半導體元件及其製造方法

2023-10-22 05:44:37 1

專利名稱：半導體元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體元件及其製造方法，所述半導體元件包括n 型氮化鎵基化合物半導體和與所述半導體進行歐姆接觸的電極。
背景技術：
氮化鎵基化合物半導體(在下文中也稱作"GaN基半導體")是一種 通過以下化學式表示的in族氮化物構成的化合物半導體 AlJnbGa卜a-bN((Ka^1, (Kb^l, (Ka+b^l)，所述GaN基半導體由具有諸如GaN、 InGaN、 AlGaN、 AlInGaN、 A1N、 InN等之類的這些化合物作為示例。在上述化學式的化合物半導體中， 將一部分in族元素用B (硼)、Tl (鉈)等來代替、將一部分N (氮) 用P (磷)、As (砷)、Sb (銻)、Bi (鉍)等來代替的化合物也包含在GaN 基半導體中。近年來，發射具有從綠光到紫外光波長的光的諸如發光二極體 (LED)、雷射二極體(LD)等之類的GaN基半導體發光元件已經實踐並 且引起了注意.該發光元件具有通過將n型GaN基半導體和p型GaN基半 導體連接形成的pn結二極體結構作為基本機構。簡單地說，根據發光元 件的發光機制，當注入到n型GaN基半導體中的電子和注入到p型GaN 基半導體中的正空穴在pn結及其附近再次接合失去能量時，發射出與所 述能量相對應的光。在這種元件中，將與n型GaN基半導體進行歐姆接 觸的電極(在下文中也稱作"n型歐姆電極")用於將電極有效地注入到 n型GaN基半導體中。在LED中， 一般採用其中n型歐姆電極也用作接 觸電極的結構。接觸電極是一種將用於元件和元件的外部電極電連接的 接合引線、焊料等所接合的電極。要求接觸電極表現出與接合引線(例 如Au線)或焊料(例如Au-Sn共溶體)良好的接合性。當接合性較弱時，
可能會在晶片安裝工藝中出現缺陷。傳統地，己經使用Al (鋁)單層膜或其中將鋁層層壓到Ti (鈦) 層上的多層膜作為n型歐姆電極(JP-A-7-45867， USP 5， 563, 422)。然 而，因為這些電極主要由鋁層構成，他們表現出較低的熱阻，例如當施 加熱處理時可能易於變形。這是由以下事實引起的鋁具有較低熔點， 因為與GaN基半導體等相比鋁的熱膨脹係數相當大，熱應力易於發展到 電極內部。此外，當使用這些電極作為接觸電極時，在鋁的表面上形成 氧化膜，這使通過Au-Sn共熔體焊料退化了 Au線的接合性和潤溼性。因 此，在晶片安裝過程中產量傾向於較低。為了解決該問題，已經建議了 一種電極(JP A-7-221103， USP 5,563,422)，其中在由具有相當高熔點 的金屬構成的層處的Al層上層壓了 Au層。然而，該電極也要求在約400 t:的溫度下的熱處理以減小接觸電阻，因為該電極在Al層處與n型GaN 基半導體接觸。熱處理使電極表面粗糙，並且可能退化與接合線或焊料 的接合性。該電極與難以生產具有良好可再現性的相同性質的問題相關 聯，因為由於熱應力導致的Al和Au的擴散狀態影響熱處理之後與n型 GaN基半導體的接觸電阻。作為不含Al的n型歐姆電極，JP-A-11-8410公開了提供通過層壓 TiW合金層、Ge (鍺)層和Rh (銠)層並且通過對層壓進行熱處理而獲 得的n型歐姆電極。通過與n型GaN基半導體的電極形成良好歐姆接觸 的原理是不清楚的。然而，因為與這三個金屬層的層壓順序無關地形成 良好的歐姆接觸，假定由包括全部三種金屬層的化學反應產生的產品起 某種作用。由此期望除非在將這三層層壓的調節下並且嚴格地控制控制 在電極形成時隨後的熱處理的條件，否則不能穩定所獲得電極的性質。 因此，認為使用該電極的半導體元件不適用於大規模生產。發明內容考慮到這種情況已經實現了本發明，並且旨在提供包括新型歐姆電 極的半導體元件，所述歐姆電極與n型GaN基半導體形成良好的歐姆接 觸。本發明還旨在提供一種包括n型歐姆電極的半導體元件，優選地， 可以所述n型歐姆電極作為接觸電極。此外，本發明旨在提供一種包括
