TWI225311B - Method for producing group III nitride compound semiconductor device - Google Patents

Description

1225311 玖、發明說明. .. 【發明所屬之技術領域】 本申請案係以日本專利申請案第2 0 0 2 - 1 1 3 0 5 8號爲基 礎’其係倂入於此以供參照。 本發明係關於一種第III族氮化物系化合物半導體裝置 之製造方法。特別地，其係關於一種可抑制漏電流之此種 半導體裝置之製造方法。 【先前技術】 第ΙΠ族氮化物系化合物半導體裝置具有被層壓在例如 藍寶石之基板上的半導體層。因爲藍寶石具有電絕緣特 性’故不可在基板上設置任何電極。因此，半導體層的電 極係設置於裝置之表面側上。從基板側觀之，一 η型層、 一主動層、及一 ρ型層被連續地層壓，以作爲半導體層。 結果，η型層被埋藏在層合物中。因此，半導體層被蝕刻 以露出一部分之η型層，使得η電極可被連接至η型層的 露出部分。 另一方面，第III族氮化物系化合物半導體之Ρ型層係 摻雜有一 ρ型雜質。以一電子束照射Ρ型層來降低ρ型層 的電阻係爲已知的技術。 本案之發明人已反覆地檢測具有一 η電極及一 ρ電極形 成於裝置之表面側上、且因電子束照射而具有電阻降低之 Ρ型層的第III族氮化物系化合物半導體裝置。結果發明人 發現可能會有一漏電流流入η電極與ρ電極之間。 因此，本發明之目的在於抑制漏電流。 5 312/發明說明書(補件)/92-06/92108793 1225311 【發明內容】 爲達成本發明之目的，發明人提出下列發明： 一種第III族氮化物系化合物半導體裝置之製造方法， 包含下列步驟： 在一基板上形成一 η型層； 在η型層上形成一含有一發光層之層； 在層上形成一摻雜有一 ρ型雜質之ρ型層； 蝕刻至少一部份之η型層及至少一部份之層，以露出至 少一部份之η型層及層之一末端表面； 在Ρ型層之一表面側上形成一 ρ電極； 在η型層之露出部分上形成一 η電極； 以一電子束照射ρ型層，以使得ρ型層之電阻降低；及 在電子束照射步驟之後，酸化至少層之露出末端表面。 一較佳之上述第III族氮化物系化合物半導體裝置之製 造方法，其中，該酸化步驟包含以下步驟： 露出蝕刻所形成之末端表面，並在其他表面上形成一抗 蝕劑，以保護其他表面； 以酸處理露出的末端表面；及 移除抗触劑。 一較佳之上述第III族氮化物系化合物半導體裝置之製 造方法，其中，酸係選自氫氟酸、氫氯酸、硫酸及硝酸所 構成之群組的至少其中之一。

