(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型III―窒素層基板を硫化アンモニウム溶液に浸すことにより、前記ｐ型III−窒素層の酸化層を除去するステップと、
前記基板を洗浄して乾燥させるステップと、
前記ｐ型III―窒素層の表面に金属層を蒸着するステップと、
前記基板に熱処理を行うステップと、を含むことを特徴とする金属とｐ型III−窒素層間のオーミック接触を形成する方法。
【請求項２】
前記金属層は、ニッケル/金、白金/金、白金、パラジウム、パラジウム/ニッケル、ニオブ/金、ニッケル/インジウム錫酸化膜及びニッケル/金/インジウム錫酸化膜のグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の金属とｐ型III―窒素層間のオーミック接触を形成する方法。
【請求項３】
前記熱処理の温度は、200℃〜800℃の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の金属とｐ型III―窒素層間のオーミック接触を形成する方法。
【請求項４】
基板上にｐ型III―窒素層を形成するステップと、
前記基板を硫化アンモニウム溶液に浸すことにより、前記ｐ型III―窒素層表面の酸化層を除去するステップと、
前記基板を洗浄して乾燥させるステップと、
前記ｐ型III−窒素層の表面に金属層を蒸着するステップと、
前記基板に熱処理を行うステップと、を含むことを特徴とするIII−窒素族半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記金属層は、ニッケル/金、白金/金、白金、パラジウム、パラジウム/ニッケル、ニオブ/金、ニッケル/インジウム錫酸化膜及びニッケル/金/インジウム錫酸化膜のグループから選択されることを特徴とする請求項４に記載のIII−窒素半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理の温度は、200℃〜800℃の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載のIII−窒素半導体装置の製造方法。
【請求項７】
ｐ型III−窒素層の基板に酸素雰囲気で第１熱処理を行うステップと、
前記基板を硫化アンモニウム溶液に浸すことにより、前記ｐ型III−窒素層表面の酸化層を除去するステップと、
前記基板を洗浄して乾燥させるステップと、
前記ｐ型III−窒素層表面に金属層を蒸着するステップと、
前記基板に第２熱処理を行うステップと、を含むことを特徴とする金属とｐ型III−窒素層間のオーミック接触を形成する方法。
【請求項８】
前記金属層は、ニッケル/金、白金/金、白金、パラジウム、パラジウム/ニッケル、ニオブ/金、ニッケル/インジウム錫酸化膜及びニッケル/金/インジウム錫酸化膜のグループから選択されることを特徴とする請求項７に記載の金属とｐ型III−窒素層間のオーミック接触を形成する方法。
【請求項９】
前記第２熱処理の温度は、300℃〜1000℃の範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の金属とｐ型III−窒素層間のオーミック接触を形成する方法。
【請求項１０】
前記第２熱処理の温度は、200℃〜800℃の範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の金属とｐ型III−窒素層間のオーミック接触を形成する方法。
【請求項１１】
基板上にｐ型III−窒素層を形成するステップと、
前記基板を酸素雰囲気で第１熱処理を行うステップと、
前記基板を硫化アンモニウム溶液に浸すことにより、前記ｐ型III−窒素層の表面の酸化層を除去するステップと、
前記基板を洗浄して乾燥させるステップと、
前記ｐ型III−窒素層の表面に金属層を蒸着するステップと、
