JP2000513882A - ノンシリコン技術および方法に用いる窒化チタン拡散障壁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 後でさらに詳細に説明するように、ここでは窒化チタン拡散障壁層、およびそれに関連したノンシリコン半導体技術に利用するための方法が開示される。本発明の第１の形態において、半導体装置はノンシリコン活性表面を含む。改良点は、外部とノンシリコン活性表面との電気的接続を形成するために働く接触を備え、接触は実質的に窒化チタンから成る少なくとも１つの層を含む。本発明の他の形態において、半導体基板および基板の上に配置された活性層を含む半導体リッジ導波管レーザーが開示される。被覆層は、一部が基板に、一部が活性層に支持される。被覆層には、活性領域に対面して設けられたリッジ部を含む。金属化構造は、リッジ部を実質的に覆い、主として窒化チタンから成る少なくとも一つの層を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 ノンシリコン技術および方法に用いる窒化チタン拡散障壁 本発明は、一般に拡散障壁に関する。特に、本発明は、ノンシリコン技術とし て有用な窒化チタン拡散障壁に関する。ノンシリコン技術は、砒化ガリウム（Ｇ ａＡｓ）あるいはリン化インジウム（ＩｎＰ）のような化合物半導体に基づく技 術を含む。この発明は、特に、高出力半導体レーザーダイオードの分野に応用さ れる。 拡散障壁は、一般に、ある種の物質が有する、隣接した物質層へ拡散したり隣 接した物質層と反応する傾向の結果として生じるデバイスの劣化を防ぐ目的で、 半導体デバイスに利用されている。例えば、砒化ガリウム層と直接隣接した金層 、または接合層によって砒化ガリウム層から分離された金層を含む半導体構造に おいて、金は砒化ガリウム層に拡散する傾向をもち、一方砒化ガリウムは金層に 拡散する傾向をもつ。この層構造を含む砒化ガリウムレーザーダイオードにおい て、砒化ガリウムへの金の拡散は、比較的短時間でレーザーダイオードの重大な 劣化の原因となり得る。同時に、光電子工学デバイスの金属化されたオーミック 接触構造（つまり、外部と装置全体とを電気的に接続するときに利用する構造） において、金が一般に最外層として利用されるため、金のような物質の使用を単 に避けることは問題であることを認識すべきである。金の最上層の有用性は、結 合線を取り付けるために適した接合面を形成することができる点にある。オーミ ック接触構造（たいていの拡散障壁を含む）の下にある層は、結合線の取り付け に相性の良い接合特性を示さない。また、金は単一のチップ上に複数のデバイス を集積するための低抵抗物質も提供する。 すでに、白金およびクロムが、多くの化合物半導体技術において接触構造内部 の拡散障壁として用いられてきた。しかし、残念なことに、白金拡散障壁層 には以下で述べるような点において問題があることが分かってきた。 レーザーダイオードのような現在の半導体デバイスは、オーミック接触の安定 性と、特に直接的には、拡散障壁を用いていることに関連しているであろう電力 の限界に達している。特に、製造者がデバイスに高い電力とそれに伴う高い電流 レベルを課すにつれて、デバイスは高温で動作するようになる。白金拡散障壁層 は、将来のデバイスに予想される動作温度において、拡散現象を防ぐ効果がいく ぶん劣化することが分かってきた。さらに、白金は非常に高価な物質である。そ れゆえ、白金の使用を避けることは、原料および製造のコストを削減することに つながり得る。 以下に示すように、本発明は、白金拡散障壁層の使用に関連して発見されてき た問題点を示さない、ノンシリコン技術に使用できる、非常に効果的な拡散障壁 層を提供する。もう１つの利点として、本発明の拡散障壁層は、従来の技術であ る白金拡散障壁層において効果を有する最高温度をかなり上回る温度において効 果を有する拡散障壁を提供する。 発明の概要 以下でより詳細に説明するように、ここでは窒化チタン拡散障壁層、およびそ れに関連したノンシリコン半導体技術に利用するための方法が開示される。本発 明の第１の形態において、半導体装置はノンシリコン活性表面を含む。