JP3736319B2

JP3736319B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3736319B2
Application number: JP2000273027A
Authority: JP
Inventors: 和浩執行; 善平川津
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: JP2002083796A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐｎ接合を設けた基板本体をウエットエッチングする半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、シリコン（Ｓｉ）により形成される大規模集積回路（ＵＬＳＩ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の化合物半導体により形成されるレーザーダイオード（ＬＤ）、静電効果型トランジスタ（ＦＥＴ）は伝導型の異なるｐ型とｎ型との半導体膜が積層された構造を有し、半導体装置を形成する上で、これらの半導体膜を部分的にエッチングし、微細構造を形成する必要がある。
Ｓｉを用いた半導体装置の場合、加工は主にドライエッチング法が用いられるが、加工ダメージや表面の汚染性が問題となる。特にＬＤのようにエッチング後、表面に単結晶膜を再成長させる場合においては、再成長界面の結晶の乱れが少なく、デバイスの高信頼性が期待できるウエットエッチングが適用される場合が多い。
【０００３】
特開平６―４５３４６号公報には、ヘテロ接合を有する化合物半導体上にマスクパターンを形成して、ウエットエッチング法によりエミッタメサを形成する際に、上記半導体のエミッタ層となる層のバンドギャップエネルギよりも大きなエネルギを有する光を、全面に照射しながらウエットエッチングを行う方法が記載されている。
しかしながら、ヘテロ接合におけるｎ層側でエッチングの停止を制御することは困難であった。
【０００４】
伝導型や組成の異なる半導体膜の界面でエッチングの停止を制御することはデバイスの設計性能を発揮するとともに、デバイス品質のバラツキを抑え、信頼性を向上させる上で重要である。
【０００５】
特開平６―１９６８０１号公報には、ウエットエッチングにおいて、伝導型や組成の異なる半導体膜界面でエッチングを停止させる方法として、エッチング速度の小さいエッチングストップ層｛ＥｔｃｈｉｎｇＳｔｏｐＬａｙｅｒ（ＥＳＬ）｝を形成する方法が記載されている。
【０００６】
図６は上記従来のエッチングストップ層を設け、ウエットエッチングにより得られた、電流ストライプ構造を有する半導体レーザ装置の断面図である。図中、５２はｎ型のＧａＡｓ基板、５３はｎ型のＧａＡｓバッファ層、５４はｎ型のＧａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ、５５はＧａ_0.85Ａｌ_0.15Ａｓ活性層、５６はｐ型のＧａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓクラッド層、５７はｐ型のＧａ_0.8Ａｌ_0.2ＡｓからなるＥＳＬ、５８はｎ型のＧａ_0.4Ａｌ_0.6Ａｓ電流ブロック層、５８ａはストライプの窓である。
即ち、ストライプ状の窓５８ａを形成するためにｎ型Ｇａ_0.65Ａｌ_0.35Ａｓ電流ブロック層５８をウエットエッチングするが、エッチングがｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓクラッド層５６に及ばないようにｐ型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2ＡｓのＥＳＬ５７を形成してある。これはエッチング液として用いたリン酸―フッ酸混合溶液がＡｌ組成が０．４以下のｐ型ＧａＡｌＡｓでエッチング速度が急激に低下する性質を利用している。
また、エッチング時間を厳密に制御する方法もとられてきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＥＳＬの挿入によるエッチングの停止は、ＥＳＬの厚みが１０ｎｍ程度と薄いことと、ＥＳＬ中のＡｌの組成比および伝導型を制御することが困難なこととのため、ＥＳＬでエッチングを再現性良く停止することが困難であるという課題があった。
また、エッチング時間を厳密に制御する方法も、エッチング時の微妙な温度変化等のプロセス条件のバラツキによりエッチング速度が変化し、目的部分でエッチングが停止しないという課題があった。
【０００８】