前記基板に第２熱処理を行うステップと、を含むことを特徴とするIII−窒素半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記金属層は、ニッケル/金、白金/金、白金、パラジウム、パラジウム/ニッケル、ニオブ/金、ニッケル/インジウム錫酸化膜及びニッケル/金/インジウム錫酸化膜のグループから選択されることを特徴とする請求項１１に記載のIII−窒素半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第１熱処理の温度は、300℃〜1000℃の範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載のIII−窒素半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第２熱処理の温度は、200℃〜800℃の範囲にあることを特徴とする請求項１１に記載のIII−窒素半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III−窒素半導体装置の製造方法に関し、特に金属とｐ型III−窒素半導体間の固有接触抵抗（specific contact resistance）を下げるIII−窒素半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
日本日亜会社（Nichia）が酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3, Sapphire）基板上に窒化ガリウムエピタキシー層を成長させることに成功させ、その発光ダイオードやレーザーダイオードの性能を公開して以来、III−窒素半導体は、広く重視され、青色発光デバイスの主流材料と見なされている。現在、発光ダイオード、レーザーダイオード及び電子デバイスなど発光デバイスの寿命に影響を及ぼす重要な鍵は、金属とｐ型III−窒素半導体間のオーミック接触である。このほか、電子デバイス又は光電デバイスの製造に限らず、金属とｐ型III−窒素半導体間に低抵抗値のオーミック接触を形成することは、最も基本的な要求となっている。現在のところ、比較的低い固有接触抵抗の金属／ｐ型窒化ガリウムを製造する方法としては、以下のいくつかがあげられる。(1)拡散とイオン注入技術をｐ型III−窒素半導体の製造工程に応用する、(2)ｐ型III−窒素半導体を成長させる際に、マグネシウムのドーピング濃度を上げる、(3)異なる且つ比較的高い仕事関数を有する金属を蒸着する、(4)ｐ型III−窒素半導体に、水酸化カリウムや、王水又は塩酸溶液などいろいろな異なる表面処理を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
目下、金属／ｐ型III−窒素半導体間のオーミック接触が、低抵抗を達成できない原因として、主に二つある。その一つは、エピタキシャル成長において、ｐ型III−窒素半導体のキャリア濃度を有効に上げられないこと、もう一つは、ｐ型III−窒素半導体より仕事関数の高い金属が欠乏していることが挙げられる。
【０００４】
このため、上記の状況下で如何にして金属／ｐ型III−窒素半導体間の固有接触抵抗を下げるかが、重要な課題となっている。
【０００５】
そこで、本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、金属とｐ型III−窒素層間のオーミック接触を形成する方法を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明は、金属とｐ型III−窒素層間の低固有接触抵抗を得ることにより、装置の使用寿命を上げるIII−窒素半導体装置の製造方法を提供することを他の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の金属とｐ型III−窒素層間のオーミック接触を形成する方法は、ｐ型III−窒素層の基板を硫化アンモニウム溶液に浸すことにより、ｐ型III−窒素層の自然酸化膜を除去するステップと、前記基板を洗浄して乾燥させるステップと、前記ｐ型 III−窒素層の表面に金属層を蒸着するステップと、前記基板に熱処理を行うステップと、を含む。
【０００８】
なお、前記基板を硫化アンモニウム溶液に浸す前に、前記基板に熱処理を行うことにより、ｐ型III−窒素層を事前に酸化するステップをさらに含むことが好ましい。
【０００９】
本発明のIII−窒素半導体装置の製造方法は、基板上にｐ型III−窒素層を形成するステップと、前記基板を硫化アンモニウム溶液に浸すことにより、ｐ型III−窒素層の自然酸化膜を除去するステップと、前記基板を洗浄して乾燥させるステップと、ｐ型III−窒素層の表面に金属層を蒸着するステップと、前記基板に熱処理を行うステップとを含む。
