JP5471882B2 - 半導体素子 - Google Patents
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Description
ここで、特許文献1には、電極層として、下面から、W、Pt、Auの順に積層した積層構造が開示されている。しかし、WとAuの間に厚い金属層があると、外部接続部材を接合する際に半導体素子に衝撃が加わり、パッド電極の剥離が生じやすくなるという問題がある。
また、W層とAu層の間に膜厚が5nm以下のRh層を有することで、RhのAuへの拡散が抑制される。
本発明の半導体素子は、半導体層と、この半導体層上に設けられたパッド電極を備えるものであり、パッド電極は、半導体層側から順に、W層、金属層、Au層が少なくとも積層されたものである。本発明の半導体素子の構造の一例として、図1および図2に示す窒化物半導体素子10が挙げられる。以下、本発明の半導体素子の構造を、図1および図2に示す窒化物半導体素子10を例にして説明する。
基板1は、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる基板材料であればよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。このような基板材料としては、C面、R面、A面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgAl 2O4)のような絶縁性基板、また炭化ケイ素(SiC)、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、および窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。
n型窒化物半導体層2、活性層3、およびp型窒化物半導体層4(適宜まとめて窒化物半導体層2,3,4という)としては、特に限定されるものではないが、例えばInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y<1)等の窒化ガリウム系化合物半導体が好適に用いられる。
n側電極7nはn型窒化物半導体層2に、p側電極5はp型窒化物半導体層4に、それぞれ電気的に接続して外部から電流を供給する。
ここで、窒化物半導体の中でも好適な窒化ガリウム系化合物半導体はp型になり難く、すなわちp型窒化物半導体層4は比較的抵抗が高い傾向がある。そのため、電極をp型窒化物半導体層4上の一部の領域のみで接続すると、窒化物半導体素子10に供給される電流はp型窒化物半導体層4中で広がり難く、発光が面内で不均一になる。したがって、p型窒化物半導体層4の面内全体に均一に電流が流れるように、p側電極5はp型窒化物半導体層4上により広い面積で接続して設ける必要がある。ただし、上面を窒化物半導体素子10の光取り出し面とするため、p側電極5で光取り出し効率を低下させないように、p側電極5は、p型窒化物半導体層4上に直接に、その全面またはそれに近い面積の領域(ほぼ全面)に形成された透光性電極6を備える。そして、p側電極5はさらに透光性電極6上に、ワイヤボンディング等で外部回路に接続するために、ボンディング性の良好なAuを表面に備えるパッド電極(p側パッド電極)7pを備える。p側パッド電極7pは、光を多く遮らない程度に、ボンディングに必要な平面視形状および面積であって、透光性電極6の平面視形状より小さく、内包されるように、すなわち透光性電極6上の一部の領域に形成される。
p側電極5における透光性電極6は導電性酸化物からなる。透光性電極として金属薄膜を用いることもできるが、導電性酸化物は金属薄膜に比べて透光性に優れるため、窒化物半導体素子10を発光効率の高い発光素子とすることができる。導電性酸化物としては、Zn,In,Sn,Mgからなる群から選択された少なくとも一種を含む酸化物、具体的にはZnO,In2O3,SnO2,ITOが挙げられる。特にITOは可視光(可視領域)において高い光透過性を有し、また導電率の比較的高い材料であることから好適に用いることができる。
