專利名稱：半導(dǎo)體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件及其制造方法，所述半導(dǎo)體元件包括n 型氮化鎵基化合物半導(dǎo)體和與所述半導(dǎo)體進行歐姆接觸的電極。
背景技術(shù)：
氮化鎵基化合物半導(dǎo)體(在下文中也稱作"GaN基半導(dǎo)體")是一種 通過以下化學(xué)式表示的in族氮化物構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體 AlJnbGa卜a-bN((Ka^1, (Kb^l, (Ka+b^l)，所述GaN基半導(dǎo)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(xué)式的化合物半導(dǎo)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(dǎo)體中。近年來，發(fā)射具有從綠光到紫外光波長的光的諸如發(fā)光二極管 (LED)、激光二極管(LD)等之類的GaN基半導(dǎo)體發(fā)光元件已經(jīng)實踐并 且引起了注意.該發(fā)光元件具有通過將n型GaN基半導(dǎo)體和p型GaN基半 導(dǎo)體連接形成的pn結(jié)二極管結(jié)構(gòu)作為基本機構(gòu)。簡單地說，根據(jù)發(fā)光元 件的發(fā)光機制，當(dāng)注入到n型GaN基半導(dǎo)體中的電子和注入到p型GaN 基半導(dǎo)體中的正空穴在pn結(jié)及其附近再次接合失去能量時，發(fā)射出與所 述能量相對應(yīng)的光。在這種元件中，將與n型GaN基半導(dǎo)體進行歐姆接 觸的電極(在下文中也稱作"n型歐姆電極")用于將電極有效地注入到 n型GaN基半導(dǎo)體中。在LED中， 一般采用其中n型歐姆電極也用作接 觸電極的結(jié)構(gòu)。接觸電極是一種將用于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(xiàn)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(dāng)接合性較弱時，
可能會在芯片安裝工藝中出現(xiàn)缺陷。傳統(tǒng)地，己經(jīng)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(gòu)成，他們表現(xiàn)出較低的熱阻，例如當(dāng)施 加熱處理時可能易于變形。這是由以下事實引起的鋁具有較低熔點， 因為與GaN基半導(dǎo)體等相比鋁的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)大，熱應(yīng)力易于發(fā)展到 電極內(nèi)部。此外，當(dāng)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線的接合性和潤濕性。因 此，在芯片安裝過程中產(chǎn)量傾向于較低。為了解決該問題，已經(jīng)建議了 一種電極(JP A-7-221103， USP 5,563,422)，其中在由具有相當(dāng)高熔點 的金屬構(gòu)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(dǎo)體接觸。熱處理使電極表面粗糙，并且可能退化與接合線或焊料 的接合性。該電極與難以生產(chǎn)具有良好可再現(xiàn)性的相同性質(zhì)的問題相關(guān) 聯(lián)，因為由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的Al和Au的擴散狀態(tài)影響熱處理之后與n型 GaN基半導(dǎo)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)層并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(dǎo)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(guān)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)品起 某種作用。由此期望除非在將這三層層壓的調(diào)節(jié)下并且嚴(yán)格地控制控制 在電極形成時隨后的熱處理的條件，否則不能穩(wěn)定所獲得電極的性質(zhì)。 因此，認(rèn)為使用該電極的半導(dǎo)體元件不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。發(fā)明內(nèi)容考慮到這種情況已經(jīng)實現(xiàn)了本發(fā)明，并且旨在提供包括新型歐姆電 極的半導(dǎo)體元件，所述歐姆電極與n型GaN基半導(dǎo)體形成良好的歐姆接 觸。本發(fā)明還旨在提供一種包括n型歐姆電極的半導(dǎo)體元件，優(yōu)選地， 可以所述n型歐姆電極作為接觸電極。此外，本發(fā)明旨在提供一種包括
熱阻優(yōu)異的n型歐姆電極的半導(dǎo)體元件。此外，本發(fā)明旨在提供一種上 述半導(dǎo)體元件的生產(chǎn)方法。 本發(fā)明的特征如下。(1) 包括n型氮化鎵基化合物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體元件，以及與所述 半導(dǎo)體歐姆接觸的電極，其中所述電極具有與所述半導(dǎo)體接觸的TiW合 金層。(2) 以上(1)的半導(dǎo)體元件，其中所述TiW合金層具有小于等于 70wt。/。的Ti濃度。(3) 以上(2)的半導(dǎo)體元件，其中所述TiW合金層具有小于等于 40wty。的Ti濃度。(4) 以上(3)的半導(dǎo)體元件，其中所述TiW合金層具有小于等于 8wt96的Ti濃度。(5) 以上(1) 一 (4)任一個的半導(dǎo)體元件，其中所述TiW合金 層具有大于等于4wt。/。的Ti濃度。(6) 以上(1)的半導(dǎo)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(zhì)上恒定。(7) 以上(l)的半導(dǎo)體元件，其中通過使用Ti含量小于等于90wt% 的Ti-W耙進行濺射來形成TiW合金層。(8) 以上(1)的半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體元件，其中所述金屬層包括Au層。