熱阻優異的n型歐姆電極的半導體元件。此外，本發明旨在提供一種上 述半導體元件的生產方法。 本發明的特徵如下。(1) 包括n型氮化鎵基化合物半導體的半導體元件，以及與所述 半導體歐姆接觸的電極，其中所述電極具有與所述半導體接觸的TiW合 金層。(2) 以上(1)的半導體元件，其中所述TiW合金層具有小於等於 70wt。/。的Ti濃度。(3) 以上(2)的半導體元件，其中所述TiW合金層具有小於等於 40wty。的Ti濃度。(4) 以上(3)的半導體元件，其中所述TiW合金層具有小於等於 8wt96的Ti濃度。(5) 以上(1) 一 (4)任一個的半導體元件，其中所述TiW合金 層具有大於等於4wt。/。的Ti濃度。(6) 以上(1)的半導體元件，其中沿TiW合金層的厚度方向，所 述TiW合金層的W-Ti成分比實質上恆定。(7) 以上(l)的半導體元件，其中通過使用Ti含量小於等於90wt% 的Ti-W耙進行濺射來形成TiW合金層。(8) 以上(1)的半導體元件，其中通過使用Ti含量為10wt9&的 Ti-W耙進行濺射來形成TiW合金層。(9) 以上(4)或(8)的半導體元件，其中所述電極是熱處理過的。(10) 以上(1)至(9)的任一個的半導體元件，其中所述電極具 有在TiW合金層上層壓的金屬層。(11) 以上(10)的半導體元件，其中所述金屬層包括Au層。(12) 以上(11)的半導體元件，其中所述層包括在上述TiW合金 層上直接層壓的金層。(13) 以上(11)的半導體元件，其中所述金屬層由Au的單層構 成，或者由具有Au層作為頂層的層壓疊片構成。(14) 以上(11)的半導體元件，其中所述金屬層只包括具有與Au 相同熔點或比Au更高熔點的金屬。(15) 以上(10)的半導體元件，其中所述金屬層不含Rh。(16) 以上(1)至(15)任一個的半導體元件，其中電極表面具 有小於等於0. 02微米的算術平均粗糙度Ra。(17) 用於生產半導體元件的方法，所述方法包括形成TiW合金 層作為n型氮化鎵基化合物半導體的表面上的電極的一部分的步驟。(18) 以上(17)的生產方法，其中通過使用Ti-W靶進行濺射來 形成TiW合金層。(19) 以上(18)的生產方法，其中所述TiW合金層具有小於等於 70wt。/。的Ti濃度。(20) 以上(18)的生產方法，所述方法還包括對TiW合金層進 行熱處理的步驟。在本發明中，所述TiW合金實質上只由Ti和W (鎢)組成。根據本 發明，可以獲得包括n型歐姆電極的半導體元件，所述n型歐姆電極形 成與n型GaN基半導體的良好歐姆接觸。根據本發明的優選實施例，可 以獲得包括n型歐姆電極的半導體元件，優選地使用所述n型歐姆電極 作為接觸電極。根據本發明的優選實施例，可以獲得包括熱阻較好的n 型歐姆電極的半導體元件。


圖1是本發明實施例氮化鎵基化合物半導體元件的結構的示意圖， 圖1 (a)是頂視圖，以及圖1 (b)是沿圖1 (a)的X-Y線得到的剖面 圖。圖2示出了差分幹涉顯微鏡的電極表面的觀察圖像。圖3示出了通過俄歇電子譜沿電極方向的成分分析結果。圖4示出了通過差分幹涉顯微鏡的電極表面的觀察圖像。圖5示出了通過差分幹涉顯微鏡的電極表面的觀察圖像。圖6示出了通過俄歇電極譜沿電極深度方向的成分分析結果。圖1中符號的意思如下.-1襯底、2第一緩衝層、3第二緩衝層、4 n型接觸層、5有源層、 6 p型包層、7 p型接觸層、Pl n側電極、P2 p側電極、P21 p側歐姆 電極、P22 p側接合電極、100半導體元件。
具體實施方式
