JP2000068608A - Manufacture of gallium nitride based semiconductor element - Google Patents

Manufacture of gallium nitride based semiconductor element

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JP2000068608A
JP2000068608A JP23684898A JP23684898A JP2000068608A JP 2000068608 A JP2000068608 A JP 2000068608A JP 23684898 A JP23684898 A JP 23684898A JP 23684898 A JP23684898 A JP 23684898A JP 2000068608 A JP2000068608 A JP 2000068608A
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etching
gallium nitride
pyrophosphoric acid
temperature
acid
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JP23684898A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsutoshi Shimizu
三聡 清水
Hajime Okumura
元 奥村
Junichi Shirakashi
淳一 白樫
Masanobu Watanabe
正信 渡辺
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable wet etching with little damage by etching chemically stable gallium nitride using reactive pyrophosphoric acid. SOLUTION: A gallium nitride growing substrate, a holding device or the like are pre-heated to the same temperature as an etching temperature. Then the gallium nitride growing substrate is soaked in pyrophosphoric acid to be etched. Optimum time to soak should be calculated by pre-conditioning. A temperature of pyrophosphoric acid should be also calculated similarly. Pyrophosphoric acid can be obtained by dehydrating orthophosphoric acid which is usually used. Or it can be obtained by adding water of a suitable ratio to phosphorus oxide. In addition, sufficient etching speed can be obtained by raising the temperature of the pyrophosphoric acid to a high temperature ranging from 210 to 220 deg.C or higher. Then after the time required for etching, materials are taken out, and the pyrophosphoric acid remaining on surfaces is removed using pure water.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は,窒化ガリウムを素材と
して含む半導体素子の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device containing gallium nitride as a raw material.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化ガリウムを主とする半導体材料は,
青色半導体レーザや青色発光素子等の光半導体素子や,
高温環境での電子デバイスの材料として重要である。こ
れは,窒化ガリウムがバンドギャップが大きいこと,高
温で安定であること,物理的かつ化学的な強度が強いた
めである。しかしその特徴ゆえに,そのような光半導体
素子や電子デバイスの製作技術において,困難な点があ
った。
2. Description of the Related Art Semiconductor materials mainly composed of gallium nitride are:
Optical semiconductor devices such as blue semiconductor lasers and blue light emitting devices,
It is important as a material for electronic devices in high-temperature environments. This is because gallium nitride has a large band gap, is stable at high temperatures, and has strong physical and chemical strength. However, due to its features, there have been difficult points in the technology for manufacturing such optical semiconductor elements and electronic devices.

【0003】つまり,窒化ガリウムは化学的に安定な素
材であり、酸やアルカリ等の薬品に対する耐性が強いた
め液体溶液中に溶解させることによる加工技術すなわち
ウエットエッチングが困難であった。そのためプラズマ
技術により作り出した反応性イオンまたはそれをビーム
状にした反応性イオンビームを用いた加工技術すなわち
ドライエッチングなどが用いられてきた。ドライエッチ
ングにおいては,反応性ガスである塩素ガス等をプラズ
マ状態にすることによって反応性塩素イオンをつくり、
イオンと電界の相互作用によりこのイオンをビーム状に
し、その反応性塩素イオンビームを窒化ガリウムを含む
半導体素子形成用の基板に照射することによって加工を
行う。照射された半導体基板上では、反応性イオンビー
ムの物理的エネルギーまたは化学的な反応力により,窒
化ガリウムの格子を分解または破壊させる。この物理的
または化学的な反応により所望とする半導体部分を切削
すること、つまりエッチングすることができる。この素
子形成技術を用いて電子デバイスや光デバイスの制作を
行っていた。(参考文献1:Shin-ya Nunoue,Masahiro
Yamamoto, Mariko Suzuki, Chiharu Nozaki, Joji Nish
io, LisaSugiura,Masaaki Onomura, Kazuhiko Itaya, a
nd Masayuki Ishikawa,Reactiveion beam etching and
overgrowth process in the fabrication of InGaNinne
r stripe laser diodes, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.3
7, pp. 1470-1473part 1, no. 3B, March 1998.)
[0003] In other words, gallium nitride is a chemically stable material and has a high resistance to chemicals such as acids and alkalis, so that it has been difficult to process it by dissolving it in a liquid solution, that is, wet etching. For this reason, a processing technique using reactive ions created by a plasma technique or a reactive ion beam obtained by converting the ions into a beam, that is, dry etching, etc., has been used. In dry etching, reactive chlorine ions are created by making the reactive gas, such as chlorine gas, into a plasma state.
The ions are formed into a beam by the interaction between the electric field and the electric field, and the reactive chlorine ion beam is irradiated on a substrate for forming a semiconductor element containing gallium nitride to perform processing. On the irradiated semiconductor substrate, the lattice of gallium nitride is decomposed or destroyed by the physical energy or the chemical reaction force of the reactive ion beam. By this physical or chemical reaction, a desired semiconductor portion can be cut, that is, etched. Electronic devices and optical devices have been produced using this element formation technology. (Reference 1: Shin-ya Nunoue, Masahiro
Yamamoto, Mariko Suzuki, Chiharu Nozaki, Joji Nish
io, LisaSugiura, Masaaki Onomura, Kazuhiko Itaya, a
nd Masayuki Ishikawa, Reactiveion beam etching and
overgrowth process in the fabrication of InGaNinne
r stripe laser diodes, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 3
7, pp. 1470-1473part 1, no.3B, March 1998.)

