JP2006059933A - ｎ型窒化物半導体用のオーミック電極およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ａｌ（またはＡｌ合金）層、バリア金属層、Ａｕ層を含む積層構造とされるオーミック電極に対して、好ましいオーミック接触性を維持しながらも、電極の表面状態を改善すること。
【解決手段】ｎ型窒化物半導体２の表面２ａに形成されたオーミック電極１である。当該電極１は、ｎ型窒化物半導体２に近い側から順に、Ａｌおよび／またはＡｌ合金を有してなる厚さ１ｎｍ〜７０ｎｍの第一層１１と、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから選ばれる１以上の金属からなる第二層１２と、Ａｕを有してなる第三層１３とを有する積層体として構成され、かつ、オーミック接触性をより発現させるための熱処理が施されたものである。第一層の厚さの限定によって、オーミック接触性、表面状態が好ましいものとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子、受光素子、電子デバイス等の窒化物半導体素子において、ｎ型窒化物半導体上に設けられるオーミック電極に関するものである。

オーミック電極は、半導体との間の接合障壁がデバイスに影響しない程度の小さい値となるように、即ち、オーミック接合となるように、材料が選択された電極である。
ｎ型窒化物半導体上にオーミック電極（以下、「ｎ電極」ともいう）を形成するための電極材料として、アルミニウム（Ａｌ）やＡｌ合金が知られている（特許文献１）。
窒化物半導体と金属との接合では、窒化物半導体の表面準位が形成され難いことから、半導体と金属のバルクの仕事関数の差がそのまま接合障壁となるといわれているが、Ａｌと窒化ガリウムは仕事関数がほぼ等しいために、後述の熱処理を施すことなく、接合を形成するだけでオーミック性を示す。このことから、Ａｌや、Ａｌを主成分とするＡｌ合金は、ｎ電極の材料として最も好ましい材料といえる。

Ａｌからなるｎ電極に対しては、次のような種々の改善が施されている。
例えば、Ａｌからなるｎ電極と、窒化物半導体との接着性を高めるために、窒化物半導体上に、先にバナジウム（Ｖ）またはチタン（Ｔｉ）からなる下地層を形成し、その上に
Ａｌ層を積層するという構成が採用される（特許文献２）。

また、Ａｌのみからなる電極は、該電極にワイヤボンディングする際のＡｕワイヤとの接合性（Ａｕワイヤの先端部を溶融させて接合する）が良好ではなく、また、素子をフリップチップボンディングする際に接合材とされるろう材（Ａｕ−Ｓｎ合金等の半田、Ａｕバンプなど）との接合性も良好ではない。
その理由は、Ａｌ電極の表面が酸化し易く、そのＡｌの酸化膜と、溶融したＡｕや半田等との濡れ性が良好でないからである。
これを改善するために、Ａｕからなる層をＡｌ層上に積層した態様が知られている（特許文献３）。これは、Ａｕ層は表面が酸化し難く、溶融したＡｕや半田等との濡れ性が良いからである。
しかし、Ａｌ層上に直接Ａｕ層を積層すると、電極とｎ型窒化物半導体との密着性を向上させるための熱処理（アニーリング）時に、ＡｌとＡｕの相互拡散が生じて、Ａｌ層とｎ型窒化物半導体との界面におけるオーミック性の低下、Ａｕ層表面に対する溶融したＡｕや半田等の濡れ性の低下といった問題が生じる。
そこで、ＡｌとＡｕの相互拡散を防止するために、Ａｌ層とＡｕ層との間に高融点金属からなる層を介在させることも行われている（特許文献３）。

また、特許文献２には、Ａｌ層とＡｕ層の間に、ＡｌとＡｕとの反応を防止する「中間層」として、Ｖ、Ｔｉ、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などからなる層を設ける態様が開示されている。また、「中間層」の金属が表面に析出することを防止するために、Ａｕ層と「中間層」との間や、Ａｕ層上に、Ａｌ、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）などからなる層を設けると、電極の表面荒れを防止でき、ワイヤボンディングを良好に行い得ることも開示されている。

ｎ型窒化物半導体の表面にオーミック電極として形成された金属層に対しては、３５０〜６００℃で熱処理（アニーリング）を施すことが一般的である。該熱処理によって、ｎ型窒化物半導体と金属層との密着性が良好となり、これら半導体と金属層との間の接触抵抗が低下する。

しかしながら、本発明者等が上記熱処理の状況を検討した結果、該熱処理の際に、Ａｌの熱膨張係数（約２３×１０^−６Ｋ^−１）と窒化物半導体の熱膨張係数（約６×１０^−６Ｋ^−１）との間の差が大きいために、温度変化により強いストレスが発生し、そのために、電極にヒロック（突起）やボイド（穴）などの変形が発生することが分かった。

このような変形はＡｌ層のみからなるｎ電極だけに見られるものではなく、積層構造のｎ電極においては、Ａｌ層の上に積層された金属層（例えば、Ａｌ層とその上に設けたＡｕ層との間での、ＡｌとＡｕの相互拡散を防止するために設けられたバリア金属層）にも及び、ひどい場合にはバリア金属層に貫通孔が形成されることもある。
バリア金属層に貫通孔が生じると、Ａｌ層とＡｕ層との間での相互拡散が著しくなるために、オーミック性の低下や、接触抵抗の増大が生じるとともに、溶融したＡｕや半田等との濡れ性の低下により、通電用ワイヤ等との接合性も低下する。
また、ヒロックやボイドは電極表面の荒れそのものであり、Ａｕや半田等の金属材料や、銀ペースト等の導電性接着剤を接合材として行う、通電用ワイヤやリード電極との接合の強度を大きく低下させる。

