JP2002368270A - Iii族窒化物系化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents
Iii族窒化物系化合物半導体素子の製造方法Info
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Abstract
と透光性電極とのオーミックコンタクトを維持しつつp
台座電極の表面が酸化されてこれと導電性ワイヤとの接
合力が低下することを防止する。 【構成】 透光性電極形成層の上にp台座電極形成層を
積層した後、これを合金化する熱処理を第1の熱処理工
程と第2の熱処理工程に分解し、第1の熱処理工程では
酸素を含む雰囲気において比較的低温で熱処理し、第2
の熱処理工程では酸素を含まない雰囲気として比較的高
温で熱処理をする。
Description
導体素子に関する。例えば、青色系発光ダイオードなど
のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極の改良と
して好適な発明である。
物系化合物半導体発光素子においては、素子の全面から
均一な発光を得るため種々の提案がなされている。例え
ば、p型層に透光性電極を貼ってp型層の広範囲な面に
渡って電流が注入されるようにしている。そのときの透
光性電極は第1の電極層(例えばCo)の上に第2の電極
層(例えばAu)を積層して透光性電極形成層を形成し、
酸素を含むガス中において500〜600℃の温度で熱
処理をする。これにより、透光性電極形成層とp型層と
が合金化され両者の間にオーミックコンタクトが確保さ
れることとなる。なお、このとき第1の電極層の構成元
素の分布が変化する。
れば、酸素を含む雰囲気において500℃以上の高い温
度で熱処理をすると、p台座電極の表面状態が変化し、
導電性ワイヤーに対する接合力の信頼性が低下する。ま
た、透光性電極と同様に、p台座電極も複数の電極層を
積層して形成されるが(例えば、下側よりCr、Auを順次
積層する)、酸素を含む雰囲気において高温熱処理を実
行すると、下側の金属層が一部表面に移動し、そこで偏
析する場合が見受けられた。この場合、導電性ワイヤー
に対する接合力低下に加えて、ワイヤーボンディング時
の画像処理(p台座電極を認識する)に誤りが生じるお
それがある。
解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りで
ある。III族窒化物系化合物半導体からなるp型層の上
に、第1の金属を積層して第1の電極層を形成し、前記
第1の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第
2の金属を前記第1の電極層の上に積層して第2の電極
層を形成する電極形成工程と、実質的に酸素を含む雰囲
気において第1の温度で熱処理をする第1の熱処理工程
と、実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第1の
温度より高い第2の温度で熱処理をする第2の熱処理工
程と、を含む、III族窒化物系化合物半導体素子の製造
方法。
と第2の電極層とを積層してなる電極とp型層との間に
十分なオーミックコンタクトを確保できる。当該電極の
上に例えばp台座電極が形成される場合においても、酸
素を含む雰囲気での熱処理条件が低温(穏やかな条件)
で行われるため、p台座電極表面の酸化、およびp台座
電極の下地金属層がマイグレーションを起こしてその表
面に偏析することを未然に防止できる。
の明細書において、III族窒化物系化合物半導体は一般
式としてAlXGa YIn1−X−YN(0≦X≦1、
0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表され、AlN、Ga
N及びInNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN、
AlxIn1 −xN及びGaxIn1−xN(以上にお
いて0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族
元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(T
l)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくと
も一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(S
b)、ビスマス(Bi)等で置換できる。III族窒化物
系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっ
ても良い。n型不純物として、Si、Ge、Se、T
e、C等を用いることができる。p型不純物として、M
g、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等を用いることがで
きる。なお、p型不純物をドープした後にIII族窒化物
系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉
による加熱にさらすことも可能であるが必須ではない。
III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定さ
れないが、有機金属気相成長法(MOCVD法)のほ
か、周知の分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド気
相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーテ
ィング法、電子シャワー法等によっても形成することが
できる。ここにIII族窒化物系化合物半導体素子には、
発光ダイオード、受光ダイオード、レーザダイオード、
太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及びトラ
ンジスタ等のバイポーラ素子、FET等のユニポーラ素
子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイスを挙
げられる。また、これらの素子の中間体としての積層体
にも本発明は適用されるものである。なお、発光素子の
構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへ
テロ構造のものを用いることができる。さらに量子井戸
構造(単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造)を
採用することもできる。
電極層は第2の電極層構成元素のイオン化ポテンシャル
が第1の電極層構成元素のそれより高いものであれば特
に限定されるものではない。電極層に透光性を付与する
ときは、以下に説明する金属元素を採用することが好ま
しい。第1の電極層の構成元素は第2の電極層の構成元
素よりもイオン化ポテンシャルが低い元素であり、第2
の電極層の構成元素は半導体に対するオーミック性が第
1の電極層の構成元素よりも良好な元素とするのが望ま
しい。酸素を含んだ第1の熱処理により、半導体の表面
から深さ方向の元素分布は、第2の電極層の構成元素の
方が第1の電極層の構成元素よりも深く浸透した分布と
なる。即ち、電極層の元素分布が電極層の形成時の分布
に対して反転している。電極層の形成後には、上側に形
成した第2の電極層の構成元素の方が下側になり、下側
に形成した第1n電極層の構成元素の方が上側に存在す
る。望ましくは、第1電極層の構成元素は、ニッケル(N
i)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、銅(Cu)、クロム(Cr)、タン
タル(Ta)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、アルミニウ
ム(Al)、銀(Ag)のうち少なくとも一種の元素であり、そ
の膜厚は0.5〜15nmとする。第2電極層の構成元
素は、パラジウム(Pd)、金(Au)、イリジウム(Ir)、白金
(Pt)のうち少なくとも1種の元素であり、その膜厚は
3.5〜25nmとする。最も望ましくは、第1電極層
の構成元素はCoであり、第2電極層の構成元素はAuであ
る。この場合には、熱処理により、半導体の表面から深
さ方向の元素分布は、CoよりもAuが深く浸透した分布と
なる。
料も特に限定されるものではないが、例えば下側から第
1金属層としてCr層、第2金属層としてAu層及び第
3金属層としてAl層を順次積層する構造とする。第1
金属層はその下の層と強固に結合できるように、第2の
金属層よりもイオン化ポテンシャルが低い元素とする。
第2の金属層はAl又はAuとのボンディング性が良好
で、かつ透光性電極と反応しない元素とする。第3金属
層は保護膜と強固に結合できる元素とすることが好まし
い。望ましくは、第1金属層の構成元素は、ニッケル(N
i)、鉄(Fe)、銅(Cu)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、バナ
ジウム(V)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)のうち少な
くとも一種の元素であり、その膜厚は1〜300nmで
ある。望ましくは、第3金属層の構成元素は、アルミニ
ウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうち少なくとも
一種の元素であり、その膜厚は1〜30nmである。望
ましくは、第2金属層の構成元素は金(Au)であり、その
膜厚は0.3〜3μmである。
同一方法により形成することができる。この場合、p補
助電極とp台座電極とは同一厚さとなる。p補助電極と
p台座電極とを別個に形成することもできる。この場
合、p補助電極の材質及び厚さをp台座電極のそれと異
ならせることもできる。p台座電極は導電性ワイヤを周
知の方法でボンデングするために十分な面積を有すれば
その形状は特に限定されない。ボンディング時の位置確
認のためには、p台座電極としてn台座電極と異なる形
状を採用することが好ましい。p補助電極は光を遮蔽す
るので、その幅を狭くすることが好ましい。p補助電極
の幅は1〜40μmとすることがこのましい。更に好ま
