JP3427732B2 - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光特性の均一性及び
信頼性に優れた窒化物半導体素子の製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来技術】今日、窒化物半導体（Ｉｎ_XＧａ_YＡｌ
_1-X-YＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を利用し
た光半導体素子が種々開発されてきている。窒化物半導
体はワイドバンドギャップエネルギーを持つ。そのた
め、紫外線から赤色光などが発光可能な発光素子として
ＬＥＤ、ＬＤ(laser diode)等として利用することがで
きる。同様に、受光素子として高起電力の太陽電池や耐
熱性の優れた光センサーなど種々の光半導体素子を形成
させることができる。

【０００３】このような窒化物半導体を利用した発光素
子としてＬＥＤの基本的構造を図３に模式的断面図で示
す。図３のＬＥＤチップ３００は、サファイア基板３０
８上に低温で形成させたバッファ層３０７、ｎ型ＧａＮ
からなるｎ型コンタクト層３０６、量子効果を生ずると
される薄膜のＩｎＧａＮからなる発光層３０５、ｐ型Ｇ
ａＡｌＮからなるクラッド層３０４、ｐ型ＧａＮからな
るｐ型コンタクト層３０３及び透光性を有するｐ型電極
３０１、３１１がｐ型コンタクト層のほぼ全面に設けら
れている。透光性のｐ型電極上の一部にはワイヤボンデ
ィング用のｐ型パッド電極３０２が形成されている。サ
ファイア基板３０８は絶縁性であり半導体層側にｐ型及
びｎ型の電極を形成するため、ｎ型コンタクト層３０６
の一部にまで部分的に表面側をエッチング除去してあ
る。次に、窒化物半導体上に電極を形成させる工程を示
す。

【０００４】ｐ型コンタクト層３０３上にｐ型電極を金
属の積層物としてスパッタリング法を利用してＮｉ／Ａ
ｕを形成することができる。ｐ型電極３０１、３１１は
窒化物半導体に均一に電流を供給させると共にｐ型電極
を介して外部に光を放出させる働きをする。ｐ型窒化物
半導体は比較的低抵抗化が難しい。そのため、ｐ型電極
３０１、３１１はｐ型コンタクト層３０３上の略全面に
形成されることが好ましい。また、窒化物半導体から放
出される所望の発光に対して透光性の高い金属や電極の
厚みを薄く選択することが望ましい。

【０００５】上述の如く、透光性を有するｐ型電極は薄
膜であるため、後工程で剥離などが生じないようにｐ型
電極３０１、３１１上の一部にワイヤーをワイヤボンデ
ィングさせるボンディング用のｐ型パッド電極３０２を
形成させる。ｐ型パッド電極３０２はｐ型電極３０１、
３１１と同様にしてスパッタリング法を利用して形成さ
せることができる。他方、ｎ型電極３０９は厚膜に堆積
させてｎ型のパッド電極としても機能させてある。な
お、電極の形状を種々に形成させるためには、予め形成
したレジストを利用することで所望の形状とすることが
できる。

【０００６】電極となる金属が積層されただけでは、オ
ーミック接触を取り難いため、窒化物半導体を酸素雰囲
気中で熱処理する。これにより、各電極と窒化物半導体
とのオーミック接触を好適に図ることができる。なお、
酸素雰囲気中の熱処理により形成されたｐ型電極は金か
らなる層３０１と酸化ニッケルからなる層３１１の積層
構造となる。ＬＥＤチップを樹脂封止（不示図）しワイ
ヤーを介して電流を注入することで発光可能な発光ダイ
オードとすることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の窒化物半導体素子を形成させる場合、オーミック接
触を取る熱処理を行ったとしても、透光性電極の表面に
部分的にまだら模様が形成されるものがある。このよう
な、まだら模様を生じた電極を用いて窒化物半導体素子
を形成させた場合、発光素子における発光不良、受光素
子におけるノイズや駆動電圧の上昇など種々の不都合が
生ずる。そのため、歩留まりが大きく低下することとな
る。より高い信頼性、光特性、更には高い歩留まりが切
望まれている現在においては十分ではなく、更なる改良
が求められている。

【０００８】本発明者は種々の実験の結果、窒化物半導
体上に形成される電極を特定の工程にしたがって、形成
することにより光特性の均一化及び信頼性を向上し得る
ことを見出し本発明を成すに到った。

