JP2007324575A - Etching method of group iii-v nitride semiconductor layer, and manufacturing method of semiconductor device employing the same - Google Patents

Etching method of group iii-v nitride semiconductor layer, and manufacturing method of semiconductor device employing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a novel etching method of a group III-V nitride semiconductor layer. <P>SOLUTION: The manufacturing method of the group III-V nitride semiconductor layer has a process of forming a metal fluoride layer containing a bivalent or trivalent metal element as at least one part of an etching mask on a group III-V nitride semiconductor layer; a process of patterning the metal fluoride layer by wet etching; and a process of dry etching the group III-V nitride semiconductor layer using the patterned metal fluoride layer as a mask. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体のエッチング方法およびそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。特に、発光ダイオード(LED)等のGaN系材料を用いた電子デバイス、発光デバイスの製造に好適に使用されるエッチング方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor etching method and a semiconductor device manufacturing method using the same. In particular, the present invention relates to an electronic device using a GaN-based material such as a light emitting diode (LED), and an etching method suitably used for manufacturing a light emitting device.

従来よりIII−V族化合物半導体を用いた電子デバイスおよび発光デバイスが知られている。特に発光デバイスとしては、GaAs基板上に形成されたAlGaAs系材料やAlGaInP系材料による赤色発光、GaP基板上に形成されたGaAsP系材料による橙色または黄色発光等が実現されてきている。また、InP基板上ではInGaAsP系材料を用いた赤外発光デバイスも知られている。   Conventionally, electronic devices and light-emitting devices using III-V compound semiconductors are known. In particular, as light emitting devices, red light emission by an AlGaAs-based material or AlGaInP-based material formed on a GaAs substrate, orange or yellow light emission by a GaAsP-based material formed on a GaP substrate has been realized. An infrared light emitting device using an InGaAsP material on an InP substrate is also known.

これらデバイスの形態としては、自然放出光を利用する発光ダイオード(light emitting diode: LED)、さらに誘導放出光を取り出すための光学的帰還機能を内在させたレーザダイオード(laser diode: LD)、および半導体レーザが知られており、これらは表示デバイス、通信用デバイス、高密度光記録用光源デバイス、高精度光加工用デバイス、さらには医療用デバイスなどとして用いられてきている。   As a form of these devices, a light emitting diode (LED) utilizing spontaneous emission light, a laser diode (laser diode: LD) having an optical feedback function for extracting stimulated emission light, and a semiconductor Lasers are known, and these have been used as display devices, communication devices, high-density optical recording light source devices, high-precision optical processing devices, and medical devices.

1990年代以降において、V族元素として窒素を含有するInAlGa(1−x−y)N系III−V族化合物半導体(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の研究開発が進み、これを用いたデバイスの発光効率が飛躍的に改善され、高効率な青色LED、緑色LEDが実現されている。その後の研究開発によって、紫外領域においても高効率なLEDが実現され、現在では、青色LDも市販されるに至っている。 Since the 1990s, In x Al y Ga (1-xy) N-based III-V compound semiconductors (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ ) containing nitrogen as a group V element The research and development of 1) has progressed, and the luminous efficiency of devices using the same has been dramatically improved, and highly efficient blue LEDs and green LEDs have been realized. Subsequent research and development have realized highly efficient LEDs even in the ultraviolet region, and now blue LDs are also commercially available.

紫外または青色LEDを励起光源として蛍光体と一体化すると白色LEDが実現できる。白色LEDは、次世代の照明デバイスとしての利用可能性があるために、励起光源となる紫外または青色LEDの高出力化、高効率化の産業的な意義は極めて大きい。現在、照明用途を念頭にした、青色または紫外LEDの高効率化、高出力化の検討が精力的になされている。   When an ultraviolet or blue LED is integrated as an excitation light source with a phosphor, a white LED can be realized. Since white LEDs have the potential to be used as next-generation lighting devices, the industrial significance of increasing the output and efficiency of ultraviolet or blue LEDs serving as excitation light sources is extremely large. At present, studies are being made to increase the efficiency and output of blue or ultraviolet LEDs with the illumination application in mind.

ここで、素子の高出力化、すなわち、全放射束を向上させるためには、素子の大型化と大きな投入電力に対する耐性の確保は必須である。また、通常のLEDが点光源であるのに対して十分な大型化がなされた素子は、面光源としての発光特性を示す様になり、特に照明用途には好適となる。   Here, in order to increase the output of the element, that is, to improve the total radiant flux, it is indispensable to increase the size of the element and to ensure the resistance against large input power. In addition, an element that is sufficiently large compared to a normal LED as a point light source exhibits light emission characteristics as a surface light source, and is particularly suitable for illumination applications.

しかし、通常の小型LEDの面積を単に相似形的に大きくしただけの素子では、一般に素子全体の発光強度の均一性が得られない。そこで、同一基板上にLEDを集積することが提案されている。例えば、特開平11−150303号公報(特許文献1)には、面光源として適する発光部品として、個々のLEDが直列接続された集積型の発光部品が開示されている。また、特開2002−26384号公報(特許文献2)には、大面積で発光効率の良い集積型窒化物半導体発光素子を提供する目的で、LEDの集積方法が開示されている。集積化には、単一の発光ユニットである1対のpn接合を、他の発光ユニットと電気的に分離する必要があり、窒化物半導体層に実効的な「溝」を形成する技術が非常に重要である。   However, in an element in which the area of a normal small LED is simply increased in a similar manner, the uniformity of the light emission intensity of the entire element cannot generally be obtained. Therefore, it has been proposed to integrate LEDs on the same substrate. For example, JP-A-11-150303 (Patent Document 1) discloses an integrated light-emitting component in which individual LEDs are connected in series as a light-emitting component suitable as a surface light source. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2002-26384 (Patent Document 2) discloses an LED integration method for the purpose of providing an integrated nitride semiconductor light emitting device having a large area and good light emission efficiency. For integration, it is necessary to electrically isolate a pair of pn junctions that are a single light-emitting unit from other light-emitting units, and a technique for forming an effective “groove” in a nitride semiconductor layer is very important. Is important to.

特開平11−150303号公報(特許文献1)では、単一の発光ユニットである1対のpn接合を、ユニット間で完全に電気的に分離するために、絶縁性基板が露出するまで、Niマスクを使用してGaN層をエッチングすることが記載されている(特許文献1、段落0027参照)。また、特開2002−26384号(特許文献2)においても、単一の発光ユニットである1対のpn接合部分を、他の発光ユニットと分離するために、RIE(反応性イオンエッチング)法によってSiOをマスクとしてGaN系材料をサファイア基板に到達するまでエッチングして、ユニット間の分離溝を形成している(特許文献2、図2、図3、および段落0038参照)。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-150303 (Patent Document 1), in order to completely electrically separate a pair of pn junctions that are a single light emitting unit between the units, Ni is used until the insulating substrate is exposed. It describes that a GaN layer is etched using a mask (see Patent Document 1, paragraph 0027). Also in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-26384 (Patent Document 2), in order to separate a pair of pn junction portions which are a single light emitting unit from other light emitting units, an RIE (reactive ion etching) method is used. The SiO 2 is used as a mask to etch the GaN-based material until it reaches the sapphire substrate, thereby forming separation grooves between the units (see Patent Document 2, FIG. 2, FIG. 3, and paragraph 0038).

しかし、特許文献1で使用しているNi等の金属マスク、特許文献2で使用しているSiO等の酸化物、さらに公知のSiN等の窒化物マスクは、GaN系材料のエッチングマスクとしてはエッチング耐性が不十分であり、選択比がとれず、エッチングの形状制御等に問題がある。また、現実問題として、数μmを越える厚膜GaN系エピタキシャル層をSiO等の酸化物マスクでエッチングするためには、極めて膜厚の厚いSiOマスクが必要となり、生産性にも問題がある。 However, a metal mask such as Ni used in Patent Document 1, an oxide such as SiO 2 used in Patent Document 2, and a known nitride mask such as SiN are used as etching masks for GaN-based materials. The etching resistance is insufficient, the selectivity cannot be obtained, and there is a problem in the etching shape control. In addition, as a real problem, in order to etch a thick GaN-based epitaxial layer exceeding several μm with an oxide mask such as SiO 2 , an extremely thick SiO 2 mask is required, and there is a problem in productivity. .

ところで、上記金属マスク、酸化物マスクおよび窒化物マスクに加えて、フッ化物系のマスクが提案されている。   Incidentally, fluoride masks have been proposed in addition to the metal mask, oxide mask and nitride mask.

例えば、ジャーナルオブバキュームサイエンスアンドテクノロジー B (J. Vac. Sci. Technol. B )第8巻、p.28、1990年(非特許文献1)には、GaN系材料の分離溝形成、AlGaAs系材料のエッチング、再成長実施等のためのマスクとして、PMMAレジストを用いたリフトオフ法によってSrFマスクおよびAlFマスクを形成すること、さらに、室温におけるMBE法によってAlSrFマスクを形成することが記載されている。 For example, Journal of Vacuum Science and Technology B (J. Vac. Sci. Technol. B) Vol. 8, p. 28, 1990 (Non-patent Document 1), a SrF 2 mask and an AlF were formed by lift-off using a PMMA resist as a mask for forming a separation groove of a GaN-based material, etching an AlGaAs-based material, and performing re-growth. It is described that three masks are formed and that an AlSrF mask is formed by MBE at room temperature.

また、同様に、特開平6−310471号公報(特許文献3)においても、GaAs、InGaAs、InGaAsP系材料の微細エッチングにリフトオフ法で作製したSrFとAlFが使用可能であることが記載されている。この文献にはエッチングマスクの成膜条件に関する記述がないが、マスクのパターニング方法が、電子線露光可能なレジストを用いたリフトオフ法によるものであることから、マスクの成膜温度は、室温からたかだか100℃程度の温度で成膜された膜であると推定される。 Similarly, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-310471 (Patent Document 3) describes that SrF 2 and AlF 3 produced by a lift-off method can be used for fine etching of GaAs, InGaAs, and InGaAsP-based materials. ing. Although this document does not describe the conditions for forming an etching mask, the mask patterning method is based on the lift-off method using a resist that can be exposed to electron beams. It is estimated that the film is formed at a temperature of about 100 ° C.

さらに、特開平5−36648号公報(特許文献4)においても、リフトオフ法でパターニングした金属マスク、SrFマスクを用いてGaAs系材料をエッチングする手法が開示されている。この文献においても、SrFマスクの成膜条件の記載がないが、マスクのパターニングがリフトオフ法によるものであることから、マスクの成膜温度は、室温からたかだか100℃程度の温度で成膜された膜であると推定される。 Further, Japanese Patent Laid-Open No. 5-36648 (Patent Document 4) also discloses a technique of etching a GaAs-based material using a metal mask or SrF 2 mask patterned by a lift-off method. Even in this document, there is no description of the film forming conditions of the SrF 2 mask, but since the mask patterning is based on the lift-off method, the mask film forming temperature is from room temperature to about 100 ° C. It is estimated that

以上のように、金属フッ化物はGaAs等のIII−V族化合物半導体のエッチングマスクとして用いられてきたが、GaN等のIII−V族窒化物半導体にこれを用い、かつ、金属フッ化物層のパターニングをリフトオフ法以外の方法で行う方法は知られていなかった。また、金属フッ化物のパターニングにリフトオフ法を使用する従来技術では、金属フッ化物の膜質が制限され、プロセス条件の自由度が低いという問題があった。
特開平11−150303号公報 特開2002−26384号公報 特開平6−310471号公報 特開平5−36648号公報 ジャーナルオブバキュームサイエンスアンドテクノロジー B (J. Vac. Sci. Technol. B )第8巻、p.28、1990年
As described above, metal fluorides have been used as etching masks for III-V group compound semiconductors such as GaAs, but this is used for III-V group nitride semiconductors such as GaN and the metal fluoride layer A method for performing patterning by a method other than the lift-off method has not been known. Further, in the conventional technique using the lift-off method for patterning metal fluoride, there is a problem that the film quality of metal fluoride is limited and the degree of freedom of process conditions is low.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-150303 JP 2002-26384 A JP-A-6-310471 JP-A-5-36648 Journal of Vacuum Science and Technology B (J. Vac. Sci. Technol. B) Vol. 8, p. 28, 1990

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたものであり、III−V族窒化物半導体層の新規なエッチング方法を提供することを目的とする。また、本発明では、III−V族窒化物半導体層をエッチングする際に形成するエッチングマスクの形成条件の自由度も大きく、III−V族窒化物半導体層のエッチングプロセスも比較的容易なIII−V族窒化物半導体層のエッチング方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of conventional problems, and an object thereof is to provide a novel etching method for a group III-V nitride semiconductor layer. Further, in the present invention, the degree of freedom of the formation conditions of the etching mask formed when the III-V nitride semiconductor layer is etched is large, and the III-V nitride semiconductor layer etching process is relatively easy. An object is to provide a method for etching a group V nitride semiconductor layer.

さらに本発明の1態様は、エッチングが困難なIII−V族窒化物半導体層に、微細な溝(例えば幅が狭くて深い溝)等の微細構造を容易に形成することができるエッチング方法を提供することを目的とする。   Furthermore, one embodiment of the present invention provides an etching method capable of easily forming a fine structure such as a fine groove (for example, a narrow and deep groove) in a group III-V nitride semiconductor layer that is difficult to etch. The purpose is to do.

さらに本発明は、前記エッチング方法を1工程として有する半導体発光装置の製造方法を提供することを目的とする。   It is a further object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor light emitting device having the etching method as one step.

本発明は、以下の事項に関する。   The present invention relates to the following matters.

