(57)【要約】【課題】ｎ形半導体層に対するコンタクト抵抗を低減した半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置は、ｎ形半導体層と、前記ｎ形半導体層上に設けられ、前記ｎ形半導体層のｎ形不純物となりうる第１元素を含む第１金属層と、前記第１金属層上に設けられ、チタニウムを含む第２金属層と、前記第２金属層上に設けられた第３金属層と、を備える。前記第１金属層と前記第２金属層との界面近傍の領域は、前記ｎ形半導体層のｐ形不純物となりうる第２元素とチタニウムとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ形半導体層と、
前記ｎ形半導体層上に設けられ、前記ｎ形半導体層のｎ形不純物となりうる第１元素を含む第１金属層と、
前記第１金属層上に設けられ、チタニウムを含む第２金属層と、
前記第２金属層上に設けられた第３金属層と、
を備え、
前記第１金属層と前記第２金属層との界面近傍の領域は、前記ｎ形半導体層のｐ形不純物となりうる第２元素とチタニウムとを含む半導体装置。
【請求項２】
前記第１金属層と前記第２金属層との界面近傍の前記領域は、前記第１元素をさらに含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第２元素は、亜鉛、マグネシウムおよびベリリウムのうちの１つである請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１金属層は、金を含み、
前記第１元素は、ゲルマニウムである請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第３金属層は、金を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第２金属層と前記第３金属層との間に設けられ、プラチナを含む第４金属層をさらに備えた請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
ｎ形半導体層上に、前記ｎ形半導体層のｎ形不純物となりうる第１元素を含む金属材料の第１層を形成し、
前記第１層上に、前記ｎ形半導体層のｐ形不純物となりうる第２元素を含む金属材料の第２層を形成し、
前記第２層上に、チタニウムを含む金属材料の第３層を形成し、
前記第３層上に、前記第３層の前記金属材料とは異なる金属材料の第４層を形成し、
前記第１層、前記第２層、前記第３層および前記第４層を含む積層構造を熱処理する半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２層の金属材料は金であり、
前記第２元素は、亜鉛、マグネシウムおよびベリリウムのうちの１つである請求項７記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１層の金属材料は金であり、
前記第１元素は、ゲルマニウムである請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置では、半導体と電極との間のコンタクト抵抗を低減することが求められる。例えば、ｎ形不純物を含む金属をｎ形半導体に接触させ、熱処理を施すことにより、コンタクト抵抗を低減した電極がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１４３４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、ｎ形半導体層に対するコンタクト抵抗を低減した半導体装置およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る半導体装置は、ｎ形半導体層と、前記ｎ形半導体層上に設けられ、前記ｎ形半導体層のｎ形不純物となりうる第１元素を含む第１金属層と、前記第１金属層上に設けられ、チタニウムを含む第２金属層と、前記第２金属層上に設けられた第３金属層と、を備える。前記第１金属層と前記第２金属層との界面近傍の領域は、前記ｎ形半導体層のｐ形不純物となりうる第２元素とチタニウムとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る半導体装置の電極構造を示す模式断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体装置の電極構造を示す濃度プロファイルである。
【図３】実施形態に係る半導体装置の製造過程を示す模式断面図である。
【図４】実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。
