JP5612347B2 - 化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

赤外線センサなどに代表される化合物半導体素子、および、その製造方法に関する。

化合物半導体は元素の組み合わせにより様々な半導体を作り出すことができ、その応用は光デバイス、高速電子デバイス等幅広い。例えば、受光素子と発光素子を含む光デバイスでは、用いる化合物半導体のエネルギーバンドギャップにより光の感度波長領域が決まる。

赤外線センサは０．８μｍ以上の長波長の光を検出するセンサであり、大きく分けると２つの種類に分類することができる。１つは、熱型と呼ばれ、対象物の熱エネルギーによってセンサ自身の温度が変化することによる特性変化を検出するものであり、焦電センサやサーモパイル等がある。

一方、対象物が放出する赤外線の光エネルギーを検出するものが量子型と呼ばれ、ｐｉｎ構造を持つフォトダイオード等が例として挙げられる。量子型の赤外線センサの中には化合物半導体を用いた素子もあり、高速応答、静態検知が可能という優れた性質を持つ。この素子は、非冷却時には熱励起キャリアの影響で所望の性能が得られないということが欠点となり、一般的な市場においては、常温下で用いることができる熱型のセンサが広く用いられていた。

しかし、近年、室温で動作することが可能な量子型赤外線センサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。この赤外線センサはｐｉｎ構造を持つフォトダイオードであり、ｉ層とｐ層との間に禁制帯幅の広い半導体層を挿入することにより、伝導帯にある電子がｐ型半導体層に拡散することを防ぐ構造としている。これにより、量子型の赤外線センサでも室温で動作することが可能となった。

図６は、従来の一般的なｐｉｎ構造を持つフォトダイオード１０の構成例を示す。

フォトダイオード１０は、半導体基板１上に形成された、ｎ型半導体層２と、ｉ型半導体光吸収層３と、ｐ型半導体層４とにより構成される。赤外線センサの場合、メサの形成後は各フォトダイオード１０を分離するためのエッチングを行い、素子全体の絶縁保護膜５を形成し、電極用のコンタクトホールを形成した後に電極配線６を形成することによって、フォトダイオード１０が完成する。

国際公開第０５／０２７２２８号パンフレット 特開２００８−０６６５８４号公報

化学反応を用いたエッチングを用いる場合、マスクパターンを形成する方向によってエッチング後の形状が異なる。これは、マスクパターンの辺の配置する方向によってそれぞれのサイドエッチング方向のエッチング速度が異なるためである。

特に、マスクパターンの面積サイズが５００μｍ²以下で、サイドエッチング方向のエッチング速度が深さ方向のエッチング速度に比べて同等以上となるとき、その差が顕著になる。ウェットエッチング法でメサ形成を行う場合も、設計したマスクパターンと相似形のパターンをエッチング後に得ることは難しい。

縦型半導体素子の場合は、ウェットエッチングで形成したメサを跨いで電極を配線する。このとき、メサの角度θ（ウェットエッチングにて形成したメサの上面と底面とがなす角度をメサ角度θとする）が垂直に近い状態では電極の被覆性が不十分となる可能性があり、信頼性の低下に繋がるという問題がある。

面方位を考慮せずにメサパターンを形成すると、エッチング液によっては一方向のメサ角度θが垂直に近くなることがあり、電極を配線する方向が限定されてしまうという問題がある。

なお、赤外線センサを例に挙げて述べてきたが、その他の縦型の化合物半導体素子についても同様の問題がある。

そこで、本発明の目的は、マスクパターン形状から大きく乖離しないメサ部のメサパターン形状を得ることを目的とする。

本発明は、ＰＩＮ構造のメサ部を有する化合物半導体素子の製造方法であって、（１００）面の半導体基板上に、ＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜を形成する第１の工程と、複数の辺を有する多角形のマスクパターンを、前記化合物半導体薄膜上に配置する第２の工程であって、前記マスクパターンは、前記化合物半導体薄膜に対するサイドエッチング方向のエッチング速度が等価となる所定の結晶軸方向と平行になる辺の和が最大長となる複数の辺を含み、前記所定の結晶軸方向は、前記化合物半導体薄膜に対し＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向であり、前記マスクパターンは、面積が５００μｍ ² 以下である、第２の工程と、前記所定の結晶軸方向に平行な方向に、前記マスクパターンの最大長となる複数の辺を配置させた状態において、該マスクパターンの下方に位置する前記化合物半導体薄膜に対して、ウェットエッチング法によりエッチングを行うことによって、前記マスクパターンの多角形の形状に対応した多角形を構成する上面と下面とを有するメサパターンからなるメサ部を形成する第３の工程であって、前記＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向に平行な方向に配置された前記マスクパターンの辺の下方に位置する前記化合物半導体薄膜に対するエッチング速度が等価なサイドエッチングのエッチング量と、前記化合物半導体薄膜に対する深さ方向のエッチング量とが制御され、前記メサ部の前記上面と前記下面との間の距離が２μｍ以上である、第３の工程とを備えたことを特徴とする。

