JP2000252265A - 化合物半導体材料のエッチング方法および化合物半導体装置 - Google Patents
化合物半導体材料のエッチング方法および化合物半導体装置Info
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Abstract
有する化合物半導体材料を低損失に加工を行なう方法を
提供するものである。 【解決手段】 本願発明は、エッチング励起用イオンと
してエッチングを行う化合物半導体の構成元素のイオン
と、ハロゲンあるいはハロゲン元素を有する化合物等の
ラジカル等化学的活性種を合わせ用いる。
Description
の加工方法に関するものである。更には、本願はいわゆ
るドライ・エッチング方法に関するものである。
器,光導波路素子等の化合物半導体光装置あるいは化合
物半導体装置の製造工程に用いて有用である。
ングに際しては、特にその表面の組成ずれ、表面あれな
どが避け難かった。例えば、GaN,GaP,InP等
の化合物半導体材料のドライエッチングを行う際,G
a,In等のIII族やII族元素は不揮発性の諸生成
物となり,N,P等のV族やVI族の諸元素は揮発性の
諸生成物が形成される。両者の揮発性の違いから,被加
工物のエッチングされた後の表面はGa,In等のII
I族やII族の諸元素の比率が多い状態となり,被加工
物の表面領域のストイキオメトリの悪化から大気中の酸
素等と反応しやすい状態となる。この為、結果的に被加
工物の表面空乏層の増加等を起こすこととなる。
オンビームエッチングによる方法等では,上記の反応生
成物揮発性の違いに起因する表面荒れやエッチング損傷
が多く,光素子の性能を大幅に悪化させる問題が報告さ
れている。こうした報告は、例えば,ジャーナル・オブ
・バキュームサイエンス・テクノロジー,B14巻,3
冊,1996,p1758〜1763(J. Vac. Sci. T
echnol. B14(3), 1996, p1758〜1763)やジャーナル・
オブ・バキュームサイエンス・テクノロジー,B14
巻,3冊,1996,p1764〜1772(J. Vac.
Sci. Technol. B14(3), 1996, p1764〜1772)に見られ
る。
導体材料を低損傷に加工を行なう方法を提供するもので
ある。
ばIII-V族の化合物半導体材料やII-VI族化合物半導
体材料等に見られるように、ドライ・エッチング時に揮
発し易い成分とこれと比較して揮発し難い成分を生成
し、その揮発性の相違から表面組成はそのストイキオメ
トリの悪化を招く。この為、化合物半導体材料は結晶表
面の荒れや結晶欠陥等の材料の損傷を発生し易い。
な加工方法を提供するものである。
し易い成分と上記これと比較して揮発し難い成分を各々
不揮発性成分、揮発性成分と称する。
な発明を列挙すれば次の通りである。
の構成元素の少なくとも一者のイオンと、ハロゲン元素
および当該化合物半導体材料の構成元素とハロゲン元素
とを少なくとも有する化合物の活性種の少なくとも一者
とによって、当該化合物半導体材料をエッチングするこ
とを特徴とする化合物半導体材料のエッチング方法であ
る。
器内に準備し、当該化合物半導体材料の構成元素の少な
くとも一者のイオンを当該化合物半導体材料の加工面に
衝突せしめ、且つハロゲン元素および当該化合物半導体
材料の構成元素とハロゲン元素とを少なくとも有する化
合物の活性種の少なくとも一者を当該化合物半導体材料
の加工面に対して流入せしめることを特徴とする化合物
半導体材料のエッチング方法である。
体材料の構成元素の少なくとも一者のイオンを反応性イ
オンとして用い、且つハロゲン元素および当該化合物半
導体材料の構成元素とハロゲン元素とを少なくとも有す
る化合物の活性種の少なくとも一者をエッチング種とし
て用いることによって、当該化合物半導体材料をエッチ
ングすることを特徴とする化合物半導体材料のエッチン
グ方法である。
器内に準備し、当該化合物半導体材料の構成元素の少な
くとも一者のイオンをエッチング励起用として用い、且
つハロゲン元素および当該化合物半導体材料の構成元素
とハロゲン元素とを少なくとも有する化合物の活性種の
少なくとも一者を当該化合物半導体材料に対して流入せ
しめることを特徴とする化合物半導体材料のエッチング
方法である。
明する。
グにより加工するに際し、当該化合物半導体材料の構成
元素の少なくとも一者とハロゲン元素または当該化合物
半導体材料の構成元素とハロゲン元素を有する化合物の
ラジカルを少なくとも有する雰囲気でエッチングを行な
う化合物半導体材料の加工方法である。
とも一者はエッチング励起用の反応性イオンとして用
い、一方ハロゲン元素または当該化合物半導体材料の構
成元素とハロゲン元素を有する化合物のラジカル等の化
