JP2002083796A

JP2002083796A - 半導体装置の製造方法およびこれに用いる製造装置

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Publication number: JP2002083796A
Application number: JP2000273027A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Shigyo; 和浩執行; Yoshihei Kawatsu; 善平川津
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2002-03-22
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: JP3736319B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ｐｎ接合のｎ層側でウエットエッチングの停
止を容易に制御できる半導体装置の製造方法を得る。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板本体２１上
にｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ膜２２（膜厚２００ｎｍ）、
ｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ_0.65Ａｓ膜２３（膜厚６００ｎｍ）を
積層した半導体基板を、エッチング液に浸漬し、波長５
００〜６２０ｎｍの成分を含有する光を、５０μＷ／ｃ
ｍ²〜１００ｍＷ／ｃｍ²の光強度で照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｐｎ接合を設けた
基板本体をウエットエッチングする半導体装置の製造方
法およびこれに用いる製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、シリコン（Ｓｉ）により形成さ
れる大規模集積回路（ＵＬＳＩ）、ガリウム砒素（Ｇａ
Ａｓ）等の化合物半導体により形成されるレーザーダイ
オード（ＬＤ）、静電効果型トランジスタ（ＦＥＴ）は
伝導型の異なるｐ型とｎ型との半導体膜が積層された構
造を有し、半導体装置を形成する上で、これらの半導体
膜を部分的にエッチングし、微細構造を形成する必要が
ある。Ｓｉを用いた半導体装置の場合、加工は主にドラ
イエッチング法が用いられるが、加工ダメージや表面の
汚染性が問題となる。特にＬＤのようにエッチング後、
表面に単結晶膜を再成長させる場合においては、再成長
界面の結晶の乱れが少なく、デバイスの高信頼性が期待
できるウエットエッチングが適用される場合が多い。

【０００３】特開平６―４５３４６号公報には、ヘテロ
接合を有する化合物半導体上にマスクパターンを形成し
て、ウエットエッチング法によりエミッタメサを形成す
る際に、上記半導体のエミッタ層となる層のバンドギャ
ップエネルギよりも大きなエネルギを有する光を、全面
に照射しながらウエットエッチングを行う方法が記載さ
れている。しかしながら、ヘテロ接合におけるｎ層側で
エッチングの停止を制御することは困難であった。

【０００４】伝導型や組成の異なる半導体膜の界面でエ
ッチングの停止を制御することはデバイスの設計性能を
発揮するとともに、デバイス品質のバラツキを抑え、信
頼性を向上させる上で重要である。

【０００５】特開平６―１９６８０１号公報には、ウエ
ットエッチングにおいて、伝導型や組成の異なる半導体
膜界面でエッチングを停止させる方法として、エッチン
グ速度の小さいエッチングストップ層｛Ｅｔｃｈｉｎｇ
ＳｔｏｐＬａｙｅｒ（ＥＳＬ）｝を形成する方法が
記載されている。

【０００６】図６は上記従来のエッチングストップ層を
設け、ウエットエッチングにより得られた、電流ストラ
イプ構造を有する半導体レーザ装置の断面図である。図
中、５２はｎ型のＧａＡｓ基板、５３はｎ型のＧａＡｓ
バッファ層、５４はｎ型のＧａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ、５５は
Ｇａ_0.85Ａｌ_0.15Ａｓ活性層、５６はｐ型のＧａ_0.5Ａ
ｌ_0.5Ａｓクラッド層、５７はｐ型のＧａ_0.8Ａｌ_0.2Ａ
ｓからなるＥＳＬ、５８はｎ型のＧａ_0.4Ａｌ_0.6Ａｓ電
流ブロック層、５８ａはストライプの窓である。即ち、
ストライプ状の窓５８ａを形成するためにｎ型Ｇａ_0.65
Ａｌ_0.35Ａｓ電流ブロック層５８をウエットエッチング
するが、エッチングがｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ₀ _.5Ａｓクラッド
層５６に及ばないようにｐ型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2ＡｓのＥＳ
Ｌ５７を形成してある。これはエッチング液として用い
たリン酸―フッ酸混合溶液がＡｌ組成が０．４以下のｐ
型ＧａＡｌＡｓでエッチング速度が急激に低下する性質
を利用している。また、エッチング時間を厳密に制御す
る方法もとられてきた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のＥＳＬの挿入によるエッチングの停止は、ＥＳＬの
厚みが１０ｎｍ程度と薄いことと、ＥＳＬ中のＡｌの組
成比および伝導型を制御することが困難なこととのた
め、ＥＳＬでエッチングを再現性良く停止することが困
難であるという課題があった。また、エッチング時間を
厳密に制御する方法も、エッチング時の微妙な温度変化
等のプロセス条件のバラツキによりエッチング速度が変
化し、目的部分でエッチングが停止しないという課題が
あった。

