JP2005064015A - Method for manufacturing semiconductor device and light emitting diode element - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device and light emitting diode element Download PDF

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semiconductor
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oxide film
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Nobuyuki Watanabe
信幸 渡邊
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor device wherein damage to a substrate is reduced and substrate deterioration can be reduced when a film is formed physically in an atmosphere where ions are present like a sputtering method, and to provide a light emitting diode element of high reliability which is manufactured by the method for manufacturing. <P>SOLUTION: The method for manufacturing a semiconductor device is provided which includes a process (A) for forming an insulating amorphous natural oxide film which contains constitution element of the surface of a semiconductor lamination film on the surface of the semiconductor lamination film laminated on the semiconductor substrate; and a process (B) for forming a metal film turning to a surface electrode, by a physical film formation method under an atmosphere where ions are present, on the amorphous natural oxide film. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法及びこの製造方法によって製造された発光ダイオードに関するものであり、特に、発光素子表面に絶縁性の非晶質自然酸化膜を形成し、その製造プロセスにおいて素子に与えるダメージ及びそれに伴う劣化を低減して信頼性を向上させた発光ダイオードに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の化合物半導体材料から成る発光ダイオード素子は、例えば、p型GaAs基板上に、p型GaAlAsクラッド層、GaAlAs活性層、n型GaAlAsクラッド層を積層した多層構造をしており、p型GaAs基板とn型GaAlAsクラッド層のそれぞれに電極が形成されている(例えば、特許文献1参照)。この電極を形成する方法としては蒸着法、スパッタ法が利用される。特に、スパッタ法は比較的低温で材料の密着性がよく、さらに高融点材料や反応性ガスにより化合物系の材料を堆積させることができるという優れた利点を有することから広く利用されている手法である。
【0003】
最も基本的なスパッタ装置(図5参照)は、2極直流電圧グロー放電型であり、電極を形成するに際しては、アルゴンガスなどの不活性ガス(10−2Torr程度)の雰囲気中で、材料(ターゲット)と膜を形成する基板間に電圧をかけ、イオン化したアルゴンイオンをターゲットに衝突させてターゲットを構成する原子(又は分子)を基板方向へと叩き出し基板へ付着させる。最近では、グロー放電型以外にマグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタなど装置的な改良が進み数々のスパッタ法が存在する。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−298341号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、スパッタ装置はターゲットと半導体基板との間にプラズマを発生させるため、そのプラズマにより基板表面がダメージを受けたり、基板温度が上昇するという問題が起こる。
こうした問題を解決するために装置的な改良が進み、ターゲット近傍に磁石を設置して、磁界をかけてターゲット近傍に電子やイオンを閉じ込めるマグネトロンスパッタ法が開発されたが、磁力線が消失する領域があることから、基板へのダメージを完全に無くすことはできなかった。さらに、改良型としてイオンビームスパッタのような方法があるが、基板への粒子の突入は回避できるが、装置の構造が複雑になり高価となる、ターゲット原子(又は分子)の基板への堆積速度が遅い、大面積の基板に対しての処理が困難などの問題があった。
【0006】
本発明の主な目的の一つは、スパッタ法のようなイオンが存在する雰囲気下で物理的に成膜する場合に、基板へのダメージを軽減し、基板劣化を低減できる半導体装置の製造方法を提供すること、及びこの製造方法によって製造された信頼性の高い発光ダイオード素子を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
かくして、本発明によれば、半導体基板上に積層された半導体積層膜の表面に、この半導体積層膜の表面の構成元素を含む絶縁性の非晶質自然酸化膜を形成する工程(A)と、
前記非晶質自然酸化膜上に、イオンが存在する雰囲気下で物理的成膜方法により表面電極となる金属膜を形成する工程(B)とを含む半導体装置の製造方法が提供される。
