JP2011243815A - 化合物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

化合物半導体素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】金合金電極と層間絶縁膜との密着性を向上させる。
【解決手段】化合物半導体素子は、ゲート半導体層10と、カソード半導体層12と、カソード半導体層12上に形成されたAu合金カソード電極14と、ゲート半導体層10上に形成されたAu合金ゲート電極16と、層間絶縁膜18と、カソード電極14及びゲート電極16上のAl配線20と、保護膜22を備える。カソード電極14及びゲート電極16と層間絶縁膜18との界面に、酸化アニール処理により形成され、下地層の構成元素を主成分とする酸化膜15,17を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、化合物半導体素子及びその製造方法に関する。
発光素子ではGaAsを始めとする化合物半導体が広く用いられている。化合物半導体の電極には、良好なオーミックコンタクトを得ることを目的として金(Au)合金の電極が使用されている。通常は、このAu合金の電極に外部から信号を直接与えて化合物半導体素子を動作させればよい。
一方、論理回路を搭載した発光素子アレイ、例えば自己走査型発光素子アレイ(SLED)のような高集積微細素子では、チップ上の配線密度が高くなり、通常のシリコン集積回路のような、層間絶縁層とコンタクトホールと微細金属配線との組み合わせ構造を形成する必要がある。そして、このような構成においては、金合金電極上に層間絶縁膜を形成することになるが、一般的に、金合金と層間絶縁膜材料との密着性は低く、金合金電極と層間絶縁膜との密着力向上が大きな課題となっている。
下記の特許文献1には、Au配線を有する半導体集積回路において、金配線と層間絶縁膜との密着性を向上させることを目的として、半導体素子を形成した半導体基板に金配線を形成した後、全面にチタンをスパッタして酸化し酸化チタンを形成し、次に全面にプラズマ酸化膜を形成することが開示されている。
また、特許文献2には、金配線上にプラズマCVDにより、シリコンリッチでSi−H結合及びN−H結合を含む厚さ30nmの窒化シリコン膜及び厚さ500nmの酸化シリコン膜を形成し、金配線と無機絶縁膜との密着性を向上させることが開示されている。
また、特許文献3には、金配線上にクローム(Cr)膜を形成し、さらに熱処理して金配線の周囲に絶縁膜との密着性、耐食性、耐熱性の高い反応層を形成し、未反応のクローム膜を除去してその上にシリコン酸化膜を形成することが開示されている。
また、特許文献4には、金膜を形成した後、配線を構成する金メッキ膜を形成し、次にイオン注入法によりチタンイオンを全面に注入して金メッキ膜の上面にTi−Au合金膜を形成した後、層間絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成することが開示されている。
また、特許文献5には、金配線上に膜厚の薄いシリコン膜を被着した後、プラズマCVD法又は熱処理を施して金とシリコンの合金膜を形成し、次に絶縁膜を形成することが開示されている。
特開平5−109721号公報 特開平5−275547号公報 特開平5−315332号公報 特開平6−61225号公報 特開平6−84905号公報
ところで、金合金電極あるいは金配線と層間絶縁膜との密着性を向上させることは重要であるが、これとともに、化合物半導体形成プロセスとの良好な適合性を備えることが望まれる。
本発明は、金合金電極と層間絶縁膜との密着性を向上させる化合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。
請求項1記載の発明は、化合物半導体上に形成された金合金電極と、前記金合金電極上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して前記金合金電極に接続される金属配線と、前記金合金電極と前記層間絶縁膜との界面に形成された、前記化合物半導体の構成元素を主成分とする酸化膜とを備えることを特徴とする化合物半導体素子である。
