JP2012009583A - 半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ガルバニック腐食に起因するパッド電極の剥離を低減することができ、かつ外部接続部材を接合する際のパッド電極の剥離をより低減することができる半導体素子を提供する。
【解決手段】半導体層（ｎ型窒化物半導体層）２と、半導体層２上に設けられたパッド電極７と、を備える半導体素子（窒化物半導体素子）１０であって、パッド電極７は、半導体層２側から順に、Ｗ層、金属層、Ａｕ層が少なくとも積層されており、金属層は、Ｗよりも大きく、かつＡｕよりも小さい標準電極電位を有する金属から構成されており、金属層の膜厚は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子に関し、特にパッド電極を有する半導体素子に関する。

従来から、半導体素子のパッド電極として、外部接続部材（例えば、ワイヤ）との接合性を考慮して最表面にＡｕ（金）を含むものが使用されている。また、半導体素子のパッド電極については、さらにＷ（タングステン）を含む積層構造とすることで、パッド電極の剥離強度が向上することが分かっていた。そのため、近年においては、Ａｕ、Ｗを含むパッド電極を用いた半導体素子が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１６４４２３号公報

しかしながら、Ｗは、高温高湿環境下においてＡｕとの間でガルバニック腐食起因と考えられる酸化が生じることによって、Ａｕとの界面で剥離し、最悪の場合にはこの半導体素子を用いた発光装置が不灯に至る恐れがある。
ここで、特許文献１には、電極層として、下面から、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕの順に積層した積層構造が開示されている。しかし、ＷとＡｕの間に厚い金属層があると、外部接続部材を接合する際に半導体素子に衝撃が加わり、パッド電極の剥離が生じやすくなるという問題がある。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、ガルバニック腐食に起因するパッド電極の剥離を低減することができ、かつ外部接続部材を接合する際のパッド電極の剥離をより低減することができる半導体素子を提供することを課題とする。

すなわち本発明に係る半導体素子は、半導体層と、前記半導体層上に設けられたパッド電極と、を備える半導体素子であって、前記パッド電極は、前記半導体層側から順に、Ｗ層、金属層、Ａｕ層が少なくとも積層されており、前記金属層は、Ｗよりも大きく、かつＡｕよりも小さい標準電極電位を有する金属から構成されており、前記金属層の膜厚は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする。

このような構成によれば、標準電極電位の差が大きいＷ層とＡｕ層の間に、これらの間の標準電極電位を有する金属層を有することでガルバニック腐食が抑制され、パッド電極におけるＷ層とＡｕ層との間での剥離が低減される。さらに、その金属層の膜厚を５０ｎｍ以下とすることで、外部接続部材を接合する際の不要な応力が金属層を伝わり、不要な応力をＷで十分に緩和することができるため、パッド電極と、その下部の部材との間での剥離や、パッド電極を構成する各層間での剥離がより低減される。

また、前記金属層は、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕから選択される少なくとも一種を含んでいることが好ましく、特に好ましくはＡｕへの拡散が少ないＲｈからなり、かつ、その膜厚が５ｎｍ以下であることが好ましい。

このような構成によれば、金属層に含む金属として、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕから選択される少なくとも一種を用いることで、金属層を構成しやすくなり、また、膜厚が５ｎｍ以下のＲｈからなることで、金属層の元素のＡｕへの拡散が抑制されるとともに、外部接続部材を接合する際のパッド電極と、その下部の部材との間での剥離や、パッド電極を構成する各層間での剥離がさらに低減される。

本発明に係る半導体素子によれば、ガルバニック腐食を抑制することができるため、パッド電極におけるＷとＡｕとの間での剥離を低減することができるとともに、外部接続部材を接合する際の、パッド電極と、その下部の部材との間での剥離や、パッド電極を構成する各層間での剥離をより低減することができる。そのため、外部接続部材や、下部の部材との密着性および各層間の密着性に優れたパッド電極を備える半導体素子となる。

本発明の実施形態に係る半導体素子（窒化物半導体素子）の構造を説明する模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 図１に示す窒化物半導体素子におけるパッド電極の構造を模式的に示す拡大断面図である。 本発明に係る実施例におけるＰＣＴ（Pressure Cooker Test）による試験後の外観の観察画像である。 本発明に係る実施例におけるワイヤボンディング加速試験での加速条件に関する模式図である。

