(57)【要約】【課題】バリア金属層を形成することの問題を少なくする。【解決手段】半導体層５１と、この半導体層５１上に形成され、前記半導体層５１との電気的に接続される金電極層５２を有する。そして、絶縁膜５４が半導体層５１を覆うとともに、この絶縁膜５４の前記金電極層５２の少なくとも一部を露出するコンタクト開口が形成される。金電極層５２上から前記絶縁膜５４上のコンタクト開口の周辺までの限定された範囲を覆うバリア金属層５５が形成され、このバリア金属層５５上にバリア金属層５５と電気的に接続されるとともに、絶縁膜５４上を前記コンタクト開口から離れる方向に伸び、アルミニウムを含む金属で形成されるアルミニウム配線層５７が形成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
この半導体層上に形成され、前記半導体層との電気的に接続される金電極層と、
この半導体層を覆うとともに、前記金電極層の少なくとも一部を露出するコンタクト開口が形成された絶縁膜と、
この金電極層上から前記絶縁膜上の前記コンタクト開口の周辺までの限定された範囲を覆うバリア金属層と、
前記バリア金属層上に形成され前記バリア金属層と電気的に接続されるとともに、絶縁膜上を前記コンタクト開口から離れる方向に伸び、アルミニウムを含む金属で形成されるアルミニウム配線層と、
を有する発光素子。
【請求項２】
金電極層が形成された半導体層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の金電極層上にコンタクト開口を形成する工程と、
金電極層上から前記絶縁膜上の前記コンタクト開口の周辺までの限定された範囲を覆うバリア金属層を形成する工程と、
前記バリア金属層上から前記絶縁膜上を前記コンタクト開口から離れる方向に伸びる、アルミニウムを含む金属で形成されるアルミニウム配線層を形成する工程と、
を有する発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記バリア金属層を形成する工程は、バリア金属層をウェットエッチングする工程を含む請求項２に記載の発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光プリンタなどの光書き込みヘッドに、自己走査型発光素子アレイが用いられている。この自己走査型発光素子アレイでは、複数の素子からなりこれが順に発光する。各素子には、発光素子としてｐｎｐｎ構造の発光サイリスタと、各発光サイリスタへの電力供給を順にシフトするシフト部のサイリスタが含まれ、これらが化合物半導体基板を利用して構成される。
【０００３】
化合物半導体としては、通常ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）が用いられ、ゲート層や、カソード層の電極とのオーミック接触をとるために金（Ａｕ）合金の電極が広く使用される（特許文献１参照）。
【０００４】
また、個別の素子間（各素子の電極同士）を電気的に接続しなければならない場合には、電極上の層間絶縁膜に形成したコンタクト開口部に薄膜配線を接続するという方法が用いられる。通常、この配線にはアルミニウム（Ａｌ）を含む配線が利用されるが、この場合は金との間に合金層を形成してコンタクト抵抗の上昇や信頼性不良（界面剥離）を引き起こすことがあるといわれている。この対策として金とアルミニウムの間にバリア金属層を挿入することが知られている。例えば、タングステン（Ｗ）やチタン（Ｔｉ）をバリア金属として利用することが提案されている（特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４０７６７号公報
【特許文献２】特開平７−３００９５号公報
