JP7161096B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
半導体発光素子では、高輝度、高発光効率を実現した装置が求められており、高反射性を有する材料を用いて、より一層の光取り出し効率の向上を図っている(例えば、特許文献1及び2)。
このような状況下、本願においては、上述した種々の要因から、特にリーク電流の発生を効果的に防止することができる半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
窒化物半導体層を形成し、
該窒化物半導体層の少なくとも一部表面に対して、バイアス電力を印加しながら酸素含有雰囲気中でプラズマ処理を行い、
その後、前記半導体層を酸素含有雰囲気中で熱処理し、
前記窒化物半導体層の表面のうち前記プラズマ処理が行われた領域上に保護膜を形成し、
前記窒化物半導体層の表面のうち前記プラズマ処理が行われておらず、前記保護膜が形成されていない領域に電極を形成することを含む半導体素子の製造方法。
この実施形態の半導体素子の製造方法は、図1A~1Dに示したように、
基板1上に、窒化物半導体層2を形成し(図1A)、
該窒化物半導体層2の少なくとも一部表面に対して、バイアス電力を印加しながら酸素含有雰囲気中でプラズマ処理を、行い(図1B)、
その後、前記窒化物半導体層2を酸素含有雰囲気中で熱処理し、
前記窒化物半導体層の表面のうち前記プラズマ処理が行われた領域2a上に保護膜3を形成し(図1C)、
前記窒化物半導体層の表面のうち前記プラズマ処理が行われておらず、前記保護膜が形成されていない領域2bに電極4を形成する(図1D)ことを含む。
従来技術において、半導体層の表面と保護膜との間のリーク電流を抑えるために、半導体層にプラズマ処理を行うことがあったが、プラズマ処理を行ったとしても、半導体層の表面における抵抗を十分に高くすることができずその効果は十分ではなかった。特に、窒化物半導体層を有する半導体素子に個片化するための加工手段にレーザ光を使用する場合、個片化に用いるレーザ光による熱等で半導体層へダメージが生じやすく、半導体層と保護膜との界面部分に界面準位が発生しリーク電流を抑えることができなかった。
一方、上述したように、窒化物半導体層に対して、バイアス電力を印加しながら、プラズマ処理を行った後、酸素雰囲気中で熱処理することにより、プラズマ処理された窒化物半導体層の表面付近を高抵抗化することができる。その結果、窒化物半導体層と保護膜との界面におけるリーク電流の発生を確実に抑制することができる。バイアス電力を印加しながらプラズマ処理を行う場合のみならず、さらにプラズマ処理領域に熱処理を加えることによって、窒化物半導体層の表面に付着している酸素原子を、窒化物半導体層の結晶内に取り込むことができ、窒化物半導体層の表面を、より確実に高抵抗化できる。そして、このような方法によっては、保護膜の種類にかかわらず、窒化物半導体層と保護層との界面におけるリーク電流を確実に防止することが可能となる。また、プラズマ処理及び熱処理後、半導体層が形成された基板を個片化のためにレーザ光が半導体素子の分割線上に照射されても、確実に窒化物半導体層と保護膜との界面におけるリーク抑制効果を得るさせることができる。その結果、レーザ加工により窒化物半導体層の分割が可能となるため、ダイシングブレード等を用いて分割する場合に比べて素子間距離を低減することができ、製造コスト等を抑制しつつ、半導体素子の信頼性を向上させることが可能となる。
まず、図1Aに示したように、窒化物半導体層2を準備する。
窒化物半導体層2は、単層構造でもよいが、半導体素子、特に、LEDやレーザーのような半導体発光素子を形成するために、n側半導体層、活性層及びp側半導体層を有する多層の積層構造であることが好ましい。n側半導体層及びp側半導体層は、それぞれ、n型半導体層及びp型半導体層を含み、一部にアンドープの層を有していてもよい。また、これらの層は、何れも、単層又は積層構造のいずれでもよい。活性層は、例えば、多重量子井戸構造または単一量子井戸構造を有する。窒化物半導体層を構成する材料としては、例えば、一般式InxAlyGa1-x-yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)の窒化物半導体が挙げられる。
窒化物半導体層は、例えば、基板1上に、当該分野で公知の方法、例えば、MOCVD等を利用して、エピタキシャル成長により形成することができる。このような基板としては、当該分野において、窒化物半導体層を形成し得る基板であればよく、例えば、GaN基板、GaAs基板等の化合物半導体基板、シリコン基板等の元素半導体基板、サファイア基板等の絶縁性基板等が挙げられる。
