JP2009010359A - Nitride semiconductor element and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本件発明は、シリコン基板を用いた窒化物半導体素子及びその製造方法に関し、より詳細にはシリコン基板に対するオーミック接触性と密着性に優れた電極を備えた窒化物半導体素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device using a silicon substrate and a manufacturing method thereof, and more particularly to a nitride semiconductor device including an electrode having excellent ohmic contact and adhesion to a silicon substrate and a manufacturing method thereof.
窒化物半導体素子は、高出力の短波長光を発光可能であり、青色、緑色LEDや、蛍光体と組み合わせた白色LEDとして広く利用されている。また、窒化物半導体素子は、HEMT等の高速電子デバイスとしても近年盛んに研究されている。 Nitride semiconductor elements can emit high-output short-wavelength light, and are widely used as blue and green LEDs and white LEDs in combination with phosphors. In addition, nitride semiconductor elements have been actively studied in recent years as high-speed electronic devices such as HEMTs.
窒化物半導体素子は、窒化物半導体層をホモエピタキシャル成長させるためのGaN基板が高価であるため、サファイア等の異種基板上に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させて製造するのが一般的である。しかしながら、サファイア等の異種基板であっても、大口径のウェハを得ることは難しく、コスト的にも安価ではない。また、サファイアは絶縁性であるために、サファイア基板の裏面に電極を形成することができず、両極性の電極を同じ窒化物半導体層側に形成しなければならない。そのため窒化物半導体素子内の電流分布を均一にすることが難しい。 A nitride semiconductor element is generally manufactured by heteroepitaxially growing a nitride semiconductor layer on a heterogeneous substrate such as sapphire because a GaN substrate for homoepitaxially growing a nitride semiconductor layer is expensive. However, even with a dissimilar substrate such as sapphire, it is difficult to obtain a large-diameter wafer, and the cost is not low. Moreover, since sapphire is insulative, an electrode cannot be formed on the back surface of the sapphire substrate, and bipolar electrodes must be formed on the same nitride semiconductor layer side. Therefore, it is difficult to make the current distribution in the nitride semiconductor device uniform.
そこで導電性で裏面に電極形成が可能であり、かつ、大口径ウェハが安価に入手可能なシリコン基板上に窒化物半導体素子を形成することが検討されている。 Therefore, it has been studied to form a nitride semiconductor element on a silicon substrate which is conductive and can be formed with an electrode on the back surface, and a large-diameter wafer can be obtained at low cost.
例えば、特許文献1には、n型シリコン基板上に、ガリウムとインジウムとシリコンを主成分とする金属化合物領域と、窒化アルミニウム層を形成し、その上に窒化物半導体の素子構造を形成した窒化物半導体素子が開示されている。n型シリコン基板の裏面には、チタンとアルミニウムとを真空蒸着したカソード電極が形成される。そして、窒化物半導体層のp側にはニッケルと金を真空蒸着したアノード電極が形成されている。また、チタンとアルミニウムのカソード電極に代えて、チタン/金ゲルマニウムニッケル合金/金が順次積層された電極を形成することも開示されている。
For example,
また、特許文献2には、n型シリコン基板の表面に、予めIIIB族含有層を形成しておき、その上に窒化物半導体層を形成した窒化物半導体素子が開示されている。n型シリコン基板の裏面には、Al、Ti、Zr、Hf、VまたはNbのいずれかから成るボンディング電極が形成される。そして、窒化物半導体層のp側にはTa、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Cu、AgまたはAuのいずれかから成る薄膜の透明電極が形成され、さらに第2のボンディング電極が形成される。
さらに、特許文献3には、サファイア等の異種基板上に成長させた窒化物半導体層を、共晶層などの導電性接合層を介してシリコン基板に接合し、その後でサファイア等の異種基板を除去して形成した窒化物半導体素子が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1〜3のようにシリコン基板を用いて窒化物半導体素子を構成した場合、素子の製造工程においてシリコン基板に形成した金属電極が剥離し易いという問題があった。即ち、シリコン基板は導電性であるため基板裏面に金属電極を形成することが可能であるが、シリコン基板と金属電極が良好にオーミック接触しなければならない。ところが、シリコン基板とオーミック接触性が良好な金属によって金属電極を形成した場合、ダイシング工程など、窒化物半導体素子の製造工程中に金属電極がシリコン基板から剥離してしまう場合があった。窒化物半導体素子では、シリコン基板上に熱膨張係数や格子定数が異なる窒化物半導体層を形成する必要があるため、通常のシリコン半導体素子に比べて、シリコン基板に形成する金属電極に加わる応力が大きくなる。このため特に金属電極の剥離が起き易いと推定される。
However, when a nitride semiconductor element is configured using a silicon substrate as in
特に、特許文献3のように貼り合わせによってシリコン基板と窒化物半導体層を接合した場合、成長用基板、窒化物半導体層、シリコン基板という熱膨張係数の異なる3つの層を貼り合わせた後に、成長用基板を除去するため、製造工程中のシリコン基板の反りが大きく変化し、金属電極の剥離が起き易くなる。また、特許文献3のように導電性接合層によってシリコン基板と窒化物半導体層を接合した後は、導電性接合層の融点を超える温度でアニールすることができない。このため、特に貼り合わせ後にシリコン基板に形成する金属電極は高温でアニールしなくてもオーミック接触が可能な金属にする必要があり、電極材料の選択が限られてしまう。従って、金属電極のオーミック接触性と付着力の両立は一層難しくなる。 In particular, when a silicon substrate and a nitride semiconductor layer are bonded by bonding as in Patent Document 3, the growth is performed after bonding three layers having different thermal expansion coefficients, ie, a growth substrate, a nitride semiconductor layer, and a silicon substrate. Since the substrate is removed, the warpage of the silicon substrate during the manufacturing process is greatly changed, and the metal electrode is easily peeled off. Moreover, after joining a silicon substrate and a nitride semiconductor layer by a conductive joining layer as in Patent Document 3, annealing cannot be performed at a temperature exceeding the melting point of the conductive joining layer. For this reason, the metal electrode formed on the silicon substrate after the bonding needs to be a metal capable of ohmic contact without annealing at a high temperature, and the selection of the electrode material is limited. Therefore, it becomes more difficult to achieve both ohmic contact and adhesion of the metal electrode.
そこで本件発明は、シリコン基板を用いた窒化物半導体素子において、シリコン基板に形成する金属電極のオーミック接触性と基板への付着力を両立し、電気特性と信頼性に優れた窒化物半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a nitride semiconductor device using a silicon substrate, which has both the ohmic contact property of the metal electrode formed on the silicon substrate and the adhesion to the substrate, and has excellent electrical characteristics and reliability. It aims at providing the manufacturing method.
上記目的を達成するために本件発明の窒化物半導体素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された窒化物半導体層と、前記シリコン基板に接して形成された金属電極とを備えた窒化物半導体素子であって、前記金属電極は、前記シリコン基板に接して離散した島状に形成された第1金属層と、前記第1金属層の島同士の間から露出したシリコン基板に接して前記第1金属層を覆うよう形成された第2金属層と、を有し、前記第2金属層は、シリコンとオーミック接触可能な金属から成り、前記第1金属層は、前記第2金属層と異なる金属とシリコンとを含む合金から成ることを特徴とする。 To achieve the above object, a nitride semiconductor device of the present invention includes a silicon substrate, a nitride semiconductor layer formed on the silicon substrate, and a metal electrode formed in contact with the silicon substrate. The metal electrode is in contact with the first metal layer formed in discrete island shapes in contact with the silicon substrate and the silicon substrate exposed between the islands of the first metal layer. A second metal layer formed to cover the first metal layer, wherein the second metal layer is made of a metal capable of ohmic contact with silicon, and the first metal layer is the second metal layer And an alloy containing silicon and different metals.