学的活性種を主なエッチング種として作用せしめる。
化合物半導体材料の構成元素とハロゲン元素とを少なく
とも有する化合物、H2、アルキルガス、V族元素又は
VI族元素の水素化物,アルキル化物またはハロゲン化
アルキルの群から選ばれた少なくとも一者を用いること
が出来る。これら諸元素、諸化合物などは後述される。
欠陥等を発生し難い状態で、化合物半導体材料の加工を
行なうことが可能である。同時に化合物半導体材料の構
成元素の少なくとも一者のイオンを用いることによっ
て、これまでの方法に比較してエッチング速度の速い加
工方法を提供出来ると言える。
は、通例0.05〜10mTorrの圧力範囲において
これらエッチング励起用イオンと化学的活性種の相互作
用によりエッチングするのが好適である。
グ速度の速い加工方法を提供出来る。この本願発明の第
2の形態は、化合物半導体材料の結晶表面の荒れや結晶
欠陥等を発生し難いと言う意味で極めて好ましい。
の化合物半導体材料が, III−V族化合物半導体またはI
I−VI族化合物半導体なるのが本願発明の代表的な形態
である。 III−V族化合物半導体の代表例として、B
N,BP,AlN,AlP,AlAs,GaN,GaA
s,GaP,InP,InAs等を挙げることが出来
る。又、 II−VI族化合物半導体の代表例として、Zn
O,ZnS,CdS等を挙げることが出来る。
工方法において、その化合物半導体材料の構成元素は,
N,P,As等のV族元素またはS,O等のVI族元素
の群より選ばれた少なくとも一者であることが、その代
表例である。
工方法において、そのハロゲンおよびハロゲンと化合物
半導体材料の構成元素の1つとの化合物が、Cl2,
F2,Br2,I2等のハロゲンと、NF3,SF6,PC
l3,AsCl3等のV族元素,VI族元素のハロゲン化
物またはこれらの混合物であることがその代表例であ
る。
びハロゲン化合物の替わりに,H2またはNH3またはC
H4,C2H6等のアルキルガスおよびV族元素,VI族
元素の水素化物,アルキル化物またはハロゲン化アルキ
ルを用いることが出来る。
は結晶表面の荒れや結晶欠陥等を発生し難い状態で、化
合物半導体材料の加工を行なうことが可能である。同時
に化合物半導体材料の構成元素の少なくとも一者のイオ
ンを用いることによって、これまでの方法に比較してエ
ッチング速度の速い加工方法を提供出来ると言える。
体材料のエッチング方法を含む製造方法にて製造された
ことを特徴とする化合物半導体装置である。本願に係わ
る半導体装置は、損傷が少なく、成分比が適正な化合物
半導体材料にて構成され、良好な半導体装置の特性を得
ることが出来る。更には、その製造歩留まりは高い。更
には、製造経費は安価である。
明するに先立って、本願発明の諸形態を詳細に説明す
る。
る。図1は本願発明の加工原理を説明する説明図、図2
は本願発明を実施する為の加工装置の例を説明する為の
説明図、図3は励起イオンと化学的励起種の相互作用に
よるエッチングを説明する特性例を示す図、図4は反応
室のガス圧とエッチング速度の関係の例を示す図であ
る。
結晶表面の荒れや結晶欠陥等を発生を防止するにある。
この主原因は、これまで説明してきたように、化合物半
導体材料の加工時、化合物半導体材料の有する不揮発性
成分と揮発性成分が生成し、その揮発性の相違から表面
組成はそのストイキオメトリの悪化を招くことにある。
ッチング加工する際,予想される反応生成物は,一般的
にIII−V族化合物半導体の場合にはV族元素のハロ
ゲン化物、II−VI族化合物半導体の場合にはVI族
元素のハロゲン化物である。そして、これらの物質の揮
発性が大きい。従って、これらの元素は被加工物より容
易に除去される。これに対しIII族,II族の元素は
揮発性が低く,一旦表面から解離しても再吸着したりエ
ッチング反応室内壁に付着する等,容易に反応室外には
排出されない。従って,エッチング後の表面はV族、V
I族元素が選択的に除去され,必然的にIII族,II
族元素がリッチな状態となる。この為、例えばバイアス
条件等によっては被加工物の表面荒れを起こすのであ
る。
の骨子は次の通りである。本願発明の方法では、通例の
ドライ・エッチングで使用する化学的活性種に加えて、
エッチングの為の励起イオンとしてV族およびVI族元
素を利用する。これらのイオンを用いることで,エッチ
ング表面におけるV族,VI族元素の選択的な脱離が抑
制される。
常のドライ・エッチングの場合と同様に、各種不活性ガ
ス、例えばヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、
キセノンなどを用いることが出来る。このバッファ・ガ
スはエッチングの為イオン源としてのプラズマを安定し
て得るのに有用である。
は、反応性イオンエッチング(RIE:reactiv