【0004】しかしドライエッチングでは物理的に大き
なエネルギーを持つイオンの雰囲気中に試料をさらすた
め、基板表面にダメージ層が生じるという欠点があっ
た。特に数十nm程度の微細構造や、エッチング後にそ
の表面に再成長をさせる場合などには、ダメージの影響
が出てくる。
However, in dry etching, since the sample is exposed to an atmosphere of ions having physically large energy, there is a disadvantage that a damaged layer is formed on the substrate surface. In particular, in the case of a fine structure of about several tens nm or the case where the surface is regrown after etching, the influence of the damage appears.

【0005】ウエットエッチング技術も皆無ではなく、
水酸化ナトリウム溶液や水酸化カリウム溶液、塩酸溶液
などを用いた例もある。しかしながら窒化ガリウムは化
学的に安定であるためエッチング等の微細加工の時に実
用的な速度を得るためには、他の方法を併用する必要が
あった。
[0005] There is no wet etching technology,
Some examples use a sodium hydroxide solution, a potassium hydroxide solution, a hydrochloric acid solution, or the like. However, since gallium nitride is chemically stable, it is necessary to use another method in combination to obtain a practical speed at the time of fine processing such as etching.

【0006】水酸化ナトリウム溶液を用いる場合には、
窒化ガリウム層に電極を取り付けて陽極化することによ
りエッチングを行っている。これは窒化ガリウムが安定
である為、単に水酸化ナトリウム溶液に浸けておくだけ
ではエッチングが起きないためである。そのため窒化ガ
リウム層に電極をつけ窒化ガリウム層の電気化学的なポ
テンシャルを変化させることによりエッチングを誘起ま
たは促進させる方法である。(参考文献2:Mitsugu Oh
kubo, Effects of dissolved oxygen onanodic etching
of n-type GaN films using a sodium hydroxide elec
trolyte,Jpn. J. Appl. Phys., Vol.36, pp. L955-L95
8, part 2., No.7B, July 1997)
When using a sodium hydroxide solution,
Etching is performed by attaching an electrode to the gallium nitride layer and anodizing the electrode. This is because, because gallium nitride is stable, etching does not occur simply by immersing it in a sodium hydroxide solution. Therefore, the method is to induce or accelerate etching by attaching an electrode to the gallium nitride layer and changing the electrochemical potential of the gallium nitride layer. (Reference 2: Mitsugu Oh
kubo, Effects of dissolved oxygen onanodic etching
of n-type GaN films using a sodium hydroxide elec
trolyte, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 36, pp. L955-L95
8, part 2., No.7B, July 1997)

【0007】しかしながらこの方法では、窒化ガリウム
層の電気抵抗が大きい場合には問題となる。つまり、電
気抵抗を下げるためにドーピングする不純物の濃度が低
い場合や、電気抵抗を上げる効果のある不純物や格子欠
陥が窒化ガリウム層中に存在する場合には、窒化ガリウ
ム中での電気的なポテンシャルの変化が無視できなくな
り、均一なエッチングが不可能となる。さらにノンドー
プの窒化ガリウム層やセミインシュレートの窒化ガリウ
ム層では、ほぼ電流が流れないため陽極化技術がほぼ不
可能となる。
However, this method poses a problem when the electrical resistance of the gallium nitride layer is large. In other words, when the concentration of impurities to be doped to lower the electric resistance is low, or when impurities or lattice defects that have the effect of increasing the electric resistance are present in the gallium nitride layer, the electric potential in the gallium nitride is reduced. Changes cannot be ignored, and uniform etching becomes impossible. Furthermore, in a non-doped gallium nitride layer or a semi-insulated gallium nitride layer, almost no current flows, so that the anodization technique is almost impossible.