【０００９】本発明による特性向上の理由は定かではな
いが、透光性電極上に形成されるパッド電極を酸素雰囲
気中で熱処理することが電極に形成されるまだら模様と
大きく関与すると考えられる。即ち、窒化物半導体と透
光性電極となる金属とをオーミック接触させる熱処理
を、パッド電極形成後に行うとパッド電極の影響により
熱伝導が不均一となり熱的均一性を損なう場合があると
考えられる。そのため、窒化物半導体表面に形成された
電極は、合金化されていない場所が部分的に形成されて
いる（アニールむら）ため発光むらや特性むらが生じ歩
留まりが低下する。特に、透光性電極はパッド電極に較
べて遙かに厚みが薄いため顕著に現れると考えら得る。

【００１０】本発明はパッド電極が形成される前の段階
で予め酸素雰囲気中において熱処理を行い透光性電極と
窒化物半導体とのオーミック接触を均一にとる。他方、
酸素雰囲気中では熱処理により透光性電極全面が均一に
形成されると共に好適にオーミック接触をとることがで
きるものの、透光性電極表面全体に金属酸化物が形成さ
れる。金属酸化物上にパッド電極を形成させると抵抗が
増えるばかりでなく密着性も低下する。そのため、透光
性電極の表面が酸化された部位を除去させる。本発明
は、均一に熱処理された透光性電極上に強固にパッド電
極を形成させることができるため窒化物半導体素子の特
性が安定し歩留まりが向上させ得るものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は窒化物半導体上
に電極を構成する金属を形成する工程と、酸素雰囲気中
で熱処理し金属と窒化物半導体とのオーミック接触を取
る工程と、金属表面に形成された金属酸化物を除去する
ことにより透光性電極を形成する工程と、透光性電極上
にワイヤボンディング用のパッド電極を形成する工程と
を有する窒化物半導体素子の製造方法である。これによ
り、電極と窒化物半導体素子との熱処理時においても良
好にオーミック接触及び合金化を図ることができる。ま
た、透光性電極とパッド電極との密着性をも向上させる
ことができる。

【００１２】本発明の請求項２に記載の方法は、金属酸
化物を酸で除去する工程を持つものである。これによ
り、熱処理された金属に損傷を与えることなく、好適に
金属酸化物を除去できる。また、その上に形成される電
極との密着性をも向上しうる。

【００１３】本発明の請求項３に記載の方法は、金属層
がニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、銅
（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、マンガ
ン（Ｍｇ）、タンタル（Ｔａ）、バナジウム（Ｖ）から
選択される少なくとも一種の元素を含む金属層と、金属
層上に形成された金（Ａｕ）を含む金属との少なくとも
２種類以上の積層体である。特に、複数の金属の熱処理
時においても、金属層間の合金化むらを防止しつつ、窒
化物半導体と良好なオーミック接触をとることができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施態様例を窒化
物半導体を用いた光半導体素子として図１及び図２を用
いて説明する。図１にはＬＥＤの模式的断面図を示し、
図２は図１のＬＥＤを形成する各工程を示してある。

【００１５】ＬＥＤ１００は洗浄されたサファイア基板
１０８のＣ面を主面としてＭＯＣＶＤ法を利用して成膜
させた。直径２インチのサファイア基板上に０．０５μ
ｍのＧａＮを低温で成膜させたバッファ層１０７を形成
させてある。バッファ層１０７上には順にｎ型コンタク
ト層兼クラッド層として厚さ約４μｍのＳｉドープＧａ
Ｎ１０６、発光層として働き量子効果が生ずるとされる
厚さ約３ｎｍのＩｎＧａＮ１０５、ｐ型クラッド層とし
て働く厚さ約２００ｎｍのＭｇドープＡｌＧａＮ１０
４、ｐ型コンタクト層として厚さ１５０ｎｍのＭｇドー
プＧａＮ１０３を成膜させた。

【００１６】より詳しく説明すると、有機洗浄及び熱処
理により洗浄したｃ面を主面とし、単結晶のサファイア
基板をＭＯＣＶＤ装置内のヒーター上に固定させる。次
に、常圧で水素Ｈ₂（水素）ガスを流しながら、ヒータ
温度を１１００℃でサファイア基板をベーキングさせ
る。次に、ヒータ温度を５００℃まで低下させる。この
後、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガ
ス、ＮＨ₃（窒素）ガス及びキャリアガスとして水素ガ
スを流す。こうして、ＧａＮのバッファ層を形成させ
た。

【００１７】原料ガスの供給を止め、キャリアガスのみ
を流し温度を１０５０℃に設定して再び原料ガスとして
ＴＭＧガス、窒素ガス、不純物ガスとしてＳｉＨ₄（シ
ラン）ガス及びキャリアガスとして水素ガスを流しｎ型
ＧａＮを成膜させた。