1. III−V族窒化物半導体層上に、エッチングマスクの少なくとも一部として、金属フッ化物層を形成する工程と、
この金属フッ化物層をエッチングによりパターンニングする工程と、
パターニングされた金属フッ化物層をマスクとして、前記III−V族窒化物半導体層をエッチングする工程と
を有することを特徴とするIII−V族窒化物半導体層のエッチング方法。
2. 前記金属フッ化物層が、2価または3価の金属元素を含み、
前記金属フッ化物層のパターニング工程が、ウェットエッチングにより実施され、
前記III−V族窒化物半導体層のエッチング工程がドライエッチングにより実施されることを特徴とする上記1記載の方法。
3. 前記金属フッ化物層が、SrF、AlF、MgF、BaF、CaFおよびそれらの組み合わせからなる群より選ばれることを特徴とする上記2記載の方法。
4. 前記金属フッ化物層の形成工程が、真空蒸着法によって行われることを特徴とする上記2または3記載の方法。
5. 前記ドライエッチングが、少なくとも塩素原子を含有するガス種を用いたプラズマ励起ドライエッチングであることを特徴とする上記2〜4のいずれかに記載の方法。
6. 塩素原子を含有する前記ガス種が、Cl、BCl、SiCl、CClおよびそれらの2種以上の組み合わせからなる群より選ばれることを特徴とする上記5記載の方法。
7. 前記ドライエッチング時のプラズマ励起を誘導結合型励起で行うことを特徴とする上記5または6記載の方法。
8. 前記金属フッ化物層が150℃〜480℃の温度で形成されることを特徴とする上記2〜7のいずれかに記載の方法。
9. 前記金属フッ化物層のパターニング工程が、
前記金属フッ化物層の上に、フォトリソグラフィーにより、パターニングされたフォトレジスト膜を形成するサブ工程と、
このパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして、酸またはアルカリを含有するエッチャントを用いて前記金属フッ化物層をウェットエッチングするサブ工程と
を有することを特徴とする上記2〜8のいずれかに記載の方法。
10. 前記エッチャントが、塩酸またはフッ酸を含有することを特徴とする上記9記載の方法。
11. 前記III−V族窒化物半導体層のエッチング工程の後に、酸またはアルカリを含有するエッチャントにより前記金属フッ化物層を除去する工程をさらに有する上記2〜10のいずれかに記載の方法。
12. 前記III−V族窒化物半導体上に形成されるエッチングマスクが、前記金属フッ化物層と、金属フッ化物以外の層であって前記金属フッ化物層の除去工程で使用するエッチャントに対して耐性がある第2のマスク層との多層構造部分を有し、前記金属フッ化物層がドライエッチングの際の耐エッチング層となることを特徴とする上記2〜11のいずれかに記載の方法。
13. 前記第2のマスク層が、酸化物または窒化物層であることを特徴とする上記12記載の方法。
14. 前記第2のマスク層が、シリコン窒化物、シリコン酸化物およびそれらの組み合わせから選ばれることを特徴とする上記12または13記載の方法。
15. 前記第2のマスク層が、前記金属フッ化物層より小さいことを特徴とする上記12〜14のいずれかに記載の方法。
16. 前記第2のマスク層が金属層を被覆していることを特徴とする上記12〜15のいずれかに記載の方法。
17. 前記III−V族窒化物半導体層が、前記エッチングマスクが形成される前に、凹凸が形成されていることを特徴とする上記1〜16のいずれかに記載の方法。
18. III−V族窒化物半導体層と、
150℃〜480℃の温度で形成された金属フッ化物層を含むエッチングマスク層と
を有する半導体積層構造。
19. 前記エッチングマスク層が、前記金属フッ化物層のみからなることを特徴とする上記18記載の半導体積層構造。
20. 前記エッチングマスク層が、前記金属フッ化物層と、この金属フッ化物層に接してその下部に形成された酸化物または窒化物層との積層構造部分を有する上記18記載の半導体積層構造。
21. 前記エッチングマスク層がパターニングされている上記18〜20のいずれかに記載の半導体積層構造。
22. 前記金属フッ化物層が、SrF、AlF、MgF、BaF、CaFおよびそれらの組み合わせからなる群より選ばれることを特徴とする上記18〜21のいずれかに記載の半導体積層構造。
23. 上記1〜17のいずれかに記載のエッチング方法により、III−V族窒化物半導体層に溝を形成する工程を有する半導体装置の製造方法。
24. 上記23に記載の製造方法により形成された半導体装置。
1. Forming a metal fluoride layer on at least a part of the etching mask on the III-V nitride semiconductor layer;
Patterning the metal fluoride layer by etching;
And etching the group III-V nitride semiconductor layer using the patterned metal fluoride layer as a mask. A method for etching a group III-V nitride semiconductor layer, comprising:
2. The metal fluoride layer contains a divalent or trivalent metal element;
The patterning process of the metal fluoride layer is performed by wet etching,
2. The method according to 1 above, wherein the step of etching the III-V nitride semiconductor layer is performed by dry etching.
3. Wherein the metal fluoride layer, SrF 2, AlF 3, MgF 2, BaF 2, the method of the second aspect, characterized in that it is selected from CaF 2 and combinations thereof.
4). 4. The method according to 2 or 3 above, wherein the forming step of the metal fluoride layer is performed by a vacuum deposition method.
5). 5. The method according to any one of the above items 2 to 4, wherein the dry etching is plasma-excited dry etching using a gas species containing at least chlorine atoms.
6). 6. The method according to 5 above, wherein the gas species containing a chlorine atom is selected from the group consisting of Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 , CCl 4 and combinations of two or more thereof.
7). 7. The method according to 5 or 6 above, wherein plasma excitation during the dry etching is performed by inductively coupled excitation.
8). 8. The method according to any one of 2 to 7 above, wherein the metal fluoride layer is formed at a temperature of 150 ° C. to 480 ° C.
9. A patterning step of the metal fluoride layer,
Forming a patterned photoresist film on the metal fluoride layer by photolithography; and
The sub-process of wet-etching the metal fluoride layer using an etchant containing an acid or alkali using the patterned photoresist film as a mask. Method.
10. 10. The method according to 9 above, wherein the etchant contains hydrochloric acid or hydrofluoric acid.
11. 11. The method according to any one of 2 to 10, further comprising a step of removing the metal fluoride layer with an etchant containing an acid or an alkali after the step of etching the group III-V nitride semiconductor layer.
12 The etching mask formed on the group III-V nitride semiconductor is resistant to an etchant used in the metal fluoride layer and the metal fluoride layer and a layer other than the metal fluoride. 12. The method according to any one of 2 to 11 above, wherein the method has a multilayer structure portion with a second mask layer, and the metal fluoride layer becomes an etching resistant layer at the time of dry etching.
13. 13. The method according to claim 12, wherein the second mask layer is an oxide or nitride layer.
14 14. The method according to claim 12 or 13, wherein the second mask layer is selected from silicon nitride, silicon oxide, and combinations thereof.
15. 15. The method according to any one of 12 to 14, wherein the second mask layer is smaller than the metal fluoride layer.
16. 16. The method according to any one of 12 to 15, wherein the second mask layer covers a metal layer.
17. 17. The method according to any one of 1 to 16, wherein the III-V nitride semiconductor layer is formed with irregularities before the etching mask is formed.
18. A III-V nitride semiconductor layer;
A semiconductor multilayer structure having an etching mask layer including a metal fluoride layer formed at a temperature of 150 ° C. to 480 ° C.
19. 19. The semiconductor laminated structure according to claim 18, wherein the etching mask layer is composed of only the metal fluoride layer.
20. 19. The semiconductor multilayer structure according to claim 18, wherein the etching mask layer has a multilayer structure portion of the metal fluoride layer and an oxide or nitride layer formed in contact with the metal fluoride layer and below the metal fluoride layer.
21. 21. The semiconductor multilayer structure according to any one of 18 to 20, wherein the etching mask layer is patterned.
22. Wherein the metal fluoride layer, SrF 2, AlF 3, MgF 2, BaF 2, the semiconductor multilayer structure according to any one of CaF 2 and the 18 to 21 characterized in that it is selected from the group consisting of.
23. 18. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a groove in a III-V nitride semiconductor layer by the etching method according to any one of 1 to 17 above.
24. 24. A semiconductor device formed by the manufacturing method according to the above item 23.

本発明によれば、III−V族窒化物半導体層の新規なエッチング方法を提供することができる。本発明は、ウェットエッチングが比較的容易でかつドライエッチング耐性が良好であるという一見矛盾した特性を、2価または3価の金属元素を含む金属フッ化物層の特性を生かして実現するものであり、このプロセスを採用する結果、金属フッ化物層の形成条件の自由度が大きく、ドライエッチングおよびウェットエッチング等の各工程条件に合わせて、膜質を適宜設定することもできる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the novel etching method of a III-V nitride semiconductor layer can be provided. The present invention realizes a seemingly contradictory characteristic that wet etching is relatively easy and dry etching resistance is good by making use of the characteristics of a metal fluoride layer containing a divalent or trivalent metal element. As a result of adopting this process, the degree of freedom in forming the metal fluoride layer is great, and the film quality can be appropriately set according to each process condition such as dry etching and wet etching.

特に、本発明の一態様によれば、ドライエッチング耐性の高い膜質の層を形成するができるので、比較的簡単なプロセスにより、III−V族窒化物半導体層を容易にドライエッチングすることができる。従って、本発明は、III−V族窒化物半導体層に、微細な溝(例えば幅が狭くて深い溝)等の微細構造を形成する工程を有する半導体装置の製造方法に好ましく使用される。   In particular, according to one embodiment of the present invention, a film-quality layer having high dry etching resistance can be formed, so that the group III-V nitride semiconductor layer can be easily dry etched by a relatively simple process. . Therefore, the present invention is preferably used in a method for manufacturing a semiconductor device having a step of forming a fine structure such as a fine groove (for example, a narrow and deep groove) in a group III-V nitride semiconductor layer.

本明細書において、「積層」または「重なる」の表現は、もの同士が直接接触している状態に加え、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、互いに接触していなくても、一方を他方に投影した際に空間的に重なる状態をも指す場合がある。また、「〜の上(〜の下)」の表現も、もの同士が直接接触して一方が他方の上(下)に配置されている状態に加え、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、互いに接触していなくても、一方が他方の上(下)に配置されている状態にも使用する場合がある。さらに、「〜の後(前、先)」との表現は、ある事象が別の事象の直後(前)に発生する場合にも、ある事象が別の事象との間に第三の事象を挟んだ後(前)発生する場合にも、どちらにも使用する。また、「接する」の表現は、「物と物が直接的に接触している場合」に加えて、本発明の趣旨に適合する限りにおいて、「物と物が直接的には接触していなくても、第三の部材を介して間接的に接している場合」、「物と物が直接的に接触している部分と、第三の部材を介して間接的に接している部分が混在している場合」などを指す場合もある。加えて「数値1〜数値2」との表現は数値1以上数値2以下との意味に使用する。   In this specification, the expression “stacked” or “overlapping” refers to the state in which objects are in direct contact with each other, as long as they do not depart from the spirit of the present invention. It may also refer to a spatially overlapping state when projected. In addition, the expression “above (below)” is not limited to the state in which the objects are in direct contact and one is placed above (below) the other, so long as it does not depart from the spirit of the present invention. Even if they are not in contact with each other, they may be used in a state where one is arranged above (below) the other. Furthermore, the expression “after (before, before)” means that even if an event occurs immediately after (before) another event, a third event is Even if it occurs after sandwiching (front), it is used for both. In addition to the expression “when the object is in direct contact”, the expression “in contact with” means that “the object and the object are not in direct contact” as long as they conform to the gist of the present invention. Even if it is in indirect contact via the third member ”,“ the part in which the object is in direct contact with the part in indirect contact through the third member is mixed In some cases, it means “if you are doing”. In addition, the expression “numerical value 1 to numerical value 2” is used to mean a numerical value 1 or more and 2 or less.

さらに、本発明において、「エピタキシャル成長」とは、いわゆる結晶成長装置内におけるエピタキシャル層の形成に加えて、その後のエピタキシャル層の熱処理、荷電粒子処理、プラズマ処理など等によるキャリアの活性化処理等も含めてエピタキシャル成長と記載する。   Furthermore, in the present invention, “epitaxial growth” includes, in addition to the formation of an epitaxial layer in a so-called crystal growth apparatus, a subsequent activation process of carriers by heat treatment, charged particle treatment, plasma treatment, etc. of the epitaxial layer. And described as epitaxial growth.

〔本発明の実施形態の説明〕
本発明のIII−V族窒化物半導体層のエッチング方法は、前述のとおり、III−V族窒化物半導体層上に、エッチングマスクの少なくとも一部として、2価または3価の金属元素を含む金属フッ化物層を形成する工程と、この金属フッ化物層をウェットエッチングによりパターンニングする工程と、パターニングされた金属フッ化物層をマスクとして、前記III−V族窒化物半導体層をドライエッチングする工程とを有する。以下、図1〜図8を適宜参照しながら本発明を説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
As described above, the III-V nitride semiconductor layer etching method of the present invention is a metal containing a divalent or trivalent metal element on at least a part of an etching mask on the III-V nitride semiconductor layer. A step of forming a fluoride layer, a step of patterning the metal fluoride layer by wet etching, and a step of dry-etching the group III-V nitride semiconductor layer using the patterned metal fluoride layer as a mask; Have Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIGS.

<III−V族窒化物半導体層>
エッチングの対象となるIII−V族窒化物半導体層の材料は、III−V族化合物半導体に含まれるV族原子の主成分が窒素元素であるものである。V族原子のうち、好ましくは90%(原子%)以上が窒素原子であり、より好ましくは95%以上、特に98%以上、最も好ましくは100%が窒素原子である。窒素原子の含有割合が高いほど、III−V族窒化物半導体層のエッチングが困難になるが、本発明ではエッチング耐性の高いエッチングマスクを使用するので、選択比の大きなエッチングが可能である。III族元素としては、In、Ga、Al、Bおよびそれらの2以上組み合わせから選ばれる元素が含まれることが好ましい。具体的には、GaN、InN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlN、InAlGaN、InAlBGaN等のIII−V族窒化物半導体(以下、簡単のためにGaN系半導体ということもある。)が挙げられる。これらは、必要によりドーパントとしてSi、Mg等の元素が含まれていてもよい。
<III-V Group Nitride Semiconductor Layer>
The material of the group III-V nitride semiconductor layer to be etched is one in which the main component of group V atoms contained in the group III-V compound semiconductor is a nitrogen element. Of the group V atoms, preferably 90% (atomic%) or more are nitrogen atoms, more preferably 95% or more, particularly 98% or more, and most preferably 100% are nitrogen atoms. The higher the nitrogen atom content, the more difficult the etching of the III-V nitride semiconductor layer is. However, in the present invention, an etching mask with high etching resistance is used, so that etching with a high selectivity can be performed. The group III element preferably includes an element selected from In, Ga, Al, B, and combinations of two or more thereof. Specifically, III-V group nitride semiconductors such as GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlN, InAlGaN, and InAlBGaN (hereinafter sometimes referred to as GaN-based semiconductors for simplicity) can be given. These may contain elements such as Si and Mg as dopants if necessary.