これら窒化物半導体層の厚みは、半導体素子としての機能を果たす限り、適宜調整することができる。
図1Bに示したように、窒化物半導体層2の少なくとも一部表面に対して、バイアス電力を印加しながら酸素含有雰囲気中でプラズマ処理PLを行う。プラズマを行うときの雰囲気中には、酸素以外に、アルゴン、窒素等の不活性ガスを含んでいてもよい。窒化物半導体層2の表面は、n型半導体層、p型半導体層及びアンドープの半導体層のいずれでもよい。バイアス電力を印加しながら行うプラズマ処理によって、窒化物半導体層2の表面にバイアス電力を印加しないプラズマ処理に比べて酸素がより導入されることで、窒化物半導体層2の表面を高抵抗化することができるからである。
プラズマ処理は、当該分野で公知のいずれかのプラズマ処理装置を用いて行うことができる。プラズマ処理は、バイアス電力を印加しながら行う。ここでのバイアス電力は、50W~400Wの範囲に設定することが好ましい。このようなバイアス電力に設定することにより、窒化物半導体層2の表面に対して酸素をより確実に導入することができる。
プラズマ処理は、例えば、1秒~10分間行うことができ、30秒~3分間行うことが好ましい。
プラズマ処理は、窒化物半導体層の全表面に行ってもよいが、少なくとも一部表面に行えばよい。その場合、例えば、図1Bに示したように、プラズマ処理を行わない窒化物半導体層2の表面をマスク5で被覆した状態でプラズマ処理することが好ましい。このような方法により、プラズマ処理を特定の領域のみ行うことができる。ここでのマスクは、例えば、当該分野で使用されるレジスト組成物、絶縁膜等によって、フォトリソグラフィ及びエッチング工程を利用して、所望のパターン形状で形成することができる。
上述したプラズマ処理を行った後、窒化物半導体層2を酸素含有雰囲気中で熱処理する。
ここでの酸素含有雰囲気は、酸素の含有率が80%(容量基準で)以下の雰囲気であればよく、50%以下又は30%以下が好ましい。なかでも、10%以下がより好ましく、5%以下がさらに好ましく、0.01%~2.0%が特に好ましい。酸素の含有率を80%以下とすることで、窒化物半導体層2の表面に設けられた電極の酸化やマイグレーションを抑制することができる。酸素の含有率を0.01%以上とすることで窒化物半導体層2へ酸素を導入することができる。酸素の含有率を2.0%以下とすることで、窒化物半導体層2の表面に設けられた電極の酸化やマイグレーションをさらに抑制することができる。
熱処理は、例えば、600℃以下の雰囲気中で行うことが好ましく、500℃以下がより好ましく、350℃~500℃の範囲で行うことがさらに好ましい。
熱処理の時間は、酸素雰囲気における酸素の含有率、温度等によって適宜調整することができる。例えば、1分~60分間が好ましく、5分~30分間がより好ましい。
図1Cに示したように、窒化物半導体層2の表面のうち、プラズマ処理が行われた領域2a上の一部又は全部に保護膜3を形成する。
保護膜3としては、Zr、Si、V、Nb、Hf、Ta、Al、Ce、In、Sb、Zn等の酸化物、窒化物、酸窒化物等が挙げられる。保護膜と窒化物半導体層(例えばGaN)との屈折率差は大きい方が好ましい。このような材料としては、例えば、SiO2が挙げられる。膜厚は、例えば、100nm~1500nm程度が挙げられる。
図1Dに示したように、窒化物半導体層2の表面のうちプラズマ処理が行われていない領域2bであって、保護膜3が形成されていない領域の一部又は全部に電極4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、スズ、インジウム、クロム、アルミニウム、イリジウム、ロジ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。電極の膜厚は、例えば、10nm~1000nmであり、100nm~1000nmが好ましい。
また、窒化物半導体層の表面は、プラズマ処理後、プラズマ処理した後に酸素含有雰囲気中で熱処理した後、さらに、それらの後に保護膜を形成した後のいずれにおいても又はいずれかにおいて、ガリウムと酸素との結合及び/又はガリウムと窒素の結合を含む。
上述したように、プラズマ処理後、プラズマ処理した後に酸素含有雰囲気中で熱処理した後、さらに、それらの後に保護膜を形成した後の窒化物半導体層の表面は、プラズマ処理が行われていない窒化物半導体層の表面よりもガリウムと酸素とが結合された領域が多い。ここでの多さの程度は、例えば、プラズマ処理が行われていない窒化物半導体層の表面のガリウムと酸素とが結合された領域に対して、10%以上多いことが好ましく、15%以上多いことがより好ましい。