【特許文献３】特開２００６−１４７７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、金層と、アルミニウム層の間にバリア金属層を挿入すると、ウェットエッチングにおいてバリア金属層がアルミニウム層より大きくなったり、小さくなったりするという問題がある。また、ドライエッチングを用いることも考えられるが、この場合段差部がある場合にアルミニウム層やバリア金属層を十分エッチングできないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発光素子は、半導体層と、この半導体層上に形成され、前記半導体層との電気的に接続される金電極層と、この半導体層を覆うとともに、前記金電極層の少なくとも一部を露出するコンタクト開口が形成された絶縁膜と、この金電極層上から前記絶縁膜上の前記コンタクト開口の周辺までの限定された範囲を覆うバリア金属層と、前記バリア金属層上に形成され前記バリア金属層と電気的に接続されるとともに、絶縁膜上を前記コンタクト開口から離れる方向に伸び、アルミニウムを含む金属で形成されるアルミニウム配線層と、を有する。
【０００８】
また、本発明の発光素子の製造方法は、金電極層が形成された半導体層上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の金電極層上にコンタクト開口を形成する工程と、金電極層上から前記絶縁膜上の前記コンタクト開口の周辺までの限定された範囲を覆うバリア金属層を形成する工程と、前記バリア金属層上から前記絶縁膜上を前記コンタクト開口から離れる方向に伸びる、アルミニウムを含む金属で形成されるアルミニウム配線層を形成する工程と、を有する。
【０００９】
また、前記バリア金属層を形成する工程は、バリア金属層をウェットエッチングする工程を含むことが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１、２に記載の発明によれば、バリア金属層を形成する範囲が限定されているため、バリア金属層があるためにアルミニウム配線層の配線間隔を広げる必要が少なくなる。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、ウェットエッチングを用いることで、ドライエッチングを用いる場合の問題が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の等価回路を示す図である。
【図２】実施形態の発光素子の断面を示す図である。
【図３】実施形態の発光素子の平面を示す図である。
【図４】実施形態の発光素子の製造プロセスを説明する図である。
【図５】実施形態の発光素子の配線状態を示す図である。
【図６】比較例の発光素子の構成を示す図である。
【図７】比較例の製造プロセスを説明する図である。
【図８】比較例の製造プロセスを説明する図である。
【図９】比較例の製造プロセスを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る発光素子（以下、複数の発光素子により構成された自己走査型発光素子アレイについて発光素子とも呼ぶ）の等価回路図である。この自己走査型発光素子アレイは、シフト部１００と発光部２００とから構成される。
【００１５】
シフト部１００は、シフトサイリスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３・・・（Ｓ）と、これらシフトサイリスタＳのゲート間を結合する結合ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３・・・（Ｄ）と、ゲート負荷抵抗Ｒｇとから構成されている。なお、結合ダイオードＤは、後述するように、シフトサイリスタＳのゲート層およびカソード層と一緒に形成された層を用いて形成される。また、１番目のシフトサイリスタＳ１のゲートには、結合ダイオードＤ１のアノードだけではなく、ダイオードＤ０のカソードも接続されている。また、発光部２００には、シフトサイリスタＳとゲートが共通して形成される発光サイリスタＬ１，Ｌ２，Ｌ３，・・・が設けられる。
【００１６】
電源ＶＧＡは、ＶＧＡライン２を介し、各ゲート負荷抵抗Ｒｇの一端に接続される。ゲート負荷抵抗Ｒｇの他端は、対応するシフトサイリスタＳおよび発光サイリスタＬのゲートに接続されている。奇数番目のシフトサイリスタＳ１，Ｓ３，・・・のカソードには、クロックパルスφ１が、電流制限用抵抗Ｒ１およびφ１ライン４を経て供給され、偶数番目のシフトサイリスタＳ２，Ｓ４，・・・のカソードにはクロックパルスφ２が電流制限用抵抗Ｒ２およびφ２ライン６を経て供給される。また、発光サイリスタＬ１，Ｌ２，・・・のカソードは、信号ラインφｓに接続されている。なお、シフトサイリスタＳおよび発光サイリスタＬのアノードはアノード電源に接続されている。