以下、本発明に係る半導体素子の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

〔半導体素子〕
本発明の半導体素子は、半導体層と、この半導体層上に設けられたパッド電極を備えるものであり、パッド電極は、半導体層側から順に、Ｗ層、金属層、Ａｕ層が少なくとも積層されたものである。本発明の半導体素子の構造の一例として、図１および図２に示す窒化物半導体素子１０が挙げられる。以下、本発明の半導体素子の構造を、図１および図２に示す窒化物半導体素子１０を例にして説明する。

本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子１０は発光素子であり、図１（ｂ）に示すように、基板１上に、ｎ型窒化物半導体層２と、活性層３と、ｐ型窒化物半導体層４とを積層して備える。さらに窒化物半導体素子１０は、ｎ型窒化物半導体層２に電気的に接続するｎ側電極（ｎ側パッド電極）７ｎ、およびｐ型窒化物半導体層４に電気的に接続するｐ側電極５を、共に上面側に備え、また、絶縁性の保護層（保護膜）９を表面に備える。ｎ側電極７ｎはパッド電極であり、ｐ型窒化物半導体層４および活性層３の一部が除去されて露出したｎ型窒化物半導体層２の表面に直接に形成される。一方、ｐ側電極５は、ｐ型窒化物半導体層４の表面上のほぼ全面に形成された透光性電極６と、透光性電極６上の一部の領域に形成されたパッド電極（ｐ側パッド電極）７ｐとからなる。保護層９は、ｎ側電極７ｎおよびｐ側パッド電極７ｐの上面を除いた、窒化物半導体素子１０の全表面を被覆する。なお、本明細書における「上」とは、基板に対して窒化物半導体層を備えた側を指し、図１（ｂ）における上方向である。

（基板）
基板１は、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる基板材料であればよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。このような基板材料としては、Ｃ面、Ｒ面、Ａ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性基板、また炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、および窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。

（ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層）
ｎ型窒化物半導体層２、活性層３、およびｐ型窒化物半導体層４（適宜まとめて窒化物半導体層２，３，４という）としては、特に限定されるものではないが、例えばＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）等の窒化ガリウム系化合物半導体が好適に用いられる。

（ｎ側電極、ｐ側電極）
ｎ側電極７ｎはｎ型窒化物半導体層２に、ｐ側電極５はｐ型窒化物半導体層４に、それぞれ電気的に接続して外部から電流を供給する。
ここで、窒化物半導体の中でも好適な窒化ガリウム系化合物半導体はｐ型になり難く、すなわちｐ型窒化物半導体層４は比較的抵抗が高い傾向がある。そのため、電極をｐ型窒化物半導体層４上の一部の領域のみで接続すると、窒化物半導体素子１０に供給される電流はｐ型窒化物半導体層４中で広がり難く、発光が面内で不均一になる。したがって、ｐ型窒化物半導体層４の面内全体に均一に電流が流れるように、ｐ側電極５はｐ型窒化物半導体層４上により広い面積で接続して設ける必要がある。ただし、上面を窒化物半導体素子１０の光取り出し面とするため、ｐ側電極５で光取り出し効率を低下させないように、ｐ側電極５は、ｐ型窒化物半導体層４上に直接に、その全面またはそれに近い面積の領域（ほぼ全面）に形成された透光性電極６を備える。そして、ｐ側電極５はさらに透光性電極６上に、ワイヤボンディング等で外部回路に接続するために、ボンディング性の良好なＡｕを表面に備えるパッド電極（ｐ側パッド電極）７ｐを備える。ｐ側パッド電極７ｐは、光を多く遮らない程度に、ボンディングに必要な平面視形状および面積であって、透光性電極６の平面視形状より小さく、内包されるように、すなわち透光性電極６上の一部の領域に形成される。

