JP3115148B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP3115148B2
JP3115148B2 JP05073233A JP7323393A JP3115148B2 JP 3115148 B2 JP3115148 B2 JP 3115148B2 JP 05073233 A JP05073233 A JP 05073233A JP 7323393 A JP7323393 A JP 7323393A JP 3115148 B2 JP3115148 B2 JP 3115148B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、特に、半導体と金属電
極の接触部におけるオ−ミック性と剥離強度の改善、及
びプロセスの簡略化に貢献するための電極構造に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、III −V族化合物半導体を使用す
るトランジスタ、ダイオ−ド等の半導体装置には、当該
半導体装置と外部の電気回路とを接続するための金属電
極が設けられている。
【0003】当該金属電極の電極構造は、アロイ型とノ
ンアロイ型に大別される。そこで、近年、急速に需要が
伸びている光通信用の半導体受光装置を例に取り上げて
当該電極構造について説明する。
【0004】図4は、InP/InGaAs表面入射型
半導体受光素子(フォトダイオ−ド)の一例を示す断面
図である。この受光素子は、n型InP基板 1上に、
- 型InPバッファ層 2、n- 型InGaAs光吸
収層 3及びn- 型InPキャップ層 4を有する。I
nGaAs光吸収層 3内にpn接合が形成されるよう
にP型不純物領域 5が設けられている。なお、不純物
領域 5は、例えばZn(亜鉛)をP型不純物として、
選択的にInPキャップ層 4等に注入することにより
形成できる。
【0005】上記受光素子において、InPキャップ層
4の表面には、いわゆるノンアロイ型電極が設けられ
ている。このノンアロイ型電極は、Ti(チタン)2
2、Pt(プラチナ)23及びAu(金)24からなる
積層構造を有し、Ti22がInPキャップ層 4に接
触する。なお、Ti22は、実質的に、InPキャップ
層 4のInPと反応、合金化しないため、前記ノンア
ロイ電極が構成される。
【0006】InP基板 1の表面には、いわゆるアロ
イ型電極が設けられている。このアロイ型電極は、Au
Ge25、Ni(ニッケル)26及びAu27からなる
積層構造を有し、AuGe25がInP基板 1に接触
する。なお、AuGe25は、熱処理によって、InP
基板 1のInPと反応、合金化するため、オ−ミック
接触を実現し得る前記アロイ電極が構成される。
【0007】上記InPキャップ層 4に接触するノン
アロイ型電極において、Ti22は、InPキャップ層
4に対するコンタクト層として、Au24は、マウン
ト又はワイヤボンディングのための配線層として、さら
にPt23は、Ti22とAu24の相互拡散を防止す
るためのバリア層としてそれぞれ作用することになる。
【0008】なお、上記受光素子は、例えばAuSn半
田により、セラミックキャリア上にAu27の表面を接
合面としてマウントされる。また、Au24には、Au
線のワイヤがボンディングされる。これにより、当該受
光素子と外部の電気回路との接続が完了する。
【0009】しかしながら、上記受光素子には、以下の
欠点がある。即ち、InPキャップ層 4に接触するノ
ンアロイ型電極において、Ti22とInPキャップ層
4の界面にはショットキ−バリアが形成され易い。こ
のため、Ti22とInPキャップ層 4のオ−ミック
接触が十分に得られずに、その接触抵抗が大きくなる欠
点がある。また、コンタクトメタルであるTi22は、
InPキャップ層 4のInPと合金化せずに接触して
いるだけである。このため、Ti22とInPキャップ
層 4の剥離強度が十分に得られず、Au線のワイヤを
Au24にボンディングする際に積層電極全体22〜2
4がInPキャップ層 4から剥離し易く、受光素子の
製造歩留りが低下すると共に当該受光素子の信頼性が低
下する欠点がある。