本發明可以應用於包括n型GaN基半導體和電極的任意元件，所述電 極形成與半導體的歐姆接觸，即n型歐姆電極。本發明的半導體元件包括 除了GaN基半導體之外的半導體構成的部分。典型地，本發明的半導體元 件是發光元件。可選地，例如所述半導體元件可以是光接收元件或注入 電晶體之類的電子元件。在本發明的半導體元件中，其上形成n型歐姆電極的n型GaN基半導 體可以具有任意成分。n型GaN基半導體可以是非摻雜或摻雜有雜質的， 只要其表現出n型導電性。優選地，與TiW合金層接觸的n型GaN基半導體 是ALGa卜xN ((fe^0.2)。此外，優選地，與TiW合金層接觸的n型GaN基半 導體具有1X 107cm3 1 X 1(fVcm3的載流子濃度，優選地5X 10'7cm3 5X107cm3的載流子濃度。具體地，具有通過摻雜n型雜質控制處於上述 優選濃度範圍的載流子濃度的n型GaN基半導體是優選的。這種類型的n 型雜質沒有限制，並且諸如Si、Ge等之類的任意已知n型雜質可應用於GaN 基半導體。在本發明的半導體元件中，可以通過諸如MOVPE (金屬有機氣 相沉積)、HVPE (氫化物氣相沉積)、MBE (分子束外延)等形成、或者通 過高壓方法、液相方法等形成其上形成了n型歐姆電極的n型GaN基半導 體。n型GaN基半導體可以產生為襯底上的薄膜，或者可以是襯底。在本發明的半導體元件中，n型歐姆電極也用作接觸電極。可選地， 除了n型歐姆電極之外，半導體元件可以具有與n型歐姆電極電連接的一 個或多個接觸電極。當n型歐姆電極也用作接觸電極時，具有比表面更高 平坦度的電極表現出電極與接合線或焊料的更好接合狀態，這使用自動 機器提高了接合工藝中的產量。具體地，也用作接觸電極的n型歐姆電極 表面的算術平均粗糙度Ra優選地小於等於O. 02微米。對於本發明的半導體元件，形成n型歐姆電極中包含的TiW合金層的 方法沒有限制，並且可以適當地使用形成TiW合金薄膜的傳統公知方法。 優選地，可以通過使用濺射形成TiW合金層。可以根據JP-A-5-295531(USP 5,470,527)、 JP-A-4-193947、 JP-A-4-293770 (USP 5, 160,534)和氣體 公知技術可知Ti-W耙的細節。除了Ti和W之外，使用Ti-W耙形成的TiW合 金層可能會包括不可避免地包含在靶中的雜質。TiW合金層包含這種難以從開始材料去除的雜質是可以接受的。在本發明的半導體元件中，在n 型歐姆電極中包含的TiW合金的膜厚例如是O. Ol微米至l微米，優選地， 是0.05微米至0.5微米。TiW合金層的Ti濃度沒有具體的限制。然而，當 Ti-W靶中的Ti含量小於通過濺射形成的情況時的5wtW時，形成的TiW合金薄膜與襯底之間的粘附性變得較弱，並且據說所述膜易於從襯底上分離 (USP 5,470，527)。當Ti-W耙的Ti含量小於5wt呢時，形成的TiW合金層具 有小於4wt。/。的Ti濃度，並且因此優選地，TiW合金層具有不小於4wt9i的Ti 濃度。如在以下實驗性示例中所示，當電極中的TiW合金層具有較低的Ti 濃度時，n型歐姆電極的熱阻變得較好。因此，優先地，TiW合金層的Ti 濃度小於等於40wt。/。，更優選地，小於等於20wty。，更優選地，小於等於 8wt%。在TiW合金層中，優選地，W和Ti的成分比沿所述層的厚度方向實質 恆定。當W和Ti的成分比恆定時，因為缺乏密度梯度，不會發生W原子和 Ti原子的擴散。因此，當將半導體元件放置在高溫環境中時，已知了n 型歐姆電極的性質變化。在本發明的半導體元件中，n型歐姆電極可以是由與n型GaN基半導 體接觸的TiW合金層和在TiW合金層上層壓的金屬層構成的層壓疊片。金 屬層可以由任意金屬材料(可以是單獨的金屬或合金)形成。此外，金 屬層可以是單獨的層或者具有層壓結構。為了減少電極的阻抗，優選地， 金屬層由具有高導電性的金屬形成，例如Ag、 Cu、 Au、 Al等。當將n型歐 姆電極按照這種層壓形成時為了減小施加到TiW合金層上的熱應力，優選 地，將金屬層形成為Au層或Au層與其他金屬層的層壓疊片。這是因為Au 是較軟的並且是易於變形的金屬。通過減小施加到TiW合金層上的熱應 力，可以防止諸如變形和n型歐姆電極分離、以及n型歐姆電極和n型GaN 基半導體之間的接觸不穩定性之類的問題發生。認為該效應當將Au層直 接層壓到TiW合金層上時是特別顯著的。