一方、低抵抗のｎ型窒化物半導体層２には、ｎ側電極７ｎは、接続面積は少なくてよいので、光を透過させないパッド電極（ｎ側パッド電極）のみで構成することができ、ｎ型窒化物半導体層２上に直接に形成される。また、本実施形態に係る窒化物半導体素子１０は、上面側にｎ側パッド電極７ｎを備えるので、ｎ型窒化物半導体層２上の当該ｎ側パッド電極７ｎを接続するための領域における活性層３およびｐ型窒化物半導体層４が除去されており（図１（ｂ）参照）、すなわちこの領域は発光しない。したがって、このｎ側電極（ｎ側パッド電極）７ｎは、発光量を大きく減少させない程度に、ｐ側パッド電極７ｐと同様にボンディングに必要な、そしてｎ型窒化物半導体層２との電気的接続に必要な平面視形状および面積に形成される。ｎ側パッド電極７ｎおよびｐ側パッド電極７ｐの窒化物半導体素子１０の平面視におけるそれぞれの位置は、特に限定しないが、パッド電極７ｎ，７ｐ自身や外部回路から接続したワイヤで遮られる光量をより抑制できること、ボンディングの作業性等に基づいて設計すればよい。

（透光性電極）
ｐ側電極５における透光性電極６は導電性酸化物からなる。透光性電極として金属薄膜を用いることもできるが、導電性酸化物は金属薄膜に比べて透光性に優れるため、窒化物半導体素子１０を発光効率の高い発光素子とすることができる。導電性酸化物としては、Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｍｇからなる群から選択された少なくとも一種を含む酸化物、具体的にはＺｎＯ，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₂，ＩＴＯが挙げられる。特にＩＴＯは可視光（可視領域）において高い光透過性を有し、また導電率の比較的高い材料であることから好適に用いることができる。
透光性電極６の膜厚は特に限定されるものではないが、シート抵抗が過大とならないように、５０００ｎｍ以下とすることが好ましく、１００〜１０００ｎｍ程度とすることがより好ましい。透光性電極６の形状は、一体の矩形等のｐ型窒化物半導体層４の平面視形状に合わせた形状でもよいが、例えば、格子状、メッシュ形状、ドット状、ストライプ形状、網目状等にパターン形成することで、光の取り出し効率を向上させてもよい。

（パッド電極）
本実施形態に係る窒化物半導体素子１０において、ｎ側パッド電極７ｎとｐ側パッド電極７ｐとは同じ積層構造であり、適宜まとめてパッド電極７と称する。図２に示すように、パッド電極７は、一般的なものと同様に、外部からワイヤを接続させるためのＡｕ層（ボンディング層）７５を最上層（最上面）に備える構成である。そして、本発明の実施形態の一例として、ここでは透光性電極６の上面に、Ｔｉ層７１、Ｒｈ層７２、Ｗ層７３、Ｒｈ層（金属層（バリア層）７４）、Ａｕ層７５の順に積層された構造を有している。
これらの層７１，７２，７３，７４，７５は蒸着法、スパッタ法等の公知の方法によって成膜することができ、また連続的に形成して積層することが好ましい。また、パッド電極７（７ｎ，７ｐ）の平面視形状は特に限定するものではなく、リフトオフ法、フォトリソグラフィを用いたエッチング等により、所望の形状（例えば図１（ａ）参照）に形成することができる。

Ｔｉ層７１は、ｎ側パッド電極７ｎにおいてはｎ型窒化物半導体層２に、ｐ側パッド電極７ｐにおいては透光性電極６に、それぞれ接触する層である。Ｔｉ層７１を備えることで、ｎ側パッド電極７ｎとｎ型窒化物半導体層２、および、ｐ側パッド電極７ｐと透光性電極６との密着性がよくなる。

Ｒｈ層７２は、パッド電極７に入射される光（特に、Ｔｉ層７１を透過した光）を反射することによって、窒化物半導体素子１０からの光取り出し効率を向上させるための層である。さらに、Ｒｈ層７２は、アニールすることによってＲｈが１層目のＴｉ層７１に微量に拡散し、パッド電極７と透光性電極６とのオーミック接触をとり易くすることができる。

Ｗ層７３は、パッド電極７の剥離強度を向上させるための層である。なお、強度を向上させるには、Ｗ層７３の厚みは厚いほうがよいが、厚すぎると、製造時間と製造コストが増大する。一方、Ｗ層７３の厚みが薄すぎると応力によってＷ層７３が反ってしまう。よって、Ｗ層７３の厚みは、３０〜１００ｎｍが好ましく、さらに好ましくは、５０ｎｍである。

金属層７４は、Ｗ層７３とＡｕ層７５の間に設ける層であり、Ｗよりも大きく、かつＡｕよりも小さい標準電極電位を有する金属から構成する。ここで、表１に代表的な金属元素の標準電極電位を示す。

