JP2011066297A - 電極コンタクト構造、自己走査型発光素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】オーミック接触を実現する電極コンタクト構造を提供する。
【解決手段】電極コンタクト構造は、エピタキシャル層１００と、エピタキシャル層１００上に形成されたコンタクトメタル電極１２０と、コンタクトホールを有する層間絶縁膜１４０と、コンタクトメタル電極１２０上に形成された第１のＡｌ配線１６０と、第１のＡｌ配線１６０上に形成された拡散障壁層１８０と、拡散障壁層１８０上に形成された第２のＡｌ配線２００を有する。電極コンタクト構造は、自己走査型発光素子アレイのカソード電極やゲート電極の構造として用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電極コンタクト構造、自己走査型発光素子アレイに関する。

発光素子材料として用いられる化合物半導体用のオーミック電極としては、Ａｕを主体とした合金が用いられることが多い。一方、配線材料としては、抵抗率が低く、ワイヤボンデイングが容易なＡｌが用いられることが多い。Ａｌは、加工が容易で大きな段差でも安定した接続が可能であることから、１μｍを超える段差の素子間を接続するためにも用いられる。

下記の特許文献１には、ＧａＡｓ基板上に形成されたＡｕ電極と、このＡｕ電極上の絶縁膜に開けられたコンタクトホールと、このコンタクトホールを介してＡｕ電極にオーミック接触するＡｌ配線から構成される電極コンタクト構造が開示されている。

また、下記の特許文献２には、半導体発光素子のｎ側電極が、Ａｌ層とバリアメタル層とＡｕ層を積層して構成されることが開示されており、バリアメタルとしてＮｉ，Ｐｔ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ａｌ，Ｔｉが開示されている。

特開２００５−３４０７６７号公報 特開２００５−３５４０４０号公報

ところで、異種金属の接合部では合金化が生じ、例えばＡｕ電極上にＡｌ配線を積層すると、不均一ないくつかの結晶相が生じる。

図６に、この場合の模式図を示す。ｎ型あるいはｐ型の化合物半導体エピタキシャル層１００上にコンタクトメタル電極（Ａｕ電極）１２０を形成し、層間絶縁膜１４０に設けられたコンタクトホールを介してコンタクトメタル電極（Ａｕ電極）１２０上にＡｌ配線１６０を形成する。すると、積層プロセス中の熱過程により、ＡｌＡｕ_４，Ａｌ_３Ａｕ_８，Ａｌ２Ａｕ_５，ＡｌＡｕ_２，ＡｌＡｕ，Ａｌ_１１Ａｕ_６，Ａｌ_２Ａｕ等の合金１８０が生じ、これら不均一な結晶相によりオーミック接触を損なう。すなわち、特にＡｌＡｕ４Ａｌ３Ａｕ８等の結晶相は格子パラメータが大きく、ＡｕとＡｌの境界において亀裂を生じやすい。また、強度的にも脆く、実装工程等において破損する可能性もある。

なお、単にＡｕ電極とＡｌ配線層との間にバリアメタル層を介在させる場合には、バリアメタル層によりコンタクト抵抗が増大してしまう。

本発明の目的は、安定したオーミック接触を実現する電極コンタクト構造を提供することにある。

請求項１記載の発明は、エピタキシャル層と、前記エピタキシャル層上に形成されたコンタクトメタル電極と、前記コンタクトメタル電極上に形成され前記コンタクトメタル電極と接合する第１の配線層と、前記第１の配線層上に形成された拡散障壁層と、前記拡散障壁層上に形成された第２の配線層とを有する電極コンタクト構造である。

また、請求項２記載の発明は、前記第１の配線層の厚さは、前記コンタクトメタル電極の厚さの０．９倍から２．５倍の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の電極コンタクト構造である。

また、請求項３記載の発明は、前記第１の配線層の厚さは、前記コンタクトメタル電極の厚さ以下であることを特徴とする請求項１記載の電極コンタクト構造である。

また、請求項４記載の発明は、前記コンタクトメタル電極はＡｕであり、前記第１の配線層はＡｌであり、前記コンタクトメタル電極と前記第１の配線層との接合により、Ａｌ５０〜７０ｍｏｌ％、Ａｕ５０〜３０ｍｏｌ％からなるＡｕとＡｌの合金が形成されることを特徴とする請求項１記載の電極コンタクト構造である。