【００１７】
また、各シフトサイリスタＳのゲートは、結合ダイオードＤによりその次の段のシフトサイリスタＳのゲートに順次接続されている。なお、１番目のシフトサイリスタＳ１のゲートには、φ２ライン６が結合ダイオードＤ１を介し接続されている。
【００１８】
図１の自己走査型発光素子アレイチップを、この明細書では、ＳＬＥＤ（Ｓｅｌｆ−ｓｃａｎｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ）とも略称する。
【００１９】
ＳＬＥＤにおいて、クロックパルスφ１，φ２にＨレベルとＬレベルを繰り返すパルス信号であって、互いに相補的なパルス信号を送る。
【００２０】
例えば、図１において、φ２ライン６およびＶＧＡライン２がＬレベル（−５Ｖ）であり、φ１ラインがＨレベル（０Ｖ）であり、シフトサイリスタＳ２がオンしているとする。このとき、シフトサイリスタＳ２のゲートは、ほぼＨレベル（約０Ｖ）となる。このとき、シフトサイリスタＳ３のゲートは、結合ダイオードＤ２のオン電圧だけ電圧降下するため約−１．５Ｖ、シフトサイリスタＳ４のゲートの電圧は、シフトサイリスタＳ３のゲートの電圧よりもさらに結合ダイオードＤ３のオン電圧分低い−３Ｖ程度になる。
【００２１】
次に、φ２ライン６がＨレベル、φ１ライン４がＬレベルになると、シフトサイリスタＳ２がオフとなり、シフトサイリスタＳ３がオンとなる。これによって、シフトサイリスタＳ３のゲートは、ほぼ０Ｖとなり、シフトサイリスタＳ４のゲートは、結合ダイオードＤ２のオン電圧だけ電圧降下するため約−１．５Ｖとなる。また、オフとなったシフトサイリスタＳ２のゲートはゲート負荷抵抗Ｒｇにより電源ＶＧＡと同じにＬレベルになる。このようにした、クロックパルスφ１、φ２が交互にＬレベルになることによって、シフトサイリスタＳが順番にオンになる。
【００２２】
なお、最初の段階では、φ１ライン４をＬレベル、φ２ライン６をＨレベルに設定することで、シフトサイリスタＳ１がオンし、その後φ１ライン４、φ２ライン６のＬレベル、Ｈレベルを交互に変更することで、上述のようなシフトサイリスタＳの自己走査が行われる。
【００２３】
ここで、発光サイリスタＬは、そのカソードに信号φｓが供給されており、この信号φｓがＬレベルであった場合には、対応するシフトサイリスタＳがオンしている発光サイリスタＬがオンする。すなわち、対応するシフトサイリスタＳがオンしていると共通ゲートがＨレベルになっているため、発光サイリスタＬもオンすることになる。一方、信号φｓがＨレベルであった場合には、対応するシフトサイリスタＳがオンしていても、発光サイリスタＬはそのカソードがＨレベルであり、オフのままになる。
【００２４】
このようにして、シフトサイリスタＳが順次オンしていく際に、信号φｓをＨまたはＬレベルにセットすることで、発光サイリスタＬの発光が制御される。
【００２５】
図２は、実施形態に係る発光素子の要部断面図であり、図３は複数の発光素子を表した平面図である。この発光素子は、ｐ型基板１０を用いたアノードコモン型である。
【００２６】
図２に示すように、ｐ型基板１０上には、ｐ型エピタキシャル層（アノード層）１１、ｎ型エピタキシャル層（ｎ型ゲート層）１２、ｐ型エピタキシャル層（ｐ型ゲート層）１３，２１、ｎ型エピタキシャル層（カソード層）１４，１６，１８がこの順で積層され、メサエッチングされて、シフト部／発光部の島２４と、ゲート負荷抵抗の島２５とに分離されている。
【００２７】
シフト部／発光部の島２４において、カソード層１４は、それぞれ発光サイリスタＬのカソード層を、カソード層１６はシフトサイリスタＳのカソード層を、カソード層１８は結合ダイオードＤのカソード層を構成している。
【００２８】