表１に示すように、ＷとＡｕは標準電極電位の差が大きいが、ＷとＡｕの間に、これらの間の標準電極電位を有する金属層７４を備えることでガルバニック腐食が抑制され、Ｗ層７３とＡｕ層７５との間で生じる剥離を低減することができる。

金属層（バリア層）７４としては、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕから選択される少なくとも一種を含むことが好ましい。これらの金属は、標準電極電位がＷよりも大きく、かつＡｕよりも小さいものであり、また入手が容易であるため、金属層７４を構成するのに適している。
具体的には、表１に示すように、Ｗの標準電極電位が「−０．１１９Ｖ」、Ａｕが「１．５２Ｖ」であり、その差は「１．６３９Ｖ」と大きいが、例えば、「０．７５８Ｖ」であるＲｈからなるＲｈ層を間に挟むことで、それぞれ、その差が「０．８７７Ｖ」、「０．７６２Ｖ」となり、差を小さく抑えることができる。なお、その他の金属の標準電極電位は、それぞれ、Ｃｕ「０．３４０Ｖ」、Ａｇ「０．７９９Ｖ」、Ｐｄ「０．９１５Ｖ」、Ｉｒ「１．１５６Ｖ」、Ｒｕ「０．２４９Ｖｏｒ０．６８Ｖ」である。
ここで、金属層７４は、Ｒｈからなることが好ましい。ＲｈはＡｕへの拡散が少ないため、金属層７４の拡散によるＡｕ層７５のボンディング性の低下を抑制することができる。

また、金属層７４の膜厚は、５０ｎｍ以下にする。
窒化物半導体素子１０の製造においては、Ａｕ層７５にワイヤやバンプ等の外部接続部材を接合するが、その際、パッド電極７に応力が加わるため、金属層７４の膜厚が厚いと、パッド電極７と、その下部の部材との間、すなわち、ｎ型窒化物半導体層２とｎ側パッド電極７ｎとの間、および、透光性電極６とｐ側パッド電極７ｐとの間で剥離が生じやすくなる。これは、パッド電極７と、ｎ型窒化物半導体層２および透光性電極６とは、基本的に材質自体が大きく異なるため、ワイヤボンディング等での衝撃により、これらの間での結合が弱まるためである。また、稀にパッド電極を構成する各層間での剥離が生じる場合もある。しかし、金属層７４の膜厚を５０ｎｍ以下とすることによって、外部接続部材を接合する際の不要な応力が金属層７４を伝わり、不要な応力をＷ層７３で十分に緩和することができる。そのため、パッド電極７の剥離をより低減することができる。
ここで、さらに金属層７４の膜厚は、５ｎｍ以下が好ましい。膜厚を５ｎｍ以下とすれば、さらにパッド電極７の剥離が起きにくくなる。特に金属層７４がＲｕからなる場合には、パッド電極７の剥離をほとんど抑制することが可能となる。すなわち、金属層７４は、Ｒｈで構成するとともに膜厚を５ｎｍ以下とすることが好ましい。

Ａｕ層（ボンディング層）７５は、外部からワイヤやバンプを接続するために設けられ、パッド電極７の表面（最上面）を構成する。Ａｕ層７５は、ワイヤ等との密着性すなわちボンディング性に優れ、耐食性等にも優れたＡｕを適用する。また、Ａｕ層７５は、ボンディング性を保持するため、厚さを１００ｎｍ以上とすることが好ましく、２００ｎｍ以上がより好ましい。一方、生産性上、Ａｕ層７５は厚さを１０００ｎｍ以下とすることが好ましく、８００ｎｍ以下がより好ましく、５００ｎｍ以下が特に好ましい。
なお、これらの層７１，７２，７３，７４，７５の厚さは、例えば、スパッタリング装置による成膜条件により調整すればよい。

（保護層）
保護層９は、窒化物半導体素子１０における窒化物半導体層２，３，４の露出した表面（上面および側壁）や透光性電極６の表面等を被覆して、窒化物半導体素子１０の保護膜および帯電防止膜とする。具体的にはパッド電極７ｎ，７ｐの上面の周縁部を除いた領域をボンディングのための領域（パッド部）とし、このパッド部の領域を除いた全表面に保護層９が形成される。保護層９は透光性の絶縁膜であるＳｉ，Ｔｉ，Ｔａ等の酸化物からなり、蒸着法、スパッタ法等の公知の方法によって成膜することができ、その膜厚は特に限定するものではないが、１００〜１０００ｎｍとすることが好ましい。