一較佳之上述第III族氮化物系化合物半導體裝置之製 造方法，其中，含有一發光層之層包含一含有In之第III 312/發明說明書(補件)/92-06/92108793 6 1225311 族氮化物系化合物半導體層，其係被露出於鈾刻所形成之 / 末端表面上。 【實施方式】 . 根據本發明，可利用非常簡單且價格低廉的方法，將蝕 _ 刻所形成之末端表面酸化，而達到抑制漏電流。因此，所 獲得的第III族氮化物系化合物半導體裝置可以被改善（抑 制消耗的電源），且可增進其可靠度。 可將蝕刻所形成之末端表面酸化而達成抑制漏電流的 原因如下。 _ 首先，藉由一電子束在大氣壓力下於裝置之周圍氣體中 產生活性氧氣，以便減小P型層的電阻。在蝕刻所形成之 末端表面上，活性氧氣與第III族氮化物原子反應，使得 末端表面上形成氧化物。氧化物被認爲是漏電流產生的原 因。根據發明人之檢測，發現特別是當活性氧氣與銦（In ) 反應而在末端表面形成ΙηΟχ時，漏電流會變大。 因此，在本發明中，將蝕刻所形成之末端表面以酸進行 處理，藉以移除末端表面上所形成之第in族氮化物系元 ® 素氧化物。附帶一提，雖然可藉由乾式蝕刻來移除氧化物， 但乾式蝕刻是不佳的，因爲其會對半導體造成不可避免的 損壞。 第III族氮化物系化合物半導體裝置 第III族氮化物系化合物半導體裝置之範例可包括：光 學元件，例如一發光二極體、檢光二極體、雷射二極體、 · 及太陽能電池；雙極性元件，例如一整流器、閘流器、及 . 7 312/發明說明書(補件)/92-06/92108793 1225311 一電晶體；單極性元件，例如一 FET ;及電子元件，例如 一微波元件。 每一此等元件的構造，都是將第III族氮化物系化合物 半導體層層壓在一基板上以形成一裝置，然後在裝置的一 表面側上形成一 p電極和一 η電極。 如第III族氮化物系化合物半導體層可在基板上長成， 則可使用任何基板。可用於形成基板的材料之範例包括： 藍寶石、尖晶石、矽、碳化矽、氧化鋅、磷化鎵、砷化鎵、 氧化鎂、及氧化錳。特別是，較佳係使用一藍寶石基板。 更特別的是，較佳係使用藍寶石基板之一表面1或^來長 成第III族氮化物系化合物半導體層，可具有良好之結晶 度。 第III族氮化物系化合物半導體層係被層壓在基板上。 在此說明書中，每一第III族氮化物系化合物半導體係以 一般式表不：AlxGaYlni-χ.γΝ ( OSXS 1 ’ OSYS 1 ’ 0S Χ + Υ € 1 )，其包括所謂的二元化合物諸如 AIN、GaN及 InN，及所謂的三元化合物諸如AlxGa卜XN、AlxIm-xN及 GaxIm.xN(以上0<X<1 )。第III族元素可被至少部分地以 硼（B )或鉈（T1 )等取代之。氮（N )可被至少部分地以磷 (P )、砷（A s )、銻（S b )或鉍（B i )等取代之。每一第III 族氮化物系化合物半導體層可包含一選擇性摻雜物。Si、 Ge、Se、Te、或C等可用作爲n型雜質。Mg、Zn、Be、 Ca、Sr、或Ba等可用作爲p型雜質。每一第III族氮化物 系化合物半導體層的形成方法並無特別限制。例如，第ΙΠ 312/發明說明書(補件)/92-〇6/921 〇8793 1225311 族氮化物系化合物半導體層可藉由一已知方法而形成，例 / 如一金屬有機化學蒸鍍法（MOCVD法）、一分子束磊晶法 (MBE法）、一鹵化物氣相磊晶法（HVPE法）、一濺鍍法、一 離子電鍍法、或一電子簇射法（electron showering method)。 一緩衝層可設置於基板與第III族氮化物系化合物半導 體之晶體層之間。緩衝層的設置可改善長成於緩衝層上之 第III族氮化物系化合物半導體的結晶度。緩衝層可以第 III族氮化物系化合物半導體製成，例如AIN、InN、GaN、

AlGaN、InGaN 或 AlInGaN。 · n電極的材料可使用一金屬，例如A卜V、Sn、Rh、Ti、

Cr、Nb、Ta、Mo、W、或Hf，或從此等金屬任選二種或多 種金屬之合金。η電極可設置成一二層或多層結構，由不 同成分之層所組成之層合物構成。例如，η電極可設置成 一 V和Α1之二層結構。 ρ電極的材料可使用一金屬，例如R h、Au、Pt、Ag、Cu、 A1、Ni、Co、Mg、Pd、Ru、Μη、Bi、Sn、或 Re，或從此 等金屬任選二種或多種金屬之合金。P電極可設置成一二 ® 層或多層結構，由不同成分之層所組成之層合物構成。 每一 n電極與ρ電極可以一習知薄膜形成方法而形成， 例如蒸鑛或丨賤鑛。 例如，一第III族氮化物系化合物半導體發光元件係以 下列方式製成。 首先，製備一基板，基板上可用於長成第III族氮化物 ，