前記多角形を構成する上面の第１の辺と該辺に対向する前記多角形を構成する下面の第１の辺とを結ぶ第１の斜面と基板面とのなす第１の角度が、当該第１の辺以外の上面の第２の辺と該辺に対向する下面の第２の辺とを結ぶ第２の斜面と基板面とのなす第２の角度と等しく設定されたことを特徴とする。

前記メサ部は、前記多角形を構成する前記上面の辺の数と、前記多角形を構成する前記下面の辺の数とが等しく設定されていることを特徴とする。

前記メサ部は、前記多角形を構成する前記上面の角の数と、前記多角形を構成する前記下面の角の数とが等しく設定されていることを特徴とする。

前記多角形は、四角形、五角形、六角形、七角形、又は八角形のいずれかであることを特徴とする。

前記化合物半導体薄膜は、エピタキシャル薄膜であることを特徴とする。

前記ＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜は、ＩｎＳｂをベースとしたＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ＜１）、Ｉｎ_1-yＧａ_yＳｂ（０≦ｙ＜１）、Ｉｎ_1-zＡｌ_zＳｂ（０≦ｚ＜１）であることを特徴とする。

前記ＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜は、積層構造となっていることを特徴とする。

前記ＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜は、ｐｎ接合をベースとしたダイオードであることを特徴とする。

本発明によれば、所定の結晶軸方向に平行な方向に、マスクパターンの最大長とする複数の辺を配置させた状態において、該マスクパターンの下方に位置する化合物半導体薄膜に対して、ウェットエッチング法によりエッチングを行うことによって、マスクパターンの多角形の形状に対応した多角形を構成する上面と下面とを有するメサパターンからなるメサ部を形成するようにしたので、マスクパターン形状から大きく乖離しないメサパターン形状を容易に作製することできる。

これにより、例えば、マスクパターンの最大長となる４つの辺を、サイドエッチング方向のエッチングの速度が速くかつ等価な＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行に配置することにより、マスクパターン形状から大きく乖離しないメサ形状を持つ化合物半導体素子を作製することができる。その結果、所望のメサ部のメサパターン形状を容易に得ることができると共に、化合物半導体素子の生産性や出力特性の安定性、信頼性を一段と向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態である、化合物半導体素子のメサ部の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態である、化合物半導体素子の製造方法を示す工程図である。 メサ部の段差形状を示す断面図である。 本発明の一実施形態によるマスクパターンの辺の配置図である。 マスクパターンの辺の配置方向に対する、サイドエッチング方向のエッチング速度の変化を規格化して示す説明図である。 従来のフォトダイオードのｐｉｎ構造を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

〔第１の例〕
本発明の第１の実施の形態を、図１に基づいて説明する。

本例では、メサ部５０を有する化合物半導体素子１００の構成について説明する。

＜概略構成＞
図１は、メサ部５０を有する化合物半導体素子１００の構成例を示す。

化合物半導体素子１００のメサ部５０は、半導体基板３０上に化合物半導体薄膜が積層された化合物半導体薄膜層４０として構成される。

メサ部５０は、化合物半導体薄膜の上方側に位置する多角形を構成する複数の辺（上面辺）を有する上面５１と、該上面５１に対向する前記半導体基板３０に近い下方側に位置する多角形を構成する複数の辺（下面辺）を有する下面５２と、上面５１と下面５２とを各辺毎に結んで形成される斜面５３とを有している。

メサ部５０において、化合物半導体薄膜に対するサイドエッチング方向のエッチング速度が等価となる複数の所定の結晶軸方向に対して、該メサ部５０の上面５１が、該所定の結晶軸方向に平行となる上面辺の、辺長さの和が最大長となる多角形に形成されている。

エッチング速度が等価となる複数の所定の結晶軸方向とは、速度の差が１．０％以内（速度の速い方向を基準）の範囲にあるものを、等価とみなす。

多角形を構成する上面５１の一辺（第１の辺）と該辺に対向する前記多角形を構成する下面５２の一辺（第１の辺）とを結ぶ斜面５３（第１の斜面）と基板面とのなすメサ角度（第１の角度）θは、当該第１の辺以外の上面５１の他の一辺（第２の辺）と該辺に対向する下面５２の他の一辺（第２の辺）とを結ぶ斜面５３（第２の斜面）と基板面とのなすメサ角度（第２の角度）θと等しく設定されている。