當n型歐姆電極是上述層壓疊片 時，在層壓疊片的表面上暴露的層，即在TiW合金層上層壓的金屬層的頂 層由諸如Au、鉑族元素等之類的化學穩定金屬組成，從而改善了對於n 型歐姆電極侵蝕的抵抗力。當n型歐姆電極也用作接觸電極時，優選地， 頂層是Au層。當n型歐姆電極是上述層壓疊片並且將要層壓到TiW合金層 上的金屬層包含A1層時，所述電極表現出退化的熱阻。因此，從熱阻的 方面來看，優選的是金屬層不包含A1。當將包含Au層的金屬層層壓到TiW 合金層上時，考慮熱阻，優選的是形成只包括具有與Au相同熔點或比Au 更高熔點的金屬層。在本發明的半導體元件中的n型歐姆電機和n型GaN基半導體之間的 歐姆接觸不是通過包含Rh的化學反應的產物的反應產生的，與在 JP-A-11-8410公開的電極不同。因此，當在本發明的半導體元件中的n 型歐姆電極是上述層壓疊片時，將要層壓到TiW合金層的金屬層可以是不 含Rh的。在本發明的半導體元件中，可以省略n型歐姆電極的熱處理。這是 因為在TiW合金層處與n型GaN基半導體接觸的n型歐姆電極表現出不會引 起實際問題的較低水平的接觸阻抗，甚至無需熱處理。當可以省略n型歐 姆電極的熱處理時，提供的優勢是可以縮短生產所需的時間，並且可 以增加半導體元件的生產工藝設計的自由度。此外，當省略熱處理時， 由其自身解決了由於熱處理導致的電極表面變粗糙的問題。因此，n型歐 姆電極適用於同樣用作接觸電極的電極。另一方面，在本發明的半導體元件中，可以任意地執行n型歐姆電 極的熱處理。只要沒有削弱所需性質，可以依賴於電極的熱阻適當地設 定熱處理的溫度和時間。作為用於熱處理的氣氛氣體，優選地，使用諸 如氮氣、稀有氣體等之類的惰性氣體。當n型歐姆電極是上述層壓疊片時， 可以在完成層壓疊片的形成之後施加所述熱處理。可選地，例如可以當 形成TiW合金層時施加所述熱處理，並且隨後可以將金屬層層壓到TiW合 金層上。當將熱處理施加到n型歐姆電極時，可能發生n型GaN基半導體的 成分擴散到TiW合金層中或TiW合金的成分擴散到n型GaN基半導體中。然 而，只要沒有削弱本發明的效果，這種擴散是可接受的。 示例通過參考示例下面將詳細解釋本發明，所述示例並非是限制性的。 〈實驗性示例1，(示例l、比較示例l)〉準備具有如圖l所示結構的GaN基半導體元件並且對其進行評估。圖 l中所示的GaN基半導體元件100是具有以下結構的發光二極體:將第一緩 衝層2、第二緩衝層3、 n型接觸層4、有源層5、 p型蓋層6和p型接觸層7 按這種順序層壓到襯底l上。在n型接觸層4上，形成了與n型接觸層4進行 歐姆接觸的n側電極Pl。在p型接觸層7上，形成了與p型接觸層7進行歐姆 接觸的P側電極P2。P側電極由在p型接觸層7的整個表面上形成的p側歐姆 電極P21組成，並且p側接合電極P22與p側歐姆電極P21電連接。GaN基半 導體元件100準備如下。 (晶體生長)將藍寶石襯底l (直徑2英寸)設置在MOVPE生長爐中，在流動氫氣 的同時將襯底溫度升高到110(TC，從而清潔襯底l的表面。然後，將襯底 溫度降到500。C，並且使用氫氣作為載氣以及氨氣和TMG (三甲基鎵)作 為啟動開始材料氣體在襯底l上生長膜厚約30nm的由GaN組成的第一緩衝 層2。然後，停止TMG的供應，並且將襯底溫度升高到100(TC。使用TMG 和氨氣作為開始材料氣體，生長膜厚約2微米的非摻雜GaN組成的第二緩 衝層3。然後，另外地提供矽烷氣體以生長膜厚3微米的n型接觸層4，由 摻雜Si(矽)的GaN構成以實現約5X107cm3的濃度。然後，停止供應TMG 和矽烷氣體，將襯底溫度降低到80(TC，並且使用TMG、 TMI (三甲基銦)、 矽垸氣體和氨氣，交替地生長由InxGanN組成的壘層和InyGa卜yN (y〉x)組 成的阱層，以形成兩端具有壘層的多量子阱結構的有源層5。將壘層的膜 厚設定為10nm，並且將阱層的膜厚設定為2nm。此外，對阱層中In組分y 進行調節以實現400nm的激射波長。然後，停止供應TMG、 TMI、和矽垸氣 體，再次將襯底溫度升高到100(TC，使用TMG、 TMA (三甲基鋁)氨氣和 (EtCp) 2Mg(雙茂基鎂)將由摻雜有約5 X 107cm3濃度的Mg(鎂)的Al。. !Ga。. 9N 構成的p型蓋層6生長為膜厚30nm。然後，停止TMA的供應，並且將摻雜有