系化合物半導體層。在基板上層壓複數個半導體層，使得 I 9 312/發明說明書(補件)/92-〇6/921〇8793 1225311 至少依此順序配置··一 η型第111族氮化物系化合物半導 體層、一包含第ΙΠ族氮化物系化合物半導體發光層之層、 及一摻雜有P型雜質之第ΠΙ族氮化物系化合物半導體層。 然後，藉由蝕刻以露出一部份的η型半導體層。然後， 分別在摻雜有Ρ型雜質之第III族氮化物系化合物半導體 層上形成一 Ρ電極，及在η型第III族氮化物系化合物半 導體層上形成一 η電極。ρ電極和η電極可藉由例如蒸鍍 或濺鍍等習知方法而形成。然後，利用具有一期望粒徑之 硏磨劑來硏磨基板，以便獲得一期望厚度之基板。然後， 將基板切割成晶片。 電子束照射 如果未測量而長成，摻雜有ρ型雜質之第III族氮化物 系化合物半導體的電阻太高，無法令人滿意地作爲裝置之 半導體層。因此，已提出一種技術利用一電子束照射所形 成之層以減小層之電阻（請參見日本專利公告平2-2 5 7 6 7 9 號）。 從製造步驟之間的關係，此電子束照射步驟較佳地係在 η電極與ρ電極形成之後執行。雖然，亦可在ρ型層形成 之後立即執行電子束照射。在此種情況下，含有ρ型雜質 之層的表面可能被損壞，因此ρ型層與一形成於ρ型層上 之電極二者間的接觸電阻可能會變得很高。 因此，較佳係在電極形成且蝕刻步驟完成之後，才將晶 圓置入電子束照射裝置施以電子束照射步驟。 酸處理 10 312/發明說明書(補件)/9106/92108793 1225311 如上所述，酸處理（酸化）係用於處理一蝕刻所形成之 末端表面。使用之酸的範例可包括：氫氟酸、氫氯酸、硫 酸及硝酸。酸的濃度及所需酸處理的時間係根據半導體的 材料或電子束照射的時間而做適當選擇。所有此等因子的 決定或適當組合所根據的標準，在於可能形成於末端表面 上的氧化物是否已被移除。 在電極形成之後執行酸處理時，較佳地係預先形成一抗 蝕劑等以保護電極。此步驟與本發明之實質無關。 本發明之特徵及優_點由隨後之較佳具體例詳細說明並 參照隨附之圖式當可更加明白。 以下將以一發光元件作爲範例說明本發明之一具體例。 圖1係爲本具體例之發光元件的截面圖。發光元件10 中各層的規格如下： 層 ：成分 P 型層 1 5 ： p-GaN:Mg 含有一發光層之層14 :含有InGaN(In:在全部In與