e ion etching)、反応性イオンビームエッ
チング(RIBE:reactive ion beam
etching)、あるいはケミカルアシスト型イオ
ンビームエッチング(CAIBE:chemicall
y assisted beam etching)、I
CP(Inductive Coupled Plas
ma)エッチング、ECR(ElectronCycr
otron Resonance)エッチング、マグネ
トロンエッチングなどを挙げることが出来る。どの基本
方式に準拠しても本願発明の方法を適用して、その効果
を奏することが出来る。
ライ・エッチングで使用する化学的活性種に加えて、エ
ッチングの為の励起イオンとしてV族およびVI族元素
を利用するもので、この趣旨に添ったエッチング条件の
設定以外、その他の例えば、エッチング装置、方法、あ
るいは食刻用マスクを使用する場合はそのマスク等は、
通例のものに準じて良い。又、そのイオンの励起は励起
の形式を問わない。
模式図に見られるように、化合物半導体材料基板1にエ
ッチングの為の励起用イオン3を入射させる。そして、
この励起用イオン3が衝撃を与えた化合物半導体基板1
の部位5がエッチングされるのであるが、本願発明にお
いては、励起用イオン3とは別に、前述したように、例
えばハロゲンおよびV族、VI族元素のハロゲン化物の
ラジカル等の化学的活性種4を生成して与えるものであ
る。この化学的活性種4が前記化合物半導体基板1の部
位5を攻撃し,エッチングが促進される。そして、所望
の加工部6が形成される。
の導入管である。
有する化合物半導体材料に広く適用可能である。
ば、GaAs,AlGaAs,InGaAs,InAl
As,AlAs,InAs,InP,AlInP,In
GaP,AlGaP,GaP,AlP,BP,GaN,
AlN,AlGaN,InN、AlInN,InGs
N,BN,GaSb,InSb,AlSb,AlGaS
b,InGaSb,InAlSb、あるいはこれらの可
能な混晶を挙げることが出来る。又、II−IV族化合
物半導体の諸例を例示すれば、ZnS,CdS,Zn
O,ZnSe,CdSe,ZnTe,CdTe,あるい
はこれらの可能な混晶を挙げることが出来る。
GaAs,InGaAs,InAlAs,AlAs,I
nAs,InP,AlInP,InGaP,AlGa
P,GaP、GaN,AlN,AlGaNなどのIII
−V族化合物半導体、ZnS,CdS,ZnO,ZnS
e,CdSeなどのII−VI族化合物半導体が、より
有効に本願発明の効果を奏する半導体材料と言うことが
出来る。
半導体材料の構成元素の少なくとも一者をエッチング励
起用の反応性イオンとして用い、ハロゲン元素または当
該化合物半導体材料の構成元素とハロゲン元素を有する
化合物のラジカルを化学的活性種を主なエッチング種と
して用いる。
およびIを挙げることが出来る。そして、これらは活性
種として用いることが肝要である。
F3,AsF5,AsCl3,AsBr3,AsI2,As
I3,AsI5,PF3,PF5、PCl3,PCl5,PB
r3,PBr5,PBr2Cl3,PI3,P2I4,NF3,
NF2NF2,NCl3,NI3,SbF5,SbCl3,お
よびSbBr3を挙げることが出来る。これらは、主と
してIII−V族化合物半導体用に用いて有用である。
又、これらを活性種として用いることが肝要であること
はハロゲンの場合と同様である。上記の諸例の内、一般
的にAsF3,AsF5,AsCl3,AsBr3,P
F3,PF5、PCl3,PCl5,PBr3,PBr5,P
Br2Cl3,PI3,NF3,NF2NF2,NCl3,N
I3などがより有効に本願発明の効果を奏するハロゲン
化物であると言うことが出来る。
4,SF6,S2Cl2,SCl2,SCl4,OF2,O2F
2,O3F2,OCl2,OBr2,SeF4,SeF6,S
e2Cl2,SeCl4,Se2Br2,SeBr4,SeI
4,TeF4,TeF6,TeCl2,TeF4,TeF6,
TeCl2,TeCl4,TeBr2,TeBr4,TeI
4などを挙げることが出来る。これらは、主としてII
−VI族化合物半導体用に用いて有用である。そして、
これらは活性種として用いることが肝要である。上記の
諸例の内、一般的にSF4,SF6,S2Cl2,SC
l2,SCl4などがより有効に本願発明の効果を奏する
ハロゲン化物であると言うことが出来る。
の替わりに,H2またはNH3またはCH4,C2H6等の
アルキルガスおよびV族元素VI族元素の水素化物,ア
ルキル化物またはハロゲン化アルキルを用いることも可
能である。
化アルキル等の諸例は、H2,NH3,CH4,C2H6,
C3H8,あるいはCnH2n+2(n=整数、現実的にはn
=1〜8であろう)、CH3Cl,C2H5Cl,CH3B