約8X107cm3濃度的Mg的GaN構成的p型接觸層7生長為膜厚120nm。在完 成P型接觸層7的生長之後，停止襯底加熱，停止除了氨氣之外的開始材 料氣體的供應，並且將襯底溫度降低到室溫。其後，為了激活摻Mg的p 型蓋層6和摻鎂的p型接觸層7中的鎂，在RTA設備(快速熱退火設備)中 的氮氣氛圍下執行90(TC的熱處理1分鐘。 (P側歐姆電極的形成)接下來，形成P側歐姆電極P21，其中通過電子束蒸發將Pd層(膜厚 30nm)、 Au層(膜厚100nm)和Ni層(膜厚10nm)按照該順序層壓到p型接 觸層7 (晶片頂層)的表面上。如圖l (a)所示，當從頂部觀看時p側歐 姆電極P21具有正交的晶格圖案。換句話說，p側歐姆電極P21是開口電極， 其中沿膜的長度和寬度規則地設置了大量穿透電極膜的正方形開口，並 且將P側接觸層7的表面從開口中暴露出來。針對正方形的一邊開口的尺 寸是8微米，並且針對長度和寬度相鄰開口之間的距離(電極部分的寬度) 是2微米。通過傳統剝離方法對p側歐姆電極P21進行構圖。即，在p型接 觸層7的表面上形成通過光刻構圖為預定形狀的抗蝕劑膜，在所述抗蝕劑 膜上形成具有上述層壓結構的電極膜並且對抗蝕劑掩模進行剝離，從而 去除了在抗蝕劑掩模上沉積的電極膜。使用RTA設備，對p側歐姆電極P21 進行熱處理。其後，熱處理的條件是氮氣氛圍、50(TC和1分鐘。 (n側電極的形成)接下來，在其上形成了p側歐姆電極P21的p型接觸層7上形成具有給 定形狀的抗蝕劑掩模。通過使用氯氣的RIE(反應離子刻蝕)，從p型接觸 層7—側對所述層進行刻蝕，以如圖l所示暴露n型接觸層4的表面。在暴 露之後，通過RF濺射將TiW合金層(膜厚100nm)、 Au層(膜厚100nm)、 Pt 層(膜厚80nm)、 Au層(膜厚80nm)、 Pt層(膜厚80nm)、 Au層(膜厚80nm)、 Pt層(膜厚80nnO和Au層(膜厚80nm)按照這種順序層壓到n型接觸層4 的表面上，從而形成n側電極Pl。對於通過RF濺射形成TiW合金層，使用 Ti-W耙(三菱材料公司製造的，產品名稱4N W-10w1:96Ti靶)作為靶， 使用Ar (氬氣)作為濺射氣體，並且採用200W的RF功率、1.0X10—'Pa的 濺射氣壓。Ti-W靶的Ti含量為lO. 16wt% (通過吸光測定法獲得的分析值)
和15卯m的Fe (鐵)作為雜質(通過ICP獲得的分析值)。如在p側歐姆電 極P21的構圖中的剝離方法對n側電極P1進行構圖。 (形成P側接合電極) 接下來，通過電子束蒸發在p側歐姆電極P21上形成p側接合電極 P22，其中將具有膜厚20nm的Ti和具有膜厚600nm的Au按照這種順序層壓。 然後，使用等離子體CVD，形成由Si02構成的鈍化膜(未示出，膜厚300mn) 以覆蓋除了n側電極Pl和p側接合電極P22之外的晶片表面。隨後，使用RTA 設備，對n側電極Pl和p側接合電極P22進行熱處理。熱處理的條件是氮氣 氛圍、50(TC和1分鐘。按照這種方式，在晶片上形成了350微米的正方形 發光二極體(示例l)。 (評估)將通過上述步驟準備的發光二極體元件無需元件分離(切割為芯 片)如在晶片上形成的那樣進行評估。圖2示出了利用差分幹涉顯微鏡對 n側電極Pl的表面的觀察圖像。如圖2所示，n側電極Pl的表面是平坦的並 且沒有變粗糙。儘管在電極的中心觀察到了多條對角線，他們是在與自 動探測器的探針接觸時的電學性質評估過程中的產生的劃痕，並且不會 表現出表面粗糙度。利用自動探測器測量使20mA的正向電流在元件中流 過時的Vf (正向電壓)，並且發現是3.4V。