JP6952983B2 - エッチング方法及びエッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、エッチング方法及びエッチング装置の技術分野に属する。より詳細には、いわゆるフォトリソグラフィ技術を用いてヘテロ構造半導体の表面にリセス（溝）等の構造物を作製するためのエッチング方法及びエッチング装置の技術分野に属する。

近年、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）の分野において、相互コンダクタンス（換言すれば増幅率）の向上やノーマリオフ化（即ち閾値電圧（動作電圧）の正方向シフト）等の好ましい特性を備えるＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）の研究開発が活発に行われている。

ここで、ヘテロ構造の半導体上にフォトリソグラフィ技術を用いてＨＥＭＴを作製する場合、ＨＥＭＴとしてのゲートを構成するリセス（溝）の深さや幅又は長さ、或いはリセス表面の平滑性及び欠陥の有無等を精密に制御することが極めて重要である。これは、当該ゲートの構造や表面の平滑性の改善により、その閾値電圧の精密な制御が可能となると共に、完成したＨＥＭＴの安定動作が実現されるからである。

一方、上記リセスを作製する技術として従来一般的には、ウェットエッチング法とドライエッチング法がある。ここでエッチングの深さを精密に制御する観点では、ウェットエッチング法よりもドライエッチング法が有利であることが知られている。しかしながら、一般的なドライエッチング法には、以下の（１）及び（２）のような問題点がある。
（１）高エネルギーの反応を利用するため、半導体の表面に損傷・欠陥を与え易い。そして、半導体表面に当該欠陥ができた場合は、禁制帯中に高密度の表面準位（即ち、電子及び正孔のトラップ準位）が生成されてしまい、予期せぬ電流変動や、ゲート漏れ電流の増加、或いはゲート制御性の劣化の要因となり、結果として素子の異常動作を引き起こす原因となる。
（２）エッチングの深さの精密な制御が困難になる。即ち、上記素子の閾値電圧はリセスの深さに大きな影響を受けるため、エッチングの深さに対する数ナノメートルの誤差が、完成した素子の性能に大きなばらつきを与えてしまう。

そこで、上記のようなドライエッチング法の問題点を解決することを目的とした技術を開示した先行技術文献として、例えば下記特許文献１が挙げられる。この特許文献１に開示されている技術では、いわゆる光電気化学反応を利用したエッチング方法において、エッチングの対象となる層が、その材料組成を深さ方向へ段階的に変化させた二層構造とされている。そして、エッチングされる上層で吸収され且つ下層で透過される波長の光を当該上層に照射しながら光電気化学反応によりエッチングを進めることで、当該光電気化学反応（即ちエッチング自体）が当該上層内又は当該上層と下層との界面で停止する構成とされている。ここで、上記二層構造の具体例としては、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡlＧaＮ）層を光電気化学反応によりエッチングする場合には、エッチングされる上層の組成がＡl_０．２５Ｇa_０．７５Ｎとされ、下層の組成がＡl_{０．３７５}Ｇa_{０．６２５}Ｎとされる。

特開２０１１−７７１２２号公報（第１図乃至第３図等）

しかしながら、上記特許文献１記載の技術によると、エッチング対象となる層を組成が異なる二層構造とする必要があり、更に実際にエッチングされる第一の層（上層）の禁制帯の幅を第二の層（下層）のそれよりも狭くする必要があるため、結果的に素子の作製工程が増えてしまい、作製コスト及び作製時間の観点で好ましくないという問題点があった。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑みて為されたもので、その課題の一例は、エッチング対象のヘテロ構造半導体として簡素な構造を用いることが可能でありながら、エッチングされた表面の損傷性及び平坦性並びにエッチングの深さ制御性を向上させたエッチング方法及びエッチング装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、表面層と、当該表面層の禁制帯幅よりも狭い禁制帯幅の内部層と、により構成されるヘテロ構造の半導体であって、当該表面層と当該内部層との界面において伝導体の下端エネルギーが不連続である半導体の当該表面層を、電解液を用いた光電気化学反応によりエッチングするエッチング方法において、前記表面層におけるエッチング対象の領域が前記電解液内に浸されるように前記半導体を保持した状態で、前記表面層の前記禁制帯幅より高いエネルギーを有する励起光であって、当該表面層において所望されるエッチングの自己停止深さに対応した強度の励起光を、前記保持されている半導体に照射する照射工程と、ｉ）前記電解液に接する前記表面層の面に向けて当該表面層内にある正孔を移動させるための当該表面層の内部電界に対応し、ii）前記内部層内にある正孔の前記表面層側に向けた移動を制限するための当該内部層の内部電界に対応し、且つiii）前記表面層内に酸化電流を流すための電圧を、前記励起光の照射と並行して前記半導体に印加する印加工程と、を含む。