メサ部５０において、多角形を構成する上面５１の角の数と、多角形を構成する下面５２の角の数とが等しく設定されている。

メサ部５０において、多角形を構成する上面５１の辺の数と、多角形を構成する下面５２の辺の数とは等しく設定されている。

＜具体的構成＞
以下、化合物半導体素子１００の具体的な構成例について説明する。

図１は、化合物半導体素子１００として、ｐｉｎ構造を持つフォトダイオードの構成例である。

本例においては、化合物半導体薄膜層４０として、ｐ型半導体層とｉ型半導体光吸収層との間にバリア層を設けた化合物半導体の積層構造とする。具体的には、化合物半導体薄膜層４０は、ＩｎＳｂをベースとしたｎ⁺−ＩｎＳｂ層４１と、ｉ−ＩｎＳｂ光吸収層４２と、ｐ−ＡｌＩｎＳｂバリア層４３と、ｐ⁺−ＩｎＳｂ層４４とを順に、半導体基板３０上に成膜して形成される。

化合物半導体素子１００のメサ部５０は、サイドエッチング方向のエッチング速度が等価となる所定の結晶軸方向に平行となる辺を含む辺で構成される多角形を形成する。なお、サイドエッチング方向のエッチング速度が等価でかつ速いとより好ましい。また、本実施例の（１００）面の半導体基板３０上のＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜層４０においては、＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行になる辺を含む辺で構成される多角形とするのが良い。更に好ましくは、＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行になる４辺を最大長とする多角形とするのが良い。更に、＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行になる４辺以外の辺においては、サイドエッチング方向のエッチング速度が速い方が更に好ましい。

メサ部５０の多角形としては、四角形、五角形、六角形、七角形、又は八角形としてもよい。

半導体基板３０上に、例えばＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて化合物半導体薄膜層４０を形成する。化合物半導体薄膜層４０の形成方法は、ＭＢＥ法以外にも、真空蒸着法、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌoｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いることができるが、組成、膜厚の制御性が優れているＭＢＥ法がより好ましい。

また、本例では、半導体基板３０は、ＧａＡｓ基板を用いているが、絶縁性であればそれ以外の限定は特にない。ただし、赤外線センサとして用いる場合は、赤外線を透過する材料が好ましく、ＧａＡｓ基板以外に例えばＳｉ基板，ＩｎＰ基板，ＧａＰ基板等も半導体基板３０として用いることができる。

赤外線センサに用いる化合物半導体薄膜層４０は、赤外線の領域に波長感度を持つもの、つまりはエネルギーバンドギャップの小さい材料であれば特に制限はない。

ＩｎＳｂ系の化合物半導体は、ＩｎＳｂはもちろんのことＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ＜１）、Ｉｎ_1-yＧａ_yＳｂ（０≦ｙ＜１）、Ｉｎ_1-zＡｌ_zＳｂ（０≦ｚ＜１）のような３元系、ＡｌＧａＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂのような４元系、ＡｌＧａＩｎＡｓＳｂのような５元系としてもよい。

用いる化合物半導体薄膜の組成は、赤外線センサの用途に応じて適宜選択するのがよい。例えば赤外線センサを人体検知の用途に応用する場合は、長波長側に感度波長があるＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ＜１）を化合物半導体層として用いることが好ましい。

さらに好ましくは、人体が放出する波長１０μｍ付近に感度波長を持つＩｎＡｓ_0.4Ｓｂ_0.6を用いることがよい。また、ＣＯ₂、ＣＯ、ＮＯ、ＣＨ等のガスセンサに応用する場合は、短波長化するためにＧａやＡｌを混晶したＩｎ_1-yＧａ_yＳｂ（０≦ｙ＜１）、Ｉｎ_1-zＡｌ_zＳｂ（０≦ｚ＜１）を化合物半導体層として用いることが好ましい。より好ましくは、４μｍ付近に感度波長を持つＩｎ_0.8Ｇａ_0.2Ｓｂ、Ｉｎ_0.97Ａｌ_0.03Ｓｂがよい。

赤外線センサの化合物半導体薄膜層４０の構造は、ｐ型半導体とｎ型半導体を接合したｐｎ接合をベースにしたｐ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂの２層構造、ｐ−ＩｎＳｂ／ｉ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂの３層構造、ｐ−ＩｎＳｂ／ｐ−ＩｎＡｌＳｂ／ｉ−ＩｎＳｂ／ｎ−ＩｎＳｂの４層構造としてもよく、また上記の材料を用いた積層構造としてもよい。