また、請求項５記載の発明は、複数の発光サイリスタからなる発光素子アレイを有し、
前記発光サイリスタのカソード電極またはゲート電極の少なくともいずれかの電極コンタクト構造が、請求項１〜４のいずれかに記載の電極コンタクト構造であることを特徴とする自己走査型発光素子アレイである。

請求項１記載の発明によれば、コンタクトメタルと第１の配線の合金化領域が制限される。

請求項２記載の発明によれば、コンタクトメタルと第１の配線の合金化による強度低下が抑制される。

請求項３記載の発明によれば、コンタクトメタルと第１の配線の合金化によるカーケンダル空孔の発生が抑制される。

請求項４記載の発明によれば、コンタクトメタルと第１の配線の合金化が所望の結晶に制限される。

請求項５記載の発明によれば、自己走査型発光素子アレイの電極構造でコンタクトメタルと第１の配線の合金化領域が制限される。

実施形態の電極コンタクト構造の模式図である。 電極コンタクト構造の製造方法を示す断面図である。 電極コンタクト構造の他の製造方法を示す断面図である。 電極コンタクト構造の他の製造方法を示す断面図である。 自己走査型発光素子アレイの構成図である。 従来の電極コンタクト構造の模式図である。

以下、図面に基づいて本発明を実施するための形態について説明する。

図１に、本実施形態における電極コンタクト構造を模式的に示す。ｎ型あるいはｐ型の化合物半導体エピタキシャル層（あるいは発光層）１００上にコンタクトメタル電極１２０が形成され。層間絶縁膜１４０にはコンタクトホールが形成され、このコンタクトホールを介してコンタクトメタル電極１２０上に第１のＡｌ配線１６０が形成される。第１のＡｌ配線１６０上には拡散障壁層１８０が形成され、拡散障壁層１８０上に第２のＡｌ配線２００が形成される。

ｎ型あるいはｐ型エピタキシャル層１００は、具体的にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ，Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ，ＧａＡｓ_１−ｘＰ_ｘ，Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＡｓ_１−ｘＰ_ｘ，Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ_１−ｘＳｂ_ｘ，Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ等であり、基板上にエピタキシャル成長して構成される。このエピタキシャル層は、例えばＬＥＤにおいて発光層として機能する。

コンタクトメタル電極１２０は、オーミック接触電極であり、典型的にはＡｕであるが、Ａｕの他にもＰｔ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｒ，Ｒｕを主成分とする合金または単体金属から構成される。

層間絶縁層１４０は、ｎ型あるいはｐ型エピタキシャル層１００とＡｌ配線１６０との間を絶縁するための層で、ＳｉＯ_２等から構成される。

第１のＡｌ配線１６０は、コンタクトメタル電極１２０と接合し、少なくともその一部がコンタクトメタルと合金化する。

拡散障壁層１８０は、第１のＡｌ配線１６０と第２のＡｌ配線２００との間に介在し、コンタクトメタルとＡｌの合金化を制限する層である。拡散障壁層１８０は、具体的にはＴｉ，ＴｉＣ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等から構成される。また、拡散障壁層１８０は、絶縁物や酸化物で構成してもよい。但し、この場合には、トンネル電流が通電するに十分な程度の厚さとし、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍ程度とするのが好適である。

本実施形態の電極コンタクト構造は、このようにＡＬ配線の間に拡散障壁層１８０が介在する。コンタクトメタル電極１２０と第１のＡｌ配線１６０との間に拡散障壁層１８０を設けると、コンタクトメタルとＡｌの合金化を阻害できるもののコンタクト抵抗が増大する。本実施形態では、コンタクトメタル電極１２０と第１のＡｌ配線１６０はコンタクトホールを介して直接的に接合しているため、コンタクトメタル電極のコンタクトメタルとＡｌとの合金化は許容される。但し、第１のＡｌ配線１６０と第２のＡｌ配線２００との間に拡散障壁層１８０が介在しているため、単一のＡｌ配線が存在している場合に比べて、コンタクトメタルとＡｌの合金化領域は制限される。