ここで、本発明において、イオンが存在する雰囲気下で行う物理的成膜方法とは、不活性ガスのイオンが存在する雰囲気下でプラズマを発生させて材料原子(又は材料分子)を半導体基板に衝突させて成膜する方法を意味し、例えばスパッタ法、イオンプレーティング法などが挙げられ、本発明では特にスパッタ法が適用される。
【0008】
つまり、本発明は上記問題を解決するために、スパッタ装置のような成膜装置を改良するのではなく、半導体基板の半導体積層膜の表面に絶縁性の非晶質自然酸化膜を形成する。半導体基板の表面に形成した非晶質自然酸化膜により、例えばスパッタ時に電離した電子が非晶質自然酸化膜の表面に滞留し、チャージアップ(帯電)現象を起こす。非晶質自然酸化膜の表面がチャージアップしているとスパッタ中の熱電子が半導体積層膜に突入し難くなり、半導体基板の温度上昇を抑制すると共に、電子衝撃による半導体積層膜のダメージを低減することが可能となる。また、イオンや電荷をもたない電気的中性の原子に対しても、非晶質自然酸化膜が直接半導体積層膜に突入するのを防ぐため、原子の電荷の有無によらず有効に基板を保護することができる。このような効果は、自然酸化膜が非晶質であることにより得られるものであり、結晶性の場合には素子表面から結晶内部への酸化、転位、欠陥(ダメージ)が結晶内部へ進行する問題がある。
【0009】
ここで、本発明の製造方法によって製造される半導体装置としては、その製造工程中にスパッタ法のようなイオンが存在する雰囲気下で物理的な成膜が行われて製造される各種半導体装置であって、特に限定されるものではなく、例えば発光ダイオード素子、受光素子、IC等の半導体装置が挙げられる。
【0010】
本発明において、半導体基板としては、シリコン(Si)のような元素半導体、あるいはガリウム砒素(GaAs)、InP、ZnTe、AlGaInP、AlGaAsPなどの化合物半導体であってもよく、目的とする半導体装置を構成する所望の半導体基板を用いることができる。
【0011】
本発明において、半導体基板上の半導体積層膜としては、1層あるいは2層以上から構成されてもよいが、例えば、ガリウム砒素系の半導体基板を用いた場合には、非晶質自然酸化膜と接する半導体積層膜の少なくとも表面側(表面層)の構成元素(結晶成分)としては、アルミニウムを含むことが好ましい。
この場合、アルミニウムを結晶成分として含む半導体積層膜の表面を、例えばアンモニア、過酸化水素、純水の混合溶液で処理することにより、半導体積層膜の表面を酸化した薄い絶縁性の非晶質自然酸化膜(絶縁性酸化保護膜)を得ることができる。ただし、半導体積層膜のアルミニウム混晶比によって得られる非晶質自然酸化膜の厚みが変化するため、半導体装置の製造プロセスにおける半導体積層膜へのダメージを軽減する目的の非晶質自然酸化膜を得るためには、半導体積層膜の表面側の構成元素は、アルミニウムの元素組成比が0.5以上であることが望ましく、より望ましくは0.5以上0.7以下である。さらに、半導体基板を加熱することにより半導体積層膜と金属膜(電極材料)を非晶質自然酸化膜を介して合金化させて導電性を確保することを考慮すると、非晶質自然酸化膜の膜厚は100nm以下であることが望ましく、より望ましくは20以上50nm以下である。このように溶液により非晶質自然酸化膜の形成を行うため、高価な装置は不要であり、半導体装置の製造の低コスト化及び簡略化を図ることができる。
なお、半導体積層膜の前記アルミニウムの元素組成比が0.5未満であると、半導体積層膜へのダメージを十分に軽減できるだけの膜厚を有する非晶質自然酸化膜を形成することができず、一方0.7を越えると、非晶質自然酸化膜の膜厚が厚く形成され易くなり、半導体積層膜と金属膜(電極材料)を合金化し難くなって十分な導電性が確保できなくなる。また、非晶質自然酸化膜の前記膜厚が20nm未満であると、非晶質自然酸化膜によって半導体積層膜への上記ダメージを十分に軽減することができず、一方100nmを越えると半導体積層膜と金属膜を合金化し難くなって十分な導電性が確保できなくなる。
【0012】
本発明において、非晶質自然酸化膜上に金属膜を形成する前記工程(B)の後に、半導体基板を熱処理することにより、上述のように非晶質自然酸化膜を介して半導体積層膜表面と金属膜を合金化させる工程(C)を含むものとしてもよい。この工程(C)により、電極となる金属膜と半導体積層膜との間の導電性が確保される。
【0013】
さらに、工程(B)の後に、非晶質自然酸化膜を残して金属膜のみを任意の形状にパターンニングする工程(D)を含むものとしてもよい。この場合、工程(D)は、工程(B)と工程(C)の間、あるいは工程(C)の後のどちらであってもよい。この工程(D)では、金属膜をパターニングして電極を形成するに際して、あえて非晶質自然酸化膜を残すことによって、その後チップ化された際に非晶質自然酸化膜によって半導体装置の表面を外部から保護し、より信頼性を高めることができる。
【0014】
本発明は、別の観点によれば、上述の半導体装置の製造方法によって製造された発光ダイオード素子を提供することができる。
具体的には、半導体基板が、p型GaAs基板であり、
半導体積層膜は、前記p型GaAs基板上にp型GaAlAsクラッド層、GaAlAs活性層、n型GaAlAsクラッド層、p型GaAlAsウインドウ層が順に積層されてなり、
前記p型GaAlAsウインドウ層上に非晶質自然酸化膜を介して表面電極が形成され、かつp型GaAs基板の裏面に裏面電極が形成された構成の信頼性が向上した赤色発光ダイオード素子を提供することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。なお、本発明は実施の形態に限定されるものではない。
【0016】
図1は本発明に係る実施の形態の発光ダイオード素子を示す斜視図であり、図2は同実施の形態の発光ダイオード素子の概略断面図であり、図3(a)〜(f)は同実施の形態の発光ダイオード素子の製造工程の概略説明図であり、図4は同実施の形態の発光ダイオード素子における半導体積層膜のアルミニウム混晶比と非晶質自然酸化膜の膜厚との関係を示すグラフ図であり、図5は同実施の形態の発光ダイオード素子の製造における金属膜を形成する工程を示す概略説明図であり、図6は同実施の形態の発光ダイオード素子の製造における半導体膜層と金属膜を合金化させる工程を示す要部断面図である。
【0017】
図1と図2に示すように、本発明の発光ダイオード素子1は、半導体基板としての厚み150μmのp型GaAs基板10と、このp型GaAs基板10上にp型GaAlAsクラッド層11、GaAlAs活性層12、n型GaAlAsクラッド層13、p型GaAlAsウインドウ層14が順に積層されてなる半導体積層膜15と、この半導体積層膜15上に形成された非晶質自然酸化膜16と、この非晶質自然酸化膜16上に形成された表面電極であるn型電極17と、p型GaAs基板10の裏面に形成された裏面電極であるp型電極18とから構成された赤色発光ダイオードである。
