JP4635418B2

JP4635418B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置

Info

Publication number: JP4635418B2
Application number: JP2003283465A
Authority: JP
Inventors: 靖長小谷
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP2005051137A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法半導体装置に関し、より詳細には、半導体レーザ素子における電極部分における電極と半導体層及び誘電体膜との密着膜を確保し得る半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。

近年、半導体装置、特に半導体レーザ素子は、小型、軽量、高信頼性及び高出力化が進み、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤ等の電子機器や医療機器等の光源に利用されている。なかでも、III−Ｖ族窒化物半導体は、比較的短波長の発光が可能であるため、盛んに研究されている。

例えば、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、図２に示すように、サファイア基板３０上に、中間層３１を介して、ｎ型ＧａＮ層等からなるｎ型半導体層３２、ＩｎＧａＮ多重量子井戸からなる活性層３５及び表面にリッジが形成されたｐ型ＡｌＧａＮ層等からなるｐ型半導体層３６がこの順に積層されて構成されている。ｎ型半導体層３２上にはｎ型オーミック電極３３及びｎ型パッド電極３４が形成されている。ｐ型半導体層３６上にはリッジ上面以外の表面が絶縁膜３８で覆われ、リッジ上面においてｐ型半導体層３６にオーミック接続されたｐ型オーミック電極３９が形成されている。さらに、ｐ型オーミック電極３９上の一部の領域を除いて、ｎ型半導体層３２、活性層３５及びｐ型半導体層３６の表面には、保護膜３７が形成されており、保護膜３７上に、ｐ型オーミック電極３９と電気的に接続されたｐ型パッド電極４０が配置している。

このような半導体レーザでは、特定の電極材料を選択したり（例えば、特許文献１及び２）、ｐ型半導体層の不純物濃度を調整したりして（例えば、特許文献３）、半導体層と電極とのオーミック接続をより低抵抗化して、駆動電圧の低減及び発光効率の向上を図っている。
特開平５−２９１６２１号公報特開平６−２７５８６８号公報特開平１０−３０３５０４号公報

上述したような種々の方法により、半導体層と電極とのオーミック接続を確保したとしても、半導体層と電極とがオーミック接続された領域以外の領域において絶縁膜や保護膜等が介在している場合には、これらの絶縁膜等と電極材料との密着性の悪さに起因して、半導体装置の製造工程で、電極のオーミック接続が損なわれたり、電極自体が剥がれたりするという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、半導体層と電極とがオーミック接続された領域以外の領域において絶縁膜や保護膜等が介在している場合においても、電極材料との良好な密着性を得ることにより、電極の剥がれ等を防止して、信頼性が高く、低電圧化及び高輝度化を実現することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、
表面にリッジを有する半導体層上に、該半導体層の少なくともリッジ上面を露出させるようにＺｒＯ ₂ からなる誘電体膜を形成し、
該誘電体膜を被覆するようにＲｈ又はＨｆＯからなる密着膜を積層し、
該密着膜を熱処理した後、
前記リッジ上面と接続され、前記リッジ側面において密着膜を介して配置するニッケル膜又はその合金膜を含む電極を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
この方法では、
半導体層がｐ型の窒化物半導体からなることが好ましい。
熱処理を、酸化雰囲気下にて４００℃以上の温度で行うことが好ましい。

また、本発明は、表面にリッジを有する半導体層における少なくともリッジ上面で電気的に接続された電極を有する半導体装置であって、前記半導体層と電極との間の一部の領域において、ＺｒＯ ₂ からなる誘電体膜とＲｈ又はＨｆＯからなる密着膜とがこの順に積層され、前記電極はニッケル膜又はその合金膜を含んでおり、前記誘電体膜がリッジ側面において直接接触せず、かつ前記密着膜がリッジ側面においてニッケル膜又はその合金膜と接触するように介在してなることを特徴とする半導体装置である。
この半導体装置では、半導体層がｐ型の窒化物半導体からなることが好ましい。