特許文献２に記載された方法は、表面荒れを防止する方法であるが、表面荒れの原因をＡｌの融点が低いことにあると捉え、Ａｌ層形成後の熱処理工程において、Ａｌ層が受ける熱的影響を軽減するために、「中間層」などの保護層の構成を工夫するものであり、Ａｌ層の構成に着目して表面荒れを防止するものではない。
特開昭５５−９４４２号公報 特開平１０−２４７７４６号公報 特開平７−２２１１０３号公報

本発明の目的は、上記問題を解決し、Ａｌ（またはＡｌ合金）層、バリア金属層、Ａｕ層を含む積層構造とされるオーミック電極に対して、低接触抵抗を維持しながらも、電極の表面状態を改善することにある。

本発明者等は、上記したとおり、熱処理によってＡｌ層が変形する現象に着目し、これを抑制すべく鋭意研究した結果、Ａｌ層の厚さを特定の値に限定することによって、上記目的が達成され得ることを見出した。
即ち、本発明は、次の特徴を有するものである。
（１）ｎ型窒化物半導体の表面に形成されたオーミック電極であって、当該電極は、
ｎ型窒化物半導体に近い側から順に、Ａｌおよび／またはＡｌ合金を有してなる厚さ１０ｎｍ〜７０ｎｍの第一層と、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから選ばれる１以上の金属からなる第二層と、Ａｕを有してなる第三層とを有する積層体として構成され、かつ、
ｎ型窒化物半導体の表面に形成された状態で、該半導体との接触抵抗を低減させるための熱処理が施されたものであることを特徴とする、ｎ型窒化物半導体用のオーミック電極。
（２）熱処理の温度が３５０〜６００℃である、上記（１）記載のオーミック電極。
（３）第二層が、Ｐｄからなる層である、上記（１）記載のオーミック電極。
（４）第三層が、Ａｕからなる層である、上記（１）記載のオーミック電極。
（５）第三層が、Ａｕからなる層とＰｔからなる層とを交互に積層してなる多層膜である、上記（１）記載のオーミック電極。
（６）上記多層膜の最上層がＡｕ層である、上記（５）記載のオーミック電極。
（７）第一層の材料が、実質的にＡｌとＮｄとからなるＡｌ−Ｎｄ合金であり、該Ａｌ−Ｎｄ合金のＮｄ含有量が０．０５原子％〜１０原子％である、上記（１）記載のオーミック電極。
（８）上記Ａｌ−Ｎｄ合金のＮｄ含有量が０．７原子％〜１０原子％である、上記（７）記載のオーミック電極。
（９）第一層が、ｎ型窒化物半導体の表面のうちの電極が形成されるべき領域全体に対して、該半導体の表面を覆う被覆領域と、該半導体の表面を覆わない露出領域とを含むパターンとして形成されている、上記（１）記載のオーミック電極。
（１０）第一層のパターンが、
（ア）電極が形成されるべき領域の中央部において、帯状の被覆領域と帯状の露出領域とが交互にストライプ状に配置され、電極が形成されるべき領域の外周縁部において被覆領域同士が連結したパターン、または、
（イ)電極が形成されるべき領域において被覆領域が蛇行しているパターン、または、
（ウ)電極が形成されるべき領域において、被覆領域が、帯状の露出領域によって分断されたパターンである、
上記（９）記載のオーミック電極。
（１１）ｎ型窒化物半導体の表面上に、該半導体に近い側から順に、Ａｌおよび／またはＡｌ合金を有してなる厚さ１０ｎｍ〜７０ｎｍの第一層と、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから選ばれる１以上の金属からなる第二層と、Ａｕを有してなる第三層とを有する積層体を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体およびその表面上の積層体に対して、該半導体との接触抵抗を低減させるための熱処理を施す工程とを、
有することを特徴とする、ｎ型窒化物半導体用のオーミック電極の製造方法。
（１２）上記熱処理の温度が３５０〜６００℃である、上記（１１）記載の製造方法。
（１３）第一層の材料が、実質的にＡｌとＮｄとからなるＡｌ−Ｎｄ合金であり、該Ａｌ−Ｎｄ合金のＮｄ含有量が０．０５原子％〜１０原子％であり、該第一層の形成方法が合金スパッタリングである、上記（１１）記載の製造方法。
（１４）上記熱処理が、上記Ａｌ−Ｎｄ合金に含まれるＮｄの一部を、Ａｌ_４Ｎｄ金属間化合物として析出させるための熱処理を兼ねている、上記（１３）記載の製造方法。

本発明では、ｎ型窒化物半導体の表面上に、金属層を少なくとも３層含んだ積層体を電極構造として形成する。この３層のうち、ｎ型窒化物半導体に最も近い層である第一層の材料は、Ａｌおよび／またはＡｌ合金を有してなる層である。
本発明では、この第一層の厚さを１０ｎｍ〜７０ｎｍに限定し、接触抵抗を低減させるための熱処理（以下、単に「熱処理」という）を施す。
第一層の厚さをこの範囲に設定することで、本発明者等が問題として取り上げた熱処理時の電極変形が抑制され、しかも、ｎ型窒化物半導体との低い接触抵抗は維持される。
このような電極変形の抑制効果が発生する詳しい理由は定かではないが、ＡｌまたはＡｌ合金と窒化物半導体との熱膨張差により発生するストレスの低減、あるいは、第一層ないしｎ電極全体の耐変形性の向上、等が生じている可能性が推定される。

また、本発明では、電極表面（第三層の表面）の荒れを抑制するために、第二層の材料の選択にも着目しており、第二層の材料としてＰｄ、Ｔｉ、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）から選ばれる１以上の金属を用いることを好ましい態様としている。
ＡｌまたはＡｌ合金を有してなる第一層の厚さを上記範囲に設定し、更に、第二層の材料を上記金属材料で形成することによって、電極表面の荒れが抑制される現象が見出されており、その結果、ワイヤボンディング時のＡｕワイヤとの接合性や、フリップチップボンディング時に接合材として用いられるＡｕ−Ｓｎ合金半田等のろう材や銀ペースト等の導電性接着材との接合性がより改善される。

