JP2005505133A - 窒化物−化合物半導体をベースとする半導体デバイスの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、請求項1の上位概念に記載の窒化物−化合物半導体をベースとする半導体デバイスの製造方法に関する。
【0002】
前記の種類の半導体デバイスは、窒化物−化合物半導体を有する半導体ボディを有する。窒化物−化合物半導体とは、この場合に、特に、化学元素の周期表の第3族及び/又は第5族の元素を有する窒化物化合物であると解釈される。これらは、例えばGaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN及びInNのような化合物であり、この化合物は式AlyInxGa1−x−yN、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1でまとめることができる。
【0003】
このような半導体デバイスの製造は、一般に半導体ボディの表面上に、コンタクト面の形成が必要であり、このコンタクト面は通常では金属層として構成されている。
【0004】
コンタクト層と半導体ボディとの間に形成されるコンタクト抵抗は、この場合にできる限り少なくあるべきである、それというのも、このコンタクト抵抗により低下する出力は損失熱に変換されてしまい、例えば放射線を放射するデバイスの場合に放射線の発生を行う機能的な運転がなされないためである。更に、デバイスの著しく高い温度上昇を避けるために、損失熱の十分な搬出を考慮しなければならない。その他の場合に、熱により誘導されるデバイスの損傷の危険が生じる。
【0005】
窒化ガリウムをベースとするデバイスの場合、特にp型ドープした半導体領域において、金属層との接続で比較的高いコンタクト抵抗が生じる。更に、特に構造化された半導体表面の場合に、例えばリッジ型導波路構造の場合に、高いコンタクト抵抗が生じることが明らかになった。
【0006】
この種のリッジ型導波路構造は、例えばProperties, Processing and Applications of Gallium Nitride and Related Semiconductors, EMIS Datareviews Series No. 23,J. H. Edgar, S. Strite (ed. ), Inspec 1999, pp. 616-622から公知である。ここには半導体レーザーが記載されていて、この半導体レーザーは積層体を備えた半導体ボディを有し、この積層体は多数のGaN及びAlGaN層並びにInGaN−多重量子井戸構造を有する。この積層体はSiC基板上に設置されている。基板の反対側には半導体ボディから長く延びた長方体状のリッジ型構造体が作成されていて、この構造体はその上側にコンタクトメタライジング層を有している。このリッジ型構造体は、半導体ボディ内で発生した放射線フィールドをガイドするための導波路を形成する。
【0007】
このようなリッジ型構造体の作成のために、通常ではまず最初に構造化されていない表面を有する半導体ボディを製造し、次にこの半導体ボディから作成すべきリッジに対してラテラルに接する領域を、エッチング法を用いて除去する。次いで、場合によりこの半導体ボディに不動態化層を設けることもできる。最後に、コンタクトメタライジング層を設置する。
【0008】
US 6,130, 446ではエッチングされた窒化物−半導体構造体が記載されていて、この場合にp−GaN−半導体層の構造化するエッチングの後に、その表面上にp型コンタクトを設置する。p型コンタクトは位置合わせ公差及びエッチング公差のために、pn接合の短絡を避けるために、所属するp−GaN表面の表面よりも小さくなければならない。しかしながら、これは部材の抵抗をできる限り小さくする点で欠点である。
【0009】
JP 2000-188440 Aでは、GaN−半導体デバイスが記載されていて、これはジャンクションダウンマウントのために設けられていて、この場合にまず最初にNi−コンタクト層がマスクされ、かつ湿式化学的にエッチングされ、p−GaN−層はNi−コンタクト層のエッチングされた開口部を通してドライエッチングされて構造化される。この方法は半導体構造体の傾斜したエッチング側面を生じる。
【0010】
本発明の課題は、構造化された表面を備え、この表面は改善された特にわずかなコンタクト抵抗を示すコンタクト層を有する、窒化物−化合物半導体をベースとする半導体デバイスの改善された製造方法を提供することであった。
【0011】
前記の課題は、請求項1記載の方法により解決される。本発明の有利な実施態様は、引用形式請求項2〜23の対象である。
【0012】
第1の工程で、窒化物−化合物半導体を有する半導体ボディを準備し、この表面上に第2の工程で金属層を設置する。第3の工程で、半導体ボディの表面を構造化し、その際に、金属層の一部及びその下にある半導体ボディの一部を取り去る。窒化物−化合物半導体として、特に式AlyInxGa1−x−yN、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1で示される化合物が有利である。
