TW560088B - Method of manufacturing III-group nitride compound semiconductor device, thermal processing method and III-group nitride compound semiconductor device - Google Patents

Description

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【發明詳細說明】 【技術領域】 Μ族鼠化物系化合物 第冚族氮化物系化合 本發明係關於第 藍色發光二極體等 極改良的較佳發明 【技術領域】 半導體元件。譬如 物半導體元件之電 件Ϊ藍意極體等第瓜族氮化物系化合物半導體天 譬如t型層上整:^

面中注入電产、±σ透光性電極，並橫渡P型層的廣範圍 上層積第2電透光性電極係在第1電極層(如㈤ 後，再於含有φ’而形成透光性電極形成層。然 理。料此中，依5〇0〜6〇0溫度進行熱處 «便可將透光性電極形成層與ρ型層予以合金化， 而一者之間確保歐姆接觸。另外，此時，第i電極層的 構成7L素分布將產生變化。 。、、二本舍明者的探討’在含有氧的氣體環境中，若於$ 〇 〇 C以上局溫下施行熱處理的話，p基座電極（pedestal e 1 e c t r 〇 d e )表面將產生變化，導致對導電性線之接合力可 靠性的降低。

再者’如同透光性電極，ρ基座電極雖亦層積複數電極 層而形成的（譬如：從下端起依序層積Cr、Au)，但是若在 含氧氣體環境中施行高溫熱處理的話，下端的金屬層將移 動於部分表面上，在此將發現到偏析的現象。此情況下， 除降低對導電性線的結合力之外，亦有可能在打線接合時

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C:\2D-CODE\91-08\91111950.ptd 第4頁 560088

560088 五、發明說明（3) 為 AlxGaYIn 卜 χ_γΝ(〇$Χ$1、0$γ‘1、0SX + Y$1)所示，包 括有 AIN、GaN 及 InN 之所謂二元系，AlxGapxN、Α1χΐηΐχΝ 及 G ax I rvx Ν (以上，〇 < X < 1)之所謂三元系。亦可將第瓜族元 素的至少其中一部份，以硼（B)、鉈（T 1)等取代。此外， 亦可將氮（N )之至少其中一部份以鱗（P)、石申（A s)、録 (Sb)、鉍（B i )等取代。第冚族氮化物系化合物半導體層亦

可含任意摻雜者。η型雜質可採用如S i、G e、S e、T e、C 等。P型雜質可採用如Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等。另，

在摻雜P型雜質之後，可對第瓜族氮化物系化合物半導體 施行電子束照射、電漿照射、或利用爐加熱曝曬，但是並 未一定必須施行。第瓜族氮化物系化合物半導體層的形成 方法並無特別的限制，除有機金屬氣相成長法（Mocvj)法） 之外，尚可利用週知的分子束結晶成長法（MBE法）、鹵化 物氣相成長法（HVPE法）、濺鍍法、離子鍍法、雷；μ u 等而形成。 又无$子族射法 其中，第m族氮化物系化合物半導體元件除可舉例如· 發光二極體，受光二極體、雷射二極體、太陽電池 ·一 件之外，尚有如整流器、閘流體、及電晶體等 _ 70

件；FET等單載子元件；以及微波元件等電子。此 ^ 等元件之中間體的層積體，亦可適用本發明。 ，遠 另外，發光元件的構造，可採用均質構造、單 造、或雙異質構造。此外，亦可採用量子井 ^貝冓 子井構造或多量子井構造）。 再Μ早1 (電極層之說明、