以下に、本発明によるオーミック電極の構成を説明しながら、同時に、その製造方法を説明する。
図１は、本発明によるオーミック電極の一構成例を示した模式図であって、ｎ型窒化物半導体２の表面２ａにオーミック電極１が形成された状態を示している。当該オーミック電極１は、積層体（図１では３層構造）として構成され、該積層体には、ｎ型窒化物半導体１の表面１ａに近い側から順に、第一層１１、第二層１２、第三層１３が少なくとも含まれている。
第一層１１は、ｎ型窒化物半導体とのオーミック性を有するＡｌおよび／またはＡｌ合金を有してなり、厚さが１０ｎｍ〜７０ｎｍに限定された層である。第二層１２は、第一層１１と第三層１３とを隔てるためのバリア金属層であって、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから選ばれる１以上の金属からなる層である。第三層１３は、Ａｕを有してなる層であり、当該オーミック電極全体の表層となる層である。これらの層間や第三層上には、必要に応じてさらなる他の層を加えてもよい。
当該電極は、ｎ型窒化物半導体の表面に形成された状態で、該電極とｎ型窒化物半導体との間の接触抵抗をより低下させるための熱処理が施されたものであるが、第一層の厚さの限定によって、熱処理が施されても、変形が抑制された良好な電極となっている。

本発明でいう窒化物半導体とは、式Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で決定される３族窒化物からなる化合物半導体である。
上記式中の組成比ａ、ｂを選択することによって、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなど、２元〜４元の任意の混晶が得られる。
なお、３族元素の一部をホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換することができ、また、Ｎの一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。
窒化物半導体にｎ型伝導性を与えるための不純物としては、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、炭素（Ｃ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）などが挙げられる。

窒化物半導体結晶に含まれる転位の密度が低いほど、電極との接触抵抗が低減される。転位密度の低い結晶が得やすいのは、成分元素数の少ない２元結晶のＧａＮ、次いで、３元結晶のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮである。
特に、窒化物半導体発光素子・受光素子において、素子構造上、ｎ型コンタクト層として多用されるｎ型窒化物半導体としては、Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）、Ｉｎ_ｙＧａ_1-ｙＮ（０≦ｙ≦０．５）などが例示される。

電極を構成する積層体の形成方法は、概していずれの層の形成も、スパッタリング法、真空蒸着法（電子ビーム加熱式、抵抗加熱式）、メッキなどの、従来公知の成膜法を用いてよい。

第一層が〔ｎ型窒化物半導体とのオーミック性を有するＡｌおよび／またはＡｌ合金を有してなる層である〕とは、第一層が、純Ａｌからなる単層であってもよく、ｎ型窒化物半導体とオーミック接触し得るＡｌ合金からなる単層であってもよく、また、該純Ａｌ層と該Ａｌ合金層との多層構造であってもよいことを意味する。
前記のようなＡｌ合金としては、Ａｌに対して、Ｗ、イットリウム（Ｙ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ｓｉ、Ｇｅ，銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、鉄（Ｆｅ）、Ｍｏ、Ｔｉ、ハフニウム（Ｈｆ）、Ｐｄ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｐｔ、コバルト（Ｃｏ）、ベリリウム（Ｂｅ）、リチウム（Ｌｉ）、ランタン（Ｌａ）、ネオジム（Ｎｄ）から選ばれる１種以上の金属元素が添加されたＡｌ合金が挙げられる。
ｎ型窒化物半導体とのオーミック性の観点から、添加される金属元素の量は、Ａｌの仕事関数（４．２８ｅＶ）を大きく変化させない量であることが望ましく、Ａｌ合金の仕事関数が４．４ｅＶ以下となるようにすることが好ましい。
ストレスマイグレーションを抑制するという理由から、Ａｌ−Ｎｄ系合金、Ａｌ−Ｔｉ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｗ−Ｙ系合金、Ａｌ−Ｔａ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｃｏ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｎｄ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｔａ−Ｇｅ系合金、Ａｌ−Ｎｉ−Ｙ系合金、Ａｌ−Ｔｉ−Ｙ系合金、Ａｌ−Ｚｒ−Ｙ系合金、Ａｌ−Ｈｆ−Ｙ系合金等が好ましい材料として挙げられる。

第一層の形成方法のなかでも特に、Ａｌ合金からなる層をｎ型窒化物半導体上に形成するための方法としては、例えば、溶解鋳造法、スプレーフォーミング法、粉末焼結法等の方法により作製される合金ターゲットや、各成分元素のチップを組み合わせた分割型ターゲットを用いた、合金スパッタリングが挙げられる。他の方法としては、上記例示した成膜法を適宜用いて純Ａｌ層と添加すべき他種金属からなる層とを積層状に成膜した後、熱処理を施してｎ型窒化物半導体上でＡｌ合金とする方法（後述）などが挙げられる。

合金スパッタリングによれば、気相急冷によって非平衡固溶が可能となるために、他の方法により形成されるＡｌ合金層と比べて、耐変形性の高いＡｌ合金層を得ることが可能となる。即ち、合金スパッタリングを用いると、Ａｌに添加する他種金属元素を、平衡状態での固溶限を超えて多量にＡｌ中に強制固溶させることができるため、Ａｌ合金の固溶強化の程度を高くすることができる。
また、他種金属元素を強制固溶させたＡｌ合金層を熱処理によって平衡状態に近づけると、強制固溶された元素が金属間化合物等の形態でＡｌ合金中の粒界／粒内に析出して析出強化が生じる。
このような強化作用は、ストレスによる変形への耐性をＡｌ合金膜に付与すると考えられることから、合金スパッタリングと熱処理との組合わせはＡｌ合金層の好ましい形成方法として推奨される。