〔第２の例〕
次に、本発明の第２の実施の形態を、図２〜図５に基づいて説明する。なお、前述した第１の例と同一部分については、その説明を省略し、同一符号を付す。

＜製造工程＞
メサ部５０を有する化合物半導体素子１００の製造方法の具体例について説明する。

図２は、図３のフォトダイオードを形成する工程の内、メサ形成の工程の一例を示す図である。

図２（ａ）において、半導体基板３０上に形成された化合物半導体薄膜層４０を示す。なお、ここでは、半導体基板３０として、（１００）面のＧａＡｓ半導体基板を用いる。化合物半導体薄膜層４０は、ＩｎＳｂ薄膜の積層膜として構成している。

図２（ｂ）（ｃ）において、図２（ａ）の状態で有機溶媒によるウェハの洗浄工程を経てから、マスクパターンの形成を行う。

図２（ｂ）において、フォトレジスト６０を形成する。本例では、有機物で構成されるフォトレジストを用い、基板全面に塗布した後、プリベークを行う。

図２（ｃ）において、マスクパターン７０のパターニングを露光工程により行う。

この露光のとき、サイドエッチング方向のエッチング速度が等価となる辺の和が最大長になるように多角形のマスクパターン７０のパターンを転写する。本実施例のＩｎＳｂ薄膜では、多角形のマスクパターン７０の辺８０の内、＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行になるような辺の和が最大長になるようにパターンを転写するのが好ましく、更に好ましくは和が最大長となる４つの辺を＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行になるようにパターンを転写するのが良い。

ここで、パターンの転写には、あらかじめサイドエッチング方向のエッチング速度が等価となる辺の和が最大長になるような多角形のパターンが描写されたフォトマスク、あるいはレチクルを用いる。本例では、＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行に辺の和が最大長となる多角形のパターンが描写されたフォトマスク、あるいはレチクルを用いる。

又は、多角形のパターンが描写されたフォトマスク、あるいはレチクルを用いて、サイドエッチング方向のエッチング速度が等価となる辺の和が最大長になるように、基板もしくはフォトマスク、またはレチクルを回転させ、パターンの露光を行う。本例では、＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行になる辺の和が最大長となるように、基板もしくはフォトマスク、またはレチクルを回転させ、パターンの露光を行う。

露光装置に特に制限はなく、フォトレジストの光照射部が十分光反応すればよい。その後、本例では、現像処理を行うことでマスクパターン７０を形成する。現像処理にも特に制限はなく、用いるフォトレジストが十分現像される溶液で十分な時間現像を行えばよい。

なお、形成されたマスクパターン７０のサイズは５００μｍ²以下であると、本発明の効果がより顕著に確認できる。

図２（ｄ）において、メサ部５０の作製を行う。

本例においては、例えば塩酸／過酸化水素系のエッチング液を用い、エッチャント中に基板全体を浸水させ、所望の深さになるまでウェットエッチングを行う。

このウェットエッチングのとき、本例のＩｎＳｂ薄膜においては＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行な和が最大長となる辺において、サイドエッチング方向のエッチング速度が速く、等価であるためマスクパターンからの乖離を少なくできる。

図２（ｅ）において、マスクパターン７０を除去する。

ここで、上述した化合物半導体素子１００の製造方法の特徴について概略説明する。

複数の辺を有する多角形のマスクパターン７０を、半導体基板３０に形成された化合物半導体薄膜４１〜４４上に配置する場合において、化合物半導体薄膜４１〜４４に対するサイドエッチング方向のエッチング速度が等価となる所定の結晶軸方向に平行な方向に、マスクパターン７０の最大長とする複数の辺８０を配置する。

そして、所定の結晶軸方向に平行な方向に、マスクパターン７０の最大長とする複数の辺８０を配置させた状態において、該マスクパターン７０の下方に位置する化合物半導体薄膜４１〜４４に対して、ウェットエッチング法によりエッチング速度が等価なサイドエッチングを行うことによって、マスクパターン７０の多角形の形状に対応した多角形を構成する上面５１と下面５２とを有するメサパターンからなるメサ部５０を形成する。

＜エッチング法＞
ここで、エッチング法について説明する。

上記の化合物半導体素子１００の製造プロセスでは、メサ部５０の形成が最初の工程で行われる。このメサ部５０は、化合物半導体薄膜層４０上に非エッチング領域を保護する所望のマスクパターン７０を形成後、エッチングすることで形成する。このとき、エッチングはｎ⁺−ＩｎＳｂ層４１の途中まで行う。ここで、マスクパターン７０とは、メサ部５０を形成するエッチングの工程において除去されないものが好ましく、本発明においてはフォトレジスト６０を用いる。