560088 五、發明說明（4) 離 的限制 P型層上所形成的電椏層，僅要 電勢高於第1電極層構 電極層構成元素的電 限制。當對電極層賦f /、餘並無特別 的金屬元素。 啤予透先性之時，最好採用以下說明 第1電極層構成元素最 本-主 冰 取野尾離電勢低於第2電極®描屮一 素的兀素，且第2電極層構述 二电棧屑構成兀 優於第1雷；1¾厗谣# - 士 素對半導體的歐姆性，較 體表面起朝深度方向的元素分/ ί _ΛΛ 素滲透更深的分布狀態。即，電極声 = 層形成時的分布狀態呈顛倒狀態。在曰電 ^曰/成後，上為所形成的第2電極層構成元素位於下 端，而了端所形成的第ln電極層構成元素則存在於上端。 最好第1電極層構成元素係鎳（Ni)、鈷（c〇)、鐵（Fe)、 銅（Cu)、鉻（Cr)、鈕（Ta)、釩（v)、猛（Mn)、銘（A1)、銀 (Ag)中之至少其中一種元素。第2電極層構成元素係鎘 (Pd)、金（Au)、銥（ir)、白金（pt)中之至少其中一種元 素。其膜厚為3· 5〜25nm。最佳的狀態為第}電極層構成元 素為Co ’第2電極層構成元素為au。此情況下，從半導體 表面起朝深度方向的元素分布將為c〇較^滲透入更深的分 布。 (P基座電極之說明） P基座電極的形成材料並無特別的限制，譬如從下端起 依序層積第1金屬層的Cr、第2金屬層的Au、第3金屬層的 A 1的構造。 C:\2D-OODE\91-O8\91111950.ptd 第7頁 560088 五、發明說明（5) 上气屬層係依可堅固的結合於其下層的方《，設定為 盥Alh低於Ϊ2金屬層的元素。第2金屬層的元素設定為 ;3 :思U間:之焊接性佳，且未與透光性電極反應的元素° 第3金屬層最好為可堅固結合於保護膜的元素。 最好第1金屬層的構成元素為鎳⑻）、鐵（Fe)、銅 |、也士鉻（^)鈕（Ta)、釩（V)、錳（Μη)、鈷（Co)中之至 y ?中一種元素，且其膜厚為1〜3 00nm。 最好第3金屬層為鋁（A1)、鎳（Ni)、鈦（Ti)中之至少其 中了種元素，且其膜厚為1〜3〇nm。 、 最好第2金屬層為金（Au)，且其膜厚為〇·3〜。 P輔助電極可由p基座電極之相同材料且相同方法形成。 月况下，p輔助電極與p基座電極形成相同厚度。 P輔助電極與P基座電極可個別形成。此情況下，p輔助 電極的材質與厚度，可不同於P基座電極者。 P基座電極僅要具有供可利用週知方法焊接於導電性線 足夠面積的話便彳’其形狀並無特別的限制。為在 形狀4確5忍位置，P基座電極最好採用不同於n基座電極的 办因為P基座電極將阻斷光’因此最好將其寬度設為較狭 二。P基座電極的寬度最好為1〜40/zm。尤以2〜3〇“m為 〜’更以3〜25 _為佳，更以3〜20心為更佳，特別以5 1 5 // m為特佳。 最好在p基座電極及/或p輔助電極的周圍 增加與透光性電極間的接觸面積。 ’ C:\2D.OODE\9J-O8\93 3jj950 r 第S頁 560088 五、發明說明（6 ) p基座電極的外圍面最好呈傾斜狀態。藉由將基座電極 的外圍面設定為錐狀’便可將形成於基座電極與透光性電 極之表面上的保護膜（Si〇2膜等）’在該推拔狀部處亦大致 如所設計的膜厚。 (第1熱處理步驟之說明） 弟1熱處理步驟传a奋所& 、η 、Ρη η兄敢好铋用下述氣體。即含氧氣體可 :=二？V，、Ν〇、n2Q、nq2、或Μ 中至少其中一 NO 5 /〇⑽扣σ:體。此外，亦可採用〇2、〇3、C0、C02、 NO、N20、N02 、或H 0 中？小 3 2 合氣體，或是〇2、0 、C0 ^ 一種，與非活性氣體的混 人氣舻和不活Η々^ C〇2、NO、N2〇、N〇2還有H2〇的混 5子Γ且氧眉子：：的混合氣體。所謂的含氧氣體係指氧 J:，、乳子之分子的氣體。其中，最好為氧化性氣體