透光性電極6の膜厚は特に限定されるものではないが、シート抵抗が過大とならないように、5000nm以下とすることが好ましく、100〜1000nm程度とすることがより好ましい。透光性電極6の形状は、一体の矩形等のp型窒化物半導体層4の平面視形状に合わせた形状でもよいが、例えば、格子状、メッシュ形状、ドット状、ストライプ形状、網目状等にパターン形成することで、光の取り出し効率を向上させてもよい。
本実施形態に係る窒化物半導体素子10において、n側パッド電極7nとp側パッド電極7pとは同じ積層構造であり、適宜まとめてパッド電極7と称する。図2に示すように、パッド電極7は、一般的なものと同様に、外部からワイヤを接続させるためのAu層(ボンディング層)75を最上層(最上面)に備える構成である。そして、本発明の実施形態の一例として、ここでは透光性電極6の上面に、Ti層71、Rh層72、W層73、Rh層(金属層(バリア層)74)、Au層75の順に積層された構造を有している。
これらの層71,72,73,74,75は蒸着法、スパッタ法等の公知の方法によって成膜することができ、また連続的に形成して積層することが好ましい。また、パッド電極7(7n,7p)の平面視形状は特に限定するものではなく、リフトオフ法、フォトリソグラフィを用いたエッチング等により、所望の形状(例えば図1(a)参照)に形成することができる。
具体的には、表1に示すように、Wの標準電極電位が「−0.119V」、Auが「1.52V」であり、その差は「1.639V」と大きいが、例えば、「0.758V」であるRhからなるRh層を間に挟むことで、それぞれ、その差が「0.877V」、「0.762V」となり、差を小さく抑えることができる。なお、その他の金属の標準電極電位は、それぞれ、Cu「0.340V」、Ag「0.799V」、Pd「0.915V」、Ir「1.156V」、Ru「0.249Vor0.68V」である。
ここで、金属層74は、Rhからなることが好ましい。RhはAuへの拡散が少ないため、金属層74の拡散によるAu層75のボンディング性の低下を抑制することができる。
窒化物半導体素子10の製造においては、Au層75にワイヤやバンプ等の外部接続部材を接合するが、その際、パッド電極7に応力が加わるため、金属層74の膜厚が厚いと、パッド電極7と、その下部の部材との間、すなわち、n型窒化物半導体層2とn側パッド電極7nとの間、および、透光性電極6とp側パッド電極7pとの間で剥離が生じやすくなる。これは、パッド電極7と、n型窒化物半導体層2および透光性電極6とは、基本的に材質自体が大きく異なるため、ワイヤボンディング等での衝撃により、これらの間での結合が弱まるためである。また、稀にパッド電極を構成する各層間での剥離が生じる場合もある。しかし、金属層74の膜厚を50nm以下とすることによって、外部接続部材を接合する際の不要な応力が金属層74を伝わり、不要な応力をW層73で十分に緩和することができる。そのため、パッド電極7の剥離をより低減することができる。
ここで、さらに金属層74の膜厚は、5nm以下が好ましい。膜厚を5nm以下とすれば、さらにパッド電極7の剥離が起きにくくなる。特に金属層74がRuからなる場合には、パッド電極7の剥離をほとんど抑制することが可能となる。すなわち、金属層74は、Rhで構成するとともに膜厚を5nm以下とすることが好ましい。
なお、これらの層71,72,73,74,75の厚さは、例えば、スパッタリング装置による成膜条件により調整すればよい。
保護層9は、窒化物半導体素子10における窒化物半導体層2,3,4の露出した表面(上面および側壁)や透光性電極6の表面等を被覆して、窒化物半導体素子10の保護膜および帯電防止膜とする。具体的にはパッド電極7n,7pの上面の周縁部を除いた領域をボンディングのための領域(パッド部)とし、このパッド部の領域を除いた全表面に保護層9が形成される。保護層9は透光性の絶縁膜であるSi,Ti,Ta等の酸化物からなり、蒸着法、スパッタ法等の公知の方法によって成膜することができ、その膜厚は特に限定するものではないが、100〜1000nmとすることが好ましい。
本発明に係る半導体素子のパッド電極の製造方法について、前記実施形態に係る窒化物半導体素子の製造も含めて、一例を説明する。
以下の方法により、図1に示す構造の窒化物半導体素子を作製した。ただし、保護層は設けなかった。
