JP6331204B2 - Semiconductor device and ultraviolet light emitting element - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイス及び紫外線発光素子に関し、より詳細には、AlGaN層と、AlGaN層の表面上に形成された電極と、を備える半導体デバイス及び紫外線発光素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and an ultraviolet light emitting element, and more particularly to a semiconductor device and an ultraviolet light emitting element including an AlGaN layer and an electrode formed on the surface of the AlGaN layer.
III族窒化物半導体を利用した半導体デバイスとしては、発光ダイオードに代表される発光デバイス、高電子移動度トランジスタに代表される電子デバイス等が各所で研究開発されている。また、最近では、高効率白色照明、殺菌、医療、環境汚染物質を高速で処理する用途等の分野で、III族窒化物半導体を用いた紫外発光デバイスに大きな期待が集まっている。 As semiconductor devices using group III nitride semiconductors, light emitting devices typified by light emitting diodes, electronic devices typified by high electron mobility transistors, and the like have been researched and developed in various places. Recently, high expectations have been placed on ultraviolet light emitting devices using group III nitride semiconductors in fields such as high-efficiency white illumination, sterilization, medical treatment, and applications for treating environmental pollutants at high speed.
従来、半導体デバイスとしては、n型層と発光層とp型層との積層膜がメサ構造(mesa structure)を有し、n型層の露出表面に設けられたn電極と、p型層の表面側に設けられたp電極とを備えた紫外半導体発光素子が知られている(例えば、文献1[日本国特許出願公開番号2014−96460])。 Conventionally, as a semiconductor device, a laminated film of an n-type layer, a light emitting layer, and a p-type layer has a mesa structure, an n-electrode provided on an exposed surface of the n-type layer, and a p-type layer An ultraviolet semiconductor light emitting device including a p-electrode provided on the surface side is known (for example, Document 1 [Japanese Patent Application Publication No. 2014-96460]).
文献1に記載された紫外半導体発光素子は、n型層が、n型AlzGa1-zN(0<z≦1)層により構成されている。In the ultraviolet semiconductor light emitting device described in Document 1, the n-type layer is composed of an n-type Al z Ga 1 -z N (0 <z ≦ 1) layer.
AlGaN層と、AlGaN層上に形成された電極と、を備えた半導体デバイスでは、AlGaN層におけるAlの組成比が高くなるほど、耐湿性の向上が望まれている。 In a semiconductor device including an AlGaN layer and an electrode formed on the AlGaN layer, improvement in moisture resistance is desired as the Al composition ratio in the AlGaN layer increases.
本発明の目的は、耐湿性の向上を図ることが可能な半導体デバイス及び紫外線発光素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device and an ultraviolet light emitting element capable of improving moisture resistance.
本発明に係る一態様の半導体デバイスは、AlGaN層と、電極と、絶縁膜と、パッシベーション膜と、を備える。前記電極は、前記AlGaN層の表面上に形成されたコンタクト電極と、前記コンタクト電極の表面側に形成されたパッド電極と、を備える。前記絶縁膜は、前記コンタクト電極における前記AlGaN層との接触領域を囲むように前記AlGaN層の前記表面上に形成されている。前記パッシベーション膜は、少なくとも前記パッド電極上に形成され、かつ、前記パッド電極の中央部を露出させる開口部が形成されている。前記電極は、平面視において、前記パッド電極が前記コンタクト電極と前記絶縁膜とに跨って形成されている。前記電極は、前記パッド電極よりも下に、前記コンタクト電極の前記表面側に形成されており平面視で前記開口部を包含するAl層を備える。 A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes an AlGaN layer, an electrode, an insulating film, and a passivation film. The electrode includes a contact electrode formed on the surface of the AlGaN layer and a pad electrode formed on the surface side of the contact electrode. The insulating film is formed on the surface of the AlGaN layer so as to surround a contact region of the contact electrode with the AlGaN layer. The passivation film is formed on at least the pad electrode, and an opening that exposes the central portion of the pad electrode is formed. In the electrode, the pad electrode is formed across the contact electrode and the insulating film in a plan view. The electrode includes an Al layer formed on the surface side of the contact electrode below the pad electrode and including the opening in a plan view.
本発明に係る一態様の紫外線発光素子は、基板と、前記基板の一面側に形成され前記一面側から順にn型窒化物半導体層、発光層及びp型窒化物半導体層を有する窒化物半導体層と、前記p型窒化物半導体層の表面上に形成された正電極と、前記n型窒化物半導体層のうち露出した表面に形成された負電極と、絶縁膜と、パッシベーション膜と、を備える。前記発光層は、紫外線の波長域に発光波長を有する光を放射するように構成されている。前記正電極は、前記p型窒化物半導体層の表面上に形成された第1コンタクト電極と、前記第1コンタクト電極の表面側に形成された第1パッド電極と、を備える。前記負電極は、前記n型窒化物半導体層におけるAlGaN層の表面上に形成された第2コンタクト電極と、前記第2コンタクト電極の表面側に形成された第2パッド電極と、を備える。前記絶縁膜は、前記p型窒化物半導体層の表面上及び前記AlGaN層の表面上に形成され、かつ、前記第1コンタクト電極を露出させる第1コンタクト孔及び第2コンタクト電極を露出させる第2コンタクト孔が形成されている。前記パッシベーション膜は、少なくとも前記第2パッド電極上に形成され、かつ、前記第2パッド電極の中央部を露出させる開口部が形成されている。前記負電極は、平面視において、前記第2パッド電極が第2コンタクト電極と前記絶縁膜とに跨って形成されている。前記負電極は、前記第2パッド電極よりも下に、前記第2コンタクト電極の前記表面側に形成されており平面視で前記開口部を包含するAl層を備える。 An ultraviolet light-emitting device according to an aspect of the present invention includes a substrate, and a nitride semiconductor layer formed on one surface side of the substrate and having an n-type nitride semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer in that order from the one surface side. A positive electrode formed on the surface of the p-type nitride semiconductor layer, a negative electrode formed on an exposed surface of the n-type nitride semiconductor layer, an insulating film, and a passivation film. . The light emitting layer is configured to emit light having a light emission wavelength in the ultraviolet wavelength range. The positive electrode includes a first contact electrode formed on the surface of the p-type nitride semiconductor layer and a first pad electrode formed on the surface side of the first contact electrode. The negative electrode includes a second contact electrode formed on the surface of the AlGaN layer in the n-type nitride semiconductor layer, and a second pad electrode formed on the surface side of the second contact electrode. The insulating film is formed on a surface of the p-type nitride semiconductor layer and a surface of the AlGaN layer, and a second contact hole exposing the first contact electrode and a second contact electrode is exposed. Contact holes are formed. The passivation film is formed on at least the second pad electrode, and an opening for exposing a central portion of the second pad electrode is formed. In the negative electrode, the second pad electrode is formed across the second contact electrode and the insulating film in plan view. The negative electrode includes an Al layer that is formed on the surface side of the second contact electrode below the second pad electrode and includes the opening in a plan view.
下記の実施形態において説明する各図は、模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。 Each figure described in the following embodiment is a schematic diagram, and the ratio of each size and thickness of each component does not necessarily reflect an actual dimensional ratio. In addition, the materials, numerical values, and the like described in the embodiments are merely preferable examples and are not intended to be limited thereto. Furthermore, the present invention can be appropriately modified in configuration without departing from the scope of its technical idea.
(実施形態)
以下では、本実施形態の半導体デバイス100について図1〜5に基づいて説明する。なお、図1は、図2のX−X概略断面図である。(Embodiment)
Below, the
