JP5278960B2

JP5278960B2 - 半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP5278960B2
Application number: JP2009163393A
Authority: JP
Inventors: 昭典溝上
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: JP2011018819A

Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法に関し、特に半導体発光素子の電極構造の形成方法の改善に関するものである。

近年、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮで表される窒化ガリウム系半導体が、青色または緑色で発光し得るＬＥＤ（発光ダイオード）の材料として注目されている。このような化合物半導体材料をＬＥＤに使用することにより、これまで困難であった発光強度の高い青色発光や緑色発光などが可能となった。

このように発光能力が改善されたＬＥＤは、屋外照明用途におけるように、従来に比べて高温で多湿という厳しい環境下でも使用されるようになってきた。したがって、そのような厳しい環境下においてＬＥＤの電極のマイグレーションによる劣化を防ぐために、電極の表面にＳｉＯ_x、ＳｉＮ_xなどの絶縁性保護膜を形成することが一般的となってきた。

そのような電極保護膜構造とその形成方法を開示している文献として、例えば特許文献１の特開２００３−１６８８２３号公報および特許文献２の特開２００６−４１４０３号公報が存在している。

ここで、代表的な窒化物半導体発光素子の構造が、例示的に説明される。一般的ＬＥＤにおいては、サファイア基板上にｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層が積層され、これらｎ型とｐ型の窒化物半導体層へ電気的に接続する電極が形成された構造を含んでいる。

ｐ型窒化物半導体層へ電気的に接続する電極としては、一般にｐ型半導体層上に透光性電極が形成され、その上に金属からなるパッド電極が形成される。この透光性電極としては、ＩＴＯ（インジュウム錫酸化物）、ＩＺＯ（インジュウム亜鉛酸化物）、ＺｎＯなどの導電性酸化物が用いられる。また、上部のパッド電極としては、透光性電極に対して密着性の良好なＮｉ、Ｒｈなどからなる接合層と、Ａｕ、Ａｌなどのボンディング層とが適宜に重ねられて用いられる。透光性電極は、パッド電極から注入された電流をｐ型窒化物半導体層内に広げると共に、その発光素子に含まれる活性層からの光を透過させて外部に取り出すことを可能にする。

他方、ｎ型窒化物半導体層は一般に低い電気抵抗を有するので、ｎ型窒化物半導体層上には直接にパッド電極が形成される。このｎ側電極としては、一般的にはｎ型半導体層に対する良好なオーミック接触を維持するために、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉなどのオーミック接触層と、Ｐｔ、Ｍｏなどのバリア層と、Ａｌ、Ａｕなどのボンディング層とが順次に積ねられて用いられる。

その後、パッド電極の側面と表面の一部とを覆うように、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ_xなどからなる絶縁性保護膜が形成される。

特開２００３−１６８８２３号公報特開２００６−０４１４０３号公報

一般的にパッド電極は、リフトオフ法またはエッチング法を利用して形成される。リフトオフ法を利用する場合、一般的なポジ型レジストを用いてパターンを形成すれば、図８の模式的な断面図で示されているように、レジストパターン９の開口部周縁の側面形状が順テーパー状になる。すなわち、この図８において、サファイア基板１上に、ｎ型半導体層２、活性層３、ｐ型半導体層層４、および透光性電極層５が順次積層されている。そして、この積層構造の上面上にはレジストパターン９が形成され、そのレジスト層の開口部の側面は順テーパー状の形状になる。なお、本願の各図において、同一の参照符合は同一部分または相当部分を表している。

レジストパターン９上には、図９の模式的断面図に示されているように、多層構造のパッド電極を形成するための第１金属層１０ａ、第２金属層１０ｂ、および第３金属層１０ｃが蒸着法やスパッタ法などを利用して成膜される。

その後、図１０の模式的断面図に示されているように、レジスト剥離液を用いてリフトオフを行えば、レジスト層９の上にあった金属層１０ａ、１０ｂ、１０ｃが引き剥がされる。その結果、複数の金属層７ａ、７ｂ、７ｃを含んで形成されたｐ側パッド電極と複数の金属層６ａ、６ｂ、６ｃを含んで形成されがｎ側パッド電極とにおいて、それらの側面が逆テーパー状でかつ突起状になる。