3インチφのサファイア(C面)からなる基板上に、MOVPE反応装置にて、バッファ層、n型窒化物半導体層、活性層、p型窒化物半導体層を構成するそれぞれの窒化物半導体を順次成長させた。窒化物半導体の各層を成長させた基板(以下、ウェハという)を、MOVPE反応装置の処理室にて窒素雰囲気として、600℃のアニールを行った。
なお、パッド構造が「Ti/Rh/W/Rh/Au(左から順に積層、以下同じ)」および「Ti/Rh/W/Ir/Au」のものについては、W層とAu層の間のRh層およびIr層の膜厚を、それぞれ5nm、50nm、100nmと変化させた。
パッド構造(電極構造)として、表2に示す「Ti/Rh/W/Au」のサンプルと、「Ti/Rh/W/Rh/Au(W層とAu層の間のRh層は、5nm)」のサンプルについて、121℃、湿度100%、2atm、100時間の条件でPCTを行った。そして、PCT後の外観を光学顕微鏡により観察し(上面観察)、光学顕微鏡のCCDカメラで撮影した。なお、サンプルは、各素子に分割せずにウェハ状態としたものを用い、ウェハ状態で試験を行なった。
この観察画像を図3に示す。
図3に示すように、「Ti/Rh/W/Au」のサンプルでは、W元素がサンプルから析出しているのに対し、「Ti/Rh/W/Rh/Au」のサンプルでは、W元素の析出を抑制できている。
表2、3に示すパッド構造のサンプルについて、ワイヤボンディング加速試験により、ここでは主にp側パッド電極とITO膜との密着性を確認した。
試験条件は、ワイヤボンディング装置(KAIJO製FB−150DGII)を用いて、φ30μmのAuワイヤをパッド電極にボンディングし、その際にp側パッド電極が下地(ITO膜)から剥がれたサンプル、および、下地から剥れなくてもp側パッド電極を構成する各層間で剥離が発生したサンプルの個数を測定した。そして、剥れ率が60%以下であれば、従来に比べて、電極の剥離を抑制できているものとした。
パッド構造と剥れ率の関係を、表2、3に示す。なお、表2、3において、剥れ率は小数点以下2桁目を四捨五入した値である。
また、表3に示すように、「Ti/Rh/W/Ir/Au」のサンプル(No.7〜9)においては、W層とAu層の間のIr層の膜厚が50nm(No.8)では、剥れ率が57.0%であった。さらにW層とAu層の間のIr層の膜厚が5nm(No.7)では、剥れ率が49.2%であった。
1 基板
2 n型窒化物半導体層
3 活性層
4 p型窒化物半導体層
5 p側電極
6 透光性電極
7p p側パッド電極
7n n側電極(n側パッド電極)
7 パッド電極
71 Ti層
72 Rh層
73 W層
74 金属層
75 Au層
8 下地層
9 保護層
Claims (6)
- 半導体層と、前記半導体層上に設けられたパッド電極と、を備える半導体素子であって、
前記パッド電極は、前記半導体層側から順に、W層、Rh層、Au層が少なくとも積層されており、
前記Rh層の膜厚は、5nm以下であることを特徴とする半導体素子。 - 前記W層の膜厚は、30〜100nmであることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記Au層の膜厚は、100〜1000nmであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体素子。
- 前記パッド電極は、前記半導体層側から順に、Ti層、Rh層、前記W層、前記Rh層、前記Au層が積層されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の半導体素子。
- 前記半導体層は、n型窒化物半導体層と、前記n型窒化物半導体層の一部の領域上に積層されたp型窒化物半導体層と、を有し、
前記p型窒化物半導体層上には透光性電極を有しており、
前記パッド電極は、前記n型窒化物半導体層の他の領域上と、前記透光性電極上と、に設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体素子。 - 前記透光性電極は、Zn,In,Sn,Mgからなる群から選択された少なくとも一種を含む酸化物であることを特徴とする請求項5に記載の半導体素子。
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