【図５】実施形態に係る半導体装置の特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【０００８】
さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。
【０００９】
図１は、実施形態に係る半導体装置１の電極構造を示す模式断面図である。半導体装置１は、ｎ形半導体層１０と、電極２０と、を備える。
【００１０】
ｎ形半導体層１０は、例えば、ｎ形半導体基板、半導体基板上のｎ形半導体層、もしくは、半導体基板のｎ形半導体領域である。ｎ形半導体層１０の材料は、例えば、ガリウム砒素、インジウムリンもしくはガリウムアンチモンなどの化合物半導体である。
【００１１】
図１に示すように、電極２０は、金属層２１と、金属層２３と、金属層２５と、金属層２７と、を含む積層構造を有する。
【００１２】
金属層２１は、ｎ形半導体層１０の上に設けられる。金属層２１は、例えば、ｎ形半導体層１０に接し、電気的に接続される。金属層２１は、例えば、ｎ形半導体層１０のｎ形不純物となりうる第１元素を含む。さらに、金属層２１は、ｎ形半導体層１０のｐ形不純物となりうる第２元素を含む。金属層２１は、ｎ形半導体層１０に対するコンタクト層として機能する。
【００１３】
金属層２１は、例えば、金（Ａｕ）を主成分とする金属である。また、金属層２１は、第１元素として、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む。金属層２１は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）およびベリリウム（Ｂｅ）のうちの少なくとも１つを第２元素として含む。
【００１４】
金属層２３は、金属層２１の上に設けられる。金属層２３は、例えば、チタニウム（Ｔｉ）を含む。また、金属層２３は、例えば、チタニウムを主成分とする金属層である。
【００１５】
金属層２５は、金属層２３の上に設けられる。金属層２５は、例えば、プラチナ（Ｐｔ）を含む。また、金属層２５は、例えば、プラチナを主成分とする金属層である。
【００１６】
金属層２７は、金属層２５の上に設けられる。金属層２７は、例えば、金（Ａｕ）を含む。また、金属層２７は、例えば、金を主成分とする金属層である。金属層２７は、例えば、金属ワイヤ（図示しない）などが接続されるボンディング層として機能する。
【００１７】
電極２０において、金属層２３および金属層２５は、バリア層として機能する。すなわち、金属層２３および金属層２５は、金属層２１に含まれる元素が金属層２７に拡散し、例えば、金属層２７と金属ワイヤ（図示しない）との間の接続強度を低下させることを防ぐ。
【００１８】
電極２０は、金属層２１と金属層２３との境界近傍（もしくは界面近傍）の領域（以下、境界領域ＩＦＲ）を含む。境界領域ＩＦＲには、例えば、第１元素、第２元素およびチタニウム元素が混在する。境界近傍の領域は、境界を含む領域、あるいは、界面を含む領域とも言い換えられる。
【００１９】
図２は、実施形態に係る半導体装置１の電極構造を示す濃度プロファイルである。図２は、電極２０における金属元素の分布を示すＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）プロファイルである。横軸は、電極２０の表面からの深さであり、縦軸は、金属元素の濃度である。なお、図２のプロファイルでは、各元素の濃度の絶対較正は実施されておらず、深さ方向の濃度変化を表している。金属間の濃度の高低関係は、実際とは異なる。
【００２０】
図２に示すように、ｎ形半導体層１０は、ガリウム（Ｇａ）および砒素（Ａｓ）を含む。金属層２１は、金（Ａｕ）と、亜鉛（Ｚｎ）と、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む。金属層２３は、チタニウム（Ｔｉ）を含む。金属層２５は、プラチナ（Ｐｔ）を含む。また、金属層２７は、金（Ａｕ）を含む。
【００２１】
金属層２１において、亜鉛（Ｚｎ）の分布は、第１ピークＰＺ１と第２ピークＰＺ２とを有する。第１ピークＰＺ１は、ｎ形半導体層１０と第２ピークＰＺ２との間に位置する。第２ピークＰＺ２は、第１ピークＰＺ１と金属層２３との間に位置する。第１ピークＰＺ１の亜鉛濃度は、第２ピークＰＺ２の亜鉛濃度よりも低い。
【００２２】
金属層２１において、ゲルマニウム（Ｇｅ）の分布は、第１ピークＰＧ１と第２ピークＰＧ２とを有する。第１ピークＰＧ１は、ｎ形半導体層１０と第２ピークＰＧ２との間に位置する。第２ピークＰＧ２は、第１ピークＧＧ１と金属層２３との間に位置する。第１ピークＰＧ１のゲルマニウム濃度は、第２ピークＰＧ２のゲルマニウム濃度よりも低い。
【００２３】