また、III−V族窒化物半導体層の形成方法も制限はなく、どのような方法で形成された半導体層にも適用可能である。通常は、III−V族窒化物半導体層は基板上に形成されるが、基板がIII−V族窒化物半導体層であってもよいし、基板とその上に形成された半導体層の組み合わせがIII−V族窒化物半導体層であってもよい。本発明を発光素子の製造に適用する場合には、好ましくは、基板上にエピタキシャル成長などの薄膜結晶成長技術により形成されたIII−V族窒化物半導体層である。ここで、「薄膜結晶成長」とは、いわゆる、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、MBE(Molecular Beam Epitaxy)、プラズマアシストMBE、PLD(Pulsed
Laser Deposition)、PED(Pulsed Electron Deposition)、VPE(Vapor Phase Epitaxy)、LPE(Liquid
Phase Epitaxy)法等の結晶成長装置内における薄膜層、アモルファス層、微結晶、多結晶、単結晶、あるいはそれらの積層構造の形成に加えて、その後の薄膜層の熱処理、プラズマ処理等によるキャリアの活性化処理等も含めて薄膜結晶成長と記載する。
Further, the method for forming the III-V nitride semiconductor layer is not limited, and the method can be applied to a semiconductor layer formed by any method. Usually, the group III-V nitride semiconductor layer is formed on the substrate, but the substrate may be a group III-V nitride semiconductor layer, or a combination of the substrate and the semiconductor layer formed thereon may be used. It may be a group III-V nitride semiconductor layer. When the present invention is applied to the manufacture of a light emitting device, a III-V nitride semiconductor layer formed on a substrate by a thin film crystal growth technique such as epitaxial growth is preferable. Here, “thin film crystal growth” means so-called MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy), plasma assist MBE, PLD (Pulsed
Laser Deposition), PED (Pulsed Electron Deposition), VPE (Vapor Phase Epitaxy), LPE (Liquid
In addition to the formation of thin film layers, amorphous layers, microcrystals, polycrystals, single crystals, or their laminated structures in crystal growth equipment such as the (Phase Epitaxy) method, carrier treatment by subsequent heat treatment, plasma treatment, etc. It is described as thin film crystal growth including activation treatment.

III−V族窒化物半導体層は多層構造でもよく、本発明を用いて、III−V族窒化物半導体(GaN系)発光素子を作製する場合には、薄膜結晶成長(代表的にはエピタキシャル成長)されたバッファ層、第一導電型クラッド層、第一導電型コンタクト層、活性層構造、第二導電型クラッド層、第二導電型コンタクト層等を含むことが望ましい。   The III-V nitride semiconductor layer may have a multilayer structure, and when a III-V nitride semiconductor (GaN-based) light emitting device is manufactured using the present invention, thin film crystal growth (typically epitaxial growth). It is desirable to include a buffer layer, a first conductivity type cladding layer, a first conductivity type contact layer, an active layer structure, a second conductivity type cladding layer, a second conductivity type contact layer, and the like.

以下の説明では、図1に示すように、基板1上にIII−V族窒化物半導体層2を形成する場合を代表例として説明するが、層2が存在しなくて基板そのものがドライエッチングの対象のIII−V族窒化物半導体層である場合、基板1と層2が共にドライエッチングの対象のIII−V族窒化物半導体層である場合、基板1はIII−V族窒化物半導体層ではないものの、層2がIII−V族窒化物半導体層であって、基板1と層2をともにエッチングする場合などにも適用可能である。   In the following description, as shown in FIG. 1, a case where a group III-V nitride semiconductor layer 2 is formed on a substrate 1 will be described as a representative example. However, the layer itself does not exist and the substrate itself is subjected to dry etching. When the target group III-V nitride semiconductor layer is the substrate 1 and the layer 2 are both the group III-V nitride semiconductor layer subject to dry etching, the substrate 1 is not the group III-V nitride semiconductor layer. Although not provided, the present invention can also be applied to the case where the layer 2 is a group III-V nitride semiconductor layer and the substrate 1 and the layer 2 are etched together.

III−V族窒化物半導体層が基板上に形成される場合、基板としては目的の半導体層を形成可能な基体であれば、特に制限はなく、半導体基板およびセラミック基板、絶縁性基板および導電性基板、並びに透明基板および不透明基板等の使用が可能である。目的とする半導体装置、半導体製造プロセス等を考慮して適宜選ぶことが好ましい。   When the III-V nitride semiconductor layer is formed on the substrate, the substrate is not particularly limited as long as the target semiconductor layer can be formed, and the semiconductor substrate, the ceramic substrate, the insulating substrate, and the conductive material are not limited. A substrate, a transparent substrate, an opaque substrate, and the like can be used. It is preferable to select appropriately considering the target semiconductor device, semiconductor manufacturing process, and the like.

例えば、発光素子構造を作製する場合には、光学的に素子の発光波長に対しておおよそ透明であることが望ましい。ここでおおよそ透明とは、発光波長に対する吸収が皆無であるか、あるいは、吸収が存在しても、その基板の吸収によって光出力が50%以上低減しないものである。また、GaN系発光素子の製造には、電気的には絶縁性基板が好ましい。これは、いわゆるフリップチップマウントをすると仮定した場合に、たとえハンダ材などが基板周辺に付着しても半導体発光装置への電流注入には影響を与えないからである。この場合の具体的な材料としては、例えばInAlGaN系発光材料またはInAlBGaN系材料をその上にエピタキシャル成長させるためは、サファイア、SiC、GaN、LiGaO、ZnO、ScAlMgO、NdGaOおよびMgOから選ばれることが望ましく、特にサファイア、GaN、ZnO基板が好ましい。特にGaN基板を用いる際には、そのSiのドーピング濃度はアンドープ基板を用いる場合には、3×1017cm−3のSi濃度以下が望ましく、さらに望ましくは1×1017cm−3以下であることが、電気抵抗の観点と結晶性の観点からが望ましい。 For example, when a light emitting element structure is manufactured, it is desirable that the optical element is approximately transparent to the light emission wavelength of the element. Here, “substantially transparent” means that there is no absorption with respect to the emission wavelength, or even if absorption exists, the light output is not reduced by 50% or more due to absorption of the substrate. Further, an electrically insulating substrate is preferable for the production of the GaN-based light emitting device. This is because assuming that so-called flip chip mounting is used, even if a solder material or the like adheres to the periphery of the substrate, current injection into the semiconductor light emitting device is not affected. The specific material in this case is selected from sapphire, SiC, GaN, LiGaO 2 , ZnO, ScAlMgO 4 , NdGaO 3 and MgO, for example, in order to epitaxially grow an InAlGaN-based light emitting material or InAlBGaN-based material thereon. Are desirable, and sapphire, GaN, and ZnO substrates are particularly preferred. In particular, when a GaN substrate is used, if the doping concentration of Si is used an undoped substrate, 3 × 10 17 cm Si concentration less desirable -3, and more preferably is 1 × 10 17 cm -3 or less It is desirable from the viewpoint of electrical resistance and crystallinity.

本発明で使用される基板は、いわゆる面指数によって完全に確定されるジャスト基板だけではなく、エピタキシャル成長の際の結晶性を制御する観点から、いわゆるオフ基板(miss oriented substrate)であることも望ましい。オフ基板は、その上に形成される半導体層がエピタキシャル層である場合には、ステップフローモードでの良好な結晶成長を促進する効果を有するため、半導体層のモフォロジ改善にも効果があり、基板として広く使用される。たとえば、サファイアのc+面基板を基板としてGaN系材料の結晶成長用基板として使用する際には、m+方向に0.2度程度傾いた面を使用することが好ましい。オフ基板としては、0.1〜0.2度程度の微傾斜を持つものが広く一般的に用いられるが、サファイア上に形成されたGaN系材料においては、活性層構造内の発光ポイントである量子井戸層にかかる圧電効果による電界を打ち消すために、比較的大きなオフ角度をつけることも可能である。   The substrate used in the present invention is preferably not only a just substrate that is completely determined by a so-called plane index, but also a so-called off-substrate (miss oriented substrate) from the viewpoint of controlling crystallinity during epitaxial growth. When the semiconductor layer formed on the off-substrate is an epitaxial layer, the off-substrate has an effect of promoting good crystal growth in the step flow mode. Therefore, the off-substrate is also effective in improving the morphology of the semiconductor layer. Widely used as. For example, when a sapphire c + plane substrate is used as a substrate for crystal growth of a GaN-based material, it is preferable to use a plane inclined by about 0.2 degrees in the m + direction. As the off-substrate, a substrate having a slight inclination of about 0.1 to 0.2 degrees is widely used. However, in the GaN-based material formed on sapphire, it is a light emitting point in the active layer structure. In order to cancel the electric field due to the piezoelectric effect applied to the quantum well layer, a relatively large off angle can be set.

基板には、MOCVDやMBE等の結晶成長技術を利用してIII−V族窒化物半導体層を製造するために、あらかじめ化学エッチングや熱処理等を施しておいてもよい。また、基板に意図的に凹凸をつける加工を行い、これによってエピタキシャル層と基板との界面で発生する貫通転移を発光素子あるいは、後述する発光ユニットの活性層近傍に導入しないようにすることも可能である。この場合は、凹凸のある表面に、エッチングマスク層を形成することになるが、本発明ではその場合にも、良好なエッチングマスク層を形成することができる。   The substrate may be subjected to chemical etching or heat treatment in advance in order to produce a group III-V nitride semiconductor layer using a crystal growth technique such as MOCVD or MBE. In addition, it is possible to intentionally make the substrate uneven, thereby preventing the threading transition that occurs at the interface between the epitaxial layer and the substrate from being introduced into the vicinity of the light emitting element or the active layer of the light emitting unit described later. It is. In this case, an etching mask layer is formed on the uneven surface, but in the present invention, a good etching mask layer can be formed also in that case.

基板の厚みは、目的とする半導体装置および半導体プロセスを考慮して選ばれるが、装置作成初期においては、例えば250〜700μm程度にしておき、半導体装置の結晶成長、素子作製プロセスにおける機械的強度が確保されるようにしておくのが通常は好ましい。これを用いてIII−V族窒化物半導体層をスパッタ、蒸着、あるいはエピタキシャル成長などの方法で形成した後に、適宜各々の素子に分離しやすくするために、研磨工程によってプロセス途中で薄くすることも好ましく、特定の実施形態では、最終的に半導体素子、特に半導体発光装置とした際には、例えば100μm厚程度以下となっているのが望ましい。   The thickness of the substrate is selected in consideration of the target semiconductor device and the semiconductor process. However, in the initial stage of device fabrication, the thickness is set to, for example, about 250 to 700 μm, and the mechanical strength in the semiconductor device crystal growth and element fabrication process is high. It is usually preferred to ensure that it is secured. It is also preferable to make the III-V nitride semiconductor layer thin during the process by a polishing step in order to facilitate separation into each element after forming the group III-V nitride semiconductor layer by a method such as sputtering, vapor deposition, or epitaxial growth. In a specific embodiment, when a semiconductor element, in particular, a semiconductor light emitting device is finally obtained, it is desirable that the thickness is, for example, about 100 μm or less.

<金属フッ化物層の成膜>
図2に、III−V族窒化物半導体層2上にエッチングマスク層3を形成した様子を示す。エッチングマスク層には、2価または3価の金属元素を含む金属フッ化物層が少なくとも1層含まれる。この金属フッ化物層は、本発明のプロセスに適合するためには、例えば金属フッ化物層のパターニング工程において使用するエッチャントに対して、適度な(通常は大きな)溶解性があり、エッチングに使用するパターニングマスクの剥がれやダメージが生じる前に、実用的な時間範囲内で、パターニングマスク開口に露出している部分の金属フッ化物材料がエッチング除去される必要がある。同時に、この金属フッ化物層は、III−V族窒化物半導体層のドライエッチング工程において、III−V族窒化物半導体と比較して実用的なエッチング耐性がある必要がある。従って、2価または3価の金属元素を含む金属フッ化物層は、このようなプロセスに適合する物性を有するものであれば特に制限はなく、そのような物性を有するように、材料および成膜条件が選ばれる。
<Deposition of metal fluoride layer>
FIG. 2 shows a state where the etching mask layer 3 is formed on the III-V nitride semiconductor layer 2. The etching mask layer includes at least one metal fluoride layer containing a divalent or trivalent metal element. In order to be compatible with the process of the present invention, this metal fluoride layer has an appropriate (usually large) solubility to an etchant used in the patterning process of the metal fluoride layer, and is used for etching. Before the patterning mask is peeled off or damaged, the portion of the metal fluoride material exposed in the patterning mask opening needs to be etched away within a practical time range. At the same time, the metal fluoride layer needs to have practical etching resistance as compared with the group III-V nitride semiconductor in the dry etching process of the group III-V nitride semiconductor layer. Accordingly, the metal fluoride layer containing a divalent or trivalent metal element is not particularly limited as long as it has physical properties suitable for such a process, and the material and film formation are performed so as to have such physical properties. Conditions are chosen.

金属フッ化物層を構成する材料は、特に長周期律表の2族(2A族)、3族(3A族)、12族(2B族)および13族(3B族)から選ばれる金属元素のフッ化物が好ましい。具体的には、SrF、CaF、MgF、BaF、AlF等が挙げられ、ドライエッチング耐性とウェットエッチング性のバランスを考慮すると、SrF、CaF、MgFが好ましく、この中でもCaFおよびSrFが好ましく、SrFが最も好ましい。 The material constituting the metal fluoride layer is a metal element fluoride selected from Group 2 (Group 2A), Group 3 (Group 3A), Group 12 (Group 2B) and Group 13 (Group 3B) of the long periodic table. Compounds are preferred. Specifically, SrF 2 , CaF 2 , MgF 2 , BaF 2 , AlF 3 and the like can be mentioned, and considering the balance between dry etching resistance and wet etching property, SrF 2 , CaF 2 and MgF 2 are preferable. CaF 2 and SrF 2 are preferred, and SrF 2 is most preferred.

SrF等の金属フッ化物をエッチングマスクとして使用する提案は従来より存在したが、上記の2価または3価金属のフッ化物がIII−V族窒化物半導体層のエッチングマスクとして有効であり、本発明の簡便なプロセスに適合することは、本発明により新たに見出されたものである。 There have been proposals for using a metal fluoride such as SrF 2 as an etching mask. However, the divalent or trivalent metal fluoride described above is effective as an etching mask for a group III-V nitride semiconductor layer. Compatibility with the simple process of the invention has been newly found by the present invention.