拡散障壁層１８０は、コンタクトメタル電極１２０のコンタクトメタルとＡｌの合金化領域を制限する層として機能するとともに、第１のＡｌ配線１６０の厚さを制限する層としても機能する。本実施形態における第１のＡｌ配線１６０の厚さは、例えばコンタクトメタル電極１２０の厚さの０．９倍以上２．５倍以下であり、あるいはコンタクトメタル電極１２０の厚さよりも小さく設定する。第１のＡｌ配線１６０の厚さをコンタクトメタル電極１２０の厚さの０．９倍以上２．５倍以下とすることで、合金化を制限して合金化の進みすぎによる強度低下が抑制される。また、第１のＡｌ配線１６０の厚さをコンタクトメタル電極１２０の厚さよりも小さく設定数することで、コンタクトメタルとＡｌとの合金領域を制限し、強度の低下及びカーケンダル空孔の発生が抑制される。ここに、カーケンダル空孔は、コンタクトメタル電極１２０のコンタクトメタルがＡｌ配線内に拡散していくため、コンタクトメタル電極１２０の両端に生じるコンタクトメタルが存在しない空孔をいう。

図２に、図１に示される電極コンタクト構造の製造方法を示す。ＧａＡｓ等の基板５０上にエピタキシャル層を積層して発光層１１０を形成する。次に、レジストパターンをマスクとしてコンタクトメタル電極１２０を蒸着法で形成する。

次に、層間絶縁膜１４０をＣＶＤ法により形成し、コンタクト部をフォトレジストで開口し、エッチングを用いてコンタクト部を開口してコンタクトホールを形成する（図２（ａ））。

次に、コンタクトホールが形成された層間絶縁膜１４０上に第１のＡｌ配線１６０をスパッタリング法で形成する。Ａｌ配線１６０の厚さは、例えばコンタクトメタル電極１２０の厚さ以下とし、一例として２５０ｎｍとする。

次に、第１のＡｌ配線１６０上に拡散障壁層１８０をスパッタリング法で形成する。拡散障壁層１８０の厚さは、例えば５０ｎｍとする。

次に、拡散障壁層１８０上に第２のＡｌ配線２００をスパッタリング法で形成する。第２のＡｌ配線層２００の厚さは、例えば１．０μｍとする（図２（ｂ））。

最後に、フォトレジストパターンを形成し、リン酸を主成分とするエッチング液で第２のＡｌ配線２００をエッチングし、エチレンジアミン四酢酸を主成分とするエッチング液で拡散障壁層１８０をエッチングし、さらにリン酸を主成分とするエッチング液で第１のＡｌ配線１６０をエッチングする（図２（ｃ））。

図３に、電極コンタクト構造の他の製造方法を示す。ＧａＡｓ等の基板５０上にエピタキシャル層を積層して発光層１１０を形成する。次に、レジストパターンをマスクとしてコンタクトメタル電極１２０を蒸着法で形成する。

次に、層間絶縁膜１４０をＣＶＤ法により形成し、コンタクト部をフォトレジストで開口し、エッチングを用いてコンタクト部を開口してコンタクトホールを形成する（図３（ａ））。

次に、コンタクトホールが形成された層間絶縁膜１４０上に第１のＡｌ配線１６０をスパッタリング法で形成する。Ａｌ配線１６０の厚さは、例えばコンタクトメタル電極１２０の厚さ以下とし、一例として２５０ｎｍとする。

次に、第１のＡｌ配線１６０上に拡散障壁層１８０をスパッタリング法で形成する。拡散障壁層１８０の厚さは、例えば５０ｎｍとする。

次に、フォトレジストパターンを形成し、エチレンジアミン四酢酸を主成分とするエッチング液で拡散障壁層１８０をエッチングする。ここでは、コンタクト部のみを覆うように拡散障壁層１８０を残す（図３（ｂ））。コンタクト部のみに拡散障壁層１８０を形成することで、無駄な配線抵抗の増加が抑制される。

次に、拡散障壁層１８０上に第２のＡｌ配線２００をスパッタリング法で形成する。第２のＡｌ配線層２００の厚さは、例えば１．０μｍとする。

最後に、フォトレジストパターンを形成し、リン酸を主成分とするエッチング液で第２のＡｌ配線２００をエッチングし、エチレンジアミン四酢酸を主成分とするエッチング液で拡散障壁層１８０をエッチングし、さらにリン酸を主成分とするエッチング液で第１のＡｌ配線１６０をエッチングする（図３（ｃ））。