第一層に用いるＡｌ合金として、特に好ましいのは、実質的にＡｌとＮｄの２元素からなり、Ｎｄの含有量が０．０５原子％〜１０原子％の、Ａｌ−Ｎｄ合金である。
「実質的」とは、製造工程等に由来する不可避不純物を除いては、ＡｌおよびＮｄの２元素のみ含有する合金であることを意味している。
前記Ａｌ−Ｎｄ合金のなかでも、特に、合金スパッタリングによってＮｄを強制固溶した膜を形成後、熱処理によってＮｄの一部をＡｌ_４Ｎｄ金属間化合物として析出させたＡｌ−Ｎｄ合金膜は、析出強化によって耐変形性が向上する一方、Ｎｄが固溶した領域ではＮｄの含有量が低くなるために、膜全体としては、純Ａｌに類似した電気的・光学的特性を示し、良好な電気伝導性と、近紫外〜可視光波長領域における良好な光反射性を有する。そのため、窒化物半導体を用いた発光素子のｎ電極の材料として、好適に用いることができる。このようなＡｌ−Ｎｄ合金としては、Ｎｄの含有量が０．７原子％（これは平衡状態の固溶限以上の濃度である）以上のものが好ましく、特に、Ｎｄの含有量を約２原子％（１．８原子％〜２．２原子％）としたものが好ましい。
合金スパッタリング後にＮｄの一部をＡｌ_４Ｎｄ金属間化合物として析出させるための上記熱処理の温度は、３００℃以上、より好ましくは４００℃以上である。この熱処理は、オーミック電極の接触抵抗を低減させるための熱処理と兼用させることができる。

上記した、純Ａｌ層と他種金属層とを積層状に成膜した後に熱処理を施してＡｌ合金とする方法の具体例としては、電子ビーム蒸着法によって、厚さ１０ｎｍ〜７０ｎｍの純Ａｌ層と、厚さ０．１ｎｍ〜１０ｎｍの純Ｔｉ層とを交互に積層した多層膜を作製し、この多層膜を３００℃以上の温度で熱処理することによって、Ａｌ−Ｔｉ合金膜とする方法が例示される。この場合には、純Ａｌ層と純Ｔｉ層とからなる多層膜の総厚さを、１０〜７０ｎｍに形成すればよい。

本発明では、第一層の厚さを１０〜７０ｎｍに限定することが重要である。第一層のより好ましい厚さは１０〜５０ｎｍであり、特に好ましい厚さは１０〜３０ｎｍである。
第一層の厚さが７０ｎｍよりも厚いと、従来のｎ電極のように、窒化物半導体との熱膨張係数差に起因して、熱処理により発生するストレスにより、ヒロックやボイドなどの変形が発生し易くなる。また、厚さが１０ｎｍよりも薄いと、成膜した時点でＡｌ（またはＡｌ合金）層が島状となり、熱処理時にＡｌ（またはＡｌ合金）と上層金属が合金化し易くなるため、あるいは上層金属がＡｌ（またはＡｌ合金）層と窒化物半導体の界面に拡散し易くなるため、オーミック性が低下したり、接触抵抗が高くなる。
第一層の厚さが５０〜７０ｎｍでは、ワイヤボンディングやフリップチップボンディングに用いられる各種接合材との接合性の低下や、ｎ型窒化物半導体とのオーミック性の低下は殆どなく好ましいが、より薄くした場合と比較すると、熱処理後の電極膜表面に僅かながら起伏が観察される場合がある。
よって、第一層自体の変形を抑制するだけでなく、電極表面の平滑性を維持する点から、より好ましい第一層の厚さは５０ｎｍ以下であり、更に、成膜時間の短縮と使用材料量の削減を行い得る点からは、１０〜３０ｎｍが最も好ましい層厚となる。

ｎ電極に対するワイヤボンディングやフリップチップボンディングにおいて、電極面とワイヤまたは接合材との接合強度が十分となるように両者の接触面積を確保するため、また、該工程における作業性・歩留りを良好にするために、分断前の段階においてウエハ面を見たときのｎ電極の大きさは、直径５０μｍ〜１００μｍ程度の円を内部に包含し得る大きさとすることが望ましい。
ところで、ｎ電極がこのような大きさに形成されるために、第一層（Ａｌ、Ａｌ合金）とｎ型窒化物半導体との熱膨張係数差により発生するストレスのｎ電極面全体での総和はかなり大きくなる。従来のＡｌからなるｎ電極で電極膜の変形の程度が大きかったことの一因には、この大きなストレスが強度の弱い部分に集中していたこともあったと考えられる。

上記の問題を軽減するために、本発明のｎ電極では、第一層をｎ型窒化物半導体の表面に形成するに際し、電極が形成されるべき領域（本来ｎ電極が形成される領域、即ち、従来のｎ電極の最外形によって規定される領域。以下、「ｎ電極領域」ともいう）全体に対して、第一層を一様に形成するのではなく、該ｎ電極領域に、該半導体の表面を覆う被覆領域と、該半導体の表面を覆わずに露出させる露出領域とが含まれるように、第一層をパターン化して形成する態様を好ましい態様の一つとして推奨する。この態様が、上記（９）の態様である。
より具体的に説明すると、図２（ａ）に第一層の形成パターンの一例を示し、そのＡ−Ａ断面を図２（ｂ）に示すように、当該態様は、ｎ型窒化物半導体２の表面を第一層１１で覆った被覆領域ｅ１と、ｎ型窒化物半導体２の表面を覆わずに露出させた露出領域ｅ２とが、ｎ電極領域ｅ内に混在するように、第一層１１をｎ電極領域ｅにパターン化して形成する態様である。ｎ電極領域ｅは、従来ではその領域内には露出領域が無く、一様に電極によって覆われていた領域である。
図２では、説明のために、ｎ電極領域ｅの外周形状を方形としているが、図４の例のように、ｎ電極領域の外周形状に限定はなく、素子にとって、最も好ましい形状として適宜決定すればよい。