該值是作為具有400nm激射波 長的發光二極體的Vf的標準值。由此應該理解的是n側電極Pl和n型接觸 層4的接觸電阻足夠低以避免實際問題。這也意味著在n側電極Pl和n型接 觸層4之間形成了良好的歐姆接觸。圖3所示的是沿n側電極Pl的深度方向 成分分析的結果，所述結果是使用俄歇電子譜(AES)獲得。根據圖3， 應該理解的是n側電極Pl和n型接觸層4在TiW合金層處接觸。此外，還應 該理解的是Ti W合金層中Ti和W的成分比沿厚度方向實質恆定。為了比較，通過與用於上述元件相同的方法準備了具有與上述元件 (示例l)相同結構的發光二極體元件(比較示例l)，不同之處在於n側 電極是通過電子束蒸發形成的A1層(膜厚600nm)。作為比較示例l元件評 估的結果，儘管利用自動探測器測量的Vf與示例l的元件是相同的水平， n側電極的表面顯著地變粗糙了。
〈實驗性示例2 (示例2、比較示例2) >通過MOVPE準備了試驗晶片GaN緩衝層，其中在藍寶石襯底(直徑2 英寸)上低溫生長了摻雜Si的GaN層。電極A和電極B的以下兩種類型的電極在所述緩衝層上形成，並且對所述電極進行評估。電極A:通過將TiW合金層(膜厚100nm)和Au層(膜厚100nm)按照 這種順序層壓，並且在50(TC施加熱處理1分鐘來形成(示例2)。電極B:通過將A1層(膜厚100nm)和Au層(膜厚100nm)按照這種 順序層壓，並且在40(TC施加熱處理1分鐘來形成(比較示例2)。在電極A和電極B中包含的相應金屬層通過RF濺射來形成。對於在電 極A和電極B中包含的TiW合金層的膜形成條件與用於在實驗性示例l中使 用的TiW合金層的條件相同。通過光刻和剝離對電極進行構圖。對於光刻， 使用在實驗性示例1中的n側電極P1的構圖所使用的光刻掩模。圖4示出了通過差分幹涉顯微鏡對電極A表面的觀察圖像。此外，圖 5示出了通過差分幹涉顯微鏡對電極B的表面的觀察圖像。如圖4所示，盡 管熱處理是500。C，通過首先在摻雜Si的GaN層上形成TiW合金層、然後將 Au層層壓到TiW合金層上形成的電極A的表面是平坦的並且沒有變粗糙. 測量電極A表面的算術平均粗糙度Ra並且發現是O. 014微米.因為作為用 於電極形成的底座表面的摻雜Si的GaN層的Ra是約O. 004微米，電極A表面 的Ra小於等於底座表面的4倍。相反，如圖5所示，儘管熱處理溫度是400 °C，通過形成Al層並且隨後在Al層上層壓TiW層和Au層得到的電極B的表 面明顯是粗糙的。測量電極B表面的算術平均粗糙度Ra，並且發現是0.07 微米。這是作為底座表面的摻雜Si的GaN層表面粗糙度的18倍。圖6示出了沿電極B的深度方向的成分分析的結果，使用俄歇電子譜 獲得。如圖6所示，在電極B中，在TiW合金層上形成的Au層中的Au越過TiW 合金層擴散至A1層一側，並且在與摻雜Si的GaN層靠近的部分中存在Al 和Au兩者。Al也越過TiW合金層擴散至擴散至Au層一側。根據實驗性示例 2，應該理解的是具有與摻雜Si的GaN層接觸的TiW合金層的電極A表現出 良好的熱阻，但是具有沒有與摻雜Si的GaN層接觸的TiW合金層的電極B 表現出較低的熱阻。認為電極B的較低熱阻的原因之一是電極B中A1層的
存在，所述鋁層具有低熔點以及與GaN明顯不同的熱膨脹係數。公知的通過使用Ti-W靶進行濺射形成的TiW合金薄膜中包含的Ti濃 度傾向於小於靶的Ti含量，小於等於靶中Ti含量的8(m (JP-A-5-295531， USP5,470,527)。在上述實驗性示例1和實驗性示例2中，因為使用包含 10wt呢的Ti的Ti-W耙，認為在這些實驗性示例中準備的樣品的n型歐姆電 極中包含的TiW合金層中的Ti濃度小於等於8wt呢。〈實驗性示例3 (示例3和4、比較示例3和4)〉用於評估的樣品準備如下。按照與實驗性示例l相同的方式，將從 第一緩衝層到P型接觸層的GaN基半導體層生長到藍寶石襯底上以給出具 有發光二極體結構的GaN基半導體層壓疊片的晶片。接下來，省略p側歐 姆電極的形成，形成n側電極。