【０００８】本発明はかかる課題を解消するためになさ
れたもので、ｐｎ接合のｎ層側でウエットエッチングの
停止を容易に制御できる半導体装置の製造方法とこれに
用いる製造装置を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の半導
体装置の製造方法は、基板本体上にｐ層とｎ層をこの順
に設けたｐｎ接合を有する半導体基板の上記ｎ層に、こ
のｎ層のバンドギャップエネルギより大きなエネルギを
有する光を照射しながら、上記ｎ層をウエットエッチン
グする方法である。

【００１０】本発明に係る第２の半導体装置の製造方法
は、上記第１の半導体装置の製造方法において、ｐｎ接
合のｎ層側で、電子の伝導帯への励起と、励起した電子
と価電子帯の正孔との再結合とが平衡するように、光強
度を制御する方法である。

【００１１】本発明に係る第３の半導体装置の製造方法
は、上記第１の半導体装置の製造方法において、光強度
を５０μＷ／ｃｍ²〜１００ｍＷ／ｃｍ²に制御する方法
である。

【００１２】本発明に係る第４の半導体装置の製造方法
は、上記第１ないし第３のいずれかの半導体装置の製造
方法において、光をパターン化して照射する方法であ
る。

【００１３】本発明に係る第１の半導体装置の製造装置
は、半導体基板を浸漬するエッチング液および上記半導
体基板を上記エッチング液に浸漬しながら、波長または
強度が制御された光を照射する光源を備え、上記第１な
いし第４のいずれかの半導体装置の製造方法に用いるも
のである。

【００１４】

【発明の実施の形態】実施の形態１．エッチング液にお
ける半導体の溶解反応は、下式（１）におけるシリコン
の例で示すように正孔が関与する。Ｓｉ（ｂｕｌｋ）＋４ｈ⁺→Ｓｉ⁴⁺（ｓｏｌ．）・・（１）｛式中、Ｓｉ（ｂｕｌｋ）は固体状態でのＳｉ、ｈ⁺は
正孔、Ｓｉ⁴⁺（ｓｏｌ．）はエッチング液中に溶け出し
たイオン状態のＳｉを示す。｝上式に示すように、半導体とエッチング液の界面の正孔
濃度が半導体の溶解速度を決定することを考慮すると、
ｎ型半導体の電気伝導は伝導帯の電子が担っており、正
孔濃度は通常低いため、そのままではエッチングが進行
しないが、上記半導体のバンドギャップエネルギよりも
大きい光子エネルギの光を照射する場合、ｎ型半導体内
部で電子が励起されることで正孔が形成され、エッチン
グが進行する。

【００１５】図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施
の形態において、上記バンドギャップエネルギより大き
いエネルギを有する光を照射した際の、ｐｎ接合界面近
傍のｎ層でウエットエッチングが停止する機構を、エッ
チング液に接した半導体基板のバンドモデルを用いて説
明する説明図であり、図中、Ｅｃは伝導帯端、Ｅｆはフ
ェルミ準位、Ｅｖは価電子帯端、ｈνは照射光のエネル
ギ、矢印付き点線は電子または正孔の移動方向で、
（ａ）はエッチング初期、（ｂ）はエッチング停止期の
状態を示す。

【００１６】即ち、ｐ層上にｎ層が形成された半導体基
板のｎ層をエッチングする場合、ｎ層のバンドギャップ
エネルギよりもエネルギが大きい光を照射した際、初期
段階では電子がｎ層の電子伝導帯に蓄積するとともに、
価電子帯に正孔が生成し、ｎ層のエッチングが進行して
ｎ層幅が減少する。しかし、ｐｎ接合近傍においては図
に示すように、ｐ層がエネルギ障壁となるので、ｎ層の
電子伝導帯に蓄積した電子は界面側に溢れ、この電子が
価電子帯の正孔と再結合する。そのため半導体とエッチ
ング液の界面の正孔濃度が減少し、ｐｎ接合近くでエッ
チング速度が減少またはエッチングが停止する。以上の
ように、ｐｎ接合近くでエッチングが自動的に停止する
ことにより、容易に再現性良くエッチングを停止するこ
とができ、また、停止しなくても、ｐｎ接合近傍でエッ
チング速度が減少することにより、ｎ層のｐｎ接合近傍
でのエッチングの停止が容易に制御される。