また、バイアス電極を印加しながらプラズマ処理を行った後、酸素含有雰囲気中で熱処理された窒化物半導体層の表面は、ガリウムと酸素とが結合された領域及びガリウムと窒素とが結合された領域のうち、ガリウムと酸素とが結合された領域の割合は70%以上であることが好ましく、75%以上であることがより好ましい。
この実施形態の半導体素子の製造方法は、はり合わせ基板を利用した半導体素子の製造に利用することができる。例えば、上述した図1A~1Dに示した工程の後、さらに、図2A~2Dに示したように、
支持基板11を準備し(図2A)、
窒化物半導体層2の表面の電極4及び保護膜3膜を支持基板11に貼り合わせ(図2A)、
基板1を除去して窒化物半導体層2の裏面を露出させ(図2B)、
窒化物半導体層2の裏面に下面電極12を形成し、この下面電極12の一部を露出する保護膜13を形成し(図2C)、
支持基板11を個片化して半導体素子を得る(図2D)ことを含む。
図2Aに示したように、支持基板11を準備する。
支持基板11としては、Si基板、CuW基板などが挙げられる。半導体素子を安価に製造するという観点から、支持基板11にはSi基板を用いることが好ましい。
支持基板11は、窒化物半導体層2に対面する一面に接合層11aを有するものが好ましい。接合層11aは、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、スズ、インジウム、クロム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム等の金属又は合金の単層膜又は積層膜によって形成することができる。支持基板11の厚みは、例えば、300μm~5mmが挙げられ、300μm~500μmが好ましい。
図2Aに示したように、窒化物半導体層2の表面の電極4及び保護膜3を支持基板11に貼り合わせる。つまり、支持基板11の接合層11aに、窒化物半導体層2の表面の電極4を対面させて、両者を接続することにより貼り合わせることができる。
ここでの貼り合わせの方法は、固相拡散接合、液相拡散接合、加熱圧接等を利用することができる。
図2Bに示したように、基板1の少なくとも一部を下方から除去して、窒化物半導体層2の裏面を露出させる。ここでは、窒化物半導体層2自体を薄膜化してもよい。支持基板11を貼り合わせているため、このような薄膜化をした後においても、窒化物半導体層2の強度を確保することができる。基板1の除去は、レーザリフトオフ、研磨、ドライエッチング、ウエットエッチング等を利用することが好ましい。なお、ここでの基板除去工程は、基板を完全に除去しなくてもよく、窒化物半導体層2に基板1を残すものであってもよい。
また、窒化物半導体層2を、任意の平面形状になるように、支持基板11上においてパターニングしてもよいし、その表面を、凹凸形状を有するように加工してもよい。凹凸形状の高低差としては、発光素子の光取り出し効率を向上させるために、0.2μm~3.0μmとすることが好ましく、0.4μm~1.5μmとすることがさらに好ましい。
窒化物半導体層2の裏面の露出又は基板1を薄膜化した後、図2Cに示したように、窒化物半導体層2の裏面に、下面電極12を形成することが好ましい。下面電極12は、上述した電極4と同じ材料及び/又は積層構造であってもよいし、異なる材料及び/又は積層構造であってもよい。下面電極12の膜厚は、用いる材料等により適宜設定することができる。下面電極12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、スズ、インジウム、クロム、アルミニウム、イリジウム、ロジ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。下面電極12は、例えば、窒化物半導体層の表面から、チタン、プラチナ、金がこの順に積層させた積層構造とすることができる。下面電極12の膜厚は、例えば、100nm~5μmが挙げられる。
基板1を完全に除去した場合は、窒化物半導体層2の支持基板11とは反対側の面に、下面電極12を形成することができる。下面電極12は、例えば、窒化物半導体層2の厚み方向において、電極4と重畳しない位置に設けることが好ましい。これにより、下面電極12からに供給される電流を窒化物半導体層の平面方向に拡散しやすくさせることができる。。
必要に応じて、支持基板11を任意の厚みに薄膜化してもよい。この支持基板11の薄膜化は、後工程での窒化物半導体層等の個片化を容易にすることができる。ただし、支持基板11を薄膜化しすぎるとハンドリング性が悪化するため、適度な強度を確保し得る程度に薄膜化することが好ましい。