図２に示すように、電極２０は、金属層２１と金属層２３との境界近傍に、ゲルマニウム、亜鉛およびチタニウムが混在する領域（境界領域ＩＦＲ）を有する。ゲルマニウムの第２ピークＰＧ２および亜鉛の第２ピークＰＺ２は、例えば、境界領域ＩＦＲに位置する。
【００２４】
次に、図３（ａ）〜（ｄ）を参照して、実施形態に係る半導体装置１の製造方法を説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、半導体装置１の製造過程を順に示す模式断面図である。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、ｎ形半導体層１０の上に第１層２１ａを形成する。第１層２１ａは、例えば、真空蒸着法を用いて、ｎ形半導体層１０の上に形成される。第１層２１ａは、例えば、４×１０−４パスカル（Ｐａ）の減圧下において、金ゲルマニウム合金を抵抗加熱により蒸発させ、ｎ形半導体層１０の上に堆積させることにより形成される。第１層２１ａは、例えば、ｎ形半導体層１０の表面に直交する方向（Ｚ方向）において、１００ナノメートル（ｎｍ）の厚さを有する。また、第１層２１ａは、例えば、８０〜５００ｎｍの範囲のＺ方向の厚さを有する。第１層２１ａは、例えば、金（Ａｕ）を主成分とし、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む。
【００２６】
図３（ｂ）に示すように、第１層２１ａの上に第２層２１ｂを形成する。第２層２１ｂは、例えば、真空蒸着法を用いて、第１層２１ａの上に形成される。第２層２１ｂは、例えば、４×１０−４パスカル（Ｐａ）の減圧下において、金亜鉛合金を抵抗加熱により蒸発させ、第１層２１ａの上に堆積させることにより形成される。第２層２１ｂは、例えば、Ｚ方向において、２０ｎｍの厚さを有する。また、第２層２１ｂは、例えば、４〜２００ｎｍの範囲のＺ方向の厚さを有する。第２層２１ｂは、例えば、金（Ａｕ）を主成分とし、亜鉛（Ｚｎ）を含む。亜鉛の濃度は、例えば、数パーセントである。
【００２７】
図３（ｃ）に示すように、第２層２１ｂの上に金属層２３を形成する。金属層２３は、例えば、電子ビーム蒸着法を用いて、第２層２１ｂの上に形成される。金属層２３は、例えば、電子ビームの照射によりチタニウムを加熱し、蒸発させて、第２層２１ｂの上に堆積させることにより形成される。第２層２１ｂは、例えば、Ｚ方向において、７０ｎｍの厚さを有する。金属層２３は、例えば、チタニウムを主成分とする金属層である。
【００２８】
さらに、金属層２３の上に金属層２５を形成する。金属層２５は、例えば、電子ビーム蒸着法を用いて、金属層２３の上に形成される。金属層２３は、例えば、電子ビームの照射によりプラチナを加熱し、蒸発させて、金属層２３の上に堆積させることにより形成される。金属層２５は、例えば、Ｚ方向において、７０ｎｍの厚さを有する。金属層２５は、例えば、プラチナを主成分とする金属層である。
【００２９】
図３（ｄ）に示すように、金属層２５の上に金属層２７を形成する。金属層２７は、例えば、電子ビーム蒸着法を用いて、金属層２５の上に形成される。金属層２７は、例えば、電子ビームの照射により金を加熱し、蒸発させて、金属層２５の上に堆積させることにより形成される。金属層２７は、例えば、Ｚ方向において、６００ｎｍの厚さを有する。金属層２５は、例えば、金を主成分とする金属層である。
【００３０】
続いて、ｎ形半導体層１０の上に積層された、第１層２１ａ、第２層２１ｂ、金属層２３、金属層２５および金属層２７を加熱（例えば、シンター）し、ｎ形半導体層１０と電極２０との間に電気的な接続（例えば、オーミックコンタクト）を形成する。シンターは、例えば、アルゴン雰囲気中において、３７０℃のシンター温度、３分間の条件で実施する。シンター温度は、例えば、２７０℃〜４００℃の温度範囲、好ましくは、３００〜３７０℃の温度範囲に設定される。
【００３１】
図２に示すＳＩＭＳプロファイルは、電極２０におけるシンター後の金属元素の分布を示している。図２において、第１層２１ａおよび第２層２１ｂは、一体化された金属層２１として示している。
【００３２】
図２に示すように、金（Ａｕ）は、バリア層である金属層２３および金属層２５の両側に分布している。一方、ゲルマニウム（Ｇｅ）および亜鉛（Ｚｎ）は、第１層２１ａと第２層２１ｂとに分離して分布するように堆積されていたものが、シンターにより再分布している。ゲルマニウム（Ｇｅ）および亜鉛（Ｚｎ）の分布は、ｎ形半導体層１０側に第１ピークＰＧ１、ＰＺ１をそれぞれ有し、金属層２３側に第２ピークＰＧ２、ＰＺ２をそれぞれ有するように変化している。
【００３３】