【0018】
さらに詳しく説明すると、半導体積層膜15の各半導体層は、Ga1−XAlAsで表される結晶成分で構成されており、p型Ga0.4Al0.6Asクラッド層11、Ga0.8Al0.2As活性層12、n型Ga0.6Al0.4Asクラッド層13、p型Ga0.4Al0.6Asウインドウ層14がそれぞれ20μm、1μm、10μm、20μmの膜厚で形成されている。また、p型ドーパントとしてはマグネシウム、n型ドーパントとしてはテルルが用いられている。
【0019】
次に、この発光ダイオード素子1の製造方法について説明する。
先ず、図3(a)で示したp型GaAs基板10上に、図3(b)で示すようにp型GaAlAsクラッド層11、GaAlAs活性層12、n型GaAlAsクラッド層13、p型GaAlAsウインドウ層14を液層エピタキシャル成長法により順次結晶成長させて、半導体積層膜15を形成する。ここで、各GaAlAsエピタキシャル層のアルミニウム混晶比(Ga1−XAlAs:混晶比X)は0.6、0.2、0.4、0.6に設定され、それぞれの膜厚は20μm、1μm、10μm、20μmに設定され、p型ドーパントとしてはマグネシウム、n型ドーパントとしてテルルを用いる。
【0020】
続いて、上記工程で得られたエピタキシャルウェハのp型GaAs基板10の一部あるいは全部を、例えばリン酸、過酸化水素、水からなるエッチャントを用いて20分程度ウエットエッチングを行って除去し、所定厚み(この場合150μm)となるよう加工する。
【0021】
次いで、所定厚みに加工したエピタキシャルウェハを、アンモニア水、過酸化水素水、純水の混合液に浸漬し、エピタキシャルウェハ表面、すなわち半導体積層膜15の表面層であるp型GaAlAsウインドウ層14の表面に絶縁性酸化保護膜である非晶質自然酸化膜(GaAlAs酸化膜)16を所定の膜厚Tで形成する(図3(b)参照)。
【0022】
ここで、図4に示すように、形成される非晶質自然酸化膜16の膜厚Tは、アンモニア水と過酸化水素水と純水の混合比と、アルミ混晶比Xとに関係しており、例えばアンモニア水、過酸化水素水、純水混合比を1:1:4とし、かつアルミ混晶比Xを0.6としたときの膜厚Tは約100nmであり、アンモニア水、過酸化水素水、純水混合比を1:1:10とし、かつアルミ混晶比Xを0.6としたときの膜厚Tは約50nmである。つまり、アルミ混晶比Xを一定とした場合、純水の比率を上げると膜厚Tが薄くなる。さらには、ウエハを混合液に浸漬する時間(処理時間)にも膜厚Tは関係しており、処理時間が短い程膜厚Tは薄くなる。
本実施の形態では、アンモニア水、過酸化水素水、純水混合比を1:1:10とし、処理時間は50秒間とした。これによって得られた非晶質自然酸化膜16の膜厚Tは50nmである。なお、非晶質自然酸化膜を形成する処理条件はこれに限定されるものではなく、上述のように非晶質自然酸化膜16の膜厚Tはアルミ混晶比X、溶液組成、処理時間など複数の要素により変化するので、最終的に非晶質自然酸化膜16の膜厚Tが100nm以下、好ましくは20以上50nm以下となるように処理すればよい。
【0023】
次に、非晶質自然酸化膜16が形成されたエピタキシャルウェハを、400℃の窒素雰囲気中で10分間加熱処理する。これによって、非晶質自然酸化膜16が強固なものとなる。
【0024】
次に、図3(c)に示すように、スパッタ法によってエピタキシャルウェハの非晶質自然酸化膜16の表面に、電極となる金属膜117を膜厚400nmで薄膜形成する。このとき、電極材料として、膜厚100nmのAuSi合金層117a、膜厚300nmのAu層117bを順に堆積させて金属膜117を形成する(図6参照)。
【0025】
このスパッタ法による金属膜117の形成に際しては、図5に示すような2極直流電圧グロー放電型のスパッタ装置SにエピタキシャルウェハWを設置し、アルゴンガスなどの不活性ガス(10−2Torr程度)の雰囲気中で、ターゲット(電極の材料)20とエピタキシャルウェハWの間に電圧をかけてプラズマ23を発生させ、イオン化したアルゴンイオン21をターゲットに衝突させてターゲット20を構成する原子(又は分子)22をウエハ方向へと叩き出してウエハW表面へ付着させる。なお、図5において、24はプラズマ中の電子、25はγ電子、26は直流電源を表している。
このスパッタ時においては、電離した電子が非晶質自然酸化膜16の表面に滞留し、チャージアップ(帯電)現象を起こす。非晶質自然酸化膜16の表面がチャージアップしているとスパッタ中の熱電子が半導体積層膜15に突入し難くなり、p型GaAs基板10の温度上昇を抑制すると共に、電子衝撃によるエピタキシャル成長した結晶(半導体積層膜15)のダメージを低減する。また、イオンや電荷をもたない電気的中性の原子に対しても、非晶質自然酸化膜16が直接半導体積層膜15に突入するのを防ぐため、原子の電荷の有無によらず有効に基板を保護する。
【0026】
続いて、図3(d)に示すように、p型GaAs基板10の裏面側にもスパッタ法によりAuZn合金からなる金属膜(p型電極)18を形成する。その後、金属膜117の表面に、電極形状のパターン開口部を有する感光性レジスト膜をフォトグラフィー法により形成し、ヨウ素、ヨウ化アンモニウムからなるエッチャントを用いて30〜60秒ウエットエッチングを行ってパターン開口部に露出する部分の金属膜117を除去してパターニングを行い、その後レジスト膜を除去して、複数のn型電極17を形成する。なお、エッチングにて非晶質自然酸化膜16も除去してもよいが、その後の工程時やチップ化後の取扱い時に素子表面を保護して信頼性をさらに向上させる目的で残しておくのが好ましい。
【0027】
次に、図3(e)に示すように、表離両面にn型電極17、p型電極18を形成したウエハを、400〜500℃で15分間加熱処理する。これによって、図6(図3(e)の点線円内部分)に示すように、非晶質自然酸化膜16を介して半導体積層膜15の表面のp型GaAlAsウインドウ層14とn型電極17のAuSi層117aを合金化し、半導体積層膜15とn型電極17との間の導電性が確保される。
【0028】
次に、上記工程で得られたウエハを、図3(f)に示すように、ダイシングなどの公知の方法によってチップ単位に分割し、発光ダイオード素子1とする。