図４に、電極コンタクト構造のさらに他の製造方法を示す。ＧａＡｓ等の基板５０上に、順次、発光層１１０、コンタクトメタル電極１２０、層間絶縁膜１４０、第１のＡｌ配線１６０、拡散障壁層１８０を形成するのは図２と同様である。

次に、拡散障壁層１８０上であって発光層１１０の上に位置しない領域に第２のＡｌ配線２００を形成する。この第２のＡｌ配線２００は、図２の場合よりも厚く形成して電流供給部分のＡｌ配線抵抗を下げる。第２のＡｌ配線２００の厚さは、例えば２．０μｍとする。

図４の構成では、第２のＡｌ配線２００のエッチングは拡散障壁層１８０で停止するため、第１のＡｌ配線１６０にダメージを与えることがない。

本実施形態では、第１のＡｌ配線１６０と第２のＡｌ配線２００を同じＡｌとしているが、必ずしも同一である必要はなく、第１の配線と第２の配線を異なる材料で構成してもよい。

また、本実施形態では、第１のＡｌ配線１６０と第２のＡｌ配線２００との間に介在する拡散障壁層１８０を一層としたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、複数層でもよい。例えば、拡散障壁層１８０をＴｉとＴｉＮの二層構造とする等である。

なお、本願出願人は、コンタクトメタル電極１２０上にＡｌ配線１６０及び第２のＡｌ配線２００を形成し、拡散障壁層１８０を形成しない場合（拡散障壁層１８０を形成しないため、結果として第１のＡｌ配線１６０と第２のＡｌ配線２００は単一のＡｌ配線となる）、大きく不揃いの結晶粒が存在し、Ａｌ５０〜７０ｍｏｌ％、Ａｕ５０〜３０ｍｏｌ％であり、立方晶系の結晶相ＡｌＡｕ，Ａｌ_１１Ａｕ_６，Ａｌ_２Ａｕ等であることを確認しており、境界領域には相対的にＡｕリッチなＡｕ６５〜９０ｍｏｌ％であり、ＡｌＡｕ_４，Ａｌ_３Ａｕ_８，Ａｌ_２Ａｕ_５等の結晶相であって格子パラメータが大きいことをエネルギ分散Ｘ線分光により確認している。

そして、本実施形態のように、第１のＡｌ配線１６０と第２のＡｌ配線２００との間に拡散障壁層１８０を介在させて合金化領域を制限した場合、大きな粒子は観察されず、Ａｌ５０〜７０ｍｏｌ％、Ａｕ５０〜３０ｍｏｌ％の範囲で穏やかにかつ連続的にＡｕとＡｌの組成が変化していることを確認している。したがって、本実施形態におけるコンタクトメタル電極１２０と第１のＡｌ配線１６０の接合の結果生じる合金としては、Ａｌ５０〜７０ｍｏｌ％、Ａｕ５０〜３０ｍｏｌ％の範囲であり、ＡｌＡｕ，Ａｌ_１１Ａｕ_６，Ａｌ_２Ａｕ等である。

本実施形態では、上記のように第１の配線１６０、拡散障壁層１８０、第２のＡｌ配線２００をスパッタリング法で形成しているが、必ずしもこれに限定されず、コンタクトメタル電極１２０と同様な蒸着法で形成してもよい。また、第１のＡｌ配線１６０を形成した後、あるいは第２のＡｌ配線２００を形成した後に、コンタクトメタル電極１２０のコンタクトメタルと第１のＡｌ配線１６０のＡｌとの所望の合金化を図るべくアニール処理してもよい。

本実施形態の電極コンタクト構造は、任意の化合物半導体素子に適用し得るが、例えば発光素子に適用することが好適であり、光書き込みヘッドや光書き込みヘッドを用いた光プリンタ、ファクシミリ、複写機等に用いられる自己走査型発光素子アレイ（Ｓｅｌｆ−ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ：ＳＬＥＤ）の電極構造として用いられ得る。