上記（９）の態様のように第一層をパターン化して形成すると、露出領域では、第一層と窒化物半導体との熱膨張係数差に起因するストレスが発生しないとともに、この露出領域によって、被覆領域で発生したストレスの伝播が遮断されるために、強度の低い部位に集中するストレスが小さくなる。そのため、該ストレスによる電極の変形が抑制されることになる。

上記（９）の態様における第一層の形成パターンに限定はないが、第一層と窒化物半導体との間に生じるストレスを効果的に遮断し、しかもできるだけ多くの被覆領域を確保する点からは、露出領域を細長い帯状とする態様が好ましい。
このような態様としては、
（ア)図２（ａ）に示すように、ｎ電極領域ｅの中央部において、被覆領域ｅ１と、露出領域ｅ２とが交互にストライプ状を呈し、外周縁部において被覆領域同士が連結されたパターン（クシ型パターンや格子状のパターンをも含む）、
（イ)図３（ａ）に示すように、被覆領域ｅ１が蛇行するパターン（図３（ａ）の例を換言すると、ｎ電極領域ｅの中央部においては、被覆領域ｅ１と、露出領域ｅ２とが交互に配置されてストライプ状を呈し、被覆領域が蛇行パターンを描くように外周縁部において被覆領域ｅ１同士が交互に連結されたパターン）、
（ウ)図３（ｂ）に例示するように、被覆領域ｅ１が、帯状の露出領域ｅ２によって分断されたパターン等が例示される。
また、これらのパターンが部分的に混在するものであってもよい。

上記（ア）の態様における露出領域の形状は、図２（ａ）に示すような直線的な帯状の他、曲線的（滑らかな曲線、折れ曲がった曲線）な帯状であってもよい。また、変形態様として、帯状の露出領域がひとつの環状領域、あるいは同心円状に多重化された複数の環状領域をなすパターンや、帯状の露出領域が渦巻き状をなすパターンや、放射状に配置されたパターンであってもよいし、帯状領域が分岐を有していてもよい。これらのパターンでは、被覆領域の形状は必ずしも帯状ではない。被覆領域に囲まれて孤立した露出領域の数は任意である。
上記（イ）、（ウ）の態様における露出領域の形状も、上記（ア）の態様と同様である。
（ウ）の態様において、帯状の露出領域により分断された被覆領域の数も任意である。
被覆領域、露出領域の、帯状以外の形状としては、円形、三角形、四角形、多角形、不定形等が例示される。
いずれの態様においても、露出領域はオーミック接合が形成されないか、または、オーミック接合が形成されても、被覆領域と比較してｎ型半導体との接触抵抗の高い領域となるために、露出領域を必要以上に広く取ると素子の動作電圧が高くなる傾向がある。そのため、ｎ電極領域ｅの面積に占める露出領域ｅ２の面積の割合は、好ましくは、２０％以下、より好ましくは１０％以下、更に好ましくは５％以下である。
第一層をこのように形成する方法としては、通常のフォトリソグラフィとエッチングを用いた、電極のパターニング技術を適用することができる。
なお、本発明のこの態様においては、後述する第二層および第三層は、第一層の被覆領域とちょうど重なるように、第一層の被覆領域と同一のパターンに形成してもよいし、もしくは、ｎ電極領域を一様に覆うように形成してもよい。あるいは、第二層は第一層の被覆領域と同一のパターンとし、第三層はｎ電極領域を一様に覆うように形成してもよい。

第二層は、第一層（Ａｌ、Ａｌ合金）、第三層（Ａｕ）のいずれの金属よりも融点の高い金属で形成することが好ましく、例えばＰｄ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから選ばれる１以上の金属が挙げられ、これらの金属単独の層であっても、これらの金属同士による合金層であってもよいし、また、これらの単独層や合金層が積層されてなる多層膜であってもよい。
但し、高融点金属であれば、どのような金属であっても良いということはなく、本発明者等の研究によれば、Ｒｈ、Ｐｔなどは良好な結果が得られる材料ではない。
本発明で用いる第二層の材料のうち、Ｐｄは、従来のｎ電極のバリア金属層材料としては特に注目されていない材料であるが、第一層と第三層との間に介在させることによって、第三層表面の変形を効果的に抑制できることがわかった。

第二層の厚さは、１０〜３００ｎｍが好ましい。１０ｎｍ以下では、第二層を成膜した際に、膜が島状となる場合があるために、熱処理時にＡｌとＡｕの反応（相互拡散）を防ぐ事ができない場合があるからである。また、３００ｎｍより厚くしても効果は変わらないために、材料使用量を抑えることと、製造効率向上の観点から、３００ｎｍ以下とすることが好ましい。
第二層は、第一層の上面に一致して重なるように、第一層上へ積層してもよいし、または、第一層の上面のみならず、側面をも覆うように形成してもよい。

第三層は、Ａｕを有してなる層である。即ち、第三層は、Ａｕだけからなる単一層であっても、Ａｕ層と他の好ましい金属層との多層構造であってもよい。多層構造の場合は、その最上層がＡｕ層であることが好ましい。また、その最下層がＡｕ層であることも好ましい態様である。
第三層の厚さは、ワイヤボンディングやフリップチップボンディングの工程、あるいは素子分離前のチップ検査工程において受ける衝撃に耐えられ、素子特性に大きな影響が生じないようにできる厚さであればよく、５０ｎｍ〜２０００ｎｍ、特に１００ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましい厚さである。
第三層の厚さを１００ｎｍ〜１０００ｎｍとすると、バリア金属層の金属がＡｕ層の表面に拡散し難くなるために、ワイヤボンディング時やフリップチップボンディング時の接合材である溶融されたＡｕや半田等のろう材に対する表面の濡れ性が良くなり、接合性向上のために好ましい。
第三層は、第二層の上面に一致して重なるように第二層上へ積層してもよいし、下層（第一層、第二層）の側面をも覆うように形成してもよい。第三層が下層の側面を覆う場合には、第二層が第一層の側面を覆っている態様、覆っていない態様がある。第三層によって下層の側面を覆うと該下層の側面における酸化等の劣化が抑制される。