請求項2記載の発明は、前記化合物半導体はAlGaAsであり、前記酸化膜は、Alを主成分とする酸化膜であることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子である。
請求項3記載の発明は、前記化合物半導体素子はAlGaAsであり、前記酸化膜は、Gaを主成分とする酸化膜であることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子である。
請求項4記載の発明は、前記化合物半導体はGaAsであり、前記酸化物は、Gaを主成分とする酸化膜であることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子である。
請求項5記載の発明は、化合物半導体上に金合金電極を形成する工程と、前記金合金電極を酸化性ガス存在下においてアニール処理することで前記化合物半導体の構成元素を主成分とする酸化膜を前記金合金電極の表面に形成する工程と、アニール処理された前記金合金電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成するとともに前記酸化膜の一部を除去する工程と、前記コンタクトホールに金属配線を形成する工程とを備えることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法である。
請求項1記載の発明によれば、金合金電極と層間絶縁膜との界面に化合物半導体の構成元素を主成分とする酸化膜を設けない場合に比較して、金合金電極と層間絶縁膜との密着性が向上する。
請求項2記載の発明によれば、下地層の構成元素を主成分として酸化膜が形成され、製造プロセスが簡易化され、既存のプロセスと適合化される。
請求項3記載の発明によれば、下地層の構成元素を主成分として酸化膜が形成され、製造プロセスが簡易化され、既存のプロセスと適合化される。
請求項4記載の発明によれば、下地層の構成元素を主成分として酸化膜が形成され、製造プロセスが簡易化され、既存のプロセスと適合化される。
請求項5記載の発明によれば、金合金電極と層間絶縁膜との界面に化合物半導体の構成元素を主成分とする酸化膜を設けない場合に比較して、工程数の増大を招くことなく金合金電極と層間絶縁膜との密着性が向上する。
実施形態における半導体素子の構成図である。 図1におけるカソード電極の構成図である。 図1におけるゲート電極の構成図である。 カソード電極の元素分布を示す説明図である。 カソード電極の顕微鏡写真図である。 ピンホール発生時の構成図である。 実施形態における製造方法を示すフローチャートである。 実施形態における製造方法を示す構成図(その1)である。 実施形態における製造方法を示す構成図(その2)である。 実施形態における製造方法を示す構成図(その3)である。 実施形態における製造方法を示す構成図(その4)である。 実施形態における製造方法を示す構成図(その5)である。 実施形態における製造方法を示す構成図(その6)である。 実施形態における製造方法を示す構成図(その7)である。 実施形態における製造方法を示す構成図(その8)である。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、化合物半導体素子として画像形成装置のプリントヘッドに搭載される自己走査型発光素子アレイ(SLED)を構成する発光素子を例にとり説明する。但し、発光素子は半導体素子の一例にすぎず、非発光素子を含む他の半導体素子にも適用し得る。
1.半導体素子の基本構成
図1に、画像形成装置のプリントヘッドに搭載される自己走査型発光素子アレイ(SLED)を構成する複数の発光素子のうちの任意の発光素子の構成を示す。なお、発光素子は具体的には発光サイリスタであり、複数の発光サイリスタは組(ブロック)を単位として点灯/消灯が制御される。
図1において、化合物半導体素子は、半導体基板上に形成されたAlGaAsゲート半導体層10と、AlGaAsゲート半導体層上の所定箇所に形成されたAlGaAsカソード半導体層12と、AlGaAsカソード半導体層12上に形成されたAu合金カソード電極14と、ゲート半導体層10上に形成されたAu合金ゲート電極16と、層間絶縁膜18と、カソード電極14及びゲート電極16上のAl配線20と、パッド21と、保護膜22を備える。