本件発明によれば、第2金属層によってシリコン基板との良好なオーミック接触を確保しながら、第1金属層によってシリコン基板に対する高い付着力が得られるため、オーミック接触性と機械的安定性の両方に優れた金属電極が容易に得られる。即ち、本件発明において、第2金属層は、白金族などシリコンと良好にオーミック接触可能な金属から成り、シリコン基板への付着力は高くないが、島状に離散した第1金属層の島同士の間から露出したシリコン基板の表面と良好にオーミック接触する。一方、第1金属層は、第2金属層とは異なる金属とシリコンとを含む合金から成り、シリコン基板に対する付着力が高い。従って、第1金属層をシリコン基板上に島状に形成することによって、第1金属層がシリコン基板と第2金属層を接続するアンカーとして機能し、金属電極全体としての付着力を確保することができる。 According to the present invention, both the ohmic contact property and the mechanical stability can be obtained because the first metal layer can provide a high adhesion to the silicon substrate while ensuring good ohmic contact with the silicon substrate by the second metal layer. An excellent metal electrode can be easily obtained. That is, in the present invention, the second metal layer is made of a metal such as a platinum group that can satisfactorily make ohmic contact with silicon and does not have high adhesion to the silicon substrate. Good ohmic contact with the exposed surface of the silicon substrate. On the other hand, the first metal layer is made of an alloy containing silicon and a metal different from the second metal layer, and has high adhesion to the silicon substrate. Accordingly, by forming the first metal layer in an island shape on the silicon substrate, the first metal layer functions as an anchor for connecting the silicon substrate and the second metal layer, and ensures adhesion as the entire metal electrode. Can do.
尚、本件発明において、「第2金属層と異なる金属」とは、第2金属層の主成分である金属とは異なる金属を意味し、第2金属層に少量含まれる金属は除外されない。また、本件発明において、「主成分である」とは、当該成分のモル比が50%以上である場合を指す。 In the present invention, the “metal different from the second metal layer” means a metal different from the metal that is the main component of the second metal layer, and a metal contained in a small amount in the second metal layer is not excluded. In the present invention, “being a main component” refers to a case where the molar ratio of the component is 50% or more.
第1金属層は、遷移金属とシリコンとを含む合金から成ることが好ましく、より好ましくはTi、W、Coから選択された少なくとも1種とシリコンとを含む合金から成ることが望ましい。これらのシリコン合金は、シリコン基板に対して高い接続強度を示すため、金属電極の剥離を一層効果的に抑制できる。 The first metal layer is preferably made of an alloy containing a transition metal and silicon, and more preferably made of an alloy containing at least one selected from Ti, W, and Co and silicon. Since these silicon alloys exhibit high connection strength with respect to the silicon substrate, peeling of the metal electrode can be more effectively suppressed.
また、第1金属層はシリコン基板との密着性を確保するための層であり、シリコン基板とのオーミック接触は第1金属層同士の間から露出したシリコン基板と第2金属層との間で取る。従って、第1金属層を島の粒径が100Å以下であることが好ましく、それによって第2金属層とシリコン基板のオーミック接触領域も広くなり、接触抵抗が一層低くなる。また、第1金属層の膜厚は、5〜100Åであることが望ましい。この膜厚であれば、スパッタリングによって第1金属層を微細な径の島状に形成することが可能となる。 The first metal layer is a layer for ensuring adhesion with the silicon substrate, and the ohmic contact with the silicon substrate is between the silicon substrate exposed between the first metal layers and the second metal layer. take. Accordingly, it is preferable that the island diameter of the first metal layer is 100 μm or less, whereby the ohmic contact region between the second metal layer and the silicon substrate is widened, and the contact resistance is further lowered. Further, the film thickness of the first metal layer is desirably 5 to 100 mm. With this thickness, the first metal layer can be formed into an island shape with a fine diameter by sputtering.
シリコン基板がp型である場合、第2金属層が白金族(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)の少なくとも1種を主成分として含むことが望ましく、最も好ましくはPtを主成分として含む。白金族の金属は、p型シリコン基板に対してオーミック接触が取りやすく、例えば、抵抗率がある程度高くても良好にオーミック接触可能である。特に、Ptはp型シリコン基板の抵抗率が2Ωcm以上であっても良好なオーミック接触が可能である。また、白金属の金属は、p型シリコン基板の抵抗率がある程度低ければ(例えば、0.5Ωcm以下)、高温アニールを行わなくてもオーミック接触が可能である点でも望ましい。 When the silicon substrate is p-type, the second metal layer preferably contains at least one platinum group (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) as a main component, and most preferably has Pt as a main component. Including. The platinum group metal can easily make ohmic contact with the p-type silicon substrate, and can make good ohmic contact even if the resistivity is high to some extent. In particular, Pt can make a good ohmic contact even if the resistivity of the p-type silicon substrate is 2 Ωcm or more. A white metal is also preferable in that ohmic contact is possible without performing high-temperature annealing if the resistivity of the p-type silicon substrate is low to some extent (for example, 0.5 Ωcm or less).
尚、シリコン基板と窒化物半導体積層体は、導電性接合層を用いて接合されていることが好ましく、これによって本件発明による金属電極の剥離防止効果が一層重要となる。 In addition, it is preferable that the silicon substrate and the nitride semiconductor multilayer body are bonded using a conductive bonding layer, and thereby, the peeling prevention effect of the metal electrode according to the present invention becomes more important.
また、本件発明の窒化物半導体素子の製造方法は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に有する窒化物半導体層と、前記シリコン基板に接して形成された金属電極とを備えた窒化物半導体素子の製造方法であって、前記シリコン基板上に、前記シリコン基板に接して離散した島状に第1の金属層を形成する過程と、前記第1金属層の島同士の間から露出したシリコン基板に接して前記第1金属層を覆うように第2金属層を形成する過程とを含む金属電極形成工程を含み、前記第2金属層は、シリコンとオーミック接触可能な金属から成り、前記第1金属層は、前記第2金属層と異なる金属とシリコンとを含む合金から成る事を特徴とする。 In addition, a method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes a nitride semiconductor device including a silicon substrate, a nitride semiconductor layer provided on the silicon substrate, and a metal electrode formed in contact with the silicon substrate. In the manufacturing method, on the silicon substrate, the process of forming the first metal layer in discrete island shapes in contact with the silicon substrate, and the silicon substrate exposed from between the islands of the first metal layer Forming a second metal layer so as to cover and cover the first metal layer, wherein the second metal layer is made of a metal capable of ohmic contact with silicon, and the first metal The layer is made of an alloy containing a metal and silicon different from the second metal layer.
本件製造方法によれば、シリコン基板上に、シリコン基板に対する高い付着力を有する第1金属層を形成し、続いてシリコン基板との良好なオーミック接触を有する第2金属層を形成することにより、オーミック接触性と機械的安定性の両方に優れた金属電極を形成することができる。 According to this manufacturing method, on the silicon substrate, by forming a first metal layer having high adhesion to the silicon substrate, and subsequently forming a second metal layer having good ohmic contact with the silicon substrate, A metal electrode excellent in both ohmic contact and mechanical stability can be formed.
