JP4954039B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は窒化ガリウム系の半導体構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ系半導体装置をはじめとするワイドギャップ半導体装置においては、ｐ型半導体層として低抵抗のものを得ることが、ｎ型半導体層と比較すると困難であった。また、電極コンタクトを低い接触抵抗にて得ることについても、ｎ型半導体層と比較するとｐ型半導体層では難しかった。
加えて、ｐ型半導体層上に形成される金属電極層において、長期安定動作を実現させるための積層構造を考慮した場合、十分とはいえない状況にある。そのため、金属電極層としてＰｄ（パラジウム）を用い、酸素を含むガス中にて熱処理することにより、良好なオーミック特性が得られる積層技術が、例えば特許文献１において示されている。また、別の技術として、半導体電極層を形成するＧａＮ半導体層と金属電極層との間に厚さが制御された表面酸化膜を介在させることで電圧降下を低減できることが、例えば、特許文献２において示されている。
特開平１０−２０９４９３号公報 特開平１１−５４７９８号公報
このようなＧａＮ系のワイドギャップ半導体装置の製造方法においては、金属電極層形成時における酸素を含むガス中における熱処理もしくは、半導体電極層となるｐ型ＧａＮ半導体層表面への酸化膜の形成が必要となる。
金属電極層形成時において、酸素を含むガス中における熱処理プロセスが必要であると、２０ｋＡ／ｃｍ2以上という高い電流密度での長期安定動作を確保するためにＰｄと組み合わせて積層構造とする高融点金属として使用できる金属種は酸素雰囲気での熱処理による酸化の影響のない金属に限定されてしまう。このため、積層構造の金属電極層は十分な長期安定動作を得ることができないという問題点があった。
また、半導体電極層となるｐ型ＧａＮ半導体層表面への酸化膜の形成に際しては、ｐ型ＧａＮ半導体層表面の初期酸化膜をＨＦ溶液で除去した後に、酸化膜を温水浸漬や酸素雰囲気での酸化により十分制御されたプロセスによって行われる。このため、実際の半導体レーザ素子では電気的および光学的とじこめのためのリッジ構造を実現するために形成される絶縁膜を有した構造においては、ＨＦ溶液を用いたプロセスでは当該絶縁膜の消失ないしは薄層化が生じる。そのため、半導体レーザとしての電気的および光学的とじこめの状況が変化してしまい、レーザ特性に悪影響を及ぼすという問題点があった。すなわち、ＧａＮ系の半導体装置としての性能劣化を招いてしまうという問題点があった。
この発明は上記問題点を解決するためになされたもので、装置性能の劣化を招くことなく、長期安定動作が可能な、窒化ガリウム系の半導体構造を有する半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
この発明に係る請求項１記載の半導体装置の製造方法は、(a) 基板上に窒化ガリウム系の半導体構造を形成するステップを備え、前記半導体構造は少なくともｐ型の窒化ガリウム系のコンタクト層を最上部に有し、(b) 前記コンタクト層を含む前記半導体構造の上層部を選択的に除去するステップをさらに備え、前記ステップ(b) 実行後の前記半導体構造は、除去されずに残存した前記コンタクト層を含むリッジ部もしくはメサ部と前記コンタクト層が除去されたリッジ部外領域もしくはメサ部外領域とを有し、(c) 前記リッジ部もしくは前記メサ部の側面及び前記リッジ部外領域上もしくは前記メサ部外領域上に絶縁膜を形成するステップと、(d) 前記リッジ部もしくは前記メサ部の表面上に酸化物を形成するステップと、(e) 前記酸化物及び前記絶縁膜上を含む全面に金属電極を形成するステップとをさらに備え、前記ステップ(e) は、(e-1) 前記酸化物上にＰｄと高融点金属からなる前記金属電極を形成するステップと、(e-2) 前記ステップ(e-1) 後に実行され、酸素以外のガスを用いて熱処理するステップとを含む。