Ga原子中約佔2〇原子％ ) η 型層 1 3 ： n-GaN:Si

緩衝層1 2 ： A1N 基板1 1 :藍寶石 摻雜有Si作爲n型雜質之GaN之η型層13係透過緩衝 層1 2而形成於基板1 1上。雖然以上係採用藍寶石作爲基 板1 1，但基板1 1並不限於此。例如，藍寶石、尖晶石、 矽、碳化矽、氧化鋅、磷化鎵、砷化鎵、氧化鎂、氧化錳、 11 312/發明說明書(補件)/92-06/92108793 1225311 硼化锆、或第III族氮化物系化合物半導體單晶均可被使 用作爲基板Π。緩衝層1 2係以A1N藉由金屬有機化學蒸 鍍法（MOCVD法）製成，但緩衝層12並不限於此。例如 GaN、InN、AlGaN、InGaN或AlInGaN均可被使用作爲緩 衝層12之材料。一分子束磊晶法（MBE法）、一鹵化物氣 相磊晶法（HVPE法）、一濺鍍法、一離子電鍍法、或一電 子簇射法等均可被使用作爲緩衝層1 2之形成方法。當一第 III族氮化物系化合物半導體被使用作爲基板1 1時，緩衝 層1 2可被省略，因爲在此種情況中基板1 1上所形成之層 可以良好之結晶度長成。 視情況需要，在半導體裝置形成之後，可將基板及緩衝 層移除。 雖然以上η型層13係以GaN製成，但亦可使用AlGaN、 InGaN 或 AlInGaN 〇 雖然以上η型層13係摻雜有S i作爲一 η型雜質，但亦 可使用其他η型雜質，例如Ge、Se、Te、或C。 含有一發光層之層14可包含一量子井結構（複數個量 子井結構或單一量子井結構）。發光元件結構可爲一單異質 型式、一雙異質型式、或一同質接面型式。 含有一發光層之層14可包含在p型層15的一側上摻雜 有Mg、並且具有寬能隙之第III族氮化物系化合物半導體 層。此技術係用於有效地防止電子從擴散至p型層1 5而注 入含有一發光層之層14。 在含有一發光層之層14上，形成摻雜有Mg作爲p型雜 12 312/發明說明書(補件)/92-06/92108793 1225311 質之GaN之p型層15。p型層的材料GaN可被替代爲 AlGaN、InGaN或InAlGaN。p型雜質Mg可被替代爲Zn、 Be、Ca、Sr 或 Ba〇 在以上述結構形成之發光二極體中，在一般情況T，每 一第III族氮化物系化合物半導體層可藉由一金屬有機化 學蒸鍍法（MOCVD法）而形成，或藉由一分子束嘉晶法 (Μ Β Ε法）、一鹵化物氣相聶晶法（Η V Ρ Ε法）、一濃鍍法、 一離子電鍍法、或一電子簇射法而形成。 一 η電極19係由Α1和V二層所構成。在ρ型層15形 成之後，藉由蝕刻而將ρ型層15、含有一發光層之層14、 及η型層部分地移除，並且藉由蒸鍍而在η型層13之露出 部分上形成η電極19。 一透明電極17係爲一含有金之薄膜。透明電極17被層 壓在Ρ型層15上。一 ρ電極18亦是以含有金之材料製成。 Ρ電極1 8係藉由蒸鍍而形成於透明電極1 7上。 然後，以電子束照射裝置處理此樣本，使ρ型層1 5受 到一電子束照射。所使用者係爲一低能量之電子束照射裝 置，照射條件爲加速電壓120kV及照射時間3.5分鐘。 然後，在樣本表面上塗布一抗蝕劑2 1。然後，利用微影 技術將部分的抗蝕劑2 1移除，使得蝕刻所形成之末端表面 3 1至少如圖2所示被露出。此時，較佳係使電極部分被抗 蝕劑2 1完美地保護。一有機抗蝕劑可被使用作爲抗蝕劑 21 ° 然後，樣本被浸入一 2重量％之氫氟酸溶液中1 5秒。然 13 312/發明說明書(補件)/92·06/92108793 1225311 後，在移除氫氟酸溶液之後，使用一有機移除劑來移除& 蝕劑2 1。此技術係用於防止電極部分遭到損壞。 在各半導體層和各電極都依照上述步驟形成之後，執@ 將樣本切割成晶片的步驟。 圖3顯示依照本發明具體例所獲得之發光元件〗〇的 Vf-If特徵曲線，及省略酸處理步驟的情況所獲得之一比較 實施例發光元件的Vf-If特徵曲線。如同圖3所示，很明 顯地，在省略酸處理之情況所獲得之比較實施例發光元件 中，從一低電壓即開始產生一漏電流，而，在依照本發明 具體例所獲得之發光元件中，漏電流是不存在的。_ 接著，將含有一發光層之層14中之InGaN層的In組成 百分比從大約2 0 %改變成大約8 %，並進行如上述之相容檢 測。圖4顯示檢測之結果。 在此例中，不論是否有進行酸處理，都沒有觀察出漏電 流。據猜測，這是因爲InGaN層的In組成百分比很低， 使得在此具體例中以電子束照射情況下電子束之活性氧氣 與In原子作用而產生的InOx的量很小。 因此認爲，當含In層之In組成百分比不低於10%時， 本發明所提出之酸處理具有優異的效果。In組成百分比較 佳係不低於1 5%，更佳係不低20%。儘管如此，在處理步 驟其間表面上形成任何不想要的物質，例如氧化物，均可 將本發明應用於製造一第III族氮化物系化合物半導體裝 置。上述In組成百分比僅爲舉例，本發明並不限於此範圍。 本發明並不囿限於實施本發明及其實施例之模式的說 312/發明說明書(補件)/92-06/92108793 14 1225311 明。熟悉本技藝者在不離開本發明之申請專利範圍內，當 可對本發明進行各種容易之變化。 【圖式簡單說明】 圖1係爲本發明一具體例之發光元件之結構的截面圖； 圖2係爲酸化步驟之部分放大截面圖； 圖3係爲本發明具體例之發光元件的V f-1 f特徵曲線圖 及一比較實施例之發光元件的Vf-If特徵曲線圖；及 圖4係爲當主動層之I η組成百分比改變時的v f_ ；[ f特徵 曲線圖。 (元件符號說明） 10 發光元件 11 基板 12 緩衝層 13 η型層 14 含有一發光層之層 15 Ρ型層 17 透明電極 18 Ρ電極 19 η電極 2 1 抗蝕劑 3 1 末端表面 312/發明說明書(補件)/92-06/92108793 15

