JP3765246B2 - Iii族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。例えば、青色系発光ダイオードなどのIII族窒化物系化合物半導体発光素子の電極の改良として好適な発明である。
【0002】
【従来の技術】
青色系発光ダイオードなどのIII族窒化物系化合物半導体発光素子においては、素子の全面から均一な発光を得るため種々の提案がなされている。
均一発光を得るための方策として、p型層の上面に薄膜の透光性電極を貼ってその上にp台座電極を設けている(特開平10−275934号公報等参照)。
かかる透光性電極とp台座電極は次のようにして形成される。
まず、p型層の上に透光性電極の形成材料層を例えばリフトオフ法により形成する。その後、常法に従い透光性電極の形成材料層をアッシングし、同じくリフトオフ法によりp台座電極の形成材料層を形成する。
その後、加熱により両者をアロイ化して結合する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者の検討によれば、アロイ化のための加熱時に、透光性電極の形成材料とp台座電極の形成材料との間にガスが発生することが散見された。このガスにより、アロイ化後のp台座電極がフクレあがり、透光性電極との間に充分な密着力やオーミックコンタクトを得られないおそれがあった。
このガス発生の原因を探ったところ、透光性電極の形成材料の表面に付着したいわゆるコンタミネーション物質(有機物、レジスト残渣等)がアロイ化時の加熱温度で分解してガスを発生することがわかった。
当該コンタミネーション物質の付着を防止するため、アッシング条件などを厳しく管理することも考えられるが、工程状態(装置の状態、クリーンルーム内環境因子、半導体層の特性等)にゆらぎがあるためコンタミネーション物質の完全除去は現実的には困難である。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭気検討を重ねてきた結果、本発明に想到した。即ち、
透光性電極上にp台座電極を積層する工程と、
前記透光性電極と前記p台座電極との間からガスを抜く工程と、
該ガス抜き工程の後に行われ、前記透光性電極と前記p台座電極とをアロイ化する工程と、
を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【0005】
本発明の製造方法によれば、透光性電極とp台座電極との間から、両者がアロイ化される前に、ガスが抜かれるので、p台座電極がフクレあがることが無くなる。したがって、透光性電極とp台座電極との間に充分な密着力が得られるとともに、両者の間のオーミック性が確保される。
【0006】
以下、この発明について詳細に説明する。
(透光性電極)
透光性電極の形成材料は特に限定されるものではないが、例えば下側から第1電極層としてCo層及び第2電極層としてAu層を順次積層する。
第1電極層の構成元素は第2電極層の構成元素よりもイオン化ポテンシャルが低い元素であり、第2電極層の構成元素は半導体に対するオーミック性が第1電極層の構成元素よりも良好な元素とするのが望ましい。p型コンタクト層と合金を形成するために、この電極層に対しても熱処理が施されるが、その熱処理により、半導体の表面から深さ方向の元素分布は、第2電極層の構成元素の方が第1電極層の構成元素よりも深く浸透した分布となる。即ち、電極層の元素分布が電極層の形成時の分布に対して反転している。電極層の形成後には、上側に形成した第2電極層の構成元素の方が下側になり、下側に形成した第1電極層の構成元素の方が上側に存在する。
望ましくは、第1電極層の構成元素は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、銅(Cu)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、銀(Ag)のうち少なくとも一種の元素であり、その膜厚は0.5〜15nmとする。第2電極層の構成元素は、パラジウム(Pd)、金(Au)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)のうち少なくとも1種の元素であり、その膜厚は3.5〜25nmとする。最も望ましくは、第1電極層の構成元素はCoであり、第2電極層の構成元素はAuである。この場合には、熱処理により、半導体の表面から深さ方向の元素分布は、CoよりもAuが深く浸透した分布となる。
【0007】
(p台座電極)
p台座電極の形成材料も特に限定されるものではないが、例えば下側から第1金属層としてCr層、第2金属層としてAu層及び第3金属層としてAl層を順次積層する構造とする。
第1金属層はその下の層と強固に結合できるように、第2の金属層よりもイオン化ポテンシャルが低い元素とする。第2の金属層はAl又はAuとのボンディング性が良好で、かつ透光性電極と反応しない元素とする。第3金属層は保護膜と強固に結合できる元素とすることが好ましい。
望ましくは、第1金属層の構成元素は、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、銅(Cu)、クロム(Cr)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)のうち少なくとも一種の元素であり、その膜厚は1〜300nmである。
望ましくは、第3金属層の構成元素は、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)のうち少なくとも一種の元素であり、その膜厚は1〜30nmである。望ましくは、第2金属層の構成元素は金(Au)であり、その膜厚は0.3〜3μmである。