本発明はかかる課題を解消するためになされたもので、ｐｎ接合のｎ層側で自動的にウエットエッチングを停止できる半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、基板本体上にｐ層とｎ層をこの順に設けたｐｎ接合を有する半導体基板の上記ｎ層に、このｎ層のバンドギャップエネルギより大きなエネルギを有する光を、５０μＷ／ｃｍ ² 〜１００ｍＷ／ｃｍ ² の光強度で照射しながら、酸系のエッチング液中で上記ｎ層をウエットエッチングする方法である。
【００１０】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、上記第１の半導体装置の製造方法において、ｐｎ接合のｎ層側でエッチングを停止させ、残存厚さを制御する方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
エッチング液における半導体の溶解反応は、下式（１）におけるシリコンの例で示すように正孔が関与する。
Ｓｉ（ｂｕｌｋ）＋４ｈ⁺→Ｓｉ⁴⁺（ｓｏｌ．）・・（１）
｛式中、Ｓｉ（ｂｕｌｋ）は固体状態でのＳｉ、ｈ⁺は正孔、Ｓｉ⁴⁺（ｓｏｌ．）はエッチング液中に溶け出したイオン状態のＳｉを示す。｝
上式に示すように、半導体とエッチング液の界面の正孔濃度が半導体の溶解速度を決定することを考慮すると、ｎ型半導体の電気伝導は伝導帯の電子が担っており、正孔濃度は通常低いため、そのままではエッチングが進行しないが、上記半導体のバンドギャップエネルギよりも大きい光子エネルギの光を照射する場合、ｎ型半導体内部で電子が励起されることで正孔が形成され、エッチングが進行する。
【００１５】
図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態において、上記バンドギャップエネルギより大きいエネルギを有する光を照射した際の、ｐｎ接合界面近傍のｎ層でウエットエッチングが停止する機構を、エッチング液に接した半導体基板のバンドモデルを用いて説明する説明図であり、図中、Ｅｃは伝導帯端、Ｅｆはフェルミ準位、Ｅｖは価電子帯端、ｈνは照射光のエネルギ、矢印付き点線は電子または正孔の移動方向で、（ａ）はエッチング初期、（ｂ）はエッチング停止期の状態を示す。
【００１６】
即ち、ｐ層上にｎ層が形成された半導体基板のｎ層をエッチングする場合、ｎ層のバンドギャップエネルギよりもエネルギが大きい光を照射した際、初期段階では電子がｎ層の電子伝導帯に蓄積するとともに、価電子帯に正孔が生成し、ｎ層のエッチングが進行してｎ層幅が減少する。
しかし、ｐｎ接合近傍においては図に示すように、ｐ層がエネルギ障壁となるので、ｎ層の電子伝導帯に蓄積した電子は界面側に溢れ、この電子が価電子帯の正孔と再結合する。そのため半導体とエッチング液の界面の正孔濃度が減少し、ｐｎ接合近くでエッチング速度が減少またはエッチングが停止する。
【００１７】
しかし、ヘテロ接合であっても、ｐｎ接合ではない場合のｎ層のエッチングは、図に示すようなｐ層によるエネルギ障壁が得られないので、上記効果は得られない。
【００１８】
実施の形態２．
図２は本発明の第２の実施の形態で用いる半導体基板の断面図であり、図中、２１はｎ型ＧａＡｓ（１００）基板本体、２２はｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ膜（ｐ層）、２３はｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ_0.65Ａｓ膜（ｎ層）である。
即ち、ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板本体２１上にｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ膜２２（膜厚２００ｎｍ）、ｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ_0.65Ａｓ膜２３（膜厚６００ｎｍ）を有機金属気相析出法（ＭＯ―ＣＶＤ）により積層した。
エッチング液としては酒石酸：過酸化水素＝２０：１の混合溶液を用いた。この溶液はＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体のエッチング液として一般的に使用されており、結晶面に対する選択エッチング性を有する。
なお、ｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ_0.65Ａｓ、ｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓのバンドギャップエネルギはともに約２．０ｅＶであり、これは６２０ｎｍの波長の光が有するエネルギに相当する。
【００１９】
上記のように積層することによりｐｎ接合を設けた半導体基板を、上記エッチング液に浸漬し、上記バンドギャップエネルギより大きいエネルギを有する光（波長５００〜６２０ｎｍの成分を含有）を異なる強度で照射することにより本実施の形態による半導体装置を製造する。