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記ステップ(e) は、金属電極形成後に実行され、酸素以外のガスを用いて熱処理するステップ(e-2)を含んでいる。この熱処理は、酸素以外のガスを用いて行われているため、酸化による金属電極の表面や内部の変質を懸念する必要がなくなる。
その結果、Ｐｄと高融点金属を組み合わせて上記金属電極を形成する際、高融点金属して多様な金属のうちから選択することができるため、半導体装置の長時間安定動作を可能とすることができる。
上記高融点金属として、Ｔａ，ＣｕあるいはＷ等を用いることができるため、２０ｋＡ／ｃｍ2以上という高い電流密度での長時間安定動作が可能な半導体装置を得ることができる。
さらに、ステップ(e-2)の熱処理によって、酸化物を介したコンタクト層及び金属間の界面構造が変化し、良好なオーミック接触を得ることができる。すなわち、酸素の存在により、コンタクト層と金属電極との合金化が促進されてオーミック接触として低い接触抵抗を発揮することができる。
＜実施の形態１＞
図１〜図６はこの発明の実施の形態１であるＧａＮ系の半導体装置（半導体レーザダイオード）の製造方法を示す断面図である。以下、これらの図を参照して、実施の形態１の半導体装置の製造方法における製造工程を説明する。
まず、図１に示すように、ｎ型低抵抗ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮガイド層３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層４、ＧａＮガイド層５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６及びｐ型ＧａＮコンタクト層７からなる積層構造（半導体構造）を得る。
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２はキャリアおよび光をとじこめるための層であり、ｎ型ＧａＮガイド層３は光を伝播させるための層である。なお、ｎ型ＧａＮガイド層３の代わりにｎ型ＩｎＧａＮガイド層を設けても良い。
ＩｎＧａＮ量子井戸活性層４は発光領域であり、ＧａＮガイド層５は光を伝播させるための層である。なお、ＧａＮガイド層５の代わりにＩｎＧａＮガイド層を設けても良い。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６はキャリアおよび光をとじこめるための層である。少なくともＧａ（ガリウム）及びＮ（窒素）を含むコンタクト層であるｐ型ＧａＮコンタクト層７はｐ型接触を得るための層であり、エピタキシャル成長により形成される。ｐ型ＧａＮコンタクト層７にはアクセプタとしてＭｇが１ｘ１０19／ｃｍ3以上の濃度でドーピングされている。
次に、図２に示すように、リッジ部形成領域ＡＲにエッチングマスクを形成して、ドライエッチングをｐ型ＧａＮコンタクト層７からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６の大部分にかけて行う。その結果、リッジ部形成領域ＡＲには、残存したｐ型ＧａＮコンタクト層７を有する突出したストライプ状のリッジ部が得られ、リッジ部外領域（リッジ部形成領域ＡＲ以外の領域）にはｐ型ＧａＮコンタクト層７の全てとｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６の一部と除去される。このように、図２に示す工程を経て、リッジ部形成領域ＡＲにリッジ部を有するリッジ構造を得ることができる。
その後、図３に示すように、リッジ部の側面及びリッジ部外領域に絶縁膜８を形成する。この際、リッジ部の側面に形成される絶縁膜８はｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面より少し突出して形成される。
したがって、リッジ部の表面（リッジ部形成領域ＡＲにおけるｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面）には絶縁膜８は形成されない。このように、絶縁膜８はリッジ部外領域におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６の表面上、及びｐ型ＧａＮコンタクト層７の側面上に形成される。