この後に、図１１の模式的断面図に示されているように、ＳｉＯ_x、ＳｉＮ_xなどからなる絶縁性保護膜８がＣＶＤ（化学気相堆積）法、スパッタ法、または蒸着法などで形成されるのが一般的である。しかし、パッド電極の側面が逆テーパー状で突起状になっていれば、絶縁性保護膜８で各電極の側面を十分に覆うことができないという問題を生じる。

リフトオフ法ではなくてエッチングによってパッド電極を形成する場合においても、図１２の模式的断面図に示されているように、多層の金属層を含むパッド電極をエッチングで形成する際に、多層の金属層上のレジスト層（図示せず）から遠い下層の金属層では上層の金属層に比べてサイドエッチングが起こり易いので、この場合にもパッド電極の側面が逆テーパー状に形成される。

そのようなパッド電極が形成された後には、図１３の模式的な断面図に示されているように、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_xなどからなる絶縁性保護膜８が、ＣＶＤ法、スパッタ法、または蒸着法などで形成される。しかし、パッド電極の側面が逆テーパー状になっていれば、絶縁性保護膜８でその電極の側面を十分に覆うことができない。

そこで、本発明の目的は、パッド電極の側面を順テーパー状に形成することによって、パッド電極の側面と表面の一部とを覆う絶縁性保護膜のカバッレジを改善し、これによって信頼性の高い半導体発光素子を提供することである。

本発明による半導体発光素子の製造方法は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層を形成する工程と、これらのｎ型半導体層とｐ型半導体層との少なくとも一方上に複数の金属層を含む電極を形成する工程を含み、この電極に含まれる最上部以外の下部金属層がエッチング法によって形成され、最上部の金属層はその側面が順テーパ状になるようにリフトオフ法によって形成され、その電極の側面と上面の一部とを覆う保護膜を形成する工程をさらに含むことを特徴としている。

このような本発明によれば、信頼性の高い半導体発光素子を歩留りよく提供することが可能になる。

本発明に関連する一参考例による半導体発光素子の作製過程の一例を示す模式的断面図である。本発明に関連する一参考例において、レジストパターンの開口部側面のテーパー角ａを表す模式的断面図である。図２に関連して、レジスト層の現像時間［ｓｅｃ］と開口部側面のテーパー角ａ［°］との関係を表すグラフである。本発明に関連する一参考例において、リフトオフ法によって形成された順テーパ状の側面を有するパッド電極を示す模式的断面図である。図４に続いて絶縁性保護膜の形成を表す模式的断面図である。本発明の一実施例におけるパッド電極の形成を表す模式的断面図である。図６に続いて絶縁性保護膜の形成を表す模式的断面図である。先行技術による半導体発光素子の作製過程の一例を示す模式的断面図である。図８に続いてパッド電極に含まれるべき金属多層膜の形成を表す模式的断面図である。図９に続いてリフトオフ法によるパッド電極の形成を表す模式的断面図である。図１０に続いて絶縁性保護膜の形成を表す模式的断面図である。先行技術においてエッチング法によるパッド電極の形成を表す模式的断面図である。図１２に続いて絶縁性保護膜の形成を表す模式的断面図である。

以下において、種々の模式的断面図を参照しながら、本発明に関連する幾つかの参考例および実施例による窒化物系半導体発光素子の製造方法が説明される。

＜参考例１＞
本発明に関連する参考例１による窒化物系半導体発光素子の作成においては、パッド電極がリフトオフ法によって形成される。

図１を参照して、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などによって、例えばサファイア基板のような絶縁基板１上に、ＡｌＧａＮバッファ層とノンドープＧａＮ層の順の積層（図示せず）を堆積した後に、ｎ型半導体層２に含まれるＳｉドープのｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層とがこの順に積層される。このｎ型クラッド層は、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を交互に積層させた超格子構造を有している。ｎ型半導体層２上には、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に積層させた多重量子井戸構造を有する活性層３が形成される。活性層３上のｐ型半導体層４としては、ＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に積層させた超格子構造を有するＭｇドープｐ型クラッド層およびＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層がこの順に積層される。