【0010】一方、従来の電極構造としては、InPキ
ャップ層 4に接触するノンアロイ型電極に変えて、ア
ロイ型電極を用いるものが知られている。このアロイ型
電極は、例えばAu、AuZn及びAuからなる積層構
造又はAu、AuCr及びAuからなる積層構造を有
し、AuがInPキャップ層 4に接触する。なお、A
uは、熱処理によって、InPキャップ層 4のInP
と反応、合金化するため、オ−ミック接触を実現し得る
当該アロイ型電極が構成される。
【0011】しかしながら、かかる構造の電極は、Z
n、Crなどのド−パントを当該電極と半導体の界面近
傍に積極的に導入することによってオ−ミック接触を実
現し、当該電極と半導体の接触抵抗を下げようとするも
のである。従って、ZnやCrなどの不純物が、当該接
触抵抗を下げるド−パントとして有効に作用しない場合
がある。なぜなら、Auには、InPと顕著に反応し
て、比抵抗の高い合金層を形成する性質があるために、
コンタクトメタルの主成分である大量のAuが積極的に
InPと反応、合金化するからである。
【0012】また、上述のような大量のAuとInPと
の反応は、時間と共に進行する。このため、本構造の積
層電極を、例えば図4に示すような電極とPN接合が接
近しているプレ−ナ型の素子に適用すると、AuとIn
Pの合金化の進行によって当該PN接合が破壊され、素
子の信頼性が著しく低下する欠点がある。
【0013】さらに、従来の電極構造の場合、InPキ
ャップ層 4(P型不純物層 5)に接触させるP型電
極(Au/AuZn/Au、Au/AuCr/Auな
ど)と、InP基板 1に接触させるN型電極(Au/
AuGe/Auなど)とを使いわける必要がある。しか
し、最近、P型電極とN型電極を半導体基板の同一の面
に形成する構造の受光素子が開発されている。このよう
な受光素子においては、P型電極とN型電極を区別する
ために、電極の形成プロセスが著しく複雑となって製造
コストが増大する欠点がある。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の半
導体装置には、半導体と金属電極の接触部におけるオ−
ミック性や剥離強度が十分に得られる電極構造を有する
ものが存在せず、また、電極の形成プロセスが複雑とな
る欠点がある。
【0015】本発明は、上記欠点を解決すべくなされた
もので、その目的は、半導体と金属電極の接触部におけ
るオ−ミック性と剥離強度の改善し、かつプロセスの簡
略化を図ることである。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体装置は、InとPを含むIII −V族
化合物半導体と、前記III −V族化合物半導体に接触す
る積層電極とを有する。そして、前記積層電極は、前記
III −V族化合物半導体に接触し、Au又はAuを主成
分とする合金から構成される第一層と、前記第一層上に
設けられ、Ti、Cr若しくはW、又はこれらのうちの
いずれか1つ以上の元素を主成分とする合金から構成さ
れる第二層と、前記第二層上に設けられ、Pt、Rh、
Pd、Ni、Ta若しくはMo、又はこれらのうちのい
ずれか1つ以上の元素を主成分とする合金から構成され
る第三層と、前記第三層上に設けられ、Au、Al若し
くはPb、又はこれらのうちのいずれか1つ以上の元素
を主成分とする合金から構成される第四層とを備えてい
る。また、前記積層電極の第一層の層厚は、1[nm]
以上、500[nm]以下であるのが効果的である。
【0017】また、前記III −V族化合物半導体は、p
型領域とn型領域を含み、当該p型領域のIII −V族化
合物半導体上、及び当該n型領域のIII −V族化合物半
導体上にそれぞれ前記積層電極が設けられている。
【0018】本発明の半導体装置の製造方法は、まず、
InとPを含むIII −V族化合物半導体上に、ド−パン
トを含まないAuから構成される第一層を形成する。次
に、前記第一層上に、Ti、Cr若しくはW、又はこれ
らのうちのいずれか1つ以上の元素を主成分とする合金
から構成される第二層を形成する。次に、前記第二層上
に、Pt、Rh、Pd、Ni、Ta若しくはMo、又は
これらのうちのいずれか1つ以上の元素を主成分とする
合金から構成される第三層を形成する。次に、前記第三