以上のように、本件発明によれば、シリコン基板を用いた窒化物半導体素子において、シリコン基板に形成する金属電極のオーミック接触性と密着性を両立し、電気特性と信頼性に優れた窒化物半導体素子及びその製造方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, in a nitride semiconductor device using a silicon substrate, a nitride having excellent electrical characteristics and reliability, which achieves both ohmic contact and adhesion of a metal electrode formed on the silicon substrate. A semiconductor device and a manufacturing method thereof can be provided.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図1A及び図1Bは、本実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す上面図及び断面図である。図1A及びBに示す窒化物半導体素子1では、略矩形で導電性のシリコン基板2の表面(第1の主面)22上に、金属電極8、基板側密着層9、基板側バリア層11、導電性接合層17、半導体側バリア層13、半導体側密着層15及びp電極12を介して、窒化物半導体層10が接合されている。また、シリコン基板2の裏面(第2の主面)24にも金属電極8’が形成されている。p電極12は、窒化物半導体層10のp側にオーミック接続しており、シリコン基板2を介して外部と電気的に接続可能である。また、p電極12の周囲には絶縁保護膜14が形成されている。一方、窒化物半導体層10のn側にはn電極16が形成されており、パッド部16aを除いて第2絶縁保護膜18によって覆われている。n電極16は、パッド部16aに接続されるワイヤー等を介して外部と電気的に接続可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B are a top view and a cross-sectional view showing a nitride semiconductor device according to the present embodiment. In the
図1A及び図1Bに示す窒化物半導体素子1は、導電性のシリコン基板2を用いて、シリコン基板2の裏面24に金属電極8’を設けているため、素子全体に均一に電流を流すことができる。また、安価なシリコン基板を用いているため低コストである。さらに、シリコン基板2はもともとダイシングが容易な材料である上、本実施の形態では従来問題となっていたダイシング時の金属電極8、8’の剥離も抑制されるため、高い歩留まりで製造することができる。
The
図2は、シリコン基板2上の金属電極8の部分を示す模式図である。図2に示すように、本実施の形態においてシリコン基板2の表面22に形成された金属電極8は、島状に離散して形成された第1金属層4と、第1金属層4を覆ってシリコン基板2のほぼ全面に面状に形成された第2金属層6とを有している。第2金属層6は、白金族などのシリコンと良好にオーミック接触可能な金属から成り、島状に離散した第1金属層4の島同士の間から露出したシリコン基板2の表面22とオーミック接触している。一方、第1金属層4は、第2金属層6とは異なる金属とシリコンとを含む合金から成り、シリコン基板2に高強度で付着している。この第1金属層4が、シリコン基板2と第2金属層6を接合するアンカーの役割を果たす。従って、本実施の形態の金属電極8によれば、第2金属層6によってシリコン基板2との良好なオーミック接触を確保しながら、第1金属層4のアンカー効果によって第2金属層6がシリコン基板2から剥離することを効果的に防止できる。尚、シリコン基板2の裏面24に形成された金属電極8’も、表面の金属電極8と同じ組成、構造にすることが好ましい。以下の金属電極8に関する説明は、金属電極8’にも適用できる。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a portion of the
図3のように、シリコン基板2の表面22に、第1金属層4と第2金属層6とを有する金属電極8を形成すると、ダイシング時に金属電極8の剥離を抑えることができる(すなわち、ダイシング時に、シリコン基板2と窒化物半導体10との剥離を抑えることもできる)ので好ましい。また、シリコン基板2の表面22と金属電極8とをオーミック接触を確立することもできる。
同様に、図4のように、シリコン基板2の裏面24に、第1金属層4’と第2金属層6’とを有する金属電極8’を形成すると、ダイシング時に金属電極8’の剥離を抑えることができるので好ましい。そして、シリコン基板2の表面24と金属電極8’とをオーミック接触を確立することもできる。
最も好ましいのは、図2のようにシリコン基板2の表面22及び裏面24の両方に金属電極8、8’を形成することである。これにより、シリコン基板2の表面22及び裏面24の両方に、オーミック接触性と密着性に優れた金属電極8、8’を備えることができる。
As shown in FIG. 3, when the
Similarly, when the
Most preferably, the
第1金属層4は、第2金属層6と異なる金属とシリコンとを含む合金である。シリコン合金は一般にシリコンに対する付着力が高いため、第1金属層4のシリコン基板に対する付着力は高くなる。また、シリコン合金は、シリコン単体と比べると、白金族などのシリコンとのオーミック接触性に優れた金属に対する付着力も高い。さらに、島状に形成された第1金属層4の周囲を第2金属層6が埋め込むことによって、第1金属層4と第2金属層6の間に機械的な接合力も生じる。従って、第1金属層4をシリコン基板2上に島状に形成することによって、第1金属層4がシリコン基板2と第2金属層6を結びつけるアンカーとして機能し、金属電極8の剥離を効果的に抑制できる。
The
ここで「第2金属層と異なる金属とシリコンとを含む合金」は、そのシリコン合金がシリコン基板2に高強度に付着可能であれば特に限定されない。但し、「第2金属層と異なる金属」は、遷移金属が望ましく、より好ましくはTi、Co、W及びNiから成る群から選択された1種であることが望ましい。中でもTi、Co及びWが好ましく、Tiが最も好ましい。これらのシリコン合金は、シリコン基板2に対して高い接続強度を示す。また、第1金属層4におけるシリコン含有率は、40〜75atom%であることが好ましい。シリコン含有率が40atom%よりも低いシリコン基板2との接続強度が低下し易く、シリコン含有率が75atom%よりも高いと第1金属層4が第2金属層6に対して示すアンカー効果が低下する傾向にある。尚、本件明細書における「合金」とは、ある金属に他の金属元素や非金属元素を添加溶解したものを指し、シリサイドも含まれる。第1金属層6がシリサイドであると一層好ましい。中でもTiSi2はシリサイドの中でも最も安定しており、好ましい。
Here, the “alloy including a metal different from the second metal layer and silicon” is not particularly limited as long as the silicon alloy can adhere to the
一方、第2金属層6は、シリコンと良好なオーミック接触可能な金属から成る。シリコン基板2がp型である場合には、第2金属層6は仕事関数の大きな金属とすることが好ましい。例えば、第2金属層6が白金族(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)から成ることが望ましく、最も好ましくはPtである。白金族の金属は、p型シリコン基板2に対してオーミック接触が取りやすく、例えば、シリコン基板2の抵抗率がある程度高くても良好にオーミック接触可能である。特に、Ptはp型シリコン基板2の抵抗率が2Ωcm以上であっても良好なオーミック接触が可能である。また、白金属の金属であれば、p型シリコン基板2の抵抗率がある程度低い場合には、高温アニールを行わなくてもオーミック接触が可能である。一方、シリコン基板2がn型である場合には、Ti又はAlを主成分と含む金属、より好ましくはTi又はAlが望ましい。尚、第2金属層6は、全体としてオーミック接触が良好な金属であれば良い。例えば、白金族の金属に、そのオーミック接触性を阻害しない程度に他の金属元素が含まれていても良い。
On the other hand, the
尚、第1金属層4によるアンカー効果が得られれば、第1金属層4と第2金属層6は必ずしも接している必要はない。例えば、第1金属層4と第2金属層6の間に、それら両方に密着可能な第3の金属が介在していても構わない。
In addition, if the anchor effect by the