(12) 以上(11)的半導(dǎo)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(dǎo)體元件，其中所述金屬層由Au的單層構(gòu) 成，或者由具有Au層作為頂層的層壓疊片構(gòu)成。(14) 以上(11)的半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體元件，其中電極表面具 有小于等于0. 02微米的算術(shù)平均粗糙度Ra。(17) 用于生產(chǎn)半導(dǎo)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(dǎo)體的表面上的電極的一部分的步驟。(18) 以上(17)的生產(chǎn)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(chǎn)方法，其中所述TiW合金層具有小于等于 70wt。/。的Ti濃度。(20) 以上(18)的生產(chǎn)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(fā)明中，所述TiW合金實質(zhì)上只由Ti和W (鎢)組成。根據(jù)本 發(fā)明，可以獲得包括n型歐姆電極的半導(dǎo)體元件，所述n型歐姆電極形 成與n型GaN基半導(dǎo)體的良好歐姆接觸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，可 以獲得包括n型歐姆電極的半導(dǎo)體元件，優(yōu)選地使用所述n型歐姆電極 作為接觸電極。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，可以獲得包括熱阻較好的n 型歐姆電極的半導(dǎo)體元件。


圖1是本發(fā)明實施例氮化鎵基化合物半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)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示出了差分干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(jié)果。圖4示出了通過差分干涉顯微鏡的電極表面的觀察圖像。圖5示出了通過差分干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(jié)果。圖1中符號的意思如下.-1襯底、2第一緩沖層、3第二緩沖層、4 n型接觸層、5有源層、 6 p型包層、7 p型接觸層、Pl n側(cè)電極、P2 p側(cè)電極、P21 p側(cè)歐姆 電極、P22 p側(cè)接合電極、100半導(dǎo)體元件。
具體實施方式
本發(fā)明可以應(yīng)用于包括n型GaN基半導(dǎo)體和電極的任意元件，所述電 極形成與半導(dǎo)體的歐姆接觸，即n型歐姆電極。本發(fā)明的半導(dǎo)體元件包括 除了GaN基半導(dǎo)體之外的半導(dǎo)體構(gòu)成的部分。典型地，本發(fā)明的半導(dǎo)體元 件是發(fā)光元件?？蛇x地，例如所述半導(dǎo)體元件可以是光接收元件或注入 晶體管之類的電子元件。在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，其上形成n型歐姆電極的n型GaN基半導(dǎo) 體可以具有任意成分。n型GaN基半導(dǎo)體可以是非摻雜或摻雜有雜質(zhì)的， 只要其表現(xiàn)出n型導(dǎo)電性。優(yōu)選地，與TiW合金層接觸的n型GaN基半導(dǎo)體 是ALGa卜xN ((fe^0.2)。此外，優(yōu)選地，與TiW合金層接觸的n型GaN基半 導(dǎo)體具有1X 107cm3 1 X 1(fVcm3的載流子濃度，優(yōu)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(zhì)控制處于上述 優(yōu)選濃度范圍的載流子濃度的n型GaN基半導(dǎo)體是優(yōu)選的。這種類型的n 型雜質(zhì)沒有限制，并且諸如Si、Ge等之類的任意已知n型雜質(zhì)可應(yīng)用于GaN 基半導(dǎo)體。在本發(fā)明的半導(dǎo)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(dǎo) 體。n型GaN基半導(dǎo)體可以產(chǎn)生為襯底上的薄膜，或者可以是襯底。在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，n型歐姆電極也用作接觸電極?？蛇x地， 除了n型歐姆電極之外，半導(dǎo)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(dāng)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(xiàn)出電極與接合線或焊料的更好接合狀態(tài)，這使用自動 機器提高了接合工藝中的產(chǎn)量。具體地，也用作接觸電極的n型歐姆電極 表面的算術(shù)平均粗糙度Ra優(yōu)選地小于等于O. 02微米。對于本發(fā)明的半導(dǎo)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，并且可以適當(dāng)?shù)厥褂眯纬蒚iW合金薄膜的傳統(tǒng)公知方法。 優(yōu)選地，可以通過使用濺射形成TiW合金層?？梢愿鶕?jù)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(shù)可知Ti-W耙的細節(jié)。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(zhì)。TiW合金層包含這種難以從開始材料去除的雜質(zhì)是可以接受的。在本發(fā)明的半導(dǎo)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(yōu)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(dāng) Ti-W靶中的Ti含量小于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，并且據(jù)說所述膜易于從襯底上分離 (USP 5,470，527)。