メサ部５０の形成にはエッチングを用いているが、エッチング法にはウェットエッチングとドライエッチングとがある。

一般的に、ドライエッチングは微細パターンの形成に適しているとされているが、形成されるメサ角度θが大きく、特にメサ部５０の段差（後述する図３に示すメサ部５０の上面５１から下面５２までの距離ｈ、本例ではｈ＝２μｍ以上）が大きい素子で、電極がメサ部５０を跨いで配線される場合に、メサ角度θが垂直に近い状態では断線の可能性が高くなる。また、ドライエッチングでは物理的ダメージが大きく、特にメサ部５０の側面のダメージは素子の特性を大幅に低下させることが懸念される。一方、ウェットエッチングでは、その条件によってメサ角度θを調整でき、また形成されるメサ部５０へのダメージはほとんどない。よって、メサ部５０の形成にはウェットエッチングがより好ましい。

ウェットエッチング法で用いるエッチング液は、化合物半導体薄膜を溶解する物質であれば特に制限はない。具体的には、酸と酸化剤を混合したエッチング液が多く用いられる。例えば酸としては塩酸、燐酸、クエン酸、フッ酸、硝酸などが挙げられ、また酸化剤としては過酸化水素、塩化第二鉄、塩化第二銅などが挙げられる。エッチング液として用いる際、これらの酸と酸化剤をおのおの１種類以上ずつ混合することができる。また、反応を促進させたり抑制したりする触媒が更に添加されることもある。酸と酸化剤を混合したエッチング液は制御が容易なため好ましく、さらに好ましくは酸／過酸化水素系である。

化合物半導体薄膜が、ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ＜１）、Ｉｎ_1-yＧａ_yＳｂ（０≦ｙ＜１）、Ｉｎ_1-zＡｌ_zＳｂ（０≦ｚ＜１）の場合、特に塩酸／過酸化水素、燐酸／過酸化水素、クエン酸／過酸化水素が好ましく用いられる。なお、このような２種類以上の材料を混合して用いる場合、濃度は目的とするエッチング速度や所望のメサの形状に応じて適宜選択できる。

＜エッチング速度＞
ここで、サイドエッチング方向（Ｘ方向）のエッチング速度と、例えば塩酸／過酸化水素をエッチング液として用いた場合の濃度との関係を、図３を用いて説明する。

サイドエッチング方向のエッチング速度とは、図３において、マスクパターン７０のパターンエッジからウェハ表面である半導体基板３０と平行方向（Ｘ方向）に進んだメサ部５０までの距離ｄを、エッチング時間で割ったものを示す。なお、以下の関係は深さ方向のエッチング量を固定した場合とする。

例えば、酸の濃度が一定の時は酸化剤の濃度を高くすると、距離ｄは小さくなるため、サイドエッチング方向のエッチング速度が低下する、酸化剤の濃度を低くすると距離ｄは大きくなるためサイドエッチング方向のエッチング速度が上昇する。一方、酸化剤の濃度が一定の時は酸の濃度を高くすると距離ｄは大きくなるためサイドエッチング方向のエッチング速度が上昇し、酸の濃度を低くすると距離ｄが小さくなるためサイドエッチング方向のエッチング速度が低下する。

さらに、エッチャントの温度を調整することによっても、サイドエッチング方向のエッチング速度は調整することが可能である。例えば、エッチャントの濃度が一定のとき、高温のエッチャントであるほど距離ｄは大きくなるため、サイドエッチング方向のエッチング速度が上昇する。また、エッチャントの濃度が一定のとき、低温のエッチャントであるほど距離ｄは小さくなるため、サイドエッチング方向のエッチング速度が低下する。

メサ部５０を形成する工程を経た後、素子を分離するためのエッチングを行う。その後、素子全体の保護と電極配線を行うため絶縁性保護膜５を形成し、コンタクトホールの形成を行い、電極配線６の形成を行う。

＜メサ角度＞
ここで、メサ角度θについて説明する。

メサ角度θとは、図３に示すように、ウェットエッチングにて形成したメサ部５０の上面５１と底面５２とがなす角度をいう。

フォトダイオードを赤外線センサとして用いる場合、素子が光を吸収したことにより生じる電流またはそれにより生じる電位差を信号として取り出すことができる。例えば、出力電圧Ｖを信号として用いる場合、その値は光電流Ｉと素子抵抗Ｒとの積により決まる（Ｖ＝Ｉ＊Ｒ）。また、素子抵抗Ｒは、ｉ型半導体光吸収層４２を含むメサ部５０を縦型の抵抗体とみなすことで、ｉ型半導体光吸収層４２の中心の面積Ｓに反比例することが計算上求められる（Ｒ∝１／Ｓ）。

