JP3812366B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体素子に関する。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。
例えば、ｐ型層に透光性電極を貼ってｐ型層の広範囲な面に渡って電流が注入されるようにしている。そのときの透光性電極は第１の電極層（例えばCo）の上に第２の電極層（例えばAu）を積層して透光性電極形成層を形成し、酸素を含むガス中において５００〜６００℃の温度で熱処理をする。これにより、透光性電極形成層とｐ型層とが合金化され両者の間にオーミックコンタクトが確保されることとなる。なお、このとき第１の電極層の構成元素の分布が変化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らの検討によれば、酸素を含む雰囲気において５００℃以上の高い温度で熱処理をすると、ｐ台座電極の表面状態が変化し、導電性ワイヤーに対する接合力の信頼性が低下する。
また、透光性電極と同様に、ｐ台座電極も複数の電極層を積層して形成されるが（例えば、下側よりCr、Auを順次積層する）、酸素を含む雰囲気において高温熱処理を実行すると、下側の金属層が一部表面に移動し、そこで偏析する場合が見受けられた。この場合、導電性ワイヤーに対する接合力低下に加えて、ワイヤーボンディング時の画像処理（ｐ台座電極を認識する）に誤りが生じるおそれがある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層の上に、第１の金属を積層して第１の電極層を形成し、前記第１の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第２の金属を前記第１の電極層の上に積層して第２の電極層を形成する電極形成工程と、
実質的に酸素を含む雰囲気において第１の温度で熱処理をする第１の熱処理工程と、
実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第１の温度より高い第２の温度で熱処理をする第２の熱処理工程と、
を含む、III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【０００５】
この発明の製造方法によれば第１の電極層と第２の電極層とを積層してなる電極とｐ型層との間に十分なオーミックコンタクトを確保できる。当該電極の上に例えばｐ台座電極が形成される場合においても、酸素を含む雰囲気での熱処理条件が低温（穏やかな条件）で行われるため、ｐ台座電極表面の酸化、およびｐ台座電極の下地金属層がマイグレーションを起こしてその表面に偏析することを未然に防止できる。
【０００６】
（III族窒化物系化合物半導体の説明）
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。
ここにIII族窒化物系化合物半導体素子には、発光ダイオード、受光ダイオード、レーザダイオード、太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及びトランジスタ等のバイポーラ素子、ＦＥＴ等のユニポーラ素子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイスを挙げられる。また、これらの素子の中間体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
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。
【０００７】
（電極層の説明）
ｐ型層の上に形成される電極層は第２の電極層構成元素のイオン化ポテンシャルが第１の電極層構成元素のそれより高いものであれば特に限定されるものではない。電極層に透光性を付与するときは、以下に説明する金属元素を採用することが好ましい。
第１の電極層の構成元素は第２の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の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の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。酸素を含んだ第１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の電極層の構成元素の方が第１の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の電極層の構成元素の方が下側になり、下側に形成した第１ｎ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。
【０００８】
（ｐ台座電極の説明）
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。
【０００９】
ｐ補助電極をｐ台座電極と同一材料でかつ同一方法により形成することができる。この場合、ｐ補助電極とｐ台座電極とは同一厚さとなる。
ｐ補助電極とｐ台座電極とを別個に形成することもできる。この場合、ｐ補助電極の材質及び厚さをｐ台座電極のそれと異ならせることもできる。
ｐ台座電極は導電性ワイヤを周知の方法でボンデングするために十分な面積を有すればその形状は特に限定されない。ボンディング時の位置確認のためには、ｐ台座電極としてｎ台座電極と異なる形状を採用することが好ましい。