【００１０】
なお、前記基板を硫化アンモニウム溶液に浸す前に、前記基板に熱処理を行うことにより、ｐ型III−窒素層を事前に酸化させる工程をさらに含むことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上述のように、エピタキシャル成長において、ｐ型III−窒素半導体のキャリヤ濃度を有効に上げることができず、且つ仕事関数がｐ型III−窒素半導体より大きい金属が欠乏しているため、本発明は、ｐ型III−窒素半導体の表面を改善し、金属とｐ型III−窒素半導体間の接触状況を良好にすることに重点をおく。
【００１２】
本発明者は、ｐ型III−窒素半導体の表面に極めて薄い自然酸化膜が生成し、この自然酸化膜が金属とｐ型III−窒素半導体間のオーミック接触の形成を阻害することを発見した。このため、本発明の第１及び第２実施の形態において、このような酸化層を除去して金属とｐ型III−窒素半導体間の接触状況を改善する。
【００１３】
以下図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００１４】
第１の実施形態
実験過程：
(a) 有機化学気相成長法又は分子線エピタキシャル成長法を利用して、基板上（例：サファイヤ基板）にバッファ層及びｐ型窒化ガリウム層を成長させて、サンプルを形成する。
(b) 伝送線路モードの長方形台を窒化ガリウム表面に生成する。先ずニッケル／金（厚さ約５０／６００ｎｍ）を窒化ガリウム表面に蒸着することにより、台状の金属マスクを製作し、その後反応性イオンエッチング装置を利用して窒化ガリウムにドライエッチングを行う。次いで、前記サンプルを王水溶液に浸して、ニッケル／金の金属マスクを除去する。
(c) 前記窒化ガリウムサンプルを二つに切断し、それぞれをトリクロロエチレン、アセトンとメタノール等の溶液で５分間処理を行う。
(d) 前記二つのサンプルを脱イオン水で５分間洗浄して、窒素銃で乾燥する。
(e) 前記二つのサンプルのうち一のサンプルは、いかなる処理も行わない。これをＡサンプルと定義する。
(f) 残りのサンプルを６０℃の硫化アンモニウム溶液に入れて、３０分間持続して加熱する（以下、この過程を「硫化処理」という）。その後、再度脱イオン水により洗浄し、窒素銃で乾燥する。このサンプルをＢサンプルと定義する。
(g) ＡサンプルとＢサンプルを露光現像技術を利用して蒸着したい金属電極のパターンを完成させ、次いで再度真空蒸着装置でニッケル／金（厚さ約２０／１００ｎｍ）を前記二つのサンプル上に蒸着する。
(h) 半導体パラメータアナライザ（ＨＰ４１４５Ｂ）を利用して前記二つのサンプルの電気特性を測定する。
(i) 前記二つの完成されたサンプルを再度急速熱処理装置に入れて、空気雰囲気で５００℃で１０分間の熱処理（この過程を「熱合金化処理」という）を行って、半導体パラメータアナライザを用いてその電流―電圧特性を測定する。
(j) Ｘ線光電子分光法（X-ray ｐhotoelectron sｐectroscoｐy, XPS）を使用して硫化処理を行った場合と、行わなかった場合のｐ型窒化ガリウム表面の状況を観測する。
【００１５】
実験結果：
図１には、Ａ及びＢの窒化ガリウムサンプルにニッケル／金を蒸着した直後の電気特性を示す。前記二つのサンプルは、共に整流性を示すが、Ｂサンプルの電気特性が最良であり、比較的小さいターンオン（turn on）電圧を有する。一方、Ａサンプルの電気特性は、最も劣り、比較的大きいターンオン電圧を有する。明らかに、硫化処理を経たＢサンプルは、その表面の酸化層が既に除去されたため、より良好な金属半導体接触を有する。
【００１６】
図２には、Ａ及びＢサンプルに熱合金化処理を行った後、観測した電気特性を示す。同図から分かるように、二つのサンプルの電気特性は、共にオーミック接触を示す。電極間距離が２５μｍである場合、伝送線路モードを利用してＡ及びＢサンプルの金属半導体間の固有接触抵抗を計算したところ、それぞれ６．１×１０-3Ωｃｍ2及び５．０×１０-5Ωｃｍ2となった（図３を参照）。明らかに、硫化処理を経たＢサンプルは、固有接触抵抗が比較的に低いが、如何なる表面処理も行っていないＡサンプルは、固有接触抵抗が比較的に高い。
【００１７】