層上に、Au、Al若しくはPb、又はこれらのうちの
いずれか1つ以上の元素を主成分とする合金から構成さ
れる第四層を形成する、というものである。
【0019】また、前記第一層のAuは、当該第一層を
形成した後の工程において、前記半導体のIn、P若し
くはド−パント、又は前記第二層を構成する元素と反応
し、合金を形成することを特徴とする。
【0020】
【作用】上記構成によれば、InとPを含むIII −V族
化合物半導体に接触する積層電極の第一層が、ド−パン
トを含まない所定厚のAu、又はAuを主成分とする合
金から構成されている。なお、このAuを主成分とする
合金は、熱処理によって、Auが当該半導体のInやP
と反応することにより形成されるものである。
【0021】従って、当該半導体と積層電極の接触部に
おけるオ−ミック性と剥離強度の改善を図ることができ
る。しかも、第一層のAuは、所定厚を有しているた
め、従来のようにAuとIn、Pとの合金化の進行によ
るPN接合の破壊が発生することもない。
【0022】また、p型領域の半導体に接触する電極
と、n型領域の半導体に接触する電極が、同一の構造を
有する積層電極により構成できる。従って、双方の電極
を同一のプロセスで形成できることになり、プロセスを
簡略化できる。
【0023】
【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明の一実施
例について詳細に説明する。図1は、本発明の一実施例
に係わる半導体装置の電極構造を示している。図1にお
いて、当該電極が接触するIII −V族化合物半導体は、
例えばn型InP基板(又はp型InP基板)20を用
いる。
【0024】本発明の半導体装置の電極は、Au21、
Ti22、Pt23及びAu24からなる積層構造を有
する。各々の層は、例えば真空蒸着法により順次形成す
ることができる。
【0025】第一層(III −V族化合物半導体と接触す
る層)は、Au21から構成されている。この層は、I
nP基板と電極の付着力を強化する作用がある。しか
し、この層の厚さが大きくなり過ぎると、a) AuがI
nPと反応、合金化して大量の高抵抗な合金層を形成
し、InP基板と電極の接触抵抗を増大させる、b) 当
該合金層がInP基板の深くまで進入してPN接合を破
壊する等という欠点が生じる。従って、当該Au層の層
厚は、1〜500[nm]に設定する。
【0026】本発明の電極構造の特徴は、従来例(例え
ば、特開平4−92471号公報)と比較すると、上述
の第一層のAu21が、半導体とのオ−ミック接触を向
上させるためのド−パント(例えばGe)を意図的に含
んでいない点にある。つまり、本発明の発明者は、III
−V族化合物半導体と接触する第一層にド−パントを含
まないAuを用い、かつ、当該Au層の厚さを1〜50
0[nm]に設定することにより、後述する試験結果に
示されるように、当該半導体と電極との間で十分なオ−
ミック接触が得られることを発見したのである。
【0027】この発見により、p型半導体(例えばIn
P)については、積層電極の第一層にp型のド−パント
(例えばZn、Cr)を含むAuを使用し、n型半導体
については、積層電極の第一層にn型のド−パント(例
えばGe)を含むAuを使用するといった電極の使い分
けが不要となる。つまり、積層電極が接触する半導体の
導電型によらず、いずれの導電型の半導体についても、
ド−パントを含まない所定の層厚のAuを第一層とする
積層電極を使用することが可能となる。
【0028】これにより、p型半導体に接触する電極と
n型半導体に接触する電極について、同一の電極形成プ
ロセスを採用できるため、半導体装置の製造コストを著
しく低減することができる。
【0029】第二層は、Ti22から構成されている。
この層は、主としてIn、Pの外方向拡散を防止する作
用がある。従って、当該Ti層の層厚は、50〜500
[nm]に設定する。なお、この第二層は、Ti22に
変えて、Cr(クロム)やW(タングステン)などから
構成することもできる。なお、第二層にCrやWなどを
用いても、上記作用は害されない。
【0030】第三層は、Pt23から構成されている。
この層は、主として第二層(例えばTi)と第四層(例