ここで、パッド電極７ｎ，７ｐの最上面を構成するＡｕは、酸化物からなる保護層９との密着性に劣るため、保護層９がパッド部の端から剥離する虞がある。これを防止するため、Ａｕ層７５の上面の周縁部（保護層９の直下の領域）に、密着層８２としてＮｉ等の膜を形成することが好ましい。さらにＮｉで密着層８２を形成した場合、この密着層８２からＮｉがＡｕ層７５のＡｕへ拡散するとボンディング性が低下するので、これを防止するために、密着層８２の下にバリア層８１を形成することが好ましい。バリア層８１は、Ｗ，Ｒｕ，Ｉｒ等で形成することができるが、特にパッド電極７のＷ層と同様に、Ｗを適用することが好ましい。バリア層８１、密着層８２のそれぞれの厚さは特に限定するものではないが、好適に作用するために、バリア層８１は２０〜５０ｎｍ、密着層８２は１〜２０ｎｍとすることが好ましい。なお、バリア層８１と密着層８２の２層（例えばＷ／Ｎｉ層）を適宜、下地層８と称する。下地層８も、パッド電極７ｎ，７ｐを構成する金属膜（Ｔｉ層〜Ａｕ層）と同様に、蒸着法、スパッタ法等の公知の方法によって成膜することができ、Ａｕ層７５から連続して、すなわちＴｉ層から連続して成膜することが好ましい。

〔半導体素子のパッド電極の製造方法〕
本発明に係る半導体素子のパッド電極の製造方法について、前記実施形態に係る窒化物半導体素子の製造も含めて、一例を説明する。

まず、サファイア基板を基板１として、ＭＯＶＰＥ反応装置を用いて、基板１上に、ｎ型窒化物半導体層２を構成する、第１のバッファ層と、第２のバッファ層と、ｎ側コンタクト層と、第３のバッファ層と、ｎ側多層膜層とを成長させ、このｎ側多層膜層の上に活性層３を成長させた後、さらにｐ型窒化物半導体層４を構成する、ｐ側多層膜層と、ｐ側コンタクト層とを順に成長させる。そして窒化物半導体の各層を成長させた基板１（以下、ウェハという）を装置の処理室内にて窒素雰囲気で、６００〜７００℃程度のアニールを行って、ｐ型窒化物半導体層４を低抵抗化する。

次に、ｎ側電極（ｎ側パッド電極）７ｎを接続するためのコンタクト領域として、ｎ型窒化物半導体層２の一部を露出させる。アニール後のウェハ上にフォトレジストにて所定の形状のマスクを形成して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）にて、ｐ型窒化物半導体層４および活性層３、さらにｎ型窒化物半導体層２のｎ側多層膜層、第３のバッファ層を除去して、その表面にｎ側コンタクト層を露出させる。そしてエッチングの後、レジストを除去する。なお、コンタクト領域と同時に、窒化物半導体素子１０（チップ）の周縁部（スクライブ領域）をエッチングしてもよい。

その後、ウェハの全面に、透光性電極６としてＩＴＯ膜をスパッタリング装置にて成膜する。そして、フォトレジストにて、ＩＴＯ膜上にその下のｐ型窒化物半導体層４の平面視形状（図１（ａ）参照）に対応した形状のマスクを形成し、エッチングして、ｐ型窒化物半導体層４上に透光性電極６を形成する。そしてエッチングの後、レジストを除去する。次に、窒素雰囲気で５００℃程度のアニールを行って、透光性電極６（ＩＴＯ膜）のｐ型窒化物半導体層４とのオーミック接触性、および前記コンタクト領域の露出させたｎ型窒化物半導体層２の、ｎ側パッド電極７ｎへのオーミック接触性を、それぞれ向上させる。

次に、露出させたｎ型窒化物半導体層２上、および透光性電極６のそれぞれにおける所定領域を空けたマスクをフォトレジストにて形成し、このマスクの上から、スパッタリング装置にて、パッド電極７ｎ，７ｐを構成するＴｉ、Ｒｈ、Ｗ、Ｒｈ、Ａｕ、さらに下地層８を構成するＷ，Ｎｉの計７層の金属膜をそれぞれ所定の膜厚ずつ連続的に成膜する。その後、レジストをその上の金属膜ごと除去すると、前記の所定領域にｎ側パッド電極７ｎ、ｐ側パッド電極７ｐが形成され（リフトオフ法）、またその上に、同じ平面視形状でＷ，Ｎｉの２層の膜が積層された状態となる。