【0029】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体装置となるエピタキシャルウェハ表面に絶縁性の非晶質自然酸化膜(絶縁性酸化保護膜)を形成し、その上に電極材料をスパッタなどの物理的成膜方法により形成するため、エピタキシャル成長した結晶(半導体積層膜)にダメージを与えることがなく、素子の信頼性が向上した発光ダイオードなどの半導体装置を作製することができる。また、非晶質自然酸化膜の膜厚を100nm以下に制御することで、非晶質自然酸化膜をつけたままでも加熱により金属膜と結晶のオーミックコンタクトを形成することが可能であり、さらに溶液により非晶質自然酸化膜の形成を行うため、高価であったり複雑な構造の装置を使用することなく容易に半導体装置を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る実施の形態の発光ダイオード素子を示す斜視図である。
【図2】同実施の形態の発光ダイオード素子の概略断面図である。
【図3】同実施の形態の発光ダイオード素子の製造工程の概略説明図である。
【図4】同実施の形態の発光ダイオード素子における半導体積層膜のアルミニウム混晶比と非晶質自然酸化膜の膜厚との関係を示すグラフ図である。
【図5】同実施の形態の発光ダイオード素子の製造における金属膜を形成する工程を示す概略説明図である。
【図6】同実施の形態の発光ダイオード素子の製造における半導体膜層と金属膜を合金化させる工程を示す要部断面図である。
【符号の説明】
1 発光ダイオード素子
10 p型GaAs基板(半導体基板)
11 p型GaAlAsクラッド層
12 GaAlAs活性層
13 n型GaAlAsクラッド層
14 p型GaAlAsウインドウ層
15 半導体積層膜
16 非晶質自然酸化膜
17 n型電極(表面電極)
18 p型電極(裏面電極)
117 金属膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device and a light emitting diode manufactured by the manufacturing method, and in particular, an insulating amorphous natural oxide film is formed on the surface of a light emitting element and applied to the element in the manufacturing process. The present invention relates to a light emitting diode that is improved in reliability by reducing damage and accompanying deterioration.
[0002]
[Prior art]
A conventional light emitting diode element made of a compound semiconductor material has, for example, a multilayer structure in which a p-type GaAlAs clad layer, a GaAlAs active layer, and an n-type GaAlAs clad layer are stacked on a p-type GaAs substrate. And an n-type GaAlAs cladding layer are formed with electrodes (see, for example, Patent Document 1). As a method of forming this electrode, a vapor deposition method or a sputtering method is used. In particular, the sputtering method is a widely used technique because it has the excellent advantage that the adhesion of the material is relatively low and the compound-based material can be deposited by a high melting point material or a reactive gas. is there.
[0003]
The most basic sputtering apparatus (see FIG. 5) is a bipolar DC voltage glow discharge type. When forming an electrode, the material is used in an atmosphere of an inert gas such as argon gas (about 10 −2 Torr). A voltage is applied between the (target) and the substrate on which the film is formed, and ionized argon ions collide with the target to knock out atoms (or molecules) constituting the target toward the substrate and attach them to the substrate. Recently, in addition to the glow discharge type, there are a number of sputtering methods that have progressed with improvements in equipment such as magnetron sputtering and ion beam sputtering.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-298341
[Problems to be solved by the invention]
However, since the sputtering apparatus generates plasma between the target and the semiconductor substrate, there is a problem that the substrate surface is damaged by the plasma or the substrate temperature rises.