【0013】
この方法は、構造化の前に既に金属層が半導体ボディ上に設けられ、この金属層を後にコンタクト層として又はコンタクト層の一部として利用することができるという利点を有する。
【0014】
この方法は、低抵抗性p型コンタクトの製造のために特に有利に使用され、この場合にセルフアラインする最下層のp型コンタクト層及び有利に同時にp型コンタクト上に設置された誘電性のエッチング補助マスクを使用する。p型接続層(例えば接続メタライジング層)は、半導体材料のエッチングの前に設置され、1つ(又は複数)の相互に連続する方法工程でその下にあるp型コンタクト層並びにp型窒化物半導体層を、化学的に、特に乾式化学的に構造化する。
【0015】
特に、誘電性の補助マスク(例えば酸化ケイ素(二酸化ケイ素)、酸化アルミニウム及び/又は酸化チタンからなる)を用いて、フォトレジスト層と金属層との間に、乾式化学的なエッチングに対して極めて耐性の層を生じさせ、この層はマスキングとして極めて急勾配なリッジ型構造の利点をもたらす。レーザーリッジ型構造体の場合には、急勾配のレーザーリッジ型構造体の利点は理想的導波路特性と一致している。
【0016】
この方法の場合に、p型金属層とp型窒化物半導体層とは、1つのエッチング工程又は少なくとも直接連続するエッチング工程で、特にドライエッチング工程で構造化される。これはセルフアラインするプロセスである。全体のp型窒化物半導体構造は、有利に完全にメタライジングされている。
【0017】
この方法を用いて、同時にp型窒化物半導体構造体の極めて急勾配の側面の場合に、電気的接続のために提供される、p型窒化物半導体構造体の全体の表面は完全にメタライジングされる。
【0018】
本発明による方法を用いて、レーザーリッジの場合に、p型コンタクト−接続面(レーザーリッジの表面)では、導波を規定するリッジ底部(レーザーリッジの底面)とほぼ同じリッジ幅を達成することができる。本発明による方法を用いて、特にGaN及び類縁の材料に関して、p型導電性表面上に最大の可能な接続面が提供される。
【0019】
半導体ボディの構造化の場合に異種材料が半導体ボディに侵入し、その表面上に蓄積されうることが明らかとなった。引き続きこの表面上にコンタクトメタライジング層を設置する場合には、こうして製造されたコンタクトの電気的特性、特にコンタクト抵抗が異種材料によって悪化もしくは高められかねない。本発明の場合には、有利に低いコンタクト抵抗が達成される、それというのも構造化の前に金属層を設置することにより金属−半導体境界領域内への異種材料の侵入は抑制されるか又は少なくとも減少するためである。
【0020】
金属層及びその下にある半導体ボディを部分的に取り去るために、有利にマスク技術が使用される。このために、金属層上に、適当な、後の除去方法に適合するマスクを設置し、このマスクは例えば酸化ケイ素を含有することができる。このマスク自体は、有利に慣用のフォトリソグラフィー法を用いて形成され、その際、金属層の取り去るべき領域はマスクで覆われない。
【0021】
引き続きまずマスクで覆われていない金属層の領域を除去するため、その下にある半導体表面が露出する。金属層の除去のために、例えばエッチング法又はバックスパッタリング法が適している。
【0022】
引き続き、半導体ボディを部分的に露出した半導体表面の領域で除去する。このために、同様にエッチング法、例えば反応性イオンエッチング(RIE、reactiv ion etching)又は湿式化学エッチング法を利用することができる。引き続きこのマスクは除去される。
【0023】
金属層を除去する場合も、半導体ボディを除去する場合も、マスクにより覆われた金属層もしくはその下にある半導体ボディの領域は、除去される側面への影響を除いて、ほとんど影響を受けない。
【0024】
本発明の有利な実施態様の場合には、半導体ボディの構造化の後に半導体表面上及び場合により金属層上に不動態化層が設けられる。この不動態化層は、その下にある半導体表面のための保護層として利用される。
【0025】
引き続き、金属層上にコンタクトメタライジング層を形成するのが有利であり、これは不動態化層をも覆うことができる。このコンタクトメタライジング層は特にコンタクト層の接続特性(ボンディング特性)を改善及び最適化するために利用される。このために、コンタクトメタライジング層は、例えば一般に金属を含有する材料であることができ、この材料は高い導電性を有する機械的に安定なワイヤボンディングを可能とする。更に、このコンタクトメタライジング層は金属層よりもラテラル方向により大きな寸法を有するため、その結果、ワイヤボンディングのラテラルな位置決めが容易となる。この場合に、有利に不動態化層は、同時にコンタクトメタライジング層と半導体表面との間の電気的絶縁層として使用するのが有利である。
【0026】