當(dāng)Ti-W耙的Ti含量小于5wt呢時，形成的TiW合金層具 有小于4wt。/。的Ti濃度，并且因此優(yōu)選地，TiW合金層具有不小于4wt9i的Ti 濃度。如在以下實驗性示例中所示，當(dāng)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(yōu)先地，TiW合金層的Ti 濃度小于等于40wt。/。，更優(yōu)選地，小于等于20wty。，更優(yōu)選地，小于等于 8wt%。在TiW合金層中，優(yōu)選地，W和Ti的成分比沿所述層的厚度方向?qū)嵸|(zhì) 恒定。當(dāng)W和Ti的成分比恒定時，因為缺乏密度梯度，不會發(fā)生W原子和 Ti原子的擴散。因此，當(dāng)將半導(dǎo)體元件放置在高溫環(huán)境中時，已知了n 型歐姆電極的性質(zhì)變化。在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，n型歐姆電極可以是由與n型GaN基半導(dǎo) 體接觸的TiW合金層和在TiW合金層上層壓的金屬層構(gòu)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(jié)構(gòu)。為了減少電極的阻抗，優(yōu)選地， 金屬層由具有高導(dǎo)電性的金屬形成，例如Ag、 Cu、 Au、 Al等。當(dāng)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(yīng)力，優(yōu)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 是較軟的并且是易于變形的金屬。通過減小施加到TiW合金層上的熱應(yīng) 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(dǎo)體之間的接觸不穩(wěn)定性之類的問題發(fā)生。認(rèn)為該效應(yīng)當(dāng)將Au層直 接層壓到TiW合金層上時是特別顯著的。當(dāng)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(xué)穩(wěn)定金屬組成，從而改善了對于n 型歐姆電極侵蝕的抵抗力。當(dāng)n型歐姆電極也用作接觸電極時，優(yōu)選地， 頂層是Au層。當(dāng)n型歐姆電極是上述層壓疊片并且將要層壓到TiW合金層 上的金屬層包含A1層時，所述電極表現(xiàn)出退化的熱阻。因此，從熱阻的 方面來看，優(yōu)選的是金屬層不包含A1。當(dāng)將包含Au層的金屬層層壓到TiW 合金層上時，考慮熱阻，優(yōu)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(fā)明的半導(dǎo)體元件中的n型歐姆電機和n型GaN基半導(dǎo)體之間的 歐姆接觸不是通過包含Rh的化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物的反應(yīng)產(chǎn)生的，與在 JP-A-11-8410公開的電極不同。因此，當(dāng)在本發(fā)明的半導(dǎo)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(fā)明的半導(dǎo)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(dǎo)體接觸的n型歐姆電極表現(xiàn)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(dāng)可以省略n型歐 姆電極的熱處理時，提供的優(yōu)勢是可以縮短生產(chǎn)所需的時間，并且可 以增加半導(dǎo)體元件的生產(chǎn)工藝設(shè)計的自由度。此外，當(dāng)省略熱處理時， 由其自身解決了由于熱處理導(dǎo)致的電極表面變粗糙的問題。因此，n型歐 姆電極適用于同樣用作接觸電極的電極。另一方面，在本發(fā)明的半導(dǎo)體元件中，可以任意地執(zhí)行n型歐姆電 極的熱處理。只要沒有削弱所需性質(zhì)，可以依賴于電極的熱阻適當(dāng)?shù)卦O(shè) 定熱處理的溫度和時間。作為用于熱處理的氣氛氣體，優(yōu)選地，使用諸 如氮氣、稀有氣體等之類的惰性氣體。當(dāng)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后施加所述熱處理?？蛇x地，例如可以當(dāng) 形成TiW合金層時施加所述熱處理，并且隨后可以將金屬層層壓到TiW合 金層上。當(dāng)將熱處理施加到n型歐姆電極時，可能發(fā)生n型GaN基半導(dǎo)體的 成分?jǐn)U散到TiW合金層中或TiW合金的成分?jǐn)U散到n型GaN基半導(dǎo)體中。然 而，只要沒有削弱本發(fā)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(fā)明，所述示例并非是限制性的。 〈實驗性示例1，(示例l、比較示例l)〉準(zhǔn)備具有如圖l所示結(jié)構(gòu)的GaN基半導(dǎo)體元件并且對其進行評估。圖 l中所示的GaN基半導(dǎo)體元件100是具有以下結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管:將第一緩 沖層2、第二緩沖層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?qū)訅旱揭r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(cè)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(cè)電極P2。P側(cè)電極由在p型接觸層7的整個表面上形成的p側(cè)歐姆 電極P21組成，并且p側(cè)接合電極P22與p側(cè)歐姆電極P21電連接。GaN基半 導(dǎo)體元件100準(zhǔn)備如下。 (晶體生長)將藍寶石襯底l (直徑2英寸)設(shè)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。然后，將襯底 溫度降到500。C，并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組成的第一緩沖 層2。