上記のような構成にすることにより、電極材料の半導体層及び保護膜（誘電体膜）への良好な密着性を得ることができ、電極の剥がれ等を防止して、信頼性が高く、低電圧化及び高輝度化を実現した半導体装置を得ることができる。

本発明の半導体装置の製造方法では、まず、半導体層上に誘電体膜を形成する。

ここで、本発明の半導体装置としては、半導体層をその構成の一部に含む装置の全てを包含する。例えば、発光素子、受光素子、ＣＣＤ、トランジスタ、キャパシタ、抵抗、サイリスタ、光電変換装置等の変換装置、半導体レーザ及びこれらを２以上組み合わせた回路等が挙げられる。なかでも半導体レーザを構成する半導体層であることが適当である。このような半導体装置を構成する半導体層としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体層、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮ等のIII−Ｖ族化合物半導体層、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ等のII−VI族化合物半導体層等、種々の半導体層が挙げられる。なかでも、窒化物半導体、つまり、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ又はこれらの混晶（例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）等が好ましい。半導体層は、ｐ型不純物（例えば、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等）又はｎ型不純物（例えば、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｃ、Ｔｉ等）をドープしたものであってもよく、ドーピング濃度は、例えば、１×１０^１６〜１０^１９ｃｍ^−３程度が挙げられる。特に、ｐ型不純物を含有した窒化物半導体層がより好ましい。これらの半導体層は、ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、当該分野で公知の方法のいずれによっても形成することができる。

誘電体膜としては、例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、ＳｉＯＮ、ＨｆＯ_２、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等の単層又は積層層が挙げられる。なかでも、ＺｒＯ_２が好ましい。これらの誘電体膜は、例えば、スパッタリング法、ＥＣＲスパッタリング法、ＣＶＤ法、ＥＣＲ−ＣＶＤ法、ＥＣＲ−プラズマＣＶＤ法、蒸着法、ＥＢ法等の公知の方法で形成することができる。誘電体膜の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、４００〜２５００オングストローム程度、好ましくは４００〜１０００オングストローム程度が挙げられる。

半導体層上に、この半導体層上の一部の領域を露出させるように誘電体膜を形成するのは、後述するように、半導体層上に電極を接続させる領域を確保するとともに、誘電体膜によって電極との接続領域以外の半導体層表面を絶縁、保護等するためである。一部の領域を露出させるように誘電体膜を形成する方法としては、半導体層上全面に、誘電体膜を積層した後、当該分野で公知の方法、例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により所望の形状のマスクを形成し、このマスクを用いて誘電体膜をエッチングする方法が挙げられる。あるいは、リフトオフ法等を利用してもよい。

次いで、誘電体膜上に密着膜を積層する。密着膜としては、例えば、白金族系金属等の単層又は積層層が挙げられる。白金族系金属としては、長周期律表及び短周期律表のいずれかにおけるVIII族の金属、例えば、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｈｆ等が挙げられる。なかでも、Ｒｈを含有する単層膜又は後述する電極側にＲｈを含有する層が配置する積層膜が好ましい。

なお、誘電体膜を被覆するように密着膜を形成するとは、少なくとも後述する電極が誘電体膜とは直接接触することなく、密着膜にのみ接触するように、密着膜を形成することを意味する。したがって、密着膜は、誘電体膜上の一部のみに形成されていてもよいし、誘電体膜上の全部に、つまり誘電体膜と同じ大きさ及び形状で形成されていてもよいし、誘電体膜の一部の上から半導体層上の一部の上にわたって形成されていてもよいし、誘電体膜よりも大きく、半導体層と直接接触し、誘電体膜の一部又は全部の上にわたって形成されていてもよい。

密着膜は、上述した誘電体膜と同様に、当該分野で公知の方法によって形成することができ、所定の形状にパターニングする場合には、上述したように、フォトリソグラフィ及びエッチング法、リフトオフ法等を利用することができる。パターニングは密着膜の形状によっては、上述した誘電体膜と同時に行ってもよい。密着膜の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５０〜５００オングストローム程度、好ましくは１００〜３００オングストローム程度が挙げられる。