【００１８】原料ガス及び不純物ガスの供給を止め、キ
ャリアガスのみ流し温度を９５０℃にまで低下させる。
この後、原料ガスとしてＴＭＩ（トリメチルインジュウ
ム）ガス、ＴＭＧガス、窒素ガス、不純物ガスとしてシ
ランガス及びキャリアガスとして水素ガスを流し、発光
層として働く単一量子井戸構造とされる厚さ３ｎｍのＩ
ｎＧａＮを成膜させた。

【００１９】続いて、温度を８００℃に保持し原料ガス
としてＴＭＧガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）
ガス、窒素ガス、不純物ガスとしてＣｐ₂Ｍｇ（シクロ
ペンタジエニルマグネシウム）及びキャリアガスとして
水素ガスを流して、ｐ型クラッド層として働くＭｇドー
プのｐ型ＡｌＧａＮを成膜させた。

【００２０】ｐ型コンタクト層を形成させるために原料
ガス及び不純物ガスの導入を止めキャリアガスのみを流
しつつ、温度を再び１０５０℃に引き上げる。原料ガス
としてＴＭＧガス、窒素ガス、不純物ガスとしてシクロ
ペンタジエニルマグネシウム及びキャリアガスとして水
素ガスを流し、ｐ型コンタクト層として働くＭｇドープ
のｐ型ＧａＮを成膜させた。

【００２１】ｐ型窒化物半導体表面上にＣＶＤ法を用い
てＳｉＯ₂を８０００Åで形成させた。ＳｉＯ₂を形成さ
せた後、フォトレジストを一様に塗布して、露光工程、
エッチング工程を経てｎ型電極を形成させる窒化物半導
体表面を露出させるべくフォトレジストを部分的に除去
させた。残ったフォトレジストをマスクとしてＳｉＯ₂
を所望の形状に形成する。次に、ＳｉＯ₂をマスクとし
て反応性イオンエッチングにより塩素含有ガスを用いて
窒化物半導体を部分的にエッチングさせた。これによ
り、サファイア基板上の窒化物半導体が島状に分離さ
れ、同一平面側にｐ型コンタクト層表面とｎ型コンタク
ト層表面が露出してある。マスクを除去後、図２の如く
以下の工程で電極を形成させた。上述の工程で得られた
窒化物半導体２００の模式的断面図を図２（Ａ）に示
す。

【００２２】次に、金属層を形成する工程を図２（Ｂ）
に示す。具体的には、窒化物半導体上にフォトレジスト
の塗布、露光工程、エッチング工程を経て、透光性電極
が形成される表面を除いてレジストを形成させる。これ
をスパッタリング装置内の一方の電極上に配置させる。
また、ターゲットとして他方の電極上にＮｉを配置させ
る。Ａｒガスを導入させながら電圧を印加させることに
よりｐ型窒化物半導体上にＮｉを１００Å堆積させた。
ターゲットをＮｉからＡｕに代えてＮｉ上にＡｕを５０
０Å堆積させた。リフトオフ法を利用してｐ型窒化物半
導体上の一面にＮｉ／Ａｕの順で形成された金属積層膜
２１１が成膜された。

【００２３】なお、窒化物半導体上に後に透光性電極と
なる金属層を形成させるためには、スパッタリング法、
真空蒸着法など種々の方法を利用して形成させることが
できる。所望の透光性電極の形状とさせるためには、レ
ジストを利用することにより矩形状など種々の形状をと
ることができる。窒化物半導体にオーミック接触可能な
金属としてＡｌ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐ
ｔ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｒｈやこられの合金などを好適に挙げ
ることができる。窒化物半導体に形成される透光性電極
は、発光ダイオード、半導体レーザー、太陽電池や光セ
ンサなどに応じて種々の形状とすることができる。

【００２４】続いて、オーミック接触を取る工程を図２
（Ｃ）を用いて説明する。上述の金属層２１１を形成さ
せた状態で加熱炉の中に窒化物半導体を配置させ酸素雰
囲気下で４００℃の温度により熱処理を行った。冷却
後、窒化物半導体ウエハを取り出して表面を観測したと
ころ均一な半透明膜が窒化物半導体ウエハ上に形成され
た。熱処理により積層順が逆転し、電極表面側にＮｉ元
素がありＡｕ元素は窒化物半導体側にある合金となって
いた。また、表面側のＮｉは酸化されていた。つまり、
窒化物半導体側の金元素からなる金属層２０１と、酸化
ニッケルからなる金属酸化物層２１２が形成される。