ｐ補助電極は光を遮蔽するので、その幅を狭くすることが好ましい。ｐ補助電極の幅は１〜４０μｍとすることがこのましい。更に好ましくは２〜３０μｍであり、更に更に好ましくは３〜２５μｍであり、更に更に更に好ましくは３〜２０μｍであり、最も好ましくは５〜１５μｍである。
ｐ台座電極及び／又はｐ補助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、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。
【００１０】
（第１の熱処理工程の説明）
第１の熱処理工程は実質的に酸素を含む雰囲気において行われる。酸素を含む雰囲気を実現するため次のガスを用いることが好ましい。即ち、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。なかでも、酸化性のガス雰囲気が好ましい。
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。熱処理温度は４４０℃未満とすることが好ましい。熱処理温度が４４０℃以上となると、既述の課題が生じるおそれがある。更に好ましい熱処理温度は４２０℃未満であり、更に更に好ましくは４００℃未満である。
熱処理時間は、第１の電極層と第２の電極層との間にマイグレーションを生じさせることができれば特に限定されないが、５分〜１０００分とすることが好ましい。更に好ましくは、１０分〜５００分であり、更に更に好ましくは３０分〜３００分である。
【００１１】
（第２の熱処理工程の説明）
第２の熱処理工程は実質的に酸素を含まない雰囲気において行われる。即ち、第１の熱処理工程で用いた酸素含有ガスを用いずに、非酸化性雰囲気もしくは還元性雰囲気で熱処理を実行することが好ましい。具体的には、N２、He、Ar等の不活性ガスやH2等の還元性ガス、またはこれらの混合ガス中で熱処理を行うことが好ましい。
熱処理温度は第１の熱処理工程時の熱処理温度より高くする。これにより、電極層とｐ型層との間にオーミックコンタクトが得られることとなる。当該高温での熱処理を省略すると両者の間にオーミックコンタクトが得られない（表１、比較例３参照）。従って、第２の熱処理工程で要求される熱処理条件は、電極層とｐ型層との間にオーミックコンタクトを確保するのに十分な加熱温度及び加熱時間である。
熱処理温度は４４０℃以上とすることが好ましく、更に好ましくは４８０℃以上であり、更に更に好ましくは５２０℃以上である。
熱処理時間は０．１分〜１８０分とすることが好ましい。更に好ましくは、０．３分〜６０分であり、更に更に好ましくは０．５分〜３０分である。
第２の熱処理工程における雰囲気の圧力は当該熱処理温度においてIII族窒化物系化合物半導体が熱分解されない圧力以上であればよい。
【００１２】
第１の熱処理工程と第２の熱処理工程と実行する順序は特に限定されない。
酸素含有ガスを供給する雰囲気において熱処理温度を徐々に上げていって（第１の熱処理工程に実行）、４４０℃に達した後は酸素含有ガスの供給を止めそこから第２の熱処理工程を実行するようにしてもよい。
【００１３】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
まず、図１に示す構成に半導体層を積層した。
【００１４】
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。ＧａＮ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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
その後、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。
【００２０】
次に、図２を参照しながら、透光性電極形成層６０及びｐ台座電極形成層７０の形成方法について説明する。
まず、ウエハの全面に、蒸着装置にて、第１の電極層としてのＣｏ層（１．５ｎｍ）６１と第２の電極層としてのＡｕ層（６０ｎｍ）６２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）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形成材料６１、６２を除去し、半導体層５を露出させる。その後、フォトレジストを除去する。
次に、リフトオフ法により、Ｃｒ層（３０ｎｍ）７１、Ａｕ層（１．５μｍ）７２及びＡｌ層（１０ｎｍ）７３を順次蒸着積層してｐ台座電極形成層７０を形成する。
なお、バナジウムとアルミニウムとを順次積層してｎ電極形成層も同様にリフトオフ法により形成される。
【００２１】
上記のようにして得られた試料を下記条件で熱処理をした。
【表１】
【００２２】
表１において、第１の熱処理工程（酸素を含む雰囲気において比較的低温での熱処理）は強調文字にて表記した。
また表１において、コンタクト抵抗の高低は２０ｍＡ通電時の素子の電圧を基準にした。
光出力は実施例及び比較例において殆ど差が出なかった。
Ｗ／Ｂ性（ワイヤーボンディング性）はボールシェア強度を基準に評価した。
外観はｐ台座電極表面を顕微鏡で観察し、表面が一様で均質な場合を○、Ｃｒの偏析が観察された場合を△とした。
【００２３】
表１より、実質的に酸素を含む雰囲気において比較的低温で熱処理をする第１の熱処理工程と実質的に酸素を含まない雰囲気（好ましくは還元性雰囲気）において比較的高ｓ温で熱処理をする第２の熱処理工程とを、その順序を問わず実行することにより、比較例１（従来の方法）と同様に低いコンタクト抵抗を維持しつつ、ワイヤーボンディング特性及び外観性がともに向上することがわかる。
また、第１の熱処理工程を省略すると、コンタクト抵抗が高くなることがわかる（比較例２参照）。