ｎ電極を構成する積層体は、第一層、第二層、第三層を直接的に積層した３層構造とすることが好ましいが、必要に応じて、ｎ型窒化物半導体と第一層との間、各層の間、第三層の上に、種々の機能層を設けて多層構造としてもよい。
また、第一層、第二層、第三層のそれぞれの層の内部に組成の変化した層を含ませ、各層を多層構造や組成傾斜した層としてもよい。
特に、フリップチップボンディング時のように、Ａｕ−Ｓｎ合金半田等のろう材を用いてｎ電極とリード電極等を接合する場合には、第一層、第二層および第三層が夫々単層からなる３層構造のｎ電極では、第一層のＡｌまたはＡｌ合金が、第二層のバリア金属および第三層のＡｕとともにろう材に吸われ、最終的に電極層の一部または全部が消失してしまう現象が生じることがあるが、第三層を、Ａｕ層が最表面層となるように、Ａｕ層とＰｔ層を交互に積層してなる多層膜構造とすると、この現象が抑制されるので好ましい。
かかる多層膜の最小単位はＡｕ／Ｐｔ／Ａｕの３層構造であるが、多層膜中のＰｔ層の層数が３層以上となるようなＰｔ／Ａｕによる交互の積層構造とすれば、上記現象が十分に抑制できる。なお、この構成において、Ａｕ層とＰｔ層との間に、更にＡｕよりも融点の高い金属からなる層が挿入されてもよい。

接触抵抗を低減させるための熱処理は、３５０〜６００℃で行うことが好ましい。
熱処理温度が３５０℃よりも低いと、ｎ型窒化物半導体との接触抵抗が高くなる傾向があり、６００℃よりも高いと、熱膨張係数差に起因して発生するストレスが極めて大きくなる他、Ａｌの融点に近い温度であるためにストレスマイグレーションが著しくなり、表面荒れの抑制が難しくなる傾向がある。
熱処理法自体は公知の方法を用いてよい。例えば、発光素子の製造プロセスでは、基板上に窒化物半導体層を形成し、所定の位置に電極を積層した後、抵抗加熱型の熱処理炉やランプ加熱炉（ラピッドサーマルアニール装置：ＲＴＡ装置とも呼ばれる）において、例えば不活性ガス中、４００℃で３ｍｉｎの熱処理を行うなどの処理法が挙げられる。
なお、該熱処理の工程は、オーミック電極の接触抵抗低下ための熱処理として専用に行ってもよいが、他のプロセス（例えば絶縁保護膜の形成）の際の加熱を熱処理として兼用してもよい。
熱処理の時間は、例えば、３５０℃以上の温度で１分間以上保持すればよい。その間の温度の変動は問わない。
熱処理時の雰囲気に特に制限はないが、これは、第三層がＡｕからなるために、酸化を受け難いからである。特に、電極の端部に第一層や第二層が露出しており、露出した第一層や第二層の端部の酸化を抑制することが望ましい場合などには、窒素、希ガス等の不活性ガス雰囲気を用いることが好ましい。

図４（ａ）、（ｂ）は、本発明に係るオーミック電極を、ＬＥＤのｎ電極として形成した場合の、電極表面を拡大した微分干渉顕微鏡写真である。
図４（ａ）はＡｌ層の厚さを５０ｎｍとした場合の例、図４（ｂ）はＡｌ層の厚さを１００ｎｍとした場合の例であって、それぞれ、Ａｌ層の上に、厚さ１００ｎｍのＰｄ層、厚さ５００ｎｍのＡｕ層を積層し、５００℃で５分間の熱処理を行ったものである。電極の幅（紙面の左右方向の幅）は１１０μｍである。
写真に明らかに現れているとおり、図４（ａ）の態様では、電極表面が平滑となっているが、図４（ｂ）の態様では、電極表面に一様な凹凸が生じて梨地状の粗面となっており、電極表面の平滑性が失われている。

実施例１
本実施例では、ｎ型窒化物半導体層としてｎ型ＧａＮ層を成長し、その上に、第一層（Ａｌ）、第二層（Ｐｄ）、第三層（Ａｕ）からなる３層構造の電極を形成し、熱処理を施して、オーミック電極のサンプルとし、その品質、特性を評価した。
尚、第一層の厚さを種々に変更することによって、本発明による第一層の厚さの限定が臨界的意義を有するものであることを確かめた。

直径２インチ、厚さ４００μｍのサファイア基板を１０枚用意し、それぞれの表面に、４００℃で成長したＧａＮからなる低温バッファ層を介して、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮ結晶層を、成長温度１０００℃で３μｍ成長させ、半導体ウエハ試料とした。
半導体ウエハ試料の表面に、所定の電極パターン（後述）を開口部として形成したフォトレジスト膜を形成した。フォトレジスト膜のパターニングは通常のフォトリソグラフィ技術によった。この半導体ウエハ試料を電子ビーム蒸着装置内にセットし、各試料毎に、Ａｌ層厚を下記のように変えた第一層と、厚さ５０ｎｍのＰｄ層からなる第二層と、厚さ４００ｎｍのＡｕ層からなる第三層とを順に成膜した。
各試料のＡｌ層の厚さは、０．５ｎｍ、３ｎｍ、８ｎｍ、１０ｎｍ、３０ｎｍ、５０ｎｍ、７０ｎｍ、７５ｎｍ、８０ｎｍ、１００ｎｍである。
電極層の形成後、フォトレジスト膜をリフトオフすることにより、ウエハ面を見たときの個々の電極形状が直径１００μｍの円形で、該円形の電極が中心間ピッチ３５０μｍで５０×５０の正方行列状に配列された、電極パターンを得た。
その後、試料をＲＴＡ装置内に配置し、窒素雰囲気中にて、４５０℃で１分間の熱処理（アニーリング）を行った。