上記の課題を解決するために、請求項５に記載の発明は、表面層と、当該表面層の禁制帯幅よりも狭い禁制帯幅の内部層と、により構成されるヘテロ構造の半導体であって、当該表面層と当該内部層との界面において伝導体の下端エネルギーが不連続である半導体の当該表面層を、電解液を用いた光電気化学反応によりエッチングするエッチング装置において、前記表面層におけるエッチング対象の領域が前記電解液内に浸されるように前記半導体を保持する保持手段と、前記表面層の前記禁制帯幅より高いエネルギーを有する励起光であって、当該表面層において所望されるエッチングの自己停止深さに対応した強度の励起光を、前記保持されている半導体に照射する照射手段と、ｉ）前記電解液に接する前記表面層の面に向けて当該表面層内にある正孔を移動させるための当該表面層の内部電界に対応し、ii）前記内部層内にある正孔の前記表面層側に向けた移動を制限するための当該内部層の内部電界に対応し、且つiii）前記表面層内に酸化電流を流すための電圧を、前記励起光の照射と並行して前記半導体に印加する印加手段と、を備える。

請求項１又は請求項５に記載の発明によれば、表面層におけるエッチング対象の領域が電解液内に浸されるように半導体を保持した状態で、表面層の禁制帯幅より高いエネルギーを有し且つ表面層において所望されるエッチングの自己停止深さに対応した強度の励起光を半導体に照射すると共に、ｉ）電解液に接する表面層の面に向けて当該表面層内にある正孔を移動させるための当該表面層の内部電界に対応し、ii）内部層内にある正孔の表面層側に向けた移動を制限するための当該内部層の内部電界に対応し、且つiii）表面層内に酸化電流を流すための電圧を、励起光の照射と並行して半導体に印加する。よって結果的に、光電気化学反応による表面層のエッチングが、励起光の強度に対応したエッチングの自己停止深さで自己停止するので、エッチングされた表面層の領域の損傷性及び平坦性並びにエッチングにおける深さ制御性を向上させることができる。

上記の課題を解決するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエッチング方法において、前記照射工程においては、前記エッチングの自己停止深さに比例した強度の前記励起光を前記半導体に照射するように構成される。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の作用に加えて、照射工程において、表面層のエッチングの自己停止深さに比例した強度の励起光を半導体に照射するので、エッチングにおける深さ制御性をより向上させることができる。

上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載のエッチング方法において、前記照射工程においては、前記表面層内で前記エッチングの進行が停止する時間以上に前記励起光を照射するように構成される。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加えて、照射工程において、表面層内でエッチングの進行が停止する時間以上に励起光を照射するので、当該励起光の強度により予定される深さまで確実に表面層をエッチングすることができる。

上記の課題を解決するために、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエッチング方法において、前記表面層の材質がＡlＧaＮであり、前記内部層の材質がＧaＮであるように構成される。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明の作用に加えて、エッチングされる表面層の材質がＡlＧaＮであり、内部層の材質がＧaＮであるので、例えばＡlＧaＮからなる表面層とＧaＮからなる内部層が積層されたヘテロ構造の半導体により例えばＨＥＭＴを作製する場合において、その閾値電圧（動作電圧）の制御性及び動作の安定性を向上させることができる。