特に、これらの2価または3価の金属元素を含む金属フッ化物層は、好ましくは150℃以上の温度で成膜される。150℃以上で製膜したものは、特に、下地との密着性に優れ、緻密な膜が形成され、同時にエッチングによってパターニングした後に、マスク側壁の直線性にも優れている。成膜温度は、好ましくは250℃以上、さらに好ましくは300℃以上、最も好ましくは350℃以上である。特に350℃以上で成膜された金属フッ化物層は、あらゆる下地との密着性に優れ、かつ、緻密な膜となり、高いドライエッチング耐性を示しつつ、パターニング形状についても、側壁部分の直線性に非常に優れ、開口部の幅の制御性も確保されるようになり、エッチングマスクとして最も好ましい。なお、以下の説明で、150℃以上の温度での成膜を、略して「高温成膜」ということもある。   In particular, the metal fluoride layer containing these divalent or trivalent metal elements is preferably formed at a temperature of 150 ° C. or higher. Films formed at 150 ° C. or higher are particularly excellent in adhesion to the base, a dense film is formed, and after patterning by etching, the mask sidewalls are also excellent in linearity. The film forming temperature is preferably 250 ° C. or higher, more preferably 300 ° C. or higher, and most preferably 350 ° C. or higher. In particular, a metal fluoride layer formed at 350 ° C. or higher is excellent in adhesion to all bases, becomes a dense film, exhibits high dry etching resistance, and has a patterning shape with linearity on the side wall portion. It is extremely excellent and the controllability of the width of the opening is ensured, which is most preferable as an etching mask. In the following description, film formation at a temperature of 150 ° C. or higher may be referred to as “high temperature film formation” for short.

従来のリフトオフ法によるパターニングでは、フォトレジストを高温にさらすことができないために、金属フッ化物層を高温成膜することができない。しかし、本発明では、金属フッ化物層のパターニングをウェットエッチングで行うために、金属フッ化物層の成膜温度の設定範囲が広がり、たとえば、前述の様に、下地との密着性に優れ、緻密な膜が形成され、同時にエッチングによってパターニングした後に、マスク側壁の直線性にも優れている高温成膜を採用できる利点もある。   In the patterning by the conventional lift-off method, the photoresist cannot be exposed to a high temperature, so that the metal fluoride layer cannot be formed at a high temperature. However, in the present invention, since the patterning of the metal fluoride layer is performed by wet etching, the setting range of the film formation temperature of the metal fluoride layer is widened. There is also an advantage that high-temperature film formation with excellent linearity of the mask side wall can be adopted after a simple film is formed and simultaneously patterned by etching.

一方、金属フッ化物をパターニングする際のウェットエッチングと、後述するIII−V族窒化物半導体層の塩素プラズマによるドライエッチング後に実施されることがある金属フッ化物層の除去等の観点では、金属フッ化物層は、480℃以下の温度で成膜されることが好ましい。特に、後述するようにSrF等のマスクは半導体層のドライエッチング時に塩素等のプラズマにさらされると、その後に実施するマスク層の除去時のエッチングレートが、塩素等のプラズマにさらされる前に比較して低下する傾向を有している。このため、金属フッ化物の過度の高温での成膜はそのパターニングと最終除去の観点から好ましくない。 On the other hand, in terms of wet etching at the time of patterning the metal fluoride and removal of the metal fluoride layer, which may be performed after dry etching with a chlorine plasma of a group III-V nitride semiconductor layer described later, the metal fluoride is used. The chemical layer is preferably formed at a temperature of 480 ° C. or lower. In particular, as will be described later, when a mask such as SrF 2 is exposed to plasma of chlorine or the like during dry etching of the semiconductor layer, the etching rate at the subsequent removal of the mask layer is reduced before exposure to plasma of chlorine or the like. It has a tendency to decrease in comparison. For this reason, the film formation of the metal fluoride at an excessively high temperature is not preferable from the viewpoint of patterning and final removal.

まず半導体層のドライエッチング時のプラズマにさらされる前の金属フッ化物にあっては、低温成膜した層ほど塩酸等のエッチャントに対するエッチングレートが大きくエッチングが速く進行し、成膜温度を高くするほどエッチングレートが低下し、エッチングの進行が遅くなる。成膜温度が300℃以上になると、成膜温度が250℃程度の膜よりエッチングレートの低下が目立ってくるが、350℃から450℃程度では、非常に都合の良いエッチング速度の範囲にある。しかし、成膜温度が480℃を超えるとエッチング速度の絶対値が必要以上に小さくなり、金属フッ化物層のパターニングに過剰な時間を費やすこととなり、また、レジストマスク層等が剥離しない条件でのパターニングが困難になる事もある。さらに、III−V族窒化物半導体層のドライエッチング時のプラズマにさらされた後の金属フッ化物層にあっては、除去時の塩酸等に対するウェットエッチングレートは低下する性質があり、過度の高温での成膜は、半導体層エッチング後に不要になった金属フッ化物の除去を困難にしてしまう。   First, in the case of a metal fluoride before being exposed to plasma during dry etching of a semiconductor layer, the etching rate for an etchant such as hydrochloric acid is larger and the etching proceeds faster as the layer is deposited at a lower temperature, and the deposition temperature is increased. The etching rate is lowered and the etching progress is slowed down. When the film forming temperature is 300 ° C. or higher, the etching rate is more markedly lower than the film having a film forming temperature of about 250 ° C. However, when the film forming temperature is about 350 ° C. to 450 ° C., the etching rate is in a very convenient range. However, when the film forming temperature exceeds 480 ° C., the absolute value of the etching rate becomes unnecessarily small, and excessive time is required for patterning the metal fluoride layer, and the resist mask layer or the like is not peeled off. Patterning may be difficult. Furthermore, in the metal fluoride layer after being exposed to the plasma during the dry etching of the III-V nitride semiconductor layer, the wet etching rate with respect to hydrochloric acid or the like at the time of removal has a property of being reduced to an excessively high temperature. In this case, it becomes difficult to remove the metal fluoride that is no longer necessary after etching the semiconductor layer.

さらに、金属フッ化物の製膜を過剰な高温で実施すると、基板や半導体層、あるいは後述するようにIII−V族窒化物半導体層に形成された金属層などに過剰な熱履歴を与えることとなり、III−V族窒化物半導体発光素子等を作製する際には、マスク作製プロセスがデバイスに対して悪影響をあたえる可能性がある。   Furthermore, if metal fluoride film formation is performed at an excessively high temperature, an excessive thermal history is given to the substrate, the semiconductor layer, or the metal layer formed on the group III-V nitride semiconductor layer as described later. When manufacturing a III-V nitride semiconductor light emitting device, etc., the mask manufacturing process may adversely affect the device.

このような観点から、金属フッ化物層の成膜温度は、好ましくは480℃以下であり、さらに好ましくは470℃以下、特に好ましくは460℃以下である。   From such a viewpoint, the deposition temperature of the metal fluoride layer is preferably 480 ° C. or less, more preferably 470 ° C. or less, and particularly preferably 460 ° C. or less.

III−V族窒化物半導体層のエッチング条件において、金属フッ化物層と半導体層のエッチング選択比は、40以上、好ましくは200以上であり、さらに好ましくは400以上であり、これがIII−V族窒化物半導体でも可能である。   Under the etching conditions of the group III-V nitride semiconductor layer, the etching selectivity between the metal fluoride layer and the semiconductor layer is 40 or more, preferably 200 or more, more preferably 400 or more, and this is the group III-V nitride. A physical semiconductor is also possible.

金属フッ化物層の形成方法としては、スパッタ法、電子ビーム蒸着法および真空蒸着法等の通常の成膜方法を採用することができる。しかし、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等の方法では選択比の低いエッチングマスクとなることがある。これは、フッ化物に、直接電子、イオン等が衝突するので、条件によってはおそらくフッ化物を金属とフッ素に解離させてしまうことによると考えられる。従って、これらの成膜方法では、成膜条件を適切に選ぶ必要があり、製造条件に制約が生じる場合がある。一方、例えば抵抗加熱による真空蒸着法では、このような問題がないので、最も望ましい。なお、電子ビームを利用した蒸着法であっても、直接フッ化物材料に電子ビームを当てるのではなく、材料をいれたるつぼを電子ビームで加熱する間接的な加熱であれば、抵抗加熱法と同じく望ましい。これらの蒸着法により成膜すると、ドライエッチング耐性に優れた金属フッ化物層をIII−V族窒化物半導体層上にも容易に成膜することができる。   As a method for forming the metal fluoride layer, a normal film forming method such as a sputtering method, an electron beam evaporation method, or a vacuum evaporation method can be employed. However, an etching mask having a low selectivity may be obtained by a method such as sputtering or electron beam evaporation. This is probably because electrons, ions, and the like directly collide with the fluoride, and depending on the conditions, the fluoride is probably dissociated into metal and fluorine. Therefore, in these film forming methods, it is necessary to select film forming conditions appropriately, and there are cases where manufacturing conditions are limited. On the other hand, for example, the vacuum evaporation method by resistance heating is most desirable because there is no such problem. In addition, even if the evaporation method using an electron beam is not an electron beam directly applied to a fluoride material, if it is an indirect heating in which a crucible containing the material is heated by an electron beam, a resistance heating method is used. Also desirable. When a film is formed by these vapor deposition methods, a metal fluoride layer excellent in dry etching resistance can be easily formed on the group III-V nitride semiconductor layer.

さらに、SrF等の金属フッ化物層の成膜レートとしては、0.05nm/secから3nm/sec程度の範囲が好ましく、さらに、0.1nm/secから1nm/sec程度が好ましい。この範囲で成膜された金属フッ化物層は、下地との密着性に富み、対プラズマ耐性が確保された膜となるため、より望ましい。 Furthermore, the deposition rate of the metal fluoride layer such as SrF 2 is preferably in the range of about 0.05 nm / sec to 3 nm / sec, and more preferably about 0.1 nm / sec to 1 nm / sec. A metal fluoride layer formed in this range is more desirable because it is a film having high adhesion to the base and ensuring resistance to plasma.

本発明において、エッチングマスク層は、金属フッ化物層の単層膜でもよいし、それらの多層膜でもよいし、また金属フッ化物層でない第2のマスク層との多層構造でもよい。本発明では、III−V族窒化物半導体層のドライエッチングの際に金属フッ化物層が表面に露出して下部の構造を、ドライエッチングから保護できるように形成されていればよい。従って、III−V族窒化物半導体層側に、半導体または半導体上に形成した部品を保護するため、またはその他の目的で、他の層を形成してもよい。本発明の1実施形態では、例えば後述の例のように、金属フッ化物層を最終的に除去するときに、半導体層の表面に形成された金属層が除去されてしまわないように、第2のマスク層としてSiN、SiO等の膜を金属フッ化物層の下部に形成した多層膜とすることも好ましい。また、金属フッ化物層の下部に形成した第2のマスク層に加えて、金属フッ化物層の上部に第3のマスク層などを有してもかまわない。これらは目的に応じて、適宜選択可能である。 In the present invention, the etching mask layer may be a single layer film of a metal fluoride layer, a multilayer film thereof, or a multilayer structure with a second mask layer that is not a metal fluoride layer. In the present invention, it is only necessary that the metal fluoride layer is exposed on the surface during dry etching of the III-V nitride semiconductor layer so that the underlying structure can be protected from dry etching. Therefore, another layer may be formed on the group III-V nitride semiconductor layer side in order to protect the semiconductor or a component formed on the semiconductor or for other purposes. In one embodiment of the present invention, for example, as described later, when the metal fluoride layer is finally removed, the second metal layer formed on the surface of the semiconductor layer is not removed. The mask layer is preferably a multilayer film in which a film of SiN x , SiO x or the like is formed below the metal fluoride layer. In addition to the second mask layer formed below the metal fluoride layer, a third mask layer or the like may be provided above the metal fluoride layer. These can be appropriately selected according to the purpose.

<金属フッ化物層のパターニング>
本発明においては、金属フッ化物層を、ウェットエッチングによって、所望の形状にパターニングする。
<Patterning of metal fluoride layer>
In the present invention, the metal fluoride layer is patterned into a desired shape by wet etching.

金属フッ化物層を含むエッチングマスク層のパターンニングには、他のマスクを用いて行うことが好ましい。たとえば、図3に示すように、フォトレジスト材料によるレジストマスク4をエッチングマスク層3の上に形成し、露光、現像等の通常のフォトリソグラフィー法によってレジストマスク層4を図4のようにパターンニングする。   The patterning of the etching mask layer including the metal fluoride layer is preferably performed using another mask. For example, as shown in FIG. 3, a resist mask 4 made of a photoresist material is formed on the etching mask layer 3, and the resist mask layer 4 is patterned as shown in FIG. 4 by ordinary photolithography such as exposure and development. To do.

本発明においては、その後図5のように、パターニングされたレジストマスク層4をマスクとして、金属フッ化物層を含むエッチングマスク層3をウェットエッチングしてパターンを転写する。   In the present invention, as shown in FIG. 5, the pattern is transferred by wet etching the etching mask layer 3 including the metal fluoride layer using the patterned resist mask layer 4 as a mask.

ウェットエッチングのエッチャントとしては、酸またはアルカリを含有することが好ましく、塩酸、フッ酸、硫酸、燐酸、硝酸等の酸を含有する水溶液が好ましく、必要によりさらに過酸化水素等の酸化剤、エチレングリコール等の希釈剤(湿潤剤、界面活性剤)等を含有したものを挙げることができる。エッチャントは、金属フッ化物層の材料および成膜条件等も考慮して選択されるが、特に少なくとも塩酸またはフッ酸を含有することが好ましく、例えばSrFをパターニングするときには、塩酸が望ましく、CaFをパターニングするためにはフッ酸が望ましい。また、アルカリによるエッチングも可能であり、いずれのエッチングにおいても光照射、加熱等を併用してもかまわない。 As an etchant for wet etching, an acid or alkali is preferably contained, and an aqueous solution containing an acid such as hydrochloric acid, hydrofluoric acid, sulfuric acid, phosphoric acid or nitric acid is preferred. If necessary, an oxidizing agent such as hydrogen peroxide, ethylene glycol And the like containing a diluent (wetting agent, surfactant) and the like. The etchant is selected in consideration of the material of the metal fluoride layer, film formation conditions, and the like, but preferably contains at least hydrochloric acid or hydrofluoric acid. For example, when patterning SrF 2 , hydrochloric acid is desirable, and CaF 2 Hydrofluoric acid is desirable for patterning. Etching with alkali is also possible, and in any etching, light irradiation, heating, etc. may be used in combination.

このようにして、エッチングマスク層3のパターニングが終了し、図5の構造が形成された後、通常は不要となったレジストマスク層4を除去し、図6に示すようにIII−V族窒化物半導体層上にパターニングされたエッチングマスク層3が形成された構造を得る。   In this manner, after the patterning of the etching mask layer 3 is completed and the structure of FIG. 5 is formed, the resist mask layer 4 which is usually unnecessary is removed, and a group III-V nitride is formed as shown in FIG. A structure is obtained in which the patterned etching mask layer 3 is formed on the physical semiconductor layer.