この実施態様の場合には、金属層の少なくとも一部が不動態化層により覆われていないように不動態化層を構成して、引き続き設置されたコンタクトメタライジング層はその覆われていない領域内で金属層と直接境界を接し、かつ金属層とコンタクトメタライジング層との間に良好な導電性コンタクトを形成する。
【0027】
不動態化層の設置及び成形は同様にマスク技術を適用する。この場合に、まず最初に半導体表面と金属層との上へ全般的な不動態化層を設置する。この全般的な不動態化層にマスクを設け、その際に、金属層に接する領域内の不動態化層は覆われていないままである。引き続き、この覆われていない部分の不動態化層を、例えばエッチング法により取り去り、引き続きマスクを除去する。このマスク自体は再びフォトリソグラフィーにより製造することができる。
【0028】
窒化物−化合物半導体をベースとする半導体レーザーの場合には、本発明による方法はリッジ型導波路構造の製造のために有利に使用される。半導体レーザーは比較的高い電流で駆動し、更にその光学特性に関してできる限り変化しない運転温度もしくは十分な冷却を必要とするため、コンタクト抵抗の低減は特に有利である。しかしながら、構造化された表面を有する他の半導体デバイスの場合でも、本発明を用いてコンタクト抵抗を有利に低下することができる。
【0029】
本発明の他の特徴、利点及び有効性は、図1及び2との関連で次に説明する実施例から明らかである。
【0030】
図1a〜1iは、本発明による製造方法の実施例の図式的な工程図を表し、図2は本発明により製造された半導体デバイスと先行技術によるデバイスとを比較する電流−電圧−特性曲線を表す。
【0031】
同様の又は同じ作用の部材は、図面において同じ符号が付されている。
【0032】
図1中に図示された製造方法の第1の工程では、窒化物−化合物半導体をベースとする半導体ボディ1を準備する、図1a。この半導体ボディは、例えば、有利に量子井戸構造体3を有する活性の、放射線を生じる層2と、他の窒化物−化合物半導体層4a,4bを有し、これらの層は基板4上に設置されている。この基板はこの場合に半導体ボディの一部と見なされ、その際にこの基板自体は半導体である必要はない。この活性層2は、例えば単数又は複数のInGaN−層を備えた量子井戸構造体を有し、この層に引き続き片側又は両側にGaN−層又はAlGaN−層4a,4bが導波路層及び/又はジャケット層として設置されている。
【0033】
有利に、この半導体層は基板上にエピタキシャル成長により堆積させる。このために、窒化物−化合物半導体の場合には、特にSiC−基板、サファイア基板及びGaN−基板が有利である。この基板はn型ドープされたSiC又はGaNからなる。
【0034】
この実施例の場合には、有利に半導体層の全面メタライジングされたp型コンタクト面を備えたレーザーリッジが作成される。
【0035】
放射線を生じるpn−接合の形成のために、この実施例の場合に、活性層2と基板5との間に配置された半導体層4bは、例えばケイ素を用いてn型にドープされ、活性層2に関して反対側にある層4bは、例えばマグネシウム又は亜鉛を用いてp型ドープされる。
【0036】
次の工程で、基板とは反対側の半導体ボディ6の表面上に金属層7を堆積させる、図1b。この金属層7は、例えば、5nm〜500nm、有利に40nm〜120nmの間の厚さを有する白金層であることができ、その際、約100nmの層厚を有するのが有利である。
【0037】
引き続き、この金属層上に、例えばSiO2からなる誘電性マスク8を作成する。このために、まず最初に全般的なマスク層、例えば500nmの厚さのSiO2層を、金属層7上に設置する、図1c。このマスクは慣用のフォトリソグラフィー法を用いて、フォトラック9を設置し、露光し、フォトラックを現像し、露光された又は未露光の領域(ポジ型レジスト又はネガ型レジストを使用するかどうかに応じて)を除去し、かつ例えばマスク8のフォトレジストで覆われていない領域を取り去る、例えば除去エッチングする、図1d。
【0038】
引き続き半導体ボディ1を構造化する。このためにマスク8で覆われていない、金属層7の部分が除去され(図1e)、次いでその下にある半導体ボディノブ分が取り去られる(図1f)。
【0039】
この誘電性マスク8は、例えば酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化チタン、Ta−酸化物及び/又は酸化ジルコニウムからなることができる。
【0040】
この金属層7は例えばバックスパッタリングにより除去又はエッチングできる。隣接する半導体層4bの部分的な取り去りのために、例えば湿式化学エッチング法又はRIE法が適している。
【0041】
この金属層及び半導体層はドライエッチング法で取り去るのが特に有利である。このために、有利になお誘電性マスクの上にフォトレジスト層が存在するのが有利である。
【0042】