カソード電極14及びゲート電極16は、それぞれ異なるAu合金からなり、例えばカソード電極14はAuGeNi、ゲート電極はAuSbZnから構成される。
層間絶縁膜18は、例えばCVD法により形成されたシリコン酸化膜であり、カソード電極14上、及びゲート電極16上にコンタクトホールが形成される。Au合金のカソード電極14と層間絶縁膜18との間の密着性、及びAu合金のゲート電極16と層間絶縁膜18との密着性が問題となるが、本実施形態では、Au合金のカソード電極14及びAu合金のゲート電極16の表面にそれぞれ酸化膜15,17を形成し、カソード電極14と層間絶縁膜18との界面に酸化膜15を介在させるとともに、ゲート電極16と層間絶縁膜18との界面に酸化膜17を介在させることで密着性を向上している。
2.カソード電極の構成
図2に、Au合金のカソード電極14の拡大図を示す。カソード電極14は、AuGeNi合金からなり、カソード半導体層12上に形成される。カソード電極14の表面周囲には、酸化膜15が形成される。酸化膜15の一部、すなわちAl配線20が形成される部位は酸化膜15が除去されてAl配線20とのオーミックコンタクトが得られる。なお、酸化膜15のこの開口は、後述するように層間絶縁膜18のコンタクトホールを形成する際のエッチング処理時に同時に形成されるものである。
酸化膜15は、AlGaAsカソード半導体層12上に形成されたAuGeNiカソード電極14を酸化ガスの存在下においてアニール処理することにより形成されるものである。すなわち、AlGaAsカソード半導体層12上にAuGeNiカソード電極14を形成した後に酸化ガスの存在下においてアニール処理すると、下地層のカソード半導体層12の構成元素であるAlやGaがAuGeNi合金中を拡散し、表面で酸化されてカソード電極14の表面に酸化膜15を形成する。カソード電極14の表面周囲に形成された酸化膜15は、カソード電極14と層間絶縁膜18との密着性を改善する。
3.ゲート電極の構成
図3に、Au合金のゲート電極16の拡大図を示す。ゲート電極16は、AuSbZn合金からなり、ゲート半導体層10上に形成される。ゲート電極16の表面周囲には、酸化膜17が形成される。酸化膜17の一部、すなわちAl配線20が形成される部位は酸化膜17が除去されてAl配線20とのオーミックコンタクトが得られる。なお、酸化膜17のこの開口も、酸化膜15の開口と同様に層間絶縁膜18のコンタクトホールを形成する際のエッチング処理時に同時に形成されるものである。
酸化膜17は、AlGaAsゲート半導体層10上に形成されたAuSbZnゲート電極16を酸化ガスの存在下においてアニール処理することにより形成されるものである。すなわち、AlGaAsゲート半導体層10上にAuSbZnゲート電極16を形成した後に酸化ガスの存在下においてアニール処理すると、下地層のゲート半導体層10の構成元素であるAlやGaがAuSbZn合金中を拡散し、表面で酸化されてゲート電極16の表面に酸化膜17を形成する。ゲート電極16の表面に形成された酸化膜17は、ゲート電極16と層間絶縁膜18との密着性を改善する。
4.カソード電極及びゲート電極の酸化膜
図4に、酸化アニール処理したカソード電極14の分析結果を示す。図において、横軸はカソード電極14の表面をスパッタしたときのスパッタ時間(min)であり、カソード電極14の表面からの深さを示す。縦軸は元素濃度(%)を示す。スパッタ時間が短く、カソード電極14の表面近傍では酸素原子Oとともにアルミニウム原子Alの濃度が高い。その後、スパッタ時間が長くなるに従い、酸素原子Oとアルミニウム原子Alの濃度が低下し、金原子Auの濃度が高くなる。このことは、カソード電極14の表面にAlを主成分とする酸化膜が形成されていることを示す。
なお、出願人は、同様に酸化アニール処理したゲート電極16の分析も行ったところ、スパッタ時間が短く、カソード電極14の表面近傍では酸素原子Oとともにガリウム原子Gaの濃度が高く、その後、スパッタ時間が長くなるに従い、酸素原子Oとガリウム原子Gaの濃度が低下し、金原子Auの濃度が高くなることを確認している。このことは、ゲート電極16の表面にGaを主成分とする酸化膜が形成されていることを示す。