えばAu)の相互拡散を防止する作用がある。特に、当
該半導体が、AuSnやPbSnなどの低融点の半田に
より、第四層の表面を接合面としてセラミックキャリア
などにマウントされるような場合、当該半田を構成する
金属原子が当該半導体に拡散して、素子の特性を劣化さ
せる事態を防止するという作用がある。従って、当該P
t層の層厚は、50〜500[nm]に設定する。な
お、この第三層は、Pt23に変えて、Rh(ロジウ
ム)、Pd(パラジウム)、Ni(ニッケル)、Ta
(タンタル)やMo(モリブデン)などから構成するこ
ともできる。なお、第二層にRh、Pd、Ni、Taや
Moなどを用いても、上記作用は害されない。
【0031】第四層は、Au24から構成されている。
この層は、ボンディングパッド又はマウントの接合面を
構成するという作用がある。従って、当該Au層の層厚
は、50〜10000[nm]の範囲において、当該半
導体の用途に応じて所望の値に設定する。なお、この第
四層は、Au24に変えて、Al(アルミニウム)や、
AuSn又はPbSnの半田材などから構成することも
できる。なお、第二層にAlや半田材などを用いること
により、ワイヤボンディングやマウントなどの実装を容
易に行うことができる。
【0032】なお、本発明の電極構造の場合、上記積層
電極は、第一層 →第二層 →第三層 →第四層という
順序で順次形成されていくものである。従って、本発明
の特徴である第一層のAuは、当該第一層形成直後にお
いては、ド−パントを含まないAuとなっているが、当
該積層電極が完成した時点においては、半導体及びその
ド−パント、又は第二層を構成する元素を含む合金とな
っている。これは、従来技術の欄でも説明したように、
Auは、InPと顕著に反応して合金を形成するという
性質があるためである。
【0033】上記電極構造を有する半導体装置(以下、
発明品という。)において、当該半導体と当該電極との
接触抵抗及び剥離強度を評価する。なお、当該評価にあ
たっては、第一層がTi、第二層がPt、第三層がAu
の電極構造を有する半導体装置(以下、従来品とい
う。)についても、発明品との比較のため同様の評価を
行っている。
【0034】接触抵抗値の測定結果は、以下のとうりで
ある。発明品では、接触抵抗値は、n型InP基板及び
p型InP基板のいずれを用いた場合にも、0.016
[Ωcm2 ]であり、従来品では、接触抵抗値は、0.
2[Ωcm2 ]であった。即ち、本発明品は、従来品に
比べて接触抵抗値が1/10以下という良好な値が得ら
れている。
【0035】また、スコッチテ−プによる電極の剥離試
験の結果は、以下のとうりである。発明品では、n型I
nP基板及びp型InP基板のいずれを用いた場合に
も、電極の剥離が全く発生しなかったが、従来品では、
積層電極の全体がInP基板からそっくり剥がれてしま
った。即ち、本発明品は、従来品に比べて、実用上十分
な剥離強度が得られる。
【0036】図2は、本発明に係わる電極構造を、表面
入射型半導体受光素子に適用した場合の断面構造を示す
ものである。本実施例における表面入射型半導体受光素
子は、以下に示す工程により形成される。
【0037】まず、MOCVD法を用いて、n+ 型In
P基板 1上に、キャリア濃度約1×1015[c
-3]、層厚約2[μm]のn型InPバッファ層
2、及び、層厚約2[μm]のInGaAs光吸収層
3、及び、キャリア濃度約1×1015[cm-3]、層厚
約1[μm]のn- 型InPキャップ層 4をそれぞれ
順次形成する。
【0038】次に、プラズマCVD法を用いて、窒化シ
リコン膜を形成し、当該窒化シリコン膜をフォトリソグ
ラフィによりパタ−ニングして拡散マスクを形成する。
この後、基板 1を拡散炉内に設置し、ジメチル亜鉛ガ
スを原料として、500[℃]、30[分]程度の亜鉛
の選択拡散を行い、p型InP領域 5を形成する。
【0039】次に、プラズマCVD法を用いて、受光部
に窒化シリコンの反射防止膜 6を形成する。この後、
真空蒸着法を用いて、層厚約10[nm]のAu21、
層厚約100[nm]のTi22、層厚約100[n
m]のPt23、層厚約1000[nm]のAu24を
それぞれ形成する。また、これらの層をパタ−ニングす