r,C2H5Br,CHCl3,HF,HCl,HBr,
およびHIを挙げることが出来る。そして、これらは活
性種として用いることが肝要である。これらはIII−
V族およびII―VI族の化合物半導体材料に用いるこ
とが出来る。上記の諸例の内、一般的にH2,NH3,C
H4,C2H6,C3H8,CH3Cl,C2H5Cl,CH3
Br,CHCl3,HF,HCl,HBrなどがより有
効に本願発明の効果を奏するハロゲン化アルキルである
と言うことが出来る。
機金属化合物として、AsH3,As(CH3)3,As
(C2H5))3,PH3,P2H4,PH4Cl,PH4B
r,PH4I,P(CH3)3,P(C2H5)3,NH
4F,NH4Cl,NH4Br,NH4I,SbH3,Sb
(CH3)3,Sb(C2H5)3などを挙げることが出来
る。これらは、主としてIII−V族化合物半導体用に
用いて有用である。又、これらを活性種として用いるこ
とが肝要であることはハロゲンの場合と同様である。上
記の諸例の内、一般的にAsH3,As(CH3)3,A
s(C2H5))3,PH3,P2H4,PH4Cl,PH4B
r,PH4I,P(CH3)3,P(C2H5)3などがより
有効に本願発明の効果を奏するハロゲン化物であると言
うことが出来る。
機金属化合物として、H2S,S(CH3)3,S(C2H
5)3,H2Se,Se(CH3)3,Se(C2H5)3,
H2Te,Te(CH3)3,Te(C2H5)3などを挙げ
ることが出来る。これらは、主としてII−VI族化合
物半導体用に用いて有用である。又、これらを活性種と
して用いることが肝要であることはハロゲンの場合と同
様である。上記の諸例の内、一般的にH2S,S(C
H3)3,S(C2H5)3などがより有効に本願発明の効
果を奏するハロゲン化物であると言うことが出来る。
オン源および化学的活性種の実用的に有用な諸例を取り
まとめた。又、表2には化合物半導体材料に対して実用
的に有用な水素化物,アルキル化物またはハロゲン化ア
ルキルの諸例を例示する。
ての励起イオンの形式、および表4にエッチング反応に
有効な励起イオン、活性種の分圧の範囲の目安を示す。
励起イオンの形式はいずれの形式を用いることが出来
る。
正負はいずれのものも用いることが出来る。尚、バッフ
ァガスを用いる場合、これらのイオンも含めて考慮され
る。但し、正イオンの場合にはカソ−ド結合型もしくは
陽極(直流バイアスの場合)型のバイアス電極を用いる
必要がある。また、負イオンの場合にはアノ−ド結合型
もしくは陰極(直流バイアスの場合)型のバイアス電極
を用いる必要がある。
ング出来るそれぞれの分圧の目安を示す。また、励起イ
オン分圧と活性種分圧は両者の合計が100%となされ
ることは言うまでもない。
起の形式を問わない。(2)化学的活性種はラジカル等
電荷を有さない反応種を示す。(3)ハロゲン化物の場
合は分解して活性種を形成するなど、その形式は問わ
ず、導入する原料として示している。勿論、本願の目的
に使用する時には、活性種となっていることを要する。
又、アルキル、ハロゲン化物、有機金属化合物の場合の
同様に表では原料を示している。勿論、本願の目的に使
用する時には、活性種となっていることを要する。
る。図2は本発明のエッチングを行うための代表的な装
置の例を説明したものである。図2の例では、電磁コイ
ル(875G)14を用いた電子サイクロトロン共鳴型
(ECR:electroncycrotron re
sonance)のRIBE装置が示される。しかし、
イオン源としては誘導結合プラズマ等その他のイオン化
率良好な装置でも勿論良い。
ン源11とそのバイアス電極19,ラジカル等化学的エ
ッチング種発生装置12を少なくとも有して構成され
る。勿論、これらの諸部分は真空容器に連結され、前記
バイアス電極19に対応して試料台が準備されれてい
る。プラズマ室には導波管を用いてマイクロ波が導入さ
れる。プラズマ室の外周には、通例軸対称磁場を発生す
る円筒形コイル14が配置されており、ECR条件近傍
の磁束密度(875G)を生じるようにしている。マイ
クロ波によって電離、発生した電子はサイクロトロン運
動を行ないながら、ガスと衝突を繰り返す。プラズマ室
の下部は通例多孔式のイオン取り出し電極があり、指向
性の良いイオンビームを取り出すことが出来る。
半導体のV族またはVI族元素をイオン化する。この
時、蒸気圧の低い元素、固体元素でも高効率のイオン化
を可能とするためにこのイオン源前段はヒータ18によ
る加熱を行う。
V族、VI族イオンをカソード結合電極19に13.5
6MHzのRFバイアスを加えて,エッチングを行う化
合物半導体基板20に引き込む。バイアス電極は,RF
バイアスでも、直流バイアスでも差し支えない。
置に更に、化学種の発生装置12を設ける。この化学種