この絶縁膜８は、電流をリッジ部のみに流すとともに、絶縁膜８の層厚や誘電率・屈折率によってリッジ部での光分布の制御をも行う機能を有し、蒸着やスパッタ、低温での化学気相蒸着によりＳｉＯ2あるいはＳｉＯXより形成される。
さらに、図４に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面に酸化膜９を形成する。その後、図５に示すように、酸化膜９上及び絶縁膜８上も含めて全面に金属電極であるｐ型電極１０を形成する。これらの工程については詳しく後述する。
そして、図６に示すように、ｐ型電極１０上にメタライズ電極１１を形成する。メタライズ電極１１は、例えば、半導体側から順にＴｉ(チタン)、Ｍｏ（モリブデン），Ｔｉ，Ａｕ（金）の構成あるいはＴｉ、Ｔａ（タンタル），Ｔｉ，Ａｕの構成で形成する。一方、ｎ型低抵抗ＧａＮ基板１を薄層化した上で裏面側にｎ型電極１２を形成しウエハ工程を完了する。ｎ型電極１２は、例えば、半導体側から順にＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの構成で形成する。
その後、図示しないが、へき開による共振器形成、へき開面に所望の反射率となる誘電体膜もしくは金属膜を単膜もしくは多層膜形成して端面コート膜形成、素子分離して組立等を行うことにより、半導体レーザダイオードとして機能するＧａＮ系の半導体装置が完成する。
ここで、図４に相当する酸化膜９の形成工程について説明する。図３で示す工程によりリッジ部の表面上以外に絶縁膜８を形成した後、Ｏ2、Ｏ3、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2等の酸素を含んだガスを供給しｐ型ＧａＮコンタクト層７を表面から酸化することにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面上に酸化膜９を形成する。なお、酸化膜９はｐ型ＧａＮコンタクト層７を酸化することにより形成され、Ｇａを含むため正確には酸素を含む金属化合物として機能する。
上記酸化処理を、上述した酸素を含んだガスをプラズマ励起もしくは、コールドウォール炉中で加熱供給することによって行うことができる。この場合、酸素の活性種（励起種）により酸化膜９をｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面上に形成することができる。加えて、上記プラズマ励起もしくは加熱供給処理により、絶縁膜８の表面が酸素の活性種にさらされることによるＳｉＯX膜としての緻密性の向上、及び窒素の活性種（ＮＯ等のガスを用いた場合）にさらされ窒化されることによって、ＳｉＯX膜としての絶縁性の長期安定性が向上を図ることができる。
このように、実施の形態１の半導体装置の製造方法は、図４で示す工程において、酸化膜９の形成に用いる酸素を含んだガスとして、Ｏ2、Ｏ3、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、及びＮＯ2のうち、少なくともいずれかのガスを用いている。
その結果、絶縁膜８の表面が酸素の活性種にさらされることによって緻密性の向上が図れる。さらに、窒素を含んだガスを用いると窒素の活性種にさらされ窒化されることによる絶縁膜８の絶縁性の長期安定性が向上を図ることができる。
このように、実施の形態１の半導体装置の製造方法において、図４で示す工程は、酸素を含んだガスあるいはその活性種をリッジ部のｐ型ＧａＮコンタクト層７に供給し、当該ｐ型ＧａＮコンタクト層７を酸化することにより酸化膜９を形成している。
上記のように、図４で示す処理は、ＨＦ溶液を用いた処理等のウェット処理を含んでいないため、リッジ部の側面及びリッジ部外領域上に形成された絶縁膜８の消失や薄層化が生じることはない。
その結果、実施の形態１の半導体装置の製造方法では、リッジ部の絶縁膜部分の変化に起因する半導体装置の性能劣化を確実に回避することができる。すなわち、リッジ構造における電気的および光学的とじこめが劣化することがない。