しくは2〜30μmであり、更に更に好ましくは3〜2
5μmであり、更に更に更に好ましくは3〜20μmで
あり、最も好ましくは5〜15μmである。p台座電極
及び/又はp補助電極の周囲に凹凸を設けて、透光性電
極との間の接触面積を増大させることが好ましい。p台
座電極の周面は傾斜していることが好ましい。台座電極
の周面をテ−パ状としておくことにより、台座電極及び
透光性電極の表面に形成される保護膜(SiO2膜等)
を当該テ−パ状部にもほぼ設計膜厚通りに形成すること
が可能となる。
工程は実質的に酸素を含む雰囲気において行われる。酸
素を含む雰囲気を実現するため次のガスを用いることが
好ましい。即ち、酸素を含むガスとしては、O2、O3、C
O、CO2、NO、N2O、NO2、又は、H2Oの少なくとも1種又
はこれらの混合ガスを用いることができる。又は、O2、
O3、CO、CO2、NO、N2O、NO2、又は、H2Oの少なくとも1
種と不活性ガスとの混合ガス、又は、O2、O3、CO、C
O2、NO、N2O、NO2、又は、H2Oの混合ガスと不活性ガス
との混合ガスを用いることができる。要するに酸素を含
むガスは、酸素原子、酸素原子を有する分子のガスの意
味である。なかでも、酸化性のガス雰囲気が好ましい。
熱処理時の雰囲気の圧力は、熱処理温度において、窒化
ガリウム系化合物半導体が熱分解しない圧力以上であれ
ば良い。酸素を含むガスは、O2ガスだけを用いた場合に
は、窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上の圧力で
導入すれば良く、他の不活性ガスと混合した状態で用い
た場合には、全ガスを窒化ガリウム系化合物半導体の分
解圧以上の圧力とし、O2ガスは全ガスに対して10-6程
度以上の割合を有しておれば十分である。要するに、酸
素を含むガスは極微量存在すれば十分である。尚、酸素
を含むガスの導入量の上限値は電極合金化の特性から
は、特に、制限されるものではない。要は、製造が可能
である範囲まで使用できる。熱処理温度は440℃未満
とすることが好ましい。熱処理温度が440℃以上とな
ると、既述の課題が生じるおそれがある。更に好ましい
熱処理温度は420℃未満であり、更に更に好ましくは
400℃未満である。熱処理時間は、第1の電極層と第
2の電極層との間にマイグレーションを生じさせること
ができれば特に限定されないが、5分〜1000分とす
ることが好ましい。更に好ましくは、10分〜500分
であり、更に更に好ましくは30分〜300分である。
工程は実質的に酸素を含まない雰囲気において行われ
る。即ち、第1の熱処理工程で用いた酸素含有ガスを用
いずに、非酸化性雰囲気もしくは還元性雰囲気で熱処理
を実行することが好ましい。具体的には、N2、He、Ar
等の不活性ガスやH2等の還元性ガス、またはこれらの混
合ガス中で熱処理を行うことが好ましい。熱処理温度は
第1の熱処理工程時の熱処理温度より高くする。これに
より、電極層とp型層との間にオーミックコンタクトが
得られることとなる。当該高温での熱処理を省略すると
両者の間にオーミックコンタクトが得られない(表1、
比較例3参照)。従って、第2の熱処理工程で要求され
る熱処理条件は、電極層とp型層との間にオーミックコ
ンタクトを確保するのに十分な加熱温度及び加熱時間で
ある。熱処理温度は440℃以上とすることが好まし
く、更に好ましくは480℃以上であり、更に更に好ま
しくは520℃以上である。熱処理時間は0.1分〜1
80分とすることが好ましい。更に好ましくは、0.3
分〜60分であり、更に更に好ましくは0.5分〜30
分である。第2の熱処理工程における雰囲気の圧力は当
該熱処理温度においてIII族窒化物系化合物半導体が熱
分解されない圧力以上であればよい。
行する順序は特に限定されない。酸素含有ガスを供給す
る雰囲気において熱処理温度を徐々に上げていって(第
1の熱処理工程に実行)、440℃に達した後は酸素含
有ガスの供給を止めそこから第2の熱処理工程を実行す
るようにしてもよい。
まず、図1に示す構成に半導体層を積層した。 層 : 組成 p型層5 : p−GaN:Mg 発光する層を含む層 4 : InGaN層を含む層 n型層 3 : n−GaN:Si バッファ層 2 : AlN 基板 1 : サファイア
不純物してSiをドープしたGaNからなるn型層3を
形成した。ここで、基板1にはサファイアを用いたが、
これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、
シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、
ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III
族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができ
る。さらにバッファ層はAlNを用いてMOCVD法で
形成されるがこれに限定されることはなく、材料として
はGaN、InN、AlGaN、InGaN及びAlI
nGaN等を用いることができ、製法としては分子線結
晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVP
E法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シ
ャワー法等を用いることができる。GaNを基板として
用いた場合は、当該バッファ層を省略することができ
る。さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必
要に応じて、除去することもできる。
GaN、InGaN若しくはAlInGaNを用いるこ
とができる。また、n型層はn型不純物してSiをドー
プしたが、このほかにn型不純物として、Ge、Se、
Te、C等を用いることもできる。n型層3は発光する
層を含む層4側の低電子濃度n-層とバッファ層2側の
高電子濃度n+層とからなる2層構造とすることができ
る。発光する層を含む層4は量子井戸構造の発光層を含
んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングル
へテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどで
もよい。
グネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップ
の広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともでき
る。これは発光する層を含む層4中に注入された電子が
p型層5に拡散するのを効果的に防止するためである。
してMgをドープしたGaNからなるp型層5を形成し
た。このp型層はAlGaN、InGaN又はInAl
GaNとすることもできる、また、p型不純物としては
Zn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。
さらに、p型層5を発光する層を含む層4側の低ホール
濃度p−層と電極側の高ホール濃度p+層とからなる2
層構造とすることができる。
I族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCV
Dを実行して形成するか、分子線結晶成長法(MBE
法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ
法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法
で形成することもできる。
する層を含む層4及びn型層3の一部を反応性イオンエ
ッチングにより除去し、n電極9を形成すべきn電極形
成面11を表出させる。
成層60及びp台座電極形成層70の形成方法について
説明する。まず、ウエハの全面に、蒸着装置にて、第1
の電極層としてのCo層(1.5nm)61と第2の電
極層としてのAu層(60nm)62を順次積層する。
次に、フォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグ
ラフィにより、n電極形成面11及びその周囲からほぼ
10μm幅の部分(クリアランス領域)でフォトレジス
トを除去して、エッチングによりその部分の透光性電極
形成材料61、62を除去し、半導体層5を露出させ
る。その後、フォトレジストを除去する。次に、リフト
オフ法により、Cr層(30nm)71、Au層(1.
5μm)72及びAl層(10nm)73を順次蒸着積
層してp台座電極形成層70を形成する。なお、バナジ
ウムとアルミニウムとを順次積層してn電極形成層も同
様にリフトオフ法により形成される。
で熱処理をした。
含む雰囲気において比較的低温での熱処理)は強調文字
にて表記した。また表1において、コンタクト抵抗の高
低は20mA通電時の素子の電圧を基準にした。光出力
は実施例及び比較例において殆ど差が出なかった。W/
B性(ワイヤーボンディング性)はボールシェア強度を
基準に評価した。外観はp台座電極表面を顕微鏡で観察
し、表面が一様で均質な場合を○、Crの偏析が観察さ
れた場合を△とした。
いて比較的低温で熱処理をする第1の熱処理工程と実質
的に酸素を含まない雰囲気(好ましくは還元性雰囲気)
において比較的高s温で熱処理をする第2の熱処理工程
とを、その順序を問わず実行することにより、比較例1
(従来の方法)と同様に低いコンタクト抵抗を維持しつ
つ、ワイヤーボンディング特性及び外観性がともに向上
することがわかる。また、第1の熱処理工程を省略する
と、コンタクト抵抗が高くなることがわかる(比較例2
参照)。第1の熱処理工程を実施するものの第2の熱処
理工程(高温での熱処理)を省略するとやはりコンタク
ト抵抗が高くなることがわかる(比較例3参照)。
る2段階の熱処理を実行すれば、III族窒化物系化合物
半導体からなるp型層と透光性電極とのオーミックコン
タクトを維持しつつp台座電極の表面が酸化されてこれ
と導電性ワイヤとの接合力が低下することを未然に防止
できる。
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
と、該p型層の上に形成されて第1の金属を含む第1の
電極層及び該第1の電極層の上に形成されて前記第1の