第１の熱処理工程を実施するものの第２の熱処理工程（高温での熱処理）を省略するとやはりコンタクト抵抗が高くなることがわかる（比較例３参照）。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明で提案する２段階の熱処理を実行すれば、III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層と透光性電極とのオーミックコンタクトを維持しつつｐ台座電極の表面が酸化されてこれと導電性ワイヤとの接合力が低下することを未然に防止できる。
【００２５】
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。
【００２６】
以下、次の事項を開示する。
１１ III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層と、
該ｐ型層の上に形成されて第１の金属を含む第１の電極層及び該第１の電極層の上に形成されて前記第１の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第２の金属を含む第２の電極層を備えてなる透光性電極形成層と、を熱処理する方法であって、
実質的に酸素を含む雰囲気において第１の温度で熱処理をする第１の熱処理工程と、
実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第１の温度より高い第２の温度で熱処理をする第２の熱処理工程と、
を含む、熱処理方法。
１２ 前記第１の熱処理工程の後に前記第２の熱処理工程が実行される、１１に記載の熱処理方法。
１３ 前記第２の熱処理工程の後に前記第１の熱処理工程が実行される、１１に記載の熱処理方法。
１４ 前記第１の温度は４４０℃未満である、１１〜１３のいずれか記載の熱処理方法。
１５ 前記第２の熱処理工程は非酸化性雰囲気あるいは還元性雰囲気で行われる、１１〜１４のいずれかに記載の熱処理方法。
１６ 前記電極形成工程にはｐ台座電極を形成する工程が更に含まれる、１１〜１５のいずれかに記載の熱処理方法。
１７ 前記第１の金属はコバルト（Co）であり、前記第２の金属は金（Au）である、１１〜１６のいずれかに記載の熱処理方法。
２１ III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層の上に、第１の金属を含む第１の電極層を積層し、前記第１の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第２の金属を含む第２の電極層を前記第１の電極層の上に積層して透光性電極形成層を形成し、該透光性電極形成層を下記２つの熱処理工程により熱処理して得られたIII族窒化物系化合物半導体発光素子、
実質的に酸素を含む雰囲気において第１の温度で熱処理をする第１の熱処理工程、
実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第１の温度より高い第２の温度で熱処理をする第２の熱処理工程。
２２ 前記第１の熱処理工程の後に前記第２の熱処理工程が実行される、２１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２３ 前記第２の熱処理工程の後に前記第１の熱処理工程が実行される、２１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２４ 前記第１の温度は４４０℃未満である、２１〜２３のいずれか記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２５ 前記第２の熱処理工程は非酸化性雰囲気あるいは還元性雰囲気で行われる、２１〜２４のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２６ 前記電極形成工程にはｐ台座電極を形成する工程が更に含まれる、２１〜２５のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２７ 前記第１の金属はコバルト（Co）であり、前記第２の金属は金（Au）である、２１〜２６のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【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。
【図２】図２は実施例の発光素子の電極の層構成を説明する。
【符号の説明】
５ ｐ型層
６ 透光性電極
７ ｐ台座電極
９ ｎ電極
１０ 発光素子
６０ 透光性電極形成層
７０ ｐ台座電極形成層
【産業上の利用分野】
本発明はIII族窒化物系化合物半導体素子に関する。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。
例えば、ｐ型層に透光性電極を貼ってｐ型層の広範囲な面に渡って電流が注入されるようにしている。そのときの透光性電極は第１の電極層（例えばCo）の上に第２の電極層（例えばAu）を積層して透光性電極形成層を形成し、酸素を含むガス中において５００〜６００℃の温度で熱処理をする。これにより、透光性電極形成層とｐ型層とが合金化され両者の間にオーミックコンタクトが確保されることとなる。なお、このとき第１の電極層の構成元素の分布が変化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らの検討によれば、酸素を含む雰囲気において５００℃以上の高い温度で熱処理をすると、ｐ台座電極の表面状態が変化し、導電性ワイヤーに対する接合力の信頼性が低下する。