【0008】
p台座電極の周囲に凹凸を設けて、透光性電極との間の接触面積を増大させることが好ましい。
p台座電極の周面は傾斜していることが好ましい。台座電極の周面をテ−パ状としておくことにより、p台座電極及び透光性電極の表面に形成される保護膜(SiO2膜等)を当該テ−パ状部にもほぼ設計膜厚通りに形成することが可能となる。
【0009】
(III族窒化物系化合物半導体層)
透光性電極はIII族窒化物系化合物半導体層のp型層(pコンタクト層)の上に形成される。この明細書において、III族窒化物系化合物半導体は一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN、AlxIn1−xN及びGaxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくとも一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を用いることができる。p型不純物として、Mg、Zn、Be、Ca、Sr、Ba等を用いることができる。なお、p型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能であるがい必須ではない。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法(MOCVD法)のほか、周知の分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。
なお、発光素子の構成としては、ホモ構造、ヘテロ構造若しくはダブルへテロ構造のものを用いることができる。さらに量子井戸構造(単一量子井戸構造若しくは多重量子井戸構造)を採用することもできる。
【0010】
(電極の蒸着)
サファイア等の絶縁性の基板上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層した場合には、III族窒化物系化合物半導体層の一部をエッチングしてn型層を表出させる。その後、フォトレジストを用いて蒸着した透光性電極をパターニングする。
アッシング工程を経た後、同様にフォトレジストを用いて蒸着したp台座電極をパターニングする。
その後、同様にしてn型電極が蒸着される。n型電極の形成材料としてバナジウム・アルミニウム合金などのアルミニウム合金等が採用される。
【0011】
(ガス抜き及び電極のアロイ化)
通常の発光素子製造方法では、上記のように蒸着した各電極の形成材料をアロイ化するために、常法に従い加熱する。
熱処理は酸素を含むガス中において行うことが好ましい。このとき、酸素を含むガスとしては、O2、O3、CO、CO2、NO、N2O、NO2、又は、H2Oの少なくとも1種又はこれらの混合ガスを用いることができる。又は、O2、O3、CO、CO2、NO、N2O、NO2、又は、H2Oの少なくとも1種と不活性ガスとの混合ガス、又は、O2、O3、CO、CO2、NO、N2O、NO2、又は、H2Oの混合ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いることができる。要するに酸素を含むガスは、酸素原子、酸素原子を有する分子のガスの意味である。
熱処理時の雰囲気の圧力は、熱処理温度において、窒化ガリウム系化合物半導体が熱分解しない圧力以上であれば良い。酸素を含むガスは、O2ガスだけを用いた場合には、窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上の圧力で導入すれば良く、他の不活性ガスと混合した状態で用いた場合には、全ガスを窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上の圧力とし、O2ガスは全ガスに対して10-6程度以上の割合を有しておれば十分である。要するに、酸素を含むガスは極微量存在すれば十分である。尚、酸素を含むガスの導入量の上限値は電極合金化の特性からは、特に、制限されるものではない。要は、製造が可能である範囲まで使用できる。熱処理の温度は450〜650℃とすることが望ましく、さらに望ましくは500〜600℃である。
【0012】
この発明では、アロイ化が完了する前に透光性電極とp台座電極と間からガス抜きを行う。
このガスは、フォトレジストの残渣等からなるコンタミネーション物質に由来し、これが加熱分解されてガス化する。そこでこの発明では、上記アロイ化温度(第2の温度)に比較して低い温度(第1の温度)まで加熱するステップを設けることにより、透光性電極とp台座電極とがアロイ化して結合される前に、両者の間からガスを除去する。
【0013】
透光性電極においてp台座電極形成面へ故意的にフォトレジストの残渣を残した状態でp台座電極(100μmφ)を積層し、酸素雰囲気中で加熱温度を変えながら熱処理を施しそのp型台座電極を観察した。なお、昇温レートは500℃/分であり、最高温度に達した後は放冷した。p台座電極にフクレが発生したか否かを顕微鏡により観察した。結果は次の通りであった。なおこのフクレは透光性電極とp台座電極との間で発生したガスによる泡状のフクレである。
最高温度(℃) フクレ発生の有無
200 無
250 無
300 僅かに発生
350 多量に発生
400 多量に発生
450 多量に発生
500 多量に発生
【0014】
上記の結果より、フォトレジスト残渣は300℃からガス化することがわかる。これより、ガスを抜くための温度(第1の温度)は300〜400℃とすることが好ましい。300℃未満であると、残渣の全部をガス化できないのでアロイ化温度において残った残渣がガス化してフクレを発生させる惧れがある。また300℃未満でフォトレジスト残渣の全部をガス化させるのは時間がかかるのでスループットを低下させる。他方、400℃を越えると電極の形成材料のアロイ化が進行し、ガスが透光性電極とp台座電極との間に閉じ込められるおそれがあるので、好ましくない。更に好ましい第1の温度は330〜370℃である。