【００１７】しかし、ヘテロ接合であっても、ｐｎ接合
ではない場合のｎ層のエッチングは、図に示すようなｐ
層によるエネルギ障壁が得られないので、上記効果は得
られない。

【００１８】実施の形態２．図２は本発明の第２の実施
の形態で用いる半導体基板の断面図であり、図中、２１
はｎ型ＧａＡｓ（１００）基板本体、２２はｐ型Ｇａ
_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ膜（ｐ層）、２３はｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ
_0.65Ａｓ膜（ｎ層）である。即ち、ｎ型ＧａＡｓ（１０
０）基板本体２１上にｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ膜２２
（膜厚２００ｎｍ）、ｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ_0.65Ａｓ膜２３
（膜厚６００ｎｍ）を有機金属気相析出法（ＭＯ―ＣＶ
Ｄ）により積層した。エッチング液としては酒石酸：過
酸化水素＝２０：１の混合溶液を用いた。この溶液はＧ
ａＡｌＡｓ系の化合物半導体のエッチング液として一般
的に使用されており、結晶面に対する選択エッチング性
を有する。なお、ｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ_0.65Ａｓ、ｐ型Ｇａ
_0.5Ａｌ_0.5Ａｓのバンドギャップエネルギはともに約
２．０ｅＶであり、これは６２０ｎｍの波長の光が有す
るエネルギに相当する。

【００１９】上記のように積層することによりｐｎ接合
を設けた半導体基板を、上記エッチング液に浸漬し、上
記バンドギャップエネルギより大きいエネルギを有する
光（波長５００〜６２０ｎｍの成分を含有）を異なる強
度で照射することにより本実施の形態による半導体装置
を製造する。図３はエッチング時間による、上記半導体
基板のｎ層表面からのエッチング深さ（ｐｎ接合からの
ｎ層厚）の変化を示す特性図であり、厚さを示す縦軸の
横に相当するｐ、ｎ層を模式的に示す。図中、３１は光
強度が２５μＷ／ｃｍ²、３２は光強度が２５０μＷ／
ｃｍ²、３３は光強度が５００μＷ／ｃｍ²、３４は光強
度が５０ｍＷ／ｃｍ²、３５は光強度が１Ｗ／ｃｍ²の各
光照射におけるエッチング曲線である。

【００２０】図３から明らかなように、ｐｎ接合を有す
る半導体基板のｎ層のエッチング速度は、光強度にはよ
らずｐｎ接合近傍で低下する。しかし、光照射強度が２
５μＷ／ｃｍ²および１Ｗ／ｃｍ²では、一般的なエッチ
ング時間（例えば１００〜５００秒）内で、ｎ層側で停
止するのが困難となり、ｐ層まで進む可能性が多くな
る。また、エッチング曲線３２、３３、３４に示される
ように、光強度が２５０μＷ／ｃｍ²、５００μＷ／ｃ
ｍ²および５０ｍＷ／ｃｍ²の場合、上記エッチング時間
内で、それぞれｐｎ接合からｎ層側へ５０ｎｍ、８０ｎ
ｍ、２０ｎｍでエッチングが自動的に停止する。以上の
ように、ｐｎ接合を有する半導体基板に上記光を照射し
てウエットエッチングを行うことにより、ｐｎ接合近傍
でエッチング速度が低下するので、ｐｎ接合近傍でｎ層
厚の制御が容易となる。さらに、照射光の強度を制御す
ることにより、ｐｎ接合のｎ層側で自動的にエッチング
を停止させることができる。

【００２１】図４は、上記図３におけるエッチング時間
が３５０秒における、光照射強度（光照射強度の対数）
によるｐｎ接合からのｎ層の残り厚さ変化を示す特性図
である。図から、エッチングがｎ層側で自動的に停止す
るためには、光強度は５０μＷ／ｃｍ²〜１００ｍＷ／
ｃｍ²が好ましい。つまり、光照射強度が５０μＷ／ｃ
ｍ²未満等、光強度が弱い場合、励起された電子のｎ層
価電子帯への蓄積度が小さいために、半導体とエッチン
グ液の界面へ移動して溶解反応に関与する正孔を再結合
により消費する効果が少ない。そのため、ｐｎ接合近傍
でエッチング速度は減少するが、エッチングはｎ層で停
止するのが困難となる。１００ｍＷ／ｃｍ²を越えて、
光強度が高い場合には励起電子との再結合により半導体
とエッチング液の界面へ移動して溶解反応に関与する正
孔の数は減少する。しかし、それ以上に光照射により生
成する正孔の数が多いため、正孔は半導体と上記液の界
面に到達して溶解反応を起こすため、エッチングはｐｎ
接合で停止するのが困難となる。