こうして基板１上に積層された複数の半導体層２−４を含むウエハはＮ₂雰囲気中において６００〜８００℃の温度でアニールされ、これによってｐ型コンタクト層が低抵抗化される。アニールされたウエハの表面は、フッ酸にて洗浄されて清浄化される。

清浄化されたウエハの上面の全域において、透光性電極５となる厚さ１７０ｎｍのＩＴＯ層が、蒸着装置を使用して形成される。この後、ウエハは、Ｎ₂雰囲気中において５００〜７００℃の温度でアニールされる。

ＩＴＯ層上には、所定パターンのレジストマスク（図示せず）が、フォトリソグラフィによって形成される。レジストマスクの領域外で露出されたＩＴＯ層は王水系のエッチング液にて除去され、これによってＩＴＯの透光性電極５が形成され、その後にレジストマスクの剥離が行われる。さらに、後でｎ側電極を形成する領域に開口を有するレジストマスク（図示せず）を形成し、エッチング装置でドライエッチングすることによってｎ型コンタクト層の一部が露出され、その後にレジストマスクの剥離が行われる。

透光性電極５が形成されかつｎ型コンタクト層の一部が露出されたウエハの上面においては、パッド電極形成用の開口を有するレジストマスク９がフォトリソグラフィによって形成される。すなわち、このレジストマスク９においては、透光性電極５上の一部上とｎ型コンタクト層の露出領域の一部上にパッド電極形成用の開口が形成される。このとき、レジストマスク９は、開口部の側面の形状が逆テーパー状となり得るレジスト（例えば、信越化学製ＳＩＰＲ−９６８４やナガセ産業製ＮＰＲ９７００等）を用いて形成される。

より具体的には、レジスト膜厚が３．０〜４．０μｍとなるように、スピンコーターを使用して、５０００〜６０００ｒｐｍの回転速度で２０〜３０秒間の条件でスピンコートが行われる。ただし、このスピンコートの条件は、レジスト層厚に応じて、適宜に変更してもよい。

スピンコートされたレジスト層に対しては、ホットプレートを使用して、１１０〜１２０℃で２〜３分間のプリべークが行なわれる。

プリべークされたレジスト層に対しては、アライナーを用いて、所望のレジストパターンを得るためのフォトマスクを介して、露光エネルギー２５０〜３００ｍＪで露光が行なわれる。なお、この露光エネルギーは、形成するレジストパターンの形状によって、適宜に変更してもよい。

露光されたレジスト層に対しては、ホットプレートを使用して、１２０〜１３０℃で１〜２分間の露光後べークが行なわれる。

露光後べークされたレジスト層は、現像液に１〜３分間だけ浸漬される。これによって、図１に示されているように、開口部の側面が逆テーパー状となるレジストパターン９が形成される。

この際に、レジスト層を現像液に浸漬する時間を変更することによって、図２に示されているようなレジストパターンの開口部の側面におけるテーパー角度ａを任意に変更することができる。ここで、開口部の側面のテーパー角度ａが９０°より大きい場合には順テーパ形状であって、テーパー角度ａが９０°未満の場合には逆テーパー形状であることを意味する。

図３のグラフは、そのような現像時間とテーパー角度ａとの関係を示している。すなわち、このグラフにおいて、横軸は現像時間［ｓｅｃ］を表し、縦軸はａで表示されるテーパー角度［°］を表している。図３のグラフから、現像時間の増大とともにテーパー角が小さくなり、逆テーパーの度合いが顕著になることがわかる。