以下、本実施形態の電極コンタクト構造を有する自己走査型発光素子アレイについて説明する。

図５に、自己走査型発光素子アレイの一つの構成例を示す。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の平面図におけるＡ−Ａ’断面図、図５（ｃ）は等価回路である。自己走査型発光素子アレイは、ｐ型基板１０上に、ｐ型エピタキシャル層１１、ｎ型エピタキシャル層（ｎ型ゲート層）１２、ｐ型エピタキシャル層（ｐ型ゲート層）１３、ｎ型エピタキシャル層（カソード層）１４が順次積層され、メサエッチングされてシフト部／発光部の島２４と、ゲート負荷抵抗の島２５とに分離される。ｐ型基板１０の裏面には裏面電極３１が形成される。

発光部サイリスタ部は、カソード層１４と、カソード電極１５を有する。シフト部サイリスタ部は、カソード層１６とカソード電極１７を有する。結合ダイオード（サイリスタ）は、カソード層１８とカソード電極１９を有する。

ゲート負荷抵抗部は、ｐ型ゲート層１３とゲート負荷抵抗２１とゲート負荷電極２２，２３を有する。ゲート負荷抵抗２１は、ｐ型ゲート層１３、すなわち半導体層で構成される。

発光部にはゲート電極２０が形成され、ゲート電極２０とｐ型ゲート層１３との間、及びゲート負荷抵抗の電極２２，２３とｐ型ゲート層１３との間には、寄生抵抗Ｒｐが存在する。

電源端子は、各ゲート負荷抵抗に接続される。また、クロックパルス端子φ１は、アレイの奇数番目のシフト部サイリスタのカソードに接続され、クロックパルスφ２は、アレイの偶数番目のシフト部サイリスタのカソードに接続される。発光部サイリスタのゲートは対応するシフト部サイリスタのゲートに接続され、発光部サイリスタのカソードは信号ラインに接続される。

このような自己走査型発光素子アレイの構成において、カソード電極１５，１７，１９及びゲート電極２０が存在し、これらの電極のいずれか、あるいは全てにおいて上記の電極コンタクト構造が用いられる。例えば、カソード電極１５はｎ型エピタキシャル層（カソード層）１４上に形成されるが、ここにおいて、カソード層１４上にＡｕ電極を蒸着し、その後第１のＡｌ配線１６０、拡散障壁層１８０、第２のＡｌ配線２００をスパッタリング法で形成する。Ａｕ電極の代わりにＰｔ電極、Ｉｒ電極、Ｐｄ電極、Ａｇ電極、Ｒｕ電極を用いてもよく、拡散障壁層１８０してＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｉ等を用いてもよい。カソード電極１５，１７，１９及びゲート電極２０のいずれか、あるいは全てにおいて図１に示す電極コンタクト構造を用いることで、オーミック接触が維持され、もって発光特性の劣化や強度劣化が抑制される。

１００ エピタキシャル層、１１０ 発光層、１２０ コンタクトメタル電極、１４０ 層間絶縁膜、１６０ 第１のＡｌ配線、１８０ 拡散障壁層、２００ 第２のＡｌ配線。

Claims (5)

1. エピタキシャル層と、
   前記エピタキシャル層上に形成されたコンタクトメタル電極と、
   前記コンタクトメタル電極上に形成され前記コンタクトメタル電極と接合する第１の配線層と、
   前記第１の配線層上に形成された拡散障壁層と、
   前記拡散障壁層上に形成された第２の配線層と、
   を有する電極コンタクト構造。
2. 前記第１の配線層の厚さは、前記コンタクトメタル電極の厚さの０．９倍から２．５倍の範囲内である
   ことを特徴とする請求項１記載の電極コンタクト構造。
3. 前記第１の配線層の厚さは、前記コンタクトメタル電極の厚さ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の電極コンタクト構造。
4. 前記コンタクトメタル電極はＡｕであり、
   前記第１の配線層はＡｌであり、
   前記コンタクトメタル電極と前記第１の配線層との接合により、Ａｌ５０〜７０ｍｏｌ％、Ａｕ５０〜３０ｍｏｌ％からなるＡｕとＡｌの合金が形成される
   ことを特徴とする請求項１記載の電極コンタクト構造。
5. 複数の発光サイリスタからなる発光素子アレイを有し、
   前記発光サイリスタのカソード電極またはゲート電極の少なくともいずれかの電極コンタクト構造が、請求項１〜４のいずれかに記載の電極コンタクト構造であることを特徴とする自己走査型発光素子アレイ。

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