JP2006245135A - 半導体素子を作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ストライプ形状の半導体領域の幅を所望の寸法に制御できると共にウエハ面内における上記の幅の均一性を向上できる、半導体素子を作製する方法を提供する。
【解決手段】半導体素子を作製する方法は、（ａ）所定の軸の方向に伸びると共に所定の幅を有するパターンを含むマスク２１を、III−Ｖ化合物半導体層１９を含む半導体領域２３上に形成する工程と、（ｂ）マスク２１を形成した後に、エッチング溶液に超音波を加えながらIII−Ｖ化合物半導体層１９をウエットエッチングしてストライプ構造の半導体層１９ａを形成する工程とを備え、III−Ｖ化合物半導体層１９は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれかから成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を作製する方法に関する。

特許文献１には、ＩｎＰ系の発光素子、受光素子の微細加工において結晶性を損なわないようにメサエッチング、埋め込み再成長させる方法が記載されている。この方法では、ＩｎＰ及びＩｎとＡｓを含むIII −Ｖ族化合物半導体薄膜の表面上に部分的に保護膜を設けた後に、保護膜のない部分を臭素とメタノ−ル混合液でメサ形状にエッチング除去する。そして、除去された部分に化合物半導体結晶を再成長する。

特許文献２には、変調効率を向上できる光集積素子の製造方法が記載されている。光集積素子は、ＤＦＢ半導体レーザとＥＡ型変調器とが単一の半導体基板に集積されたものであり、前者の光導波路の幅Ｗａが後者の光導波路の幅Ｗｂよりも小さい。この光集積素子は、III−Ｖ族化合物半導体多層膜を成長させる際に、ＥＡ型変調器を構成する上部クラッド層の厚さを、ＤＦＢ半導体レーザを構成する上部クラッド層よりも厚く成膜し、メサエッチングすることにより形成される。メサを形成する工程においては、リン酸系溶液を用いてキャップ層の露出部分をエッチングした後、臭素及びアルコールの混合溶液を用いてメサエッチングを行う。
特開平７−２１１６９２号公報 特開２００４−１４００１６号公報

上記の文献に記載された半導体素子は、メサ構造またはリッジ構造と呼ばれるストライプ形状の半導体領域を形成するために、半導体膜のウエットエッチングを行っている。このエッチング中には、攪拌子を用いてエッチング溶液を攪拌している。しかしながら、ストライプ形状の半導体領域の幅を決める横方向のエッチング速度は、エッチング液の流速で決まるので、この方法では、上記の幅を所望の寸法に制御することにも限界がある。また、ウエハの配置に応じてエッチング液の流速が異なるので、該方法ではウエハ面内における上記の幅の均一性を向上することにも限界がある。

そこで、本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、ストライプ形状の半導体領域の幅を所望の寸法に制御できると共に、ウエハ面内における上記の幅の均一性を向上できる、半導体素子を作製する方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体素子を作製する方法は、（ａ）所定の軸の方向に伸びると共に所定の幅を有するパターンを含むマスクを、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を含む半導体領域上に形成する工程と、（ｂ）前記マスクを形成した後に、エッチング溶液に超音波を加えながら前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層をウエットエッチングする工程とを備え、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれかから成る。

この方法によれば、エッチング溶液に超音波を加えながら第１のIII−Ｖ化合物半導体層をウエットエッチングするので、超音波によりエッチング溶液が攪拌される。故に、エッチング溶液が流れることに起因するストライプ幅の寸法のばらつきおよびウエハ面内におけるストライプ幅のばらつきが低減される。

本発明に係る半導体素子を作製する方法では、前記エッチング溶液は塩酸系エッチャントを含むことが好ましい。塩酸系エッチャントを用いると、超音波を印加しながらＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体をエッチングして、所定の幅を持つパターンに対応した半導体領域を形成できる。塩酸系エッチャントを用いるエッチング中に生じた気泡は、超音波により気泡が半導体表面から除かれる。

本発明に係る半導体素子を作製する方法では、前記エッチング溶液は硫酸系エッチャントを含むことが好ましい。硫酸系エッチャントを用いると、超音波を印加しながらＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体をエッチングして、所定の幅を持つパターンに対応した半導体領域を形成できる。

本発明に係る半導体素子を作製する方法では、前記エッチング溶液はリン酸系エッチャントを含むことが好ましく、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層はＡｌＧａＩｎＰ半導体から成る。リン酸系エッチャントを用いると、超音波を印加しながらＡｌＧａＩｎＰ半導体をエッチングして、所定の幅を持つパターンに対応した半導体領域を形成できる。