<III−V族窒化物半導体層のエッチング>
III−V族窒化物半導体層のエッチング工程では、図7に示すように、エッチングマスク層3をマスクとしてIII−V族窒化物半導体層2をドライエッチングする。
<Etching of Group III-V Nitride Semiconductor Layer>
In the etching process of the group III-V nitride semiconductor layer, as shown in FIG. 7, the group III-V nitride semiconductor layer 2 is dry-etched using the etching mask layer 3 as a mask.

ドライエッチング法では、層2の材料、結晶性、その他の性質に基づいて、そのガス種、バイアスパワー、真空度等の条件を適宜選択可能である。ドライエッチングのガス種としては、Cl、BCl、SiCl、CClおよびこれらの組み合わせから選ばれるものが望ましい。これらのガス種によって生成される塩素系プラズマは、ドライエッチングの際に、GaN等のIII−V族窒化物半導体材料と金属フッ化物材料(特に高温成膜された材料)の間で大きな選択比を実現することが可能であり、従って、金属フッ化物材料をほとんどエッチングせずにIII−V族窒化物半導体層をエッチングすることができる。その結果、形状制御性にすぐれたIII−V族窒化物半導体層のエッチングが実現できる。なお、ドライエッチングの際に、金属フッ化物層の厚みはほとんど目減りしないが、膜の特性、特にそのウエットエッチング時の耐性は変化し、ウェットエッチングレートが低下する傾向がある。 In the dry etching method, conditions such as the gas type, bias power, and degree of vacuum can be appropriately selected based on the material, crystallinity, and other properties of the layer 2. The gas species for dry etching is preferably selected from Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 , CCl 4 and combinations thereof. Chlorine-based plasma generated by these gas species has a large selectivity ratio between a group III-V nitride semiconductor material such as GaN and a metal fluoride material (particularly a material formed at high temperature) during dry etching. Therefore, the III-V nitride semiconductor layer can be etched with little etching of the metal fluoride material. As a result, the III-V nitride semiconductor layer having excellent shape controllability can be etched. During dry etching, the thickness of the metal fluoride layer is hardly reduced, but the characteristics of the film, particularly the resistance during wet etching, change, and the wet etching rate tends to decrease.

ここで、ドライエッチング時のプラズマ生成方式は、容量結合型のプラズマ生成(CCP型)、誘導結合型のプラズマ生成(ICP型)、電子サイクロトロン共鳴を基礎としたプラズマ生成(ECR型)等のどのような方式でも適応可能である。しかし、本発明においては、誘導結合型のプラズマ生成によって塩素系プラズマを生成することが望ましい。これは、プラズマ密度が他の方式と比べて高くすることが可能で、III−V族窒化物半導体材料等をエッチングする際に好都合であるからである。ここで、ドライエッチングの際のプラズマ密度は、好ましくは、0.05×1011(cm−3)〜10.0×1011(cm−3)であり、さらに好ましくは1×1011(cm−3)〜7.0×1011(cm−3)である。そして、本発明で高温成膜した金属フッ化物層は、エッチング耐性が高いため、誘導結合方式によって形成した高プラズマ密度のプラズマであっても、十分な耐性を示す。 Here, the plasma generation method at the time of dry etching may be any of capacitively coupled plasma generation (CCP type), inductively coupled plasma generation (ICP type), plasma generation based on electron cyclotron resonance (ECR type), etc. Such a method can also be applied. However, in the present invention, it is desirable to generate chlorine-based plasma by inductively coupled plasma generation. This is because the plasma density can be increased as compared with other methods, which is advantageous when etching a group III-V nitride semiconductor material or the like. Here, the plasma density during dry etching is preferably 0.05 × 10 11 (cm −3 ) to 10.0 × 10 11 (cm −3 ), and more preferably 1 × 10 11 (cm 3 ). −3 ) to 7.0 × 10 11 (cm −3 ). And since the metal fluoride layer formed into a high temperature by this invention has high etching tolerance, even if it is the plasma of the high plasma density formed by the inductive coupling system, sufficient tolerance is shown.

例えばSiNやSiO等の窒化物や酸化物、Ni等の金属をマスクとした際には、III−V族窒化物半導体層とマスクの選択比は5〜20程度であるが、本発明の金属フッ化物マスクではIII−V族窒化物半導体層に対しても100以上の選択比が実現可能である。よって、本発明の方法によれば、エッチングの深さとしては、1μm以上、好ましくは2μm以上、さらに好ましくは3μm以上、最も好ましくは5μm以上、さらには10μmを超えても適用可能である。さらに、金属フッ化物マスクの材質、厚み、半導体層の材質にも依存するが、十分に厚いSrFマスクを形成して半導体層をエッチングする場合には、非常に厚い層のエッチングも可能である。エッチングする半導体層の厚さは、一般には50mm以下であり、好ましくは35mm以下、より好ましくは5mm以下、さらに好ましくは1mm以下であり、500μm以下が最も好ましい。極度に厚い半導体層をエッチングする場合として、SrFマスクを用いて、厚み3mmから35mm程度の厚膜のGaN基板をエッチングする場合、さらには当該基板上に成長されたGaNエピタキシャル層などを、基板の厚みのほとんどと薄膜結晶成長層を同時にエッチングする場合などが挙げられる。また、基板のエッチングは行わずに、7μm程度の薄膜結晶成長層のみをエッチングする事も、当然可能である。またそのとき、その選択比が大きいことから、エッチングによる溝の幅を短くすることも適宜可能であり、例えば、100μm以下、好ましくは10μm以下、さらには3μm以下にすることが可能である。溝の深さと溝の開口幅のアスペクト比(深さ/幅)でも適宜自在に選択可能であって、III−V族窒化物半導体層の場合でも0.1以上、好ましくは2以上が可能であり、また50程度まで、例えば30程度は可能である。 For example, when a nitride such as SiN x or SiO x , an oxide, or a metal such as Ni is used as a mask, the selection ratio between the group III-V nitride semiconductor layer and the mask is about 5 to 20, but the present invention. With this metal fluoride mask, a selectivity of 100 or more can be realized even for the III-V nitride semiconductor layer. Therefore, according to the method of the present invention, the etching depth can be applied even if it exceeds 1 μm or more, preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more, most preferably 5 μm or more, and even more than 10 μm. Furthermore, depending on the material and thickness of the metal fluoride mask and the material of the semiconductor layer, when a sufficiently thick SrF 2 mask is formed and the semiconductor layer is etched, a very thick layer can be etched. . The thickness of the semiconductor layer to be etched is generally 50 mm or less, preferably 35 mm or less, more preferably 5 mm or less, still more preferably 1 mm or less, and most preferably 500 μm or less. When etching an extremely thick semiconductor layer, when etching a GaN substrate having a thickness of about 3 mm to 35 mm using an SrF 2 mask, a GaN epitaxial layer or the like grown on the substrate is further etched. For example, most of the thickness and the thin film crystal growth layer are etched at the same time. Of course, it is possible to etch only the thin film crystal growth layer of about 7 μm without etching the substrate. At that time, since the selection ratio is large, the width of the groove by etching can be shortened as appropriate. For example, the width can be 100 μm or less, preferably 10 μm or less, and further 3 μm or less. The aspect ratio (depth / width) of the groove depth and the groove opening width can be selected as appropriate. In the case of a III-V nitride semiconductor layer, it can be 0.1 or more, preferably 2 or more. Yes, up to about 50, for example about 30 is possible.

また、本発明におけるIII−V族窒化物半導体層をエッチングする深さは、適宜選択可能であって、図7では層2を基板まですべてエッチングした場合を示したが、半導体層の途中までエッチングすることも可能であり、また、エッチングガス種等を変化させることで、基板(サファイア等の半導体でない材料でもよい)の一部を連続的にエッチングすることも可能である。どの程度、あるいはIII−V族窒化物半導体層を構成するどの層までエッチングするかは適宜選択が可能である。   In addition, the depth for etching the group III-V nitride semiconductor layer in the present invention can be selected as appropriate, and FIG. 7 shows the case where the layer 2 is entirely etched up to the substrate. It is also possible to continuously etch a part of the substrate (which may be a non-semiconductor material such as sapphire) by changing the type of etching gas. It is possible to appropriately select how much or to what layer the III-V nitride semiconductor layer is etched.

図7に示されたIII−V族窒化物半導体層のエッチングが終了した後には、必要に応じて、エッチングマスク層を除去してもよいし、エッチングマスク層を残したまま、異なるプロセスを実施してもかまわない。一般的には、エッチングマスク層を除去する方が好ましい。   After the etching of the group III-V nitride semiconductor layer shown in FIG. 7 is completed, the etching mask layer may be removed if necessary, or a different process is performed while leaving the etching mask layer. It doesn't matter. In general, it is preferable to remove the etching mask layer.

図8に、エッチングマスク層3を除去した後の構造を示す。エッチングマスク層3を構成する金属フッ化物層を除去するには、どのような方法で行っても良いが、例えば、金属フッ化物層を酸またはアルカリを含有するエッチャントにより洗浄して除去することができる。前述の金属フッ化物層のパターニング工程では、金属フッ化物が容易にエッチングされ、半導体層がエッチングされ難い条件が選ばれたが、金属フッ化物層を除去する工程でも、パターニングと同様な条件を採用することができる。   FIG. 8 shows the structure after the etching mask layer 3 is removed. The metal fluoride layer constituting the etching mask layer 3 may be removed by any method. For example, the metal fluoride layer may be removed by washing with an etchant containing an acid or alkali. it can. In the patterning process of the metal fluoride layer described above, conditions were selected such that the metal fluoride was easily etched and the semiconductor layer was difficult to etch, but the same conditions as patterning were also adopted in the process of removing the metal fluoride layer. can do.

従って、ウェットエッチングのエッチャントとしては、塩酸、フッ酸、硫酸、燐酸、硝酸等の酸を含有する水溶液が好ましく、必要によりさらに過酸化水素等の酸化剤、エチレングリコール等の希釈剤(湿潤剤、界面活性剤)等を含有したものを挙げることができる。金属フッ化物層の材料および成膜条件等も考慮して選択されるが、特に少なくとも塩酸またはフッ酸を含有することが好ましく、例えばSrFを除去するときには、塩酸が望ましく、CaFを除去するためにはフッ酸が望ましい。また、アルカリによる除去も可能であり、いずれのエッチングにおいても反応の促進または選択性の向上等のために適宜、光照射、加熱等を併用してもよい。 Accordingly, an etchant for wet etching is preferably an aqueous solution containing an acid such as hydrochloric acid, hydrofluoric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, or nitric acid. If necessary, an oxidizing agent such as hydrogen peroxide, a diluent such as ethylene glycol (wetting agent, And surfactants). The material is selected in consideration of the material of the metal fluoride layer and the film formation conditions, but preferably contains at least hydrochloric acid or hydrofluoric acid. For example, when removing SrF 2 , hydrochloric acid is desirable, and CaF 2 is removed. For this purpose, hydrofluoric acid is desirable. Further, it can be removed by alkali, and in any etching, light irradiation, heating, or the like may be used in combination as appropriate for promoting the reaction or improving the selectivity.

また、金属フッ化物層は、III−V族窒化物半導体層のドライエッチング時のマスク層として使用された後に、ウェットエッチングレートが低下する傾向、即ちエッチャントに対する溶解性が低下する傾向があるので、この点を考慮して、プロセス全体の各条件を決めることが好ましい。   In addition, since the metal fluoride layer is used as a mask layer at the time of dry etching of the III-V nitride semiconductor layer, the wet etching rate tends to decrease, that is, the solubility in the etchant tends to decrease. Considering this point, it is preferable to determine each condition of the entire process.

不要になったエッチングマスク層は以上のようにして除去されるが、エッチングマスク層を除去しないで、エッチングマスク層を例えば選択成長用のマスクして使用し、さらに半導体層を形成することも可能である。特にエピタキシャル成長を実施する場合には、SrFなどの金属フッ化物材料は、選択成長用マスクとしても使用できる。 Although the etching mask layer that has become unnecessary is removed as described above, it is also possible to use the etching mask layer as a mask for selective growth, for example, and further form a semiconductor layer without removing the etching mask layer. It is. In particular, when epitaxial growth is performed, a metal fluoride material such as SrF 2 can be used as a selective growth mask.

〔異なる実施形態の説明〕
本発明の特定の1実施形態について説明する。この形態では、本発明のエッチング方法を、図9に示すように、基板1上のIII−V族窒化物半導体層2がすでに段差を有し、またその半導体層上に、金属層で形成された電極7、8が形成されている構造に適用した例である。
[Description of different embodiments]
One particular embodiment of the invention will be described. In this embodiment, as shown in FIG. 9, the etching method of the present invention is such that the group III-V nitride semiconductor layer 2 on the substrate 1 already has a step, and a metal layer is formed on the semiconductor layer. This is an example applied to a structure in which the electrodes 7 and 8 are formed.

例えばアルミニウム等により電極、配線等の金属層が形成されているIII−V族窒化物半導体層を本発明のエッチング方法によりエッチングする場合、エッチングが終了した後に金属フッ化物を除去する際に、酸またはアルカリを含有するエッチャントにより電極、配線等の金属層が侵され、除去されてしまうことがある。このような場合には、エッチングマスク層を金属フッ化物層と、金属フッ化物以外の第2のマスク層とを含む多層構造として、金属層を含む半導体層表面を金属フッ化物以外の層であってエッチャントに対して耐性がある第2のマスク層で被覆することが好ましい。第2のマスク層は、さらに金属層を侵食しない条件で除去される必要がある。第2のマスク層としては、SiO、AlO、TiO、TaO、HfOおよびZrO等の酸化物、SiN、AlN等の窒化物およびこれら組み合わせが挙げられる。これらは、ウェットエッチング耐性があり、同時に金属等をエッチングしないドライエッチング法でも最終除去が可能であるので、非常に好ましいものである。特に好ましくは、製造が比較的容易であることから、SiNおよびSiOであり、特にSiNが好ましい。 For example, when a group III-V nitride semiconductor layer in which a metal layer such as an electrode or wiring is formed of aluminum or the like is etched by the etching method of the present invention, an acid is removed when the metal fluoride is removed after the etching is completed. Alternatively, metal layers such as electrodes and wiring may be eroded and removed by an etchant containing alkali. In such a case, the etching mask layer has a multilayer structure including a metal fluoride layer and a second mask layer other than the metal fluoride, and the surface of the semiconductor layer including the metal layer is a layer other than the metal fluoride. It is preferable to coat with a second mask layer resistant to the etchant. The second mask layer needs to be removed under conditions that do not attack the metal layer. Examples of the second mask layer include oxides such as SiO x , AlO x , TiO x , TaO x , HfO x, and ZrO x , nitrides such as SiN x , AlN x , and combinations thereof. These are very preferable because they are resistant to wet etching and can be removed by a dry etching method that does not etch metal or the like at the same time. Particularly preferred are SiN x and SiO x because production is relatively easy, and SiN x is particularly preferred.