また、透光性電極と同様に、ｐ台座電極も複数の電極層を積層して形成されるが（例えば、下側よりCr、Auを順次積層する）、酸素を含む雰囲気において高温熱処理を実行すると、下側の金属層が一部表面に移動し、そこで偏析する場合が見受けられた。この場合、導電性ワイヤーに対する接合力低下に加えて、ワイヤーボンディング時の画像処理（ｐ台座電極を認識する）に誤りが生じるおそれがある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の課題を解決すべくなされたものであり、その構成は次の通りである。
III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層の上に、第１の金属を積層して第１の電極層を形成し、前記第１の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第２の金属を前記第１の電極層の上に積層して第２の電極層を形成する電極形成工程と、
実質的に酸素を含む雰囲気において第１の温度で熱処理をする第１の熱処理工程と、
実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第１の温度より高い第２の温度で熱処理をする第２の熱処理工程と、
を含む、III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
【０００５】
この発明の製造方法によれば第１の電極層と第２の電極層とを積層してなる電極とｐ型層との間に十分なオーミックコンタクトを確保できる。当該電極の上に例えばｐ台座電極が形成される場合においても、酸素を含む雰囲気での熱処理条件が低温（穏やかな条件）で行われるため、ｐ台座電極表面の酸化、およびｐ台座電極の下地金属層がマイグレーションを起こしてその表面に偏析することを未然に防止できる。
【０００６】
（III族窒化物系化合物半導体の説明）
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。
ここにIII族窒化物系化合物半導体素子には、発光ダイオード、受光ダイオード、レーザダイオード、太陽電池等の光素子の他、整流器、サイリスタ及びトランジスタ等のバイポーラ素子、ＦＥＴ等のユニポーラ素子並びにマイクロウェーブ素子などの電子デバイスを挙げられる。また、これらの素子の中間体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
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。
【０００７】
（電極層の説明）
ｐ型層の上に形成される電極層は第２の電極層構成元素のイオン化ポテンシャルが第１の電極層構成元素のそれより高いものであれば特に限定されるものではない。電極層に透光性を付与するときは、以下に説明する金属元素を採用することが好ましい。
第１の電極層の構成元素は第２の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の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の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。酸素を含んだ第１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の電極層の構成元素の方が第１の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の電極層の構成元素の方が下側になり、下側に形成した第１ｎ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。
【０００８】
（ｐ台座電極の説明）
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。
【０００９】
ｐ補助電極をｐ台座電極と同一材料でかつ同一方法により形成することができる。この場合、ｐ補助電極とｐ台座電極とは同一厚さとなる。
ｐ補助電極とｐ台座電極とを別個に形成することもできる。この場合、ｐ補助電極の材質及び厚さをｐ台座電極のそれと異ならせることもできる。
ｐ台座電極は導電性ワイヤを周知の方法でボンデングするために十分な面積を有すればその形状は特に限定されない。ボンディング時の位置確認のためには、ｐ台座電極としてｎ台座電極と異なる形状を採用することが好ましい。
ｐ補助電極は光を遮蔽するので、その幅を狭くすることが好ましい。ｐ補助電極の幅は１〜４０μｍとすることがこのましい。更に好ましくは２〜３０μｍであり、更に更に好ましくは３〜２５μｍであり、更に更に更に好ましくは３〜２０μｍであり、最も好ましくは５〜１５μｍである。
ｐ台座電極及び／又はｐ補助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、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。
【００１０】
（第１の熱処理工程の説明）
第１の熱処理工程は実質的に酸素を含む雰囲気において行われる。酸素を含む雰囲気を実現するため次のガスを用いることが好ましい。即ち、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。なかでも、酸化性のガス雰囲気が好ましい。