In order to solve these problems, improvements have been made in equipment, and a magnetron sputtering method has been developed in which a magnet is installed near the target and a magnetic field is applied to confine electrons and ions in the vicinity of the target. For this reason, damage to the substrate could not be completely eliminated. Further, there is a method such as ion beam sputtering as an improved type, but it is possible to avoid the entry of particles into the substrate, but the structure of the apparatus becomes complicated and expensive, and the deposition rate of target atoms (or molecules) on the substrate However, there are problems such as slow processing and difficulty in processing a large-area substrate.
[0006]
One of the main objects of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device, which can reduce damage to a substrate and reduce substrate deterioration when a film is physically formed in an atmosphere in which ions exist, such as sputtering. And providing a highly reliable light emitting diode device manufactured by this manufacturing method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Thus, according to the present invention, the step (A) of forming an insulating amorphous natural oxide film containing the constituent elements on the surface of the semiconductor multilayer film on the surface of the semiconductor multilayer film laminated on the semiconductor substrate; ,
There is provided a method of manufacturing a semiconductor device including a step (B) of forming a metal film to be a surface electrode by a physical film forming method in an atmosphere where ions are present on the amorphous natural oxide film.
Here, in the present invention, the physical film forming method performed in an atmosphere in which ions are present is a method in which plasma is generated in an atmosphere in which ions of an inert gas are present so that material atoms (or material molecules) are formed on a semiconductor substrate. It means a method of forming a film by colliding, and examples thereof include a sputtering method and an ion plating method. In the present invention, a sputtering method is particularly applied.
[0008]
That is, the present invention does not improve a film forming apparatus such as a sputtering apparatus in order to solve the above problem, but forms an insulating amorphous natural oxide film on the surface of the semiconductor laminated film of the semiconductor substrate. Due to the amorphous natural oxide film formed on the surface of the semiconductor substrate, for example, electrons ionized during sputtering stay on the surface of the amorphous natural oxide film, causing a charge-up (charging) phenomenon. When the surface of the amorphous natural oxide film is charged up, thermionic electrons during sputtering are difficult to enter the semiconductor multilayer film, suppressing the temperature rise of the semiconductor substrate and reducing damage to the semiconductor multilayer film due to electron impact. It becomes possible to do. In addition, even for electrically neutral atoms that do not have ions or charges, the substrate can be effectively used regardless of the presence or absence of atomic charges to prevent the amorphous natural oxide film from directly entering the semiconductor multilayer film. Can be protected. Such an effect is obtained by the fact that the natural oxide film is amorphous. In the case of crystallinity, oxidation, dislocation, and defect (damage) from the element surface to the inside of the crystal progress inside the crystal. There's a problem.
[0009]
Here, as the semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention, various semiconductor devices manufactured by performing physical film formation in an atmosphere in which ions exist in the manufacturing process, such as sputtering, are used. The semiconductor device is not particularly limited, and examples thereof include a semiconductor device such as a light emitting diode element, a light receiving element, and an IC.
[0010]
In the present invention, the semiconductor substrate may be an elemental semiconductor such as silicon (Si) or a compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs), InP, ZnTe, AlGaInP, or AlGaAsP. A desired semiconductor substrate can be used.
[0011]
In the present invention, the semiconductor laminated film on the semiconductor substrate may be composed of one layer or two or more layers. For example, when a gallium arsenide based semiconductor substrate is used, an amorphous natural oxide film and As a constituent element (crystal component) on at least the surface side (surface layer) of the semiconductor laminated film in contact with the semiconductor laminated film, aluminum is preferably included.
In this case, the surface of the semiconductor multilayer film containing aluminum as a crystal component is treated with, for example, a mixed solution of ammonia, hydrogen peroxide, and pure water to oxidize the surface of the semiconductor multilayer film. An oxide film (insulating oxide protective film) can be obtained. However, since the thickness of the amorphous natural oxide film obtained depends on the aluminum mixed crystal ratio of the semiconductor multilayer film, an amorphous natural oxide film intended to reduce damage to the semiconductor multilayer film in the semiconductor device manufacturing process is required. In order to obtain it, it is desirable that the constituent element on the surface side of the semiconductor multilayer film has an elemental composition ratio of aluminum of 0.5 or more, and more preferably 0.5 or more and 0.7 or less. Further, considering that the semiconductor laminated film and the metal film (electrode material) are alloyed through the amorphous natural oxide film by heating the semiconductor substrate to ensure conductivity, the amorphous natural oxide film The film thickness is desirably 100 nm or less, and more desirably 20 to 50 nm. Since the amorphous natural oxide film is formed by the solution as described above, an expensive device is unnecessary, and the cost and simplification of the manufacturing of the semiconductor device can be achieved.
If the aluminum elemental composition ratio of the semiconductor multilayer film is less than 0.5, an amorphous natural oxide film having a thickness that can sufficiently reduce damage to the semiconductor multilayer film cannot be formed. On the other hand, if it exceeds 0.7, the amorphous natural oxide film tends to be formed thick, and it becomes difficult to alloy the semiconductor laminated film and the metal film (electrode material), so that sufficient conductivity cannot be secured. Further, if the thickness of the amorphous natural oxide film is less than 20 nm, the amorphous natural oxide film cannot sufficiently reduce the damage to the semiconductor multilayer film. It becomes difficult to alloy the film and the metal film, and sufficient conductivity cannot be secured.