図４には、Ｘ線光電子分光法を利用して蒸着される前のＡ及びＢサンプルの表面を観測した結果を示す。Ａサンプルの表面から観測された表面ガリウム／窒素原子の比率を１とすると、Ｂサンプル表面のガリウム／窒素原子のＡサンプルに対する比率は０．５７である。この結果から明らかなように、硫化処理を経たＢサンプルは、より低い比値を有し、即ちより多くのガリウム抜け位置がBサンプルのｐ型窒化ガリウムの表面上に形成されている。より多くのガリウム抜け位置は、前記ｐ型窒化ガリウムの表面に本来よりも高いホール濃度を有するとみなすことができる。
【００１８】
従って、上記の実験結果によれば、硫化処理技術を利用することで、ｐ型窒化ガリウムの表面の自然酸化層を除去できるだけでなく、金属を蒸着した後により小さいターンオン電圧を有し、且つ前記自然酸化層が硫化により除去された後、サンプル表面により多くのガリウム抜け位置が形成されて、表面のホール濃度が上昇するので、より低い固有接触抵抗を得て、より良好な金属半導体オーミック接触を形成することができる。
【００１９】
また、この実験のステップ(g)において、Ａ及びＢサンプルにはニッケル／金を蒸着したが、実際の応用上では、ニッケル／金の金属層の代わりに、白金／金、白金、パラジウム、パラジウム／ニッケル、ニオブ／金、ニッケル／インジウム錫酸化物及びニッケル／金／インジウム錫酸化物の金属層を蒸着しても良い。また、この実験のステップ(i)における熱処理温度は、２００℃〜８００℃の範囲内の温度を利用しても良い。
【００２０】
第２の実施形態
実験過程：
(a) 有機化学気相成長法又は分子線エピタキシャル成長法を利用して、基板（例：サファイア基板）上にバッファ層及びｐ型窒化ガリウム層を成長させて、サンプルを形成する。
(b) 窒化ガリウム表面に伝送線路モードの長方形台を生成する。先ず窒化ガリウムの表面にニッケル／金（厚さ約５０／６００ｎｍ）を蒸着することにより、台状の金属マスクを製作し、その後、反応性イオンエッチング装置を利用し窒化銃ウムにドライエッチングを行う。次いで、前記サンプルを王水溶液に浸し、ニッケル／金の金属マスクを除去する。
(c) 前記窒化ガリウムサンプルを二つに切断し、それぞれをトリクロロエチレン、アセトンとメタノールなどの溶液で各５分間処理を行う。
(d) 前記二つのサンプルを脱イオン水で５分間洗浄し、窒素銃を用いて乾燥する。
(e) 前記二つのサンプルのうち一のサンプルは如何なる処理を行わず、これをＡサンプルと定義する。
(f) 残りのサンプルを急速熱処理装置に入れて、７５０℃の空気雰囲気で３０分間熱処理（以下、この過程を「酸化処理」という）を行う。前記サンプルを再度６０℃の硫化アンモニウム溶液に入れ、３０分間持続して加熱（以下、この過程を「硫化処理」という）する。この後、脱イオン水で再度洗浄し、窒素銃で乾燥する。このサンプルをＣサンプルと定義する。
(g) ＡとＣサンプルを露光現像技術を利用して蒸着したい金属電極のパターンを完成させ、次いで再度真空蒸着装置で前記二つのサンプル上にニッケル／金（厚さ約２０／１００ｎｍ）を蒸着する。
(h) 半導体パラメータアナライザ（ＨＰ４１４５Ｂ）を利用して前記二つのサンプルの電気特性を測定する。
(i) 再度前記二つの完成されたサンプルを急速熱処理装置において、空気雰囲気で５００℃の熱処理を１０分間（以下、この過程を「熱合金化処理」という）行い、半導体パラメータアナライザを用いてそれぞれその電流−電圧特性を測定する。
(j) Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）を使用して、硫化処理を行った場合と硫化処理を行わなかった場合のｐ型窒化ガリウム表面の状況を観測する。
【００２１】
実験結果：
図５は、Ａ及びＣ窒化ガリウムサンプルがニッケル／金を蒸着した直後の電気特性を示す。前記二つのサンプルは共に整流性を示すが、Ｃサンプルの電気特性は比較的に良くて、比較的小さいターンオン電圧を有する。一方、Ａサンプルの電気特性は比較的に悪くて、比較的大きいターンオン電圧を有する。明らかに、先ず酸化した後に硫化処理を経たＣサンプルは、その表面の酸化層が既に除去されたため、より良好な金属半導体接触を有する。
【００２２】