【0008】また窒化ガリウム系の半導体素子を製作す
る基板としては一般的にサファイア基板が用いられてい
るが、このサファイア基板は絶縁体である。一方、素子
を製作する場合には数インチ以上の大きな基板を用いる
のが生産コスト低減の為に必須である。そのためもし陽
極化技術を生産の過程で用いる必要があるときには、仮
に窒化ガリウム層等からなる半導体層の電気的な抵抗が
低くても実質的な電気的な距離が大きくなるため、電極
を多数半導体基板上に設ける必要が生じる。これは実用
上大きな問題となる。このような加工プロセスは、製品
の質の低下を招くだけでなく、歩留まり等も下げること
につながる。
In general, a sapphire substrate is used as a substrate for manufacturing a gallium nitride-based semiconductor device, but this sapphire substrate is an insulator. On the other hand, when manufacturing an element, it is essential to use a large substrate of several inches or more in order to reduce production costs. Therefore, if it is necessary to use anodizing technology in the production process, even if the electrical resistance of the semiconductor layer such as a gallium nitride layer is low, the substantial electrical distance becomes large, so that a large number of electrodes are used. It needs to be provided on a substrate. This is a serious problem in practical use. Such a processing process not only lowers the quality of the product but also lowers the yield and the like.

【0009】また加工プロセスの途中に用いる場合つま
りすでに何らかの微細加工が施されている基板に用いる
場合には、陽極化はさらに困難となる。これは例えば他
の部分と絶縁されるように加工された数μmオーダーの
形状を持つ部分などのエッチングにおいてである。この
場合には、他の部分と電気的に絶縁されているので、陽
極化用の電極を数μmオーダーの形状の内部に形成する
必要がある。しかしそのような電極形成技術もさること
ながら、さらにその部分に外部より電位を加えることは
非常に大きな困難を伴う。
Anodization becomes more difficult when used during the processing process, that is, when used on a substrate that has already been subjected to some fine processing. This is, for example, in the etching of a part having a shape on the order of several μm that is processed so as to be insulated from other parts. In this case, since it is electrically insulated from other parts, it is necessary to form an anodizing electrode inside a shape on the order of several μm. However, even with such an electrode forming technique, it is very difficult to apply a potential to the portion from outside.

【0010】また水酸化カリウム溶液や塩酸溶液を用い
たエッチング例もある。この場合には、前述の水酸化ナ
トリウム溶液を用いたエッチング方法と同様に、陽極化
技術は必須である。さらに、これらの溶液は、水酸化ナ
トリウムに比較して反応性が低い。よって紫外光を照射
することによりエッチング速度を促進する方法である。
(参考文献3:M.S.Minsky,M.White,and E.L.Hu, Room-
temperaturephotoenhanced wet etching of GaN, Appl.
Phys. Lett., Vol. 68, No. 11,pp.1531-1533, March 1
996)
[0010] There is also an etching example using a potassium hydroxide solution or a hydrochloric acid solution. In this case, the anodization technique is indispensable, as in the above-described etching method using a sodium hydroxide solution. Furthermore, these solutions are less reactive than sodium hydroxide. Therefore, this is a method in which the etching rate is promoted by irradiating ultraviolet light.
(Reference 3: MSMinsky, M. White, and ELHu, Room-
temperaturephotoenhanced wet etching of GaN, Appl.
Phys. Lett., Vol. 68, No. 11, pp.1531-1533, March 1
996)

【0011】この方法においても陽極化技術を併用して
いるため、前述の様な均一性や実用性等で問題が生じ
る。さらに、加えて光照射を行う必要がある為、紫外光
の光源を用意しなければならない等の問題点が生じる。
エッチング速度は紫外光の強度に依存する一方、1mm
四方に対して数mW以上の光強度が必要である。そのた
め数インチの基板の加工を行う場合には、数W以上、場
合によっては数10ワット以上の紫外光源を用いて均一
に照射する必要がある。
In this method, since the anodization technique is also used, problems occur in the uniformity and practicality as described above. Further, since it is necessary to additionally perform light irradiation, there arises a problem that an ultraviolet light source must be prepared.
While the etching rate depends on the intensity of ultraviolet light, 1 mm
Light intensity of several mW or more is required for all directions. Therefore, when processing a substrate of several inches, it is necessary to uniformly irradiate using an ultraviolet light source of several watts or more, and in some cases, tens of watts or more.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の課題
は,ダメージが生じることがないウエットエッチングの
開発である。現状では一般的にドライエッチングが用い
られている。しかしドライエッチングにはダメージ層を
生じるなどの問題がある。ダメージの少ないウエットエ
ッチングの開発が必要である。
The first object of the present invention is to develop a wet etching which does not cause damage. At present, dry etching is generally used. However, dry etching has problems such as formation of a damaged layer. It is necessary to develop wet etching with less damage.

【0013】第2の課題は、陽極化技術や光照射等が不
必要のウエットエッチングの開発である。陽極化技術や
光照射というプロセスは、本来余計のものであるゆえ
に、不必要な問題点を生じる。
The second problem is the development of wet etching which does not require anodizing technology or light irradiation. The processes of anodization technology and light irradiation are unnecessary in nature and cause unnecessary problems.