〔オーミック性についての評価〕
上記パターンに配列されたオーミック電極の、全ての隣接する対の間でＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を測定した。測定時の電流値の範囲は、０〜２０ｍＡとした。
第一層の厚さを１０ｎｍ〜１００ｎｍとした試料は、いずれの電極間で測定したＩ−Ｖ特性も直線的となり、これより電極はオーミック性となっていることがわかった。また、電流値が２０ｍＡのときの電圧は、いずれの電極対間においても０．１５Ｖであった。
一方、第一層の厚さを８ｎｍ、３ｎｍ、０．５ｎｍとした試料では、いずれもＩ−Ｖ（電流−電圧）特性はＳ字的な形を示しており、このことから、電極はオーミック性となっていないことがわかった。また、電流値が２０ｍＡのときの電圧は、第一層の厚さが８ｎｍの試料では０．３Ｖ、３ｎｍの試料では０．４Ｖ、０．５ｎｍの試料では０．７Ｖとなり、第一層の厚さが１０ｎｍ未満のときには、第一層が薄い試料ほど、電圧が高くなった。
以上の結果から、オーミック性のｎ電極を得るには、Ａｌからなる第一層の厚さを１０ｎｍ以上とする必要があること、また、熱処理によって接触抵抗を低下させるうえでも、第一層の厚さを１０ｎｍ以上とすることが好ましいことがわかった。

〔電極表面の粗さについての評価〕
微分干渉顕微鏡を用いて電極表面を観察したところ、第一層の厚さが７０ｎｍ以下の試料については、Ａｕ表面は平滑であり、金属光沢を示していた。
これに対して、第一層の厚さが７０ｎｍを越える試料では、Ａｕ表面は一様に微細な梨地状の凹凸面となっており、Ａｕの金属光沢が鈍くなっていた。
表面粗さ計によって、電極表面（第三層表面）の粗さを測定し、第一層の厚さと電極表面との関係を調べた。
該表面粗さ計は、（株）アルバック製の触針式表面形状測定器（商品名ＤＥＫＴＡＫ）であって、所定の領域内の表面粗さを高低差として計測し得るものである。
各半導体ウエハ試料に形成した円形の電極全てについて、表面粗さを測定したところ、該領域内の最大高低差は、第一層の厚さに対する最大高低差を（第一層の厚さ：最大高低差）で表すとして、次のとおりであった。
（０．５ｎｍ：３０Å）、（３ｎｍ：３０Å）、（８ｎｍ：３０Å）、（１０ｎｍ：３０Å）、（３０ｎｍ：５０Å）、（５０ｎｍ：７０Å）、（７０ｎｍ：１００Å）、（８０ｎｍ：１５０Å）、（１００ｎｍ：２５０Å）。

〔ワイヤボンディング性についての評価〕
各半導体ウエハ試料のサファイア基板を厚さ１００μｍとなるまで研磨し、スクライビングによって電極毎にチップ状に分離し、電極試料とした。電極試料をＴｏ−１８ステム台にダイボンドし、ワイヤボンダを用いてＡｕワイヤをボンディングしたときの、ボンディング性の良否を判定するワイヤボンディングテストを行った。
１つの半導体ウエハから得た電極試料のうち、５０個についてワイヤボンディングテストを行ったところ、第一層の厚さが７０ｎｍ以下の試料については、ワイヤボンディング操作に障害はなく、接続部分の外観も良好であった。また、これら良好であった試料における、Ａｕワイヤと電極の密着性を評価するために、Ａｕワイヤのプルテストを行ったところ、断線強度はすべて１５ｇ以上であった。
これに対して、第一層の厚さが８０ｎｍの試料については、５０個中４２個が接続可能であったが、残りの８個はＡｕワイヤが接続できなかった。また、第一層の厚さが１００ｎｍの試料については、５０個中３５個だけが接続可能であった。また、Ａｕワイヤのプルテストを行ったところ、第一層の厚さが７０ｎｍを越える試料については、断線強度は１〜５ｇであり、断線個所はいずれも電極表面とＡｕワイヤとの接合界面であった。
以上の結果から、電極表面の粗さ、それに関連したワイヤボンディング性については、第一層の厚さを７０ｎｍ以下とするのが好ましいことがわかった。

上記のオーミック性および接触抵抗についての評価、電極表面の粗さ、ワイヤボンディング性についての評価を総合すると、第一層の厚さは１０〜７０ｎｍが好ましいことがわかった。
また、ウェハ上の素子の電気特性を自動測定する装置であるオートプローバを用いて、電極の表面状態が電極の画像認識に与える影響を調べたところ、表面粗さが小さい電極ほど光の反射率がよく、画像認識が容易であることが判明した。このことから、自動測定装置による測定の際に電極の画像認識を容易にして測定エラーを減らすためには、表面粗さが小さくなるように、第一層を１０〜５０ｎｍとすることがより好ましく、１０〜３０ｎｍとすることが更に好ましい。

実施例２
Ｐｄの代わりにＴｉ、Ｎｂ、ＭｏまたはＷのいずれかを用いたこと以外は実施例１と同様にして電極を形成した半導体ウエハ試料および電極試料を作製し、オーミック性および接触抵抗についての評価、電極表面の粗さ、ワイヤボンディング性についての評価を行った。表面粗さが若干大きくなったことを除き、実施例１と同様の結果が得られた。