次に、ＩＴＯ膜のオーミック接触性を向上させるため、窒素雰囲気で、ウェハに熱処理（アニール）を施す。熱処理の温度は、２８０℃以上とすることが好ましい。一方、温度が高過ぎると、窒化物半導体層２，３，４が熱で劣化して、ｎ型窒化物半導体層２およびｐ型窒化物半導体層４の方のオーミック接触性が低下し、さらに、窒化物半導体素子１０の発光強度が低下する等の虞があるため、熱処理の温度は５００℃以下とすることが好ましい。また、処理時間は、温度およびＴｉ層等の厚さに応じて設定されるが、１０〜２０分間程度が好ましい。

その後、ウェハの全面に、保護層９としてＳｉＯ₂膜をスパッタリング装置にて成膜する。すなわち、パッド部としてパッド電極７ｎ，７ｐ上のＷ，Ｎｉの膜上の所定領域を空けたマスクをフォトレジストにて形成し、ＳｉＯ₂膜をエッチングした後、レジストを除去する。残ったＳｉＯ₂膜（保護層９）をマスクとしてＮｉ，Ｗをエッチングして、パッド部にＡｕ層７５を露出させる。

そして、ウェハをスクライブやダイシング等で分離して、１個の窒化物半導体素子１０（チップ）となる。また、チップに分離する前に、ウェハの裏面から基板１を研削（バックグラインド）して所望の厚さとなるまで薄く加工してもよい。

以上の工程による本発明に係る半導体素子のパッド電極の製造方法は、前記の実施形態に係る窒化物半導体素子について、ｐ側、ｎ側のそれぞれにパッド電極を同時に形成することができるため、生産性が向上する。

そして、窒化物半導体素子１０は、Ｗ層７３とＡｕ層７５の間に設けられた金属層７４の膜厚が５０ｎｍ以下のため、その後の窒化物半導体素子１０を用いた発光装置の製造において、ワイヤボンディング等、外部接続部材を接合する際に、その衝撃による不要な応力が金属層７４を伝わり、不要な応力がＷ層７３で十分に緩和される。そのため、発光装置の製造の際のパッド電極７の剥離をより低減することができる。

半導体素子を作製し、パッド電極の構造について本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

〔半導体素子の作製〕
以下の方法により、図１に示す構造の窒化物半導体素子を作製した。ただし、保護層は設けなかった。
３インチφのサファイア（Ｃ面）からなる基板上に、ＭＯＶＰＥ反応装置にて、バッファ層、ｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層を構成するそれぞれの窒化物半導体を順次成長させた。窒化物半導体の各層を成長させた基板（以下、ウェハという）を、ＭＯＶＰＥ反応装置の処理室にて窒素雰囲気として、６００℃のアニールを行った。

ウェハを処理室から取り出し、ｐ型窒化物半導体層上に所定の形状のレジストマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で、図１（ｂ）に示すように、ｐ型窒化物半導体層および活性層、さらにｎ型窒化物半導体層のｎ側コンタクト層が露出するまでエッチングを行い、レジストを除去した。

ウェハをバッファードフッ酸（ＢＨＦ、フッ酸／フッ化アンモニウム水溶液）に室温で浸漬した後、スパッタリング装置にて膜厚１７０ｎｍのＩＴＯを成膜した。詳しくはＩｎ₂Ｏ₃とＳｎＯ₂との焼結体からなる酸化物ターゲットを用い、Ａｒ雰囲気で放電を行ってＩＴＯ膜をウェハ上に形成した。そして、ｐ型窒化物半導体層上のほぼ全面にＩＴＯ膜が残るように、レジストマスクを形成してエッチングを行い、レジストを除去した。そして、ＩＴＯ膜のオーミック接触性を向上させるため、窒素雰囲気で５００℃のアニールを行い、透光性電極とした。