また、カソード層１４の上には発光サイリスタＬのカソード電極１５、カソード層１６の上にはシフトサイリスタＳのカソード電極１７、カソード層１８の上には結合ダイオードＤのカソード電極１９が形成されている。
【００２９】
また、ゲート負荷抵抗Ｒｇの島２５においても、ｐ型基板１０上にｐ型エピタキシャル層１１、ｎ型エピタキシャル層１２、ｐ型エピタキシャル層２１が形成され、このｐ型エピタキシャル層２１がゲート負荷抵抗Ｒｇとして機能する。すなわち、一対の電極２２，２３がｐ型エピタキシャル層２１の上に離れて形成され、これら電極２２，２３間のｐ型エピタキシャル層２１がゲート負荷抵抗Ｒｇとなる。
【００３０】
さらに、ｐ型基板１０の裏面には、裏面電極（アノード）３１が形成されており、シフトサイリスタＳ、発光サイリスタＬのアノードとして機能する。また、シフト部／発光部の島２４におけるｐ型エピタキシャル層（ゲート層）１３上には、ゲート電極２０が形成されており、シフトサイリスタＳ、発光サイリスタＬの共通ゲートのゲート電極として機能する。
【００３１】
図３に示すように、各ゲート負荷抵抗Ｒｇの電極２３には、電源ラインＶＧＡが接続され、ゲート電極２０には、隣接する素子のカソード電極１９が接続される。また、シフトサイリスタＳのカソード電極１７にはφ１ラインφ１、発光サイリスタＬのカソード電極１５には信号ラインφｓが接続されている。また、隣接する発光素子においては、シフトサイリスタＳのカソード電極１７には制御ラインφ２ラインが接続されている。
【００３２】
すなわち、φ１、φ２ラインは、整列して配置された奇数番目の発光素子のカソード電極１７には、φ１ライン、偶数番目の発光素子のカソード電極１７には、φ２ラインが接続される。また、結合ダイオードＤのカソード電極１９は隣接する素子のゲート電極２０に接続されている。
【００３３】
そして、電極間の配線には、アルミニウム配線４０が利用されている。すなわち、発光素子全体を覆って層間絶縁膜４１が形成され、この層間絶縁膜４１の電極上にコンタクト開口が形成される。そして、このコンタクト開口を覆ってアルミニウム配線４０が予め設定されたパターンで形成される。
【００３４】
ここで、カソード層１４やゲート層１３上に形成するカソード電極１５，１７，１９、ゲート電極２０、ゲート負荷抵抗の電極２２，２３には、金電極を利用してオーミックなコンタクトをとっている。この金電極に直接アルミニウム電極を形成すると、両者の合金生成によって、この部分の金電極が収縮したりしてコンタクト抵抗が上昇したり密着力が減少してしまう場合がある。そこで、本実施形態においては、金電極とアルミ電極との間にバリア金属層４２を設け、合金化反応を抑止してコンタクト抵抗の増加抑止と密着力の確保を図っている。このバリア金属層４２には、チタン（Ｔｉ）や、モリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属が用いられる。
【００３５】
そして、本実施形態ではこのバリア金属層４２をコンタクト開口の周辺に限定して形成してある。すなわち、アルミニウム配線４０と、金電極の間およびその周辺の層間絶縁膜４１上にバリア金属層４２を形成するが、その範囲を限定しており、層間絶縁膜４１上を伸びるアルミニウム配線４０の下にはバリア金属層４２を設けていない。
【００３６】
従って、ほとんどのアルミニウム配線４０は、層間絶縁膜４１上に直接形成されており、アルミニウム配線４０についてのデザインルールは、アルミニウム配線４０のみを考慮すればよい。
【００３７】
図４には、本実施形態の発光素子の形成方法が示してある。この図では、ゲート層５０（図２におけるゲート層１３に対応する）から上のみが示されている。ゲート層５０上には、カソード層５１（カソード層１４などに対応する）が形成され、カソード層５１上にカソード電極５２（カソード電極１５などに対応する）が形成されている。また、ゲート層５０上のカソード層５１が形成されていない部分にゲート電極５３（ゲート電極２０に対応する）が形成されている。そして、全体を覆って絶縁材料から構成される層間絶縁膜５４が形成されている。また、カソード層５１が形成されていない部分は他の部分に比べ高さが低い段差となっており、層間絶縁膜５４においてもその部分が凹んで段差が形成されている（Ａ）。