本発明に係る半導体素子を作製する方法では、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層はＧａＩｎＰ半導体層上に設けられたＡｌＧａＩｎＰ半導体層であることが好ましい。ＧａＩｎＰ半導体層をエッチングストップ層として用いることができる。

本発明に係る半導体素子を作製する方法は、（ｃ）前記マスクを形成するに先立って、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層、第２のIII−Ｖ化合物半導体層、および第２導電型III−Ｖ化合物半導体層を基板上に順に形成する工程と、（ｄ）前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層を前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層上に順に形成する工程とをさらに備え、エッチング溶液に超音波を加えながら前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層をウエットエッチングする前記工程では、前記ウエットエッチングされた第１のIII−Ｖ化合物半導体層を含むリッジ構造が形成される。

この方法によれば、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を活性領域として用いる半導体光素子を作製することができ、または、第２のIII−Ｖ化合物半導体層を導波路領域として用いる半導体導波路素子を作製することができる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によればストライプ形状の半導体領域の幅を所望の寸法に制御できる、およびウエハ面内における上記の幅の均一性を向上できる、半導体素子を作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１および図２は、本実施の形態に係る半導体素子を作製する方法を説明する図面である。図１（ａ）に示されるように、基板１１上に、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３、III−Ｖ化合物半導体層１５、および第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１７を順に形成する。次いで、III−Ｖ化合物半導体層１９を第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１７上に形成する。これの半導体層の成長は、例えば有機金属気相成長装置を用いて行うことが好ましい。この方法によれば、III−Ｖ化合物半導体層１５を活性領域として用いる半導体光素子を作製することができ、または、III−Ｖ化合物半導体層１５を導波路領域として用いる半導体導波路素子を作製することができる。III−Ｖ化合物半導体層１５は、例えば量子井戸構造を有することができるが、これに限定されるものではない。

例示すれば、
基板１１：ｎ型ＧａＡｓ基板
第１導電型III−Ｖ化合物半導体層１３：
ｎ型ＧａＩｎＰ半導体又はｎ型ＡｌＧａＩｎＰ半導体
III−Ｖ化合物半導体層１５：半絶縁性ＧａＩｎＰ半導体
または半絶縁性ＡｌＧａＩｎＰ半導体
第２導電型III−Ｖ化合物半導体層１７：
ｐ型ＧａＩｎＰ半導体又はｐ型ＡｌＧａＩｎＰ半導体
III−Ｖ化合物半導体層１９：
ｐ型ＧａＩｎＰ半導体又はｐ型ＡｌＧａＩｎＰ半導体である。

図１（ｂ）に示されるように、マスク２１を、第１のIII−Ｖ化合物半導体層１９を含む半導体領域２３上に形成する。マスク２１は、所定の軸の方向に伸びると共に所定の幅を有するパターンを含む。所定の幅としては、光通信用の半導体光素子のためのリッジ構造のために好適な大きさであり、一例を示せば２〜５マイクロメートルである。マスク２１の材料は、例えば、シリコン窒化膜といった絶縁膜である。

図１（ｃ）に示されるように、マスク２１を用いてIII−Ｖ化合物半導体層１９をウエットエッチングして、リッジ構造を有するIII−Ｖ化合物半導体層１９ａを形成する。ウエットエッチングは、エッチング溶液に超音波を加えながら行われる。

図２（ａ）に示されるように、マスク２１を除去すること無く、リッジ構造を有するIII−Ｖ化合物半導体層１９ａを埋め込む半導体層４１を成長する。次いで、マスクを除去した後に、図２（ｂ）に示されるように、III−Ｖ化合物半導体層４１上にコンタクト層４３を成長する。この後に、図２（ｃ）に示されるように、コンタクト層４３上に一方の電極４５（例えば、アノード電極）を形成すると共に、基板１１の裏面に他方の電極４７（例えば、カソード電極）を形成する。
例示すれば、
半導体層４１：ｎ型ＧａＡｓ半導体又はｎ型ＡｌＩｎＰ半導体
コンタクト層４３：ｐ型ＧａＡｓ半導体
である。

図３（ａ）は、本実施の形態に係る半導体素子を作製する方法に用いることができる一例のエッチング装置を示す図面であり、図３（ｂ）は、このエッチング装置を用いるエッチング工程を説明する図面である。エッチング装置２５は、超音波を発生するための超音波発振器２７と、超音波発振器２７上に第１の容器２９と、第１の容器２９内には第２の容器３１と、超音波発振器２７からの超音波を第１の容器２９と第１の容器２９内の媒体とに伝える振動子３３とを含む。第２の容器３１はエッチング槽として用いられ、第２の容器３１内にはエッチング溶液３５が入れられている。第１の容器２９内には、例えば水といった溶媒３７が入れられている。２つの容器２９、３１を用いることによって、エッチング溶液３５中のエッチャントにより、振動子３３がエッチングされることを防止できる。

