスクを用いて、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の上を除いてエッチングされる。このエッチングにより、ソース電極１１１の上にバリアメタル膜１２１が形成され、ドレイン電極１１２の上にバリアメタル膜１２２が形成される。

【0077】

続いて、図８に示すように、例えば、スピンコート法によって、全面に絶縁膜１０７が形成される。

【0078】

この後、マスクを用いて、絶縁膜１０７がエッチングされ、開口１３８及び１３９が形成される。開口１３８及び１３９は、それぞれバリアメタル膜１２１及び、バリアメタル膜１２２の表面を露出させる。

【0079】

続いて、例えば、めっき法により、全面に金膜が形成される。金膜は、開口１３８及び開口１３９を残してエッチングされる。開口１３８及び開口１３９に残った金膜は、金属膜１３１及び金属膜１３２を形成する。金属膜１３１は、バリアメタル膜１２１の上に形成され、金属膜１３２はバリアメタル膜１２２の上に形成される。

【0080】

このようにして、第１実施形態の半導体装置１００を製造することができる。

【0081】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態はＨＥＭＴを含む半導体装置に関する。図９は、第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。

【0082】

第２実施形態に係る半導体装置２００は、第１バリアメタル膜に加えて、第２バリアメタル膜が形成されている点で、第１実施形態と異なる。具体的には、ソース電極１１１とバリアメタル膜１２１との間にバリアメタル膜１４１が形成され、ドレイン電極１１２とバリアメタル膜１２２との間にバリアメタル膜１４２が形成されている。バリアメタル膜１４１及びバリアメタル膜１４２は、第２バリアメタル膜の一例である。

【0083】

第２バリアメタル膜について、図１０を用いて説明する。第２バリアメタル膜は、第１バリアメタルよりも高い窒素濃度を含有し、第２多結晶及び第２非晶質の混合物を含む。第２バリアメタル膜中の第２非晶質１２６の割合は、第１バリアメタル膜中の第１非晶質１２４の割合よりも多いため、第１バリアメタル膜よりも効果的に面拡散を抑制できる。そのため、面拡散の抑制により、金属膜１３１及び金属膜１３２からソース電極１１１及びドレイン電極１１２への金属原子の拡散を抑制できる。

【0084】

第２バリアメタル膜は、一例として、ＴｉＷＮ膜である。第２多結晶１２５は、ＴｉＮを含み、第２非晶質１２６は、ＷＮ_ｘを含む。第２バリアメタル膜においては、第２非晶質１２６のＷＮ_ｘの中に第２多結晶１２５のＴｉＮが形成される。ここで、面拡散は、非晶質が多いほど抑制される。したがって、面拡散を抑制するには、第２バリアメタル膜中の第２非晶質１２６の割合が多い方が望ましく、窒素のＴｉＷＮ膜に対する濃度は、高い方が好ましい。以下、図１１に示すグラフを用いて説明する。

【0085】

図１１は、第２バリアメタル膜であるＴｉＷＮ膜に含まれる窒素の濃度を横軸に、拡散の起こりやすさを縦軸にしたグラフである。このグラフは、窒素の濃度と、第２非晶質１２６及び第３多結晶の拡散の起こりやすさとの関係を示したグラフである。第３多結晶はＷＮ_２を含む。縦軸の拡散の起こりやすさは、下に行くほど粒界拡散又は面拡散が起こりにくいことを示す。

【0086】

前述の通り、第２非晶質１２６の拡散の起こりやすさは、窒素の濃度が増加することに伴い減少する。これに対して、第３多結晶の拡散の起こりやすさは、窒素の濃度が３０原子％以上から徐々に増加し、窒素の濃度が５０原子％を超えると急激に増加する。この第３多結晶の拡散の起こりやすさの急増は、第２バリアメタル膜中の第３多結晶の割合が急激に増加していることを意味する。そして、急激に増加した第３多結晶が粒界拡散を引き起こすことで、拡散の起こりやすさが急増する。したがって、窒素の濃度は、５０原子％以下が好ましい。