[0012]
In the present invention, after the step (B) of forming the metal film on the amorphous natural oxide film, the semiconductor substrate is subjected to a heat treatment so that the surface of the semiconductor multilayer film is interposed through the amorphous natural oxide film as described above. And a step (C) of alloying the metal film. By this step (C), conductivity between the metal film to be an electrode and the semiconductor laminated film is ensured.
[0013]
Furthermore, after the step (B), a step (D) may be included in which only the metal film is patterned into an arbitrary shape while leaving the amorphous natural oxide film. In this case, the step (D) may be either between the step (B) and the step (C) or after the step (C). In this step (D), when an electrode is formed by patterning a metal film, an amorphous natural oxide film is intentionally left so that the surface of the semiconductor device is formed by the amorphous natural oxide film when the chip is formed thereafter. It can be protected from the outside and more reliable.
[0014]
According to another aspect of the present invention, a light-emitting diode element manufactured by the above-described method for manufacturing a semiconductor device can be provided.
Specifically, the semiconductor substrate is a p-type GaAs substrate,
The semiconductor stacked film is formed by sequentially stacking a p-type GaAlAs cladding layer, a GaAlAs active layer, an n-type GaAlAs cladding layer, and a p-type GaAlAs window layer on the p-type GaAs substrate,
Provided is a red light emitting diode device with improved reliability in which a front electrode is formed on the p-type GaAlAs window layer through an amorphous natural oxide film and a back electrode is formed on the back surface of a p-type GaAs substrate. can do.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiment.
[0016]
FIG. 1 is a perspective view showing a light-emitting diode element according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the light-emitting diode element according to the embodiment, and FIGS. FIG. 4 is a schematic explanatory view of a manufacturing process of the light-emitting diode element of the embodiment, and FIG. 4 is a relationship between the aluminum mixed crystal ratio of the semiconductor laminated film and the film thickness of the amorphous natural oxide film in the light-emitting diode element of the embodiment. FIG. 5 is a schematic explanatory view showing a process of forming a metal film in the manufacture of the light-emitting diode element of the embodiment, and FIG. 6 is a semiconductor in the manufacture of the light-emitting diode element of the embodiment. It is principal part sectional drawing which shows the process of alloying a film layer and a metal film.
[0017]
As shown in FIGS. 1 and 2, the light-emitting diode device 1 of the present invention includes a p-type GaAs substrate 10 having a thickness of 150 μm as a semiconductor substrate, a p-type GaAlAs cladding layer 11 and a GaAlAs active layer on the p-type GaAs substrate 10. A semiconductor laminated film 15 in which a layer 12, an n-type GaAlAs cladding layer 13, and a p-type GaAlAs window layer 14 are laminated in order, an amorphous natural oxide film 16 formed on the semiconductor laminated film 15, and this amorphous This is a red light-emitting diode composed of an n-type electrode 17 which is a front electrode formed on the natural oxide film 16 and a p-type electrode 18 which is a back electrode formed on the back surface of the p-type GaAs substrate 10.
[0018]
More specifically, each semiconductor layer of the semiconductor multilayer film 15 is composed of a crystal component represented by Ga 1-X Al X As, and includes a p-type Ga 0.4 Al 0.6 As clad layer 11, Ga 0.8 Al 0.2 As active layer 12, n-type Ga 0.6 Al 0.4 As cladding layer 13, and p-type Ga 0.4 Al 0.6 As window layer 14 are 20 μm, 1 μm, 10 μm, and 20 μm, respectively. It is formed with the film thickness. Further, magnesium is used as the p-type dopant, and tellurium is used as the n-type dopant.
[0019]
Next, a method for manufacturing the light emitting diode element 1 will be described.
First, on the p-type GaAs substrate 10 shown in FIG. 3A, as shown in FIG. 3B, a p-type GaAlAs cladding layer 11, a GaAlAs active layer 12, an n-type GaAlAs cladding layer 13, and a p-type GaAlAs window. The layer 14 is sequentially crystal-grown by a liquid layer epitaxial growth method to form the semiconductor laminated film 15. Here, aluminum mole ratio of the GaAlAs epitaxial layer (Ga 1-X Al X As : mixed crystal ratio X) is set to 0.6,0.2,0.4,0.6, the film thickness Is set to 20 μm, 1 μm, 10 μm, and 20 μm, magnesium is used as the p-type dopant, and tellurium is used as the n-type dopant.
[0020]
Subsequently, a part or all of the p-type GaAs substrate 10 of the epitaxial wafer obtained in the above process is removed by performing wet etching for about 20 minutes using, for example, an etchant made of phosphoric acid, hydrogen peroxide, and water, Processing is performed to a predetermined thickness (in this case, 150 μm).