【0014】第3の課題は,エッチング速度の向上であ
る。従来のウエットエッチングの方法は陽極化技術や光
照射等を用いてもエッチング速度が遅かった。つまり従
来のウエットエッチングにおいてはエッチング速度が遅
く、窒化ガリウム層中に多くの欠陥が存在している場合
においてのみ実用的なエッチング速度が得られていた。
A third problem is to improve the etching rate. The conventional wet etching method has a low etching rate even if anodization technology, light irradiation, or the like is used. That is, in the conventional wet etching, the etching rate is low, and a practical etching rate is obtained only when many defects exist in the gallium nitride layer.

【0015】第4の課題は、パターニング等を可能にす
るためのエッチングマスクの開発である。エッチング技
術は、エッチング液に対して抗力をもつ薄膜が必要であ
る。
A fourth problem is the development of an etching mask for enabling patterning and the like. The etching technique requires a thin film having a resistance to an etching solution.

【0016】第5の課題は、光デバイス等に用いられる
垂直端面を得るエッチングの開発である。光デバイス特
に半導体レーザにおいては、光を閉じ込める共振器構造
の形成のために反射鏡を制作する必要がある。これにつ
いてはウエットエッチングの方法がなかった。
A fifth problem is the development of etching for obtaining a vertical end face used for an optical device or the like. In an optical device, particularly a semiconductor laser, it is necessary to manufacture a reflecting mirror to form a resonator structure for confining light. There was no wet etching method for this.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】化学的に安定な窒化ガリ
ウムをエッチングするために、反応性のピロリン酸を用
いることにした。ピロリン酸は、通常用いられるオルト
リン酸が脱水されることにより得られる。また酸化リン
に適切な割合の水を加えることにより得られる。ピロリ
ン酸は強力な酸であるため、陽極化や光照射をしなくて
も十分なエッチング効果を持つ。
In order to etch chemically stable gallium nitride, reactive pyrophosphoric acid is used. Pyrophosphoric acid is obtained by dehydrating a commonly used orthophosphoric acid. It can also be obtained by adding an appropriate ratio of water to phosphorus oxide. Since pyrophosphoric acid is a strong acid, it has a sufficient etching effect without anodization or light irradiation.

【0018】また、ピロリン酸の温度を210℃から2
20℃以上の高温にすることにより十分なエッチング速
度が得られる。これにより、1分間に数百nm以上の厚
さの窒化ガリウム膜をエッチングする速度が得られる。
またエッチング速度は温度に依存しており、温度を制御
することによりエッチング速度を制御できる。
The temperature of pyrophosphoric acid is increased from 210 ° C. to 2 ° C.
By setting the temperature to 20 ° C. or higher, a sufficient etching rate can be obtained. Thus, a speed of etching a gallium nitride film having a thickness of several hundred nm or more per minute can be obtained.
Further, the etching rate depends on the temperature, and the etching rate can be controlled by controlling the temperature.

【0019】またパターニングには、パターニング用の
マスクが重要である。ピロリン酸は大きな反応力を持つ
ため、通常の金属や質の低い酸化膜ではマスクとして作
用しない。そこで熱CVD法等により形成された良質の酸
化珪素膜を用いることにした。また、酸化珪素膜の厚さ
を数百nm以上に厚くすれば十分に抵抗力のあるマスク
として作用する。
In patterning, a mask for patterning is important. Since pyrophosphoric acid has a large reaction force, it does not act as a mask with ordinary metals or low-quality oxide films. Therefore, a high-quality silicon oxide film formed by a thermal CVD method or the like is used. If the thickness of the silicon oxide film is increased to several hundreds nm or more, it functions as a sufficiently resistant mask.

【0020】このように十分に厚くしたマスクを用い
て、サファイア基板上等に形成された窒化ガリウム系の
半導体膜をエッチングすれば、ほぼ垂直な半導体膜の側
面が形成される。この側面は、サファイア等の基板に対
して垂直な面を形成しており、光デバイス特にレーザの
共振器を形成する反射鏡の面となる。
When a gallium nitride-based semiconductor film formed on a sapphire substrate or the like is etched using a sufficiently thick mask as described above, a substantially vertical side surface of the semiconductor film is formed. This side surface forms a surface perpendicular to a substrate such as sapphire, and serves as a surface of a reflecting mirror forming an optical device, particularly a laser resonator.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】ピロリン酸のエッチングの詳細に
ついて述べる。ピロリン酸は無色透明の液体であり、オ
ルトリン酸を210から220℃以上に熱するか、また
は五酸化二リンに適切な分量比の水を加えた後に加熱す
ることによって得られる。また市販されているものを用
いるのも可能である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the etching of pyrophosphoric acid will be described. Pyrophosphoric acid is a colorless and transparent liquid, and is obtained by heating orthophosphoric acid to 210 to 220 ° C. or higher, or by adding diphosphorus pentoxide to a suitable amount of water followed by heating. It is also possible to use a commercially available one.