酸化アニール処理によりカソード電極14の表面にはAlを主成分とする酸化膜15が形成され、ゲート電極16の表面にはGaを主成分とする酸化膜17が形成されるのは、酸化アニールにより下地層のAlGaAsの構成元素がAu合金中を拡散して酸化されると推定されるところ、カソード電極14とゲート電極16とでは下地層としてのAlGaAsの組成が互いに異なり、また、カソード電極14とゲート電極16のAu合金の膜厚が互いに異なるからと考えられる。
このように、酸化性ガス存在下においてカソード電極14とゲート電極16をアニール処理すると、異なる元素を主成分とする酸化膜15,17がそれぞれ形成される。このような酸化膜15,17は、層間絶縁膜18との密着性を向上させるとともに、カソード電極14とゲート電極16の欠損不良、いわゆるボイドも抑制し得る。
図5に、酸化アニール処理したカソード電極14の平面顕微鏡写真を示す。図5(a)は、酸素を含まないNガスでアニール処理したゲート電極16であり、図5(b)は酸化アニール処理したゲート電極16である。図5(a)から分かるように、酸素を含まないNガスでアニール処理したゲート電極16では、特にゲート電極16の側面にボイドが形成される。これは、ゲート電極16の主成分であるAuが流動した結果と考えられる。これに対し、図5(b)に示すように、酸化アニール処理して酸化膜15が形成されたゲート電極16には、ボイドは殆ど生じていない。これは、相対的に硬い酸化膜17によってAuの流動性が阻害され、あるいは酸素がAuの粒界に入り込みAuの移動を抑制したものと考えられる。
また、カソード電極14及びゲート電極16の表面に酸化膜15,17が形成されると、酸化膜15,17はそれぞれ絶縁膜として機能することになるから、絶縁耐圧が向上することになる。
図6に、カソード電極14上に形成される層間絶縁膜18にピンホールが生じた場合の構成を示す。上述したように、カソード電極14の表面に形成された酸化膜15の一部は層間絶縁膜18のコンタクトホール形成時に除去されるため、層間絶縁膜18のコンタクトホール形成領域以外では酸化膜15はカソード電極14の全表面を被覆している。このため、CVD法で層間絶縁膜18をカソード電極14上に形成する際に、成膜不良で層間絶縁膜18にピンホール24が生じたとしても、カソード電極14の表面は酸化膜15で絶縁被覆されているため、Al配線20とカソード電極14とは接触せず、絶縁耐圧が維持される。なお、ピンホール24が存在しない領域では、酸化膜15と層間絶縁膜18の2層構造により絶縁耐圧が向上する。
5.化合物半導体素子の製造方法
図7に、本実施形態における発光素子の製造フローチャートを示す。
まず、半導体基板上にゲート半導体層10及びカソード半導体層12を形成した後、Au合金のカソード電極14及びゲート電極16を蒸着法とレジストリフトオフ法により形成する(S101)。
次に、酸化性ガス存在下において、所定温度で酸化アニール処理する(S102)。この酸化アニール処理により、カソード電極14の下地層の構成元素がAu合金内に拡散し、表面で酸化して酸化膜15を形成する。同様に、ゲート電極16の下地層の構成元素がAu合金内に拡散し、表面で酸化して酸化膜17を形成する。なお、この酸化アニール処理では、酸化膜15,17を形成すると同時に、カソード電極14と下地層のカソード半導体層12とのオーミックコンタクトが形成され、また、ゲート電極16と下地層のゲート半導体層10とのオーミックコンタクトが形成される。
次に、CVD法でシリコン酸化膜等の層間絶縁膜18を形成する(S103)。
次に、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチング法を用いて層間絶縁膜18のうちカソード電極14上とゲート電極16上に位置する領域にコンタクトホールを形成する(S104)。このとき、カソード電極14の表面に形成された酸化膜15の一部、及びゲート電極16の表面に形成された酸化膜17の一部も同時に除去する。
次に、コンタクトホールが形成された領域に金属配線としてAl配線20を形成する(S105)。また、パッド21を形成する。
最後に、保護膜を形成してパッド21の部分にコンタクトホールを形成する(S106)。