図３（ｂ）を参照すると、エッチング装置２５のエッチング溶液中には、ウエハＷが浸されている。エッチング装置２５の容器２９の底に振動子３３を設置し、超音波槽とする。振動子３３は超音波発振器２７に接続される。ウエハＷが浸されたエッチング溶液にはエッチング中に、超音波３９が印加されている。エッチング溶液の入ったエッチング槽（３１）は超音波槽（２９）内に配置される。エッチャントとしては、塩酸、リン酸、硫酸などを用いることができる。エッチングは、あらかじめ超音波発振器２７を作動させておき、ウエハＷは、エッチング液槽の中において平置きもしくは縦置きにして浸される。

既に説明したように、ＡｌＧａＩｎＰ半導体またはＧａＩｎＰ半導体をクラッド層に用いる半導体レーザや光導波路では、横方向の光閉じ込めのためクラッド層の一部をウエットエッチングによって除去し、ストライプ状の半導体領域を形成する。損失の少ない光閉じ込めを行うためには、２〜５マイクロメートル幅を持つストライプを均一に形成することが求められる。本実施の形態の方法によれば、エッチング溶液３５に超音波３９を加えながらIII−Ｖ化合物半導体層１９をウエットエッチングするので、超音波３９によりエッチング溶液３５が攪拌される。故に、エッチング溶液３５が流れることに起因するストライプ幅の寸法のばらつきおよびウエハ面内におけるストライプ幅のばらつきが低減される。一方、攪拌器を用いてエッチング中にエッチング溶液を回転させると、横方向のエッチングに関して、半導体層のエッチングの進行が、エッチング液の流速により左右されるので、ストライプ幅が均一性の向上にも限界があった。しかしながら、本実施の形態の方法では、超音波の攪拌効果を用いるので、ストライプ幅の制御性を改善できる。

図４は、本実施の形態の方法を用いてエッチングされたＡｌＧａＩｎＰ半導体層を示す顕微鏡写真を示す図面であり、図５は、エッチング溶液を回転しながらエッチングされたＡｌＧａＩｎＰ半導体層を示す顕微鏡写真を示す図面である。ストライプの幅が約５０マイクロメートルの半導体層を形成しており、エッチャントは、例えばリン酸系エッチャント（例えば、塩酸：リン酸：純水＝１：１：２）である。図４に示されるように、超音波を用いる場合、メサエッチングの不均一が解消されてストライプがきれいに形成されていることがわかる。それに対して、図５に示されるように、超音波を用いない場合は、ストライプ脇１０マイクロメートルに渡りエッチングが不均一になり、側面が荒れている。横方向の光の閉じ込めには、光の波長程度（０．５〜１．６マイクロメートル）程度の幅の制御性が必要になってくるので、超音波を用いない場合では、光の損失が大きな半導体レーザや光導波路になると考えられる。

図６は、ストライプ幅のウエハ面内におけるばらつきを示す図面である。図６（ａ）には、ＡｌＧａＩｎＰ半導体層をエッチングしたときのウエハ面内３か所（図６（ｂ）に示されたＡ、Ｂ、Ｃ）で測定されたストライプ幅の測定値（計５０点）を示す。位置Ａでは、ウエハのオリエンテーションフラットに近いエッジ付近における測定値を示し、位置Ｂでは、ウエハの中央部分における測定値を示し、位置Ｃでは、ウエハのオリエンテーションフラットから遠いエッジ付近における測定値を示す。図６（ａ）を参照すると、ウエハ中心でのバラツキが０．２マイクロメートル以内にある。また、ウエハ面内のバラツキも０．２マイクロメートルの範囲にあり、面内均一性に関しても良好である。

エッチング溶液は硫酸系エッチャント（例えば、硫酸：純水＝３：２）を含むことが好ましい。硫酸系エッチャントを用いると、超音波を印加しながらＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体をエッチングして、所定の幅を持つパターンに対応した半導体領域を形成できる。また、エッチング溶液はリン酸系エッチャント（例えば、塩酸：リン酸：純水＝１：１：２）を含むことが好ましく、前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層はＡｌＧａＩｎＰ半導体から成る。硫酸系エッチャントを用いると、超音波を印加しながらＡｌＧａＩｎＰ半導体をエッチングして、所定の幅を持つパターンに対応した半導体領域を形成できる。

エッチング溶液は塩酸系エッチャント（例えば、塩酸：純水＝２：１）を含むことが好ましい。塩酸系エッチャントを用いると、超音波を印加しながらＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体をエッチングして、所定の幅を持つパターンに対応した半導体領域を形成できる。塩酸系エッチャントを用いるエッチング中に生じた気泡は、超音波により半導体表面から除かれる。