次いで、密着膜を熱処理する。ここでの熱処理は、密着膜が形成された半導体層を、例えば、４００℃以上の温度、好ましくは５００〜７００℃程度の温度で、１〜３０分間、好ましくは５〜２０分間程度加熱することにより行うことができる。熱処理は、電気炉を利用したファーネスアニール法によって行ってもよいし、ハロゲンランプ、電子ビーム、エキシマレーザ等を利用したＲＴＡ法によって行ってもよい。熱処理は、大気雰囲気下又は酸素雰囲気下で行うことが好ましい。このような熱処理によって、密着膜の表面から密着膜の内部に酸素が取り込まれることにより、後述する電極との密着性を向上させることができる。

続いて、半導体層上及び密着膜上に電極を形成する。電極は、例えば、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。なかでも、ニッケル又はその合金を含む単層膜、あるいは密着膜と接触する側においてニッケル又はその合金を含む層が配置された積層膜であることが好ましい。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５００〜１５００オングストローム程度が適当である。電極材料は、例えば、誘電体膜と同様に、当該分野で公知の方法等により形成することができる。電極材料は、半導体層上のほぼ全面に形成した後、フォトリソグラフィ及びエッチング工程、リフトオフ法、ＥＢ法等によりパターニングする。なお、電極は、少なくとも半導体層上にのみ形成していればよいが、半導体層の一部とオーミック接続するとともに、密着膜上において密着膜と強固に密着した状態で配置させることが好ましい。また、この際、電極が誘電体膜と直接接触しないように形成することが重要である。
以下に本発明の半導体装置の製造方法及び半導体装置の実施例を詳細に説明する。

まず、半導体装置として図１に示す半導体レーザを製造するために、直径２インチ、Ｃ面を主面とするサファイア基板１０上に、ＧａＮからなるバッファ層及びアンドープＧａＮからなる窒化物半導体層を成長させることにより、下地層１１を形成する。
次に、下地層の上に、Ｓｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープさせたＧａＮからなるｎ型コンタクト層、Ｉｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎからなるクラック防止層、アンドープのＡｌＧａＮからなるＡ層とＳｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮからなるＢ層とを交互積層させたｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層を成長させる。これにより、ｎ型半導体層１２を形成する。

続いて、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなる障壁層とアンドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる井戸層とを交互３回積層させ、その上に障壁層を積層させた多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１５を成長させる。
次いで、Ｍｇを１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌＧａＮからなるｐ型電子閉じ込め層、アンドープのＧａＮからなるｐ型光ガイド層、アンドープＡｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎからなる層とＭｇドープＧａＮからなる層とを交互積層させた超格子層からなるｐ型クラッド層、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層を成長させる。これによりｐ型半導体層１６を形成する。その後、窒素雰囲気中でウェハを７００℃でアニーリングして、ｐ型半導体層１６をさらに低抵抗化する。

このようにして窒化物半導体を積層した後、所望の形状のマスクを用いて、ｐ型半導体層、活性層、ｎ型半導体層の一部を順次エッチングし、ｎ電極を形成するｎ型コンタクト層の表面を露出させる。
その後、最上層のｐ型コンタクト層上に、所定形状のマスクを形成し、このマスクを用いて、ｐ型コンタクト層にストライプ状のリッジを形成する。

続いて、ｐ型層表面に、ＥＣＲスパッタリング法によって、誘電体膜１８としてＺｒＯ_２膜を、膜厚６００オングストローム程度形成する。この上に、スパッタ装置を用いて、密着膜２１としてＲｈ膜を、膜厚１００オングストローム程度形成し、酸素雰囲気下、６００℃にて１０分間程度アニール処理を行う。
その後、ＢＨＦ液に２０分間浸漬して、水洗、超音波洗浄及びリンスを行い、ストライプ状のリッジの上面に形成した誘電体膜１８及び密着膜２１を溶解除去する。

次に、ｐ型コンタクト層上のリッジ上及びｎ型コンタクト層上に、スパッタ法によってＮｉ−Ａｕからなるｐ型オーミック電極１９及びＴｉ−Ａｌからなるｎ型オーミック電極１３を形成する。