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。熱処理温度は４４０℃未満とすることが好ましい。熱処理温度が４４０℃以上となると、既述の課題が生じるおそれがある。更に好ましい熱処理温度は４２０℃未満であり、更に更に好ましくは４００℃未満である。
熱処理時間は、第１の電極層と第２の電極層との間にマイグレーションを生じさせることができれば特に限定されないが、５分〜１０００分とすることが好ましい。更に好ましくは、１０分〜５００分であり、更に更に好ましくは３０分〜３００分である。
【００１１】
（第２の熱処理工程の説明）
第２の熱処理工程は実質的に酸素を含まない雰囲気において行われる。即ち、第１の熱処理工程で用いた酸素含有ガスを用いずに、非酸化性雰囲気もしくは還元性雰囲気で熱処理を実行することが好ましい。具体的には、N２、He、Ar等の不活性ガスやH2等の還元性ガス、またはこれらの混合ガス中で熱処理を行うことが好ましい。
熱処理温度は第１の熱処理工程時の熱処理温度より高くする。これにより、電極層とｐ型層との間にオーミックコンタクトが得られることとなる。当該高温での熱処理を省略すると両者の間にオーミックコンタクトが得られない（表１、比較例３参照）。従って、第２の熱処理工程で要求される熱処理条件は、電極層とｐ型層との間にオーミックコンタクトを確保するのに十分な加熱温度及び加熱時間である。
熱処理温度は４４０℃以上とすることが好ましく、更に好ましくは４８０℃以上であり、更に更に好ましくは５２０℃以上である。
熱処理時間は０．１分〜１８０分とすることが好ましい。更に好ましくは、０．３分〜６０分であり、更に更に好ましくは０．５分〜３０分である。
第２の熱処理工程における雰囲気の圧力は当該熱処理温度においてIII族窒化物系化合物半導体が熱分解されない圧力以上であればよい。
【００１２】
第１の熱処理工程と第２の熱処理工程と実行する順序は特に限定されない。
酸素含有ガスを供給する雰囲気において熱処理温度を徐々に上げていって（第１の熱処理工程に実行）、４４０℃に達した後は酸素含有ガスの供給を止めそこから第２の熱処理工程を実行するようにしてもよい。
【００１３】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。
まず、図１に示す構成に半導体層を積層した。
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。ＧａＮ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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
その後、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。
【００２０】
次に、図２を参照しながら、透光性電極形成層６０及びｐ台座電極形成層７０の形成方法について説明する。
まず、ウエハの全面に、蒸着装置にて、第１の電極層としてのＣｏ層（１．５ｎｍ）６１と第２の電極層としてのＡｕ層（６０ｎｍ）６２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）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形成材料６１、６２を除去し、半導体層５を露出させる。その後、フォトレジストを除去する。
次に、リフトオフ法により、Ｃｒ層（３０ｎｍ）７１、Ａｕ層（１．５μｍ）７２及びＡｌ層（１０ｎｍ）７３を順次蒸着積層してｐ台座電極形成層７０を形成する。
なお、バナジウムとアルミニウムとを順次積層してｎ電極形成層も同様にリフトオフ法により形成される。
【００２１】
上記のようにして得られた試料を下記条件で熱処理をした。
【表１】
表１において、第１の熱処理工程（酸素を含む雰囲気において比較的低温での熱処理）は強調文字にて表記した。
また表１において、コンタクト抵抗の高低は２０ｍＡ通電時の素子の電圧を基準にした。
光出力は実施例及び比較例において殆ど差が出なかった。
Ｗ／Ｂ性（ワイヤーボンディング性）はボールシェア強度を基準に評価した。
外観はｐ台座電極表面を顕微鏡で観察し、表面が一様で均質な場合を○、Ｃｒの偏析が観察された場合を△とした。
【００２３】
表１より、実質的に酸素を含む雰囲気において比較的低温で熱処理をする第１の熱処理工程と実質的に酸素を含まない雰囲気（好ましくは還元性雰囲気）において比較的高ｓ温で熱処理をする第２の熱処理工程とを、その順序を問わず実行することにより、比較例１（従来の方法）と同様に低いコンタクト抵抗を維持しつつ、ワイヤーボンディング特性及び外観性がともに向上することがわかる。
また、第１の熱処理工程を省略すると、コンタクト抵抗が高くなることがわかる（比較例２参照）。
第１の熱処理工程を実施するものの第２の熱処理工程（高温での熱処理）を省略するとやはりコンタクト抵抗が高くなることがわかる（比較例３参照）。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明で提案する２段階の熱処理を実行すれば、III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層と透光性電極とのオーミックコンタクトを維持しつつｐ台座電極の表面が酸化されてこれと導電性ワイヤとの接合力が低下することを未然に防止できる。
【００２５】
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。
【００２６】
以下、次の事項を開示する。
１１ III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層と、