【0087】

さらに、図３に示されるように、第２多結晶１２５の拡散の起こりやすさは、窒素の濃度が３０原子％以上になると減少する。すなわち、第２多結晶１２５による粒界拡散が減少する。これは、窒素の濃度が３０原子％以上になると第２多結晶１２５の平均の粒径が小さくなることによる。

【0088】

したがって、面拡散を抑えながら、かつ粒界拡散も抑制するには、第２バリアメタル膜における窒素の濃度は３０原子％以上から５０原子％以下が好ましいことが分かる。さらに、第２バリアメタル膜における窒素の濃度は、３５原子％以上から４５原子％以下が、より好ましい。

【0089】

次に、図１２を用いて、第１バリアメタル膜中及び第２バリアメタル膜中の主成分の割合と窒素の濃度との関係について説明する。図１２のグラフの縦軸は、第１多結晶１２３と、第２多結晶１２５と、第１非晶質１２４及び第２非晶質１２６と、第３多結晶との割合を示し、横軸は、窒素の濃度を示す。第１非晶質１２４及び第２非晶質１２６は、ＷＮｘとして示される。

【0090】

第１多結晶１２３の割合は、窒素の濃度が増加するに伴い減少し、第２多結晶１２５の割合は、窒素の濃度が増加するに伴い増加する。非晶質のＷＮ_ｘの割合は、窒素の濃度が増加するに伴い増加する。そのため、窒素の濃度が低いと、非晶質のＷＮ_ｘの割合は少ない。したがって、第１バリアメタル膜中の第１非晶質１２４の割合は、第２バリアメタル膜中の第２非晶質１２６の割合よりも少ない。そのため、第２バリアメタル膜の方が、第１バリアメタル膜よりも面拡散を効果的に抑制できる。

【0091】

ここで、第２バリアメタル膜中の第２多結晶１２５の割合は、窒素の濃度が３０原子％以上になると減少に転じる。そのため、第２多結晶１２５による粒界拡散が抑制される。このとき、第２バリアメタル膜中の第２非晶質１２６の割合は、窒素の濃度が３０原子％以上になっても引き続き増加するため、さらに粒界拡散が抑制される。非晶質には、結晶がなく、結晶粒界がないためである。

【0092】

このように、第２バリアメタル膜では、第２非晶質１２６の割合が増えることによって粒界拡散を抑制しつつ面拡散を抑制している。ただし、第２バリアメタル膜の粒界拡散の抑制は、第１バリアメタル膜に比べて弱い。

【0093】

本実施形態では、第１バリアメタル膜が、主に粒界拡散を抑制し、第１バリアメタル膜よりも窒素の濃度が高い第２バリアメタル膜が、主に面拡散を抑制する。第１バリアメタル膜は、第１多結晶１２３の平均の粒径が小さくなるため、主に粒界拡散を抑制する。第２バリアメタル膜は、第２バリアメタル膜中の第２非晶質１２６の割合が第１バリアメタル膜中の第１非晶質１２４の割合よりも多くなるため、主に面拡散を抑制する。そのため、第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜によって、粒界拡散及び面拡散の両方を抑制できる。したがって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0094】

また、第２バリアメタル膜よりも窒素の濃度の低い第１バリアメタル膜が、金属膜１３１及び１３２と第２バリアメタル膜との間に形成される。これによって、第１バリアメタル膜と金属膜１３１及び１３２との密着性を高めることができる。その理由は、窒素の濃度が高い第２バリアメタル膜は、第１バリアメタル膜よりも金属膜１３１及び１３２との密着性が低いためである。ただし、拡散を抑制するためであれば、第１バリアメタル膜と第２バリアメタル膜の上下を入れ替えてもよい。