【0022】ピロリン酸がすでに空気中の水分を含んで
いたり、エッチングをする場所での湿度に依存して水分
を吸収したりするため、そのような場合には、エッチン
グをする温度にピロリン酸を一定時間、例えば1時間保
ったのちにエッチングを行う必要がある。これにより余
分な水分が蒸発するか、逆にその場所の湿度に応じた水
分を吸収することにより平衡状態になり、エッチング速
度が安定する。
Since pyrophosphoric acid already contains moisture in the air or absorbs moisture depending on the humidity at the place where the etching is performed, in such a case, the pyrophosphoric acid is reduced to the etching temperature. It is necessary to perform etching after holding for a certain period of time, for example, one hour. As a result, excess water evaporates or, conversely, absorbs water in accordance with the humidity of the place, thereby achieving an equilibrium state, and the etching rate is stabilized.

【0023】ピロリン酸が窒化ガリウムをエッチングす
るには、ピロリン酸をエッチングの起こる温度に保って
おく必要がある。エッチングの効果には温度依存性があ
り、しきい値温度がある。しきい値温度は、210℃か
ら220℃である。それ以下の温度でも若干エッチング
が起き、表面の数分子層程度の剥離には有効であるが、
パターニング等に有効な実用的なエッチング速度を得る
ことは出来ない。表面のダメージ層などならばエッチン
グされることはある。逆にしきい値以上では、大きなエ
ッチング速度が得られる。
In order for pyrophosphoric acid to etch gallium nitride, it is necessary to keep pyrophosphoric acid at a temperature at which etching occurs. The effect of the etching has a temperature dependency and a threshold temperature. The threshold temperature is between 210 ° C and 220 ° C. Even if the temperature is lower than that, etching occurs slightly, and it is effective for peeling about several molecular layers on the surface,
A practical etching rate effective for patterning or the like cannot be obtained. If it is a damaged layer on the surface, it may be etched. Conversely, above the threshold, a large etching rate can be obtained.

【0024】図2に約230℃のピロリン酸を用いたと
きのエッチング深さとエッチング時間の測定例を示す。
これは、サファイア基板上に成長されたやや格子欠陥等
を含む六方晶の窒化ガリウム層をエッチングしたときの
測定結果である。初めの1分間程度はエッチングされ
ず、2分以上経過するとエッチングされることが分か
る。
FIG. 2 shows a measurement example of the etching depth and the etching time when using pyrophosphoric acid at about 230 ° C.
This is a measurement result when a hexagonal gallium nitride layer containing a little lattice defect and the like grown on a sapphire substrate is etched. It can be seen that the etching is not performed for the first one minute or so, and the etching is performed after two minutes or more.

【0025】最初の1分から2分間はほとんどエッチン
グされないが、この詳細についてはまだ明らかになって
いない。一つの考察としては、表面になんらかの化学的
に安定な極薄膜があり、これがピロリン酸による窒化ガ
リウムのエッチングを一定時間止めていると考えられ
る。この化学的に安定な極薄膜が最初の一定時間内に除
去され、その後窒化ガリウムのエッチングがほぼ一定の
速度で行われると考えられる。途中でエッチングを止め
て、再びエッチング行う場合にも同様なことが起きる。
これについては化学的反応の詳細について今後の研究が
必要である。
There is little etching during the first minute or two, but the details are not yet clear. One consideration is that there is some kind of chemically stable ultrathin film on the surface, which stops the etching of gallium nitride by pyrophosphoric acid for a certain period of time. It is believed that the chemically stable ultra-thin film is removed within the first fixed time, after which gallium nitride etching is performed at a substantially constant rate. The same occurs when the etching is stopped halfway and the etching is performed again.
This requires further study on the details of the chemical reactions.

【0026】図2に示す例では、2分以上経過した後の
エッチング速度は100nm/min程度である。エッ
チング速度は、窒化ガリウム材料の質に依存する。格子
欠陥が少ない場合にはエッチング速度は小さくなり、逆
に欠陥密度が多い場合には速くなる。またエッチング速
度は、その他の性質例えばドーピングの密度等にも依存
する。よって、実際にプロセスに用いる窒化ガリウム材
料のエッチング特性を、あらかじめ調べておく必要があ
る。例えば、エッチング速度の温度依存性や、エッチン
グ初期のほとんどエッチングされない時間等を正確に測
定した後に行うべきである。
In the example shown in FIG. 2, the etching rate after elapse of 2 minutes or more is about 100 nm / min. The etch rate depends on the quality of the gallium nitride material. When the number of lattice defects is small, the etching rate is low, and when the number of defects is high, the etching rate is high. The etching rate also depends on other properties such as doping density. Therefore, it is necessary to check in advance the etching characteristics of the gallium nitride material actually used in the process. For example, it should be performed after accurately measuring the temperature dependence of the etching rate, the time during which almost no etching is performed at the beginning of etching, and the like.