図示された実施例の場合には、この半導体層は層平面に対してほぼ垂直方向に取り去られる。リッジ型導波路の作成のために、マスク8は上から見て(図示していない)ストライプ状に構成されている。基板とは反対側の層4b上には、除去によって長く延びた、長方形状の半導体構造体が作成され、これはいわゆるリッジ型導波路を形成する。
【0043】
次の工程で、例えば酸化ケイ素又は窒化ケイ素からなる不動態化層10が半導体ボディ上に設置される、図1g。この場合に、まず最初に全般的な不動態化層を堆積させる。不動態化層中に金属層までへの開口部を作成するために、不動態化層に他のマスク11、例えばフォトレジストマスクを設け、その際、不動態化層10の一部は不動態化層が金属層7に隣接する領域内ではマスク11により覆われていない。このマスク11は、例えば既に前記したように、フォトリソグラフィー法を用いて製造できる。
【0044】
マスク11により覆われていない領域内で、この不動態化層10は取り去られ、例えば除去エッチングされることで、金属層7は少なくとも部分的に露出される。その後このマスク11は除去される。
【0045】
この方法の最後に、基板とは反対側の半導体ボディ上に、コンタクトメタライジング層12を大面積に設置する、図1h。このコンタクトメタライジング層12は少なくとも部分領域において金属層7と直接接続し、かつ不動態化層の表面を部分的に覆っている。
【0046】
このコンタクトメタライジング層12はデバイスの電気的接続面を形成し、この接続面を介して金属層7との関連でデバイス内へ電流を供給することができる。大面積の構造により、電気的接続の形成は軽減される。金属層7への直接的な接続は、これと比較して、可能な場合でも明らかに高度なラテラル方向の位置決め精度を必要とする。更に、金属層に対する材料選択は著しく制限されてしまう、それというのもこの金属層は一方で半導体ボディとの良好な電気的及び機械的コンタクトを形成し、他方で電気的接続に関して有利な接続特性(ボンディング特性)を有するべきであるためである。
【0047】
それに対してこのコンタクトメタライジング層12は特に後に設けられる電気的接続に関して最適化することができる。有利に、このコンタクトメタライジング層は複数の層(図示されていない)で設置される。この場合、例えば定着媒体としてチタン層と、拡散バリアとしてパラジウム層又は白金層と、コンタクトメタライジング層12として接続表面を形成する金層とを組み合わせることができる。
【0048】
この図1中に図示された方法は、個々の半導体ボディに関して概観を示すために説明した。有利に、この方法は製造プロセスの範囲内で、まだ切り離していない半導体ボディの場合に結合したウェハの形で実施することもできる更に、この方法の個々の工程又は工程順序も、特に金属層の設置及びその後の構造化を、結合したウェハの形で行うこともでき、残りの工程は切り離した半導体ボディに関して実施することができる。
【0049】
図2には、本発明により製造したデバイスの、先行技術によるデバイスと比較した電流−電圧−特性曲線が示されている。
【0050】
この特性曲線は、リッジ型導波路(リッジ幅5μm、リッジ長さ600μm)を備えた窒化ガリウムベースのレーザーダイオードに関して測定した。本発明によるデバイスの場合には、金属層を、図1に相応してリッジ構造化の前に半導体ボディのp型導電性の側に設置するが、先行技術のデバイスの場合には、それに対して不動態化層の開口の後に設置した。
【0051】
供給した電流Iに依存して、レーザーダイオードに関して低下する電圧Uをプロットされている。曲線13及び所属する測定点は、本発明によるレーザーダイオードに対する測定結果であり、曲線14及び所属する測定点は先行技術によるレーザーダイオードに対する測定結果である。
【0052】
全体の測定範囲内で、所定の電流Iに対応する電圧Uは本発明の場合には、先行技術のデバイスの場合よりも明らかに少ない。従って、本発明によるデバイスは有利に低減した抵抗U/Iを示し、この抵抗は主にp側のコンタクト抵抗によって決定される。
【0053】
記載した実施例を用いた本発明の説明は、もちろん本発明を限定するものではないと解釈される。更に、本発明は窒化物−化合物半導体に限定されるものではなく、例えばGaAs、GaP、InP、InAs、AlGaP、AlGaAs、GaAlSb、InGaAs、InGaAsP、InGaAlP、GaAlSbP、ZnSe又はZnCdSeを含有することができる他の半導体材料系の半導体ボディを有するデバイスの場合にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】本発明による製造方法の実施例の図式的な工程図
【図2】本発明により製造された半導体デバイスと先行技術によるデバイスとを比較する電流−電圧−特性曲線を表す図
Claims (23)
- 少なくとも1種の窒化物−化合物半導体を有する半導体デバイスの製造方法において、
a) 基板上に少なくとも1種の窒化物−化合物半導体を有する半導体ボディ(1)を準備する工程、
b) 半導体ボディ(1)の表面(6)上に金属層(7)を設置する工程、