窒化物半導体層2及びその裏面に形成した下面電極12の上に、保護膜13を形成することが好ましい。下面電極12の上に形成する保護膜13は、上述した窒化物半導体層2のうちプラズマ処理が行われた領域2aに形成する保護膜3と同様の材料によって形成することができる。保護膜13には、絶縁性を有する材料を用いることが好ましい。この場合、下面電極12の一部表面を電気的接続のために露出した状態で、保護膜13を形成することが好ましい。
なお、支持基板11の裏面(窒化物半導体層2とは反対側の面)に、必要に応じて、第3の電極14を形成してもよい。この第3の電極14は、電極4及び下面電極12と同様のあるいは異なる材料及び/又は積層構造であってもよい。第3の電極14には、スズを含む金スズや銀スズなどの合金層を用いることができる。
図2Dに示したように、支持基板11を個片化する。これによって、半導体素子を得ることができる。
個片化は、半導体素子がLEDの場合においても、X方向とX方向に直交するY方向とに沿った分割を行うことが好ましい。また、半導体素子がレーザ素子の場合、共振器端面の形成のための分割(X方向の分割)と、共振器端面に交差する方向(Y方向)における分割とを含む。この個片化においては、X方向及びY方向のいずれの分割を先に行ってもよい。
例えば、図2Dに示すようにレーザ光15を照射し、支持基板11の上面において個片化される位置に設けられた保護膜3、13、接合層11aなどを除去する。その後、保護膜3、13、接合層11aを除去した位置の支持基板11をダイシングブレードやレーザ光を用いて個片化する。このような工程をX方向及びY方向に行うことで支持基板を個片化する。なお、保護膜3、13、接合層11aを除去するときに、接合層11aを完全に除去しなくてもよい。
サファイアからなる基板1上に、青色光を発するLEDを構成し得る窒化物半導体2の積層構造を成膜した。窒化物半導体2の積層構造として、n側窒化物半導体層(例えば、不純物としてSiがドープされたGaN層を含む膜厚11μmの層)、発光層(例えば、GaN層及びInGaN層で形成された多重量子井戸構造による総膜厚140nmの層)及びp側窒化物半導体(例えば、不純物としてMgがドープされたGaN層を含む膜厚120nmの層)を基板上にこの順に形成した。その後、p型不純物の窒化物半導体層への拡散のための熱処理を、酸素含有雰囲気中、550℃で10分間行った。
その熱処理の後、p側窒化物半導体層の上に、所定の形状のp側電極を複数形成した。p側電極は、Ag、Ni、Ti、及びPtがこの順に積層された総膜厚670μmの積層構造によって形成した。
このようなLED構造が形成された基板を図3Fに示すように領域1~領域6の6つに個片化し、それぞれの領域のp側窒化物半導体層の表面に対して異なる条件による処理を行いシート抵抗及びコンタクト抵抗率をそれぞれ測定した。ここでのシート抵抗及びコンタクト抵抗率は、CTLM(Circular transmission line model)法に従って、KEITHLEY Model 2700 Multimeterを用いて測定した。
まず、個片化後の領域1~領域6の結果を図3Aに示す。
シート抵抗及びコンタクト抵抗率は、ウェハのいずれの領域においても、ほぼ一定の値を示した。
その後、領域1~領域3に、プラズマ処理を行った。プラズマ処理は、プラズマ処理装置(サムコ社製)を用いて、400Wの照射エネルギーで行った。その際、チャンバ内の圧力を8Pa、酸素ガス流量を100sccmに設定し、バイアス電力を、領域1において50W、領域2において200W、領域3において400W印加しながら、プラズマ処理を60秒間行った。
得られたp側窒化物半導体層(領域1~領域3)のシート抵抗及びコンタクト抵抗率をp側窒化物半導体層の上に形成したp側電極を利用して測定した。
その結果を図3Bに示す。
図3Bの結果から、シート抵抗は、バイアス電力が50Wと小さい場合には、プラズマ処理の実行によって変化しなかったが(領域1)、プラズマ処理時のバイアス電力の増加にともなって増大することが確認された。一方、コンタクト抵抗率は、バイアス電力が50Wと小さい場合には、プラズマ処理の実行によって変化しなかったが(領域1)、プラズマ処理時のバイアス電力を200W(領域2)、400W(領域3)と増加していくことにより低減することが確認された。
続いて、領域1~領域3のプラズマ処理されたp型窒化物半導体層を、酸素含有雰囲気中で熱処理した。ここでの熱処理は、0.02%程度の酸素を含有する雰囲気中、540℃に昇温されてから10分間行った。
その後、領域1~領域3における、p型窒化物半導体層のシート抵抗及びコンタクト抵抗率を測定した。
その結果を図3Cに示す。
図3Cの結果から、上述したバイアス電力が50Wと小さい場合には、熱処理の実行によってシート抵抗は変化しなかったが(領域1)、コンタクト抵抗率は低減した。また、領域2及び3のように、バイアス電力がある程度大きい場合には、熱処理の実行によって、シート抵抗及びコンタクト抵抗率とも、測定不可となるほど高抵抗化することが確認された。