また、この実験のステップ(f)において、Ｃサンプルに硫化処理を行う前に、７５０℃の空気雰囲気で熱処理（酸化）を行っているが、３００℃〜１０００℃の酸素雰囲気でこのプリ酸化処理を行っても良い。なお、この実験のステップ(g)において、Ａ及びＣサンプルにはニッケル／金を蒸着しているが、実際の応用上では、ニッケル／金の金属層の代わりに、白金／金、白金、パラジウム、パラジウム／ニッケル、ニオブ／金、ニッケル／インジウム錫酸化膜及びニッケル／金／インジウム錫酸化物の金属層を蒸着しても良い。
【００２３】
図６には、Ａ及びＣサンプルに熱合金化処理を行った後、観測した電気特性を示す。同図から分かるように、二つのサンプルの電気特性は、共にオーミック接触を示す。電極間の距離が２５μｍである場合、伝送線路モードを利用してＡとＣサンプルの金属半導体間固有接触抵抗を計算したところ、それぞれ６．１×１０-3Ωｃｍ2と４．５×１０-6Ωｃｍ2となった（図7を参照）。明らかに、硫化処理を経たＣサンプルは、固有接触抵抗が比較的に低いが、如何なる処理も行っていないＡサンプルは、固有接触抵抗が比較的に高い。さらに、第１実施の形態のＢサンプルと比較すると、Ｃサンプルの金属半導体間の固有接触抵抗は、Ｂサンプルよりも低い。
【００２４】
また、この実験のステップ(i)において、熱合金化処理の温度は５００℃であるが、２００℃〜８００℃の温度を使用しても良い。
【００２５】
図８には、Ｘ線光電子分光法を利用して金属を蒸着する前のＡとＣサンプルの表面を観測した結果を示す。Ａサンプル表面で観測された表面ガリウム／窒素原子の比率を１とすると、Ｃサンプル表面のガリウム／窒素原子のＡサンプルに対する比率は、０．４８である。なお、第１実施の形態のＢサンプルと比較すると、Ｃサンプルの比率はＢサンプルより低い。
【００２６】
従って、やはりプリ酸化処理により、Ｃサンプル表面に更に多くの酸化物（ＧａＯｘ）を形成するため、前記酸化層が硫化アンモニウム溶液により除去されると、ｐ型窒化ガリウム表面に更に多くのガリウム抜けの位置を形成する。前記ガリウム抜けの位置は、受容体特性を有するので、窒化ガリウム表面のホール濃度を大幅に上げて、その固有接触抵抗の値を下げることができる。
【００２７】
上述のように、硫化処理技術を利用してｐ型窒化ガリウムサンプル表面の自然酸化層を除去することで、金属を蒸着させるとより小さいターンオン電圧を有する。また、先ずｐ型窒化ガリウムサンプルを急速熱処理装置に入れ、空気雰囲気で７５０℃の熱処理を３０分間行った後（酸化処理）、再度硫化処理を行うと、前記サンプルは更に低いターンオン電圧を有する。これは、その表面にはプリ酸化により、更に多くの酸化ガリウムを形成し、また前記酸化ガリウムが除去された後に、更に多くのガリウム抜けの位置が生じて、そのホール濃度を上昇させるからである。
【００２８】
同時に、蒸着された金属のサンプルを急速熱処理装置に入れ、空気雰囲気において５００℃で熱合金化処理を１０分間行うと、金属とｐ型窒化ガリウム半導体間にオーミック接触を形成できる。この工程において、やはり先ず酸化した後に硫化処理を経た窒化ガリウムサンプルは、固有接触抵抗がより低い。
【００２９】
以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、この実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ニッケル／金を蒸着した直後のＡ及びＢ窒化ガリウムサンプルの電気特性図である。
【図２】熱合金化処理を経た後のＡ及びＢ窒化ガリウムサンプルの電気特性図である。
【図３】熱合金化処理を経た後のＡ及びＢ窒化ガリウムサンプルの抵抗と電極間距離との関係図である。
【図４】金属を蒸着する前のＡ及びＢ窒化ガリウムサンプル表面のガリウム／窒素原子濃度比の関係図である。
【図５】ニッケル／金を蒸着した直後のＡ及びＣ窒化ガリウムサンプルの電気特性図である。
【図６】熱合金化処理を経た後のＡ及びＣ窒化ガリウムサンプルの電気特性図である。
【図７】熱合金化処理を経た後のＡ及びＣ窒化ガリウムサンプルの抵抗と電極間距離との関係図である。
【図８】金属を蒸着する前のＡ及びＣ窒化ガリウムサンプル表面のガリウム／窒素原子濃度比の関係図である。
【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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