c) 金属層(7)の一部及び取り去られる金属層(7)が予め覆っている半導体ボディ(1)の部分を乾式化学的に取り去る工程を有することを特徴とする、半導体デバイスの製造方法。 - 窒化物−化合物半導体は、式AlyInxGa1−x−yN、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1で示される化合物であることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 工程c)は、
− マスク(8)を金属層(7)上に作成し、その際に金属層(7)の一部をマスク(8)で覆わない工程、
− マスク(8)により覆われていない金属層(7)の部分を取り去り、その際に半導体ボディ(1)の表面の一部を露出させる工程、
− 露出した表面の領域内で、半導体ボディ(1)を部分的に取り去る工程、及び
− マスク(8)を除去する工程を有することを特徴とする、請求項1又は2記載の方法。 - マスク(8)が誘電性マスクであり、このマスクは、特に酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化チタン、Ta−酸化物及び酸化ジルコニウムからなる材料のグループからなる少なくとも1種の材料を含有するか又は前記の材料からなる層系からなることを特徴とする、請求項3記載の方法。
- マスク(8)をフォトリソグラフィー法により製造し、そのために特にフォトレジストマスクを前記マスク上に製造することを特徴とする、請求項3又は4記載の製造方法。
- 金属層(7)をバックスパッタリング法又はエッチング法で取り去ることを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
- 半導体ボディ(1)をエッチング法で取り去ることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
- 請求項1から7までのいずれか1項記載の方法に続いて、
d) 不動態化層(10)を半導体表面(1)上へ設置し、その際に、金属層(7)の少なくとも一部を不動態化層(10)により覆わない工程を行うことを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項記載の方法。 - 工程d)は、
− 全般的な不動態化層(10)を半導体表面(6)及び金属層(7)上に設置する工程、
− マスク(11)を全般的な不動態化層(10)上に設置し、その際に、不動態化層(10)が金属層(7)に隣接している範囲内で少なくともマスク(11)は不動態化層(10)を覆わない工程、
− マスク(11)で覆われていない不動態化層(10)の部分を除去する工程、
− マスク(11)を除去する工程を有することを特徴とする、請求項8記載の方法。 - 不動態化層(11)が酸化ケイ素を含有することを特徴とする、請求項8又は9記載の方法。
- マスク(11)をフォトリソグラフィー法で製造することを特徴とする、請求項9又は10記載の方法。
- 請求項1から11までのいずれか1項記載の方法に続いて、工程e)でコンタクトメタライジング層(12)を設置することを特徴とする、請求項1から11までのいずれか1項記載の方法。
- 金属層(7)は白金又はパラジウムを含有することを特徴とする、請求項1から12までのいずれか1項記載の方法。
- 金属層(7)の厚さが5nm〜500nm、特に40nm〜120nmであることを特徴とする、請求項1から13までのいずれか1項記載の方法。
- 半導体ボディ(1)は金属層(7)に隣接する範囲内でp型ドープされていることを特徴とする、請求項1から14までのいずれか1項記載の方法。
- 半導体ボディ(1)のp型ドープされた領域は、マグネシウム又は亜鉛でドープされていることを特徴とする、請求項1から15までのいずれか1項記載の方法。
- 半導体ボディ(1)は放射線を生じる活性層(2)を有していることを特徴とする、請求項1から16までのいずれか1項記載の方法。
- 工程c)において半導体ボディ(1)の一部を取り除くことにより半導体構造体を作成することを特徴とする、請求項17記載の方法。
- 半導体構造体は、活性層(2)により生じる放射線の少なくとも一部のために、導波路を形成することを特徴とする、請求項18記載の方法。
- 半導体デバイスがルミネッセンスダイオードであることを特徴とする、請求項17から19までのいずれか1項記載の方法。
- ルミネッセンスダイオードが発光ダイオード又はレーザーダイオード、特にリッジ型導波路を備えたレーザーダイオードであることを特徴とする、請求項20記載の方法。
- 基板がn型導電性であることを特徴とする、請求項2から21までのいずれか1項記載の方法。
- 基板がn型ドープしたSiC又はn型ドープしたGaNであることを特徴とする、請求項22記載の方法。
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