電極形成後、領域4~領域6に、プラズマ処理を行うことなく、上述した条件と同様の条件で熱処理した。
その後、領域4~領域6における、p型窒化物半導体層のシート抵抗及びコンタクト抵抗率を測定した。
その結果を図3Dに示す。
図3Dの結果から、熱処理のみの実行によっては、シート抵抗は変化しなかったが、コンタクト抵抗率は若干低減することが確認された。
領域4と領域5に、上述した条件と同様の条件で熱処理した後、領域4に対して上述した領域2に対する条件で、領域5に対しては上述した領域3に対する条件でプラズマ処理を行った。
その後、領域4と領域5における、p型窒化物半導体層のシート抵抗及びコンタクト抵抗率を測定した。
その結果を図3Eに示す。
図3Eの結果から、熱処理の実行後にプラズマ処理を行うことにより、熱処理のみを行った領域6よりもシート抵抗は若干上昇したが、コンタクト抵抗率は、ほとんど変化は見られなかった。
これらの評価結果から、プラズマ処理を行った後、酸素雰囲気下での熱処理を行うことにより、窒化物半導体層の高抵抗化が顕著になることが確認された。
評価実験1における領域1のうちプラズマの処理時間を30秒とした条件1と、評価実験1における領域2のうちプラズマの処理時間を120秒とした条件2と、評価実験1における領域6と同様の条件で処理した条件3と、におけるp型窒化物半導体層の表面をそれぞれXPSを用いて測定した。XPSの分析条件を下記に示す。
・XPSの分析条件
使用装置:QuanteraII Scaning X-ray Micro Probe
X線源:単色化Al Kα線(hν 1486.6eV)
分析エリア:200μmφ
パスエネルギー:55eV
ガリウムの3dスペクトルを測定し、得られたスペクトルを、窒化ガリウムの3dスペクトルと、酸化ガリウムの3dスペクトルとにフィッテングした。
それぞれの条件において、得られたスペクトルの面積を100%とし、をフィッテングしたときの窒化ガリウムの面積と酸化ガリウムの面積との面積比を表1に示す。
2 窒化物半導体層
2a プラズマ処理が行われた領域
2b プラズマ処理を行われていない領域
3 保護膜
4 電極
5 マスク
11 支持基板
11a 接合層
12 下面電極
13 保護膜
14 第3の電極
15 レーザ光
PL プラズマ処理
Claims (6)
- 窒化物半導体層を準備し、
該窒化物半導体層の少なくとも一部表面に対して、200W以上400W以下のバイアス電力を印加しながら酸素含有雰囲気中でプラズマ処理を行い、
その後、前記窒化物半導体層を、5容量%以下の酸素含有雰囲気中にて、600℃以下の温度範囲で熱処理し、
前記窒化物半導体層の表面のうち前記プラズマ処理が行われた領域上に保護膜を形成し、
前記窒化物半導体層の表面のうち前記プラズマ処理が行われておらず、前記保護膜が形成されていない領域に電極を形成することを含む半導体素子の製造方法。 - 前記熱処理を、酸素の含有率が0.01容量%~2.0容量%の雰囲気中で行う請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記酸素含有雰囲気中で熱処理した後における前記窒化物半導体層の表面は、ガリウムと酸素とが結合された領域を含み、
前記プラズマ処理が行われた前記窒化物半導体層の表面は、前記プラズマ処理が行われていない前記窒化物半導体層の表面に比べてガリウムと酸素とが結合された領域が多い請求項1又は2に記載の半導体素子の製造方法。 - 前記熱処理を、350℃~500℃の範囲で行う請求項1~3のいずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。
- 前記酸素含有雰囲気中で熱処理した後における窒化物半導体層の表面は、ガリウムと酸素との結合された領域及びガリウムと窒素の結合された領域を含み、
前記プラズマ処理された窒化物半導体層の表面におけるガリウムと酸素とが結合された領域及びガリウムと窒素とが結合された領域のうち、ガリウムと酸素とが結合された領域の割合が70%以上である請求項1~4のいずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。 - 基板上に前記窒化物半導体層が形成されたウェハを準備し、
前記プラズマ処理を行わない前記窒化物半導体層の表面をマスクで被覆し、その後、前記プラズマ処理を行う請求項1~5のいずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。
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