半導体デバイス100は、AlGaN層31と、電極90と、絶縁膜10と、パッシベーション膜11と、を備える。電極90は、AlGaN層31の表面31a上に形成されたコンタクト電極91と、コンタクト電極91の表面側に形成されたパッド電極92と、を備える。絶縁膜10は、コンタクト電極91におけるAlGaN層31との接触領域を囲むようにAlGaN層31の表面31a上に形成されている。パッシベーション膜11は、絶縁膜10とパッド電極92の端部とを覆うように形成され、かつ、パッド電極92の中央部を露出させる開口部13が形成されている。電極90は、平面視において、パッド電極92がコンタクト電極91と絶縁膜10とに跨って形成されている。電極90は、パッド電極92よりも下に、平面視で開口部13を包含するAl層93を備える。これにより、半導体デバイス100は、耐湿性の向上を図ることが可能となる。「パッド電極92よりも下に」とは、AlGaN層31の厚さ方向に沿った方向においてパッド電極92よりもAlGaN層31に近い位置にあることを意味する。要するに、パッド電極92とAlGaN層31との間に、開口部13の開口サイズと比べて平面サイズが大きなAl層93を備える。「平面視で開口部13を包含するAl層93」とは、Al層93の、AlGaN層31の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域(すなわち、AlGaN層31の厚さ方向に直交する面への垂直投影領域)内に、開口部13を包含することを意味する。
The
本実施形態の半導体デバイス100は、紫外線発光素子である。より詳細には、半導体デバイス100は、AlGaN層31を少なくとも有するn型窒化物半導体層3と、n型窒化物半導体層3上に形成され紫外線の波長域(紫外波長域)に発光波長を有する光を放射する発光層4と、発光層4上に形成されたp型窒化物半導体層5と、を備える。これにより、半導体デバイス100は、紫外線発光素子を構成することができる。よって、本実施形態の半導体デバイス100である紫外線発光素子は、耐湿性の向上を図ることが可能となる。
The
半導体デバイス100は、基板1と、基板1の一面(以下、「第1面」ともいう。)1a側に形成され第1面1a側から順にn型窒化物半導体層3、発光層4及びp型窒化物半導体層5を有する窒化物半導体層20と、を備える。また、半導体デバイス100は、p型窒化物半導体層5の表面5a上に形成された正電極8と、n型窒化物半導体層3のうち露出した表面3aに形成された負電極9と、を備える。n型窒化物半導体層3のうち露出した表面3aとは、窒化物半導体層20の一部をp型窒化物半導体層5の表面5a側からn型窒化物半導体層3の深さ方向の途中まで除去することで露出した表面を意味する。半導体デバイス100は、n型窒化物半導体層3のうち露出した表面3aが、AlGaN層31の表面31aにより構成され、負電極9が、電極90により構成されている。
The
半導体デバイス100は、上述のように、窒化物半導体層20が、基板1の第1面1a側に形成されている。半導体デバイス100は、基板1の第1面1aとは反対側の第2面1bが光取り出し面を構成しているのが好ましい。
In the
半導体デバイス100のチップサイズ(chip size)は、400μm□(400μm×400μm)に設定してあるが、これに限らない。半導体デバイス100が紫外線発光素子の場合、チップサイズは、例えば、200μm□(200μm×200μm)〜1mm□(1mm×1mm)程度の範囲で適宜設定することができる。また、半導体デバイス100の平面形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等でもよい。半導体デバイス100の平面形状が、長方形状の場合、半導体デバイス100のチップサイズは、例えば、500μm×240μmとすることができる。
The chip size of the
半導体デバイス100の各構成要素については、以下に詳細に説明する。
Each component of the
半導体デバイス100は、例えば、210nm〜280nmの紫外波長域に発光波長(発光ピーク波長)を有する紫外線発光ダイオードとすることができる。これにより、半導体デバイス100は、例えば、高効率白色照明、殺菌、医療、環境汚染物質を高速で処理する用途等の分野で、利用することができる。半導体デバイス100は、紫外線発光ダイオードのような紫外線発光素子の場合、UV−Cの波長域に発光波長を有するのが好ましい。UV−Cの波長域は、例えば国際照明委員会(CIE)における紫外線の波長による分類によれば、100nm〜280nmである。「発光ピーク波長」は、室温(27℃)での主発光ピーク波長である。
The
基板1は、例えば、第1面1aが(0001)面のサファイア基板により構成することができる。つまり、基板1は、c面サファイア基板(α−Al2O3基板)により構成することができる。また、サファイア基板は、(0001)面からのオフ角が、0〜0.4°であるのが好ましい。The substrate 1 can be constituted by, for example, a sapphire substrate whose
半導体デバイス100は、基板1とn型窒化物半導体層3との間に、バッファ層(buffer layer)2を備えているのが好ましい。要するに、半導体デバイス100は、基板1の第1面1a上にバッファ層2が形成されており、n型窒化物半導体層3が、バッファ層2上に形成されているのが好ましい。バッファ層2は、AlyGa1-yN(0≦y≦1)層により構成されている。バッファ層2は、AlN層により構成されているのが好ましい。The
バッファ層2は、貫通転位を減少させることを目的として設けた層である。バッファ層2は、厚さが薄すぎると貫通転位の減少が不十分となりやすく、厚さが厚すぎると格子不整合に起因したクラックが発生したり、複数個の半導体デバイス100を形成するウェハの反りが大きくなり過ぎる要因となる可能性がある。このため、バッファ層2の厚さは、例えば、500nm〜10μm程度の範囲で設定するのが好ましく、1μm〜5μmの範囲で設定するのが、より好ましい。バッファ層2の厚さは、一例として4μmに設定してある。
The
n型窒化物半導体層3は、発光層4へ電子を輸送するための層である。n型窒化物半導体層3は、例えば、n型のAlGaN層31により構成することができる。n型窒化物半導体層3を構成するn型のAlGaN層31の組成比は、発光層4で発光する紫外線を効率良く放出できるように設定するのが好ましい。例えば、発光層4が障壁層と井戸層とで構成される量子井戸構造を有し、井戸層のAlの組成比が0.5、障壁層のAlの組成比が0.7の場合、n型のAlGaN層31のAlの組成比は、障壁層のAlの組成比と同じ0.7とすることができる。すなわち、発光層4の井戸層がAl0.5Ga0.5N層により構成され、障壁層がAl0.7Ga0.3N層により構成される場合、n型窒化物半導体層3は、例えば、n型Al0.7Ga0.3N層により構成することができる。n型窒化物半導体層3のAlの組成比は、障壁層のAlの組成比と同じである場合に限らず、異なっていてもよい。また、n型窒化物半導体層3は、単層膜に限らず、例えば、互いにAlの組成比の異なる複数のn型AlGaN層を積層した多層膜により構成してもよい。n型窒化物半導体層3の厚さは、一例として2μmに設定してある。n型窒化物半導体層3のドナー不純物としては、例えば、Siが好ましい。また、n型窒化物半導体層3の電子濃度は、例えば、1×1018〜1×1019cm-3程度の範囲で設定すればよい。The n-type
発光層4は、注入されたキャリア(ここでは、電子と正孔)を光に変換する層である。言い換えれば、発光層4は、注入された2種類のキャリア(電子、正孔)の再結合により紫外線を放射する層である。発光層4は、量子井戸構造を有しているのが好ましい。発光層4は、量子井戸構造の井戸層が、AlaGa1-aN(0<a<1)層により構成され、量子井戸構造の障壁層が、AlbGa1-bN(0<b≦1、b>a)層により構成されているのが好ましい。AlaGa1-aN(0<a<1)層からなる井戸層を備えた発光層4は、井戸層のAlの組成比aを変化させることにより、発光波長を210nm〜360nmの範囲で任意の発光波長に設定することが可能である。例えば、所望の発光波長が265nm付近である場合には、Alの組成比aを0.50に設定すればよい。発光層4は、量子井戸構造の井戸層が、InAlGaN層により構成されていてもよい。The
量子井戸構造は、多重量子井戸構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。発光層4は、井戸層の厚さが厚すぎると、井戸層に注入された電子及び正孔が、量子井戸構造における格子不整合に起因するピエゾ電界(piezoelectric field)に起因して、空間的に分離してしまい、発光効率が低下してしまうと推考される。また、発光層4は、井戸層の厚さが薄すぎる場合、キャリアの閉じ込め効果が低下し、発光効率が低下してしまうと推考される。このため、井戸層の厚さは、例えば、1nm〜5nm程度が好ましく、1.3nm〜3nm程度が、より好ましい。また、障壁層の厚さは、例えば、5nm〜15nm程度の範囲で設定することが好ましい。半導体デバイス100では、一例として、井戸層の厚さを2nmに設定し、障壁層の厚さを10nmに設定してある。半導体デバイス100は、発光層4が量子井戸構造を有した構成に限らず、例えば、単層の発光層4がn型窒化物半導体層3とp型窒化物半導体層5とで挟まれたダブルヘテロ構造(double heterostructure)でもよい。
The quantum well structure may be a multiple quantum well structure or a single quantum well structure. If the thickness of the well layer is too large, the light-emitting
p型窒化物半導体層5は、少なくともp型AlGaN層52を有している。p型窒化物半導体層5は、例えば、電子ブロック層(electron block layer)51と、p型AlGaN層52と、p型コンタクト層53と、を備えるのが好ましい。
The p-type
電子ブロック層51は、発光層4とp型AlGaN層52との間に設けるのが好ましい。電子ブロック層51は、発光層4へ注入された電子のうち、発光層4中で正孔と再結合されなかった電子が、p型AlGaN層52側へ漏れる(オーバーフローする)のを抑制するために、発光層4とp型AlGaN層52との間に好適に設けることができる。電子ブロック層51は、p型AlcGa1-cN(0<c<1)層により構成することができる。p型AlcGa1-cN(0<c<1)層のAlの組成比cは、例えば、0.9とすることができる。p型AlcGa1-cN(0<c<1)層の組成比は、電子ブロック層51のバンドギャップエネルギが、p型AlGaN層52もしくは障壁層のバンドギャップエネルギよりも高くなるように設定するのが好ましい。電子ブロック層51の厚さは、一例として30nmに設定してある。電子ブロック層51は、厚さが薄すぎるとオーバーフローを抑制する効果が減少し、厚さが厚すぎると半導体デバイス100の抵抗が大きくなる要因となる可能性がある。電子ブロック層51の厚さについては、Alの組成比cや正孔濃度等の値によって適した厚さが変化するので、一概には言えないが、1nm〜50nmの範囲で設定することが好ましく、5nm〜25nmの範囲で設定することが、より好ましい。電子ブロック層51のアクセプタ不純物としては、例えば、Mgが好ましい。The
p型AlGaN層52は、発光層4へ正孔を輸送するための層である。p型AlGaN層52は、p型AldGa1-dN(0<d<1)層により構成してあるのが好ましい。p型AldGa1-dN(0<d<1)層の組成比は、発光層4で発光する紫外線の吸収を抑制できるように設定するのが好ましい。例えば、発光層4における井戸層のAlの組成比が0.5、障壁層のAlの組成比bが0.7の場合、p型AldGa1-dN(0<d<1)層のAlの組成比dは、例えば、障壁層のAlの組成比bと同じ0.7とすることができる。すなわち、発光層4の井戸層がAl0.5Ga0.5N層からなる場合、p型AlGaN層52は、例えば、p型Al0.7Ga0.3N層により構成することができる。p型AlGaN層52のAlの組成比は、障壁層のAlの組成比bと同じである場合に限らず、異なっていてもよい。p型AlGaN層52のアクセプタ不純物としては、例えば、Mgが好ましい。The p-
p型AlGaN層52の正孔濃度は、p型AlGaN層52の膜質が劣化しない正孔濃度の範囲において、より高い濃度のほうが好ましい。しかしながら、半導体デバイス100は、p型AlGaN層52の正孔濃度がn型窒化物半導体層3の電子濃度よりも低いので、p型AlGaN層52の厚さが、厚すぎると、半導体デバイス100の抵抗が大きくなりすぎる。このため、p型AlGaN層52の厚さは、200nm以下が好ましく、100nm以下が、より好ましい。なお、半導体デバイス100では、一例として、p型AlGaN層52の厚さを50nmに設定してある。
The hole concentration of the p-
半導体デバイス100は、p型AlGaN層52上にp型コンタクト層53を好適に備えた構成とすることができる。
The
p型コンタクト層53は、正電極8との接触抵抗を下げ、正電極8との良好なオーミック接触を得るために設けてある。p型コンタクト層53は、p型GaN層により構成してあるのが好ましい。p型コンタクト層53を構成するp型GaN層の正孔濃度は、p型AlGaN層52よりも高濃度とすることが好ましく、例えば、7×1017cm-3程度とすることにより、正電極8との良好なオーミック接触を得ることが可能である。ただし、p型GaN層の正孔濃度は、正電極8との良好なオーミック接触が得られる正孔濃度の範囲で適宜変更してもよい。p型コンタクト層53の厚さは、200nmに設定してあるが、これに限らず、例えば、50nm〜300nmの範囲で設定すればよい。The p-
半導体デバイス100は、上述のように、窒化物半導体層20が、バッファ層2、n型窒化物半導体層3、発光層4及びp型窒化物半導体層5を備えた構成とすることができる。窒化物半導体層20は、バッファ層2、発光層4、電子ブロック層51及びp型コンタクト層53について、適宜設ければよい。窒化物半導体層20は、エピタキシャル成長法により形成することができる。エピタキシャル成長法は、例えば、MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)法、HVPE(hydride vapor phase epitaxy)法、MBE(molecular beam epitaxy)法等を採用できる。なお、窒化物半導体層20は、この窒化物半導体層20を形成する際に不可避的に混入されるH、C、O、Si、Fe等の不純物が存在してもよい。
As described above, the