然后，停止TMG的供應(yīng)，并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 沖層3。然后，另外地提供硅烷氣體以生長膜厚3微米的n型接觸層4，由 摻雜Si(硅)的GaN構(gòu)成以實現(xiàn)約5X107cm3的濃度。然后，停止供應(yīng)TMG 和硅烷氣體，將襯底溫度降低到80(TC，并且使用TMG、 TMI (三甲基銦)、 硅垸氣體和氨氣，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(jié)構(gòu)的有源層5。將壘層的膜 厚設(shè)定為10nm，并且將阱層的膜厚設(shè)定為2nm。此外，對阱層中In組分y 進行調(diào)節(jié)以實現(xiàn)400nm的激射波長。然后，停止供應(yīng)TMG、 TMI、和硅垸氣 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(gòu)成的p型蓋層6生長為膜厚30nm。然后，停止TMA的供應(yīng)，并且將摻雜有
約8X107cm3濃度的Mg的GaN構(gòu)成的p型接觸層7生長為膜厚120nm。在完 成P型接觸層7的生長之后，停止襯底加熱，停止除了氨氣之外的開始材 料氣體的供應(yīng)，并且將襯底溫度降低到室溫。其后，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(shè)備(快速熱退火設(shè)備)中 的氮氣氛圍下執(zhí)行90(TC的熱處理1分鐘。 (P側(cè)歐姆電極的形成)接下來，形成P側(cè)歐姆電極P21，其中通過電子束蒸發(fā)將Pd層(膜厚 30nm)、 Au層(膜厚100nm)和Ni層(膜厚10nm)按照該順序?qū)訅旱絧型接 觸層7 (晶片頂層)的表面上。如圖l (a)所示，當(dāng)從頂部觀看時p側(cè)歐 姆電極P21具有正交的晶格圖案。換句話說，p側(cè)歐姆電極P21是開口電極， 其中沿膜的長度和寬度規(guī)則地設(shè)置了大量穿透電極膜的正方形開口，并 且將P側(cè)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，并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(tǒng)剝離方法對p側(cè)歐姆電極P21進行構(gòu)圖。即，在p型接 觸層7的表面上形成通過光刻構(gòu)圖為預(yù)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(jié)構(gòu)的電極膜并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(shè)備，對p側(cè)歐姆電極P21 進行熱處理。其后，熱處理的條件是氮氣氛圍、50(TC和1分鐘。 (n側(cè)電極的形成)接下來，在其上形成了p側(cè)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(yīng)離子刻蝕)，從p型接觸 層7—側(cè)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 露之后，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?qū)訅旱絥型接觸層4 的表面上，從而形成n側(cè)電極Pl。對于通過RF濺射形成TiW合金層，使用 Ti-W耙(三菱材料公司制造的，產(chǎn)品名稱4N W-10w1:96Ti靶)作為靶， 使用Ar (氬氣)作為濺射氣體，并且采用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(zhì)(通過ICP獲得的分析值)。如在p側(cè)歐姆電 極P21的構(gòu)圖中的剝離方法對n側(cè)電極P1進行構(gòu)圖。 (形成P側(cè)接合電極) 接下來，通過電子束蒸發(fā)在p側(cè)歐姆電極P21上形成p側(cè)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?qū)訅骸?然后，使用等離子體CVD，形成由Si02構(gòu)成的鈍化膜(未示出，膜厚300mn) 以覆蓋除了n側(cè)電極Pl和p側(cè)接合電極P22之外的晶片表面。隨后，使用RTA 設(shè)備，對n側(cè)電極Pl和p側(cè)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(fā)光二極管(示例l)。 (評估)將通過上述步驟準(zhǔn)備的發(fā)光二極管元件無需元件分離(切割為芯 片)如在晶片上形成的那樣進行評估。圖2示出了利用差分干涉顯微鏡對 n側(cè)電極Pl的表面的觀察圖像。如圖2所示，n側(cè)電極Pl的表面是平坦的并 且沒有變粗糙。盡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(xué)性質(zhì)評估過程中的產(chǎn)生的劃痕，并且不會 表現(xiàn)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)，并且發(fā)現(xiàn)是3.4V。該值是作為具有400nm激射波 長的發(fā)光二極管的Vf的標(biāo)準(zhǔn)值。由此應(yīng)該理解的是n側(cè)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(cè)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(cè)電極Pl的深度方向 成分分析的結(jié)果，所述結(jié)果是使用俄歇電子譜(AES)獲得。根據(jù)圖3， 應(yīng)該理解的是n側(cè)電極Pl和n型接觸層4在TiW合金層處接觸。此外，還應(yīng) 該理解的是Ti W合金層中Ti和W的成分比沿厚度方向?qū)嵸|(zhì)恒定。為了比較，通過與用于上述元件相同的方法準(zhǔn)備了具有與上述元件 (示例l)相同結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管元件(比較示例l)，不同之處在于n側(cè) 電極是通過電子束蒸發(fā)形成的A1層(膜厚600nm)。