ｎ側電極用コンタクト領域のｎ型窒化物半導体層（ｎ側コンタクト層）上、および透光性電極上のそれぞれの所定の領域を空けたレジストマスクを形成し、スパッタリング装置にて、ウェハ上に、パッド電極用の金属膜（例えば、Ｔｉ，Ｒｈ，Ｗ，Ｒｈ，Ａｕ）を連続的に順次成膜した。なお、パッド電極については、表２、３に示す構造のものを作製した。そして、レジストを除去し（リフトオフ）、ｎ側、ｐ側の各パッド電極の平面視形状（図１（ａ）参照）の多層膜を形成した。パッド電極の各層の厚さは表２、３に示す通りである。
なお、パッド構造が「Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ｒｈ／Ａｕ（左から順に積層、以下同じ）」および「Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ｉｒ／Ａｕ」のものについては、Ｗ層とＡｕ層の間のＲｈ層およびＩｒ層の膜厚を、それぞれ５ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍと変化させた。

その後、アニール炉にて窒素雰囲気でウェハに４００℃、１０分間でアニールを施して、試験用の窒化物半導体素子とした。なお、下地層および保護層は、電極の剥離に直接的に関係するものではなく、また、これらが試験に何かしらの影響を与えないようにするため、ここではこれらは設けなかった。

このようにして作製した窒化物半導体素子について、ガルバニック腐食に起因する電極の剥離（ここでは、Ｗ元素の析出）について調べるためのＰＣＴ（Pressure Cooker Test）、および、外部接続部材を接合する際の電極の剥離について調べるためのワイヤボンディング加速試験を行った。なお、ＰＣＴとワイヤボンディング加速試験とでは、それぞれの試験に用いるサンプルを用意して、別個に試験を行った。すなわち、ＰＣＴ後のサンプルを、続けてワイヤボンディング加速試験に用いたわけではない。そのため、サンプルのＰＣＴによる影響は、ワイヤボンディング加速試験での剥れ率には考慮されていない。

［ＰＣＴ］
パッド構造（電極構造）として、表２に示す「Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ａｕ」のサンプルと、「Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ｒｈ／Ａｕ（Ｗ層とＡｕ層の間のＲｈ層は、５ｎｍ）」のサンプルについて、１２１℃、湿度１００％、２ａｔｍ、１００時間の条件でＰＣＴを行った。そして、ＰＣＴ後の外観を光学顕微鏡により観察し（上面観察）、光学顕微鏡のＣＣＤカメラで撮影した。なお、サンプルは、各素子に分割せずにウェハ状態としたものを用い、ウェハ状態で試験を行なった。
この観察画像を図３に示す。
図３に示すように、「Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ａｕ」のサンプルでは、Ｗ元素がサンプルから析出しているのに対し、「Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ｒｈ／Ａｕ」のサンプルでは、Ｗ元素の析出を抑制できている。

［ワイヤボンディング加速試験］
表２、３に示すパッド構造のサンプルについて、ワイヤボンディング加速試験により、ここでは主にｐ側パッド電極とＩＴＯ膜との密着性を確認した。
試験条件は、ワイヤボンディング装置（ＫＡＩＪＯ製ＦＢ−１５０ＤＧII）を用いて、φ３０μｍのＡｕワイヤをパッド電極にボンディングし、その際にｐ側パッド電極が下地（ＩＴＯ膜）から剥がれたサンプル、および、下地から剥れなくてもｐ側パッド電極を構成する各層間で剥離が発生したサンプルの個数を測定した。そして、剥れ率が６０％以下であれば、従来に比べて、電極の剥離を抑制できているものとした。

なお、サンプルは、素子のサイズが４２０μｍ×２４０μｍ、ｐ側パッド電極のパッド径が９０μｍであり、保護層は設けていない。また、前記のワイヤボンディング装置においては、加速的な剥がれ試験を行なうために、ボンディング時の荷重を通常よりも高い値の４０ｇｆに設定し、さらに、ボンディングする位置についても通常よりずらした位置、つまり、図４に示すようにパッド径からはみ出した位置に設定して試験を行なった。
パッド構造と剥れ率の関係を、表２、３に示す。なお、表２、３において、剥れ率は小数点以下２桁目を四捨五入した値である。