の試料台への導入は、当該化合物半導体試料の近傍に行
なう。
化合物半導体に衝撃を与えるが,この時別途ハロゲン系
のラジカル等化学的活性種を生成して化合物半導体近傍
に吹き付ける。ハロゲンラジカル等化学的活性種は,イ
オン衝撃を受けた化合物半導体表面と容易に反応し,効
率的にエッチングを行う。なお,この化学的活性種はマ
イクロ波放電による発生装置12を用いたが,誘導結合
プラズマ,熱励起プラズマ等,ラジカル等の化学的活性
種を発生する装置であれば差し支えない。
5nm程度の非晶質層が形成されるが,脱離しやすいV
族,VI族元素を励起イオンとして用いているため表面
ストイキオメトリは良好に保持される。表面の非晶質層
も洗浄処理で容易に除去可能なため,結果的にエッチン
グ表面荒れ等の少ない低損傷エッチングが達成される。
また,エッチング励起用イオンを加速するバイアス電位
も独立に制御可能なため,エッチング表面に与えるエッ
チング損傷も制御が可能である。
示する。図3は励起イオンと化学的励起種の相互作用に
よるエッチングを説明する特性例を示す図である。より
詳しくは、図3はNおよびPをエッチング励起イオン,
エッチング用化学的活性種としてClラジカルを用い,
GaNとInPをエッチングした場合のCl2流量とエ
ッチング速度の関係を示したものである。丸印はInP
基板を、正方形印はGaN基板をエッチングする例を示
す。
えないCl2流量0の条件では有効なエッチング速度が
得られない。更に、NおよびPの励起イオン照射無の条
件でも有効なエッチング速度が得られていない。これは
励起イオンと化学的励起種それぞれ独立の雰囲気では効
率的なエッチングが行われないことを示している。これ
に対して、図3に示す如く、この励起イオンと化学的励
起種の両者が相互作用することにより化合物半導体材料
のエッチングが可能となることが一目瞭然に理解され
る。なお,この結果は励起イオン源としてECR装置
(マイクロ波2.45GHz=400W,磁場強度=8
75G,バイアスRFパワー密度=0.25W・c
m-2),化学的活性種発生源としてマイクロ波プラズマ
装置(マイクロ波2.45GHz=200W)を用いて
求めた例である。また,イオン源としてはGaNがN2
(流量10sccm),InPにはP(200℃,0.
5mTorr)を用い,エッチング反応室内の圧力を
0.5mTorrに制御して行った例である。
ッチング励起イオンとしてN,化学的活性種としてCl
ラジカルを利用してGaNをエッチングした場合のエッ
チング反応室内の圧力とGaNのエッチング速度の関係
を説明したものである。このように圧力0.05mTo
rr以下の条件では有効に作用するClラジカルが減少
してエッチング速度が大幅に低下し,また逆に圧力10
mTorrを超えるとNイオンが衝突により散乱を受け
る確率が上昇し,基板に有効に作用するNイオン数が減
少してエッチング速度の低下が認められた。
能な反応室圧力は0.05〜10mTorrと言える。
尚、本願に係わる他の材料、反応系においてもこうした
範囲で有用である。なお,エッチング圧力については,
条件により化学的活性種発生源において有効にラジカル
等を発生させるために,エッチング反応室との間に圧力
差を形成する必要があるが,その場合には化学的活性種
発生源とエッチング反応室との間に毛細管構造や可変オ
リフィス等の特殊な装置が必要となる。
化合物半導体材料の加工の例である。具体的な適用装置
は発光素子である。
光の光軸に交差する面での断面図である。そして、この
例では、GaNの低温バッファ層32と高温成長層33の
積層構造を有する。c面サファイア基板31上に,GaN
バッファ層32(20nm),GaN層(50nm)3
3の積層体が形成される。この上部に,n型Siドープ
GaN層34(n=1×1018cm-3,3μm),n型
SiドープAl0.1Ga0.9N層35(n=5×1017c
m-3,0.5μm),n型SiドープGaN層36(n
=5×1017cm-3,0.1μm),ノンドープIn
0.15Ga0.85N−GaN層歪量子井戸発光層37(各5
nm,3周期で構成される),p型MgドープGaN層
38(p=2×1017cm-3,0.1μm),p型Mg
ドープAl0.1Ga0.9N層39(p=2×1017c
m-3,1.5μm),p型MgドープGaN層40(p
=2×1018cm-3,0.2μm)が通例の方法によっ
て形成される。
(MOCVD:Metal Organic Chem
ical Vapor Deposition)を用い
る。その条件は、定圧、減圧、および高圧のいずれで
も、その要請に応じて使用することが出来る。以下の事
例においても同様である。
ープGaN層40からn型SiドープAlGaN層35
までを本願発明に係わるドライエッチングにより約2.