金属電極8は、次のようにして形成することができる。まず、シリコン基板2上に、第1金属層4を島状に離散した形態に成長させる。第1金属層4は、フォトリソグラフィを用いたパターニングによって島状に形成することも可能であるが、スパッタリングや真空蒸着を利用して島状に成長することが好ましく、特にスパッタリングが好ましい。即ち、スパッタリングでは、成長初期に島状の核がクラスタとして生成し、成長を続けると島状のクラスタ同士がつながって均一な膜に成長する。そこで均一な膜に成長する前にスパッタリングを停止することにより、微細な径の島状に離散した形態の第1金属層4を形成することができる。そして島状に形成された第1金属層4を覆うように第2金属層6を形成する。第2金属層6は、スパッタリングや真空蒸着などの通常の方法で形成することができる。これによってシリコン基板2上に金属電極8が形成される。
The
尚、第1金属層4はシリコン基板2に対する付着力を確保するための層であり、シリコン基板2とのオーミック接触は第1金属層4同士の間から露出したシリコン基板2と第2金属層6との間で取る。従って、第1金属層4を島の粒径が100Å以下であることが好ましく、それによって第2金属層6とシリコン基板2のオーミック接触領域も広くなり、接触抵抗が一層低くなる。また、第1金属層4の島が配列する平均ピッチは、島の平均粒径以上であることが好ましい。第1金属層4の膜厚は、5〜100Å、より好ましくは10〜50Åであることが望ましい。この膜厚であれば、スパッタリングのクラスタ形成を利用して第1金属層4を微細な径でファインピッチの島状に形成することが可能となる。一方、第2金属層6は、少なくとも第1金属層を完全に覆うように形成する。第2金属層6の膜厚は、2000〜5000Å、より好ましくは2500〜3000Åであることが望ましい。
The
また、シリコン合金から成る第1金属層4は、目的とする組成のシリコン合金をターゲットとして用いたスパッタリングによって形成することが好ましい。これによってシリコン基板2の密度が金属電極8との界面近傍においても一定に保たれる。即ち、例えばTiSi2という組成のシリコン合金を第1金属層4として形成する場合、Tiを島状に形成した後にアニールしてTiSi2とすることも可能である。しかし、その場合はシリコン基板2内のシリコンが消費されてシリコン合金が形成されるため、シリコン基板2の密度が第1金属層4との界面近傍において低下してしまう。これに対して、例えばTiSi2をターゲットとして用いたスパッタリングによって第1金属層4を形成すれば、シリコン基板2の密度が金属電極8との界面近傍においても一定に保たれる。シリコン基板2の密度が金属電極8との界面近傍においても一定であれば、シリコン基板2と金属電極8のオーミック接触性及び密着性がより良好になるため好ましい。
The
(窒化物半導体素子1の製造方法)
次に、窒化物半導体素子1の製造方法について図5A〜Hを参照しながら説明する。図面の簡単のため、図5A〜Hにおいては、p電極12及びn電極16のパターンは簡略化してある。
(Manufacturing method of nitride semiconductor device 1)
Next, a method for manufacturing the
図5Aに示すように、サファイア等の成長用基板20の表面に、窒化物半導体層10を形成する。窒化物半導体層10は、適当な素子構造を実現するためn型及びp型の窒化物半導体層を複数積層して形成される。結晶性の観点からは、n型窒化物半導体層を先に成長し、p型窒化物半導体層を後から形成することが好ましい。例えば、窒化物半導体発光素子の場合であれば、バッファ層、高温成長層、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層、及びp型コンタクト層などを含む。
As shown in FIG. 5A, a
次に、図5Bに示すように、窒化物半導体層10のp側の表面にオーミック接触するようにp電極12を形成する。p電極12には、例えば、Rhなどを用いることができる。そして、p電極12の周囲にSiO2などの絶縁保護膜14を形成し、素子全面を覆うように、窒化物半導体層10側から順に、Ti等の半導体側密着層15、Pt等の半導体側バリア層13、第1導電性接合層17aを形成する。第1導電性接合層17aは、Sn、In等の比較的低融点の金属を主たる組成として含む。尚、ここで第1導電性接合層17aの露出面となる界面及び/又は半導体側バリア層13との界面にAu等の層(図示せず)を形成しておくことも好ましい。Au層は、第1導電性接合層17aを保護すると共に、接合をより良好にするという効果を有する。
Next, as shown in FIG. 5B, the p-
次に、図5Cに示すように、p型(又はn型)のシリコン基板2を準備し、その上にTiSi2等のシリコン合金から成る第1金属層4を島状に離散した形態に成長させる。第1金属層4は、目的とするシリコン合金のターゲットを用いたスパッタリングを利用して成長することが好ましい。即ち、均一な膜に成長する前にスパッタリングを停止することにより、島状に離散した形態の第1金属層4を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5C, a p-type (or n-type)
次に、図5Dに示すように、島状に形成された第1金属層4を覆うようにPt等から成る第2金属層6を形成する。第2金属層6は、スパッタリング、真空蒸着などの通常の方法で形成することができる。これによってシリコン基板2上に金属電極8が形成される。
Next, as shown in FIG. 5D, a
次に、図5Eに示すように、シリコン基板2の金属電極8上に、さらに基板側密着層9、基板側バリア層11、第2導電性接合層17bを形成し、シリコン基板2を上下反転する。第2導電性接合層17bは、Pd、Au等から成り、第1導電性接合層17aと共晶形成可能であり、第1導電性接合層17aよりも高融点の金属を主たる組成として含む。そして、第1導電性接合層17aと第2導電性接合層17bとが対向するように、窒化物半導体層10の上にシリコン基板2を積層し、加熱圧接する。尚、基板側密着層9、基板側バリア層11は、必ずしも必要ではなく、省略しても良い。また、第1導電性接合層17aと第2導電性接合層17bは、互いに濡れ性が良く、相互拡散する材料の組合せとすることが好ましい。例えば、AuとSn、SnとPd、AgとSnなどは、互いに濡れ性が良く、相互拡散する組合せとなる。従って、例えば、第1導電性接合層17aをAu−Sn合金とし、第2導線性接合層17bをAuやPdで構成することができる。
Next, as shown in FIG. 5E, a substrate
図5Fに示すように、加熱圧接されると、第1導電性接合層17aと第2導電性接合層17bが互いに拡散して導電性接合層17を形成し、シリコン基板2と窒化物半導体層10とが接合される。
As shown in FIG. 5F, when heat-welded, the first
そして図5Gに示すように、シリコン基板2が下側となるように素子を上下反転させて研磨器に設置し、成長用基板20のラッピングを行う。このとき、成長用基板2と共に、窒化物半導体層10内のバッファ層や下地層も同時に除去することができる。
Then, as shown in FIG. 5G, the device is turned upside down so that the
次に、図5Hに示すように、窒化物半導体層10のn側の表面をポリシングした後、Ti/Al/Ni/Au等のn電極16を形成し、パッド部を残して第2絶縁保護膜18で覆う。次に、シリコン基板2の裏面24に、TiSi2等の第1金属層4’を島状に形成し、その第1金属層4’を覆うようにPt等の第2金属層6’を形成して、金属電極8’を形成する。このとき窒化物半導体素子に導電性接合層17の融点を超えるような高温を加えるとシリコン基板2が窒化物半導体層10から剥がれてしまう。本実施の形態の金属電極8’は、例えば第2金属層6がPt等であれば高温でアニールしなくてもオーミック接触を取ることが可能であるので、シリコン基板2の剥離等の問題を起こすことなくオーミック接触の良好な金属電極8’を形成できる。
Next, as shown in FIG. 5H, after polishing the n-side surface of the
なお、シリコン基板2の裏面24に第1金属層4’及び第2金属層6’を形成する前に、シリコン基板2の裏面24を研磨してもよい。これにより、シリコン基板2が薄くなり、薄い窒化物半導体素子を得ることができる。特に、シリコン基板2の厚さが50μm〜250μmであると、窒化物半導体素子2の基板として機能するのに必要な厚さを確保しながら、薄い窒化物半導体素子を得ることができるので好ましい。
Note that the
シリコン基板2を薄くするには、窒化物半導体層10をシリコン基板2に接合した後に、シリコン基板2の裏面24を研磨するのが好ましい。薄いシリコン基板2は強度が低いので、窒化物半導体層10を接合する前にシリコン基板2を研磨するのは、シリコン基板2が破損する可能性があるので望ましくない。さらには、接合する前にシリコン基板を薄くし、窒化物半導体層と接合すると、接合されたとしても、シリコン基板と窒化物半導体層との間の熱膨張係数差により、シリコン基板が破損してしまう傾向にあり望ましくない。特に、シリコン基板2の厚さを250μm以下まで薄くする場合には、これらに起因する破損の可能性は高まる。そこで、シリコン基板2を窒化物半導体層10に接合した後に、シリコン基板2の裏面24を研磨すれば、シリコン基板2を破損することなくシリコン基板2を薄くすることができる。