熱處理時的氣體Ρ网+ A 鎵係化合物半導體未G解在熱處理溫度中’氮化 體係當僅採用〇2之产7斤，描力以上的話便可。含氧氣 分解壓以上的壓力要依氮化鎵系化合物半導體 性氣體之狀態時，僅將k 而當採用混合其他非活 半導體之分解壓以卜 2 u軋體設定在氮化鎵系化合物 程度以上之比率的話便i夠：C氣體1全部氣體㈣6 極微量的話便足夠。 3 5之，έ氧氣體僅要存在 從電極合金化的特性觀點，1ΐ: :S量^值，就 至可製造的範圍内者均可使用：特別的限制。要吕之，截

C:\2D-00DE\91-08\91111950.ptd $ 9頁 560088 五、發明說明（7) 熱處理溫度最好低於440 t。若熱處理溫度在4 的話，便有可能產生上述課題的虞慮。再者， j上 溫度低於420 t：，尤以低於400 °C為佳。 …、處理 熱處理時間係雖僅要在第〗電極層與第2金屬声 時間不致產生遷移現象的話便可，其餘並並“ ^理 但是最好為5分鐘〜1 0 00分鐘。尤以1〇分鐘〜5〇〇 ， 佳，更以30分鐘〜3〇〇分鐘為更佳。 刀，，里為 熱處理步驟之謭日q、 第2熱處理步驟係在實質未含氧的氣體環境中進 :非ί採用？1熱處理步驟中所採用的含氧氣體，且最好 又_乳化性氣體環境或還原性氣體環境施行熱處理。 =言’最好錢、He、Ar等非活性氣體、或&等還原性體 體、或S亥等混合氣體中，施行熱處理。 〃 熱處理溫度係設定為高於第丨熱處理步驟時的熱處理1 度二，此便可在電極層與p型層之間獲得歐姆接觸。若= 略^溫之熱處理的話，在：者間便無法獲得歐姆接觸 Μ^ ，參照比較例3)。所以，在第2熱處理步驟中所要求 的! ί Γ二ΐ ^呆電極層與ρ型層間之歐姆接觸上所需 勺足夠加熱/JDL度與加熱時間。 熱處理溫度最好設定為44〇 t以上，尤以48〇以上 佳，更以5 2 0 °c以上為更佳。 两 ^處理時間係最好為〇.1分鐘〜180分鐘。尤以0.3分鐘 〇分鐘為佳’更以〇.5分鐘〜30分鐘為更佳。 第2熱處理步驟中的氣體環境壓力，係僅要在該熱處理 第10頁 C:\2D-CODE\9l-08\91111950.ptd 560088 五、發明說明（8) 溫度中，第DI族氮化物系化合物半 壓力以上的話便可。 V肢不會產生熱分解之 第1熱處理步驟與第2熱處理步驟 制。 乂驟的執行順序並無特別阳 徐緩上升熱處理、⑻ 之後便停止含氧ΐ

°C 亦可在供應含氧氣體的氣體環境中 度（執行第1熱處理步驟），在到達44〇 體的供應，然後執行第2熱處理步驟 <實施例> 其次，針對本發明之實施例進行說明 首先，層積如圖1所示構造的半導體層 -曰 ρ型層5 含發光之層的層4 η型層3 緩衝層2 基板1 Ρ~~GaΝ ： Mg 含InGaN層之層 n-GaN ·· Si AIN :藍寶石 所ΐίΐ i:::層2形成由經摻雜過n型雜扣咖 基板1雖採用藍寶石，但是並不 僅限=此，尚可採用藍寶石、尖晶石、石夕、碳化石夕、氧化 辞、以化鎵、石申化鎵、氧化鎮、氧化猛、第m族氣化物系 化合物半導體單結晶等。此外，緩衝層雖採用ain並依 M0CVD法形成，但是並不僅限於此。材料可採用如：、 11^416』、111〇』、及八111^以等。製法則可採用如：分 子束結晶成長法（Μ B E法）、ii化物氣相成長法（η v ρ E法）、