作為比較示例l元件評 估的結(jié)果，盡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(cè)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(zhǔn)備了試驗晶片GaN緩沖層，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沖層上形成，并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?qū)訅?，并且?0(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?qū)訅?，并且?0(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(yīng)金屬層通過RF濺射來形成。對于在電 極A和電極B中包含的TiW合金層的膜形成條件與用于在實驗性示例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(gòu)圖。對于光刻， 使用在實驗性示例1中的n側(cè)電極P1的構(gòu)圖所使用的光刻掩模。圖4示出了通過差分干涉顯微鏡對電極A表面的觀察圖像。此外，圖 5示出了通過差分干涉顯微鏡對電極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、然后將 Au層層壓到TiW合金層上形成的電極A的表面是平坦的并且沒有變粗糙. 測量電極A表面的算術(shù)平均粗糙度Ra并且發(fā)現(xiàn)是O. 014微米.因為作為用 于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小于等于底座表面的4倍。相反，如圖5所示，盡管熱處理溫度是400 °C，通過形成Al層并且隨后在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(shù)平均粗糙度Ra，并且發(fā)現(xiàn)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(jié)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(cè)，并且在與摻雜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(cè)。根據(jù)實驗性示例 2，應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)出較低的熱阻。認(rèn)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明顯不同的熱膨脹系數(shù)。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 度傾向于小于靶的Ti含量，小于等于靶中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(rèn)為在這些實驗性示例中準(zhǔn)備的樣品的n型歐姆電 極中包含的TiW合金層中的Ti濃度小于等于8wt呢?！磳嶒炐允纠? (示例3和4、比較示例3和4)〉用于評估的樣品準(zhǔn)備如下。按照與實驗性示例l相同的方式，將從 第一緩沖層到P型接觸層的GaN基半導(dǎo)體層生長到藍寶石襯底上以給出具 有發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的GaN基半導(dǎo)體層壓疊片的晶片。接下來，省略p側(cè)歐 姆電極的形成，形成n側(cè)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(cè)電極。n側(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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?qū)訅旱腁u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(cè)電極(示例4)。通過RF濺射形成在各個樣品的n側(cè)電極中包含的相應(yīng)金屬層。用 于在樣品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(rèn)為在樣品D中的TiW合 金層的Ti濃度約小于等于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(cè)電極進行構(gòu)圖。使用按照這種方式形成n側(cè)電極的晶 片作為用于評估的樣品。 (熱處理前的評估)基于使晶片上的兩個相鄰元件的n側(cè)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(cè)電極的接觸 阻抗進行評估。因為與n型接觸層內(nèi)部的電流共生的電壓降可以忽略地 小，n-n電壓反映n側(cè)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(cè)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(cè)電極的每一個樣品 的n-n電壓。結(jié)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(zhì)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(yīng)該理解的是可以使用在TiW合金層處與n型 GaN基半導(dǎo)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。 利用差分干涉顯微鏡觀察樣品A和樣品D的電極表面，并且發(fā)現(xiàn)相當(dāng)平 整。盡管樣品A的電極在包含相對較低濃度(如上所述認(rèn)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(zhì)不是Ti 和W性質(zhì)的簡單平均。還應(yīng)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(dǎo)體接觸的電極的接觸阻抗幾乎不依賴于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(wěn)定的性質(zhì)并且易于生產(chǎn)。 (熱處理之后的評估)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 處理之后各個樣品的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。觀察熱處理之后的電極表面。結(jié)果，樣品A和樣品B的電極表面處 于良好的情況，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(yīng)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，并且n-n電壓沒有通過熱處理實質(zhì)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(dǎo)體接觸 的電極具有相當(dāng)良好的熱阻。還應(yīng)該理解的是可以在實驗室里3中采 用的條件下的熱處理之后使用通過濺射形成的該電極。當(dāng)施加熱處理時， 穩(wěn)定了電極的結(jié)構(gòu)。因此，可以防止當(dāng)使用期間將所述元件暴露到高溫 時電極性質(zhì)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于熱處理導(dǎo)致的增加的n-n電壓 和退化的表面。該趨勢對于在Ti層與n型接觸層接觸的樣品C的電極是 普遍的。根據(jù)這些結(jié)果，應(yīng)該理解的是在實驗性示例3中采用的熱處理 條件對于在通過使用包含90wt%Ti的Ti-W靶的濺射形成的TiW合金層處 與n型GaN基半導(dǎo)體接觸的電極是嚴(yán)格的。本發(fā)明不局限于上述示例，并且在不脫離本發(fā)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(dǎo)體元件100中， P側(cè)接合電極P22可以具有與n側(cè)電極Pl相同的結(jié)構(gòu)，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(chǎn)工藝。本申請是基于在日本遞交的專利申請No. 2005-112610和 2006-31741，將其全部內(nèi)容一并在此作為參考。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體元件，包括n型氮化鎵基化合物半導(dǎo)體的半導(dǎo)體元件，以及與所述半導(dǎo)體歐姆接觸的電極，其中所述電極具有與所述半導(dǎo)體接觸的TiW合金層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中所述TiW合金層具有 小于等于70wt9&的Ti濃度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體元件，其中所述TiW合金層具有 小于等于40wty。的Ti濃度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體元件，其中所述TiW合金層具有 小于等于8wt9&的Ti濃度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的半導(dǎo)體元件，其中所述TiW 合金層具有大于等于4wty。的Ti濃度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)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(zhì)上恒定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中通過使用Ti含量小于 等于90wty。的Ti-W耙進行濺射來形成TiW合金層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求4或8所述的半導(dǎo)體元件，其中所述電極是熱處 理過的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的半導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體元件，其中所述金屬層包括Au層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求ll所述的半導(dǎo)體元件，其中所述金屬層由Au的 單層構(gòu)成，或者由具有Au層作為頂層的層壓疊片構(gòu)成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體元件，其中所述金屬層不含Rh。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1至15任一項所述的半導(dǎo)體元件，其中電極表 面具有小于等于0. 02微米的算術(shù)平均粗糙度Ra。
17. —種用于生產(chǎn)半導(dǎo)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(dǎo)體的表面上的電極的一部分的步驟。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的生產(chǎn)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(jù)權(quán)利要求18所述的生產(chǎn)方法，其中所述TiW合金層具有 小于等于70wt。/。的Ti濃度。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的生產(chǎn)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(fā)明的目的是提供一種包含n型氮化鎵基化合物半導(dǎo)體和與所述半導(dǎo)體進行歐姆接觸的新型電極的半導(dǎo)體元件。本發(fā)明的半導(dǎo)體元件具有n型氮化鎵基化合物半導(dǎo)體和形成與所述半導(dǎo)體的歐姆接觸的電極，其中所述電極具有將要與所述半導(dǎo)體接觸的TiW合金層。根據(jù)優(yōu)選實施例，上述電極也可以用作接觸電極。根據(jù)優(yōu)選實施例，上述電極具有優(yōu)異的熱阻。此外，還提出了所述半導(dǎo)體元件的生產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2005年4月8日
發(fā)明者岡川廣明, 城市隆秀, 高野剛志 申請人:三菱電線工業(yè)株式會社