【0027】現在窒化ガリウムと格子定数が等しい基板
がなく、その代わりにサファイア基板等が用いられてい
るため、半導体層中には多数の格子欠陥等が存在し、し
かもこれは厚さ方向に対して欠陥密度が変化している。
そのため正確にはエッチングレートを定めることが出来
ないのが現状である。そのためダミー材料等を用いて条
件出しを予め行なっておくのは必須であると考えられ
る。
At present, there is no substrate having a lattice constant equal to that of gallium nitride, and instead, a sapphire substrate or the like is used. Therefore, a large number of lattice defects and the like exist in the semiconductor layer. The defect density has changed.
Therefore, it is impossible at present to accurately determine the etching rate. Therefore, it is considered essential to determine the conditions in advance using a dummy material or the like.

【0028】また、容器や器具に関する注意点は以下の
通りである。高温のピロリン酸はエッチング効果が大き
いため通常のガラス等はエッチングされる。また多くの
金属は簡単にエッチングされる。ピロリン酸の容器、ピ
ロリン酸内に入れる時に窒化ガリウム材料を保持する用
具、ピロリン酸内の温度を測る温度計等が腐食されない
ように十分に考慮する必要がある。そのため石英で出来
た容器や保持用具、または白金製のものなどを用いるの
が良い。熱電対等もエッチングされるため、石英管等で
カバーする必要がある。
The following points should be noted regarding containers and equipment. Since high-temperature pyrophosphoric acid has a large etching effect, ordinary glass or the like is etched. Also, many metals are easily etched. Care must be taken to prevent corrosion of the container of pyrophosphoric acid, tools for holding gallium nitride material when placed in pyrophosphoric acid, and thermometers for measuring the temperature in pyrophosphoric acid. Therefore, it is preferable to use a container or holding tool made of quartz, or a material made of platinum. Since the thermocouple and the like are also etched, it is necessary to cover with a quartz tube or the like.

【0029】図1は、本発明の窒化ガリウム系半導体素
子の製造方法に用いることのできるエッチングプロセス
を例示する図である。ステップS1で、エッチングする
必要がある窒化ガリウム材料すなわち窒化ガリウム成長
基板を、搬送器具に取り付けた後、ステップS2で、こ
の窒化ガリウム成長基板や保持器具等を、予熱してお
く。つまりエッチング温度と同じ温度にしておく。保持
器具や窒化ガリウム成長基板材料等の温度がピロリン酸
の温度と異なるとピロリン酸内に窒化ガリウム成長基板
等をいれたときにピロリン酸の温度が変化するためであ
る。
FIG. 1 is a diagram illustrating an etching process which can be used in the method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor device of the present invention. In step S1, a gallium nitride material that needs to be etched, that is, a gallium nitride growth substrate, is attached to a transfer device, and in step S2, the gallium nitride growth substrate, the holding device, and the like are preheated. That is, it is set to the same temperature as the etching temperature. This is because if the temperature of the holding device or the gallium nitride growth substrate material is different from the temperature of pyrophosphoric acid, the temperature of pyrophosphoric acid changes when the gallium nitride growth substrate or the like is placed in pyrophosphoric acid.

【0030】つぎに、ステップS3において、窒化ガリ
ウム成長基板等をピロリン酸内に浸けてエッチングさせ
る。浸ける時間は、予め条件出しを行い最適な時間を求
めておく。またピロリン酸の温度についても同様であ
る。ピロリン酸はオーブンや加熱炉等の加熱器により温
度を一定に保っておく必要がある。温度を一定に保つた
めに良く知られている従来の方法で良い。ただし基板が
大きい場合や、液の容量が大きく容器内のピロリン酸の
温度が一定でない場合には掻き混ぜる必要がある。
Next, in step S3, the gallium nitride growth substrate or the like is immersed in pyrophosphoric acid and etched. For the immersion time, conditions are determined in advance to determine the optimal time. The same applies to the temperature of pyrophosphoric acid. It is necessary to keep the temperature of pyrophosphoric acid constant by a heater such as an oven or a heating furnace. A well-known conventional method for keeping the temperature constant may be used. However, when the substrate is large or when the volume of the liquid is large and the temperature of pyrophosphoric acid in the container is not constant, it is necessary to stir.