図10は、金属層(電極7、8)を有するIII−V族窒化物半導体層2上に、半導体層側から、SiN等の金属フッ化物でない層と金属フッ化物層の多層構造のエッチングマスク層9を形成した状態であり、図11、図12に示すように、層2をドライエッチングするときには、表面の金属フッ化物層がマスクとして機能する。その後、エッチングマスク層9を除去するには、まず酸またはアルカリにより金属フッ化物層を除去するが、このときは、SiN等の金属フッ化物でない第2のマスク層が、アルミニウム等の電極7、8を保護している。次に、SiN等の金属フッ化物でない層をドライエッチングにより、金属層を侵食することなく除去して、図13の構造を得ることができる。 FIG. 10 shows etching of a multilayer structure of a non-metal fluoride layer such as SiN x and a metal fluoride layer on the group III-V nitride semiconductor layer 2 having metal layers (electrodes 7 and 8) from the semiconductor layer side. When the mask layer 9 is formed, and the layer 2 is dry-etched as shown in FIGS. 11 and 12, the metal fluoride layer on the surface functions as a mask. Thereafter, in order to remove the etching mask layer 9, the metal fluoride layer is first removed with acid or alkali. At this time, the second mask layer that is not a metal fluoride such as SiN x is used as an electrode 7 made of aluminum or the like. , 8 are protected. Next, the non-metal fluoride layer such as SiN x is removed by dry etching without eroding the metal layer, and the structure of FIG. 13 can be obtained.

尚、エッチングマスク層は、その一部、たとえば金属層(例えば電極7、8)の上部のみが多層構造として形成され、金属層でない部分の上部が単層として形成されてもよい。さらに、多層化エッチングマスク層は半導体装置の製造の際のいずれの場面でも使用可能であるが、特にプロセス全体の整合性を考慮したうえで使用することが望ましい。
そこで、プロセスの整合性を考慮し、部分的に多層構造となるエッチングマスクによりエッチングする例を示す。まず、図14は、金属フッ化物以外のマスク材料で形成した第2のエッチングマスク21を形成し、基板1上に形成された半導体層2をエッチングして、凹部25を形成した様子を示す図である。第2のエッチングマスク21は、例えばSiNxで形成され、金属層(電極7)を含む領域をマスクしている。第2のエッチングマスク21により覆われていない領域がエッチングされ凹部25が形成される。半導体層2がGaNのようなエッチングされにくい材料であっても、凹部25の深さが浅い場合には、は、SiNxのような公知のマスク材料で十分にエッチングが可能である。
次に、金属フッ化物層をマスクとする深いエッチングを行う際に、第2のエッチングマスク21を除去することなく、図15に示すように、金属フッ化物マスク22を形成する。そのため、金属層(電極7)上およびその付近の半導体層表面は、金属フッ化物マスクと第2のエッチングマスクの2層構造となっている。
次に、図16に示すように、金属フッ化物マスク22をマスクとして、半導体層2を深くエッチングして溝26を形成する。前述のとおり、金属フッ化物層は、ドライエッチング耐性が高いので、深いエッチングが可能である。次に、金属フッ化物マスク22を例えば酸により除去すると、図17に示すように、第2のエッチングマスク21が残る。このため、ウェットエッチングによる金属フッ化物マスク22の除去の際に金属層が浸食されない。最後に第2のエッチングマスク21を、金属層(電極7)も半導体層もダメージを受けない方法で除去して、図18に示すような、半導体層2に浅い凹部25と深い溝26が形成された構造が得られる。このような方法は半導体層の材質、金属層の材質等で選択が可能であるが、たとえば、金属層の表面がAl等の場合であって、半導体層がGaN層等であって、第2のエッチングマスクがSiNx等である場合には、フッ素系ガスを反応性ガスとして用いた反応性イオンエッチング等のドライエッチングを実施することが好ましい。このように、半導体装置の製造工程中、半導体層を浅くエッチングする第1エッチング工程と、半導体層を深くエッチングする第2エッチング工程を有するときに、第1エッチング工程にてマスクとして金属フッ化物以外の第2のマスクを用いて、エッチング後にマスクを除去することなく、第2のエッチング工程にてその上に金属フッ化物層マスク層を形成し、部分的にまたは全部を多層構造とすることで、金属層を有効に保護しながら、製造方法を簡略化することができる。
Note that only a part of the etching mask layer, for example, the upper part of the metal layer (for example, the electrodes 7 and 8) may be formed as a multilayer structure, and the upper part of the part other than the metal layer may be formed as a single layer. Furthermore, the multi-layered etching mask layer can be used in any scene during the manufacture of a semiconductor device, but it is desirable to use it in consideration of the consistency of the entire process.
Therefore, in consideration of process consistency, an example in which etching is performed using an etching mask partially having a multilayer structure will be described. First, FIG. 14 is a view showing a state in which the recess 25 is formed by forming the second etching mask 21 formed of a mask material other than the metal fluoride and etching the semiconductor layer 2 formed on the substrate 1. It is. The second etching mask 21 is formed of SiNx, for example, and masks a region including the metal layer (electrode 7). A region not covered with the second etching mask 21 is etched to form a recess 25. Even if the semiconductor layer 2 is a material that is difficult to etch, such as GaN, if the depth of the recess 25 is shallow, it can be sufficiently etched with a known mask material such as SiNx.
Next, when performing deep etching using the metal fluoride layer as a mask, the metal fluoride mask 22 is formed as shown in FIG. 15 without removing the second etching mask 21. Therefore, the surface of the semiconductor layer on and near the metal layer (electrode 7) has a two-layer structure of a metal fluoride mask and a second etching mask.
Next, as shown in FIG. 16, using the metal fluoride mask 22 as a mask, the semiconductor layer 2 is deeply etched to form a groove 26. As described above, since the metal fluoride layer has high dry etching resistance, deep etching is possible. Next, when the metal fluoride mask 22 is removed by, for example, acid, the second etching mask 21 remains as shown in FIG. For this reason, the metal layer is not eroded when the metal fluoride mask 22 is removed by wet etching. Finally, the second etching mask 21 is removed by a method in which neither the metal layer (electrode 7) nor the semiconductor layer is damaged, and a shallow recess 25 and a deep groove 26 are formed in the semiconductor layer 2 as shown in FIG. The resulting structure is obtained. Such a method can be selected depending on the material of the semiconductor layer, the material of the metal layer, and the like. For example, when the surface of the metal layer is Al or the like, and the semiconductor layer is a GaN layer or the like, When the etching mask is SiNx or the like, it is preferable to perform dry etching such as reactive ion etching using a fluorine-based gas as a reactive gas. As described above, when the semiconductor device manufacturing process includes the first etching process for etching the semiconductor layer shallowly and the second etching process for etching the semiconductor layer deeply, other than metal fluoride as a mask in the first etching process. The second mask is used to form a metal fluoride layer mask layer on the second etching step without removing the mask after the etching, and partially or entirely to have a multilayer structure. The manufacturing method can be simplified while effectively protecting the metal layer.

さらに、本発明において、金属フッ化物層の形成を真空蒸着法、特に抵抗加熱方式等の電子、プラズマ等の荷電粒子を材料に直接当てる事なく加熱する方法で行うことは、金属材料とフッ素の乖離を抑制し、好ましいものであるが、段差被覆性、特に側壁の被覆性をさらに改良するために、エッチングマスク層として、上述と同様の多層構造を適用することも好ましい。   Furthermore, in the present invention, the formation of the metal fluoride layer is performed by a vacuum evaporation method, particularly by a method of heating without directly applying charged particles such as electrons and plasma, such as a resistance heating method, to the material. Although it is preferable to suppress the divergence, it is also preferable to apply a multilayer structure similar to the above as the etching mask layer in order to further improve the step coverage, particularly the side wall coverage.

たとえば、プラズマCVD法で成膜した酸化物層、窒化物層は段差基板の側壁の被覆性に優れる。このような層としては、SiO、AlO、TiO、TaO、HfOおよびZrO等の酸化物、SiN、AlN等の窒化物およびこれら組み合わせが挙げられる。特に好ましくは、製造が比較的容易であることから、SiNおよびSiOであり、特にSiNが好ましい。 For example, an oxide layer and a nitride layer formed by plasma CVD are excellent in the coverage of the side wall of the stepped substrate. Such layers include oxides such as SiO x , AlO x , TiO x , TaO x , HfO x and ZrO x , nitrides such as SiN x , AlN x and combinations thereof. Particularly preferred are SiN x and SiO x because production is relatively easy, and SiN x is particularly preferred.

このように、エッチングマスク層を、金属フッ化物層と金属フッ化物層以外の層との多層構造とすることは、金属層の保護と段差被覆の両方の点で好ましい。特に、プロセスの整合性を考慮し、部分的な多重マスクを採用することにより、金属層の保護を図りながら製造工程を簡略化することができる。   Thus, it is preferable that the etching mask layer has a multilayer structure of a metal fluoride layer and a layer other than the metal fluoride layer in terms of both protection of the metal layer and step coverage. In particular, the manufacturing process can be simplified while protecting the metal layer by adopting a partial multiple mask in consideration of process consistency.

以上説明した本発明のエッチング方法は、半導体装置の製造方法において、III−V族窒化物半導体層に溝を形成するエッチング工程に使用することができる。   The etching method of the present invention described above can be used in an etching process for forming a groove in a group III-V nitride semiconductor layer in a method for manufacturing a semiconductor device.

また、本発明の、III−V族窒化物半導体層と、150℃〜480℃の温度で形成された金属フッ化物層を含むエッチングマスク層とを有する半導体積層構造は、前述のエッチング方法の工程の途中で現れるものであり、微細かつ深い溝等の微細構造を有する半導体装置の製造の中間部材として極めて有用なものである。   In addition, the semiconductor stacked structure having the III-V nitride semiconductor layer of the present invention and the etching mask layer including the metal fluoride layer formed at a temperature of 150 ° C. to 480 ° C. is a process of the above-described etching method. And is extremely useful as an intermediate member for manufacturing a semiconductor device having a fine structure such as a fine and deep groove.

以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。また、以下の実施例において参照している図面は、構造を把握しやすくするために敢えて寸法を変えている部分があるが、実際の寸法は以下の文中に記載されるとおりである。   The features of the present invention will be described more specifically with reference to the following examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples shown below. In the drawings referred to in the following embodiments, there are portions where the dimensions are intentionally changed in order to make the structure easy to grasp, but the actual dimensions are as described in the following text.

<実施例1>
サファイア基板上にMOCVD法で成長したSiドープGaN半導体層上に、異なる種々の基板温度でSrF膜を抵抗加熱法によって真空蒸着した。形成したSrF膜について、GaN層をドライエッチングするための、エッチングマスクとしてのパターニング特性、ドライエッチング時の耐性、その後の除去プロセス時のウェットエッチング特性などを詳細に調べた。
<Example 1>
SrF 2 films were vacuum-deposited by a resistance heating method on Si-doped GaN semiconductor layers grown by MOCVD on a sapphire substrate at various different substrate temperatures. The formed SrF 2 film was examined in detail for patterning characteristics as an etching mask for dry etching of the GaN layer, resistance during dry etching, wet etching characteristics during the subsequent removal process, and the like.

成膜後のSrF膜のパターニングには、レジストをマスクとし塩酸(塩化水素36%含有)と水を体積比で1対10で混合したエッチャントを用い、室温でウェットエッチングを実施し、そのときのエッチングレート、形成されたSrF膜パターンの側壁の直線性、開口幅の絶対値の制御性を評価した。また、そのようにしてパターニングしたSrFマスクによるSiドープGaN層のドライエッチングをClプラズマによって実施し、SrFマスクのドライエッチング時の適性を評価した。さらに、SiドープGaN半導体層の塩素プラズマによるドライエッチングの履歴を受けたSrF膜の塩酸(塩化水素36%含有)と水(体積比で1対10)のエッチャントに対する除去時の室温でのエッチングレートも測定した。 For the patterning of the SrF 2 film after film formation, wet etching was performed at room temperature using an etchant in which hydrochloric acid (containing 36% hydrogen chloride) and water were mixed at a volume ratio of 1:10 using a resist as a mask. The etching rate, the linearity of the side wall of the formed SrF 2 film pattern, and the controllability of the absolute value of the opening width were evaluated. Further, dry etching of the Si-doped GaN layer using the SrF 2 mask patterned as described above was performed using Cl 2 plasma, and the suitability of the SrF 2 mask during dry etching was evaluated. Furthermore, etching at room temperature during removal of the Si-doped GaN semiconductor layer from the etchant of hydrochloric acid (containing 36% hydrogen chloride) and water (1:10 by volume) of the SrF 2 film that has undergone the history of dry etching by chlorine plasma. The rate was also measured.

また、SrF成膜時には、同一のチャンバーにSiドープGaN半導体層上にTi/Al/Au金属とさらにその上にSiN膜を形成したサンプルをセットし、SrFマスク形成時の熱履歴による金属電極部分の耐性、表面状態の変化も確認した。金属の表面状態の確認は、SrF膜形成後に、SrF膜を除去し、さらにSiN膜も除去した後に観察した。 When forming SrF 2 , a sample in which a Ti / Al / Au metal and a SiN x film are further formed on the Si-doped GaN semiconductor layer is set in the same chamber, and the heat history during the formation of the SrF 2 mask is set. The resistance of the metal electrode part and the change of the surface state were also confirmed. The confirmation of the surface condition of the metal was observed after the SrF 2 film was removed and the SiN x film was also removed after the SrF 2 film was formed.

エッチングレート測定および評価結果を表1に示す。   Table 1 shows the etching rate measurement and evaluation results.

Figure 2007324575
表1より、150℃以上の基板温度で成膜されたSrF膜は、ドライエッチングに使用されるエッチングマスクとして適当であることが明らかである。また、ドライエッチング後にSrF膜を実用的な速度で除去すること、および下層に金属層が存在する場合等を考慮すると、480℃以下の基板温度で成膜されたSrF膜が好ましいことが判る。
Figure 2007324575
From Table 1, it is clear that an SrF 2 film formed at a substrate temperature of 150 ° C. or higher is suitable as an etching mask used for dry etching. In addition, considering that the SrF 2 film is removed at a practical rate after dry etching and a metal layer is present in the lower layer, an SrF 2 film formed at a substrate temperature of 480 ° C. or lower is preferable. I understand.