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560088 五、發明說明（9) 濺鍍法、離子鍍法、電子簇射法等方法。當將GaN採用為 基板的情況時，便可省略該緩衝層。 再者，基板與緩衝層係在半導體元件形成之後，配合需 要可予以去除。 於此，以GaN形成n型層，但亦可使用A1GaN、In(JaN或是 A1InGaN 。 其中，η型層雖摻雜n型雜質的^ ，除此之外，n型雜質 尚可採用Ge、Se、Te、C等。 '型層3係可由含發光之層的層4端之低電子濃度『層， 與緩衝層2端之高電子濃度n+層所構成的二層構造。 含發光之層的層4亦可含有量子井構造的發光層。此 外，發光7C件的構造，可採用單異質型、雙異質型及同質 接面型等。 、 含發光之層的層4係可含有在p型層5端，經摻雜鎂等受 體之能帶隙較寬的第皿族氮化物系化合物半導體層。此乃 可有效的防止經植入於含發光之層的層4中的電子，擴散 於p型層5中的緣故所致。 在含發光之層的層4上形成由經摻雜過p型雜質之社的 GaN所構成的p型層5。型層可為A1(JaN、或 InAlGaN。此外，p型雜質可採用Zn、Be、“、^、“。 再者，P型層5可為含發光之層的層4端之低電洞濃度p_ 層與電極端之高電洞濃度p+層所構成的雙層構造。 在上述構造之發光二極體中，各第瓜族氮化物系化合物 半導體層，雖依照一般條件執rM〇cvd而形成的，但是除

560088 五、發明說明（ίο) 此之外，尚可利用分子束結晶成長法（MBE法）、鹵化物氣 相成長法（HVPE法）、濺鍍法、離子鍍法、電子簇射法等方 法形成。 然後，形成罩幕，並利用反應性離子蝕刻處理，而去除 p型層5、含發光之層的層4 型層3的其中一部份，俾裸 露出應形成η電極9的n電極形成面丨j。 其次，蒼照圖2所示，針對透光性電極形成層60與ρ基座 電極形成層7 0之形成方法進行說明。 首先，晶圓整面上，利用蒸鍍裝置依序層積第i金屬層 的Co層（1 · 5nm)61、第2金屬層的Au層（6〇nm)62。然後，曰 勻的塗布光阻，並利用微影處理，將n電極形成面u與二 其周圍起約1 0 A m寬度的部分（淨空區域）的光阻予以去 除，然後經由蝕刻處理去除此部份的透光性電極形成 61，62’而裸露出p型層5。之後，再去除光阻。 广 其次，利用去除光阻（Li ft-off)法，依序蒸鍍^層 (30nni)71、Au 層（1·5//πι)72、及 A1 層（l〇nm)73，而形成