[0021]
Next, the epitaxial wafer processed to a predetermined thickness is immersed in a mixed solution of ammonia water, hydrogen peroxide solution, and pure water, and the surface of the epitaxial wafer, that is, the surface of the p-type GaAlAs window layer 14 that is the surface layer of the semiconductor laminated film 15 is obtained. Then, an amorphous natural oxide film (GaAlAs oxide film) 16 which is an insulating oxide protective film is formed with a predetermined film thickness T (see FIG. 3B).
[0022]
Here, as shown in FIG. 4, the thickness T of the amorphous natural oxide film 16 to be formed is related to the mixing ratio of ammonia water, hydrogen peroxide water and pure water, and the aluminum mixed crystal ratio X. For example, when the mixing ratio of ammonia water, hydrogen peroxide water, and pure water is 1: 1: 4, and the aluminum mixed crystal ratio X is 0.6, the film thickness T is about 100 nm. The film thickness T is about 50 nm when the mixing ratio of hydrogen peroxide water and pure water is 1: 1: 10 and the aluminum mixed crystal ratio X is 0.6. That is, when the aluminum mixed crystal ratio X is constant, the film thickness T decreases as the ratio of pure water increases. Furthermore, the film thickness T is also related to the time (processing time) for immersing the wafer in the mixed solution. The shorter the processing time, the thinner the film thickness T.
In the present embodiment, the mixing ratio of ammonia water, hydrogen peroxide water, and pure water was 1: 1: 10, and the treatment time was 50 seconds. The film thickness T of the amorphous natural oxide film 16 thus obtained is 50 nm. The processing conditions for forming the amorphous natural oxide film are not limited to this. As described above, the film thickness T of the amorphous natural oxide film 16 depends on the aluminum mixed crystal ratio X, the solution composition, and the processing time. Therefore, it may be processed so that the film thickness T of the amorphous natural oxide film 16 is finally 100 nm or less, preferably 20 or more and 50 nm or less.
[0023]
Next, the epitaxial wafer on which the amorphous natural oxide film 16 is formed is heat-treated in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. for 10 minutes. As a result, the amorphous natural oxide film 16 becomes strong.
[0024]
Next, as shown in FIG. 3C, a metal film 117 serving as an electrode is formed as a thin film with a film thickness of 400 nm on the surface of the amorphous natural oxide film 16 of the epitaxial wafer by sputtering. At this time, a metal film 117 is formed by sequentially depositing an AuSi alloy layer 117a having a thickness of 100 nm and an Au layer 117b having a thickness of 300 nm as electrode materials (see FIG. 6).
[0025]
In forming the metal film 117 by this sputtering method, an epitaxial wafer W is set in a bipolar DC voltage glow discharge type sputtering apparatus S as shown in FIG. 5, and an inert gas such as argon gas (about 10 −2 Torr). ) To generate a plasma 23 by applying a voltage between the target (electrode material) 20 and the epitaxial wafer W, and to cause the ionized argon ions 21 to collide with the target to form atoms (or molecules) constituting the target 20. ) 22 is struck out toward the wafer and attached to the surface of the wafer W. In FIG. 5, 24 represents electrons in plasma, 25 represents γ electrons, and 26 represents a DC power source.
At the time of sputtering, the ionized electrons stay on the surface of the amorphous natural oxide film 16 and cause a charge-up (charging) phenomenon. When the surface of the amorphous natural oxide film 16 is charged up, it becomes difficult for the thermoelectrons being sputtered to enter the semiconductor laminated film 15, suppressing the temperature rise of the p-type GaAs substrate 10, and epitaxially growing by electron impact. Damage to the crystal (semiconductor laminated film 15) is reduced. Further, even for electrically neutral atoms having no ions or charges, the amorphous natural oxide film 16 is prevented from entering the semiconductor laminated film 15 directly. To protect the board.
[0026]
Subsequently, as shown in FIG. 3D, a metal film (p-type electrode) 18 made of an AuZn alloy is also formed on the back side of the p-type GaAs substrate 10 by sputtering. Thereafter, a photosensitive resist film having an electrode-shaped pattern opening is formed on the surface of the metal film 117 by photolithography, and wet etching is performed for 30 to 60 seconds using an etchant made of iodine and ammonium iodide. A portion of the metal film 117 exposed in the opening is removed and patterning is performed, and then the resist film is removed to form a plurality of n-type electrodes 17. The amorphous natural oxide film 16 may also be removed by etching, but it is left for the purpose of further improving the reliability by protecting the element surface during subsequent processes or during handling after chip formation. preferable.
[0027]
Next, as shown in FIG. 3E, the wafer on which the n-type electrode 17 and the p-type electrode 18 are formed on both front and rear surfaces is heat-treated at 400 to 500 ° C. for 15 minutes. As a result, as shown in FIG. 6 (the portion within the dotted circle in FIG. 3E), the p-type GaAlAs window layer 14 and the n-type electrode 17 on the surface of the semiconductor laminated film 15 are interposed via the amorphous natural oxide film 16. The AuSi layer 117a is alloyed to ensure conductivity between the semiconductor laminated film 15 and the n-type electrode 17.
[0028]
Next, as shown in FIG. 3 (f), the wafer obtained in the above process is divided into chip units by a known method such as dicing to obtain the light emitting diode element 1.