【0031】エッチングに必要な時間が経過したら、ス
テップS4において、材料を取り出し純水を用いて表面
に残留しているピロリン酸を取り除く。高温のピロリン
酸中から室温中に試料を取り出すとすぐに室温に試料温
度が下がるため、ほぼエッチングは停止する。同様に2
0℃程度の純水に浸けることにより温度が低くなり、さ
らにピロリン酸を洗浄するためエッチングは完全に停止
する。その後、ステップS5において、必要に応じて純
水をブローして乾かすなどして次のプロセスに入る。
After the time required for the etching has elapsed, in step S4, the material is taken out and the pyrophosphoric acid remaining on the surface is removed using pure water. As soon as the sample is taken out of the pyrophosphoric acid at high temperature to room temperature, the temperature of the sample drops to room temperature, so that the etching is almost stopped. Similarly 2
The temperature is lowered by immersing in pure water of about 0 ° C., and the etching is completely stopped to further clean the pyrophosphoric acid. Thereafter, in step S5, the next process is started by blowing and drying pure water as necessary.

【0032】次にサファイア基板等の上に有機金属気相
成長法や分子線成長法を用いて成膜された窒化ガリウム
等からなる半導体層を微細加工する方法について述べ
る。図3は、図1に示したエッチングプロセスを用いた
本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を例示し
ている。酸化珪素等はピロリン酸によって融解されにく
い為、微細加工の際のマスクとして有効である。図3の
1)に示すように,まず基板(サファイア基板3)上に
積層されて微細加工する必要のある半導体層(窒化ガリ
ウム膜2)の上に、厚さにして200nmの酸化珪素の薄
膜1を、熱CVD法やプラズマCVD法等の従来から用
いられている成膜技術を用いて薄膜形成する。ピロリン
酸は効力の強い液体であるため、成膜中に酸化珪素に微
少な穴が形成されることが無いように十分に配慮する。
そのため熱CVD法等により成膜された酸化珪素膜1は有
効に作用する。
Next, a method for finely processing a semiconductor layer made of gallium nitride or the like formed on a sapphire substrate or the like by metal organic chemical vapor deposition or molecular beam epitaxy will be described. FIG. 3 illustrates a method of manufacturing a gallium nitride based semiconductor device of the present invention using the etching process shown in FIG. Since silicon oxide and the like are not easily melted by pyrophosphoric acid, it is effective as a mask for fine processing. As shown in FIG. 3A, first, a silicon oxide thin film having a thickness of 200 nm is formed on a semiconductor layer (gallium nitride film 2) which is laminated on a substrate (sapphire substrate 3) and needs to be finely processed. 1 is formed into a thin film by using a conventional film forming technique such as a thermal CVD method or a plasma CVD method. Since pyrophosphoric acid is a highly effective liquid, sufficient care is taken so that minute holes are not formed in silicon oxide during film formation.
Therefore, the silicon oxide film 1 formed by the thermal CVD method or the like works effectively.

【0033】その後、図3の2)に示すように,レジス
トを用いたフォトリソグラフィーや電子ビーム描画技術
などと弗酸等を含むエッチング液を併用して、酸化珪素
を所望の形状に合わせてパターニングする。この際形成
された酸化珪素の薄膜が、窒化ガリウム等からなる半導
体層の微細加工の時のマスクとなる。
Thereafter, as shown in 2) of FIG. 3, the silicon oxide is patterned into a desired shape by using photolithography or electron beam lithography using a resist together with an etching solution containing hydrofluoric acid or the like. I do. The silicon oxide thin film formed at this time is used as a mask at the time of fine processing of the semiconductor layer made of gallium nitride or the like.

【0034】次にエッチングを行うが、図3の3)に示
すようにエッチングを行なう。その詳細は図2において
示した通りである。ピロリン酸の温度を230〜240
℃程度に保つことにより,20-2000nm/分程度の
エッチング速度が得られる。ただしエッチング速度は、
半導体層の膜質によって異なるためあらかじめダミーの
試料などで条件出しをして置く必要がある。最後に必要
に応じて酸化珪素膜等を除去したりして、次のプロセス
に移行する。
Next, etching is performed, as shown in 3) of FIG. The details are as shown in FIG. The temperature of pyrophosphoric acid is 230-240
By maintaining the temperature at about ° C, an etching rate of about 20-2000 nm / min can be obtained. However, the etching rate is
Since it differs depending on the film quality of the semiconductor layer, it is necessary to determine conditions in advance using a dummy sample or the like. Finally, if necessary, the silicon oxide film or the like is removed, and the process proceeds to the next process.

【0035】[0035]

【発明の効果】ピロリン酸を用いたウエットエッチング
は、ドライエッチングと比較するとダメージが少ない等
の特長がある。また、温度を高くすることによりドライ
エッチングよりも大きなエッチング速度を得ることも可
能である。これは、窒化ガリウム自体の基板の作成や研
磨等において重要な技術となり得る。
The wet etching using pyrophosphoric acid has features such as less damage as compared with dry etching. Also, by increasing the temperature, it is possible to obtain an etching rate higher than that of dry etching. This can be an important technique in the preparation and polishing of a substrate of gallium nitride itself.