表２に示すように、「Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ｒｈ／Ａｕ」のサンプル（Ｎｏ．４〜６）においては、Ｗ層とＡｕ層の間のＲｈ層の膜厚が５０ｎｍ（Ｎｏ．５）では、剥れ率が４４．５％であった。さらにＷ層とＡｕ層の間のＲｈ層の膜厚が５ｎｍ（Ｎｏ．４）では、剥れ率が０．２％であり、電極の剥離をほとんど防止できていることがわかる。
また、表３に示すように、「Ｔｉ／Ｒｈ／Ｗ／Ｉｒ／Ａｕ」のサンプル（Ｎｏ．７〜９）においては、Ｗ層とＡｕ層の間のＩｒ層の膜厚が５０ｎｍ（Ｎｏ．８）では、剥れ率が５７．０％であった。さらにＷ層とＡｕ層の間のＩｒ層の膜厚が５ｎｍ（Ｎｏ．７）では、剥れ率が４９．２％であった。

以上の結果から、電極におけるＷ層とＡｕ層の間に金属層を設けることで、ガルバニック腐食に起因するＷ元素の析出を抑制できることがわかる。また、この金属層の厚みを５０ｎｍ以下とすることで、外部接続部材を接合する際の電極の剥離を、金属層にＲｈを用いた場合には４４．５％以下、Ｉｒを用いた場合には、５７．０％以下に低減できることがわかる。さらに、厚みを５ｎｍ以下とすることで、外部接続部材を接合する際の電極の剥離をさらに抑制できることがわかる。特に、金属層にＲｈを用い、厚みを５ｎｍ以下とすることで、外部接続部材を接合する際の電極の剥離をほとんど防止できることがわかる。

なお、前記のとおり、ワイヤボンディング加速試験ではＰＣＴによる影響は考慮されていないが、実際にはＷ元素の析出は深刻であり、ほぼ１００％電極の剥離が生じる。このようなことから、本発明では、所定の標準電極電位を有する金属層を備えることでＷ元素の析出によるパッド電極の剥離を防止した構造とし、さらにその上で、この金属層の膜厚を規定することで外部接続部材を接合する際のパッド電極の密着性に優れた構造としている。

このように、本発明によれば、ガルバニック腐食に起因するパッド電極の剥離を低減することができるとともに、外部接続部材を接合する際のパッド電極の剥離をより低減することができ、外部接続部材や、下部の部材との密着性および各層間の密着性に優れたパッド電極を備える半導体素子とすることができる。そのため、従来にはない優れた効果を奏する半導体素子を提供することが可能となる。

なお、前記のとおり、特許文献１には、電極層として、下面から、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕの順に積層した積層構造が開示されているが、Ｐｔの膜厚は２００ｎｍとされている。本実施例では、金属層の厚みがその半分の１００ｎｍのときであっても、剥れ率が７０％以上と高い結果となっている。そして、金属層の厚みを５０ｎｍ以下とすることで、剥れ率を６０％以下に抑制することができている。従って、本実施例によって、本発明に係る半導体素子が従来の半導体素子と比較して、優れていることが客観的に明らかとなった。

以上、本発明について実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することが可能であることはいうまでもない。

例えば、本発明に係る半導体素子のパッド電極は、前記実施形態（図１参照）に係る半導体素子に限らず、例えばｎ側電極を導電性基板の裏面（下面）側に設けた半導体素子に適用することもできる（図示せず）。また、ボンディング層において、前記実施形態ではＡｕを適用することとしたが、ボンディング性に優れ、一般的に適用されるＡｌ（Ａｌ合金を含む）、Ｃｕ等の金属を適用してもよい。その他、半導体素子の構造は、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、適宜他の構造としてもよい。

１０ 窒化物半導体素子（半導体素子）
１ 基板
２ ｎ型窒化物半導体層
３ 活性層
４ ｐ型窒化物半導体層
５ ｐ側電極
６ 透光性電極
７ｐ ｐ側パッド電極
７ｎ ｎ側電極（ｎ側パッド電極）
７ パッド電極
７１ Ｔｉ層
７２ Ｒｈ層
７３ Ｗ層
７４ 金属層
７５ Ａｕ層
８ 下地層
９ 保護層

Claims (3)

1. 半導体層と、前記半導体層上に設けられたパッド電極と、を備える半導体素子であって、
   前記パッド電極は、前記半導体層側から順に、Ｗ層、金属層、Ａｕ層が少なくとも積層されており、
   前記金属層は、Ｗよりも大きく、かつＡｕよりも小さい標準電極電位を有する金属から構成されており、
   前記金属層の膜厚は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体素子。
2. 前記金属層は、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕから選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記金属層は、Ｒｈからなり、
   前記金属層の膜厚は、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体素子。