In order to thin the
なお、図6のフローチャートに示すように、シリコン基板2の裏面24を研磨する場合、裏面24の金属電極8’は、研磨の工程S20の後に形成しなくてはならない。すなわち、シリコン基板2と窒化物半導体層10とを接合する工程S10の後に、金属電極8を形成する工程(第1の金属層4’を形成する工程S30と、第2の金属層6’を形成する工程S40)を行う必要がある。本実施の形態の金属電極8’は、高温でアニールしなくてもオーミック接触を取ることが可能である。よって、シリコン基板2と窒化物半導体層10とを接合した後に金属電極8’を設けても、シリコン基板2と窒化物半導体層10との間に剥離等を起こすことなく、オーミック接触の良好な金属電極8’を形成できる。
As shown in the flowchart of FIG. 6, when the
そして、ダイシングにより発光素子をチップ状に分離する。これにより、シリコン基板2上に窒化物半導体層10が積層され、n電極16及びp電極12が窒化物半導体層10を上下から挟んだ構造の窒化物半導体素子を得ることができる。このときシリコン基板2の金属電極8、8’には応力や衝撃など剥離要因となる力が加わるが、本実施の形態の金属電極8、8’は密着性に優れるため、シリコン基板2からの剥離が有効に防止される。
Then, the light emitting element is separated into chips by dicing. As a result, a nitride semiconductor element having a structure in which the
次に、本実施の形態の窒化物半導体素子について、主要な部分の構成や製造工程をより詳細に説明する。 Next, the structure and manufacturing process of main parts of the nitride semiconductor device of the present embodiment will be described in more detail.
(シリコン基板2)
窒化物半導体層10に接合するシリコン基板2は、p型又はn型のいずれでも良い。シリコン基板2の導電率は、0.002〜3Ωcmであることが望ましい。シリコン基板2の導電率(及び不純物濃度)が上記範囲であると、金属電極8、8’のオーミック接触が取り易くなり、また、窒化物半導体素子を低Vfにできる。尚、p型シリコン基板は、例えばBドープによりp型となるので、低コストのCZ法で作成することが可能である。また、p型シリコン基板は、n型シリコン基板に比べて、抵抗率も制御し易い。
(Silicon substrate 2)
The
(基板側密着層9、半導体側密着層15)
基板側密着層9や半導体側密着層15などの密着層は、下地層との間に高い密着性を確保するための層であり、Ti、Ni、W及びMoのいずれか1種の金属を含むことが好ましい。密着層の膜厚は、50〜500nmであることが好ましい。
(Substrate
Adhesion layers such as the substrate-
(基板側バリア層11、半導体側バリア層13)
基板側バリア層11や半導体側バリア層13などのバリア層は、導電性接合層17中の金属が拡散するのを防止する層であり、白金族(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、Ti、NiおよびW等を含むことが好ましい。白金族の中でも、Pt、Pd、Rhが好ましく、特にPt又はPdが好ましい。最も好ましい組成はPdである。バリア層は、導電性接合層17と混ざる材料を選択して拡散を防止しても良いし、混ざらない材料を選択して拡散を防止しても良い。前者の例が、白金族、Ti及びNiであり、後者の例がWである。バリア層の膜厚は、100〜1000nmであることが好ましい。尚、密着層及び/又はバリア層は、窒化物半導体素子の構成によっては省略することもできる。
(Substrate
The barrier layers such as the substrate-
(第1導電性接合層17a)
第1導電性接合層17aは、比較的低融点の金属を主たる組成として含む層である。融点が300℃以下であり、後述する第2導電性接合層17bと共晶形成可能な金属であることが好ましい。例えば、Sn又はInであることが好ましく、特にSnであることが一層好ましい。第1導電性接合層17aの膜厚は、1000〜3000nmであることが好ましい。
(First
The first
(Au層(図示せず))
また、第1導電性接合層17aの酸化を防止するために、第1導電性接合層17aの上に第1導電性接合層17aよりも高融点で、第2導電性接合層17bよりも低融点な金属、例えば、Au層等を形成しておくことが好ましい。このAu層は、第1導電性接合層17aが半導体側密着層15等へ拡散するのをさらに防止するため、半導体側バリア層13と第1導電性接合層17aの間にも形成することが好ましい。
(Au layer (not shown))
Further, in order to prevent oxidation of the first
(第2導電性接合層17b)
第2導電性接合層17bは、比較的高融点の金属を主たる組成として含む層である。第2導電性接合層17bとしては、第1導電性接合層17aと共晶形成可能であり、第1導電性接合層17aよりも高融点の金属を選択する。例えば、第2導電性接合層17bは、Pd又はAuであることが好ましく、特にPdであることが一層好ましい。第2導電性接合層17bの膜厚は、500nm以下、より好ましくは350nm以下であることが望ましい。
(Second conductive bonding layer 17b)
The second conductive bonding layer 17b is a layer containing a metal having a relatively high melting point as a main composition. As the second conductive bonding layer 17b, a metal that can form a eutectic with the first
尚、本実施の形態では、窒化物半導体層10側に第1導電性接合層17aを形成し、シリコン基板2側に第2導電性接合層17bを形成する例について説明したが、逆の構成でも構わない。その場合にも、上記説明した事項は、窒化物半導体層とシリコン基板を入れ替えて考えれば、そのまま適用することができる。
In the present embodiment, the example in which the first
(窒化物半導体層10)
窒化物半導体層10は、一般式がAlaInbGa1−a−bN(0≦a≦1、0≦b≦1、a+b≦1)で表される窒化物半導体から成る層であり、素子の種類によって種々の構造をとり得る。例えば、窒化物半導体発光素子の場合には、少なくとも、1層以上のp型窒化物半導体層と、AlaInbGa1−a−bN(0≦a≦1、0≦b≦1、a+b≦1)から成る井戸層とAlcIndGa1−c−dN(0≦c≦1、0≦d≦1、c+d≦1)から成る障壁層とを少なくとも含む量子井戸構造を有する活性層と、1層以上のn型窒化物半導体層と、を有することが好ましい。
(Nitride semiconductor layer 10)
The
(p電極12)
p電極12は、p型窒化物半導体層とオーミック接触し、高い反射率を有することが好ましい。p電極12には、Ag、Rh、Ni、Au、Pd、Ir、Ti、Pt、W、Alから成る群から選択される少なくとも1種を含む金属材料を用いることが好ましい。より好ましくは、Rh,Ag,ニッケル金,Ni/Au/RhO及びRh/Irのいずれか、より好ましくは、Rhを用いることができる。ここで、p電極12は、n型窒化物半導体層に比べ抵抗率の高いp型窒化物半導体層上に形成するため、窒化物半導体層10のp側ほぼ全面に形成することが好ましい。なお、p電極12の厚さは、0.05〜0.5μmが好ましい。
(P electrode 12)
窒化物半導体10と接しているp電極12には開口部が設けられ、その開口部内には絶縁保護膜14が形成されている。この絶縁保護膜14の材料には、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2などの単層膜または多層膜を用いることができる。絶縁保護膜14を備えることにより、ショート等を防ぎ、歩留まりや信頼性を向上することができる。また、絶縁保護膜14は、反射膜(図示されていない)との2層構造であっても良い。例えば、絶縁保護膜14の窒化物半導体10と接していない側に、Al、Ag、Rh等の反射膜(図示されていない)を500Å以上2000Å以下の膜厚で形成することにより、横方向に伝播する光を効率良く取り出せる。反射膜は、シリコン基板2側にあっても良いし、窒化物半導体10側にあっても良い。
The
(n電極16)
窒化物半導体層10のn側に形成するn電極16には、Ti/Al/Ni/AuあるいはW/Al/W/Pt/Auの多層電極を用いることができる。n電極16の厚さは、0.1〜1.5μmが好ましい。また、n電極以外の露出面を覆うように、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2等の絶縁性の第2絶縁保護膜18を設けることが好ましい。