半導体デバイス100は、窒化物半導体層20の一部を、窒化物半導体層20の表面20a側からn型窒化物半導体層3の途中までエッチングすることで除去してある。これにより、半導体デバイス100は、n型窒化物半導体層3の表面3aを露出させている。要するに、半導体デバイス100は、窒化物半導体層20の一部をエッチングすることで形成されたメサ構造22を有している。そして、半導体デバイス100は、窒化物半導体層20の表面20a上に正電極8が形成され、n型窒化物半導体層3の表面3a上に負電極9が形成されている。半導体デバイス100は、窒化物半導体層20がp型コンタクト層53を備えている場合、p型コンタクト層53の表面53aが、窒化物半導体層20の表面20aを構成する。
The
正電極8は、p型窒化物半導体層5と電気的に接続されている。正電極8は、p型コンタクト層53を介してp型AlGaN層52と電気的に接続されているのが好ましい。正電極8は、p型窒化物半導体層5の表面5a上に形成されたコンタクト電極81(以下、「第1コンタクト電極81」ともいう。)と、コンタクト電極81の表面側に形成されたパッド電極82(以下、「第1パッド電極82」ともいう。)と、を備える。第1パッド電極82は、平面視において、第1コンタクト電極81と絶縁膜10とに跨って形成されている。
The
第1コンタクト電極81は、p型窒化物半導体層5の厚さ方向においてp型窒化物半導体層5から離れるにつれて断面積が徐々に小さくなる形状に形成されているのが好ましい。より詳細には、第1コンタクト電極81は、側面をテーパ形状とすることで、p型窒化物半導体層5の厚さ方向においてp型窒化物半導体層5から離れるにつれて断面積が徐々に小さくなる形状に形成されているのが好ましい。第1パッド電極82は、側面がテーパ形状であるのが好ましい。
第1コンタクト電極81は、p型窒化物半導体層5とオーミック接触を得るために、p型コンタクト層53の表面53a上に形成されているコンタクト用電極である。第1コンタクト電極81は、一例として、Ni膜とAu膜との積層膜(以下、「第1積層膜」ともいう。)をp型窒化物半導体層5の表面5a上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。第1積層膜は、一例として、Ni膜の厚さを30nm、Au膜の厚さを200nmに設定してある。
The
第1パッド電極82は、外部接続用電極である。言い換えれば、第1パッド電極82は、実装用電極である。より詳細には、第1パッド電極82は、半導体デバイス100をパッケージ(package)や配線基板等に実装するときに、導電性のワイヤ(wire)、導電性のバンプ(bump)等が接合される。導電性のワイヤとしては、例えば、Auワイヤ等が採用される。導電性のバンプとしては、例えば、Auバンプ等が採用される。第1パッド電極82は、Au層により構成されているのが好ましい。第1パッド電極82を構成するAu層の厚さは、一例として、1300nmに設定してある。
The
正電極8は、第1パッド電極82よりも下に、平面視で第1開口部12を包含するAl層83を備えているのが好ましい。Al層83の厚さは、一例として、250nmに設定してある。
The
正電極8は、第1パッド電極82がAu層により構成され、第1パッド電極82とAl層83との間に介在する上部バリアメタル層84を備えるのが好ましい。上部バリアメタル層84の材料は、Tiを採用しているが、これに限らず、例えば、Ta、Niでもよい。上部バリアメタル層84の厚さは、一例として、100nmに設定してある。
The
また、正電極8は、Al層83と第1コンタクト電極81との間に介在する下部バリアメタル層85を備えるのが好ましい。下部バリアメタル層85の材料は、Tiを採用しているが、これに限らず、例えば、Ta、Niでもよい。下部バリアメタル層85の厚さは、一例として、100nmに設定してある。
The
正電極8については、後述の半導体デバイス100の製造方法について説明した後で更に説明する。
The
負電極9は、n型窒化物半導体層3と電気的に接続されている。負電極9は、上述のように、電極90により構成されている。よって、負電極9は、n型窒化物半導体層3の露出した表面3a上に形成されたコンタクト電極91(以下、「第2コンタクト電極91」ともいう。)と、第2コンタクト電極91の表面側に形成されたパッド電極92(以下、「第2パッド電極92」ともいう。)と、を備える。第2パッド電極92は、平面視において、第2コンタクト電極91と絶縁膜10とに跨って形成されている。
第2コンタクト電極91は、n型窒化物半導体層3の厚さ方向においてn型窒化物半導体層3から離れるにつれて断面積が徐々に小さくなる形状に形成されているのが好ましい。より詳細には、第2コンタクト電極91は、側面をテーパ形状とすることで、n型窒化物半導体層3の厚さ方向においてn型窒化物半導体層3から離れるにつれて断面積が徐々に小さくなる形状に形成されているのが好ましい。第2パッド電極92は、側面がテーパ形状であるのが好ましい。
第2コンタクト電極91は、n型窒化物半導体層3とオーミック接触を得るために、n型窒化物半導体層3の表面3a上に形成されているコンタクト用電極である。第2コンタクト電極91は、一例として、Al膜とNi膜とAl膜とNi膜とAu膜との積層膜(以下、「第2積層膜」ともいう。)をn型窒化物半導体層3の表面3a上に形成してから、アニール処理を行い、徐冷を行うことにより形成されている。第2積層膜は、Al膜、Ni膜、Al膜、Ni膜及びAu膜の厚さを、それぞれ、200nm、30nm、200nm、30nm及び200nmに設定してある。
The
第2コンタクト電極91は、NiとAlとを主成分とする凝固組織により構成されている。よって、半導体デバイス100は、n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91との接触抵抗の低減を図ることが可能となる。凝固組織とは、溶融金属が固体に変態する結果生成した結晶組織を意味する。言い換えれば、凝固組織は、NiとAlとを含む溶融金属が凝固することにより形成された溶融凝固組織である。NiとAlとを主成分とする凝固組織は、例えば、不純物としてAu及びNを含んでいてもよい。
The
凝固組織は、図3に示すように、n型窒化物半導体層3の表面3aに接する複数のNi初晶9aと、n型窒化物半導体層3の表面3aに接するAlNi共晶9bと、が混在している。よって、半導体デバイス100は、n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91との接触抵抗の低減を図れ、かつ、第2コンタクト電極91のシート抵抗(sheet resistance)の低減を図ることが可能となる。AlNi共晶9bは、Alの組成比が96〜97at%程度であるから、Niに比べてAlがリッチなAlリッチ(Al-rich)の組織である。第2コンタクト電極91を構成している凝固組織は、複数のNi初晶9aが主として接触抵抗の低減に寄与し、AlNi共晶9bが主としてシート抵抗の低減に寄与している、と推考される。Ni初晶9aは、例えば、不純物としてAuとNとを含んでいるのが好ましい。Ni初晶9aが不純物としてNを含んでいる理由としては、Ni初晶9aが結晶成長するときにn型窒化物半導体層3から一部のNを引き抜いて固溶する推定メカニズムが考えられる。AlNi共晶9bは、例えば、不純物としてAuを含んでいてもよい。なお、半導体デバイス100は、仮に推定メカニズムが別であってもよい。
As shown in FIG. 3, the solidified structure includes a plurality of Ni
第2コンタクト電極91における複数のNi初晶9aは、下記の条件を満たすNi初晶9aを含んでいるのが好ましい。
The plurality of Ni
条件:第2コンタクト電極91の厚さ方向の全長に亘って形成され、第2コンタクト電極91の一面内方向においてn型窒化物半導体層3に接する連続領域の幅が、第2コンタクト電極91の厚さよりも大きい。
Condition: The width of the continuous region formed over the entire length of the
これにより、半導体デバイス100は、Ni初晶9aとn型窒化物半導体層3の表面3aとの接触抵抗の更なる低減を図ることが可能となる。
Thereby, the
Ni初晶9aは、樹枝状結晶であり、n型窒化物半導体層3の厚さ方向に直交する断面形状が、樹枝状である、のが好ましい。これにより、半導体デバイス100は、Ni初晶9aとn型窒化物半導体層3の表面3aとの接触面積を増加させることが可能となり、接触抵抗の更なる低減することが可能となる。なお、Ni初晶9aの、n型窒化物半導体層3の厚さ方向に直交する断面形状は、図4及び5に示す樹枝状の形状と略同じである。
The Ni
半導体デバイス100は、n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91との接触抵抗の低減を図ることにより、半導体デバイス100の動作電圧を低減することが可能となり、また、発光輝度の向上を図ることが可能となる。
In the
なお、上記のように第2コンタクト電極91を、NiとAlとを主成分とするように作製することは、あくまでも一例であり、Ti等を成分とする別の材料で第2コンタクト電極91を構成してもよい。
In addition, as described above, the
半導体デバイス100は、n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91との接触が、オーミック接触であるのが好ましい。ここで、オーミック接触とは、n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91との接触のなかで、印加電圧の方向により生じる電流の整流性のない接触を意味する。オーミック接触は、電流−電圧特性が略線形であるのが好ましく、線形であるのがより好ましい。また、オーミック接触は、接触抵抗がより小さいのが好ましい。n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91との接触では、n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91との界面を通過する電流が、ショットキー障壁(schottky barrier)を乗り越える熱電子放出電流とショットキー障壁を透過するトンネル電流(tunnel current)との和であると考えられる。このため、n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91との接触では、トンネル電流が支配的な場合、近似的にオーミック接触が実現していると考えられる。
In the
第2パッド電極92は、外部接続用電極である。言い換えれば、第2パッド電極92は、実装用電極である。より詳細には、第2パッド電極92は、半導体デバイス100をパッケージや配線基板等に実装するときに、導電性のワイヤ、導電性のバンプ等が接合される。第2パッド電極92は、Au層により構成されているのが好ましい。第2パッド電極92を構成するAu層の厚さは、一例として、1300nmに設定してある。
The
負電極9は、第2パッド電極92よりも下に、平面視で第2開口部13を包含するAl層93を備えている。Al層93の厚さは、一例として、250nmに設定してある。
The
負電極9は、第2パッド電極92がAu層により構成され、第2パッド電極92とAl層93との間に介在する上部バリアメタル層94を備えるのが好ましい。上部バリアメタル層94の材料は、Tiを採用しているが、これに限らず、例えば、TaやNiでもよい。上部バリアメタル層94の厚さは、一例として、100nmに設定してある。
The
また、負電極9は、Al層93と第2コンタクト電極91との間に介在する下部バリアメタル層95を備えるのが好ましい。下部バリアメタル層95の材料は、Tiを採用しているが、これに限らず、例えば、Ta、Niでもよい。下部バリアメタル層95の厚さは、一例として、100nmに設定してある。
The
負電極9については、後述の半導体デバイス100の製造方法について説明した後で更に説明する。
The
絶縁膜10は、メサ構造22の上面22a(窒化物半導体層20の表面20a)の一部とメサ構造22の側面22cとn型窒化物半導体層3の表面3aの一部とに跨って形成されているのが好ましい。絶縁膜10は、電気絶縁性を有する膜である。絶縁膜10の材料としては、SiO2が好ましい。要するに、絶縁膜10は、シリコン酸化膜であるのが好ましい。絶縁膜10の材料は、SiO2に限らず、例えば、Si3N4、Al2O3、TiO2、Ta2O5、ZrO2、Y2O3、CeO2、Nb2O5等を採用することもできる。絶縁膜10の厚さは、一例として、1μmに設定してある。絶縁膜10は、例えば、CVD(chemical vapor deposition)法、蒸着法、スパッタ法等により形成することができる。絶縁膜10は、単層膜に限らず、多層膜により構成してもよい。絶縁膜10として設ける多層膜は、発光層4で発生した光(紫外線)を反射させるための誘電体多層膜により構成してもよい。The insulating
絶縁膜10は、第1コンタクト電極81を露出させるコンタクト孔10a(以下、「第1コンタクト孔10a」ともいう。)と、第2コンタクト電極91を露出させるコンタクト孔10b(以下、「第2コンタクト孔10b」ともいう。)と、を有する。
The insulating
第1コンタクト孔10aは、p型窒化物半導体層5の厚さ方向においてp型窒化物半導体層5から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されているのが好ましい。より詳細には、第1コンタクト孔10aは、内側面がテーパ形状に形成されることで、p型窒化物半導体層5の厚さ方向においてp型窒化物半導体層5から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されているのが好ましい。半導体デバイス100は、平面視において第1コンタクト孔10aが、第1コンタクト電極81よりも大きく、第1コンタクト孔10aの内側面と第1コンタクト電極81の側面とが離れているのが好ましい。
The
第2コンタクト孔10bは、n型窒化物半導体層3の厚さ方向においてn型窒化物半導体層3から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されているのが好ましい。より詳細には、第2コンタクト孔10bは、内側面がテーパ形状に形成されることで、n型窒化物半導体層3の厚さ方向においてn型窒化物半導体層3から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されているのが好ましい。半導体デバイス100は、平面視において第2コンタクト孔10bが、第2コンタクト電極91よりも大きく、第2コンタクト孔10bの内側面と第2コンタクト電極91の側面とが離れているのが好ましい。
The