ここで、ｉ型半導体光吸収層４２の中心の面積Ｓとは、ｉ型半導体光吸収層４２の深さ方向の中心位置でウェハ表面と平行方向（Ｘ方向）に切り出したときの面積を示す。この面積Ｓは、ｉ型半導体光吸収層４２を含むメサ部５０の上面５１と底面５２とがなすメサ角度θが大きくなるほど小さく、またメサ角度θが小さくなるほど大きくなる。

よって、メサ角度θが小さければ出力電圧Ｖは大きく、メサ角度θが大きければ出力電圧Ｖは小さくなる。このメサ角度θは、ウェットエッチング時の深さ方向のエッチング量と、サイドエッチング方向のエッチング量とのバランスにより決まる。ここで、サイドエッチング方向（Ｘ方向）のエッチング量とは、マスクパターン７０のパターンエッジからウェハ表面と平行方向に進んだエッチング量を意味する。深さ方向のエッチング量が十分多いとメサ角度θは垂直に近づき、サイドエッチング方向のエッチング量が十分多いとメサ角度θは０°に近づく。つまり、安定した出力特性を得るためには、深さ方向とサイドエッチング方向のエッチング量とをコントロールすることが重要である。

＜マスクパターン／メサパターン＞
ここで、マスクパターン７０とメサパターンとの関係について説明する。

赤外線センサの場合、ウェットエッチングで形成したメサ部５０上にコンタクトホールを形成するが、一般的に半導体素子のコンタクトホールは円形とすることが多い。従来技術では面方位を考慮せずにマスクパターンを形成していたため、サイドエッチング方向のエッチング速度が極端に異なる方向があり、一方向でコンタクトホールのパターンをメサ部５０のメサパターンにアライメントして合わせる際のマージンが狭くなっていた。

従来技術でもアライメント精度は十分達成できてはいるが、前述したように、より高い出力を達成するためにはメサ角度θを小さくする必要があるため、メサ部５０の上面５１の面積はより小さくする必要がある。また、不要な抵抗成分となるコンタクトホールでの電極／半導体間の接触抵抗を下げるためには、コンタクトホールを大きくする必要がある。そのため、各々のサイズマージンが狭くなるため、マスクパターン７０から大きく乖離しないメサ形状をエッチング後に形成することが必要となる。

ここで、基本的には深さ方向（Ｚ方向）、サイドエッチング方向（Ｘ方向）のエッチング速度はともにウェットエッチング時に用いるエッチング液の種類や混合比によって調整することができる。しかし、マスクパターン７０を形成する方向の違いによるサイドエッチング方向のエッチング速度の差を維持したまま、全体的にエッチング速度が変化するだけであるため、エッチング液で前記のアライメントマージンを改善することはできない。

また、面方位を考慮せずにメサパターンを形成すると、例えば八角形のマスクパターンを用いても、速度の速い方向のサイドエッチングが積極的に進むため、エッチング後のメサの底面形状は十二角形となっていた。赤外線センサの場合、吸収する光電流はｉ型半導体光吸収層３を含むメサ底面の面積が大きい方が多く、小さい方が少ない。つまり、不要な方向にエッチングが進むことでメサ底面の角の数が増えてしまうと、底面の面積が小さくなり、吸収する光電流量が低下し、出力の損失に繋がる。

さらに、赤外線センサでは、ｉ型半導体光吸収層４２の中心の面積Ｓが化合物半導体素子１００の抵抗Ｒと反比例の関係にあるため、エッチングでマスクパターン７０から大きく乖離したメサパターンが形成されるとマスクパターン７０で設計した出力特性の値から実際の出力特性がずれてしまう。

ここで、多角形の辺によってサイドエッチング方向のエッチング速度が異なっても、深さ方向のエッチング速度はどの辺でも変わらないことが分かっている。つまり、エッチング後のメサ部５０の上面５１と底面５２とがなすメサ角度θはマスクパターン７０を形成する辺によって異なり、サイドエッチング方向のエッチング速度が遅いほどメサ角度θは大きく、速いほどメサ角度θは小さくなることを意味している。

図４は、ＩｎＳｂ系薄膜を塩酸／過酸化水素をエッチング液として用いてエッチングした場合のサイドエッチング方向のエッチング速度を比較したマスクパターン７０の辺８０の方向を示す。