【0095】

さらに、第２多結晶１２５が、窒化チタンを含み、第２非晶質１２６が窒化タングステンを含む。そのため、第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜によって粒界拡散及び面拡散の両方を抑制できる。したがって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0096】

また、第２バリアメタル膜に対する窒素の濃度が、３０原子％以上かつ５０原子％以下である。そのため、図１１及び図３を用いて説明したように、第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜により、粒界拡散及び面拡散の両方を抑制できる。したがって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0097】

金属膜１３１及び１３２が、金膜を含むため、金属膜１３１及び１３２を低抵抗化できる。また、金膜を使用した場合でも、第１バリアメタル膜及び第２バリメタル膜によって、金原子が金膜からソース電極１１１及びドレイン電極１１２へ拡散することを、抑制することができる。すなわち、第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜により、粒界拡散及び面拡散の両方を抑制できる。したがって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0098】

ソース電極１１１及びドレイン電極１１２がＡｌ層を含むため、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２を低抵抗化できる。また、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２にＡｌ層を使用した場合でも、第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜によって金属原子が金属膜１３１及び１３２からＡｌ層へ拡散することを、抑制できる。すなわち、第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜により粒界拡散及び面拡散の両方を抑制できる。したがって、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の抵抗の上昇を抑制できる。

【0099】

続いて、第２実施形態における半導体装置２００の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法において、図４～図６までの製造工程は、第１実施形態と同じである。以下、図６に続く工程を、図１３を用いて説明する。

【0100】

図１３に示すように、例えばＣＶＤ法によって、全面に絶縁膜１０６が形成される。絶縁膜１０６は、ソース電極１１１と、ドレイン電極１１２と、ゲート電極１１３と、絶縁膜１０５とを覆う。

【0101】

続いて、絶縁膜１０６を、マスクを用いてエッチングし、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の表面を露出させる。

【0102】

続いて、例えば、スパッタリング法により、全面に第２バリアメタル膜が形成される。さらに続けて、例えば、スパッタリング法により、全面に第１バリアメタル膜が形成される。この第１バリアメタル膜及び第２バリアメタル膜は、マスクを用いて、ソース電極１１１及びドレイン電極１１２の上を除いてエッチングされる。このエッチングにより、ソース電極１１１の上にバリアメタル膜１４１及びバリアメタル膜１２１が形成され、ドレイン電極１１２の上にバリアメタル膜１４２及びバリアメタル膜１２２が形成される。

【0103】

続いて、図８に示すように、例えば、スピンコート法によって、全面に絶縁膜１０７が形成される。

【0104】

この後、マスクを用いて、絶縁膜１０７のソース電極１１１及びドレイン電極１１２に対応する箇所をエッチングし、開口１３８及び開口１３９が形成される。ソース電極１１１に対応する開口１３８では、バリアメタル膜１２１が露出し、ドレイン電極１１２に対応する開口１３９では、バリアメタル膜１２２が露出する。

【0105】

続いて、例えば、めっき法により、全面に金膜が形成される。金膜は、開口１３８及び開口１３９を残してエッチングされる。開口１３８及び開口１３９に残った金膜は、金属膜１３１及び金属膜１３２を形成する。金属膜１３１は、バリアメタル膜１２１の上に形成され、金属膜１３２はバリアメタル膜１２２の上に形成される。

【0106】

このようにして、第２実施形態の半導体装置２００を製造することができる。

【0107】

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0108】

１０：半導体層
１０１：基板
１０２：バッファ層
１０３：チャネル層
１０４：電子供給層
１０５、１０６、１０７：絶縁膜
１０８、１０９、１１０、１２８、１２９、１３８、１３９：開口
１１１：ソース電極
１１２：ドレイン電極
１１３：ゲート電極
１１５、１１６：第１層
１１７、１１８：第２層
１２１、１２２、１４１、１４２：バリアメタル膜
１２３：第１多結晶
１２４：第１非晶質
１２５：第２多結晶
１２６：第２非晶質
１３１、１３２：金属膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】