図8〜図15に、本実施形態における発光素子の具体的な製造処理を示す。まず、図8に示すように、半導体基板上にAlGaAsゲート半導体層10及びAlGaAsカソード半導体層50を順次積層する。
次に、図9に示すように、AlGaAsゲート半導体層10及びAlGaAsカソード半導体層50の一部をエッチング除去してカソード電極が形成されるべき部位にAlGaAsカソード半導体層12を残す。
次に、図10に示すように、AlGaAsカソード半導体層12上にAuGeNi合金からなるAu合金カソード電極14を蒸着法とレジストリフトオフ法を用いて形成し、AlGaAsゲート半導体層10上にAuZnSb合金からなるAu合金ゲート電極16を蒸着法及びレジストリフトオフ法を用いてパターン形成する。
次に、図11に示すように、所定条件で酸化アニール処理してAu合金カソード電極14の表面にAlを主成分とする酸化膜15を形成するとともに、Au合金ゲート電極16の表面にGaを主成分とする酸化膜17を形成する。所定条件は、窒素N(10slm)と酸素O(0.5slm)の雰囲気下で400℃、10分のアニールである。下地の半導体基板は、カソード電極14及びゲート電極16いずれもAlGaAsであるが、カソード電極14とゲート電極16ではAlの含有量やその上のAu合金の膜厚が互いに異なるため、表面に現れる元素が異なる。いずれにせよ、下地半導体であるAlGaAsの構成元素がその上のAu合金中を拡散し、その表面で酸化反応したことで酸化膜15,17が形成される。このように、上部膜中を拡散し、反対側の表面で酸化膜を形成する現象は、シリコン集積回路のプロセスで用いられるタングステンポリサイド(WSi2膜と多結晶Si膜の2層構造)の酸化に類似するものである。
この酸化アニール処理で形成されるAlを主成分とする酸化膜15及びGaを主成分とする酸化膜17は、下層のAu合金との密着性に優れるだけでなく、この後に形成される層間絶縁膜との密着性にも優れる。また、本実施形態では気体であるガスがカソード電極14やゲート電極16の側面や微細な穴の内部まで容易に到達するので、Au合金の周囲全体に漏れなく酸化膜15,17が形成されるので、被覆性にも優れる。また、Au合金層が存在しない部位では半導体基板が酸化性のガスに曝されることになるが、表面に薄い自然酸化膜が形成されるだけであって特に不具合は生じず、化合物半導体プロセスとの適合性にも優れる。
なお、既述したように、この酸化アニール処理は、カソード電極14、ゲート電極16と半導体基板とのオーミックコンタクトをとるための熱処理を兼用しているため、酸化アニール処理とは別個に、オーミックコンタクトを得るための熱処理を実行する必要はない。言い換えれば、オーミックコンタクトをとるための熱処理を行う際に、この熱処理の工程において同時にカソード電極14とゲート電極16に酸化膜15,17を形成しているといえる。
次に、図12に示すように、CVD法でシリコン酸化膜の層間絶縁膜18を半導体基板の全面に形成する。
次に、図13に示すように、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチング法を用いてカソード電極14上及びゲート電極16上の層間絶縁膜18を除去してコンタクトホール60を形成する。そして、この際に、カソード電極14の表面に形成された酸化膜15及びゲート電極16の表面に形成された酸化膜17を同時に除去する。
次に、図14に示すように、コンタクトホール60及びパッド形成領域にAl配線20,21を形成する。
最後に、図15に示すように、全面に保護膜22を形成し、パッド形成領域に開口26を形成する。
このように、本実施形態によれば、酸化アニール処理によりカソード電極14とゲート電極16にそれぞれ酸化膜15,17を形成することで、カソード電極14と層間絶縁膜18との密着性、及びゲート電極16と層間絶縁膜18との密着性が向上する。また、酸化膜17によりゲート電極16のボイドが抑制される。また、酸化膜15,17により発光素子の絶縁耐圧が向上する。本実施形態の酸化膜15,17は、酸化アニール処理で形成されるものであり、アニール処理はカソード電極14とゲート電極16の下地層とのオーミックコンタクトを形成する際に行われる処理であるから、このアニール処理において酸化ガスを導入することで酸化アニール処理が実現するので、工程数の増大もなく、既存の半導体製造プロセスとの適合性もよい。