5μmのエッチング加工を行った。この加工方法の詳細
は後述する。
ベーション膜としてSiO2層41を周知の方法によっ
て形成する。このSiO2層41の所望部分に開口を設
け、この開口部にn型電極42,p型電極43を形成す
る。さらに,へき開法により共振端面を形成,発光端面
に誘電体高反射膜ミラーを形成した。
形成されるので、最後にこれらの各素子を分離して発光
ダイオード素子を完成した。
流を与えたところ,光出力5mWで410nmの紫外レ
ーザ光が得られた。又、この素子は摂氏60度の劣化試
験において10000時間以上の寿命を示した。
p型MgドープGaN層40からn型SiドープAlG
aN層35までの加工方法について説明する。
る。エッチング励起イオン源としてはN2(流量10s
ccm)を用い,これを2.45GHz、400Wのマ
イクロ波パワーによりECR条件(875G)でイオン
化した。そして、このNイオンをRF(13.56MH
z)パワー密度0.2W/cm2でカソード電極方向に
加速する。別途塩素(Cl2)ガス(流量10scc
m)から2.45GHz・200Wのマイクロ波放電に
よるラジカル発生装置によりClラジカルを生成し,こ
れをエッチングする基板周辺に均一に流入する。
り衝撃を受けた部位をClラジカルが攻撃し,効率的な
エッチングを行うことが可能となる。本例では約300
nm/minという高速なエッチング速度が得られた。
なお,この時のエッチング圧力は自動圧力制御装置を用
い0.5mTorrに設定した。また,異方性,表面平
滑性も良好であった。
も本願発明の方法を用いた。即ち、前述の半導体積層体
の加工の際、その上部のp型MgドープAl0.1Ga0.9
N層39、p型MgドープGaN層40に対して、エッ
チング圧力を5mTorr(N2流量10sccm,C
l2流量30sccm)に上昇させた。この条件下で、
サイドエッチング成分が増え,メサが形成可能となっ
た。この時のメサ傾斜角度は約60度であった。双方の
加工条件共,側壁,エッチング底面へのエッチング損傷
が極めて少ないため,良好なレーザ素子形成が可能とな
った。
が、その他の窒素(N)を含有する各種化合物半導体材
料、例えばGaN,AlN,AlGaN,InN、Al
InN,InGaN,BNなどに対しても本願発明の方
法は極めて有効であった。
学的活性種の好ましい選択については、表1、表2に示
した通りである。
形成に本発明の化合物半導体エッチング方法を適用した
例を以下に示す。半導体材料はInP系の化合物半導体
材料である。
に示した半導体積層体の断面図である。その断面はレー
ザ光の光軸と交差する面での断面である。
ファ層52(0.3μm),アンドープ多重量子井戸活
性層53(厚さ60nmのInGaAs井戸層と厚さ1
00nmのInGaAsP障壁層を5周期),p型In
Pクラッド層54(2.0μm),p型InGaAsコ
ンタクト層55(0.2μm)を、周知の有機金属気相
成長法により形成する(図6の(a))。
に、1.5μm幅のSiO2ストライプ56を形成す
る。この領域をマスク領域としてp型InGaAs層5
5からn型InP基板51に至る約2.8μmを本発明
の化合物半導体エッチング方法により加工する(図6の
(b))。
(摂氏200度,0.5mTorr)を用い,これを
2.45GHz・400Wのマイクロ波パワーによりE
CR条件(875G)でイオン化する。そして、このリ
ン・イオンをRF(13.56MHz)パワー密度0.