(N electrode 16)
The
また、図1A及びBに示すように、n電極16は、チップの対角線上の隅部にパッド部16aを有し、パッド部16aの間に、網目状に広がっている。n電極16を網目状、格子状等で発光範囲のほぼ全面に形成することにより、窒化物半導体層10に均一に電流を流すことができる。パッド部16aは、対角上の2カ所に限らず、四隅全てに形成してもよい。尚、p電極12とn電極16は、両電極が窒化物半導体層10の積層方向から見て、互いに重ならないように対向配置されていることが好ましい。これにより、発光した光を、n電極16により遮られることなく効率良く取出すことができる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the n-
(成長用基板20)
窒化物半導体層10を成長するための成長用基板には、C面、R面及びA面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル(MgAl2O4のような絶縁性基板)、SiC、Si、そして窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を挙げることができる。サファイアやスピネルが好ましい。
(Growth substrate 20)
The growth substrate for growing the
(成長用基板20の除去工程)
また、シリコン基板2を接合後に成長用基板20を除去するには、研磨、エッチング、電磁波照射、あるいはこれらの方法を組合せた方法を用いることができる。電磁波照射を行う場合、電磁波に例えばレーザを用い、シリコン基板2を接合後、成長用基板20の下地層の形成されていない面の全面にレーザを照射して、下地層を分解させることにより成長用基板と下地層とを除去することができる。電磁波照射による除去は、研磨による方法に比べ、作業工程を簡略化し、歩留まりも向上する。さらに、成長用基板と下地層とを除去した後、露出した窒化物半導体層の表面をCMP処理して所望の膜を露出させる。これにより、ダメージ層の除去や、窒化物半導体層の厚み及び表面粗さの調整を行うことができる。
(Step of removing the growth substrate 20)
Further, in order to remove the
また、成長用基板20を除去した後、光の取出し効率を向上させるため、窒化物半導体層10の露出面をRIEにより凹凸(ディンプル加工)を形成しても良い。凹凸(ディンプル加工)形成部は、窒化物半導体の光取り出し側となる。この表面の凹凸形成により全反射で出てこない光を凹凸面で光の角度が変わることで取り出すことができる。即ち、発光した光を凹凸部で乱反射させることにより、従来は全反射していた光を上方へ導き、素子外部に取出すことができる。この凹凸形成は凹凸無しに比べて1.5倍以上の出力向上が期待できる。凹凸の平面形状は、丸状、または六角形や三角形の多角形状であることが好ましい。また、凹凸の平面形状を、ストライプ形状、格子形状、矩形等で形成してもよい。
In addition, after removing the
(蛍光体)
窒化物半導体素子が発光素子である場合、活性層からの光の一部もしくは全部を吸収して異なる波長の光を発光する蛍光物質が含有されたコーティング層や封止部材を形成することで、様々な波長の光を発光することができる。蛍光体としては、活性層の発光の一部を吸収して長波長に変換し、活性層の発光と併せて白色を発光可能とするものが好ましい。
(Phosphor)
When the nitride semiconductor element is a light emitting element, by forming a coating layer or a sealing member containing a fluorescent material that absorbs part or all of the light from the active layer and emits light of a different wavelength, It can emit light of various wavelengths. As the phosphor, one that absorbs a part of the light emitted from the active layer and converts it to a long wavelength and enables white light emission together with the light emission from the active layer is preferable.
尚、本実施の形態では、シリコン基板上に窒化物半導体積層体を貼り合わせる場合を例に説明したが、本件発明はこれに限定されない。例えば、シリコン基板上に窒化物半導体積層体を直接成長し、シリコン基板の裏面に本件明細書で説明した基板側電極を形成しても良い。 In this embodiment, the case where the nitride semiconductor multilayer body is bonded to the silicon substrate has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, a nitride semiconductor stacked body may be directly grown on a silicon substrate, and the substrate-side electrode described in this specification may be formed on the back surface of the silicon substrate.
本実施例では、発光波長が375nmの発光ダイオードに本件発明を適用し、図5A〜Fに示す製造方法に従って、図1A及びBに示す構造の窒化物半導体素子を作成する。 In this example, the present invention is applied to a light emitting diode having an emission wavelength of 375 nm, and a nitride semiconductor device having the structure shown in FIGS. 1A and 1B is produced according to the manufacturing method shown in FIGS.
(成長用基板)
成長用基板20として、サファイア(C面)よりなる基板を用い、MOCVD反応容器内において水素雰囲気中、1050℃で表面のクリーニングを行った。
(Growth substrate)
A substrate made of sapphire (C surface) was used as the
(下地層)
バッファ層:続いて、水素雰囲気中、510℃でアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)を用い、基板上にGaNよりなるバッファ層を約200Åの膜厚で成長させた。
高温成長層:バッファ層成長後、TMGのみを止めて、温度を1050℃まで上昇させ、1050℃になったら、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、アンドープGaNよりなる高温成長の窒化物半導体4を5μmの膜厚で成長させた。
(Underlayer)
Buffer layer: Subsequently, a buffer layer made of GaN was grown to a thickness of about 200 mm on the substrate using ammonia and TMG (trimethylgallium) at 510 ° C. in a hydrogen atmosphere.
High temperature growth layer: After growing the buffer layer, only TMG is stopped, the temperature is increased to 1050 ° C., and when it reaches 1050 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a high temperature
(n型クラッド層兼n型コンタクト層)
次に、1050℃でTMG、TMA、アンモニア、シランを用い、Siを5×1017/cm3ドープしたn型Al0.18Ga0.82Nよりなるn型クラッド層を400Åの膜厚で形成した。
(N-type cladding layer and n-type contact layer)
Next, an n-type cladding layer made of n-type Al 0.18 Ga 0.82 N doped with Si at 5 × 10 17 / cm 3 using TMG, TMA, ammonia, and silane at 1050 ° C. with a thickness of 400 mm. Formed.