<実施例2>
半導体発光装置を構成するIII−V族窒化物半導体層にエッチングにより素子間分離溝を形成した実施例を、図1から図8を参照しながら説明する。
<Example 2>
An embodiment in which an element isolation groove is formed by etching in a group III-V nitride semiconductor layer constituting a semiconductor light emitting device will be described with reference to FIGS.

厚みが430μmのc+面サファイア基板1を用意し、この上に、III−V族窒化物半導体層2を次のように形成した。まずMOCVD法を用いて、第1のバッファ層として厚み10nmの低温成長したアンドープのGaN層を形成し、この後に第2のバッファ層として厚み1μmのアンドープGaN層を1040℃で形成した。さらに、第一導電型(n型)第二クラッド層としてSiドープ(Si濃度1×1018cm−3)のGaN層を2μm厚に形成し、第一導電型(n型)コンタクト層としてSiドープ(Si濃度2×1018cm−3)のGaN層を0.5μm厚に形成し、さらに第一導電型(n型)第一クラッド層としてSiドープ(Si濃度1.5×1018cm−3)のAl0.15Ga0.85N層を0.1μmの厚さで形成した。さらに活性層構造として、バリア層として850℃で13nmの厚さに成膜したアンドープGaN層と、量子井戸層として720℃で2nmの厚さに成膜したアンドープIn0.1Ga0.9N層とを、量子井戸層が全部で5層で両側がバリア層となるように交互に成膜した。さらに成長温度を1025℃にして、第二導電型(p型)第一クラッド層としてMgドープ(Mg濃度5×1019cm−3)Al0.15Ga0.85N層を0.1μmの厚さに形成した。さらに連続して、第二導電型(p型)第二クラッド層としてMgドープ(Mg濃度5×1019cm−3)GaN層を0.05μmの厚さに形成した。最後に第二導電型(p型)コンタクト層としてMgドープ(Mg濃度1×1020cm−3)GaN層を0.02μmの厚さに形成した。 A c + plane sapphire substrate 1 having a thickness of 430 μm was prepared, and a III-V nitride semiconductor layer 2 was formed thereon as follows. First, an MOCVD method was used to form an undoped GaN layer grown at a low temperature of 10 nm as a first buffer layer, and then an undoped GaN layer having a thickness of 1 μm was formed at 1040 ° C. as a second buffer layer. Further, a Si-doped (Si concentration 1 × 10 18 cm −3 ) GaN layer is formed to a thickness of 2 μm as the first conductivity type (n-type) second cladding layer, and Si as the first conductivity type (n-type) contact layer. A doped (Si concentration: 2 × 10 18 cm −3 ) GaN layer is formed to a thickness of 0.5 μm, and Si doped (Si concentration: 1.5 × 10 18 cm) as a first conductivity type (n-type) first cladding layer. -3 ) Al 0.15 Ga 0.85 N layer was formed to a thickness of 0.1 μm. Further, as an active layer structure, an undoped GaN layer formed as a barrier layer with a thickness of 13 nm at 850 ° C. and an undoped In 0.1 Ga 0.9 N formed as a quantum well layer with a thickness of 2 nm at 720 ° C. The layers were alternately formed so that the quantum well layers were 5 layers in total and both sides were barrier layers. Further, the growth temperature is set to 1025 ° C., and a Mg-doped (Mg concentration 5 × 10 19 cm −3 ) Al 0.15 Ga 0.85 N layer is formed to a thickness of 0.1 μm as the second conductivity type (p-type) first cladding layer. Formed to a thickness. Further, an Mg-doped (Mg concentration 5 × 10 19 cm −3 ) GaN layer was formed to a thickness of 0.05 μm as the second conductivity type (p-type) second cladding layer. Finally, an Mg-doped (Mg concentration 1 × 10 20 cm −3 ) GaN layer was formed to a thickness of 0.02 μm as a second conductivity type (p-type) contact layer.

この後にMOCVD成長炉の中で徐々に温度を下げて、ウエハーを取り出し、エピタキシャル成長を終了し、図1のIII−V族窒化物半導体層形成までの構造を作製した。   Thereafter, the temperature was gradually lowered in the MOCVD growth furnace, the wafer was taken out, epitaxial growth was completed, and the structure up to the formation of the III-V group nitride semiconductor layer in FIG. 1 was produced.

ついで、図2に示すように、エッチングマスク層3として単層のSrFを450℃において、蒸着レート0.2nm/secで真空蒸着法によって400nm形成した。ついで、図3に示すとおり、レジストマスク層4をスピンコーティングによって形成し、その後フォトリソグラフィー法によってレジストパターンを形成した。ついで、エッチングマスク層3(SrF単層)をレジストパターン4を用いてパターンニングするために、塩酸(塩化水素36%含有)と水を体積比1:10のエッチャントに240秒浸し、SrF層を図5のようにエッチングした。エッチングされたSrF層は直線性に優れ、意図しない剥離等も発生せず、高い密着性を保持していた。ついで、アセトンと酸素プラズマアッシングによって、図6のようにレジスト層を除去し、SrF層のエッチングマスクを表面に露出させた。ついで、誘導結合性の塩素プラズマを用いて、素子間の分離用の溝に相当する部分のすべての半導体エピタキシャル層を、図7に示されるとおりにエッチングした。ドライエッチング工程中には、3.8μmを越える厚膜(平均3.868μm)のGaN系材料をドライエッチングしたにもかかわらず、SrF層はほとんどエッチングされなかった。最後に図8に示すとおり、塩酸と水の堆積比1:10のエッチャントに300秒浸して、不要となったSrF層を完全に除去し、半導体発光発光装置の素子間の分離用の溝の形成を完了した。製造された素子間分離用の溝の幅は、100μmであった。 Next, as shown in FIG. 2, a single layer of SrF 2 was formed as an etching mask layer 3 at 450 ° C. at a deposition rate of 0.2 nm / sec by vacuum deposition at 450 nm. Next, as shown in FIG. 3, a resist mask layer 4 was formed by spin coating, and then a resist pattern was formed by photolithography. Next, in order to pattern the etching mask layer 3 (SrF 2 single layer) using the resist pattern 4, hydrochloric acid (containing 36% hydrogen chloride) and water are immersed in an etchant having a volume ratio of 1:10 for 240 seconds, and SrF 2 The layer was etched as in FIG. The etched SrF 2 layer was excellent in linearity, did not cause unintended peeling, and maintained high adhesion. Next, the resist layer was removed by acetone and oxygen plasma ashing as shown in FIG. 6 to expose the etching mask of the SrF 2 layer on the surface. Next, all the semiconductor epitaxial layers corresponding to the trenches for separating the elements were etched using inductively coupled chlorine plasma as shown in FIG. During the dry etching process, the SrF 2 layer was hardly etched even though the GaN-based material having a thickness of more than 3.8 μm (average 3.868 μm) was dry-etched. Finally, as shown in FIG. 8, it is immersed in an etchant having a deposition ratio of hydrochloric acid and water of 1:10 for 300 seconds to completely remove the unnecessary SrF 2 layer, and a groove for separation between elements of the semiconductor light emitting device. Completed the formation. The width of the manufactured groove for element separation was 100 μm.

<実施例3>
図1、および図9〜図12を参照しながら異なる実施例を説明する。厚みが430μmのc+面サファイア基板1を用意し、この上にIII−V族窒化物半導体層2を次のように形成した。まず、MOCVD法を用いて、第1バッファ層として、厚み20nmの低温成長したアンドープのGaN層を形成し、この後に第2バッファ層2として厚み1μmのアンドープGaNを1040℃で形成した。連続して、第一導電型(n型)第二クラッド層としてSiドープ(Si濃度1×1018cm−3)のGaN層を2μm形成し、第一導電型(n型)コンタクト層としてSiドープ(Si濃度2×1018cm−3)のGaN層を0.5μmの厚さに形成し、さらに第一導電型(n型)第一クラッド層としてSiドープ(Si濃度1.5×1018cm−3)のAl0.15Ga0.85N層を0.1μm形成した。さらに活性層構造として、バリア層として850℃で13nmに成膜したアンドープGaN層と、量子井戸層として715℃で2nmに成膜したアンドープIn0.13Ga0.87N層を、量子井戸層が全部で3層で両側がバリア層となるように交互に成膜した。さらに成長温度を1025℃にして、第二導電型(p型)第一クラッド層としてMgドープ(Mg濃度5×1019cm−3)Al0.15Ga0.85N層を0.1μmの厚さに形成した。さらに連続して、第二導電型(p型)第二クラッド層としてMgドープ(Mg濃度5×1019cm−3)GaN層を0.05μmの厚さに形成した。最後に第二導電型(p型)コンタクト層としてMgドープ(Mg濃度1×1020cm−3)GaN層を0.02μmの厚さに形成した。
<Example 3>
Different embodiments will be described with reference to FIG. 1 and FIGS. A c + plane sapphire substrate 1 having a thickness of 430 μm was prepared, and a group III-V nitride semiconductor layer 2 was formed thereon as follows. First, an MOCVD method was used to form an undoped GaN layer grown at a low temperature of 20 nm as the first buffer layer, and then an undoped GaN layer of 1 μm thickness was formed at 1040 ° C. as the second buffer layer 2. Continuously, 2 μm of a Si-doped (Si concentration 1 × 10 18 cm −3 ) GaN layer is formed as the first conductivity type (n-type) second cladding layer, and Si as the first conductivity type (n-type) contact layer. A doped (Si concentration 2 × 10 18 cm −3 ) GaN layer is formed to a thickness of 0.5 μm, and Si doped (Si concentration 1.5 × 10 10) as a first conductivity type (n-type) first cladding layer. An 18 cm −3 ) Al 0.15 Ga 0.85 N layer was formed to a thickness of 0.1 μm. Further, as the active layer structure, an undoped GaN layer formed at 13 nm at 850 ° C. as a barrier layer, and an undoped In 0.13 Ga 0.87 N layer formed at 2 nm at 715 ° C. as a quantum well layer, a quantum well layer Were formed alternately so that there were 3 layers in total and both sides would be barrier layers. Further, the growth temperature is set to 1025 ° C., and a Mg-doped (Mg concentration 5 × 10 19 cm −3 ) Al 0.15 Ga 0.85 N layer is formed to a thickness of 0.1 μm as the second conductivity type (p-type) first cladding layer. Formed to a thickness. Further, an Mg-doped (Mg concentration 5 × 10 19 cm −3 ) GaN layer was formed to a thickness of 0.05 μm as the second conductivity type (p-type) second cladding layer. Finally, an Mg-doped (Mg concentration 1 × 10 20 cm −3 ) GaN layer was formed to a thickness of 0.02 μm as a second conductivity type (p-type) contact layer.

この後にMOCVD成長炉の中で徐々に温度を下げて、ウエハーを取り出し、エピタキシャル成長を終了した(図1の構造)。   Thereafter, the temperature was gradually lowered in the MOCVD growth furnace, the wafer was taken out, and the epitaxial growth was completed (structure of FIG. 1).

エピタキシャル成長が終了した半導体の積層構造に対して、第一導電型(n型)コンタクト層を露出させる第一エッチング工程を実施するために、エッチング用マスクの形成を実施した。ここでは、真空蒸着法を用いて基板温度を200℃、蒸着レート0.5nm/secでSrF層をIII−V族窒化物半導体層の全面に成膜した。次にフォトリソグフィー工程により、フォトレジストパターンをSrF層上に形成し、SrF層を塩酸によって一部エッチングしてパターンニングし、第一エッチング用のマスクを作製した。ついで第一エッチング工程として、p−GaNコンタクト層、p−GaN第二クラッド層、p−AlGaN第一クラッド層、InGaN量子井戸層とGaNバリア層からなる活性層構造、n−AlGaN第一クラッド層、n−GaNコンタクト層の途中まで、BClガスを用いた誘導結合性プラズマによるエッチングを実施し、n型キャリアの注入部分となるn型コンタクト層を露出させた。 In order to perform the first etching process for exposing the first conductivity type (n-type) contact layer, the etching mask was formed on the semiconductor laminated structure after the epitaxial growth. Here, the SrF 2 layer was formed on the entire surface of the group III-V nitride semiconductor layer using a vacuum deposition method at a substrate temperature of 200 ° C. and a deposition rate of 0.5 nm / sec. Then by a photolithographic Gufi step, a photoresist pattern is formed SrF 2 layer on and patterned to partially etch the SrF 2 layer with hydrochloric acid, to prepare a mask for the first etching. Then, as a first etching step, a p-GaN contact layer, a p-GaN second cladding layer, a p-AlGaN first cladding layer, an active layer structure comprising an InGaN quantum well layer and a GaN barrier layer, and an n-AlGaN first cladding layer Etching by inductively coupled plasma using BCl 3 gas was performed partway through the n-GaN contact layer to expose the n-type contact layer serving as an n-type carrier injection portion.

誘導結合性プラズマによるプラズマエッチング終了後は、SrFマスク層を塩酸によってすべて除去した。ここにおいて、基板温度200℃で成膜したSrFマスクは、パターニングの際には直線性にすぐれたマスクが形成され、かつ、プラズマエッチングによってもほとんどエッチングされず、塩素系プラズマに対するエッチング耐性も良好であった。 After the plasma etching by inductively coupled plasma was completed, the SrF 2 mask layer was completely removed with hydrochloric acid. Here, the SrF 2 mask formed at a substrate temperature of 200 ° C. is formed with a mask with excellent linearity during patterning, and is hardly etched even by plasma etching, and has good etching resistance to chlorine-based plasma. Met.

次に、形成された段差の上に、p側電極7をリフトオフ法でパターニングするために、フォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成した。p側電極7形成のための金属層Aとして、Pd20nmおよびAu1000nmを真空蒸着法によって積層し、アセトン中で不要部分をリフトオフ法によって除去した。ついで、その後、熱処理してp側電極を完成させた(図9中のp側電極7形成)。このように、p側電極7をプラズマプロセス等に曝すことなく形成したため、p側電流注入領域にはダメージが入らなかった。   Next, in order to pattern the p-side electrode 7 by the lift-off method on the formed step, a resist pattern was formed by a photolithography method. As the metal layer A for forming the p-side electrode 7, Pd 20 nm and Au 1000 nm were laminated by a vacuum deposition method, and unnecessary portions were removed in acetone by a lift-off method. Subsequently, the p-side electrode was completed by heat treatment (formation of the p-side electrode 7 in FIG. 9). Thus, since the p-side electrode 7 was formed without being exposed to a plasma process or the like, the p-side current injection region was not damaged.