ることにより、p型InP領域 5に接触するp型の積
層電極が形成される。
【0040】次に、真空蒸着法を用いて、層厚約200
[nm]のAuGe25、層厚約100[nm]のNi
26、層厚約100[nm]のAu27をそれぞれ形成
することにより、n+ 型InP基板 1に接触するn型
の積層電極が形成される。
【0041】上記表面入射型半導体受光素子(受光径3
0[μmφ]のPINフォトダイオ−ド)について、そ
の静特性を評価した結果は、以下のとうりである。バイ
アス電圧約10[V]、電気容量約0.2[pF]、波
長約1.3[μm]の入射光に対する感度は、0.8
[A/W]であり、かかる良好な値が再現性よく得られ
た。また、当該受光素子の動特性を評価した結果、−3
dB遮断周波数は、12[GHz]以上と良好であっ
た。
【0042】また、20個の素子を選別し、窒素雰囲気
中において、温度約200[℃]、バイアス電圧約20
[V]を印加して、10000時間の加速寿命試験を行
った結果、暗電流などの劣化は全く見られず、実用上十
分な信頼性を有することがわかった。さらに、積層電極
の剥がれや、ワイヤボンディング不良などの歩留りの低
下要因も認められなかった。
【0043】図3は、本発明に係わる電極構造を、裏面
入射フリップチップ型半導体受光素子に適用した場合の
断面構造を示すものである。本実施例における裏面入射
フリップチップ型半導体受光素子は、以下に示す工程に
より形成される。
【0044】まず、MOCVD法を用いて、n+ 型In
P基板 1上に、キャリア濃度約1×1015[c
-3]、層厚約2[μm]のn型InPバッファ層
2、及び、層厚約2[μm]のInGaAs光吸収層
3、及び、キャリア濃度約1×1015[cm-3]、層厚
約1[μm]のn- 型InPキャップ層 4をそれぞれ
順次形成する。
【0045】次に、プラズマCVD法を用いて、窒化シ
リコン膜を形成し、当該窒化シリコン膜をフォトリソグ
ラフィによりパタ−ニングして拡散マスクを形成する。
この後、基板 1を拡散炉内に設置し、ジメチル亜鉛ガ
スを原料として、500[℃]、30[分]程度の亜鉛
の選択拡散を行い、p型InP領域 5を形成する。
【0046】また、窒化シリコン膜を除去し、新たにプ
ラズマCVD法を用いて、窒化シリコン膜を形成し、当
該窒化シリコン膜をフォトリソグラフィによりパタ−ニ
ングする。この後、ウェットエッチングを用いて、p型
電極の接触部とn型電極の接触部の間において、基板
1、バッファ層 2、光吸収層 3及びキャップ層4を
それぞれエッチング除去する。
【0047】次に、窒化シリコン膜を除去し、真空蒸着
法を用いて、p型電極の接触部とn型電極の接触部の双
方において、層厚約10[nm]のAu21、層厚約1
00[nm]のTi22、層厚約100[nm]のPt
23、層厚約1000[nm]のAu24をそれぞれ形
成する。また、これらの層をパタ−ニングすることによ
り、p型InP領域 5に接触するp型の積層電極、及
びn- 型InPキャップ層 4に接触するn型の積層電
極がそれぞれ形成される。
【0048】次に、裏面光入射側において、レジストを
レンズ状に形成し、イオンミリングによって裏面全体を
研磨することにより、InPモノリシックレンズ 7を
形成する。最後に、プラズマCVD法を用いて、受光部
に窒化シリコンからなる反射防止膜 6を形成する。
【0049】上記裏面入射フリップチップ型半導体受光
素子のp型電極とn型電極は、例えばAuSn半田によ
って、同時に専用セラミックキャリアにマウントされ
る。そこで、マウント後のチップ接合強度を測定したと
ころ、当該接合強度は、平均で80[gf]が得られ、
電極剥がれに起因するマウント強度不良は認められなか
った。
【0050】また、一連の初期特性及び信頼性に関して
も、上述の表面入射型半導体受光素子の場合と同様に極
めて良好であった。本実施例の場合、p型電極とn型電
極は、同一の電極構造であるため、同時に形成すること
ができる。従って、素子製造に要する時間を短縮できる
と共に、歩留りの向上により製造コストの低減に貢献す
ることができる。
【0051】なお、本発明に係わる電極構造は、上記実
施例に示すような受光素子の他、発光ダイオ−ドや半導