パッシベーション膜11は、第1パッド電極82の端部と第2パッド電極92の端部と絶縁膜10とを覆うように形成されている。より詳細には、パッシベーション膜11は、第1パッド電極82の表面及び側面と、第2パッド電極92の表面及び側面と、絶縁膜10と、を覆うように形成されており、かつ、第1パッド電極82の中央部(第1パッド電極82の表面の中央部)を露出させる開口部12(以下、「第1開口部12」ともいう。)と、第2パッド電極92の中央部(第2パッド電極92の表面の中央部)を露出させる開口部13(以下、「第2開口部13」ともいう。)と、が形成されている。上述の説明から明らかなように、パッシベーション膜11は、少なくともパッド電極92(第2パッド電極92)上に形成され、かつ、パッド電極92(第2パッド電極92)の中央部を露出させる開口部13が形成されている。パッシベーション膜11は、半導体デバイス100における最表層に設けられて、湿度等の外気によるデバイス特性の劣化を抑制するための保護膜である。より詳細には、パッシベーション膜11は、少なくとも、パッド電極92、コンタクト電極91及びAlGaN層31それぞれの機能を保護することで半導体デバイス100のデバイス特性の劣化を抑制するための保護膜である。
The
第1開口部12は、内側面がテーパ形状に形成されることで、p型窒化物半導体層5の厚さ方向においてp型窒化物半導体層5から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されているのが好ましい。
The
第2開口部13は、内側面がテーパ形状に形成されることで、n型窒化物半導体層3の厚さ方向においてn型窒化物半導体層3から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されているのが好ましい。
The
パッシベーション膜11は、例えば、シリコン窒化膜であるのが好ましい。これにより、パッシベーション膜11は、シリコン酸化膜よりも水分の透過性を小さくすることが可能となり、耐湿性を高くすることが可能となる。パッシベーション膜11は、電気絶縁性を有する。パッシベーション膜11は、プラズマCVD法により成膜するのが好ましい。これにより、半導体デバイス100は、パッシベーション膜11が蒸着法やスパッタ法により形成する場合に比べて、パッシベーション膜11の段差被覆性や、パッシベーション膜11の緻密性を向上させることが可能となる。また、半導体デバイス100は、パッシベーション膜11をプラズマCVD法により成膜する場合、Al層93の材料であるアルミニウムの融点に比べて十分に低い温度でパッシベーション膜11を成膜することができる。
The
半導体デバイス100は、パッシベーション膜11と第1パッド電極82の端部との間に密着層14aが介在しているのが好ましい。また、半導体デバイス100は、パッシベーション膜11と第2パッド電極92との間に密着層14bが介在しているのが好ましい。
In the
密着層14a及び14bは、それぞれ、第1パッド電極82及び第2パッド電極92に比べてパッシベーション膜11との密着性の良い層である。密着層14a及び14bの材料は、Ti、Cr、Nb、Zr、TiN及びTaNの群から選択される1種であるのが好ましい。
The adhesion layers 14a and 14b are layers having better adhesion to the
以下では、半導体デバイス100の製造方法の一例について詳述する。
Below, an example of the manufacturing method of the
(1)ウェハの準備
ウェハは、円板状の基板である。半導体デバイス100における基板1がサファイア基板の場合、ウェハ(wafer)としては、サファイアウェハを採用することができる。ウェハは、オリエンテーションフラット(orientation flat)が形成されているのが好ましい。ウェハの厚みは、例えば、数100μm〜数mmであるのが好ましく、200μm〜1mmであるのがより好ましい。ウェハの直径は、例えば、50.8mm〜150mmであるのが好ましい。(1) Preparation of wafer The wafer is a disk-shaped substrate. When the substrate 1 in the
ウェハは、例えば、日本電子工業振興協会(JEIDA)や、SEMI(Semiconductor Equipment and Materials International)等の規格を満たすか準拠しているのが好ましい。サファイアウェハに関しては、例えば、SEMI M65−0306で規格化されている化合物半導体エピタキシャルウェハに使用するサファイア基板の仕様を満たすか準じているのが好ましい。また、サファイアウェハは、第1面が、基板1の第1面1aに対応する。サファイアウェハの第1面としては、例えば、c面、m面、a面、R面等を採用することができ、c面である(0001)面が好ましい。また、サファイアウェハの第1面は、(0001)面からのオフ角が、0〜0.4°であるのが好ましい。
The wafer preferably satisfies or conforms to standards such as Japan Electronics Industry Promotion Association (JEIDA) and SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International). As for the sapphire wafer, it is preferable that the specification of the sapphire substrate used for the compound semiconductor epitaxial wafer standardized by SEMI M65-0306 is satisfied. The first surface of the sapphire wafer corresponds to the
(2)ウェハの第1面上に窒化物半導体層20を積層する工程
この工程では、窒化物半導体層20をエピタキシャル成長法により形成する。(2) Step of laminating
この工程では、窒化物半導体層20のエピタキシャル成長法として、MOVPE法を採用している。この工程では、MOVPE法として、減圧MOVPE法を採用するのが好ましい。
In this step, the MOVPE method is adopted as an epitaxial growth method of the
Alの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム(TMAl)を採用するのが好ましい。また、Gaの原料ガスとしては、トリメチルガリウム(TMGa)を採用するのが好ましい。Nの原料ガスとしては、NH3を採用するのが好ましい。n型導電性を付与する不純物であるSiの原料ガスとしては、テトラエチルシラン(TESi)を採用するのが好ましい。p型導電性に寄与する不純物であるMgの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を採用するのが好ましい。各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、H2ガスを採用することが好ましい。Trimethylaluminum (TMAl) is preferably employed as the Al source gas. Further, it is preferable to employ trimethyl gallium (TMGa) as the Ga source gas. As the N source gas, NH 3 is preferably employed. It is preferable to employ tetraethylsilane (TESi) as a source gas of Si that is an impurity imparting n-type conductivity. It is preferable to employ biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) as a source gas for Mg, which is an impurity contributing to p-type conductivity. For example, H 2 gas is preferably used as the carrier gas of each source gas.
各原料ガスは、特に限定するものではなく、例えば、Gaの原料ガスとしてトリエチルガリウム(TEGa)、Nの原料ガスとしてヒドラジン誘導体、Siの原料ガスとしてモノシラン(SiH4)を用いてもよい。Each source gas is not particularly limited. For example, triethylgallium (TEGa) may be used as a Ga source gas, a hydrazine derivative may be used as a N source gas, and monosilane (SiH 4 ) may be used as a Si source gas.
窒化物半導体層20の成長条件は、基板温度、V/III比、各原料ガスの供給量、成長圧力等を適宜設定すればよい。
The growth conditions of the
窒化物半導体層20のエピタキシャル成長法は、MOVPE法に限らず、例えば、MBE法、HVPE法等でもよい。
The epitaxial growth method of the
(3)p型不純物を活性化するためのアニールを行う工程
この工程は、アニール装置のアニール炉内において所定のアニール温度で所定のアニール時間だけ保持することにより、p型窒化物半導体層5のp型不純物を活性化する工程である。より詳細には、電子ブロック層51、p型AlGaN層52及びp型コンタクト層53のp型不純物を活性化する工程である。アニール条件は、アニール温度を600〜800℃、アニール時間を10〜50分に設定してあるが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。アニール装置としては、例えば、ランプアニール装置(lamp annealing apparatus)、電気炉アニール装置等を採用することができる。(3) Step of performing annealing for activating p-type impurities This step is performed by holding the p-type
(4)メサ構造22を形成する工程
この工程では、窒化物半導体層20のうちメサ構造22の上面22a(窒化物半導体層20の表面20a)に対応する領域上に、フォトリソグラフィ技術を利用して、第1のレジスト層を形成する。そして、この工程では、第1のレジスト層をマスクとして、窒化物半導体層20の一部を表面20a側からn型窒化物半導体層3の途中までエッチングすることによって、メサ構造22を形成する。更に、この工程では、第1のレジスト層を除去する。窒化物半導体層20のエッチングは、例えば、ドライエッチング装置を用いて行うのが好ましい。ドライエッチング装置としては、例えば、誘導結合プラズマエッチング装置(inductively coupled plasma etching system)が好ましい。(4) Step of forming
(5)絶縁膜10を形成する工程
この工程では、ウェハの第1面側の全面に、絶縁膜10の基礎となるシリコン酸化膜を例えばPECVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition)法により成膜する。そして、この工程では、ウェハの第1面側において、シリコン酸化膜に第1コンタクト孔10a及び第2コンタクト孔10bが開口されるように、シリコン酸化膜をパターニングすることで絶縁膜10を形成する。なお、シリコン酸化膜の成膜方法は、PECVD法に限らず、例えば、他のCVD法等でもよい。シリコン酸化膜のパターニングは、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して行う。(5) Step of Forming Insulating
(6)負電極9における第2コンタクト電極91を形成する工程
この工程では、まず、ウェハの第1面側に、負電極9の形成予定領域のみ(つまり、n型窒化物半導体層3の露出した表面3aの一部)が露出するようにパターニングされた第2のレジスト層を形成する第1ステップを行う。そして、この工程では、n型窒化物半導体層3の表面3a上に、表面3aに近い側から順にAl膜とNi膜とAl膜とNi膜とAu膜とが積層された多層膜を蒸着法により成膜する第2ステップを行う。蒸着法は、電子ビーム蒸着法が好ましい。積層膜の成膜方法は、蒸着法に限らず、例えば、スパッタ法等でもよい。そして、この工程では、リフトオフ(lift off)を行うことにより、第2のレジスト層及び第2のレジスト層上の不要膜を除去する第3ステップを行う。更に、この工程では、アニール処理を行い、徐冷を行うことにより第2コンタクト電極91を形成する第4ステップを行う。アニール処理は、N2ガス雰囲気中でのRTA(Rapid Thermal Annealing)が好ましい。(6) Step of Forming
RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を650℃、アニール時間を1分とすればよい。アニール温度は、AlNiの共晶点(640℃)以上の温度が好ましく、700℃以下の温度が好ましい。アニール温度は、n型窒化物半導体層3のAlの組成比に基づいて適宜変更してもよい。アニール時間は、例えば、30秒〜3分程度の範囲で設定するのが好ましい。共晶点とは、液状の共晶混合物が同じ組成の固相を作りだすときの凝固する温度を意味する。
The RTA treatment conditions may be, for example, an annealing temperature of 650 ° C. and an annealing time of 1 minute. The annealing temperature is preferably a temperature equal to or higher than the eutectic point (640 ° C.) of AlNi, and preferably 700 ° C. or lower. The annealing temperature may be appropriately changed based on the Al composition ratio of the n-type
徐冷を行うとは、徐々に冷却することを意味する。徐冷を行うときの冷却速度は、例えば、30℃/minとすればよい。冷却速度は、30℃/minに限らず、例えば、20〜60℃/minの範囲で適宜設定するのが好ましい。 Performing slow cooling means gradually cooling. The cooling rate when performing slow cooling may be, for example, 30 ° C./min. The cooling rate is not limited to 30 ° C./min, and is preferably set as appropriate in the range of 20 to 60 ° C./min, for example.