按照與實驗性示例l相同的方式，在通過 RIE暴露的n型接觸層(具有約5X107cn]3Si濃度的摻雜Sin型GaN)的表 面上形成n側電極。n側電極是以下四種類型(樣品A-樣品D)。樣品A:由TiW合金層(膜厚100nm)和在TiW合金層上層壓的Au層(膜 厚100nm)組成的n側電極(示例3)。樣品B:由W層(膜厚100nm)和在W層上層壓的Au層(膜厚100nm) 組成的n側電極(比較示例3)。樣品C:由Ti層(膜厚100nm)和在Ti層上層壓的Au層(膜厚100nm) 組成的n側電極(比較示例4)。樣品D:由TiW合金層(膜厚100nm)和在TiW合金層上按照下述 順序層壓的Au層(膜厚100nm)、 Pt (膜厚80nm)、 Au層(膜厚80nm)、 Pt層(膜厚80nm)、 Au層(膜厚80nm)、 Pt層(膜厚80nm)和Au層(膜 厚80nm)組成的n側電極(示例4)。通過RF濺射形成在各個樣品的n側電極中包含的相應金屬層。用 於在樣品A和樣品D中包含的TiW合金層的膜形成條件與在實驗性示例 1中使用的TiW合金層的形成條件相同。然而，如在實驗性示例1中， 使用包含10wt%Ti的Ti-W靶形成樣品A的TiW合金層，而使用包含 90wt%Ti的Ti-W靶形成樣品D的TiW合金層。認為在樣品D中的TiW合 金層的Ti濃度約小於等於70wt%。針對任一個樣品按照與實驗性示例1
相同的方式對n側電極進行構圖。使用按照這種方式形成n側電極的晶 片作為用於評估的樣品。 (熱處理前的評估)基於使晶片上的兩個相鄰元件的n側電極之間流過20mA電流所需 的電壓(在下文中也稱為"n-n電壓")對每一個樣品的n側電極的接觸 阻抗進行評估。因為與n型接觸層內部的電流共生的電壓降可以忽略地 小，n-n電壓反映n側電極和n型接觸層之間的接觸阻抗。換句話說， 具有較高n-n電壓的樣品在n側電極和n型接觸層之間具有較高的接觸 阻抗。利用自動探測器測量具有通過濺射形成的n側電極的每一個樣品 的n-n電壓。結果如下。樣品A: 0. 3V。樣品B: 0. 7V。樣品C: 0.2V0樣品D: 0.3V。樣品A和樣品D的n-n電壓實質上與示例1的樣品分離地測量的n-n 電壓0.2V等效。由此，應該理解的是可以使用在TiW合金層處與n型 GaN基半導體接觸的電極作為所形成的具有較低接觸阻抗的歐姆電極。 利用差分幹涉顯微鏡觀察樣品A和樣品D的電極表面，並且發現相當平 整。儘管樣品A的電極在包含相對較低濃度(如上所述認為不超過8%) Ti的TiW合金層處與n型接觸層接觸，值得注意的是樣品A的n-n電壓 不超過具有電極的樣品B的n-n電壓的一半，所述電極在W層處與n型 接觸層接觸。這暗示著在樣品A的電極中的TiW合金層的性質不是Ti 和W性質的簡單平均。還應該理解的是在沒有熱處理的情況下，在TiW 合金層處與n型GaN基半導體接觸的電極的接觸阻抗幾乎不依賴於TiW 合金層的Ti濃度，因為樣品A和樣品D的n-n電壓是相等的。這意味著 該電極具有穩定的性質並且易於生產。 (熱處理之後的評估)接下來，使各個樣品在氮氣氛圍下進行50(TC的熱處理1分鐘。熱 處理之後各個樣品的n-n電壓如下。 樣品A: 0.2V。 樣品B: 0.7V。 樣品C: 2.4V。 樣品D: 3.2V。觀察熱處理之後的電極表面。結果，樣品A和樣品B的電極表面處 於良好的情況，即平坦而且沒有變粗糙，而樣品C和樣品D的電極表面 是粗糙的。應該理解的是因為在樣品A中電極的表面沒有通過熱處理而變粗 糙，並且n-n電壓沒有通過熱處理實質上改變，將要與通過使用包含 10wt%Ti的Ti-W靶的濺射形成的TiW合金層處與n型GaN基半導體接觸 的電極具有相當良好的熱阻。還應該理解的是可以在實驗室裡3中採 用的條件下的熱處理之後使用通過濺射形成的該電極。當施加熱處理時， 穩定了電極的結構。因此，可以防止當使用期間將所述元件暴露到高溫 時電極性質的根本變化。相反，在使用Ti含量為90wty。