Claims (1)

1. ^25211 1正替換頁

   93. 8· 1 3替換本 1.一種第III族氮化物系化合物半導體裝置之製造方 法，包含下列步驟： 在一基板上形成一 η型層； 在該η型層上形成一含有一發光層之層； 在該含有一發光層之層上形成一摻雜有一 ρ型雜質之Ρ 型層； 蝕刻至少一部份之該η型層及至少一部份之該含有一發 光層之層，以露出至少一部份之該η型層及該含有一發光 Φ 層之層之一末端表面； 在該Ρ型層之一表面側上形成一 ρ電極； 在該η型層之該露出部分上形成一 η電極； 以一電子束照射該ρ型層，以使得該ρ型層之電阻降 低；及

   在該電子束照射步驟之後，酸化至少該含有一發光層之 層之該露出末端表面。 2.如申請專利範圍第1項之第III族氮化物系化合物半 導體裝置之製造方法，其中，該酸化步驟包含以下步驟： 利用微影技術使該蝕刻所形成之該末端表面露出，並在 電極部分和其他表面上形成一抗蝕劑，以保護該電極部分 和該其他表面； 以酸處理該露出的末端表面；及 移除該抗蝕劑。 3 ·如申請專利範圍第1項之第III族氮化物系化合物半 16 326\總檔\92\92108793\92108793(替換)-1 Ι2253Π_ 替換頁 l 8.月is曰 導irW置之製造方法，其中，該酸係選自氫氟酸、氫氯酸、 硫酸及硝酸所構成之群組的至少其中之一。 4.如申請專利範圍第1項之第III族氮化物系化合物半 導體裝置之製造方法，其中，該含有一發光層之層包含一 含有In之第III族氮化物系化合物半導體層，其係露出於 該蝕刻所形成之該末端表面上。 17 326\ 總檔\92\92108793\92108793(替換)-1