【００３８】
次に、層間絶縁膜５４のホトリソグラフィーによるパターニングによって、コンタクト開口が形成されてカソード電極５２の上面が露出され（Ｂ）、全面にバリア金属層５５が形成される。その後、コンタクト開口を覆った形で、バリア金属層５５の必要部分にレジスト５６を形成する（Ｃ）。このレジスト５６は、全面に形成したレジストの要部を露光、現像してパターニングする通常のホトリソグラフィーによって行われる。そして、レジスト５６に覆われていない部分のバリア金属層５５をエッチング液によるウェットエッチングにより除去する（Ｄ）。このように、ウェットエッチングでバリア金属層５５を除去するため、レジスト５６よりバリア金属層５５の方が若干小さくなる。また、ウェットエッチングであるため、層間絶縁膜５４の凹部の壁部分のバリア金属層５５も除去される。バリア金属層５５を要部のみを残し除去した場合には、レジスト５６を除去する（Ｅ）。
【００３９】
次に、全面に配線用のアルミニウム配線層５７を形成する（Ｆ）。そして、必要部分の上にレジスト５８をホトリソグラフィーによりパターニングして（Ｇ）、ウェットエッチングにより、露出している部分のアルミニウム配線層５７を除去する（Ｈ）。この場合も、アルミニウム配線層５７はレジスト５８より若干小さめになる。また、ウェットエッチングであるため、層間絶縁膜５４の凹部の壁部分のアルミニウム配線層５７も除去される。
【００４０】
そして、レジスト５８を除去する（Ｉ）ことで、アルミニウム配線層５７が所望のアルミニウム配線となる。また、アルミニウム配線層５７は、バリア金属層５５を介し金電極５２に接続されることで、アルミニウムと金との合金形成が抑止されて、良好な電気的接続が得られる。
【００４１】
このように、バリア金属層５５についてパターニングすることで、バリア金属層５５が任意の部分のみに形成される。すなわち、本実施形態では、図５に示されるように、コンタクト開口の周囲の限定された範囲内のみにバリア金属層５５が形成される。従って、通常のアルミニウム配線層５７の配線の下にはバリア金属層５５は存在しない。  ここで、上述の（Ｄ）、（Ｅ）の工程のバリア金属層５５についてのパターニングを行わず、アルミニウム配線層５７と、バリア金属層５５を一緒にエッチングすることも考えられる。この比較例について図６に基づいて説明する。この場合、アルミニウム配線層５７と、バリア金属層５５のエッチングレートが異なり、従ってバリア金属層５５がアルミニウム配線層５７より大きめになったり（Ａ）、小さめになったりする（Ｂ）。バリア金属層５５が大きめになると、このバリア層５５がアルミニウム配線層５７の全部の下層に位置することから、配線幅が大きめになり、配線間距離についてのデザインルールから、微細化が困難になる。また、バリア金属層５５が小さめになると、アルミニウム配線層５７の下側に空間が生じ、その後に形成する保護膜により、十分カバーできない部分が生じ、信頼性が低下するという問題がある。
【００４２】
さらに、本実施例においては、アルミニウム配線層５７，バリア金属層５５の加工については、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を利用することも考えられる。ＲＩＥは、異方性エッチングであるため、アルミニウム配線層５７とバリア金属層５５を同一幅として正確にエッチングすることが可能となる。しかし、図５に示すように層間絶縁膜５４に段差部（凹部）が存在すると、その段差部において、エッチングできないアルミニウム配線層５７、バリア金属層５５が残ってしまい、配線の引き回しなどに際し、問題が生じる。
【００４３】
この比較例について図７に基づいて説明する。図７に示すように、層間絶縁膜５４のゲート電極５３上には段差部６０が存在する。ＲＩＥによりコンタクト開口を形成し、その後バリア金属層５５、アルミニウム配線層５７を形成すると、これらの層は、コンタクト開口や、段差部６０の側壁にも同様の厚みで形成される。レジスト５８のパターニングの後、アルミニウム配線層５７、バリア金属層５５を一緒にＲＩＥによりエッチングすると、段差部６０の壁ぎわのアルミニウム配線層５７の厚い部分において、上方から等距離エッチングされ、アルミニウム配線層５７、バリア金属層５５が一部残留し、レジスト５８の除去後も段差部６０に導電材料が残留してしまう。