【００２５】なお、透光性電極となる金属と窒化物半導
体とをオーミック接触をさせるためには、不活性雰囲気
中、水素雰囲気や酸素雰囲気中で熱処理させることがで
きる。しかし、窒化物半導体とのオーミック接触を取り
やすくするため、本発明においては酸素雰囲気中で熱処
理させる。本発明は窒化物半導体表面に金属が形成さ
れ、熱伝導の不均一を生じる障壁が形成されていない状
態で熱処理させる。これにより、金属層上の熱むらがな
く均一に熱処理させることができる。そのため、熱処理
時における合金化むらが形成されることがなく、金属上
のまだら模様が形成されることが極力抑制されると考え
られる。

【００２６】また、熱処理は半導体ウエハに熱が均一に
掛けることができるものであれば種々の加熱炉を利用す
ることができる。窒化物半導体に掛ける熱は、積層され
た金属や窒化物半導体によって種々選択することができ
る。オーミック接触させると共に窒化物半導体の分解を
抑制するために３００℃以上１１００℃以下が好まし
い。特に、窒化物半導体はｐ型不純物を含有させただけ
ではｐ型化し難いが、熱処理により低抵抗化させること
ができる。このような低抵抗化処理を電極と窒化物半導
体とのオーミック接触とを兼用させることもできる。こ
の場合、窒化物半導体の熱処理温度としては４００℃以
上９００℃以下とさせることがより好ましい。

【００２７】続いて、金属酸化物を除去する工程を図２
（Ｄ）に示す。表面に形成された酸化ニッケル２１２を
除去すべく、窒化物半導体ウエハを室温で撹拌している
塩酸中に浸し、金属の表面に形成された酸化ニッケル２
１２を除去した。

【００２８】なお、酸素雰囲気中で熱処理させる場合、
上述のように窒化物半導体と電極とのオーミック接触が
取りやすい傾向にあるものの形成された透光性電極の表
面が酸化される。このような酸化は、金属の透光性を高
めることができる。しかしながら、金属酸化物上にさら
にワイヤボンディング用のパッド電極を形成させる場
合、金属酸化物上のパッド電極はワイヤボンディング時
の力で剥離しやすく信頼性が低くなる傾向にある。同様
に、窒化物半導体素子の形成後に樹脂などを用いて半導
体素子などをモールドし保護する場合がある。モールド
した樹脂などは外部環境からの外力、水分や塵芥などか
ら窒化物半導体素子を保護することができる。しかし、
熱衝撃などによる熱膨張或いは熱収縮でパッド電極など
に局所的に力が掛かる場合があり、透光性電極とパッド
電極との界面において剥離を生じやすい傾向にある。

【００２９】本発明は均一に熱処理された透光性電極表
面から金属酸化物を除去することにより、透光性電極と
パッド電極との密着性を向上させることができる。金属
酸化物を除去させる方法としてはスパッタや研磨などに
より機械的に除去させる他、酸によるエッチングなど種
々の方法を利用することができる。

【００３０】次の工程として、パッド電極を形成する工
程を図２（Ｅ）に示す。ｐ型電極が形成された表面上に
フォトレジストの塗布、露光工程、エッチング工程を経
てｐ型パッド電極が形成される表面を除いてレジストを
形成させる。こうして形成させた窒化物半導体ウエハを
再びスパッタリング装置内に配置させた。ターゲットを
ＡｕとしてＡｒガスを導入しながら電圧を印加させるこ
とにより透光性電極上にＡｕを７０００Å堆積させた。
ターゲットをＡｕからＮｉに代えてＡｕ上にＮｉを８０
Å堆積させｐ型パッド電極２０２を形成させた。

【００３１】なお、パッド電極１０２は少なくとも一部
が透光性電極１０１上に形成される。パッド電極１０２
は透光性電極１０１上に直接ワイヤボンディングなど行
うことにより、透光性電極などが損傷することを防ぐも
のである。したがって、透光性電極と密着性が良く電気
伝導性に優れた金属を選択することが望ましい。パッド
電極の具体的材料としては透光性電極との密着性、導電
性を考慮して種々の金属を選択することができるが、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｐｂや
Ｉｎなどの金属や合金を好適に選択することができる。