【0015】
そして、当該ガス化のための温度を所定時間維持すると、図2に示す通り、透光性電極21とp台座電極23との間に次々の泡25(フォトレジスト残渣がガス化したもの)が発生し、それがp台座電極23のエッジへ移動して消滅していくのが確認できた。ガスの泡25のなかには加熱により流動化したp台座電極の中を通って排出されるものもあると考えられる。
上記所定時間の間においてガス化のための温度は一定温度に維持される必要はなく、実施例ではガス化のための温度は漸増している。
ガス化のための温度を加える時間(上記所定時間)は、ガスが抜けるものであれば特に限定されないが、例えば0.1〜60分とすることが好ましい。更に好ましくは0.3〜30分であり、更に更に好ましくは0.5〜10分である。
ガス化のための熱処理を施すときの雰囲気は特に限定されるものではない。後に続くアロイ化工程は酸素雰囲気で熱処理されるので、同様な酸素雰囲気としておくことが好ましい。
【0016】
このようにしてガス抜きを行った後、既述の熱処理温度まで昇温して各電極のアロイ化を図る。このときは酸化雰囲気とする。
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
実施例は発光ダイオード10であり、その構成を図1に示す。なお、図1は層の構成を説明するための図であり、各層の厚さや幅のプロポーションを正確に反映するものではない。
【0017】
【0018】
基板1の上にはバッファ層2を介してn型不純物してSiをドープしたGaNからなるn型層3を形成した。ここで、基板1にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はAlNを用いてMOCVD法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはGaN、InN、AlGaN、InGaN及びAlInGaN等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
【0019】
ここでn型層はGaNで形成したが、AlGaN、InGaN若しくはAlInGaNを用いることができる。
また、n型層はn型不純物してSiをドープしたが、このほかにn型不純物として、Ge、Se、Te、C等を用いることもできる。
n型層3は発光する層を含む層4側の低電子濃度n-層とバッファ層2側の高電子濃度n+層とからなる2層構造とすることができる。
発光する層を含む層4は量子井戸構造の発光層を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
【0020】
発光する層を含む層4はp型層5の側にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは発光する層を含む層4中に注入された電子がp型層5に拡散するのを効果的に防止するためである。
【0021】
発光する層を含む層4の上にp型不純物としてMgをドープしたGaNからなるp型層5を形成した。このp型層はAlGaN、InGaN又はInAlGaNとすることもできる、また、p型不純物としてはZn、Be、Ca、Sr、Baを用いることもできる。
さらに、p型層5を発光する層を含む層4側の低ホール濃度p−層と電極側の高ホール濃度p+層とからなる2層構造とすることができる。
【0022】
上記構成の発光ダイオードにおいて、各III族窒化物系化合物半導体層は一般的な条件でMOCVDを実行して形成するか、分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
【0023】
次に、マスクを形成してp型層5、発光する層を含む層4及びn型層3の一部を反応性イオンエッチングにより除去し、n電極9を形成すべきn電極形成面11を表出させる。
【0024】
ウエハの全面に、蒸着装置にて、Co層(1.5nm)とAu層(60nm)を順次積層する。次に、フォトレジストを一様に塗布して、フォトリソグラフィにより、n電極形成面11及びその周囲からほぼ10μm幅の部分(クリアランス領域13)でフォトレジストを除去して、エッチングによりその部分の透光性電極の形成材料を除去し、半導体層を露出させる。その後、フォトレジストを除去する。なお、この実施例では、ガスが発生し易くなるようにアッシングを省略し、透光性電極の形成材料におけるp台座電極形成面にフォトレジスト残渣を残すようにした。
次に、リフトオフ法により、Cr層(30nm)、Au層(1.5μm)及びAl層(10nm)を順次蒸着積層してp台座電極7とする。
バナジウムとアルミニウムとからなるn電極9も同様にリフトオフ法により形成される。
【0025】
上記のようにして得られた試料を加熱炉に入れ、炉内を1Pa以下にまで排気し、その後10数PaまでO2を供給する。そして、図3(A)に示すように、その状態から350℃までを30℃/分の昇温レートで加熱する。350℃に達したら、直ちに昇温レートを500℃/分の昇温レートに変更して550℃まで昇温し、550℃を5分間維持した後、放冷する。
p台座電極上のワイヤーボンディング等を施す領域並びにn電極上面及びその周縁部以外のほぼ全面にかけて絶縁性でかつ透光性の保護膜14(酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム等)が被覆される。保護膜14の形成方法にはスパッタ法或いはCVD法を採用できる。
【0026】