図１に示されているようにレジストパターン９が形成された後において、ｐ側とｎ側のパッド電極となるべき厚さ０．５〜１５ｎｍのＴｉ層、厚さ１５〜１００ｎｍのＰｔ層、および厚さ２００〜５００ｎｍのＡｕ層が、ウエハ上面の全域において蒸着法にて順次堆積される。この際に蒸着する金属としては、Ｔｉの代わりにＮｉなど、Ｐｔの代わりにＷ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄなど、そしてＡｕの代わりにＡｌなどを使用してもよい。

その後、レジスト剥離液に３０分〜２時間だけウエハを浸漬させて、レジストパターン９上の金属層をリフトトオフする。これによって、図４に示されているように、第１金属層６ａ、第２金属層６ｂ、および第３金属層６ｃを含むｎ側パッド電極６の側面と、第１金属層７ａ、第２金属層７ｂ、および第３金属層７ｃを含むｐ側パッド電極７の側面とが順テーパー状に形成される。

その後、ウエハの上面の全域に、絶縁性保護膜としてのＳｉＯ_x膜が１００〜３００ｎｍの厚さにＣＶＤ法で堆積される。この絶縁性保護膜としては、ＳｉＮ_x膜を堆積してもよい。

絶縁性保護膜上にはレジスト層が堆積され、ｐ側パッド電極７の上面の一部とｎ側パッド電極６の上面の一部とを露出させる目的で、レジストパターンがフォトリソグラフィで形成される。そして、バッファードフッ酸を用いてエッチングを行ってパッド電極７、６上のＳｉＯ_x膜を除去し、その後にレジストパターンの剥離が行われる。こうして、図５に示されているように、各パッド電極７、６の側面と上面の一部がＳｉＯ_x膜の絶縁性保護膜８によって保護され得る。なお、ＳｉＯ_x膜のエッチングは、ＣＦ₄などのガスを用いるドライエッチング法によって行われてもよい。

以上の工程を経たウエハにおいて、ｐ側電極とｎ側電極の組を含んで所望の大きさに分割することによって、図５に示されているような半導体発光素子の複数が得られる。

＜参考例２＞
本発明に関連する参考例２においては、参考例１に比べて、窒化物系半導体発光素子のパッド電極がリフトオフ法ではなくてドライエッチング法で形成されることのみにおいて異なっている。すなわち、発光素子に含まれるパッド電極は、以下のようにドライエッチング法で形成することも可能である。

本参考例２では、図１中に示されたリフトオフ用のレジストパターン９が形成されていない状態において、参考例１の場合と同様にｐ側とｎ側のパッド電極となるべき厚さ０．５〜１５ｎｍのＴｉ層、厚さ１５〜１００ｎｍのＰｔ層、および厚さ２００〜５００ｎｍのＡｕ層が、ウエハ上面の全域において蒸着法にて順次堆積される。この際にも、蒸着する金属としては、Ｔｉの代わりにＮｉなど、Ｐｔの代わりにＷ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄなど、そしてＡｕの代わりにＡｌなどを使用してもよい。

こうして堆積された金属多層膜上において、パッド電極となるべき領域にレジストマスクがフォトリソグラフィによって形成される。この状態において、レジストマスクに覆われていない金属多層膜をドライエッチングすると同時にレジストマスクをもドライエッチングする。これによって、金属多層膜がエッチングされるとともにレジストマスクの周縁がエッチングで後退し、レジストマスク下に残るパッド電極の側面が順テーパー状に形成され得る。

金属多層膜と同時にドライエッチングされるレジストは、参考例１におけるように開口の側面が逆テーパー状になるレジストに比べて安価である。したがって、参考例２の方法を使用することによって、参考例１の場合に比べて、より安価に半導体発光素子を作製することができる。

＜実施例１＞
本発明の実施例１においては、参考例１および２に比べて、窒化物系半導体発光素子のパッド電極の形成方法が部分的に変更されたことのみにおいて異なっている。