改良点は 、外部とノンシリコン活性表面との電気的接続を形成するために働く接触を備え 、接触は実質的に窒化チタンから成る少なくとも１つの層を含む。 本発明の他の形態において、半導体基板および基板の上に配置された活性層を 含む半導体リッジ導波管レーザーが開示される。被覆層は、一部が基板に、一部 が活性層に支持される。被覆層には、活性領域に対面して設けられたリッ ジ部を含む。金属化構造は、リッジ部を実質的に覆い、主として窒化チタンから 成る少なくとも一つの層を含む。 図の簡単な説明 本発明は、以下に簡単に説明した図と合わせて、次に続く詳細な説明を参照す ることによって理解される。 図１は、本発明の窒化チタン拡散障壁を組み入れた導波管リッジレーザーダイ オードを遠近画法で図解したものである。 図２は本発明の拡散障壁の一つの形成方法を図解した正面図である。 発明の詳細な説明 まず、図１に注目する。図１は、本発明によって製造された導波管リッジレー ザーダイオード１０を図解したものである。レーザーダイオード１０は、本発明 の利点を享受できる装置のほんの一例を示しているに過ぎないということが認識 されるべきである。それゆえ、レーザーダイオード１０は単に例として用いられ ているということと、本発明は、現在使われている、または発展した全ての安定 な拡散障壁層を必要とするノンシリコン技術において利用されることを意図して いることが、下記のさらに詳細な説明から理解される。 続けて図１を参照すると、レーザーダイオード１０には例として砒化ガリウム （ＧａＡｓ）またはリン化インジウム（ＩｎＰ）から形成された基板１２を含む 。層構造１４は、既知の手法で基板１２の上に積層される。構造１４は、ｎ型被 覆層１６、活性領域１８、およびｐ型被覆層２０を含む。被覆層と活性領域を形 成している物質は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、および その他のIII−Ｖ族の３成分系または４成分系物質を含むが、それらに限定され ない。リッジ導波管２２は、被覆層２０の上部に既知の方法、例えばエッチング またはその他の適当な方法で形成される。リッジ導波管２２の上面は、一般に、 低抵抗な接触形成を容易にするための、大量にドープされた接触層２３を備える 。二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）などの適当な誘電物質２４が、リッジ２２の最上面 だけは電気的に接続するために露出させるといったような既知の方法で設けられ る。レーザーダイオードに作動電圧および電流を印加している間、リッジ２２の 配置と注入された電流が協同して、領域１８から活性領域１８の端に沿って矢印 ２８によって示された方向へ光を射出させる。 さらに図１を参照して、オーミック接触金属被覆構造３０（時には即適用の場 合、ｐ型接触といわれ）はｐ型被覆層２０に設けられる。オーミック接触構造３ ０は、リッジ導波管２２を覆うようにリッジ層２０の上に形成される。オーミッ ク接触構造３０は、リッジ２２の最上面および誘電体２４の最上面に一部が直接 支持された（堆積された）チタン層３２を含む。チタン（以下Ｔｉと表す）層３ ２は、既知の方法によってリッジ２２と効果的に結合する接合層として働き、例 えば、気相成長法またはスパッタリングによって形成される。その後、本発明に よれば、非常に効果的な窒化チタン（以下ＴｉＮと表す）層３４がＴｉ層３２の 上に形成される。ＴｉＮ層３４は、効果的な拡散障壁として機能するために、ほ ぼ１００ｎｍの厚さを含む。ＴｉＮ層３４の特性についてのさらなる説明を以下 に示す。本実施例は、ｐ型にドープされた物質へのオーミック接触を考慮してい ることを注意しておく。しかしながら、本発明は、以下に説明されるように、ｎ 型にドープされた物質へのショットキー接触にも同様に応用することができる。 どちらの場合においても、ＴｉＮは金属および半導体物質の内部拡散を防ぎ、高 温および／または圧力条件下においてより信頼できる接触を形成する。 本発明のオーミック接触３０の説明を続けると、金層３６がＴｉＮ層３４の 上に配置される。金層３６は、例えば、気相成長法またはスパッタリングなどの 適当ないかなる方法で設けられても良い。