的靶形成的TiW合金層處與n型接觸 層接觸的樣品D的電極明顯地示出了由於熱處理導致的增加的n-n電壓 和退化的表面。該趨勢對於在Ti層與n型接觸層接觸的樣品C的電極是 普遍的。根據這些結果，應該理解的是在實驗性示例3中採用的熱處理 條件對於在通過使用包含90wt%Ti的Ti-W靶的濺射形成的TiW合金層處 與n型GaN基半導體接觸的電極是嚴格的。本發明不局限於上述示例，並且在不脫離本發明要旨的情況下可以 按照各種方式進行修改。例如，在圖1所示的GaN基半導體元件100中， P側接合電極P22可以具有與n側電極Pl相同的結構，在這種情況下可 以通過相同的步驟形成所述電極，因此簡化了生產工藝。本申請是基於在日本遞交的專利申請No. 2005-112610和 2006-31741，將其全部內容一併在此作為參考。
權利要求
1.一種半導體元件，包括n型氮化鎵基化合物半導體的半導體元件，以及與所述半導體歐姆接觸的電極，其中所述電極具有與所述半導體接觸的TiW合金層。
2. 根據權利要求1所述的半導體元件，其中所述TiW合金層具有 小於等於70wt9&的Ti濃度。
3. 根據權利要求2所述的半導體元件，其中所述TiW合金層具有 小於等於40wty。的Ti濃度。
4. 根據權利要求3所述的半導體元件，其中所述TiW合金層具有 小於等於8wt9&的Ti濃度。
5. 根據權利要求1至4任一項所述的半導體元件，其中所述TiW 合金層具有大於等於4wty。的Ti濃度。
6. 根據權利要求1所述的半導體元件，其中沿TiW合金層的厚度 方向，所述TiW合金層的W-Ti成分比實質上恆定。
7. 根據權利要求1所述的半導體元件，其中通過使用Ti含量小於 等於90wty。的Ti-W耙進行濺射來形成TiW合金層。
8. 根據權利要求7所述的半導體元件，其中通過使用Ti含量為 10wt。/。的Ti-W耙進行濺射來形成TiW合金層。
9. 根據權利要求4或8所述的半導體元件，其中所述電極是熱處 理過的。
10. 根據權利要求1至9任一項所述的半導體元件，其中所述電極 具有在TiW合金層上層壓的金屬層。
11. 根據權利要求10所述的半導體元件，其中所述金屬層包括Au層。
12. 根據權利要求11所述的半導體元件，其中所述層包括在上述 TiW合金層上直接層壓的Au層。
13. 根據權利要求ll所述的半導體元件，其中所述金屬層由Au的 單層構成，或者由具有Au層作為頂層的層壓疊片構成。
14. 根據權利要求11所述的半導體元件，其中所述金屬層只包括 具有與Au相同熔點或比Au更高熔點的金屬。
15. 根據權利要求10所述的半導體元件，其中所述金屬層不含Rh。
16. 根據權利要求1至15任一項所述的半導體元件，其中電極表 面具有小於等於0. 02微米的算術平均粗糙度Ra。
17. —種用於生產半導體元件的方法，所述方法包括形成TiW合 金層作為n型氮化鎵基化合物半導體的表面上的電極的一部分的步驟。
18. 根據權利要求17所述的生產方法，其中通過使用Ti-W靶進行 濺射來形成TiW合金層。
19. 根據權利要求18所述的生產方法，其中所述TiW合金層具有 小於等於70wt。/。的Ti濃度。
20. 根據權利要求18所述的生產方法，其中所述方法還包括對 TiW合金層進行熱處理的步驟。
全文摘要
本發明的目的是提供一種包含n型氮化鎵基化合物半導體和與所述半導體進行歐姆接觸的新型電極的半導體元件。本發明的半導體元件具有n型氮化鎵基化合物半導體和形成與所述半導體的歐姆接觸的電極，其中所述電極具有將要與所述半導體接觸的TiW合金層。根據優選實施例，上述電極也可以用作接觸電極。根據優選實施例，上述電極具有優異的熱阻。此外，還提出了所述半導體元件的生產方法。
文檔編號H01L33/00GK101156253SQ200680011218
公開日2008年4月2日 申請日期2006年4月4日 優先權日2005年4月8日
發明者岡川廣明, 城市隆秀, 高野剛志 申請人:三菱電線工業株式會社