さらに、図５に示すｐ型電極１０の形成工程は以下のように行われる。酸化膜９および絶縁膜８上に、ｐ型ＧａＮコンタクト層７への接触を図るｐ型電極１０を蒸着もしくはスパッタにより形成する。すなわち、蒸着もしくはスパッタにより、ｐ型電極１０を、例えば、半導体（ｐ型ＧａＮコンタクト層７）側から順にＰｄ、Ｔａの構成で形成する。その後、窒素、ＮＨ3など窒素を含むガスやＡｒ（アルゴン）、Ｈｅ（ヘリウム）など不活性ガス中にて４００〜７００℃にて熱処理を行う。
この熱処理によって、酸化膜９を介したｐ型ＧａＮコンタクト層７及びｐ型電極１０間の界面構造が変化し、良好なオーミック接触を得ることができる。すなわち、酸素の存在により、ｐ型ＧａＮコンタクト層７とｐ型電極１０との合金化が促進されてオーミック接触として低い接触抵抗を示すことができる。
さらに、ｐ型電極１０を形成した後の熱処理を酸素を含まないガスを用いて行っている。その結果、酸化による金属表面や内部の変質を懸念する必要がなく、Ｐｄと組み合わせる金属として、ＴａやＣｕ（銅）、Ｗ（タングステン）などの高融点金属を用いることができるため、２０ｋＡ／ｃｍ2以上という高い電流密度での長時間安定動作を可能とすることができる。なぜなら、Ｔａ、Ｃｕ、Ｗなどの高融点金属は酸化による金属表面や内部の変質する可能性が無い場合、高い電流密度での長時間安定動作を可能な金属であるからである。
＜実施の形態２＞
図７はこの発明の実施の形態２であるＧａＮ系の半導体装置（半導体レーザダイオード）の製造方法の一部を示す断面図である。以下、図７を参照して、実施の形態２の半導体装置の製造方法における製造工程を説明する。
まず、実施の形態１の図１〜図３で示す工程を経た後、図７に示すように、ＧａＯ、ＲｕＯ、ＰｄＯ、ＧａＯＮ、ＲｕＯＮ、ＰｄＯＮのような酸素もしくは酸素と窒素とを含む金属化合物をデポ（デポジション）することにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面上に酸化物でもある金属化合物１９を形成する。
その後、実施の形態１の図５及び図６で示す工程を経て、実施の形態１と同様の処理を行うことにより、実施の形態２のＧａＮ系の半導体装置が完成する。ただし、図５及び図６において、酸化膜９は金属化合物１９に置き換わる。
このように、実施の形態２の半導体装置の製造方法では、実施の形態１と同様、金属化合物１９の形成に際して、ＨＦ溶液で処理するようなウエットプロセスを含んでいないため、絶縁膜８の消失や薄層化などによりリッジ構造における電気的および光学的とじこめが劣化することがない。
さらに、実施の形態１と同様、ｐ型電極１０を形成後、窒素、ＮＨ3など窒素を含むガスやＡｒ、Ｈｅなど不活性ガス中にて４００〜７００℃にて熱処理することにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層７及びｐ型電極１０間の界面構造が変化し、良好なオーミック接触を得ることができる。
さらに、実施の形態２の半導体装置の製造方法において、図７で示す工程は、少なくとも金属及び酸素を含んだ金属化合物１９をｐ型ＧａＮコンタクト層７上に形成している。この際、絶縁膜８上にも上記金属化合物１９と同様な金属化合物領域が形成される。すなわち、金属化合物１９の形成時、絶縁膜８上においてもＧａＯ、ＲｕＯ、ＰｄＯ、ＧａＯＮ、ＲｕＯＮ、ＰｄＯＮ等、酸素もしくは酸素と窒素とを含む材質からなる金属化合物領域が形成される。
したがって、その後に、ｐ型電極１０が形成される際、絶縁膜８においても上記金属化合物領域を介してｐ型電極１０が形成されることになり、ｐ型電極１０は全体として、金属化合物１９及び上記金属化合物領域を介したｐ型ＧａＮコンタクト層７及び絶縁膜８への密着性が向上するという効果が得られる。
さらに、上記金属化合物領域として、ＧａＯ、ＲｕＯ、ＰｄＯ、ＧａＯＮ、ＲｕＯＮ、及びＰｄＯＮのうち、少なくともいずれかの材質が用いられことにより、上記密着性の向上を図ることができる。
加えて、実施の形態２の半導体装置の製造方法では、ｐ型電極１０を形成した後の熱処理を酸素を含まないガスを用いて行っているため、実施の形態１と同様、２０ｋＡ／ｃｍ2以上という高い電流密度での長時間安定動作を可能とすることができる。
＜実施の形態３＞