まず辺８０の内、向かい合う平行な辺同士のサイドエッチング方向のエッチング速度が同等であることが分かった。また、エッチング深さはいずれの辺においても一定であった。これにより、図４の８つの辺８０のうち４つの辺８０のサイドエッチング方向のエッチング速度を比較した。

ここで、図４において、オリエンテーションフラットネス１５は化合物半導体基板３０の面方位を把握するための指標である。一般的に、（１００）基板であれば（０−１−１）面が切り出されることが多いが、その限りではなく、任意に選択することができる。

図５は、図４で示すマスクパターン７０の多角形の辺８０の内、＜０１−１＞方向に平行な辺８０から反時計回りに４つの辺のサイドエッチング方向のエッチング速度を＜０１−１＞方向に平行な辺８０のサイドエッチング方向のエッチング速度で規格化した例を示す。

図５により、＜０１０＞＜０−１０＞方向に平行な辺８０と、＜００１＞＜００−１＞方向に平行な辺８０のサイドエッチング方向のエッチング速度が最も速く、＜０１−１＞＜０−１１＞方向に平行な辺８０に対しては＋１２％となる。

このことから、＜０１０＞＜０−１０＞＜０１−１＞＜０−１１＞方向に平行な４つの辺８０では、各々の辺８０の延長線が垂直に交わる辺同士もサイドエッチング方向のエッチング速度が同じであることがわかる。

一方、＜０１１＞＜０−１−１＞方向に平行な辺８０のサイドエッチング方向のエッチング速度は＜０１−１＞＜０−１１＞方向に平行な辺８０に対して９％速い。その結果、各々の辺８０の延長線が垂直に交わる＜０１１＞＜０−１−１＞方向に平行な辺８０と＜０１−１＞＜０−１１＞方向に平行な辺８０を含む４つの辺８０を最大長として多角形のマスクパターン７０を形成すると、＜０１−１＞＜０−１１＞方向に平行な辺８０のサイドエッチング方向のエッチング量が多くなるため、その方向のメササイズが小さくなってしまう。

これにより、多角形のマスクパターン７０の最大長となる４つの辺８０を＜０１０＞＜０−１０＞＜００１＞＜００−１＞方向に平行に配置することで、少なくとも４つの方向ではサイドエッチング方向のエッチング速度が等価であるため、マスクパターン７０からの乖離が少ない。

また、それ以外の辺８０、例えば＜０１１＞＜０−１−１＞方向や＜０１−１＞＜０−１１＞方向に平行な辺８０よりサイドエッチング方向のエッチング速度が速いため、マスクパターン７０の＜０１０＞＜０−１０＞＜００１＞＜００−１＞方向に平行な辺以外の辺８０の長さを気にすることなく、コンタクトホールのパターンをメサ部５０のメサパターンにアライメントして合わせる際のマージンを十分確保でき、有効である。

なお、本実施例で多角形のマスクパターン７０の最大長となる４つの辺８０を＜０１０＞＜０−１０＞＜００１＞＜００−１＞方向に平行に配置したとき、マスクパターン７０の多角形の角の数と同じ数の角を底面５２に持つメサ部５０のメサパターンが形成された。これにより、本発明は、不要な方向にエッチングが進むことを抑制する効果があることもわかった。

また、最大長となる＜０１０＞＜０−１０＞＜００１＞＜００−１＞方向に平行な４つの辺のサイドエッチング方向のエッチング速度が速く、一定であることは、４つの方向でメサ部５０の上面５１と底面５２とがなすメサ角度θが小さく、一定であることを示している。これにより、これらの方向はメサ部５０の形状が電極を配線する上でも好都合であり、また４つが等価であることから配線方向にも自由度がある。

さらに、従来技術で用いたマスクパターン、若しくは基板を回転するだけでも容易に達成できるため、単位面積当たりのフォトダイオードが占める割合を変えることなく、またパターンの取り数に支障がなく好ましい。

上述したような製造方法により、所定の結晶軸方向に平行な方向に、マスクパターン７０の最大長とする複数の辺８０を配置させた状態において、マスクパターン７０の下方に位置する化合物半導体薄膜４１〜４４に対して、ウェットエッチングを行うことによって、マスクパターン７０の多角形の形状に対応した多角形を構成する上面５１と下面５２とを有するメサパターンからなるメサ部５０を形成するようにしたので、マスクパターン形状から大きく乖離しないメサ部５０のメサパターン形状を容易に作製することできる。