図３はエッチング時間による、上記半導体基板のｎ層表面からのエッチング深さ（ｐｎ接合からのｎ層厚）の変化を示す特性図であり、厚さを示す縦軸の横に相当するｐ、ｎ層を模式的に示す。図中、３１は光強度が２５μＷ／ｃｍ²、３２は光強度が２５０μＷ／ｃｍ²、３３は光強度が５００μＷ／ｃｍ²、３４は光強度が５０ｍＷ／ｃｍ²、３５は光強度が１Ｗ／ｃｍ²の各光照射におけるエッチング曲線である。
【００２０】
図３から明らかなように、ｐｎ接合を有する半導体基板のｎ層のエッチング速度は、光強度にはよらずｐｎ接合近傍で低下する。しかし、光照射強度が２５μＷ／ｃｍ²および１Ｗ／ｃｍ²では、一般的なエッチング時間（例えば１００〜５００秒）内で、ｎ層側で停止するのが困難となり、ｐ層まで進む可能性が多くなる。
また、エッチング曲線３２、３３、３４に示されるように、光強度が２５０μＷ／ｃｍ²、５００μＷ／ｃｍ²および５０ｍＷ／ｃｍ²の場合、上記エッチング時間内で、それぞれｐｎ接合からｎ層側へ５０ｎｍ、８０ｎｍ、２０ｎｍでエッチングが自動的に停止する。
以上のように、照射光の強度を制御することにより、ｐｎ接合のｎ層側で自動的にエッチングを停止させることができる。
【００２１】
図４は、上記図３におけるエッチング時間が３５０秒における、光照射強度（光照射強度の対数）によるｐｎ接合からのｎ層の残り厚さ変化を示す特性図である。図から、エッチングがｎ層側で自動的に停止するためには、光強度は５０μＷ／ｃｍ²〜１００ｍＷ／ｃｍ²が好ましい。
つまり、光照射強度が５０μＷ／ｃｍ²未満等、光強度が弱い場合、励起された電子のｎ層価電子帯への蓄積度が小さいために、半導体とエッチング液の界面へ移動して溶解反応に関与する正孔を再結合により消費する効果が少ない。そのため、ｐｎ接合近傍でエッチング速度は減少するが、エッチングはｎ層で停止するのが困難となる。
１００ｍＷ／ｃｍ²を越えて、光強度が高い場合には励起電子との再結合により半導体とエッチング液の界面へ移動して溶解反応に関与する正孔の数は減少する。しかし、それ以上に光照射により生成する正孔の数が多いため、正孔は半導体と上記液の界面に到達して溶解反応を起こすため、エッチングはｐｎ接合で停止するのが困難となる。
【００２２】
以上の結果から、バンドギャップエネルギ以上の光を、ｐｎ接合を有する半導体基板に照射することにより、ｐｎ接合近傍でのｎ層の残り厚さを制御することができる。その結果、ＥＳＬを形成することなしにエッチングを目的の領域で停止することが可能となった。
また、５０μＷ／ｃｍ²〜１００ｍＷ／ｃｍ²の範囲で光強度を調整することで、光照射による電子の伝導帯への励起と、価電子帯の正孔との再結合が平衡すると考えられ、自動的にｎ層側でエッチングを停止することができる。
【００２３】
実施の形態３．
エッチング液として硫酸またはクエン酸を用いても、また、反応を促進するために、過酸化水素をエッチング液に添加しても上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
エッチング液としてフッ酸と単体では、ＧａＡｌＡｓをエッチングしない酸との混合溶液を用いても上記実施の形態と同様の効果が得られる。即ち、リン酸とフッ酸、塩酸とフッ酸、硫酸とフッ酸、酒石酸とフッ酸、酢酸とフッ酸、蟻酸とフッ酸の組み合わせでも良い。ただし、この場合のフッ酸濃度は５％〜８０％とする必要がある。これはフッ酸濃度が低過ぎるとｎ層がエッチングされず、高過ぎるとエッチングレートが早過ぎて光照射によるエッチング速度の制御が困難になるためである。
【００２４】
酸同士の混合エッチング液に反応を促進するために過酸化水素を加えても良い。また、エッチングレートを低減させるために水または水酸化ナトリウム、フッ化アンモニウムで希釈しても良い。
【００２５】
実施の形態４．
ウエットエッチングする材料としてはＧａＡｌＡｓに限らず、ｐ層上にｎ層が形成された積層構造を有する半導体基板であれば良い。即ち、インジウム燐（ＩｎＰ）、インジウムガリウム燐（ＩｎＧａＰ）、ガリウムアルミ燐（ＧａＡｌＰ）、Ｓｉ、アルミガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）でも上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
また、ウエットエッチングする半導体基板の作製方法については本実施の形態１で示したＭＯ−ＣＶＤによる作製方法以外に、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）、チョクラルスキー法（ＣＺ）でも良い。
【００２７】
実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態１〜４に用いる半導体装置の製造装置の構成図である。図中、４１は半導体基板、４２はサンプルホルダ、４３はサンプルホルダ移動アーム、４４はフィルタ付光源、４５は光ファイバー、４６は面発光光源、４７はパターン付光学フィルタ、４８はレンズ、４９は温度コントローラ付ポンプ、５０はエッチング槽、５１はエッチング槽フタである。