参考例２の場合と同様に、本実施例１でも、図１中に示されたリフトオフ用のレジストパターン９が形成されていない状態において、ｐ側とｎ側のパッド電極に含まれる厚さ０．５〜１５ｎｍのＴｉ層と厚さ１５〜１００ｎｍのＰｔ層が蒸着によって順次積層される。その蒸着する金属として、Ｔｉの代わりにＮｉなど、Ｐｔの代わりにＷ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄなどを使用してもよいことは、参考例１および２の場合と同様である。

その後、本実施例１においては、パッド電極７、６を形成すべき領域上にフォトリソグラフィによってレジストマスクが形成される。このレジストマスクの領域外において、王水を用いてＰｔ層をエッチングして、バファードフッ酸によってＴｉ層をエッチングし、これによってパッド電極を形成すべき領域以外において金属積層が除去される。なお、ＴｉとＰｔの代わりにＮｉ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｐｄなど用いて金属積層を形成した場合には、それらの金属に適する公知のエッチング液を適宜に選択して使用することができる。

その後、ウエハ上面を覆うようにレジスト層が堆積される。このレジスト層は、パッド電極を形成すべき領域に残されたＴｉとＰｔの積層を露出する開口を形成するようにパターン化される。このとき、開口部の側面が逆テーパー状となるレジストが用いられる。

逆テーパー状の開口が形成されたレジストパターンを覆うように、厚さ２００〜５００ｎｍのＡｕ層が蒸着法にて形成される。この際に、Ａｕの代わりにＡｌなどを使用してもよいことは、参考例１および２の場合と同様である。

その後、レジスト剥離液にウエハを１０分〜３０分だけ浸漬させてリフトトオフすることによって、図６に示されているように、側面が順テーパー状のパッド電極７、６がえられる。

本実施例１においては、パッド電極７、６に含まれる最上部の金属層７ｃ、６ｃのみがリフトオフ法によって形成されるので、参考例１の場合に比べて、レジスト層上の金属層の蒸着時間が短くなり、蒸着中におけるレジスト層の温度上昇を抑えることができる。これによって、熱によるレジストの硬化や変質を抑えることができるので、後工程のリフトオフの所要時間を短縮することが可能となる。

本実施例１のパッド電極７、６の形成後、参考例１の場合と同様に、ウエハの上面の全域に、絶縁性保護膜としてのＳｉＯ_x膜が１００〜３００ｎｍの厚さにＣＶＤ法で堆積される。この絶縁性保護膜としては、ＳｉＮ_x膜を堆積してもよい。

絶縁性保護膜上にはレジスト層が堆積され、ｐ側パッド電極７の上面の一部とｎ側パッド電極６の上面の一部とを露出するように、レジストパターンがフォトリソグラフィで形成される。そして、バッファードフッ酸を用いてエッチングを行ってパッド電極７、６上のＳｉＯ_x膜を除去し、その後にレジストパターンの剥離が行われる。こうして、図７に示されているように、各パッド電極７、６の側面と上面の一部がＳｉＯ_x膜の絶縁性保護膜８によって保護され得る。なお、ＳｉＯ_x膜のエッチングは、ＣＦ₄などのガスを用いるドライエッチング法によって行われてもよい。

以上の工程を経たウエハにおいて、ｐ側電極とｎ側電極の組を含んで所望の大きさに分割することによって、図７に示されているような半導体発光素子の複数が得られる。

以上のような本発明によれば、信頼性の高い半導体発光素子を歩留りよく提供することが可能となる。

１サファイア基板、２ｎ型半導体層、３活性層、４ｐ型半導体層、５透光性電極、６、６ａ、６ｂ、６ｃｎ側パッド電極、７、７ａ、７ｂ、７ｃｐ側パッド電極、８絶縁性保護膜、９レジストパターン、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ金属層。

Claims

ｎ型半導体層とｐ型半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との少なくとも一方上に複数の金属層を含む電極を形成する工程を含み、前記電極に含まれる最上部以外の下部金属層がエッチング法によって形成され、前記最上部の金属層はその側面が順テーパ状になるようにリフトオフ法によって形成され、
前記電極の側面と上面の一部とを覆う保護膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。