図７は、本実施の形態に係る方法において塩酸系エッチャントを用いてエッチングされた半導体層の断面写真を示す図面である。図８（ａ）は、攪拌器を用いてエッチング溶液を回転させながら塩酸系エッチャントを用いてエッチングされた半導体層の断面写真を示す図面であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の部分拡大図である。超音波を用いない場合は、ストライプエッチングのマスクになっているマスク（例えばＳｉＮ膜）のひさし部分に、エッチング液と反応でできた気体が気泡として蓄積されて、横方向のエッチングが妨げられ、メサの形状が凸凹になる。超音波を用いる場合には、ストライプ形状がきれいな山形になっている。
超音波を照射しながらエッチングすると、エッチングにより生じた気泡を除去できる。

本発明の方法は、ＧａＩｎＰ半導体層およびＡｌＧａＩｎＰ半導体層のエッチングだけでない。本実施の形態の一変形例では、III−Ｖ化合物半導体層１９はＧａＩｎＰ半導体層上に設けられたＡｌＧａＩｎＰ半導体層であることが好ましい。ＧａＩｎＰ半導体層をエッチングストップ層として用いることができる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではなく、本明細書に記載されたエッチング装置は例示である。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１（ａ）は結晶成長工程を示す図面であり、図１（ｂ）はマスクを形成する工程を示す図面であり、図１（ｃ）はリッジ構造を形成する工程を示す図面である。 図２（ａ）はストライプ状の半導体層を埋め込む工程を示す図面であり、図２（ｂ）はコンタクト層を形成する工程を示す図面であり、図２（ｃ）は電極を形成する工程を示す図面である。 図３（ａ）は、本実施の形態に係る半導体素子を作製する方法に用いることができる一例のエッチング装置を示す図面であり、図３（ｂ）はエッチング装置を用いるエッチング工程を説明する図面である。 図４は、本実施の形態の方法を用いてエッチングされたＡｌＧａＩｎＰ半導体層を示す顕微鏡写真を示す図面である。 図５は、エッチング溶液を回転しながらエッチングされたＡｌＧａＩｎＰ半導体層を示す顕微鏡写真を示す図面である。 図６は、ストライプ幅のウエハ面内におけるばらつきを示す図面である。 図７は、本実施の形態に係る方法において塩酸系エッチャントを用いてエッチングされた半導体層の断面写真を示す図面である。 図８（ａ）は、攪拌器を用いてエッチング溶液を回転させながら塩酸系エッチャントを用いてエッチングされた半導体層の断面写真を示す図面であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の部分拡大図である。

符号の説明

１１…基板、１３…第１導電型III−Ｖ化合物半導体層、１５…III−Ｖ化合物半導体層、１７…第２導電型III−Ｖ化合物半導体層、１９…III−Ｖ化合物半導体層、１９ａ…III−Ｖ化合物半導体層、２１…マスク、２３…半導体領域、２５…エッチング装置、２７…超音波発振器、２９、３１…容器、３３…振動子、３５…エッチング溶液、３７…溶媒、３９…超音波、４１…埋め込み半導体層、４３…コンタクト層、４５、４７…電極

Claims (6)

1. 半導体素子を作製する方法であって、
   所定の軸の方向に伸びると共に所定の幅を有するパターンを含むマスクを、第１のIII−Ｖ化合物半導体層を含む半導体領域上に形成する工程と、
   前記マスクを形成した後に、エッチング溶液に超音波を加えながら前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層をウエットエッチングする工程と
   を備え、
   前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれかから成る、ことを特徴とする方法。
2. 前記エッチング溶液は塩酸系エッチャントを含む、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 前記エッチング溶液は硫酸系エッチャントを含む、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
4. 前記エッチング溶液はリン酸系エッチャントを含み、
   前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層はＡｌＧａＩｎＰ半導体から成る、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
5. 前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層はＧａＩｎＰ半導体層上に設けられたＡｌＧａＩｎＰ半導体層である、ことを特徴とする請求項４に記載された方法。
6. 前記マスクを形成するに先立って、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層、第２のIII−Ｖ化合物半導体層、および第２導電型III−Ｖ化合物半導体層を基板上に順に形成する工程と、
   前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層を前記第２導電型III−Ｖ化合物半導体層上に順に形成する工程と
   をさらに備え、
   エッチング溶液に超音波を加えながら前記第１のIII−Ｖ化合物半導体層をウエットエッチングする前記工程では、前記ウエットエッチングされた第１のIII−Ｖ化合物半導体層を含むリッジ構造が形成される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載された方法。
   

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