他方、比較例の温度履歴を図3(B)に示す。即ち、室温状態から500℃/分の昇温レートで550℃までいっきに昇温し、550℃の状態を5分間保ち、放冷する。
【0027】
実施例及び比較例の発光素子(ウエハに作りこまれた複数のもの)におけるp台座電極を顕微鏡により観察したところ、実施例ではそのp台座電極にフクレの生じたチップは見つからなかった。他方、比較例の場合はそのほぼ80%にチップにフクレが観察された。フクレの状態を図4に示した。フォトレジスタ残渣が気化して出来たガスが外部に抜ける前に透光性電極21とp台座電極23とがアロイ化して結合するので、ガスが両者の間に閉じ込められるものと考えられる。閉じ込められたガスは集まって大きな泡27を形成し、その結果p台座電極23にフクレ39が出来ると考えられる。
【0028】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【0029】
以下、次の事項を開示する。
11 III族窒化物系化合物半導体層の上に形成された透光性電極と、該透光性電極の上に形成されたp台座電極を備えるIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、前記透光性電極と前記p台座電極とはそれぞれの形成材料の間からガスが抜かれた後にアロイ化されたものである、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
12 前記透光性電極の形成材料はIII族窒化物系化合物半導体層側からコバルト(Co)若しくはニッケル(Ni)からなる第1の層と金(Au)からなる第2の層とを積層したものであり、前記p台座電極の形成材料は前記透光性電極側からバナジウム(V)若しくはニッケル(Ni)と、金(Au)と、アルミニウム(Al)とを順次積層したものである、ことを特徴とする11に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はこの発明の実施例の発光素子の層構成を説明する断面図。
【図2】図2はガス抜けの様子を示す模式図である。
【図3】図3は加熱工程の熱履歴を示し、(A)は実施例の熱履歴を示し、(B)は比較例の熱履歴を示す。
【図4】図4はフクレの状態を示す模式図である。
【符号の説明】
10 発光素子
6 透光性電極
7 p台座電極
21 透光性電極
23 p台座電極
25、27 ガス泡
Claims (8)
- 透光性電極上にp台座電極を積層する工程と、
前記透光性電極と前記p台座電極との間からコンタミネーション物質が加熱分解されてなるガスを抜く工程と、
該ガス抜き工程の後に行われ、前記透光性電極と前記p台座電極とをアロイ化する工程と、
を含むことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 前記透光性電極の形成材料は金合金であり、前記p台座電極の形成材料は金合金である、ことを特徴とする請求項1に記載の III 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記透光性電極の形成材料は III 族窒化物系化合物半導体層側からコバルト(Co)若しくはニッケル(Ni)からなる第1の層と金(Au)からなる第2の層とを積層したものであり、前記p台座電極の形成材料は前記透光性電極側からバナジウム(V)若しくはニッケル(Ni)と、金(Au)と、アルミニウム(Al)とを順次積層したものである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の III 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 透光性電極上にp台座電極を積層する工程と、
前記透光性電極と前記p台座電極との間からガスを抜く工程と、
該ガス抜き工程の後に行われ、前記透光性電極と前記p台座電極とをアロイ化する工程と、を含み、
前記ガス抜き工程では第1の温度まで加熱され、前記アロイ化工程は該第1の温度より高温である第2の温度まで加熱される、ことを特徴とする III 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 前記第1の温度は300〜400℃であり、前記第2の温度は450℃以上である、ことを特徴とする請求項4に記載の III 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 加熱開始から前記第1の温度までの昇温レートよりも前記第1の温度から前記第2の温度までの昇温レートの方が高い、ことを特徴とする請求項4又は5に記載の III 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記透光性電極の形成材料は金合金であり、前記p台座電極の形成材料は金合金である、ことを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の III 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記透光性電極の形成材料は III 族窒化物系化合物半導体層側からコバルト(Co)若しくはニッケル(Ni)からなる第1の層と金(Au)からなる第2の層とを積層したものであり、前記p台座電極の形成材料は前記透光性電極側からバナジウム(V)若しくはニッケル(Ni)と、金(Au)と、アルミニウム(Al)とを順次積層したものである、ことを特徴とする請求項4〜7のいずれかに記載の III 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
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