この工程では、赤外線アニール装置によりアニール処理を行うのが好ましい。赤外線アニール装置としては、加熱源である赤外線ランプと、ワーク(work)を入れる石英製の炉と、炉内の圧力を調整する圧力調整装置である真空ポンプと、を備えている。赤外線アニール装置は、赤外線ランプ(infrared lamp)としてハロゲンランプ(halogen lamp)を用いたハロゲンランプアニール装置が好ましい。ここで、ワークは、ウェハにメサ構造22を有する窒化物半導体層20が形成され、n型窒化物半導体層3の露出した表面3aに多層膜が形成されたウェハ状の構造物である。ハロゲンランプアニール装置では、徐冷を行うとき、炉内に流すN2ガスの流量を調整することにより冷却速度を変えることができる。In this step, it is preferable to perform an annealing process using an infrared annealing apparatus. The infrared annealing apparatus includes an infrared lamp as a heating source, a quartz furnace for storing a work, and a vacuum pump as a pressure adjusting apparatus for adjusting the pressure in the furnace. The infrared annealing apparatus is preferably a halogen lamp annealing apparatus using a halogen lamp as an infrared lamp. Here, the workpiece is a wafer-like structure in which a
本願発明者らは、この工程でのアニール処理及び徐冷を行うことで、第2コンタクト電極91が形成される推定メカニズムについて次のように考えた。なお、半導体デバイス100の製造方法は、仮に推定メカニズムが別であってもよい。
The inventors of the present application have considered the following presumed mechanism for forming the
この工程では、アニール処理することで多層膜が溶融し、徐冷を行うときに、まずNi初晶9aが析出し、その後、AlNiの共晶組織が凝固する(AlNi共晶9bが形成される)。これにより、この工程では、NiとAlとを主成分とする凝固組織により構成される第2コンタクト電極91を形成することができる。より詳細には、この工程では、複数のNi初晶9aとAlNi共晶9bとを含む凝固組織により構成される第2コンタクト電極91を形成することが可能となる。ここで、Ni初晶9aは、不純物としてAuを含んでいる。より詳細には、Ni初晶9aは、微量(ppmレベル)のAuを不純物として含んでいるが、99%以上がNiである。Ni初晶9aは、等方向に成長しない(言い換えれば、方向によって成長速度が異なる)ので、樹枝状に成長する。また、AlNi共晶9bは、不純物としてAuを含んでいる。第2コンタクト電極91は、アニール処理のときにn型窒化物半導体層3から解離したNがNiに固溶することで、不純物準位を形成するので、トンネル効果によりn型窒化物半導体層3との接触抵抗を低減することが可能になると推考される。言い換えれば、第2コンタクト電極91がn型窒化物半導体層3から一部の窒素を引き抜き抜くことで、n型窒化物半導体層3と第2コンタクト電極91とのオーミック接触を実現させることができるものと推考される。よって、Ni初晶9aは、不純物としてNを含んでいる。
In this step, when annealing is performed, the multilayer film is melted and gradually cooled, so that the Ni
アニール処理では、多層膜において、まずAl膜が溶融し、その後、Al膜の間のNi膜が溶融し、その後、Al膜とAu膜との間のNi膜が溶融し、その後、Au膜が溶融する、と推考される。よって、Au膜は、アニール処理前にNiが大気中の酸素により酸化するのを抑制したり、炉内の残留酸素によりNiが酸化するのを抑制する、保護膜としての機能を有する。これにより、半導体デバイス100の製造方法では、Niの酸化による高融点化を防ぐことが可能となる。要するに、半導体デバイス100の製造方法では、第2コンタクト電極91を形成する工程におけるアニール温度の低温化を図ることが可能となる。
In the annealing process, in the multilayer film, the Al film is first melted, then the Ni film between the Al films is melted, then the Ni film between the Al film and the Au film is melted, and then the Au film is It is assumed that it melts. Therefore, the Au film has a function as a protective film that suppresses Ni from being oxidized by oxygen in the atmosphere before annealing, or suppresses Ni from being oxidized by residual oxygen in the furnace. Thereby, in the manufacturing method of the
(7)正電極8における第1コンタクト電極81を形成する工程
この工程では、p型窒化物半導体層5の表面5a上に第1コンタクト電極81を形成する。(7) Step of Forming
より詳細には、この工程では、まず、ウェハの第1面側における正電極8の形成予定領域のみ(ここでは、p型コンタクト層53の表面53aの一部)が露出するようにパターニングされた第3のレジスト層を形成する。そして、この工程では、例えば厚さが30nmのNi膜と厚さが200nmのAu膜との積層膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、リフトオフを行うことにより、第3のレジスト層及び第3のレジスト層上の不要膜を除去する。更に、この工程では、第1コンタクト電極81とp型窒化物半導体層5との接触がオーミック接触となるように、N2ガス雰囲気中でRTA処理を行う。RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を500℃、アニール時間を15分とすればよい。More specifically, in this step, first, patterning is performed so that only the region where the
(8)正電極8及び負電極9を完成する工程
この工程では、フォトリソグラフィ技術および薄膜形成技術を利用して、下部バリアメタル層85、95と、Al層83、93と、上部バリアメタル層84、94と、第1パッド電極82、第2パッド電極92と、を形成する。薄膜形成技術としては、例えば、蒸着法等を採用することができる。蒸着法は、電子ビーム蒸着法が好ましい。(8) Step of completing the
Al層83は、平面視で第1コンタクト孔10aを包含する大きさに形成する。「平面視で第1コンタクト孔10aを包含する」とは、Al層83の、p型窒化物半導体層5の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域内に、第1コンタクト孔10aを包含することを意味する。また、Al層93は、平面視で第2コンタクト孔10bを包含する大きさに形成する。「平面視で第2コンタクト孔10bを包含する」とは、Al層93の、AlGaN層31の厚さ方向に投影方向が沿った垂直投影領域内に、第2コンタクト孔10bを包含することを意味する。
The
(9)パッシベーション膜11を形成する工程
この工程では、ウェハの第1面側の全面に、パッシベーション膜11の基礎となるシリコン窒化膜を例えばプラズマCVD法により成膜する。そして、この工程では、ウェハの第1面側において、シリコン窒化膜に第1開口部12及び第2開口部13が開口されるように、シリコン窒化膜をパターニングすることでパッシベーション膜11を形成する。なお、シリコン窒化膜の成膜方法は、プラズマCVD法に限らず、例えば、他のCVD法等でもよい。シリコン酸化膜のパターニングは、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して行う。(9) Step of Forming
(10)割溝を形成する工程
この工程では、ウェハのパッシベーション膜11の表面側からウェハの厚み方向の途中まで到達する割溝を形成する。この工程では、レーザ加工機を用いたアブレーション加工(ablation processing)により割溝を形成することが好ましい。アブレーション加工とは、アブレーションが起こるような照射条件でのレーザ加工を意味する。(10) Step of forming a split groove In this step, a split groove reaching from the surface side of the
(11)ウェハを研磨する工程
この工程では、ウェハを第1面とは反対の第2面側から研磨することで、ウェハを基板1の所定の厚さに相当する厚さまで薄くする。ウェハの研磨にあたっては、研削工程、ラッピング(lapping)工程を順次行うのが好ましい。(11) Step of Polishing Wafer In this step, the wafer is polished from the second surface side opposite to the first surface, thereby reducing the wafer to a thickness corresponding to the predetermined thickness of the substrate 1. In polishing the wafer, it is preferable to sequentially perform a grinding process and a lapping process.
半導体デバイス100の製造方法では、この工程が終了することにより、半導体デバイス100が複数形成されたウェハが完成する。要するに、半導体デバイス100の製造方法では、上述の(1)〜(11)の工程を順次行うことにより、半導体デバイス100が複数形成されたウェハが完成する。
In the manufacturing method of the
(12)半導体デバイス100が複数形成されたウェハから個々の半導体デバイス100に分割する工程
この工程は、ダイシング工程であり、半導体デバイス100が複数形成されたウェハをダイシングソー(dicing saw)等によって裁断することで、個々の半導体デバイス100に分割する。(12) A process of dividing a wafer in which a plurality of
以上説明した本実施形態の半導体デバイス100の製造方法では、耐湿性の向上を図ることが可能な半導体デバイス100を比較的簡単に製造することが可能となる。また、本実施形態の半導体デバイス100の製造方法では、n型窒化物半導体層3と負電極9との接触抵抗の低減を図ることが可能な半導体デバイス100を比較的簡単に製造することが可能となる。以下では、接触抵抗の低減について説明してから、耐湿性について説明する。
In the manufacturing method of the
半導体デバイス100の製造方法では、エッチングによりメサ構造22を形成した場合、n型窒化物半導体層3の表面3aが、荒れている。すなわち、n型窒化物半導体層3の表面3aは、ランダムな凹凸構造を有している。このため、多層膜を蒸着等により形成しただけでは、多層膜とn型窒化物半導体層3の表面3aとの物理的な接触に関して、十分な接触が得られないことが考えられる。このため、第2コンタクト電極91の元になる多層膜を溶融しない温度でアニールした場合には、第2コンタクト電極91とn型窒化物半導体層3との接触抵抗の低減を図ることが難しいと推考される。しかし、本実施形態の半導体デバイス100の製造方法では、多層膜を一度溶融させてからNi初晶9aを析出させAlNi共晶を凝固させているので、第2コンタクト電極91とn型窒化物半導体層3の表面3aとを隙間なく接触させることが可能となる。これにより、本実施形態の半導体デバイス100の製造方法では、Niがn型窒化物半導体層3内のNと反応しやすくなるので、接触抵抗の低減を図ることが可能となる。
In the method for manufacturing the
また、Niは、Tiに比べて仕事関数が高いので、n型窒化物半導体層3に接しただけではAlよりも抵抗が高くなる。しかしながら、本実施形態の半導体デバイス100の製造方法では、多層膜を溶融させることにより、Niがn型窒化物半導体層3内のNと反応し、Nを固溶するので、接触抵抗を低減することが可能となる。
Further, since Ni has a higher work function than Ti, the resistance is higher than that of Al only by contacting the n-type
また、AlNi共晶は、AlTi共晶よりも共晶点が約20℃低く、Alの組成比が共晶組成におけるAlの組成比からずれたときの融点の変化量が少ない。よって、本実施形態の半導体デバイス100の製造方法では、ロット(lot)ごとに半導体デバイス100の負電極9の電気的特性がばらつくのを抑制することが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。
Further, the AlNi eutectic has a eutectic point lower by about 20 ° C. than the AlTi eutectic, and the amount of change in the melting point when the Al composition ratio deviates from the Al composition ratio in the eutectic composition is small. Therefore, in the manufacturing method of the
更に、半導体デバイス100の製造方法では、複数のNi初晶9aが、下記の条件を満たすNi初晶9aa(図3参照)を含んだ構成の第2コンタクト電極91を実現することが可能となる。
Furthermore, in the manufacturing method of the
条件:第2コンタクト電極91の厚さ方向の全長に亘って形成され、第2コンタクト電極91の一面内方向においてn型窒化物半導体層3に接する連続領域の幅W1(図3参照)が、第2コンタクト電極91の厚さH1(図3参照)よりも大きい。
Condition: The width W1 (see FIG. 3) of the continuous region formed over the entire length of the
n型窒化物半導体層3の表面3aに第2コンタクト電極91を形成するにあたっては、n型窒化物半導体層3の表面3a上に、Al膜とNi膜とが交互に積層され一番上のNi膜上にAu膜が積層された多層膜を形成する。その後、半導体デバイス100の製造方法では、640℃以上700℃以下のアニール温度でのアニール処理により多層膜を溶融させ、徐冷を行うことで第2コンタクト電極91を形成する。これにより、半導体デバイス100の製造方法では、NiとAlとを主成分とする凝固組織により構成されている第2コンタクト電極91を形成することが可能となる。よって、半導体デバイス100の製造方法では、n型窒化物半導体層3と負電極9との接触抵抗の低減を図ることが可能な半導体デバイス100を製造することが可能となる。多層膜におけるAl膜とNi膜との積層構造の繰り返し数は、2以上であれば任意である。
In forming the
半導体デバイス100の製造方法では、徐冷を行うときの冷却速度を、20〜60℃/minとするのが好ましい。これにより、半導体デバイス100の製造方法では、n型窒化物半導体層3の表面3aに接する複数のNi初晶9aとAlNi共晶9bとが混在する凝固組織を形成することが可能となる。半導体デバイス100の製造方法では、冷却速度を20℃/minよりも遅くすると、各Ni初晶9aのサイズが小さくなり、各Ni初晶9aとn型窒化物半導体層3の表面3aとの接触面積が減少してしまう。よって、半導体デバイス100の製造方法では、接触抵抗を低減する観点から、徐冷を行うときの冷却速度を20℃/min以上とするのが好ましい。半導体デバイス100の製造方法では、冷却速度を60℃/minよりも速くすると、複数のNi初晶9aとAlNi共晶9bとが混在する凝固組織が形成されにくくなってアモルファス化する傾向がある。よって、半導体デバイス100の製造方法では、接触抵抗を低減する観点から、徐冷を行うときの冷却速度を20℃/min以上60℃/min以下とするのが好ましい。
In the manufacturing method of the
以上説明した本実施形態の半導体デバイス100における第2コンタクト電極91は、上述のようにNiとAlとを主成分とする凝固組織により構成されている。これにより、半導体デバイス100は、n型窒化物半導体層3と負電極9との接触抵抗の低減を図ることが可能となる。接触抵抗は、例えば、TLM法(Transfer length method)により測定することができる。TLM法による接触抵抗の測定は、例えば、半導体パラメータアナライザ(ヒューレット・パッカード社のHP4155A)を用いて、評価用サンプルに対して行うことができる。評価用サンプルは、n型窒化物半導体層3の表面3a上に第2コンタクト電極91と同じ仕様の評価用電極を複数設けたサンプルである。同じ仕様とは、材料、厚さが同じであることを意味する。
As described above, the
ところで、文献2[国際公開番号WO2012/039442]には、n型AlxGa1-xN層上に形成したn電極(Ti/Al/Ti/Au)とn型AlxGa1-xN層との接触抵抗と熱処理温度の関係を、測定した結果が示されている。文献2には、この関係を、n型AlxGa1-xN層のAlNモル分率xが、0、0.25、0.4及び0.6の4通りについて測定した結果が示されている。文献2には、発光波長が短くなると、つまり、AlNモル分率xが大きくなると、更に高温での熱処理が必要となる旨が記載されている。文献2では、AlNモル分率xが、0.6の場合、熱処理温度が950℃程度のときに接触抵抗が最低値となり、接触抵抗の最低値が、1×10-2Ω・cm2程度である。By the way, Document 2 [International Publication No. WO2012 / 039442] describes an n-electrode (Ti / Al / Ti / Au) formed on an n - type Al x Ga 1-x N layer and an n-type Al x Ga 1-x N. The result of measuring the relationship between the contact resistance with the layer and the heat treatment temperature is shown.