【００２８】
半導体基板４１をサンプルホルダ４２に載せ、サンプルホルダ移動アーム４３によって自動的に面発光光源４６から一定の距離に搬送、保持される。エッチング槽５０内は酒石酸：過酸化水素＝２０：１の混合溶液からなるエッチング液で満たされており、温度コントローラ付ポンプ４９でエッチング液を攪拌することで半導体基板４１表面のエッチング反応の均一性を保つとともに、表面に付着する反応生成物を除去する。エッチング槽５０はエッチング槽フタ５１によって外部と遮断され、外部からの光の侵入によるエッチングのバラツキを防止する。
【００２９】
光源４４から出た光は１２００ｎｍ以上の波長成分を、光学フィルタによってカットされ、光ファイバー４５を通って面発光光源４６から放出される。なお、光源にはハロゲンランプを使用し、１２００ｎｍ以上の赤外線領域の波長成分をカットすることでエッチング液の温度上昇を防ぐことができる。なお、温度コントローラ付ポンプ４９の使用によってエッチング液の温度は２０℃に保持されている。面発光光源から出た光はパターン付光学フィルタ４７を通ることで特定の波長を有するパターン光となり、レンズ４８を通ることで半導体基板４１にパターンを結ぶ。光路は２つに分かれており、別々のパターン、波長の光を同時に半導体基板４１に照射することが可能である。
【００３０】
実施の形態６．
実施の形態５の装置を使用して、図２に示す半導体基板に、パターン化された波長５００ｎｍ〜１２００ｎｍの光を、光強度５００μＷ／ｃｍ²で照射する。光照射部分でｎ層がｐｎ接合から５０ｎｍ残存した状態でエッチングが停止した。
【００３１】
以上のことから、照射する光の強度、波長を制御することで、ｎ層のエッチング後の残存厚さを制御でき、マスクなしで容易にパターンエッチングが可能なことが示された。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の第１の半導体装置の製造方法は、基板本体上にｐ層とｎ層とをこの順に設けたｐｎ接合を有する半導体基板の上記ｎ層に、このｎ層のバンドギャップエネルギより大きなエネルギを有する光を、５０μＷ／ｃｍ ² 〜１００ｍＷ／ｃｍ ² の光強度で照射しながら、酸系のエッチング液中で上記ｎ層をウエットエッチングする方法で、ｐｎ接合のｎ層側でのエッチングを自動的に停止できるという効果がある。
【００３３】
本発明の第２の半導体装置の製造方法は、上記第１の半導体装置の製造方法において、ｐｎ接合のｎ層側でエッチングを停止させ、残存厚さを制御する方法でｐｎ接合のｎ層側でのエッチングの停止が容易であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態において、ウエットエッチングが停止する機構を説明する説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態で用いる半導体基板の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における半導体基板のｎ層表面からのエッチング深さのエッチング時間による変化を示す特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における光照射強度によるｐｎ接合からのｎ層の残り厚さ変化を示す特性図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態における半導体装置の製造装置の構成図である。
【図６】従来の半導体レーザ装置のウエットエッチングプロセス後の断面図である。
【符号の説明】
Ｅｃ伝導帯端、Ｅｆフェルミ準位、Ｅｖ価電子帯端、ｈν 照射光のエネルギ、２１ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板本体、２２ｐ型Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ膜、２３ｎ型Ｇａ_0.35Ａｌ_0.65Ａｓ膜、３１光強度が２５μＷ／ｃｍ²、３２光強度が２５０μＷ／ｃｍ²、３３光強度が５００μＷ／ｃｍ²、３４光強度が５０ｍＷ／ｃｍ²、３５１Ｗ／ｃｍ²、４１半導体基板、４４フィルタ付光源、４６面発光光源、４７パターン付光学フィルタ、５０エッチング槽。

Claims

基板本体上にｐ層とｎ層とをこの順に設けたｐｎ接合を有する半導体基板の上記ｎ層に、このｎ層のバンドギャップエネルギより大きなエネルギを有する光を、５０μＷ／ｃｍ ² 〜１００ｍＷ／ｃｍ ² の光強度で照射しながら、酸系のエッチング液中で上記ｎ層をウエットエッチングする半導体装置の製造方法。
ｐｎ接合のｎ層側でエッチングを停止させ、残存厚さを制御することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。