その後、１５０℃にて約１０分間アッシャーし、さらにアニール処理を行う。次いで、ｐ型オーミック電極１９とｎ型オーミック電極１３との一部を被覆する保護膜１７を、ＳｉＯ_２により形成し、ｐ型オーミック電極１９及びｎ型オーミック電極１３に接続されるように、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕからなるｐ型パッド電極２０及びｎ型パッド電極１４を形成する。
その後、１５０℃にて約１０分間アッシャーを行う。

このようにして得られた半導体装置において、半導体層と密着膜との上に形成されたｐ型オーミック電極の密着性を評価した。

まず、得られた半導体装置を、超音波での３０分間の処理に２回付した後、超音波で３０分間処理し、１８０℃で３０分間熱処理し、さらに冷水に浸漬し、この処理を３回行った。その後、超音波で６０分間処理し、２２０〜３００℃で３０分間熱処理し、さらに冷水に浸漬し、この処理を８回行い、最後に超音波で６０分間処理した。このような一連の超音波処理及び熱衝撃試験によっても、ｐ型オーミック電極の剥がれは見られず、その後の製造プロセスにも十分に耐えることができる密着性が確保されることが確認された。

また、上述した実施例において、密着膜としてＲｈ膜を形成する代わりにＨｆＯ膜を形成した以外、同様に作成した半導体装置についても超音波処理を行った。つまり、超音波での３０分間の処理に２回付した後、超音波で３０分間処理し、１８０℃で３０分間熱処理し、さらに冷水に浸漬し、この処理を２回行った。その結果、このような一連の超音波処理及び熱衝撃試験においても、ｐ型オーミック電極の剥がれは見られず、通常の半導体装置の製造プロセスに十分耐えることができる密着性の良好な電極が得られることが確認された。

一方、比較のため、上述した実施例において、密着膜としてＲｈ膜を形成した代わりにＺｒ膜を形成した以外、同様に作成した半導体装置についても超音波処理及び熱衝撃試験を行った。その結果、最初の３０分間の超音波処理及び熱衝撃試験で、ｐ型オーミック電極が剥がれることが確認された。

本発明は、半導体層をその構成の一部に含む装置、例えば、発光素子、受光素子、ＣＣＤ、トランジスタ、キャパシタ、抵抗、サイリスタ、光電変換装置等の変換装置、半導体レーザ及びこれらを２以上組み合わせた回路等の全てに対して適用することができる。

本発明の半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。従来の半導体装置である半導体レーザを示す概略断面図である。

符号の説明

１０サファイア基板
１１下地層
１２ｎ型半導体層
１３ｎ型オーミック電極
１４ｎ型パッド電極
１５活性層
１６ｐ型半導体層（半導体層）
１７保護膜
１８誘電体膜
１９ｐ型オーミック電極（電極）
２０ｐ型パッド電極
２１密着膜

Claims

表面にリッジを有する半導体層上に、該半導体層の少なくともリッジ上面を露出させるようにＺｒＯ ₂ からなる誘電体膜を形成し、
該誘電体膜を被覆するようにＲｈ又はＨｆＯからなる密着膜を積層し、
該密着膜を熱処理した後、
前記リッジ上面と接続され、前記リッジ側面において密着膜を介して配置するニッケル膜又はその合金膜を含む電極を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
半導体層がｐ型の窒化物半導体からなる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
熱処理を、酸化雰囲気下にて４００℃以上の温度で行う請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
表面にリッジを有する半導体層における少なくともリッジ上面で電気的に接続された電極を有する半導体装置であって、前記半導体層と電極との間の一部の領域において、ＺｒＯ ₂ からなる誘電体膜とＲｈ又はＨｆＯからなる密着膜とがこの順に積層され、前記電極はニッケル膜又はその合金膜を含んでおり、前記誘電体膜がリッジ側面において直接接触せず、かつ前記密着膜がリッジ側面においてニッケル膜又はその合金膜と接触するように介在してなることを特徴とする半導体装置。
半導体層がｐ型の窒化物半導体からなる請求項４に記載の半導体装置。