例えば、第２層２１ｂを設けない電極構造では、第１層２１ａ中のゲルマニウムは、シンターにより、金属層２３および金属層２５を通過して金属層２７の内部まで拡散する。このため、例えば、金属層２７と金属ワイヤの接続強度が劣化する弊害が生じる。また、金属層２１中のゲルマニウム濃度が低下し、ｎ形半導体層１０と電極２０との間のコンタクト抵抗が大きくなる場合がある。
【００３４】
これに対し、図２に示すＳＩＭＳプロファイルでは、ゲルマニウム（Ｇｅ）の拡散が金属層２１と金属層２３との境界近傍で阻止されていることが分かる。すなわち、第２層２１ｂを加えることにより、金属層２３および金属層２５を通過するゲルマニウムの拡散が阻止されていることが分かる。例えば、シンターの過程で、金属層２３のチタニウムと、第２層２１ｂの亜鉛とが結合もしくは合金化し、ゲルマニウムの拡散を阻止するバリア層を形成するものと考えられる。
【００３５】
このように、本実施形態に係る電極２０では、ｎ形半導体層１０のｐ形不純物となりうる第２元素を含む第２層２１ｂを設けることにより、第１層２１ａ中のｎ形不純物となりうる第１元素が、金属層２３、金属層２５および金属層２７へ拡散することを抑制できる。これにより、ｎ形半導体層１０と電極２０との間のコンタクト抵抗を低減することができる。
【００３６】
図４は、実施形態に係る半導体装置２を示す模式断面図である。半導体装置２は、例えば、発光ダイオードである。
【００３７】
図４に示すように、半導体装置２は、ｐ形ＧａＡｓ基板１１と、ｐ形クラッド層１３と、発光層１５と、ｎ形クラッド層１７と、を含む。ｐ形クラッド層１３、発光層１５およびｎ形クラッド層１７は、例えば、ｐ形ＧａＡｓ基板１１上に設けられたエピタキシャル成長層である。ｐ形クラッド層１３およびｎ形クラッド層１７は、例えば、ＡｌＧａＡｓ層であり、発光層１５は、例えば、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓを含む量子井戸構造を有する。
【００３８】
ｐ形ＧａＡｓ基板１１の裏面上には、電極３０が設けられ、ｎ形クラッド層１７の表面上には、電極２０が設けられる。この例では、ｎ形クラッド層１７が、ｎ形半導体層１０に該当する。電極３０は、例えば、ｐ形ＧａＡｓ基板１１の裏面全体を覆うように設けられる。電極２０は、ｎ形クラッド層１７上に、例えば、リフトオフ法を用いて選択的に設けられる。
【００３９】
図５（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る半導体装置２の特性を示すグラフである。  
図５（ａ）および（ｂ）は、電極２０における第１層２１ａの層厚および第２層２１ｂの層厚に対する順方向電圧ＶＦの変化をそれぞれ示している。図５（ｃ）は、シンター温度に対する順方向電圧ＶＦの変化を示している。ここで、ＶＦは、１０ｍＡの順方向電流を流した時の電極２０と電極３０との間の電圧である。
【００４０】
図５（ａ）に示すように、第１層２１ａの層厚を厚くするにつれてＶＦは低下し、第１層２１ａのＺ方向の厚さが８０ｎｍ以上になると、ＶＦは一定になる。この時、ＶＦの値は、約１．６Ｖである。
【００４１】
図５（ｂ）に示すように、第２層２１ｂの層厚を厚くするにつれてＶＦは低下し、Ｚ方向の厚さが４ｎｍを超えると最小のＶＦ値となり、さらに層厚が厚くなるにつれてＶＦは徐々に増加する。第２層２１ｂのＺ方向の厚さが２００ｎｍを超えると、ＶＦの増加率が大きくなる。これは、第２層２１ｂの層厚が厚くなるにつれて、第２元素の総量が多くなり、ｎ形クラッド層１７と電極２０との界面における第２元素の濃度が高くなることに起因するものと考えられる。なお、図５（ｂ）に示す例では、第１層２１ａの層厚は、８０〜５００ｎｍの範囲にある。
【００４２】
図５（ｃ）に示すように、シンター温度を上昇させるにつれてＶＦは低下する。シンター温度が２８０℃を超えると、ＶＦは一定となる。さらに、シンター温度が４００℃を超えると、ＶＦは上昇する。すなわち、シンター温度が４００℃を超えると、ゲルマニウムおよび亜鉛の拡散が顕著になり、ＶＦを上昇させるものと考えられる。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１、２…半導体装置、  １０…ｎ形半導体層、  １１…ｐ形ＧａＡｓ基板、  １３…ｐ形クラッド層、  １５…発光層、  １７…ｎ形クラッド層、  ２０、３０…電極、  ２１、２３、２５、２７…金属層、  ２１ａ…第１層、  ２１ｂ…第２層、  ＩＦＲ…境界領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
2020155477.tif 000005
【図４】
2020155477.tif 000006
【図５】
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