これに対し、半導体デバイス100は、Alの組成比がより高いn型Al0.7Ga0.3N層により構成されたn型窒化物半導体層3と負電極9との接触抵抗を、5×10-3Ωcm2程度とすることができる。なお、半導体デバイス100は、Alの組成比が高くなるにつれて接触抵抗が高くなる傾向にある。On the other hand, the
ところで、本願発明者らは、耐湿性の向上を図ることが可能な半導体デバイス100を開発する研究段階で、第1例の半導体デバイス、第2例の半導体デバイスを作製して耐湿性の評価を行った。第1例の半導体デバイスは、半導体デバイス100と略同じで、第1コンタクト電極81上に第1パッド電極82を直接形成しかつ第2コンタクト電極91上に第2パッド電極92を直接形成した紫外線発光ダイオードである。第2例の半導体デバイスは、半導体デバイス100と略同じで、第1コンタクト電極81と第1パッド電極82との間にTi層のみを介在させ、かつ、第2コンタクト電極91と第2パッド電極92との間にTi層のみを介在させた紫外線発光ダイオードである。
By the way, in the research stage of developing the
本願発明者らは、まず、第1例の半導体デバイスの耐湿性を評価するために、高温高湿通電試験を行い、電気的特性の評価、光学顕微鏡、SEM(scanning electron microscope)による外観検査等を行った。高温高湿通電試験では、温度を60℃、相対湿度を80RH%、通電電流を20mA、連続通電時間を2000時間とした。そして、本願発明者らは、第1例の半導体デバイスにおいては、耐湿性の更なる向上が必要であるという知見を得た。より詳細には、本願発明者らは、高温高湿通電試験の途中で第1例の半導体デバイスに、不具合が発生してしまうことがあるという知見を得た。不具合は、オープン不良、AlGaN層31における負電極9直下の領域の腐食、第2パッド電極92の端部の破損、パッシベーション膜11における第2パッド電極92の端部の破損箇所上の部位の破損、等である。AlGaN層31おける負電極9直下の領域の腐食とは、AlGaN層31おける第2コンタクト電極91直下の領域の酸化を意味し、Al2O3が形成されることを意味する。また、本願発明者らは、第1例の半導体デバイスでは、上述の不具合が発生した場合でも、p型GaN層からなるp型コンタクト層53の腐食や第1パッド電極82の端部の破損は発生しないという知見を得た。In order to evaluate the moisture resistance of the semiconductor device of the first example, the inventors of the present application firstly conducted a high-temperature and high-humidity energization test, an evaluation of electrical characteristics, an optical microscope, an appearance inspection using a scanning electron microscope (SEM), and the like. Went. In the high-temperature and high-humidity energization test, the temperature was 60 ° C., the relative humidity was 80 RH%, the energization current was 20 mA, and the continuous energization time was 2000 hours. The inventors of the present application have found that the semiconductor device of the first example needs further improvement in moisture resistance. More specifically, the inventors of the present application have found that a defect may occur in the semiconductor device of the first example during the high temperature and high humidity current test. Problems include open defects, corrosion of the area immediately below the
本願発明者らは、第1例の半導体デバイスにおいて上述の不具合が発生するメカニズムについて下記の推定メカニズムを考えた。 The inventors of the present application have considered the following estimation mechanism for the mechanism in which the above-described problems occur in the semiconductor device of the first example.
第1例の半導体デバイスでは、パッシベーション膜11におけるピンホール(pinhole)、クラック等の欠陥から浸入した水分が、パッド電極92を構成するAu層の結晶粒界や、ピンホール、クラック等の欠陥を通してAlGaN層31の表面31aへ到達する。このとき、第1例の半導体デバイスでは、電流が流れてAlGaN層31中に正孔(h+)が生成されていれば、AlGaN層31中のAlNに起因してAlGaN層31の表面31a付近で下記の電気化学反応が起こる。In the semiconductor device of the first example, moisture that has entered from defects such as pinholes and cracks in the
2AlN+6h+→2Al3++N2
2Al3++6OH-→Al2O3+3H2O
要するに、第1例の半導体デバイスでは、AlGaN層31の表面31a付近でN2が発生し、また、酸化反応によりAl2O3が形成され電気絶縁化及び体積膨張が生じる。これにより、第1例の半導体デバイスでは、AlGaN層31における負電極9直下の領域の腐食、第2パッド電極92の端部の破損、パッシベーション膜11における第2パッド電極92の端部の破損個所上の部位の破損、等が生じる。また、第1例の半導体デバイスでは、Al2O3が形成されると、AlGaN層31における電流経路が変化するので、電気絶縁化される領域が広がり、AlGaN層31における負電極9直下の領域が電気絶縁化して電流が流れなくなるオープン不良が発生する。2AlN + 6h + → 2Al 3+ + N 2
2Al 3+ + 6OH − → Al 2 O 3 + 3H 2 O
In short, in the semiconductor device of the first example, N 2 is generated in the vicinity of the
次に、本願発明者らは、第2例の半導体デバイスと実施形態の半導体デバイス100の耐湿性を評価するために、高温高湿通電試験を行い、電気的特性の評価、光学顕微鏡、SEMによる外観検査等を行った。そして、本願発明者らは、第1例の半導体デバイス及び第2例の半導体デバイスにおいては、耐湿性の更なる向上が必要であるのに対して、実施形態の半導体デバイス100では、第1例の半導体デバイス及び第2例の半導体デバイスに比べて耐湿性を向上できるという知見を得た。より詳細には、第1例の半導体デバイス及び第2例の半導体デバイスでは、高温高湿通電試験の途中で上述の不具合が発生したのに対して、実施形態の半導体デバイス100では、高温高湿通電試験を行っても上述の不具合が発生しなかった。
Next, in order to evaluate the moisture resistance of the semiconductor device of the second example and the
以上説明した本実施形態の半導体デバイス100は、上述のように、AlGaN層31と、電極90と、絶縁膜10と、パッシベーション膜11と、を備える。電極90は、AlGaN層31の表面31a上に形成されたコンタクト電極91と、コンタクト電極91の表面側に形成されたパッド電極92と、を備える。絶縁膜10は、コンタクト電極91におけるAlGaN層31との接触領域を囲むようにAlGaN層31の表面31a上に形成されている。パッシベーション膜11は、絶縁膜10とパッド電極92の端部とを覆うように形成され、かつ、パッド電極92の中央部を露出させる開口部13が形成されている。電極90は、平面視において、パッド電極92がコンタクト電極91と絶縁膜10とに跨って形成されている。電極90は、パッド電極92よりも下に、平面視で開口部13を包含するAl層93を備える。したがって、半導体デバイス100は、耐湿性の向上を図ることが可能となる。
The
また、半導体デバイス100は、Al層93を備えていることにより、第2パッド電極92にバンプやワイヤを接合するときの衝撃をAl層93により緩和することが可能となり、第2パッド電極92にクラックが発生するのを抑制することが可能となる。
In addition, since the
半導体デバイス100は、AlGaN層31を少なくとも有するn型窒化物半導体層3と、n型窒化物半導体層3上に形成され紫外線の波長域に発光波長を有する光を放射する発光層4と、発光層4上に形成されたp型窒化物半導体層5と、を備えるのが好ましい一形態である。これにより、半導体デバイス100は、紫外線発光素子の発光波長の短波長化を図りながらも、耐湿性を向上させることが可能となる。AlGaN層31は、AlxGa1-xN(0.4<x<1)層であるのが好ましい。これにより、半導体デバイス100は、紫外線発光素子の発光波長をUV−Cの波長域に設定することが可能となる。The
半導体デバイス100における電極90は、パッド電極92が、Au層により構成されており、パッド電極92とAl層93との間に介在する上部バリアメタル層94を備えるのが好ましい。これにより、半導体デバイス100は、パッド電極92とAl層93の間で拡散が起こるのを抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることが可能となる。
The
この半導体デバイス100において、上部バリアメタル層94の材料は、Ti、Ta及びNiの群から選択される1種であるのが好ましい。これにより、半導体デバイス100は、上部バリアメタル層94とパッド電極92及びAl層93それぞれとの密着性を向上させることが可能となる。
In the
半導体デバイス100における電極90は、Al層93とコンタクト電極91との間に介在する下部バリアメタル層95を備えるのが好ましい一態様である。これにより、半導体デバイス100は、正電極8における第1コンタクト電極81以外の部分と負電極9における第2コンタクト電極91以外の部分とを同時に形成することが可能となる。また、半導体デバイス100は、コンタクト電極91の材料等によってはAl層93とコンタクト電極91と間で拡散が起こるのを抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることが可能となる。
In one preferred embodiment, the
この半導体デバイス100において、下部バリアメタル層95の材料は、Ti、Ta及びNiの群から選択される1種であるのが好ましい。これにより、半導体デバイス100は、下部バリアメタル層95とAl層93及びコンタクト電極91それぞれとの密着性を向上させることが可能となる。
In the
上述の半導体デバイス100は、パッシベーション膜11とパッド電極92の端部との間に介在する密着層14b、を更に備えるのが好ましい。密着層14bは、パッド電極92に比べてパッシベーション膜11との密着性の良い層である。これにより、半導体デバイス100は、耐湿性の更なる向上を図ることが可能となる。
The
この半導体デバイス100においては、絶縁膜10が、シリコン酸化膜であり、パッシベーション膜11が、シリコン窒化膜であり、密着層14bの材料が、Ti、Cr、Nb、Zr、TiN及びTaNの群から選択される1種であるのが好ましい。これにより、半導体デバイス100は、パッシベーション膜がシリコン酸化膜である場合に比べて、耐湿性の向上を図ることが可能となる。
In this
また、紫外線発光素子を構成する半導体デバイス100における正電極8は、第1パッド電極82よりも下に、平面視で第1開口部12を包含するAl層83を備えているのが好ましい。これにより、半導体デバイス100は、例えば、p型コンタクト層53をAlGaN層により構成した場合でも、耐湿性を向上させることが可能となる。
Further, the
また、正電極8は、第1パッド電極82が、Au層により構成されている。正電極8は、第1パッド電極82とAl層83との間に介在する上部バリアメタル層84を備えるのが好ましい一態様である。これにより、半導体デバイス100は、正電極8の上部バリアメタル層84と負電極9の上部バリアメタル層94とを同時に形成することが可能となる。上部バリアメタル層84の材料は、Ti、Ta及びNiの群から選択される1種であるのが好ましい。正電極8は、上部バリアメタル層84を備えていない構成を採用することもできる。半導体デバイス100は、例えば、光出力の更なる高出力を目的としてp型コンタクト層53をp型AlGaN層により構成する場合、正電極8の構造を、負電極9の構造、つまり、電極90の構造、と同じにするのが好ましい一態様である。
Further, in the
以上説明した本実施形態における紫外線発光素子は、基板1と、基板1の一面(第1面)1a側に形成され一面(第1面)1a側から順にn型窒化物半導体層3、発光層4及びp型窒化物半導体層5を有する窒化物半導体層20と、を備える。また、紫外線発光素子は、p型窒化物半導体層5の表面5a上に形成された正電極8と、n型窒化物半導体層3のうち露出した表面3aに形成された負電極9と、を備える。また、紫外線発光素子は、絶縁膜10と、パッシベーション膜11と、を備える。正電極8は、p型窒化物半導体層5の表面5a上に形成された第1コンタクト電極81と、第1コンタクト電極81の表面側に形成された第1パッド電極82と、を備える。負電極9は、n型窒化物半導体層3におけるAlGaN層31の表面31a上に形成された第2コンタクト電極91と、第2コンタクト電極91の表面側に形成された第2パッド電極92と、を備える。絶縁膜10は、p型窒化物半導体層5の表面5a及びAlGaN層31の表面31aに形成されており、第1コンタクト電極81を露出させる第1コンタクト孔10a及び第2コンタクト電極91を露出させる第2コンタクト孔10bが形成されている。パッシベーション膜11は、絶縁膜10と第1パッド電極82の端部と第2パッド電極92の端部とを覆うように形成され、かつ、第1パッド電極82の中央部を露出させる第1開口部12及び第2パッド電極92の中央部を露出させる第2開口部13が形成されている。負電極9は、平面視において、第2パッド電極92が第2コンタクト電極91と絶縁膜10とに跨って形成されている。負電極9は、第2パッド電極92よりも下に、平面視で第2開口部13を包含するAl層93を備える。これにより、紫外線発光素子は、耐湿性を向上させることが可能となる。