6.変形例
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、本実施形態では、酸化アニール処理の条件として、窒素と酸素の存在下において400℃、10分のアニール処理としたが、これ以外の温度、あるいはこれ以外のアニール時間としてもよい。酸化膜15,17の膜厚については特に限定はなく、要求される密着性及び絶縁耐圧に応じて任意に設定し得る。
また、本実施形態では酸化性ガスとして酸素を例示したが、これに限定されるものではなく、酸素を含む任意のガスが用いられる。例えばHOやNOでもよい。
また、本実施形態では半導体基板としてAlGaAsを例示したが、これに限定されるものではなく、GaAs基板でもよい。この場合、酸化膜15,17の主成分はGaとなり得る。
また、本実施形態では、酸化膜15としてAlを主成分とする酸化膜、酸化膜17としてGaを主成分とする酸化膜としているが、これに限定されるものではない。例えば、酸化膜15としてGaを主成分とする酸化膜を形成してもよい。また、酸化膜17としてAlを主成分とする酸化膜を形成してもよい。さらに、酸化膜15としてAlを主成分とする酸化膜とともに、あるいはこれに代えて、Au合金の構成元素(GeやNi)を主成分とする酸化膜を形成してもよい。酸化膜17についても同様であり、Gaを主成分とする酸化膜とともに、あるいはこれに代えて、Au合金の構成元素(SbやZn)を主成分とする酸化膜を形成してもよい。なお、本明細書における「主成分」とは、一般に、酸化膜を構成する元素(酸素を除く)のうちの支配的な割合を示す元素を意味するが、より特定的には、化合物半導体の構成元素が、酸化膜の構成元素(酸素を除く)の半分より多いことを意味するものである。主成分は多くの場合、一つの元素であり得るが、必ずしもこれに限定されるものではなく、複数の元素が主成分となる場合も含まれる。
10 ゲート半導体層、12 カソード半導体層、14 カソード電極、15 酸化膜(カソード電極の酸化膜)16 ゲート電極、17 酸化膜(ゲート電極の酸化膜)、18 層間絶縁膜、20 Al配線、22 保護膜。

Claims (5)

  1. 化合物半導体上に形成された金合金電極と、
    前記金合金電極上に形成された層間絶縁膜と、
    前記層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介して前記金合金電極に接続される金属配線と、
    前記金合金電極と前記層間絶縁膜との界面に形成された、前記化合物半導体の構成元素を主成分とする酸化膜と、
    を備えることを特徴とする化合物半導体素子。
  2. 前記化合物半導体はAlGaAsであり、
    前記酸化膜は、Alを主成分とする酸化膜であることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子。
  3. 前記化合物半導体素子はAlGaAsであり、
    前記酸化膜は、Gaを主成分とする酸化膜であることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子。
  4. 前記化合物半導体はGaAsであり、
    前記酸化物は、Gaを主成分とする酸化膜であることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子。
  5. 化合物半導体上に金合金電極を形成する工程と、
    前記金合金電極を酸化性ガス存在下においてアニール処理することで前記化合物半導体の構成元素を主成分とする酸化膜を前記金合金電極の表面に形成する工程と、
    アニール処理された前記金合金電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
    前記層間絶縁膜にコンタクトホールを形成するとともに前記酸化膜の一部を除去する工程と、
    前記コンタクトホールに金属配線を形成する工程と、
    を備えることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
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