基座電極形成層70。 P 另外，依序層積鎘與鋁，並同樣的利用去除光阻 (Lift-off)法形成n電極形成層。 將如上述所獲得的試料，依照下述條件施行熱處理 560088 五、發明說明（π) 表1 靡步驟1 M理步雜2 M理步驟3 涵酿 纖出 W/B性 外觀 ΓΟ 時間 (分） 添加 tit 載氣 ΓΟ 時間 (分） 添加 m 載氣 ΓΟ 時間 (分） 添加 lit 載氣 實施例1 380 60 〇m m2 500 10 n2 低 100 〇 〇 _2 m 60 〇m n2 500 10 m%) N2 m 60 〇m n2 低 1⑴ 〇 〇 _3 500 10 380 60 〇i\%) n2 低 100 〇 〇 ttm 500 10 W/〇) n2 m 60 〇m n2 低 100 〇 〇 侧5 500 10 嘱 N2 m 60 _) n2 低 100 〇 〇 fife例6 380 60 〇m n2 440 120 n2 低 100 〇 〇 _7 550 3 n2 380 60 〇m n2 低 100 〇 〇 550 3 m%) n2 380 60 _ n2 低 100 〇 〇 棚1 550 3 _) n2 低 100 Δ Δ 峨例2 550 3 n2 高 100 〇 〇 _列3 m 60 〇m n2 380 120 n2 高 100 〇 〇 第14頁 C:\2D-OODE\91-O8\91111950.ptd %0088 五、發明說明（12) 較低^的孰處"理理步驟（在含氧的氣體環境中，進行 ^處理）係利用斜體字描述。 壓為基準中接觸阻抗的高低係以2〇mA通電時的元件電 光輪出在實施例與比較例中 W / B •W ( i-r k'b T …、戶斤差^ 異 外觀传二ίί性)係以谭點強度為基準進行評估。 均質觀？基座，極表面。當表面㈣^ 記為「△」。 … 」 田觀察到c r偏析的情況時便 由表1中得知，葬由胳a每片斤 比較低溫施行献處0理的第1二二的含氧的氣體環境中，依 氧的氣體處理步驟，與在實質的未含 行埶處理的ίΐ二原性氣體環境)中，依比較高溫施 …涎埋的第2熱處理步驟， 如同比較例1 (習知方法）相員序的施行，除可維持 升打線接合特性與外觀性/ -、接觸阻抗，此外尚可提 高Γ參V二广;)省略第1熱處理步驟的話，接觸阻抗將變 經施行第1熱處理步驟者，共念^ &

的；處理)的"知接觸阻抗仍將5=:=(高 本發明雖參照詳細說明或特 > 问（乡…、比較例3 不脫離本發明之精神與申請專利二=形態進行說明，，f 更種變更與修正…=提下，均可; 本案係根據200 1年6月4曰所申枝AA °〜、。 願平200 1 - 1 6 78 3 5號）者，其内六二A日本專利申請案（ ’、 办在參照上亦涵蓋於其t

Claims (1)

1. i號 9ΐιη_

   替換本 六、申請專利範圍 I 一種第HI族氮化物 係包含有·· *、合物半導體元件之製造方法， 在由第ΠΓ族氮化物系八 層積第1金屬而形成第i ^物半導體所構成的P型層上， 上，層積具有電離電勢言極層，然後在上述第1電極層 成第2電極層的電極形° ;上述第1金屬的第2金屬，而形 在實質含右气ΛΛ # ^ .驟； 、3有氣的氣體 第1熱處理步驟；以及 兄中，依第1溫度施行熱處理的 在貝負未含有氧的氣體 第2,度施行熱處理的第2熱=步=於上述第1溫度的 體項之第m族氮化物系化合物半導 施行上述^方處法理λ中在上述第1熱處理步驟之後，再 3 一·如申請專利範圍第1項之第m族氮化物系化合物半導 件之製造方法，其中在上述第2熱處理步驟之後，再 施行上述第1熱處理步驟。 4」如申請專利範圍第1項之第瓜族氮化物系化合物半導 體疋件之製造方法，其中上述第1溫度係低於44〇 〇c。 5.如申請專利範圍第丨項之第皿族氮化物系化合物半導 體元件之製造方法，其中上述第2熱處理步驟係在非氧化 性氣體環境或還原性氣體環境中進行。 6 ·如申請專利範圍第1項之第m族氮化物系化合物半導 體元件之製造方法，其中上述第2溫度係4 4 0 °C以上。 7 ·如申請專利範圍第1項之第皿族氮化物系化合物半導