上記したように、最も外側に金層３６ を配置した目的は、外界と装置を電気的に接続させるための結合線を取り付ける のに適当な結合面を提供することである。 図２に移り、依然として本発明の非常に効果的なオーミック接触について考え る。ＴｉＮ層３４を設けるために適した技術の一つは、反応性スパッタリングだ とわかった。それに合うように、製造の中途状態におけるレーザーダイオード１ ０が、排気可能なチャンバー４２内で反応性スパッタリング源４０に直面して示 されている。この製造段階では、レーザーダイオード１０はウエハー４４全体の うちの一部分として一つの半導体ダイを形成することを認識する必要がある。隣 接したレーザーダイオード１０ａおよび１０ｂの部分は、破線で示される。圧力 が例えば１ミリバールである窒素およびアルゴンの混合気体がチャンバー４２内 に存在する。スパッタリング源は、チタンのターゲット（図示せず）を含む。動 作中、ターゲットはアルゴンイオンおよび窒素イオンによって衝撃を受け、チタ ンがターゲットから“叩き”出される。例えば、チャンバー４２内の窒素の圧力 、気体の流れ、およびスパッタリングのパワーなどの様々な要素に依存して、あ る割合のチタン原子が窒素ガスと反応し、チタン原子および窒化チタン分子の混 合物を含むビーム４６がソース４０から射出され、レーザーダイオード１０の上 に堆積してＴｉＮ層３４を形成する。本実施例においては、ＴｉＮ層３４はウェ ハー４４の全表面にわたって配置されたように描かれている。この後、金層３６ （図示せず）が、ウエハーの全表面にわたって配置されても良い。 続けて図２を参照する。層３４のうちレーザーダイオード１０および１０ａの 間に存在する参照番号４８で示された部分を取り除くために、既知または発展さ れたどんな適当な方法が用いられても良い。例えば、ｐ接触３０のパターニング が“リフトオフ”工程によって成されても良い。この例においては、フ ォトレジスト（図示せず）または他の適当な層が、オーミック接触層の形成の前 にウエハー面に配置される。フォトレジストは、除去すべき層の領域のみに配置 される。ウエハー４４上にオーミック接触層を形成した後、下のフォトレジスト 層は適当な溶媒を用いて溶解される。こうして、配置された層は、例えば領域４ ８において引き離されまたはリフトオフされる。 反応性スパッタリング蒸着を行っている間の工程の条件は、ＴｉＮ層３４の窒 素含有量を調整するために、どのようにも変化され得ることが認識されるべきで ある。実際、非常に低い含有量の窒素を含むチタンから、窒素が飽和したＴｉＮ までのどのようなものでも、反応性スパッタリングによって実現することができ る。適した窒素含有率の一つは、実際のテストに基づいて、Ｔｉ：Ｎ＝０．９： １．０であることが分かった。他の適した方法が、ＴｉＮ層３４を形成するため に代わりに用いられても良い。例えば、スパッタリング源は窒化チタンのターゲ ットと共に用いられても良い（双方とも図示せず）。プラズマ化学気相堆積法Ｐ ＥＣＶＤ（図示せず）が、ＴｉＮを堆積させるために用いられても良い。 従来の技術である白金拡散障壁と、本発明により接触が形成される方法につい て説明したが、この接触の利点をこれから論じる。本発明のＴｉＮ拡散障壁は、 堆積直後には効果的な障壁層を提供し、かなりの温度負荷下においでさえ、あっ たとしてもごくわずかの劣化しか示さないことが経験的に発見された。本発明の ＴｉＮ拡散障壁の熱処理テストと分析は、少なくとも４６０℃までの温度におい て安定性を示す。長期間の高温テスト（４６０℃で７０時間）は、ＴｉＮがレー ザーダイオード（図１）などのノンシリコン構造において効果的な拡散障壁を提 供することを示す。それに対して、白金障壁との接触は、より穏やかな条件下に おいてさえ重大な劣化を示す。これらの利点は、層が張力の加えられた従来技術 の典型的な白金層と比較して、伸張性があることの結果であろう。さらに、Ｔｉ Ｎ層は反応性スパッタリングによって蒸着されているので、 平らではない面への被覆性でさえも、従来の蒸発した白金の層によって提供され た被覆性よりも優れている。向上した被覆性は、例えば、レーザーダイオード１ ０のリッジ２２（図１および２）などのデバイス面を被覆するときに特に重要で ある。本発明のオーミック接触３０の接触抵抗は、少なくとも従来の白金障壁層 を用いて得られるものと同程度に低いことが分かった。