該ｐ型層の上に形成されて第１の金属を含む第１の電極層及び該第１の電極層の上に形成されて前記第１の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第２の金属を含む第２の電極層を備えてなる透光性電極形成層と、を熱処理する方法であって、
実質的に酸素を含む雰囲気において第１の温度で熱処理をする第１の熱処理工程と、
実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第１の温度より高い第２の温度で熱処理をする第２の熱処理工程と、
を含む、熱処理方法。
１２ 前記第１の熱処理工程の後に前記第２の熱処理工程が実行される、１１に記載の熱処理方法。
１３ 前記第２の熱処理工程の後に前記第１の熱処理工程が実行される、１１に記載の熱処理方法。
１４ 前記第１の温度は４４０℃未満である、１１〜１３のいずれか記載の熱処理方法。
１５ 前記第２の熱処理工程は非酸化性雰囲気あるいは還元性雰囲気で行われる、１１〜１４のいずれかに記載の熱処理方法。
１６ 前記電極形成工程にはｐ台座電極を形成する工程が更に含まれる、１１〜１５のいずれかに記載の熱処理方法。
１７ 前記第１の金属はコバルト（Co）であり、前記第２の金属は金（Au）である、１１〜１６のいずれかに記載の熱処理方法。
２１ III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層の上に、第１の金属を含む第１の電極層を積層し、前記第１の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第２の金属を含む第２の電極層を前記第１の電極層の上に積層して透光性電極形成層を形成し、該透光性電極形成層を下記２つの熱処理工程により熱処理して得られたIII族窒化物系化合物半導体発光素子、
実質的に酸素を含む雰囲気において第１の温度で熱処理をする第１の熱処理工程、
実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第１の温度より高い第２の温度で熱処理をする第２の熱処理工程。
２２ 前記第１の熱処理工程の後に前記第２の熱処理工程が実行される、２１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２３ 前記第２の熱処理工程の後に前記第１の熱処理工程が実行される、２１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２４ 前記第１の温度は４４０℃未満である、２１〜２３のいずれか記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２５ 前記第２の熱処理工程は非酸化性雰囲気あるいは還元性雰囲気で行われる、２１〜２４のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２６ 前記電極形成工程にはｐ台座電極を形成する工程が更に含まれる、２１〜２５のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
２７ 前記第１の金属はコバルト（Co）であり、前記第２の金属は金（Au）である、２１〜２６のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子。
【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。
【図２】図２は実施例の発光素子の電極の層構成を説明する。
【符号の説明】
５ ｐ型層
６ 透光性電極
７ ｐ台座電極
９ ｎ電極
１０ 発光素子
６０ 透光性電極形成層
７０ ｐ台座電極形成層
Claims (7)
- III族窒化物系化合物半導体からなるｐ型層の上に、第１の金属を積層して第１の電極層を形成し、前記第１の金属よりも高いイオン化ポテンシャルを有する第２の金属を前記第１の電極層の上に積層して第２の電極層を形成する電極形成工程と、
実質的に酸素を含む雰囲気において第１の温度で熱処理をする第１の熱処理工程と、
実質的に酸素を含まない雰囲気において前記第１の温度より高い第２の温度で熱処理をする第２の熱処理工程と、
を含む、III族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。 - 前記第１の熱処理工程の後に前記第２の熱処理工程が実行される、請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第２の熱処理工程の後に前記第１の熱処理工程が実行される、請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第１の温度は４４０℃未満である、請求項１〜３のいずれか記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第２の熱処理工程は非酸化性雰囲気あるいは還元性雰囲気で行われる、請求項１〜４のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記電極形成工程にはｐ台座電極を形成する工程が更に含まれる、請求項１〜５のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記第１の金属はコバルト（Co）であり、前記第２の金属は金（Au）である、請求項１〜６のいずれかに記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
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