これにより、例えば、マスクパターン７０の最大長となる４つの辺８０を、サイドエッチング方向のエッチングの速度が速くかつ等価な＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向と平行に配置することにより、マスクパターン７０のパターン形状から大きく乖離しないメサ部５０のメサパターン形状を持つ化合物半導体素子１００を作製することができる。その結果、所望のメサ部５０のメサパターン形状を容易に得ることができると共に、化合物半導体素子１００の生産性や出力特性の安定性、信頼性を一段と向上させることができる。

以上のような本発明の手法を用いることにより、ウェットエッチングで形成されるメサ部５０のメサパターン形状をマスクパターン７０からの乖離が少ない状態とすることができる。従って、化合物半導体素子１００の生産性の向上や、素子特性の安定性の向上、信頼性の向上を実現でき、量産レベルの多量の素子作製においても高い歩留りを達成することができる。

１ 半導体基板
２ ｎ型半導体層
３ ｉ型半導体層
４ ｐ型半導体層
５ 絶縁性保護膜
６ 電極配線
１０ フォトダイオード
１５ オリエンテーションフラットネス
３０ 半導体基板
４０ 化合物半導体薄膜層
４１ ｎ⁺−ＩｎＳｂ層
４２ ｉ−ＩｎＳｂ光吸収層
４３ ｐ−ＡｌＩｎＳｂバリア層
４４ ｐ⁺−ＩｎＳｂ層
５０ メサ部
５１ 上面
５２ 下面
５３ 斜面
６０ フォトレジスト
７０ マスクパターン
８０ 辺

Claims (9)

1. ＰＩＮ構造のメサ部を有する化合物半導体素子の製造方法であって、
   （１００）面の半導体基板上に、ＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜を形成する第１の工程と、
   複数の辺を有する多角形のマスクパターンを、前記化合物半導体薄膜上に配置する第２の工程であって、前記マスクパターンは、前記化合物半導体薄膜に対するサイドエッチング方向のエッチング速度が等価となる所定の結晶軸方向と平行になる辺の和が最大長となる複数の辺を含み、前記所定の結晶軸方向は、前記化合物半導体薄膜に対し＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向であり、前記マスクパターンは、面積が５００μｍ ² 以下である、第２の工程と、
   前記所定の結晶軸方向に平行な方向に、前記マスクパターンの最大長となる複数の辺を配置させた状態において、該マスクパターンの下方に位置する前記化合物半導体薄膜に対して、ウェットエッチング法によりエッチングを行うことによって、前記マスクパターンの多角形の形状に対応した多角形を構成する上面と下面とを有するメサパターンからなるメサ部を形成する第３の工程であって、前記＜００−１＞、＜０１０＞、＜００１＞、＜０−１０＞方向に平行な方向に配置された前記マスクパターンの辺の下方に位置する前記化合物半導体薄膜に対するエッチング速度が等価なサイドエッチングのエッチング量と、前記化合物半導体薄膜に対する深さ方向のエッチング量とが制御され、前記メサ部の前記上面と前記下面との間の距離が２μｍ以上である、第３の工程と
   を備えたことを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
2. 前記多角形を構成する上面の第１の辺と該辺に対向する前記多角形を構成する下面の第１の辺とを結ぶ第１の斜面と基板面とのなす第１の角度が、当該第１の辺以外の上面の第２の辺と該辺に対向する下面の第２の辺とを結ぶ第２の斜面と基板面とのなす第２の角度と等しく設定されたことを特徴とする請求項１記載の化合物半導体素子の製造方法。
3. 前記メサ部は、前記多角形を構成する前記上面の辺の数と、前記多角形を構成する前記下面の辺の数とが等しく設定されたことを特徴とする請求項１又は２記載の化合物半導体素子の製造方法。
4. 前記メサ部は、前記多角形を構成する前記上面の角の数と、前記多角形を構成する前記下面の角の数とが等しく設定されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
5. 前記多角形は、四角形、五角形、六角形、七角形、又は八角形のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
6. 前記化合物半導体薄膜は、エピタキシャル薄膜であることを特徴とする前記請求項１ないし５のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
7. 前記ＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜は、ＩｎＳｂをベースとしたＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x（０≦ｘ＜１）、Ｉｎ_1-yＧａ_yＳｂ（０≦ｙ＜１）、Ｉｎ_1-zＡｌ_zＳｂ（０≦ｚ＜１）であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
8. 前記ＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜は、積層構造となっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。
9. 前記ＩｎＳｂ系の化合物半導体薄膜は、ｐｎ接合をベースとしたダイオードであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の化合物半導体素子の製造方法。

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