【００２２】以上の結果から、バンドギャップエネルギ
以上の光を、ｐｎ接合を有する半導体基板に照射するこ
とにより、ｐｎ接合近傍でのｎ層の残り厚さを制御する
ことができる。その結果、ＥＳＬを形成することなしに
エッチングを目的の領域で停止することが可能となっ
た。また、５０μＷ／ｃｍ²〜１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲
で光強度を調整することで、光照射による電子の伝導帯
への励起と、価電子帯の正孔との再結合が平衡すると考
えられ、自動的にｎ層側でエッチングを停止することが
できる。

【００２３】実施の形態３．エッチング液として硫酸ま
たはクエン酸を用いても、また、反応を促進するため
に、過酸化水素をエッチング液に添加しても上記実施の
形態と同様の効果を得ることができる。エッチング液と
してフッ酸と単体では、ＧａＡｌＡｓをエッチングしな
い酸との混合溶液を用いても上記実施の形態と同様の効
果が得られる。即ち、リン酸とフッ酸、塩酸とフッ酸、
硫酸とフッ酸、酒石酸とフッ酸、酢酸とフッ酸、蟻酸と
フッ酸の組み合わせでも良い。ただし、この場合のフッ
酸濃度は５％〜８０％とする必要がある。これはフッ酸
濃度が低過ぎるとｎ層がエッチングされず、高過ぎると
エッチングレートが早過ぎて光照射によるエッチング速
度の制御が困難になるためである。

【００２４】酸同士の混合エッチング液に反応を促進す
るために過酸化水素を加えても良い。また、エッチング
レートを低減させるために水または水酸化ナトリウム、
フッ化アンモニウムで希釈しても良い。

【００２５】実施の形態４．ウエットエッチングする材
料としてはＧａＡｌＡｓに限らず、ｐ層上にｎ層が形成
された積層構造を有する半導体基板であれば良い。即
ち、インジウム燐（ＩｎＰ）、インジウムガリウム燐
（ＩｎＧａＰ）、ガリウムアルミ燐（ＧａＡｌＰ）、Ｓ
ｉ、アルミガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）で
も上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【００２６】また、ウエットエッチングする半導体基板
の作製方法については本実施の形態１で示したＭＯ−Ｃ
ＶＤによる作製方法以外に、分子線エピタキシ法（ＭＢ
Ｅ）、チョクラルスキー法（ＣＺ）でも良い。

【００２７】実施の形態５．図５は、本発明の実施の形
態１〜４に用いる半導体装置の製造装置の構成図であ
る。図中、４１は半導体基板、４２はサンプルホルダ、
４３はサンプルホルダ移動アーム、４４はフィルタ付光
源、４５は光ファイバー、４６は面発光光源、４７はパ
ターン付光学フィルタ、４８はレンズ、４９は温度コン
トローラ付ポンプ、５０はエッチング槽、５１はエッチ
ング槽フタである。

【００２８】半導体基板４１をサンプルホルダ４２に載
せ、サンプルホルダ移動アーム４３によって自動的に面
発光光源４６から一定の距離に搬送、保持される。エッ
チング槽５０内は酒石酸：過酸化水素＝２０：１の混合
溶液からなるエッチング液で満たされており、温度コン
トローラ付ポンプ４９でエッチング液を攪拌することで
半導体基板４１表面のエッチング反応の均一性を保つと
ともに、表面に付着する反応生成物を除去する。エッチ
ング槽５０はエッチング槽フタ５１によって外部と遮断
され、外部からの光の侵入によるエッチングのバラツキ
を防止する。

【００２９】光源４４から出た光は１２００ｎｍ以上の
波長成分を、光学フィルタによってカットされ、光ファ
イバー４５を通って面発光光源４６から放出される。な
お、光源にはハロゲンランプを使用し、１２００ｎｍ以
上の赤外線領域の波長成分をカットすることでエッチン
グ液の温度上昇を防ぐことができる。なお、温度コント
ローラ付ポンプ４９の使用によってエッチング液の温度
は２０℃に保持されている。面発光光源から出た光はパ
ターン付光学フィルタ４７を通ることで特定の波長を有
するパターン光となり、レンズ４８を通ることで半導体
基板４１にパターンを結ぶ。光路は２つに分かれてお
り、別々のパターン、波長の光を同時に半導体基板４１
に照射することが可能である。