金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第2の金
属を含む第2の電極層を備えてなる透光性電極形成層
と、を熱処理する方法であって、実質的に酸素を含む雰
囲気において第1の温度で熱処理をする第1の熱処理工
程と、実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第1
の温度より高い第2の温度で熱処理をする第2の熱処理
工程と、を含む、熱処理方法。 12 前記第1の熱処理工程の後に前記第2の熱処理工
程が実行される、11に記載の熱処理方法。 13 前記第2の熱処理工程の後に前記第1の熱処理工
程が実行される、11に記載の熱処理方法。 14 前記第1の温度は440℃未満である、11〜1
3のいずれか記載の熱処理方法。 15 前記第2の熱処理工程は非酸化性雰囲気あるいは
還元性雰囲気で行われる、11〜14のいずれかに記載
の熱処理方法。 16 前記電極形成工程にはp台座電極を形成する工程
が更に含まれる、11〜15のいずれかに記載の熱処理
方法。 17 前記第1の金属はコバルト(Co)であり、前記第
2の金属は金(Au)である、11〜16のいずれかに記
載の熱処理方法。 21 III族窒化物系化合物半導体からなるp型層の上
に、第1の金属を含む第1の電極層を積層し、前記第1
の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第2の
金属を含む第2の電極層を前記第1の電極層の上に積層
して透光性電極形成層を形成し、該透光性電極形成層を
下記2つの熱処理工程により熱処理して得られたIII族
窒化物系化合物半導体発光素子、実質的に酸素を含む雰
囲気において第1の温度で熱処理をする第1の熱処理工
程、実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第1の
温度より高い第2の温度で熱処理をする第2の熱処理工
程。 22 前記第1の熱処理工程の後に前記第2の熱処理工
程が実行される、21に記載のIII族窒化物系化合物半
導体素子。 23 前記第2の熱処理工程の後に前記第1の熱処理工
程が実行される、21に記載のIII族窒化物系化合物半
導体素子。 24 前記第1の温度は440℃未満である、21〜2
3のいずれか記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。 25 前記第2の熱処理工程は非酸化性雰囲気あるいは
還元性雰囲気で行われる、21〜24のいずれかに記載
のIII族窒化物系化合物半導体素子。 26 前記電極形成工程にはp台座電極を形成する工程
が更に含まれる、21〜25のいずれかに記載のIII族
窒化物系化合物半導体素子。 27 前記第1の金属はコバルト(Co)であり、前記第
2の金属は金(Au)である、21〜26のいずれかに記
載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
説明する。
する。
Claims (7)
- 【請求項1】 III族窒化物系化合物半導体からなるp
型層の上に、第1の金属を積層して第1の電極層を形成
し、前記第1の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを
有する第2の金属を前記第1の電極層の上に積層して第
2の電極層を形成する電極形成工程と、 実質的に酸素を含む雰囲気において第1の温度で熱処理
をする第1の熱処理工程と、 実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第1の温度
より高い第2の温度で熱処理をする第2の熱処理工程
と、 を含む、III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。 - 【請求項2】 前記第1の熱処理工程の後に前記第2の
熱処理工程が実行される、請求項1に記載のIII族窒化
物系化合物半導体素子の製造方法。 - 【請求項3】 前記第2の熱処理工程の後に前記第1の
熱処理工程が実行される、請求項1に記載のIII族窒化
物系化合物半導体素子の製造方法。 - 【請求項4】 前記第1の温度は440℃未満である、
請求項1〜3のいずれか記載のIII族窒化物系化合物半
導体素子の製造方法。 - 【請求項5】 前記第2の熱処理工程は非酸化性雰囲気
あるいは還元性雰囲気で行われる、請求項1〜4のいず
れかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方
法。 - 【請求項6】 前記電極形成工程にはp台座電極を形成
する工程が更に含まれる、請求項1〜5のいずれかに記
載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。 - 【請求項7】 前記第1の金属はコバルト(Co)であ
り、前記第2の金属は金(Au)である、請求項1〜6の
いずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製
造方法。
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