図８はこの発明の実施の形態３であるＧａＮ系の半導体装置（半導体レーザダイオード）の製造方法の一部を示す断面図である。以下、図８を参照して、実施の形態３の半導体装置の製造方法における製造工程を説明する。
まず、実施の形態１の図１〜図３で示す工程を経た後、図８に示すように、Ｏ2、Ｏ3、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、ＮＯ2等の酸素を含んだガスを供給してｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面を酸化することにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層７の表面上に酸化膜２１を形成する。
さらに、ＧａＯ、ＲｕＯ、ＰｄＯ、ＧａＯＮ、ＲｕＯＮ、ＰｄＯＮのような酸素もしくは酸素と窒素とを含む金属化合物をデポすることにより酸化膜２１上に金属化合物２２を形成する。これら酸化膜２１及び金属化合物２２により積層酸化構造２０を得る。
その後、実施の形態１の図５及び図６で示す工程を経て、実施の形態１と同様の処理を行うことにより、実施の形態３のＧａＮ系の半導体装置が完成する。ただし、図５及び図６において、酸化膜９は積層酸化構造２０に置き換わる。
このように、実施の形態３の半導体装置の製造方法では、実施の形態１と同様、酸化膜２１の形成時における加熱処理により、絶縁膜８の表面が酸素の活性種にさらされることによるＳｉＯX膜としての緻密性の向上や、窒素の活性種にさらされ窒化されることによるＳｉＯX膜としての絶縁性の長期安定性が向上を図ることができる。
さらに、実施の形態３の半導体装置の製造方法では、実施の形態１及び実施の形態２と同様、酸化膜２１の形成に際して、ＨＦ溶液で処理するようなウエットプロセスを含んでいないため、絶縁膜８の消失や薄層化などによりリッジ構造における電気的および光学的とじこめが劣化することがない。
加えて、実施の形態１及び実施の形態２と同様、ｐ型電極１０を形成後、窒素、ＮＨ3など窒素を含むガスやＡｒ、Ｈｅなど不活性ガス中にて４００〜７００℃にて熱処理することにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層７及びｐ型電極１０間の界面構造が変化し、良好なオーミック接触を得ることができる。
さらに、実施の形態３の半導体装置の製造方法では、実施の形態２と同様、金属化合物２２の形成時、絶縁膜８上においてもＧａＯ、ＲｕＯ、ＰｄＯ、ＧａＯＮ、ＲｕＯＮ、ＰｄＯＮのような酸素もしくは酸素と窒素とを含む金属化合物領域がデポされる。したがって、その後に全面にｐ型電極１０が形成される際、絶縁膜８上に上記金属化合物領域を介してｐ型電極１０が形成されることになり、ｐ型電極１０全体としてのｐ型ＧａＮコンタクト層７及び絶縁膜８への密着性が向上するという効果が得られる。
加えて、実施の形態３の半導体装置の製造方法では、ｐ型電極１０を形成した後の熱処理を酸素を含まないガスを用いて行っているため、実施の形態１及び実施の形態２と同様、２０ｋＡ／ｃｍ2以上という高い電流密度での長時間安定動作を可能とすることができる。
（その他）
上述した実施の形態では、ＧａＮ系の半導体装置の一例として半導体レーザダイオードをとりあげ、そのｐ型ＧａＮコンタクト層７上に形成される酸化膜９（金属化合物１９，積層酸化構造２０）について説明したが、ｐ型層へのコンタクトを有する素子であれば、同様に半導体装置（素子）の長期安定動作を可能にすることができる。半導体レーザダイオード以外に例えばジナーダイオード、なだれ現象を利用したインパッドダイオード等がある。
これらの素子では、コンタクト層を含む半導体構造の上層部を選択的に除去するステップにより、除去されずに残存した前記コンタクト層を含む領域はストライプ状ではなく、円形や多角形のメサ部領域と、コンタクト層が除去されたメサ部外領域とを有する構成になる。
上記説明における半導体レーザでは、リッジ領域は、コンタクト層と同じ導電型の範囲まで選択的に除去することによって形成されているが、コンタクト層と異なる導電型まで選択的に除去された構成でもよく、ジナーダイオードやインパッドダイオード等においても同様に、メサ領域はコンタクト層と同じ導電型の範囲まで選択的に除去することによって形成されている場合でも、コンタクト層と異なる導電型まで選択的に除去されて形成されている場合でもよい。