【００３０】実施の形態６．実施の形態５の装置を使用
して、図２に示す半導体基板に、パターン化された波長
５００ｎｍ〜１２００ｎｍの光を、光強度５００μＷ／
ｃｍ²で照射する。光照射部分でｎ層がｐｎ接合から５
０ｎｍ残存した状態でエッチングが停止した。

【００３１】以上のことから、照射する光の強度、波長
を制御することで、ｎ層のエッチング後の残存厚さを制
御でき、マスクなしで容易にパターンエッチングが可能
なことが示された。

【００３２】

【発明の効果】本発明の第１の半導体装置の製造方法
は、基板本体上にｐ層とｎ層とをこの順に設けたｐｎ接
合を有する半導体基板の上記ｎ層に、このｎ層のバンド
ギャップエネルギより大きなエネルギを有する光を照射
しながら、上記ｎ層をウエットエッチングする方法で、
ｐｎ接合のｎ層側でのエッチングの停止が容易であると
いう効果がある。

【００３３】本発明の第２の半導体装置の製造方法は、
上記第１の半導体装置の製造方法において、ｐｎ接合の
ｎ層側で、電子の伝導帯への励起と、励起した電子と価
電子帯の正孔との再結合が平衡するように、光強度を制
御する方法で、自動的にｎ層側でエッチングが停止する
という効果がある。

【００３４】本発明の第３の半導体装置の製造方法は、
上記第１の半導体装置の製造方法において、光強度を５
０μＷ／ｃｍ²〜１００ｍＷ／ｃｍ²に制御する方法で、
自動的にｎ層側でエッチングが停止するという効果があ
る。

【００３５】本発明の第４の半導体装置の製造方法は、
上記第１ないし第３のいずれかの半導体装置の製造方法
において、光をパターン化して照射する方法で、マスク
が不要となるという効果がある。

【００３６】本発明の第１の半導体装置の製造装置は、
半導体基板を浸漬するエッチング液および上記半導体基
板を上記エッチング液に浸漬しながら、波長または強度
が制御された光を照射する光源を備え、上記第１ないし
第４のいずれかの半導体装置の製造方法に用いるもの
で、製造が容易であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態において、ウエッ
トエッチングが停止する機構を説明する説明図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態で用いる半導体基
板の断面図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態における半導体基
板のｎ層表面からのエッチング深さのエッチング時間に
よる変化を示す特性図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態における光照射強
度によるｐｎ接合からのｎ層の残り厚さ変化を示す特性
図である。

【図５】本発明の第５の実施の形態における半導体装
置の製造装置の構成図である。

【図６】従来の半導体レーザ装置のウエットエッチン
グプロセス後の断面図である。

【符号の説明】

Ｅｃ伝導帯端、Ｅｆフェルミ準位、Ｅｖ価電子帯
端、ｈν 照射光のエネルギ、２１ｎ型ＧａＡｓ（１
００）基板本体、２２ｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ膜、２
３ｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ_0.65Ａｓ膜、３１光強度が２５
μＷ／ｃｍ²、３２光強度が２５０μＷ／ｃｍ²、３３
光強度が５００μＷ／ｃｍ²、３４光強度が５０ｍＷ
／ｃｍ²、３５１Ｗ／ｃｍ²、４１半導体基板、４４
フィルタ付光源、４６面発光光源、４７パターン
付光学フィルタ、５０エッチング槽。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板本体上にｐ層とｎ層とをこの順に設
けたｐｎ接合を有する半導体基板の上記ｎ層に、このｎ
層のバンドギャップエネルギより大きなエネルギを有す
る光を照射しながら、上記ｎ層をウエットエッチングす
る半導体装置の製造方法。
【請求項２】ｐｎ接合のｎ層側で、電子の伝導帯への
励起と、励起した電子と価電子帯の正孔との再結合とが
平衡するように、光強度を制御することを特徴とする請
求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】光強度を５０μＷ／ｃｍ²〜１００ｍＷ
／ｃｍ²に制御することを特徴とする請求項１に記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項４】光をパターン化して照射することを特徴
とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導
体装置の製造方法。
【請求項５】半導体基板を浸漬するエッチング液およ
び上記半導体基板を上記エッチング液に浸漬しながら、
波長または強度が制御された光を照射する光源を備え、
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導体装置
の製造方法に用いる半導体装置の製造装置。