The ultraviolet light emitting element in the present embodiment described above is formed on the substrate 1 and the one surface (first surface) 1a side of the substrate 1, and the n-type
図6は、第1変形例の半導体デバイス101の概略断面図である。半導体デバイス101は、半導体デバイス100と基本構成が同じであり、パッシベーション膜11のパターンが相違するだけである。なお、半導体デバイス101に関し、半導体デバイス100と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the
半導体デバイス101におけるパッシベーション膜11は、第2パッド電極92の表面と第2パッド電極92の側面と絶縁膜10の表面における第2パッド電極92の周辺部とを覆うように形成されている。したがって、半導体デバイス101においても、パッシベーション膜11は、少なくとも第2パッド電極92上に形成され、かつ、第2パッド電極92の中央部を露出させる開口部13が形成されている。
The
半導体デバイス101は、半導体デバイス100と比べて、パッシベーション膜11の剥離を、より抑制することが可能となり、耐湿性を更に向上させることが可能となる。
Compared with the
図7は、第2変形例の半導体デバイス102の概略断面図である。半導体デバイス102は、半導体デバイス100と基本構成が同じであり、パッシベーション膜11のパターンが相違するだけである。なお、半導体デバイス102に関し、半導体デバイス100と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the
半導体デバイス102におけるパッシベーション膜11は、第2パッド電極92の上のみに形成され、かつ、第2パッド電極92の中央部を露出させる開口部13が形成されている。
The
半導体デバイス102は、半導体デバイス100及び101と比べて、パッシベーション膜11の剥離を、より抑制することが可能となり、耐湿性を更に向上させることが可能となる。
As compared with the
半導体デバイスは、紫外線発光素子に限らず、例えば、GaN系のHEMT(high electron mobility transistor)でもよい。GaN系のHEMTは、GaN層とAlGaN層とで構成されるヘテロ接合を有し、AlGaN層の表面上に、ドレイン電極と、ソース電極と、ゲート絶縁膜と、が形成され、ゲート絶縁膜上にゲート電極が形成されている。本発明に係る別態様の半導体デバイスであるHEMTでは、上述の絶縁膜10の一部によりゲート絶縁膜を構成することができ、上述の電極90の構造をドレイン電極及びソース電極に適用することができる。
The semiconductor device is not limited to an ultraviolet light emitting element, and may be, for example, a GaN-based HEMT (high electron mobility transistor). A GaN-based HEMT has a heterojunction composed of a GaN layer and an AlGaN layer, and a drain electrode, a source electrode, and a gate insulating film are formed on the surface of the AlGaN layer. A gate electrode is formed on the substrate. In the HEMT that is a semiconductor device according to another aspect of the present invention, a gate insulating film can be formed by a part of the insulating
(本発明に係る態様)
上述の実施形態から明らかなように、本発明に係る第1の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、AlGaN層(31)と、電極(90)と、絶縁膜(10)と、パッシベーション膜(11)と、を備え、前記電極(90)は、前記AlGaN層(31)の表面(31a)上に形成されたコンタクト電極(91)と、前記コンタクト電極(91)の表面側に形成されたパッド電極(92)と、を備え、前記絶縁膜(10)は、前記コンタクト電極(91)における前記AlGaN層(31)との接触領域を囲むように前記AlGaN層(31)の前記表面(31a)上に形成されており、前記パッシベーション膜(11)は、少なくとも前記パッド電極(92)上に形成され、かつ、前記パッド電極(92)の中央部を露出させる開口部(13)が形成されており、前記電極(90)は、平面視において、前記パッド電極(92)が前記コンタクト電極(91)と前記絶縁膜(10)とに跨って形成されており、前記電極(90)は、前記パッド電極(92)よりも下に、平面視で前記開口部(13)を包含するAl層(93)を備える。(Aspect according to the present invention)
As is clear from the above-described embodiment, the semiconductor device (100, 101, 102) according to the first aspect of the present invention includes an AlGaN layer (31), an electrode (90), an insulating film (10), A passivation film (11), and the electrode (90) is formed on the surface (31a) of the AlGaN layer (31) on the surface side of the contact electrode (91) and the contact electrode (91). A pad electrode (92) formed, and the insulating film (10) surrounds a contact region of the contact electrode (91) with the AlGaN layer (31). The passivation film (11) is formed on at least the pad electrode (92), and the central portion of the pad electrode (92) is exposed. The electrode (90) is formed so that the pad electrode (92) is formed across the contact electrode (91) and the insulating film (10) in plan view. The electrode (90) includes an Al layer (93) including the opening (13) in a plan view below the pad electrode (92).
本発明に係る第2の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、第1の態様において、前記AlGaN層(31)を少なくとも有するn型窒化物半導体層(3)と、前記n型窒化物半導体層(3)上に形成され紫外線の波長域に発光波長を有する光を放射する発光層(4)と、前記発光層(4)上に形成されたp型窒化物半導体層(5)と、を備える。 The semiconductor device (100, 101, 102) according to the second aspect of the present invention is the n-type nitride semiconductor layer (3) having at least the AlGaN layer (31) in the first aspect. A light emitting layer (4) that emits light having an emission wavelength in the ultraviolet wavelength region, and a p-type nitride semiconductor layer (5) formed on the light emitting layer (4). And comprising.
本発明に係る第3の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、第2の態様において、前記AlGaN層(31)は、AlxGa1-xN(0.4<x<1)層である。According to a third aspect of the semiconductor device (100, 101, 102) of the present invention, in the second aspect, the AlGaN layer (31) is made of Al x Ga 1-x N (0.4 <x <1). Is a layer.
本発明に係る第4の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、第1乃至3のいずれか1つの態様において、前記電極(90)は、前記パッド電極(92)が、Au層により構成されており、前記パッド電極(92)と前記Al層(93)との間に介在する上部バリアメタル層(94)を備える。 The semiconductor device (100, 101, 102) according to the fourth aspect of the present invention is the semiconductor device (100, 101, 102) according to any one of the first to third aspects, wherein the electrode (90) is composed of the pad electrode (92) made of an Au layer. And an upper barrier metal layer (94) interposed between the pad electrode (92) and the Al layer (93).
本発明に係る第5の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、第4の態様において、前記上部バリアメタル層(94)の材料は、Ti、Ta及びNiの群から選択される1種である。 According to a fifth aspect of the semiconductor device (100, 101, 102) of the present invention, in the fourth aspect, the material of the upper barrier metal layer (94) is selected from the group consisting of Ti, Ta and Ni. It is a seed.
本発明に係る第6の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、第1乃至5のいずれか1つの態様において、前記電極(90)は、前記Al層(93)と前記コンタクト電極(91)との間に介在する下部バリアメタル層(95)を備える。 In a semiconductor device (100, 101, 102) according to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, the electrode (90) includes the Al layer (93) and the contact electrode ( 91) and a lower barrier metal layer (95) interposed therebetween.
本発明に係る第7の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、第6の態様において、前記下部バリアメタル層(95)の材料は、Ti、Ta及びNiの群から選択される1種である。 According to a seventh aspect of the semiconductor device (100, 101, 102) of the present invention, in the sixth aspect, the material of the lower barrier metal layer (95) is selected from the group consisting of Ti, Ta and Ni. It is a seed.
本発明に係る第8の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、第1乃至7のいずれか1つの態様において、前記パッシベーション膜(11)と前記パッド電極(92)との間に介在する密着層(14b)、を更に備え、前記密着層(14b)は、前記パッド電極(92)に比べて前記パッシベーション膜(11)との密着性の良い層である。 The semiconductor device (100, 101, 102) according to the eighth aspect of the present invention is, in any one of the first to seventh aspects, interposed between the passivation film (11) and the pad electrode (92). The adhesion layer (14b) is a layer having better adhesion to the passivation film (11) than the pad electrode (92).