25W/cm2でカソード電極方向に加速する。別途C
l2ガス(流量10sccm)から2.45GHz・2
00Wのマイクロ波放電によるラジカル発生装置により
Clラジカルを生成し,これをエッチングする基板周辺
に均一に流入する。エッチング圧力は自動圧力調整装置
を用いて0.5mTorrに設定した。
のエッチング速度が得られた。且つ、エッチング底面・
端面とも良好な平滑性・異方性が得られ,表面損傷も極
めて少ない。
よる成長前処理を施し,選択成長により高抵抗InP埋
込み層57を形成(図6の(c))する。そして、希フ
ッ酸によりSiO2ストライプ56を除去し,p型電極
58形成した。更に、基板裏面研磨を行なった後,n型
電極59を形成した(図6−(d))。へき開により発
光波長1.55μmの半導体レーザが形成される。この
発光端面に通例の保護膜を形成するのは任意である。通
例、一つのウェハの多数個の発光素子が形成されるの
で、最後にこれらの各素子を分離して半導体レーザ素子
を完成した。
発再結合等の無効電流成分が極めて低くく抑えられたた
め,室温,連続条件において閾値電流10mA,発振効
率0.45W/Aと低閾値かつ高効率な特性が得られ
た。また,50℃,5mWでの一定光出力通電試験を行
った結果,推定寿命20万時間という良好な結果が得ら
れた。
して黒リンを用いたが,黒リン,金属ヒ素をそれぞれ独
立の導入系として混合して用いても同様の効果が得られ
た。また,本例ではマスク材としてSiO2を用いた
が、Si3N4、レジスト等その他の材料を用いても良
い。
に本発明を適用した場合について述べたが,その他の波
長帯の半導体レーザに適用することも当然可能である。
あるが、その他の化合物半導体材料に本願発明を適用し
て十分な効果を奏した。具体的な例を挙げれば、 例え
ばGaAs,AlGaAs,InGaAs,InAlA
s,AlAs,InP,AlInP,InGaP,Al
GaP,GaP、 GaN,AlN,AlGaNなどの
III−V族化合物半導体、 ZnS,CdS,Zn
O,ZnSe,CdSeなどのII−VI族化合物半導
体などを用いた半導体光装置の場合である。
学的活性種の好ましい選択については、表1、表2に示
した通りである。
レーザ素子のみならず、光変調器,光導波路素子等,そ
の他の各種化合物半導体光素子に適用することは言うま
でもない。
合物半導体エッチング方法をInP系HBT(Hete
rojunction Bipolar Transi
stor)素子製造に適用した例を以下に示す。
序の示した素子の断面図である。半絶縁性InP基板6
1上に、n型In0.53Ga0.47Asサブコレクタ層(3
00nm)62,アンドープInP(250nm)/n
型In0.53Ga0.47As(50nm)コレクタ層63,
p型In0.53Ga0.47Asベース層(40nm)64,
n型InPエミッタ層(100nm)65,n型In
0.53Ga0.47Asエミッタキャップ層(200nm)6
6を、ガスソースMBE法(MolecularBea
m Epitaxy)を用いて形成する。
エッミタ電極67をタングステン・シリサイドによって
形成する。そして、このエミッタ電極であるWSi電極
67の領域をマスク領域として自己整合的にエッチング
する、即ち、本願発明の化合物半導体エッチング方法に
よりn型In0.53Ga0.47Asエミッタキャップ層67
からn型InPエミッタ層66までを加工する(図7の
(a))。
源として黒リン(摂氏200度,0.5mTorr)を
用い,これを2.45GHz・400Wのマイクロ波パ
ワーによりECR条件(875G)でイオン化する。そ
して、このリン・イオンをRF(13.56MHz)パ
ワー密度0.15W/cm2でカソード電極方向に加速
する。別途Cl2ガス(流量10sccm)から2.4
5GHz・200Wのマイクロ波放電によるラジカル発
生装置によりClラジカルを生成し,これをエッチング
する基板周辺に均一に流入する。エッチング圧力は,自
動圧力調整装置を用いて0.2mTorrに設定した。
なお,エッチングの終点を正確に制御するため,Clと
Inの反応により発生する470nmの発光波長をモニ
タし,エッチングの終点検出を行った。
形成した後,これらをマスク領域としてp型In0.53G
a0.47Asベース層64からアンドープInP/n型I
n0.53Ga0.47Asコレクタ層63までを上と同様の方
法によりエッチング加工する(図7の(b))。
ング損傷の極めて少ないエッチング加工が可能となっ
た。また,マスクであるWSiやSiO2との選択比も
30以上の良好な数値を得ている。
除去,埋込みSiO269と絶縁用側壁SiO270を形
成(図7の(c))した。更に、ベース電極71とコレ