比較例
第一層の厚さを３０ｎｍとし、第二層の材料としてＲｈを用いたこと以外は、実施例１と同様にして電極を形成した半導体ウエハ試料を製作し、評価を行った。
Ｉ−Ｖ（電流−電圧）特性は直線的となり、電極はオーミック性となっていた。また、電極間に２０ｍＡの電流を流した時の電極間の電圧は、０．１５Ｖであり、接触抵抗の点でも、良好であった。
しかし、微分干渉顕微鏡で電極表面を観察するとＡｕ表面の金属光沢は鈍く、微細な凹凸に覆われたような面となっており、更には、部分的に大きな盛り上がりが形成されていた。微細な凹凸部分を、実施例１と同様に、表面粗さ計によって測定したところ、最大高低差は２０００Åにもなっていた。
前記の大きな盛り上がり部分の組成を分析したところ、Ａｌ、Ｒｈ、Ａｕが検出された。この結果から、この部分では相互拡散による合金化が激しく生じたと考えられる。
また、実施例と同様に、半導体ウエハ試料を分断して得た電極試料についてワイヤボンディングテストを行った結果、測定した５０個中、Ａｕワイヤの接続が可能だったのは５個のみであった。Ａｕワイヤを接合できた試料に対して、Ａｕワイヤのプルテストを行ったところ、断線強度は２ｇ未満であり、断線個所は電極表面とＡｕワイヤとの接合界面であった。

以上のように、本発明のオーミック電極は、Ａｌ（またはＡｌ合金）層、バリア金属層、Ａｕ層を含む積層構造を有しており、Ａｌ層の厚さを１０〜７０μｍの範囲に設定することによって、窒化物半導体とのオーミック性および低接触抵抗、ならびに、滑らかで光沢のある電極の表面状態と、それに伴う良好なワイヤボンディング性を実現することができた。

本発明によるオーミック電極の構造の一例を示した説明図である。ハッチングは、領域を区別する目的で、適宜施している（他の図も同様である）。 本発明によるオーミック電極の構造の好ましい態様の一例として、第一層の形成パターンを模式的に示す図である。 図２の態様における、第一層のその他の形成パターンを模式的に示す図である。 本願発明によるオーミック電極の電極表面を撮影した顕微鏡写真である。

符号の説明

１ オーミック電極
１１ 第一層
１２ 第二層
１３ 第三層
２ ｎ型窒化物半導体
２ａ ｎ型窒化物半導体の表面

Claims (14)

1. ｎ型窒化物半導体の表面に形成されたオーミック電極であって、当該電極は、
   ｎ型窒化物半導体に近い側から順に、Ａｌおよび／またはＡｌ合金を有してなる厚さ１０ｎｍ〜７０ｎｍの第一層と、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから選ばれる１以上の金属からなる第二層と、Ａｕを有してなる第三層とを有する積層体として構成され、かつ、
   ｎ型窒化物半導体の表面に形成された状態で、該半導体との接触抵抗を低減させるための熱処理が施されたものであることを特徴とする、ｎ型窒化物半導体用のオーミック電極。
2. 熱処理の温度が３５０〜６００℃である、請求項１記載のオーミック電極。
3. 第二層が、Ｐｄからなる層である、請求項１記載のオーミック電極。
4. 第三層が、Ａｕからなる層である、請求項１記載のオーミック電極。
5. 第三層が、Ａｕからなる層とＰｔからなる層とを交互に積層してなる多層膜である、請求項１記載のオーミック電極。
6. 上記多層膜の最上層がＡｕ層である、請求項５記載のオーミック電極。
7. 第一層の材料が、実質的にＡｌとＮｄとからなるＡｌ−Ｎｄ合金であり、該Ａｌ−Ｎｄ合金のＮｄ含有量が０．０５原子％〜１０原子％である、請求項１記載のオーミック電極。
8. 上記Ａｌ−Ｎｄ合金のＮｄ含有量が０．７原子％〜１０原子％である、請求項７記載のオーミック電極。
9. 第一層が、ｎ型窒化物半導体の表面のうちの電極が形成されるべき領域全体に対して、該半導体の表面を覆う被覆領域と、該半導体の表面を覆わない露出領域とを含むパターンとして形成されている、請求項１記載のオーミック電極。
10. 第一層のパターンが、
    （ア）電極が形成されるべき領域の中央部において、帯状の被覆領域と帯状の露出領域とが交互にストライプ状に配置され、電極が形成されるべき領域の外周縁部において被覆領域同士が連結したパターン、または、
    （イ)電極が形成されるべき領域において被覆領域が蛇行しているパターン、または、
    （ウ)電極が形成されるべき領域において、被覆領域が、帯状の露出領域によって分断されたパターンである、
    請求項９記載のオーミック電極。
11. ｎ型窒化物半導体の表面上に、該半導体に近い側から順に、Ａｌおよび／またはＡｌ合金を有してなる厚さ１０ｎｍ〜７０ｎｍの第一層と、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＭｏおよびＷから選ばれる１以上の金属からなる第二層と、Ａｕを有してなる第三層とを有する積層体を形成する工程と、
    前記ｎ型窒化物半導体およびその表面上の積層体に対して、該半導体との接触抵抗を低減させるための熱処理を施す工程とを、
    有することを特徴とする、ｎ型窒化物半導体用のオーミック電極の製造方法。
12. 上記熱処理の温度が３５０〜６００℃である、請求項１１記載の製造方法。
13. 第一層の材料が、実質的にＡｌとＮｄとからなるＡｌ−Ｎｄ合金であり、該Ａｌ−Ｎｄ合金のＮｄ含有量が０．０５原子％〜１０原子％であり、該第一層の形成方法が合金スパッタリングである、請求項１１記載の製造方法。
14. 上記熱処理が、上記Ａｌ−Ｎｄ合金に含まれるＮｄの一部を、Ａｌ_４Ｎｄ金属間化合物として析出させるための熱処理を兼ねている、請求項１３記載の製造方法。