【００３２】なお、パッド電極の形成は上述の他に真空
蒸着装置や各種成膜装置を利用して成膜することができ
る。

【００３３】最後に、ｎ型電極兼ｎ型パッド電極を形成
させる成膜工程を図２（Ｆ）に示す。ｎ型電極兼ｎ型パ
ッド電極として、Ｗ／Ａｌの積層物を形成させるべくタ
ーゲットをＷ或いはＡｌとした以外はｐ型パッド電極と
同様にして所望のマスクを形成させスパッタリング法に
よりｎ型電極１０９を形成させた。マスク除去後、ｎ型
電極としてｎ型コンタクト層上にＷが２００Å、Ｗ上に
Ａｌが２０００Å積層させてある。

【００３４】窒化物半導体ウエハをダイシングソー及び
スクライバーを利用することにより個々の窒化物半導体
に分離させる。分離させたＬＥＤチップの内、５００個
を調べた。ＬＥＤチップの表面は何れも均一な透明膜で
あった。また、リード電極上にＬＥＤチップを固定させ
ると共に直径３０μｍの金線を用いてｐ型パッド電極を
ボールボンディング、リード電極上をステッチボンディ
ングとしてワイヤボンディングさせた。同様にｎ型電極
と別のリード電極とをワイヤボンディングさせた（不示
図）。リード電極間に電流を流したところ何れも均一発
光する。

【００３５】次に、ｐ型電極とｐ型パッド電極との密着
強度を調べた。酸化ニッケルを除去していない以外は全
く同様にして形成させたＬＥＤチップと比較した。ｐ型
パッド電極とリード電極とを結ぶワイヤを徐々に引っ張
り強度を増しながら針金で引っ張り上げた。比較のため
に形成させたＬＥＤチップの１割がｐ型電極とｐ型パッ
ド電極の界面で剥離しても本発明のＬＥＤチップには何
ら損傷がなかった。さらに加重を増やすと比較のための
ＬＥＤチップにおいては剥離したののが更に増した。ま
た、いずれのＬＥＤチップも金線の断線が起こり始めた
が、本発明のＬＥＤチップにおいてｐ型電極とパッド電
極の界面で剥がれるものはなかった。なお、ｐ型電極用
に積層させたニッケルに代えて上述に示したオーミック
接触可能な金属元素をニッケルに加えた場合も同様の特
性が示される。

【００３６】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体素子の構成とする
ことにより、発光又は受光時の光特性における均一性を
増すことができると共に透光性電極及びパッド電極の密
着性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の工程により形成された窒化物半導体
素子を示す模式的断面図である。

【図２】 本発明の窒化物半導体素子の形成工程を示す
模式図である。

【図３】 本発明と比較のために示す窒化物半導体素子
を示す模式的断面図及び平面図である。

【符号の説明】

１００・・・発光素子 １０１・・・透光性のｐ型電極 １０２・・・ｐ型パッド電極 １０３・・・ｐ型コンタクト層 １０４・・・ｐ型クラッド層 １０５・・・活性層 １０６・・・ｎ型コンタクト層 １０７・・・バッファ層 １０８・・・サファイア基板 １０９・・・ｎ型電極 ２００・・・電極が形成される前の窒化物半導体素子 ２０１・・・透光性電極 ２０２・・・ｐ型パッド電極 ２０３・・・ｎ型パッド電極 ２１１・・・透光性電極を構成する金属 ２１２・・・金属酸化物 ３００・・・発光素子 ３０１・・・透光性のｐ型電極 ３０２・・・ｐ型パッド電極 ３０３・・・ｐ型コンタクト層 ３０４・・・ｐ型クラッド層 ３０５・・・活性層 ３０６・・・ｎ型コンタクト層 ３０７・・・バッファ層 ３０８・・・サファイア基板 ３１１・・・金属酸化物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−191129（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−135515（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−121804（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−186599（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−308533（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−144955（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−12567（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−177016（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−154831（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−37139（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−142067（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−1127（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−69524（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/28 - 21/288

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化物半導体上に電極を構成する金属を
   形成する工程と、酸素雰囲気中で熱処理し前記金属と窒
   化物半導体とのオーミック接触を取る工程と、前記金属
   表面に形成された金属酸化物を除去することにより透光
   性電極を形成する工程と、該透光性電極上にワイヤボン
   ディング用のパッド電極を形成する工程とを有すること
   を特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記金属酸化物を酸で除去する請求項１
   に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記金属がニッケル（Ｎｉ）、クロム
   （Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａ
   ｌ）、銀（Ａｇ）、マンガン（Ｍｇ）、タンタル（Ｔ
   ａ）、バナジウム（Ｖ）から選択される少なくとも一種
   の元素を含む金属層と、該金属層上に形成された金（Ａ
   ｕ）を含む金属との少なくとも２種類以上の積層体であ
   る請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法。