(活性層6)
次に、温度を800℃にして、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TMG、TMAを用い、SiドープのAl0.1Ga0.9Nよりなる障壁層、その上にアンドープのIn0.03Al0.02Ga0.95Nよりなる井戸層を、障壁層(1)/井戸層(1)/障壁層(2)/井戸層(2)/障壁層(3)の順に積層した。この時、障壁層(1)を200Å、障壁層(2)と(3)を40Å、井戸層(1)と(2)を70Åの膜厚で形成した。活性層は、総膜厚約420Åの多重量子井戸構造(MQW)となる。
(Active layer 6)
Next, the temperature is set to 800 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and TMA are used as source gases, a barrier layer made of Si-doped Al 0.1 Ga 0.9 N, and an undoped In 0. A well layer made of 03 Al 0.02 Ga 0.95 N was laminated in the order of barrier layer (1) / well layer (1) / barrier layer (2) / well layer (2) / barrier layer (3). At this time, the barrier layer (1) was formed in a thickness of 200 mm, the barrier layers (2) and (3) in a thickness of 40 mm, and the well layers (1) and (2) in a thickness of 70 mm. The active layer has a multiple quantum well structure (MQW) with a total film thickness of about 420 mm.
(p型クラッド層)
次に、水素雰囲気中、1050℃でTMG、TMA、アンモニア、Cp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020/cm3ドープしたAl0.2Ga0.8Nよりなるp型クラッド層7を600Åの膜厚で成長させた。
(P-type cladding layer)
Next, from Al 0.2 Ga 0.8 N doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg using TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) at 1050 ° C. in a hydrogen atmosphere. The resulting p-type cladding layer 7 was grown to a thickness of 600 mm.
(p型コンタクト層)
続いて、p型クラッド層上に、TMG、TMA、アンモニア、Cp2Mgを用いて、Mgを1×1019/cm3ドープしたAl0.04Ga0.96Nよりなる第1のp型コンタクト層を0.1μmの膜厚で成長させ、その後、ガスの流量を調整してMgを2×1021/cm3ドープしたAl0.01Ga0.99Nよりなる第2のp型コンタクト層を0.02μmの膜厚で成長させた。
(P-type contact layer)
Subsequently, the first p-type made of Al 0.04 Ga 0.96 N doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Mg using TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg on the p-type cladding layer. A contact layer is grown to a thickness of 0.1 μm, and then a second p-type contact made of Al 0.01 Ga 0.99 N doped with 2 × 10 21 / cm 3 of Mg by adjusting the gas flow rate. The layer was grown to a thickness of 0.02 μm.
成長終了後、窒素雰囲中、ウェハを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型クラッド層及びp型コンタクト層をさらに低抵抗化した。 After completion of the growth, the wafer was annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type cladding layer and the p-type contact layer.
(p電極12)
アニーリング後、ウェハを反応容器から取出し、p型コンタクト層の上にRh膜を膜厚2000Åで形成してp電極12とした。その後、オーミックアニールを600℃で行った後、p電極12以外の露出面に絶縁保護膜14としてSiO2を膜厚0.3μmで形成した。
(P electrode 12)
After annealing, the wafer was taken out of the reaction vessel, and an Rh film having a thickness of 2000 mm was formed on the p-type contact layer to form a p-
(半導体側密着層15、半導体側バリア層13、第1導電性接合層17a)
次に、p電極の上に、Ti/Pt/Au/Sn/Auの多層膜を、膜厚100nm/500nm/300nm/3000nm/100nmで形成した。ここでで、Tiは半導体側密着層15、Ptは半導体側バリア層13、Snは第1導電性接合層17a、そしてPtとSnの間のAu層は、Snがバリア層44へ拡散するのを防止する役割を果たし、最外層のAu層は第2導電性接合層との密着性を向上させる役割を果たす。
(Semiconductor-
Next, a multilayer film of Ti / Pt / Au / Sn / Au was formed on the p electrode at a film thickness of 100 nm / 500 nm / 300 nm / 3000 nm / 100 nm. Here, Ti is the semiconductor-
(シリコン基板2)
一方、導電性のシリコン基板2として、膜厚が400μmで、ボロンがドープされて抵抗が3Ωcm以下のp型シリコン基板を用いた。そのシリコン基板2をアセトンなどの有機溶剤に浸漬して表面の有機物を除去し、さらにHF水溶液に浸漬して表面に形成された自然酸化膜を除去して、シリコン基板2の表面22を清浄化する。そして、シリコン基板2の表面22に、TiSi2をターゲットとしてスパッタリングを行い、成長レート換算で膜厚30Åとなった時点でスパッタリングを停止した。それによって島状のTiSi2から成る第1金属層4が形成された。その上にPtをターゲットとしてスパッタリングを行い、膜厚2500ÅのPtから成る第2金属層6を形成した。これによってシリコン基板2上に金属電極8が形成できた。その上に、Pdから成る第2導電性接合層17bを、膜厚350nmで形成した。
(Silicon substrate 2)
On the other hand, as the
次に、第1導電性接合層17aと第2導電性接合層17bとを対向させた状態で、ヒータ温度を250℃でプレス加圧して加熱圧接した。これにより、第1導電性接合層17aと第2導電性接合層17bを互いに拡散させて導電性接合層17を形成させた。
Next, in a state where the first
(成長用基板20の除去)
次に、研削によってサファイア基板1を除去した後、露出したバッファ層及び高温成長層を研磨して、さらにn型クラッド層が露出するまで研磨して、面荒れを無くした。
(Removal of growth substrate 20)
Next, after removing the
(n電極16)
次に、n型コンタクトとしても機能するn型クラッド層上に、Ti/Pt/Auから成る多層電極を、膜厚5nm/100nm/1800nmで形成してn電極16とした。その後、シリコン基板2を100μmまで研磨した後、シリコン基板2の裏面24に、TiSi2から成る島状の第1金属層4’とPtから成る第2金属層6’を膜厚2500Åでシリコン基板2の表側22と同様にして形成して金属電極8’とし、さらにAu層を膜厚5000Åで形成した。次に、ダイシングにより素子を分離した。
(N electrode 16)
Next, a multilayer electrode made of Ti / Pt / Au was formed on the n-type clad layer functioning also as an n-type contact with a film thickness of 5 nm / 100 nm / 1800 nm to form an n-
得られた窒化物半導体素子は、シリコン基板2と金属電極8、8’との間の密着力が顕著に優れていた。
The obtained nitride semiconductor device was remarkably excellent in the adhesion between the
尚、シリコン基板と金属電極8、8’との密着力は、例えば株式会社コベルコ科研の提案する改良エッジリフトオフテスト(mELT法)によって評価することができる。改良エッジリフトオフテストとは、測定試料にエポキシ樹脂を塗布してベーキングし、試料を10mm角に割断した後に液体窒素で冷却し、膜が剥がれた温度から密着力を測定する方法である。即ち、剥離温度T、エポキシ樹脂の残留応力σ、エポキシ樹脂の膜厚hに基づいて次式から剥離強度Kapp[MPa・m1/2]を計算する。
Kapp=σ・(h/2)1/2
ここで温度Tにおけるエポキシ樹脂の残留応力σは、エポキシ樹脂のCf、m、cに基づいて次式から計算できる。
σ=CfT2-mT-c
The adhesion strength between the silicon substrate and the
Kapp = σ · (h / 2) 1/2
Here, the residual stress σ of the epoxy resin at the temperature T can be calculated from the following equation based on Cf, m, and c of the epoxy resin.