この発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 この発明の実施の形態２である半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。 この発明の実施の形態３である半導体装置の製造方法の一部を示す断面図である。
符号の説明
７ ｐ型ＧａＮコンタクト層、８ 絶縁膜、９，２１ 酸化膜、１０ ｐ型電極、１９，２２ 金属化合物。

Claims (7)

  1. (a) 基板上に窒化ガリウム系の半導体構造を形成するステップを備え、前記半導体構造は少なくともｐ型の窒化ガリウム系のコンタクト層を最上部に有し、
    (b) 前記コンタクト層を含む前記半導体構造の上層部を選択的に除去するステップをさらに備え、前記ステップ(b) 実行後の前記半導体構造は、除去されずに残存した前記コンタクト層を含むリッジ部もしくはメサ部と前記コンタクト層が除去されたリッジ部外領域もしくはメサ部外領域とを有し、
    (c) 前記リッジ部もしくは前記メサ部の側面及び前記リッジ部外領域上もしくは前記メサ部外領域上に絶縁膜を形成するステップと、
    (d) 前記リッジ部もしくは前記メサ部の表面上に酸化物を形成するステップと、
    (e) 前記酸化物及び前記絶縁膜上を含む全面に金属電極を形成するステップとをさらに備え、
    前記ステップ(e) は、
    (e-1) 前記酸化物上にＰｄと高融点金属からなる前記金属電極を形成するステップと、
    (e-2) 前記ステップ(e-1) 後に実行され、酸素以外のガスを用いて熱処理するステップとを含む、
    半導体装置の製造方法。
  2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ステップ(d) は、
    (d-1) 酸素を含んだガスあるいはその活性種を前記リッジ部もしくは前記メサ部の前記コンタクト層に供給し、前記コンタクト層を酸化することにより酸化膜を形成するステップを含み、
    前記酸化物は前記酸化膜を含む、
    半導体装置の製造方法。
  3. 請求項２記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ステップ(d) は、
    (d-2) 少なくとも金属及び酸素を含んだ金属化合物を前記酸化物上に形成するステップを含み、
    前記酸化物は前記酸化膜と前記金属化合物からなる積層酸化構造を含む、
    半導体装置の製造方法。
  4. 請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記ステップ(d) は、
    (d-1) 少なくとも金属及び酸素を含んだ金属化合物を前記コンタクト層上に形成するステップを含み、
    前記酸化物は前記金属化合物を含む、
    半導体装置の製造方法。
  5. 請求項２あるいは請求項３記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記酸素を含んだガスは、Ｏ2、Ｏ3、ＮＯ、Ｎ2Ｏ、及びＮＯ2のうち、少なくともいずれかのガスを含む、
    半導体装置の製造方法。
  6. 請求項３あるいは請求項４記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記金属化合物は、ＧａＯ、ＲｕＯ、ＰｄＯ、ＧａＯＮ、ＲｕＯＮ、及びＰｄＯＮのうち、少なくともいずれかを含む、
    半導体装置の製造方法。
  7. 請求項１ないし請求項６のうち、いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記高融点金属は、Ｔａ、Ｃｕ及びＷのうち少なくともいずれかを含む、
    半導体装置の製造方法。
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