クタ電極72を形成し,目的のInP系HBT素子を得
た(図7の(d))。
用することにより,エミッタサイズ(0.6×4.6μ
m2)の素子で,コレクタ電流4mAに対し,遮断周波
数200GHz,最大発振周波数300GHzというI
nP系HBT素子を形成できた。また,本発明により低
損傷加工が可能となり,特にベース層への再結合中心の
形成等が大幅に抑制されたため,上記のエミッタサイズ
において70℃における加速試験の結果から導かれた推
定寿命は15万時間という良好な結果であった。
いて述べたが,GaAs系HBT素子,HEMT(Hi
gh Electron Mobility Tran
sistor)素子やこれらのMMIC(Monoli
thic Microwave Integrated
Circuit)等その他の化合物半導体デバイスで
も同様の効果が得られた。
ン、および化学的活性種の好ましい選択については、表
1、表2に示した通りである。
損傷な化合物半導体層の加工が可能となる。
置の加工に適用することによって、これらの諸化合物半
導体素子の性能の向上や高信頼化,および製造歩留り向
上による低コスト化を図ることが出来る。
を説明する図である。
明する図である。
よる化合物半導体エッチングを説明する図である。
ング速度の関係の例を示す図である。
レーザ光の光軸に交差する面での断面図である。
に示した半導体積層体の断面図である。
導体積層体の断面図である。
エッチング励起用イオン,4:化学的活性種,5:入射
イオンによる衝撃部位,6:エッチングされた領域、1
1:エッチング励起用イオン生成装置,12:化学的活
性種生成装置,13:マグネトロン(2.45GH
z),14:電磁コイル(875G),15:化学的活
性種導入管,16:マスフローコントローラ,17:ガ
スボンベ,18:固体・液体ソース容器及び加熱装置,
19:高周波電極,20:化合物半導体ウェハ、31:
c面サファイア基板,32:GaNバッファ層(20n
m),33:GaN層,34:n型SiドープGaN
層,35:n型SiドープAlGaN層,36:n型S
iドープGaN層,37:ノンドープInGaN−Ga
N層歪量子井戸発光層,38:p型MgドープGaN
層,39:p型MgドープAlGaN層,40:p型M
gドープGaN層,41:SiO2,42:n型電極,
43:p型電極、51:n型InP基板,52:n型I
nPバッファ層,53:アンドープ多重量子井戸活性
層,54:p型InPクラッド層,55:p型InGa
Asコンタクト層,56:SiO2ストライプ,57:
高抵抗InP埋込み層,58:p型電極,59:n型電
極、61:半絶縁性InP基板,62:n型InGaA
sサブコレクタ層,63:アンドープInP/n型In
GaAsコレクタ層,64:p型InGaAsベース
層,65:n型InPエミッタ層,66:n型InGa
Asエミッタキャップ層,67:WSiエミッタ電極,
68:側壁SiO2,69:埋込みSiO2,70:絶縁
用側壁SiO2,71:ベース電極,72:コレクタ電
極である。
Claims (5)
- 【請求項1】 化合物半導体材料を加工容器内に準備
し、当該化合物半導体材料の構成元素の少なくとも一者
のイオンを当該化合物半導体材料の加工面に衝突せし
め、且つハロゲン元素および当該化合物半導体材料の構
成元素とハロゲン元素とを少なくとも有する化合物の活
性種の少なくとも一者を当該化合物半導体材料の加工面
に対して流入せしめることを特徴とする化合物半導体材
料のエッチング方法。 - 【請求項2】 前記化合物半導体材料の構成元素の少な
くとも一者のイオンは当該化合物半導体材料の構成元素
の内蒸気圧の低い方の元素であることを特徴とする請求
項1に記載の化合物半導体材料のエッチング方法。 - 【請求項3】 前記化合物半導体材料はIII−V族の
化合物半導体材料およびII−VI族の化合物半導体材
料の群から選ばれた少なくとも一者であることを特徴と
した請求項1又は2項に記載の化合物半導体材料のエッ
チング方法。 - 【請求項4】 前記活性種としてハロゲン元素および当
該化合物半導体材料の構成元素とハロゲン元素とを少な
くとも有する化合物、H2、アルキルガス、V族元素又
はVI族元素の水素化物,アルキル化物またはハロゲン
化アルキルの群から選ばれた少なくとも一者を用いるこ
とを特徴とした請求項1、2又は3項に記載の化合物半
導体材料のエッチング方法。 - 【請求項5】 請求項1〜4項のいずれかに記載の化合
物半導体材料のエッチング方法を含む製造方法にて製造
されたことを特徴とする化合物半導体装置。
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