本発明に係る第9の態様の半導体デバイス(100、101、102)は、第8の態様において、前記絶縁膜(10)は、シリコン酸化膜であり、前記パッシベーション膜(11)は、シリコン窒化膜であり、前記密着層(14b)の材料は、Ti、Cr、Nb、Zr、TiN及びTaNの群から選択される1種である。 According to a ninth aspect of the semiconductor device (100, 101, 102) of the present invention, in the eighth aspect, the insulating film (10) is a silicon oxide film, and the passivation film (11) is silicon nitride. The material of the adhesion layer (14b) is a film selected from the group consisting of Ti, Cr, Nb, Zr, TiN, and TaN.
本発明に係る第10の態様の半導体デバイス(102)は、第1乃至9のいずれか1つの態様において、前記パッシベーション膜は、前記パッド電極の上のみにある。 According to a tenth aspect of the semiconductor device (102) of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, the passivation film is only on the pad electrode.
本発明に係る第11の態様の半導体デバイス(100、101)は、第1乃至9のいずれか1つの態様において、前記パッシベーション膜(11)は、前記絶縁膜(10)と前記パッド電極(92)とを覆っている。 According to an eleventh aspect of the semiconductor device (100, 101) of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, the passivation film (11) includes the insulating film (10) and the pad electrode (92). ).
本発明に係る第12の態様の紫外線発光素子は、基板(1)と、前記基板(1)の一面(1a)側に形成され前記一面(1a)側から順にn型窒化物半導体層(3)、発光層(4)及びp型窒化物半導体層(5)を有する窒化物半導体層(20)と、前記p型窒化物半導体層(5)の表面(5a)上に形成された正電極(8)と、前記n型窒化物半導体層(3)のうち露出した表面(3a)に形成された負電極(9)と、絶縁膜(10)と、パッシベーション膜(11)と、を備え、前記発光層(4)は、紫外線の波長域に発光波長を有する光を放射するように構成されており、前記正電極(8)は、前記p型窒化物半導体層(5)の表面(5a)上に形成された第1コンタクト電極(81)と、前記第1コンタクト電極(81)の表面側に形成された第1パッド電極(82)と、を備え、前記負電極(9)は、前記n型窒化物半導体層(3)におけるAlGaN層(31)の表面(31a)上に形成された第2コンタクト電極(91)と、前記第2コンタクト電極(91)の表面側に形成された第2パッド電極(92)と、を備え、前記絶縁膜(10)は、前記p型窒化物半導体層(5)の表面(5a)上及び前記AlGaN層(31)の表面(31a)上に形成され、かつ、前記第1コンタクト電極(81)を露出させる第1コンタクト孔(10a)及び第2コンタクト電極(91)を露出させる第2コンタクト孔(10b)が形成されており、前記パッシベーション膜(11)は、少なくとも前記第2パッド電極(92)上に形成され、かつ、前記第2パッド電極(92)の中央部を露出させる開口部(13)が形成されており、前記負電極(9)は、平面視において、前記第2パッド電極(92)が第2コンタクト電極(91)と前記絶縁膜(10)とに跨って形成されており、前記負電極(9)は、前記第2パッド電極(92)よりも下に、平面視で前記開口部(13)を包含するAl層(93)を備える。 The ultraviolet light-emitting device according to the twelfth aspect of the present invention is formed on the substrate (1) and the one surface (1a) side of the substrate (1), and in order from the one surface (1a) side, the n-type nitride semiconductor layer (3 ), A nitride semiconductor layer (20) having a light emitting layer (4) and a p-type nitride semiconductor layer (5), and a positive electrode formed on the surface (5a) of the p-type nitride semiconductor layer (5) (8), a negative electrode (9) formed on the exposed surface (3a) of the n-type nitride semiconductor layer (3), an insulating film (10), and a passivation film (11). The light emitting layer (4) is configured to emit light having a light emission wavelength in the ultraviolet wavelength region, and the positive electrode (8) is formed on the surface of the p-type nitride semiconductor layer (5) ( 5a) on the first contact electrode (81) formed on the surface of the first contact electrode (81) A first pad electrode (82) formed, wherein the negative electrode (9) is formed on a surface (31a) of an AlGaN layer (31) in the n-type nitride semiconductor layer (3). Two contact electrodes (91) and a second pad electrode (92) formed on the surface side of the second contact electrode (91), wherein the insulating film (10) is the p-type nitride semiconductor layer A first contact hole (10a) and a second contact formed on the surface (5a) of (5) and the surface (31a) of the AlGaN layer (31) and exposing the first contact electrode (81). A second contact hole (10b) exposing the electrode (91) is formed, the passivation film (11) is formed on at least the second pad electrode (92), and the second pad electrode ( 92) An opening (13) that exposes the central portion is formed, and the negative electrode (9) has a second pad electrode (92) that is connected to the second contact electrode (91) and the insulating film (10) in plan view. The negative electrode (9) includes an Al layer (93) including the opening (13) in plan view below the second pad electrode (92). .
本発明に係る第13の態様の紫外線発光素子は、第12の態様において、前記パッシベーション膜(11)は、前記第2パッド電極(92)の上のみにある。 In the ultraviolet light emitting device of the thirteenth aspect according to the present invention, in the twelfth aspect, the passivation film (11) is only on the second pad electrode (92).
本発明に係る第14の態様の紫外線発光素子は、第12の態様において、前記パッシベーション膜(11)は、前記絶縁膜(10)と前記第2パッド電極(92)とを覆っている。 According to a fourteenth aspect of the ultraviolet light emitting element of the present invention, in the twelfth aspect, the passivation film (11) covers the insulating film (10) and the second pad electrode (92).
Claims (14)
前記電極は、前記AlGaN層の表面上に形成されたコンタクト電極と、前記コンタクト電極の表面側に形成されたパッド電極と、を備え、
前記絶縁膜は、前記コンタクト電極における前記AlGaN層との接触領域を囲むように前記AlGaN層の前記表面上に形成されており、
前記パッシベーション膜は、少なくとも前記パッド電極上に形成され、かつ、前記パッド電極の中央部を露出させる開口部が形成されており、
前記電極は、平面視において、前記パッド電極が前記コンタクト電極と前記絶縁膜とに跨って形成されており、
前記電極は、前記パッド電極よりも下に、前記コンタクト電極の前記表面側に形成されており平面視で前記開口部を包含するAl層を備える、
ことを特徴とする半導体デバイス。 An AlGaN layer, an electrode, an insulating film, and a passivation film,
The electrode includes a contact electrode formed on the surface of the AlGaN layer, and a pad electrode formed on the surface side of the contact electrode,
The insulating film is formed on the surface of the AlGaN layer so as to surround a contact region of the contact electrode with the AlGaN layer;
The passivation film is formed on at least the pad electrode, and an opening that exposes a central portion of the pad electrode is formed.
The electrode is formed so that the pad electrode straddles the contact electrode and the insulating film in a plan view;
The electrode includes an Al layer formed on the surface side of the contact electrode below the pad electrode and including the opening in a plan view.
A semiconductor device characterized by that.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体デバイス。 An n-type nitride semiconductor layer having at least the AlGaN layer, a light-emitting layer that is formed on the n-type nitride semiconductor layer and emits light having a light emission wavelength in an ultraviolet wavelength region, and formed on the light-emitting layer a p-type nitride semiconductor layer,
The semiconductor device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2記載の半導体デバイス。 The AlGaN layer is an Al x Ga 1-x N (0.4 <x <1) layer.
The semiconductor device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の半導体デバイス。 In the electrode, the pad electrode is configured by an Au layer, and includes an upper barrier metal layer interposed between the pad electrode and the Al layer.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a semiconductor device.
ことを特徴とする請求項4記載の半導体デバイス。 The material of the upper barrier metal layer is one selected from the group of Ti, Ta and Ni.
The semiconductor device according to claim 4.
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体デバイス。 The electrode includes a lower barrier metal layer interposed between the Al layer and the contact electrode.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a semiconductor device.
ことを特徴とする請求項6記載の半導体デバイス。 The material of the lower barrier metal layer is one selected from the group of Ti, Ta and Ni.
The semiconductor device according to claim 6.
前記密着層は、前記パッド電極に比べて前記パッシベーション膜との密着性の良い層である、
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の半導体デバイス。 An adhesion layer interposed between the passivation film and the pad electrode,
The adhesion layer is a layer having better adhesion with the passivation film than the pad electrode.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a semiconductor device.
前記パッシベーション膜は、シリコン窒化膜であり、
前記密着層の材料は、Ti、Cr、Nb、Zr、TiN及びTaNの群から選択される1種である、
ことを特徴とする請求項8記載の半導体デバイス。 The insulating film is a silicon oxide film,
The passivation film is a silicon nitride film,
The material of the adhesion layer is one selected from the group of Ti, Cr, Nb, Zr, TiN, and TaN.
The semiconductor device according to claim 8.
前記発光層は、紫外線の波長域に発光波長を有する光を放射するように構成されており、
前記正電極は、前記p型窒化物半導体層の表面上に形成された第1コンタクト電極と、前記第1コンタクト電極の表面側に形成された第1パッド電極と、を備え、
前記負電極は、前記n型窒化物半導体層におけるAlGaN層の表面上に形成された第2コンタクト電極と、前記第2コンタクト電極の表面側に形成された第2パッド電極と、を備え、
前記絶縁膜は、前記p型窒化物半導体層の表面上及び前記AlGaN層の表面上に形成され、かつ、前記第1コンタクト電極を露出させる第1コンタクト孔及び第2コンタクト電極を露出させる第2コンタクト孔が形成されており、
前記パッシベーション膜は、少なくとも前記第2パッド電極上に形成され、かつ、前記第2パッド電極の中央部を露出させる開口部が形成されており、
前記負電極は、平面視において、前記第2パッド電極が第2コンタクト電極と前記絶縁膜とに跨って形成されており、
前記負電極は、前記第2パッド電極よりも下に、前記第2コンタクト電極の前記表面側に形成されており平面視で前記開口部を包含するAl層を備える、
ことを特徴とする紫外線発光素子。 A substrate, a nitride semiconductor layer formed on one surface side of the substrate and having an n-type nitride semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type nitride semiconductor layer in order from the one surface side; and a surface of the p-type nitride semiconductor layer A positive electrode formed on the surface, a negative electrode formed on an exposed surface of the n-type nitride semiconductor layer, an insulating film, and a passivation film,
The light emitting layer is configured to emit light having a light emission wavelength in a wavelength region of ultraviolet rays,
The positive electrode includes a first contact electrode formed on the surface of the p-type nitride semiconductor layer, and a first pad electrode formed on the surface side of the first contact electrode,
The negative electrode includes a second contact electrode formed on the surface of the AlGaN layer in the n-type nitride semiconductor layer, and a second pad electrode formed on the surface side of the second contact electrode,
The insulating film is formed on a surface of the p-type nitride semiconductor layer and a surface of the AlGaN layer, and a second contact hole exposing the first contact electrode and a second contact electrode is exposed. Contact holes are formed,
The passivation film is formed on at least the second pad electrode, and has an opening that exposes a central portion of the second pad electrode;
The negative electrode is formed such that the second pad electrode straddles the second contact electrode and the insulating film in a plan view.
The negative electrode includes an Al layer that is formed on the surface side of the second contact electrode below the second pad electrode and includes the opening in a plan view.
An ultraviolet light emitting element characterized by that.
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