【0036】また光照射や陽極化技術も不要であるた
め、大きな基板上における素子開発や、微細構造を持つ
素子の開発に効果がある。特に陽極化技術では素子表面
に電極を形成するプロセスが必要であり、さらに場合に
よっては電極の除去等のプロセスも必要となる。そのた
め加工プロセスのステップを低減することが可能とな
る。さらに垂直な端面が形成することができるため、ダ
イオードや、半導体レーザ等の生産に大きな効果をもた
らす。
Further, since neither light irradiation nor anodization technology is required, the present invention is effective in developing a device on a large substrate and a device having a fine structure. In particular, in the anodization technique, a process of forming an electrode on the element surface is required, and in some cases, a process of removing the electrode is also required. Therefore, the number of steps in the processing process can be reduced. Further, since a vertical end face can be formed, a great effect is produced in the production of diodes, semiconductor lasers, and the like.

【0037】さらに、ピロリン酸を用いたエッチングで
は、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を含まないた
め、窒化ガリウム系の材料を用いた素子や集積回路の製
作時の加工技術として重要となる。これは、ナトリウム
イオンやカリウムイオン等の金属イオンは、素子の歩留
まりや生産設備や装置等の劣化等を招く大きな要因であ
ったことを考慮すれば明白である。
Further, since etching using pyrophosphoric acid does not contain sodium ions, potassium ions, etc., it is important as a processing technique at the time of manufacturing an element or an integrated circuit using a gallium nitride-based material. This is evident in view of the fact that metal ions such as sodium ions and potassium ions are major factors that cause the yield of elements and the deterioration of production facilities and equipment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法
に用いることのできるエッチングプロセスを例示する図
である。
FIG. 1 is a diagram illustrating an etching process that can be used in a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor device of the present invention.

【図2】ピロリン酸を用いたときのエッチング深さとエ
ッチング時間の測定例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a measurement example of an etching depth and an etching time when using pyrophosphoric acid.

【図3】図1に示したエッチングプロセスを用いた本発
明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を例示する図
である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing a gallium nitride based semiconductor device of the present invention using the etching process shown in FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 酸化珪素膜 2 窒化ガリウム膜 3 サファイア基板 4 パターニングされた酸化珪素膜 5 パターニングされた窒化ガリウム膜 Reference Signs List 1 silicon oxide film 2 gallium nitride film 3 sapphire substrate 4 patterned silicon oxide film 5 patterned gallium nitride film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白樫 淳一 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 渡辺 正信 茨城県つくば市梅園1丁目1番4 工業技 術院電子技術総合研究所内 Fターム(参考) 5F041 CA40 CA74 5F043 AA13 BB06 CC05 DD07 FF10 GG10 5F073 CA02 DA23  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Junichi Shiragashi 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki Pref. Electronic Technology Research Institute (72) Inventor Masanobu Watanabe 1-4-1, Umezono, Tsukuba, Ibaraki F-term (Reference) in the Electronic Technology Research Laboratory, National Institute of Industrial Science 5F041 CA40 CA74 5F043 AA13 BB06 CC05 DD07 FF10 GG10 5F073 CA02 DA23

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化ガリウムを素材として含む窒化ガリ
ウム系半導体素子の製造方法において、 ピロリン酸を用いたウエットエッチングにより、窒化ガ
リウム素材を加工することを特徴とする窒化ガリウム系
半導体素子の製造方法
1. A method of manufacturing a gallium nitride-based semiconductor device containing gallium nitride as a material, wherein the gallium nitride material is processed by wet etching using pyrophosphoric acid.
【請求項2】 前記窒化ガリウム素材を加工し、パター
ニングするために、酸化珪素膜のマスクを用いたことを
特徴とする請求項1に記載の窒化ガリウム系半導体素子
の製造方法
2. The method according to claim 1, wherein a mask of a silicon oxide film is used for processing and patterning the gallium nitride material.
【請求項3】 前記半導体素子は、垂直端面を必要とす
る光電子素子であって、前記ピロリン酸を用いたウエッ
トエッチングにより、垂直なエッチング面を得ることを
特徴とする請求項1又は2に記載の窒化ガリウム系半導
体素子の製造方法
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is an optoelectronic device requiring a vertical end face, and a vertical etching surface is obtained by wet etching using the pyrophosphoric acid. For manufacturing gallium nitride based semiconductor device
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006253670A (en) * 2005-02-14 2006-09-21 Showa Denko Kk Nitride semiconductor light-emitting device and method of fabricating the same
US7148149B2 (en) 2003-12-24 2006-12-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for fabricating nitride-based compound semiconductor element
JP2009033205A (en) * 2005-02-14 2009-02-12 Showa Denko Kk Method for fabricating nitride semiconductor light-emitting device
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JP2013173648A (en) * 2012-02-26 2013-09-05 Osaka Univ Method for producing group iii nitride crystal, group iii nitride crystal and semiconductor device

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