反応性スパッタリングが 層３４の堆積には好ましいが、例えばＰＥＣＶＤのような、この層を形成するた めに現在可能なまたは発展されたどのような適当な方法が本発明によって考慮さ れていると理解されるべきである。 高温における本発明のオーミック接触の抵抗は、本質的に、およびそれ自体で 重要な利点であることが強調されるべきである。上記のように、製造者はレーザ ーダイオードの出力パワーの向上のために努力し続けている。ほとんどの種類の デバイスにおいて、高い出力パワーの光を得るためには高い入力電力が必要であ り、デバイスの内部における転換の非効率性に起因する動作温度の上昇を招く。 本発明の温度に対して耐久性のあるオーミック接触は、従来の技術の白金拡散障 壁層によって課せられた温度限界のため、次世代のより高いパワーの半導体装置 に関して重要な必需品であることが提示される。 本発明の拡散障壁は、窒化チタンから形成されるのが好ましいが、他の物質も また有用である可能性があることが理解されるべきである。例えば、一つの代替 物質にタングステン化チタン（ＴｉＷ）がある。後者は、ＴｉＮほど有効な拡散 障壁ではないが、化学量論および層の厚さを適当に変更することによってここで 説明した教示に従って適当な拡散障壁が形成され得る。 ＴｉＮ層は、従来の製造技術に基づいたシリコンに応用されると認識される。 しかし、ＴｉＮ層は主に高温で実行しなければならないＰＥＣＶＤを用いて堆積 される。さらに、ＴｉＮはシリコンまたは二酸化ケイ素とアルミニウムなどの金 属化層全体との間の障壁として主に用いられる。アルミニウムとシリコン の物質の特性の差異は、ＧａＡｓと金のような本発明によって用いられた物質の 差異に比べてかなり大きい。加えて、高温でのＰＥＣＶＤ堆積は、少なくとも部 分的には、例えばレーザーダイオード１０などの光電子工学デバイスを破壊する 温度条件のために、本発明のある側面としてうまく働かない。また、高温工程が あると、金属堆積中にウエハー上にフォトレジストが存在する必要があるリフト オフ工程を用いることができない。そのため、反応性スパッタリングのような“ 冷たい”工程を採用する必要がある。この技術が一度用いられると、ＴｉＮ層が ＧａＡｓをベースとした物質の拡散障壁として有効に働くことが発見された。さ らに、本発明は、温度に対して安定な接触を必要とするいかなる電子または光デ バイス、例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの他のノン シリコン（化合物半導体）技術において“冷たく”堆積させたＴｉＮ層を用いる ことを想定している。ＴｉＮ障壁は、ＧａＡｓのＭＥＳＦＥＴ（金属−半導体電 界効果トランジスタ）またはＧａＡｓまたはＩｎＰを基板としたＨＥＭＴ（高電 子移動度トランジスタ）などの応用物のためのｎ型にドープされたノンシリコン 半導体物質との温度のに対して安定なショットキー接合の形成にも、同様に応用 できる。 ここで示した拡散障壁層は、種々の異なるノンシリコン技術に提供され、また 多くの異なる方法で生産され得るため、発明の思想または範囲から外れることな しに、多くある他の一定の形式に本発明が実施され得ると解釈されるべきである 。そのため、ここで述べた例や方法は実施例であって、これらに限定されないも のと考慮すべきであり、発明はここに記載した説明の範囲に限定されず、添付し た特許請求の範囲内で変形することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ (72)発明者 クリストフ ハーデル スイス国，ＣＨ―8038，ツーリッヒ，レン グゲルシュトラーセ 66 (72)発明者 ヴィルヘルム ホイベルゲル スイス国，ＣＨ―8805，リッヒテルスヴィ ル ライドホルシュトラーセ 26Ａ (72)発明者 エベルハルド ラッタ スイス国，ＣＨ―8134，アドリスヴィル, プファイフェンヴァイド 12 (72)発明者 アブラム ジャクボヴィクツ スイス国，ＣＨ―8803，ロイスヒリコン, ルースシュトラーセ 23 (72)発明者 アルベルトゥス オオセンブルグ スイス国，ＣＨ―8135，ラングナウ ア ー・アー，ヴァイヴァルドヴェグ 20 (72)発明者 ウィリアム パトリック スイス国，ＣＨ―8806，リッヒテルスヴィ ル，ウンテルマットシュトラーセ 26 (72)発明者 ピーター ロエントゲン スイス国，ＣＨ―8800，タールヴィル，ベ ルグハルデンシュトラーセ 44 (72)発明者 エリカ ウィリアムス スイス国，ＣＨ―8800，タールヴィル，ア ルテ ランドシュトラーセ 196