[0029]
【The invention's effect】
According to the present invention, an insulating amorphous natural oxide film (insulating oxide protective film) is formed on the surface of an epitaxial wafer to be a semiconductor device, and an electrode material is formed thereon by a physical film forming method such as sputtering. Therefore, a semiconductor device such as a light emitting diode with improved element reliability can be manufactured without damaging the epitaxially grown crystal (semiconductor laminated film). Further, by controlling the film thickness of the amorphous natural oxide film to 100 nm or less, it is possible to form an ohmic contact between the metal film and the crystal by heating even with the amorphous natural oxide film attached. Since the amorphous natural oxide film is formed using a solution, a semiconductor device can be easily manufactured without using an expensive or complicated device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a light emitting diode device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the light-emitting diode element according to the embodiment.
FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of a manufacturing process of the light-emitting diode element according to the embodiment;
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the aluminum mixed crystal ratio of the semiconductor laminated film and the film thickness of the amorphous natural oxide film in the light emitting diode element of the same embodiment.
5 is a schematic explanatory view showing a step of forming a metal film in the manufacture of the light-emitting diode element according to the embodiment. FIG.
6 is a fragmentary cross-sectional view showing a step of alloying a semiconductor film layer and a metal film in the manufacture of the light-emitting diode element of the embodiment; FIG.
[Explanation of symbols]
1 Light-Emitting Diode Element 10 p-type GaAs Substrate (Semiconductor Substrate)
11 p-type GaAlAs cladding layer 12 GaAlAs active layer 13 n-type GaAlAs cladding layer 14 p-type GaAlAs window layer 15 semiconductor laminated film 16 amorphous natural oxide film 17 n-type electrode (surface electrode)
18 p-type electrode (back electrode)
117 Metal film

Claims (9)

半導体基板上に積層された半導体積層膜の表面に、この半導体積層膜の表面の構成元素を含む絶縁性の非晶質自然酸化膜を形成する工程(A)と、
前記非晶質自然酸化膜上に、イオンが存在する雰囲気下で物理的成膜方法により表面電極となる金属膜を形成する工程(B)とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating amorphous natural oxide film containing constituent elements on the surface of the semiconductor multilayer film on the surface of the semiconductor multilayer film laminated on the semiconductor substrate;
And (B) forming a metal film to be a surface electrode by a physical film-forming method in an atmosphere in which ions are present on the amorphous natural oxide film.
非晶質自然酸化膜は、100nm以下の膜厚で形成される請求項1に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the amorphous natural oxide film is formed with a film thickness of 100 nm or less. 非晶質自然酸化膜は、アンモニア、過酸化水素を含む溶液に半導体基板を浸漬させることにより半導体積層膜の表面に形成される請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the amorphous natural oxide film is formed on the surface of the semiconductor multilayer film by immersing the semiconductor substrate in a solution containing ammonia and hydrogen peroxide. 非晶質自然酸化膜と接する半導体積層膜の少なくとも表面側の構成元素として、アルミニウムを含む請求項1〜3の何れか1つに記載の半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein aluminum is included as a constituent element on at least the surface side of the semiconductor multilayer film in contact with the amorphous natural oxide film. 半導体積層膜の表面側の構成元素は、アルミニウムの元素組成比が0.5以上である請求項4に記載の半導体装置の製造方法。5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the constituent element on the surface side of the semiconductor laminated film has an elemental composition ratio of aluminum of 0.5 or more. 工程(B)の後に、半導体基板を熱処理することにより、非晶質自然酸化膜を介して半導体積層膜表面と金属膜を合金化させる工程(C)を含む請求項1〜5の何れか1つに記載の半導体装置の製造方法。6. The method according to claim 1, further comprising a step (C) of alloying the surface of the semiconductor laminated film and the metal film through the amorphous natural oxide film by heat-treating the semiconductor substrate after the step (B). The manufacturing method of the semiconductor device as described in one. 工程(B)の後に、非晶質自然酸化膜を残して金属膜のみを任意の形状にパターンニングする工程(D)を含む請求項1〜6の何れか1つに記載の半導体装置の製造方法。The manufacturing of the semiconductor device according to claim 1, further comprising a step (D) of patterning only the metal film into an arbitrary shape while leaving the amorphous natural oxide film after the step (B). Method. 請求項1〜7に記載の半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする発光ダイオード素子。A light emitting diode element manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 半導体基板が、p型GaAs基板であり、
半導体積層膜は、前記p型GaAs基板上にp型GaAlAsクラッド層、GaAlAs活性層、n型GaAlAsクラッド層、p型GaAlAsウインドウ層が順に積層されてなり、
前記p型GaAlAsウインドウ層上に非晶質自然酸化膜を介して表面電極が形成され、かつp型GaAs基板の裏面に裏面電極が形成された請求項8に記載の発光ダイオード素子。
The semiconductor substrate is a p-type GaAs substrate;
The semiconductor stacked film is formed by sequentially stacking a p-type GaAlAs cladding layer, a GaAlAs active layer, an n-type GaAlAs cladding layer, and a p-type GaAlAs window layer on the p-type GaAs substrate,
9. The light emitting diode element according to claim 8, wherein a surface electrode is formed on the p-type GaAlAs window layer through an amorphous natural oxide film, and a back electrode is formed on the back surface of the p-type GaAs substrate.
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