σ = C f T 2 -mT-c
シリコン基板上に上記実施例1と同様の方法でTiSi2、Pt層1200Å、Au層1200Å、Ti層100Å(エポキシ樹脂との密着性を高めるため)を形成し、TiSi2の膜厚を0Åから100Åの間で変化させて剥離強度Kappを測定した。その結果、TiSi2を形成しなかった(膜厚0Å)試料の剥離強度が約0.15[MPa・m1/2]であったのに対し、TiSi2を10〜100Åの膜厚で形成した試料はいずれも剥離強度Kappが約0.3[MPa・m1/2]であり、剥離強度が約2倍に向上していた。
TiSi 2 , Pt layer 1200 Å, Au layer 1200 Å, and Ti layer 100 Å (in order to improve adhesion to the epoxy resin) are formed on the silicon substrate in the same manner as in Example 1, and the thickness of TiSi 2 is changed from 0 Å. The peel strength Kapp was measured by changing it between 100 mm. As a result, the peel strength of the sample in which TiSi 2 was not formed (
実施例1において、第1金属層をNiSi2に変更した他は同様にして窒化物半導体素子を形成する。実施例1と同様に、シリコン基板と金属電極8、8’との間の密着力が顕著に優れた窒化物半導体素子が得られる。
In Example 1, the exception that the first metal layer to NiSi 2 to form a nitride semiconductor device in the same manner. Similar to Example 1, a nitride semiconductor device having a remarkably excellent adhesion between the silicon substrate and the
実施例1において、p型シリコン基板をn型シリコン基板に変え、第2金属層6をTiに変えた他は、実施例1と同様にして窒化物半導体素子を形成する。実施例1と同様に、シリコン基板と金属電極8、8’との間の密着力が顕著に優れた窒化物半導体素子が得られる。
In Example 1, a nitride semiconductor device is formed in the same manner as in Example 1 except that the p-type silicon substrate is changed to an n-type silicon substrate and the
実施例4では図6に示すような工程で素子を作成する。実施例1と同様に、シリコン基板2の裏面24を研磨して、シリコン基板2の厚さを400μmから100μmに減らす。本実施例では、その後に、さらに裏面24をポリッシングする過程を追加する。そして、ポリッシング過程の後に、金属電極8’を形成する。実施例1に比べて、シリコン基板2の裏面25と金属電極8’との間の密着力がさらに向上した窒化物半導体素子が得られる。
In Example 4, an element is formed by the process as shown in FIG. Similar to Example 1, the
(比較例1)
シリコン基板の表面および裏面に、島状ではなく連続するTiSi2層を厚さ100Åで形成し、Pt膜を1200Åで形成したところ、シリコン基板とTiSi2層との間でオーミック接触は得られなかった。そこで以下のような素子を作成する。実施例1において、金属電極8、8’を変更して、比較用の窒化物半導体素子を作成する。本比較例では、シリコン基板2の表面22及び裏面24に島状の第1金属層4、4’を形成する代わりに、連続するTiSi2層を厚さ100Åで形成する。そして、第2金属層6、6’の代わりに、Pt膜を厚さ1200Åで形成する。Pt膜は、TiSi2層の上に形成されているので、シリコン基板2に直接接触していない。
得られる比較用の素子は、シリコン基板2とTiSi2層との間でオーミック接触が得られないので、その駆動電圧は、実施例1の素子に比べて非常に高い。なお、シリコン基板2の表面22側の金属電極8と裏面24側の金属電極8’とのいずれか一方を、TiSi2層とPt膜の構成を有する電極に変更した場合でも、素子の駆動電力は高くなる。
(Comparative Example 1)
When a continuous TiSi 2 layer is formed with a thickness of 100 mm on the front and back surfaces of the silicon substrate with a thickness of 100 mm and a Pt film is formed with a thickness of 1200 mm, no ohmic contact is obtained between the silicon substrate and the TiSi 2 layer. It was. Therefore, the following elements are created. In Example 1, the
Since the obtained comparative device cannot obtain ohmic contact between the
(比較例2)
実施例1において、金属電極8’を変更して、比較用の窒化物半導体素子を作成する。本比較例では、シリコン基板2の裏面24に島状の第1金属層4’を形成する代わりに、連続するTi層を厚さ100Åで形成する。その後に、シリコン基板2を600度でアニールして、Ti層から厚さ200ÅのTiSi2層を形成する。そして、第2金属層6’の代わりに、Pt膜を厚さ1200Åで形成する。Pt膜は、TiSi2層の上に形成されているので、シリコン基板2に直接接触していない。
この方法で作成すると、アニールした時点でシリコン基板2と窒化物半導体層10との間に配置された第1導電性接合層17a及び第2導電性接合層17bの付近で剥離が発生して、シリコン基板が窒化物半導体層から剥がれてしまい、素子が得られない。また、アニールした時点で剥がれなかったとしても、素子化する際のダイシング工程で、同様の箇所が剥がれてしまい、素子が得られない。
(Comparative Example 2)
In Example 1, the
When this method is used, peeling occurs in the vicinity of the first
1 窒化物半導体素子
2 シリコン基板
4、4’ 第1金属層
6、6’ 第2金属層
8、8’ 金属電極
10 窒化物半導体層
12 p電極
14 絶縁保護膜
16 n電極
17 導電性接合層
18 第2絶縁保護膜
20 成長用基板
22 シリコン基板の第1の主面(表面)
24 シリコン基板の第2の主面(裏面)
DESCRIPTION OF
24 Second main surface (back surface) of silicon substrate
Claims (20)
前記金属電極は、前記シリコン基板に接して離散した島状に形成された第1金属層と、前記第1金属層の島同士の間から露出したシリコン基板に接して前記第1金属層を覆うよう形成された第2金属層と、を有し、
前記第2金属層は、シリコンとオーミック接触可能な金属から成り、前記第1金属層は、前記第2金属層と異なる金属とシリコンとを含む合金から成ることを特徴とする窒化物半導体素子。 A nitride semiconductor device comprising a silicon substrate, a nitride semiconductor layer formed on the silicon substrate, and a metal electrode formed in contact with the silicon substrate,
The metal electrode is in contact with the silicon substrate and covers the first metal layer formed in discrete island shapes and in contact with the silicon substrate exposed from between the islands of the first metal layer. A second metal layer formed as described above,
The nitride semiconductor device, wherein the second metal layer is made of a metal capable of ohmic contact with silicon, and the first metal layer is made of an alloy containing a metal different from the second metal layer and silicon.
前記シリコン基板上に、前記シリコン基板に接して離散した島状に第1の金属層を形成する過程と、前記第1金属層の島同士の間から露出したシリコン基板に接して前記第1金属層を覆うように第2金属層を形成する過程と、を含む、金属電極形成工程を含み、
前記第2金属層は、シリコンとオーミック接触可能な金属から成り、前記第1金属層は、前記第2金属層と異なる金属とシリコンとを含む合金から成る事を特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device comprising a silicon substrate, a nitride semiconductor layer on the silicon substrate, and a metal electrode formed in contact with the silicon substrate,
Forming a first metal layer in discrete islands on the silicon substrate and contacting the silicon substrate exposed between the islands of the first metal layer; Forming a second metal layer so as to cover the layer, and including a metal electrode forming step,
The second metal layer is made of a metal capable of ohmic contact with silicon, and the first metal layer is made of an alloy containing silicon and a metal different from the second metal layer. Production method.
金属電極形成工程において、前記金属電極が、前記第1の主面に対向する第2の主面に形成されることを特徴とする請求項13に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 The nitride semiconductor layer on the first main surface of the silicon substrate;
14. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13, wherein in the metal electrode forming step, the metal electrode is formed on a second main surface opposite to the first main surface.
前記第2の金属層を形成する過程において、前記第2金属層が、白金族の少なくとも1種を主成分とする材料から形成されることを特徴とする請求項13乃至19のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 The silicon substrate is p-type;
20. The process of forming the second metal layer, wherein the second metal layer is formed of a material mainly containing at least one platinum group. A method for producing a nitride semiconductor device according to claim 1.
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