【００４４】
この比較例について図８に基づいて説明する。図８に示すように、層間絶縁膜５４の上に、平坦化材料を積み、表面を平坦化することが考えられる。すなわち、段差部６０を有する層間絶縁膜５４の上に平坦化層５９を形成する。この平坦化層５９は、液状であってスピンコートなどにより層間絶縁膜５４の段差部６０を埋めて表面が平坦面となる。
【００４５】
平坦化後に、コンタクト開口を形成し、バリア金属層５５、アルミニウム配線層５７が形成され、レジスト５８をパターニングした後、ＲＩＥによって不要な露出しているバリア金属層５５，アルミニウム配線層５７をエッチングする。この場合、除去されるバリア金属層５５、アルミニウム配線層５７は、平坦面上に形成されており、上述のような段差部６０の問題は解消される。
【００４６】
しかしながら、層間絶縁膜５４上に異種材料からなる平坦化層５９が存在することで、膜厚が大きくなり、また実効屈折率が変動する可能性がある。本素子は、発光素子であり、その光学特性が非常に重要であり、平坦化層５９の形成はそのデメリットが大きい。
【００４７】
この比較例について図９に基づいて説明する。図９に示すように、平坦化層５９を形成した後、ＲＩＥによって平坦化層５９をエッチングすることもできる。これによって、段差部６０内の平坦化層５９以外の平坦化層５９はすべて除去される。従って、平坦化層５９が存在することによる光学的特性の悪化を防止できる。しかし、この製法の場合、平坦化層５９を除去する際に、層間絶縁膜５４をある程度除去する必要がある。従って、層間絶縁膜５４の厚みの制御が難しく、光学特性にバラツキが出やすいという問題がある。
【００４８】
本実施形態では、コンタクト開口、およびその周辺のみに位置するバリア金属層５５とそれに接触するように形成された通常のアルミニウム配線層５７からなる発光素子が得られる。アルミニウム配線層５７およびバリア金属層５５は、ホトリソグラフィーおよびエッチングという工程で形成されるため、平坦化プロセスが不要となる。
【００４９】
ここで、バリア金属の材料としては、たとえばチタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）が採用される。また、バリア金属層５５の膜厚は、２０−１００ｎｍ程度がよい。また、バリア金属層５５の成膜法には、蒸着もしくはスパッタ法が使用される。チタンのエッチングには、例えばアンモニアと過酸化水素水を含んだ水溶液を用いる。この際、発光素子の光学特性を損なわないようにするため、光路にあたる層間絶縁膜を侵食しない条件に設定する。
【００５０】
アルミニウム配線層は、１μｍ程度の膜厚で蒸着もしくはスパッタ法で成膜する。エッチングには燐酸・硝酸・酢酸を含んだ混合液を用いる。この時も発光素子の光学特性を損なわないようにするため、光路にあたる層間絶縁膜を侵食しない条件に設定する。また、バリア金属層と独立にパターン形成するため、双方のパターンが交差したり、並行して走ったりする。このため、アルミニウム配線のエッチング液でバリア金属層が侵食されないことが望ましい。
【符号の説明】
【００５１】
４  φ１ライン、６  φ２ライン、１０  ｐ型基板、１１，２１  ｐ型エピタキシャル層、１２  ｎ型エピタキシャル層、１３，５０  ゲート層、１４，１６，１８，５１  カソード層、１５，１７，１９，５２  カソード電極、２０，５３  ゲート電極、２２，２３  電極、２４  シフト部／発光部の島、２５  ゲート負荷抵抗の島、４０  アルミニウム配線、４１，５４  層間絶縁膜、４２，５５  バリア金属層、５２  金電極、５６，５８  レジスト、５７  アルミニウム配線層、５９  平坦化層、６０  段差部、１００  シフト部、２００  発光部、Ｓ  シフトサイリスタ、Ｌ  発光サイリスタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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