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ノンシリコン活性表面を含む半導体装置であって、 前記ノンシリコン活性表面と外部との電気的な接続を形成するための接触を備 え、前記接触は、実質的に窒化チタンからなる少なくとも一つの層を含むことを 特徴とする半導体装置。 ２． 前記接触は、前記窒化チタン層の直下にあるチタン層を含むことを特徴と する請求の範囲１に記載の半導体装置。 ３． 前記窒化チタン層は、ほぼ２０から２００ｎｍの厚さをもつことを特徴と する請求の範囲１に記載の半導体装置。 ４． 前記窒化チタン層は、窒素に対する元素比率がほぼ０．９であるチタンを 含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の半導体装置。 ５． 前記ノンシリコン表面は、砒化ガリウムを含むことを特徴とする請求の範 囲１に記載の半導体装置。 ６． 半導体リッジ導波管レーザーであって、 ａ）半導体基板と、 ｂ）前記基板上に配置された活性層と、 ｃ）前記基板および前記活性層に部分的に支持され、前記活性領域に対して直面 して配置されたリッジ部分を含む被覆層と、 ｄ）前記リッジ部分を実質的に覆い、本質的に窒化チタンから成る少なくとも一 つの層を含む金属化構造と を備えることを特徴とする半導体リッジ導波管レーザー。 ７． 前記窒化チタン層はほぼ２０から２００ｎｍの厚さをもつことを特徴とす る請求の範囲６に記載の半導体リッジ導波管レーザー。 ８． 前記金属化構造は、実質的に金からなる最上層を含むことを特徴とする請 求の範囲６に記載の半導体リッジ導波管レーザー。 ９．前記窒化チタン層は、窒素に対して元素比率約０．９のチタンを含むことを 特徴とする請求の範囲６に記載の半導体リッジ導波管レーザー。 １０． ノンシリコン活性表面を含む半導体装置において、前記装置へ外部から 電気的な接続を形成するとき利用される接触であって、 ａ）前記活性表面と直接接触する少なくとも一つの接合層と、 ｂ）前記接合層と電気的に導通する実質的に窒化チタンからなる少なくとも一つ の層と を備えることを特徴とする接触。 １１． 前記窒化チタン層は、ほぼ２０から２００ｎｍの厚さをもつことを特徴 とする請求の範囲１０に記載の接触。 １２． 前記窒化チタン層は、窒素に対して元素比率約０．９のチタンを含むこ とを特徴とする請求の範囲１０に記載のオーミック接触。 １３． 前記接合層は、実質的にチタンからなることを特徴とする請求の範囲１ ０に記載のオーミック接触。 １４． 前記窒化チタン層は、前記接合層上に直接配置されていることを特徴と する請求項１０に記載のオーミック接触。 １５． 前記活性表面は砒化ガリウムを含み、前記接合層は前記砒化ガリウム上 に直接配置されたことを特徴とする請求の範囲１０に記載のオーミック接触。 １６． 半導体装置へ外部から電気的な接続を形成するために用いられるノンシ リコン活性表面を含む半導体装置において、前記接触を形成する方法であって、 ａ）前記活性表面と直接接触する接合層を形成する工程と、 ｂ）前記接合層上に実質的に窒化チタンから成る少なくとも一つの層を配置する 工程と を含むことを特徴とする方法。 １７． 前記窒化チタン層を配置する前記工程は、反応性スパッタリングによっ て窒化チタン層を配置する工程を含むことを特徴とする請求の範囲１６に記載の 方法。 １８． 前記接合層は、実質的にチタンからなることを特徴とする請求の範囲１ ６に記載の方法。 １９． 前記活性表面は砒化ガリウムを含み、前記接合層を形成する前記工程は 前記砒化ガリウム上に直接接合層を形成する工程を含むことを特徴とする請求の 範囲１６に記載の方法。 ２０． 前記窒化チタン層は、窒素に対して元素比率約０．９のチタンを含むこ とを特徴とする請求の範囲１６に記載の方法。