   C:\ 總檔\91\91111950\91111950(替換）-1.“ 第18頁 560088 案號91111950_仏年9 六、申請專利範圍 體元件之製造方法，其中上述電極形成步驟係更 成P基座電極的步驟。 3有升y 8如申請專利範圍第丨項之第瓜族氮化物系化合 件之製造方法，其中上述第1金屬係鈷，上述第2金屬 9. 一種熱處理方法，係透光性電極形成層的熱 法，而該透光性電極形成層係具備有： 由第m族氮化物系化合物半導體所構成的p型声. 含有：形成於該p型層上，且含有第i金屬之g 以及形成於該们金屬層上，且具有電離電勢高於金屬層’ 金屬，並含有第2金屬之第2金屬層； 、述第1 其中，包含有： 在實質含有氧的氣體環境中，依第丨 第1熱處理步驟；以及 没她订熱處理的 在實質未含有氧的氣體環境中，依高於 第2溫度施行熱處理的第2熱處理步驟。 第1度的 10. 如申請專利範圍第9項之熱處理方法 1熱處理步驟之後’再施行上述第2熱處理步驟。“第 2:處；rim第9項之熱處理方法，其中在上述第 :〇 : 再施行上述第1熱處理步驟。 1 2 ·如申請專利範圍黛q s 溫度係低於權。C第9項之熱處理方法，其中上述第1 1 3 ·如申請專利範圍第q 熱處理步驟係在非氧化性$ # ^方法’其中上述第2 随乳體％ i兄或還原性氣體環境中進 第19頁 (：:\總檔\91\91111950\91111950(替換）-1.1)1(： 560088 A號 91111Qqn 六、申請專利範圍 行。 其申上述電極 1 4 ·如申清專利範圍 形成步驟係更包含有其…、終理方法 其中上述第1 15.如申請專利/圍二極的步驟 金屬係⑽。），上述第熱處理方法， 1β 仏咕 上述第2金屬係金（Au)。 m二一二 氮化物系化合物半導體元件，伟在由第 ΠΓ族鼠化物系化合物丰導 什係在由第 第1金屬之第ml v 構成的p型層上，層積含有 :1.金屬之第1電極層，然後在上述第1電極声上，居籍： 有電離電勢尚於上述第1金屬 目 a 形成透光性電極形成Ϊ金:、Λ』；第2電極層，而 種熱處理步驟施行2理電極形成層藉由下述二 物半導體發處理而所獲得的第Ε族氮化物系化合 其中，該二步驟係： …在/南質含有氧的氣體環境中，依第1溫度施行熱處理的 第1熱處理步驟；以及 在貝負未含有氧的氣體環境中，依高於上述第丨溫度的 第2溫度施行熱處理的第2熱處理步驟。 1 7·如申請專利範圍第丨6項之第皿族氮化物系化合物半 導體元件，其中在上述第丨熱處理步驟之後，再施行上述 第2熱處理步驟。 18.如申請專利範圍第16項之第m族氮化物系化合物半 導體元件’其中在上述第2熱處理步驟之後，再施行上述 第1熱處理步驟。 1 9·如申請專利範圍第1 6項之第m族氮化物系化合物半

   (：:\總檔\91\91111950\91111950(替換）-1.1)1(： 第20頁 560088

   申請專利範圍 導70件’其中上述第1溫度係低於440 °C。 導體元V，請Λ利範圍第16項之第111族氮化物系化合物半 境或還片/1上述第2熱處理步驟係在非氧化性氣體環 兄及逖原性氣體環境中進行。 ^ 導2丄如申請專利範圍第16項之第皿族氮化物系化合物半 電極驟其中上述電極形成步驟係更包含有形成ρ基座 氮化物系化合物半 ’上述第2金屬係金

   2 2 ·如申請專利範圍第16項之第m族 導體元件，其中上述第1金屬係鈷（c〇) (Au) 〇

   (：:\總檔\91\91111950\91111950(替換）-1.口^ 第21頁