体レ−ザなどにも適用することができる。かかる場合に
おいても、半導体と電極の接触抵抗の低減、電極剥がれ
の抑制、マウント接合強度の向上、素子寿命の向上など
の効果が得られることは言うまでもない。
【0052】また、本発明の適用範囲は、光デバイスに
限られず、高移動度トランジスタ(HEMT)、電界効
果トランジスタ(MISFET、MESFET)、ヘテ
ロバイポ−ラトランジスタ(HBT)などの電子デバイ
スや、これらを組み合わせた光電子IC(OEIC)な
どにも及ぶものである。そして、かかる場合において
も、半導体と電極の接触抵抗の低減、電極剥がれの抑
制、マウント接合強度の向上、素子寿命の向上などの効
果を得ることができる。また、III −V族化合物半導体
としては、InとPを含むもの、例えばInP基板やI
nGaAsPなどを用いることができる。
【0053】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の半導体
装置によれば、次のような効果を奏する。III −V族化
合物半導体に接触する積層電極の第一層が、ド−パント
を含まない所定厚のAuから構成されている。これによ
り、当該半導体と積層電極の接触部におけるオ−ミック
性と剥離強度の改善を図ることができる。また、p型電
極とn型電極が同一の構造を有し、同一の形成プロセス
で形成できるため、プロセスの簡略化を図ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係わる半導体装置の電極構
造を示す断面図。
【図2】本発明の電極構造を表面入射型受光素子に適用
した場合の断面図。
【図3】本発明の電極構造をフリップチップ型受光素子
に適用した場合の断面図。
【図4】従来の電極構造を有する半導体装置を示す断面
図。
【符号の説明】
1 …n+ 型InP基板、 2 …n型InPバッファ層、 3 …n- 型InGaAs光吸収層、 4 …n- 型InPキャップ層、 5 …p型InP領域、 6 …反射防止膜、 9 …p型電極、 20 …InP基板、 21 …Au、 22 …Ti、 23 …Pt、 24 …Au、 25 …AuGe、 26 …Ni、 27 …Au。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−95661(JP,A) 特開 平4−266070(JP,A) 特開 平2−170580(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/44 - 21/445 H01L 29/40 - 29/51 H01L 29/872 H01L 31/10

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の一面側に、InとPを含む
    III−V族化合物半導体からなるp型領域とn型領域
    を有する半導体装置の製造方法において、 前記p型領域上及び前記n型領域上に、 ドーパントを含
    まないAuから構成される1[nm]以上500[n
    m]以下の第一層を同時に形成する工程と、 前記第一層上に、Ti、Cr若しくはW、又はこれらの
    うちのいずれか1つ以上の元素を主成分とする合金から
    構成される第二層を形成する工程と、 前記第二層上に、Pt、Rh、Pd、Ni、Ta若しく
    はMo、又はこれらのうちのいずれか1つ以上の元素を
    主成分とする合金から構成される第三層を形成する工程
    と、 前記第三層上に、Au、Al若しくはPb、又はこれら
    のうちのいずれか1つ以上の元素を主成分とする合金か
    ら構成される第四層を形成する工程とを具備し、 前記p型領域上及び前記n型領域上に形成された前記第
    一層のAuは、それぞれ前記第四層を形成した時点にお
    いて、前記III−V族化合物半導体のIn、P若しく
    はドーパント、又は前記第二層を構成する元素と反応
    し、合金となっており、かつ、前記第四層を形成した後
    に熱処理が行われることがない ことを特徴とする半導体
    装置の製造方法。
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