ついで、さらにn側電極8をリフトオフ法でパターニングするために、フォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成した。ここでn側電極形成のための金属層としてTi(20nm厚)/Al(1500nm厚)を真空蒸着法でウエハー全面に形成し、アセトン中で不要部分をリフトオフ法によって除去した。ついで、その後熱処理を実施してn側電極8を完成させた(図9中のn側電極8形成)。   Then, in order to further pattern the n-side electrode 8 by a lift-off method, a resist pattern was formed by a photolithography method. Here, Ti (20 nm thickness) / Al (1500 nm thickness) as a metal layer for forming the n-side electrode was formed on the entire surface of the wafer by a vacuum deposition method, and unnecessary portions were removed in acetone by a lift-off method. Subsequently, heat treatment was then performed to complete the n-side electrode 8 (formation of the n-side electrode 8 in FIG. 9).

ここまでの工程によって図9までの構造を形成した。   The structure up to FIG. 9 was formed by the steps up to here.

ひきつづき、エッチングマスク層9をSiN膜とSrF膜の多層膜で形成するために、まず、400℃の成膜温度でp−CVD法を用いてSiN膜を200nm形成した。ついで、400℃の高温において、SrF層マスクを400nmの厚さに形成した。この際、SrFマスクは0.5nm/secの蒸着レートでサンプルを装着したドームを自公転させながら形成し、図10の形状を得た。 Subsequently, in order to form the etching mask layer 9 as a multilayer film of a SiN x film and a SrF 2 film, first, a 200 nm SiN x film was formed using a p-CVD method at a film forming temperature of 400 ° C. Then, at a high temperature of 400 ° C., to form the SrF 2 layer mask to a thickness of 400 nm. At this time, the SrF 2 mask was formed while revolving the dome on which the sample was mounted at a deposition rate of 0.5 nm / sec, and the shape of FIG. 10 was obtained.

さらに、発光ユニット間を分離するために、フォトリソグラフィー法を用いて分離溝形成部分に開口を有するフォトレジストパターンを形成し、このレジストマスクを用いて、SrFとSiNの積層構造のエッチングマスク層9をウェットエッチングして、開口10を形成した。SrF層のエッチングには塩酸(塩化水素36%含有):水=1:10の体積比で混合したエッチャントを用いて240秒選択的にエッチングを実施し、ついでSiN層のエッチングには、フッ酸とフッ化アンモニウムを体積比1:5のエッチャントを用いて3分の間選択的にエッチングを実施した。この際に、SrF部分、SiN部分とも直線性と密着性に優れたパターニングされたエッチングマスク層が得られた(図11)。 Further, in order to separate the light emitting units, a photoresist pattern having an opening in a separation groove forming portion is formed by using a photolithography method, and an etching mask having a laminated structure of SrF 2 and SiN x is formed using this resist mask. Layer 9 was wet etched to form openings 10. Etching of the SrF 2 layer was carried out selectively using an etchant mixed at a volume ratio of hydrochloric acid (containing 36% hydrogen chloride): water = 1: 10 for 240 seconds, followed by etching of the SiN x layer, Etching was selectively performed for 3 minutes using an etchant having a volume ratio of 1: 5 for hydrofluoric acid and ammonium fluoride. At this time, a patterned etching mask layer excellent in linearity and adhesion was obtained in both the SrF 2 part and the SiN x part (FIG. 11).

ついで、図11の構造において、エッチングマスク層9の開口10から、III−V族窒化物半導体層2を、Clガスを用いた誘導結合性のプラズマ励起によってドライエッチングして、分離溝11を形成した。エッチング中には、エッチングマスクとして使用した多層マスクはほとんどエッチングされなかった(図12)。 Next, in the structure of FIG. 11, the III-V nitride semiconductor layer 2 is dry-etched from the opening 10 of the etching mask layer 9 by inductively coupled plasma excitation using Cl 2 gas, so that the separation groove 11 is formed. Formed. During the etching, the multilayer mask used as an etching mask was hardly etched (FIG. 12).

最後に、塩酸に5分間浸すことよってSrF部分をすべて除去した。この際には、SiNマスク部分は全くエッチングされなかった。従って、塩酸によって電極層が侵されることがなかった。ついで不要となったSiNマスクを除去するために、SFガスを用いたリアクティブエッチングを1分間実施し、SiNマスクを除去し図13の形状を得た。 Finally, all SrF 2 parts were removed by soaking in hydrochloric acid for 5 minutes. At this time, the SiN x mask portion was not etched at all. Therefore, the electrode layer was not attacked by hydrochloric acid. Then, in order to remove the unnecessary SiN x mask, reactive etching using SF 6 gas was performed for 1 minute, and the SiN x mask was removed to obtain the shape of FIG.

ついで、形成した素子間の分離用溝にそって、素子を切り出し、発光装置を完成させた。   Next, the elements were cut out along the separation grooves between the formed elements, and the light emitting device was completed.

1実施形態のエッチング方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the etching method of one Embodiment. 1実施形態のエッチング方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the etching method of one Embodiment. 1実施形態のエッチング方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the etching method of one Embodiment. 1実施形態のエッチング方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the etching method of one Embodiment. 1実施形態のエッチング方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the etching method of one Embodiment. 1実施形態のエッチング方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the etching method of one Embodiment. 1実施形態のエッチング方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the etching method of one Embodiment. 1実施形態のエッチング方法を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining the etching method of one Embodiment. 表面に金属層が形成されているIII−V族窒化物半導体層に本発明のエッチング方法を適用した1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 embodiment which applied the etching method of this invention to the III-V nitride semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されているIII−V族窒化物半導体層に本発明のエッチング方法を適用した1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 embodiment which applied the etching method of this invention to the III-V nitride semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されているIII−V族窒化物半導体層に本発明のエッチング方法を適用した1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 embodiment which applied the etching method of this invention to the III-V nitride semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されているIII−V族窒化物半導体層に本発明のエッチング方法を適用した1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 embodiment which applied the etching method of this invention to the III-V nitride semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されているIII−V族窒化物半導体層に本発明のエッチング方法を適用した1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 embodiment which applied the etching method of this invention to the III-V group nitride semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されている半導体層のエッチングの簡略化された1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 simplified embodiment of the etching of the semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されている半導体層のエッチングの簡略化された1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 simplified embodiment of the etching of the semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されている半導体層のエッチングの簡略化された1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 simplified embodiment of the etching of the semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されている半導体層のエッチングの簡略化された1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 simplified embodiment of the etching of the semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface. 表面に金属層が形成されている半導体層のエッチングの簡略化された1実施形態を説明する工程断面図である。It is process sectional drawing explaining 1 simplified embodiment of the etching of the semiconductor layer in which the metal layer is formed in the surface.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 III−V族窒化物半導体層
3 エッチングマスク層
4 レジストマスク層
7 電極
8 電極
9 エッチングマスク層
10 開口
11 溝
21 第2のエッチングマスク(SiNx等)
22 金属フッ化物マスク
25 凹部
26 溝
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 III-V nitride semiconductor layer 3 Etching mask layer 4 Resist mask layer 7 Electrode 8 Electrode 9 Etching mask layer 10 Opening 11 Groove 21 Second etching mask (SiNx, etc.)
22 Metal fluoride mask 25 Recess 26 Groove

Claims (24)

III−V族窒化物半導体層上に、エッチングマスクの少なくとも一部として、金属フッ化物層を形成する工程と、
この金属フッ化物層をエッチングによりパターンニングする工程と、
パターニングされた金属フッ化物層をマスクとして、前記III−V族窒化物半導体層をエッチングする工程と
を有することを特徴とするIII−V族窒化物半導体層のエッチング方法。
Forming a metal fluoride layer on at least a part of the etching mask on the III-V nitride semiconductor layer;
Patterning the metal fluoride layer by etching;
And etching the group III-V nitride semiconductor layer using the patterned metal fluoride layer as a mask. A method for etching a group III-V nitride semiconductor layer, comprising:
前記金属フッ化物層が、2価または3価の金属元素を含み、
前記金属フッ化物層のパターニング工程が、ウェットエッチングにより実施され、
前記III−V族窒化物半導体層のエッチング工程がドライエッチングにより実施されることを特徴とする請求項1記載の方法。
The metal fluoride layer contains a divalent or trivalent metal element;
The patterning process of the metal fluoride layer is performed by wet etching,
The method according to claim 1, wherein the etching process of the group III-V nitride semiconductor layer is performed by dry etching.
前記金属フッ化物層が、SrF、AlF、MgF、BaF、CaFおよびそれらの組み合わせからなる群より選ばれることを特徴とする請求項2記載の方法。 Wherein the metal fluoride layer, SrF 2, AlF 3, MgF 2, BaF 2, CaF 2 and a method according to claim 2, wherein the selected from the group consisting of. 前記金属フッ化物層の形成工程が、真空蒸着法によって行われることを特徴とする請求項2または3記載の方法。   4. The method according to claim 2, wherein the forming step of the metal fluoride layer is performed by a vacuum deposition method. 前記ドライエッチングが、少なくとも塩素原子を含有するガス種を用いたプラズマ励起ドライエッチングであることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 2, wherein the dry etching is plasma-excited dry etching using a gas species containing at least chlorine atoms. 塩素原子を含有する前記ガス種が、Cl、BCl、SiCl、CClおよびそれらの2種以上の組み合わせからなる群より選ばれることを特徴とする請求項5記載の方法。 The gas species containing chlorine atoms, Cl 2, BCl 3, SiCl 4, CCl 4 and a method according to claim 5, wherein the selected from the group consisting of combinations of two or more thereof. 前記ドライエッチング時のプラズマ励起を誘導結合型励起で行うことを特徴とする請求項5または6記載の方法。   7. The method according to claim 5, wherein plasma excitation during the dry etching is performed by inductively coupled excitation. 前記金属フッ化物層が150℃〜480℃の温度で形成されることを特徴とする請求項2〜7のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 2, wherein the metal fluoride layer is formed at a temperature of 150 ° C. to 480 ° C. 前記金属フッ化物層のパターニング工程が、
前記金属フッ化物層の上に、フォトリソグラフィーにより、パターニングされたフォトレジスト膜を形成するサブ工程と、
このパターニングされたフォトレジスト膜をマスクとして、酸またはアルカリを含有するエッチャントを用いて前記金属フッ化物層をウェットエッチングするサブ工程と
を有することを特徴とする請求項2〜8のいずれかに記載の方法。
A patterning step of the metal fluoride layer,
Forming a patterned photoresist film on the metal fluoride layer by photolithography; and
9. A sub-process of wet-etching the metal fluoride layer using an etchant containing an acid or alkali using the patterned photoresist film as a mask. the method of.
前記エッチャントが、塩酸またはフッ酸を含有することを特徴とする請求項9記載の方法。   The method according to claim 9, wherein the etchant contains hydrochloric acid or hydrofluoric acid. 前記III−V族窒化物半導体層のエッチング工程の後に、酸またはアルカリを含有するエッチャントにより前記金属フッ化物層を除去する工程をさらに有する請求項2〜10のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 2, further comprising a step of removing the metal fluoride layer with an etchant containing an acid or an alkali after the step of etching the group III-V nitride semiconductor layer. 前記III−V族窒化物半導体上に形成されるエッチングマスクが、前記金属フッ化物層と、金属フッ化物以外の層であって前記金属フッ化物層の除去工程で使用するエッチャントに対して耐性がある第2のマスク層との多層構造部分を有し、前記金属フッ化物層がドライエッチングの際の耐エッチング層となることを特徴とする請求項2〜11のいずれかに記載の方法。   The etching mask formed on the group III-V nitride semiconductor is resistant to an etchant used in the metal fluoride layer and the metal fluoride layer and a layer other than the metal fluoride. 12. The method according to claim 2, further comprising a multilayer structure portion with a second mask layer, wherein the metal fluoride layer becomes an etching-resistant layer during dry etching. 前記第2のマスク層が、酸化物または窒化物層であることを特徴とする請求項12記載の方法。   The method of claim 12, wherein the second mask layer is an oxide or nitride layer. 前記第2のマスク層が、シリコン窒化物、シリコン酸化物およびそれらの組み合わせから選ばれることを特徴とする請求項12または13記載の方法。   14. The method of claim 12 or 13, wherein the second mask layer is selected from silicon nitride, silicon oxide, and combinations thereof. 前記第2のマスク層が、前記金属フッ化物層より小さいことを特徴とする請求項12〜14のいずれかに記載の方法。   15. A method according to any one of claims 12 to 14, wherein the second mask layer is smaller than the metal fluoride layer. 前記第2のマスク層が金属層を被覆していることを特徴とする請求項12〜15のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 12, wherein the second mask layer covers a metal layer. 前記III−V族窒化物半導体層が、前記エッチングマスクが形成される前に、凹凸が形成されていることを特徴とする請求項1〜16のいずれかに記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the III-V nitride semiconductor layer is formed with irregularities before the etching mask is formed. III−V族窒化物半導体層と、
150℃〜480℃の温度で形成された金属フッ化物層を含むエッチングマスク層と
を有する半導体積層構造。
A III-V nitride semiconductor layer;
A semiconductor multilayer structure having an etching mask layer including a metal fluoride layer formed at a temperature of 150 ° C. to 480 ° C.
前記エッチングマスク層が、前記金属フッ化物層のみからなることを特徴とする請求項18記載の半導体積層構造。   The semiconductor stacked structure according to claim 18, wherein the etching mask layer is composed of only the metal fluoride layer. 前記エッチングマスク層が、前記金属フッ化物層と、この金属フッ化物層に接してその下部に形成された酸化物または窒化物層との積層構造部分を有する請求項18記載の半導体積層構造。   19. The semiconductor multilayer structure according to claim 18, wherein the etching mask layer has a multilayer structure portion of the metal fluoride layer and an oxide or nitride layer formed below and in contact with the metal fluoride layer. 前記エッチングマスク層がパターニングされている請求項18〜20のいずれかに記載の半導体積層構造。   21. The semiconductor multilayer structure according to claim 18, wherein the etching mask layer is patterned. 前記金属フッ化物層が、SrF、AlF、MgF、BaF、CaFおよびそれらの組み合わせからなる群より選ばれることを特徴とする請求項18〜21のいずれかに記載の半導体積層構造。 Wherein the metal fluoride layer, SrF 2, AlF 3, MgF 2, BaF 2, CaF 2 and the semiconductor stacked structure according to any one of claims 18 to 21, characterized in that it is selected from the group consisting of . 請求項1〜17のいずれかに記載のエッチング方法により、III−V族窒化物半導体層に溝を形成する工程を有する半導体装置の製造方法。   A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a groove in a group III-V nitride semiconductor layer by the etching method according to claim 1. 請求項23に記載の製造方法により形成された半導体装置。   A semiconductor device formed by the manufacturing method according to claim 23.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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