本発明によれば、表面層におけるエッチング対象の領域が電解液内に浸されるように半導体を保持した状態で、表面層の禁制帯幅より高いエネルギーを有し且つ表面層において所望されるエッチングの自己停止深さに対応した強度の励起光を半導体に照射すると共に、ｉ）電解液に接する表面層の面に向けて当該表面層内にある正孔を移動させるための当該表面層の内部電界に対応し、ii）内部層内にある正孔の表面層側に向けた移動を制限するための当該内部層の内部電界に対応し、且つiii）表面層内に酸化電流を流すための電圧を、励起光の照射と並行して半導体に印加する。

従って、照射工程における励起光の照射と印加工程における電圧の印加とが並行して実行されることにより、結果的に、光電気化学反応による表面層のエッチングが励起光の強度に対応したエッチングの深さで自己停止するので、エッチングされた表面層の領域の損傷性及び平坦性並びにエッチングにおける深さ制御性を向上させることができる。

本発明に係る光電気化学反応を用いて作製されるＨＥＭＴの構造を示す断面図である。 本発明に係る光電気化学反応によるＨＥＭＴの作製工程の一部を示す断面図であり、（ａ）は当該光電気化学反応実行前の素子構造を示す断面図であり、（ｂ）は当該光電気化学反応実行後の素子構造を示す断面図である。 本発明に係る光電気化学反応の前提となる電気化学反応を説明する図であり、（ａ）は当該電気化学反応実行前の状態を示す図であり、（ｂ）は当該電気化学反応における酸化反応を示す図であり、（ｃ）は当該電気化学反応により形成された酸化物を示す図であり、（ｄ）は当該電気化学反応における酸化物の溶解を示す図である。 本発明に係る光電気化学反応に対応するエネルギーバンド図等を示す図であり、（ａ）は当該光電気化学反応における酸化電流と印加される電圧の関係を例示するグラフ図であり、（ｂ）は当該エネルギーバンド図を示す図である。 本発明に係る光電気化学反応におけるエッチング時間とエッチングの深さとの関係等を示すグラフ図であり、（ａ）は当該関係を示すグラフ図であり、（ｂ）は当該光電気化学反応における励起光の強度とエッチングの自己停止深さとの関係を示すグラフ図である。 実施形態に係るＨＥＭＴの作製工程を示すフローチャートである。 実施形態に係るＨＥＭＴの作製工程を示す断面図であり、（ａ）は当該作製工程に係るエピタキシャル基板の構造を示す断面図であり、（ｂ）はマスク及び電流引出電極を作製したエピタキシャル基板の構造を示す断面図であり、（ｃ）はゲートリセスを作製したエピタキシャル基板の構造を示す断面図であり、（ｄ）は完成したＨＥＭＴの構造を示す断面図である。 実施形態に係るエッチング装置の概要構成を示す図である。 実施形態に係る光電気化学反応を用いたエッチング方法によるＨＥＭＴの作製結果により当該光電気化学反応の効果を示す図であり、（ａ）は当該効果を示すＡＦＭ（Atomic Force Microscope（原子力間顕微鏡））像を示す図であり、（ｂ）は当該効果を示すＡＦＭ断面プロファイル図であり、（ｃ）は当該効果を示す平面ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像を示す図であり、（ｄ）は当該効果を示す断面ＳＥＭ像を示す図である。

次に、本発明の原理及び本発明を実施するための形態について、図面に基づいてそれぞれ説明する。なお、以下に説明する実施形態は、ＨＥＭＴの作製に用いられるエッチング方法に対して本発明を適用した場合の実施の形態である。

（Ｉ）本発明の原理
始めに、本発明に係る実施形態について具体的に説明する前に、本発明の原理について図１乃至図５を用いて説明する。なお、図１は本発明に係る光電気化学反応を用いて作製されるＨＥＭＴの構造を示す断面図であり、図２は当該光電気化学反応によるＨＥＭＴの作製工程の一部を示す断面図であり、図３は当該光電気化学反応の前提となる電気化学反応を説明する図である。また、図４は当該光電気化学反応に対応するエネルギーバンド図等を示す図であり、図５は当該光電気化学反応におけるエッチング時間とエッチングの深さとの関係等を示すグラフ図である。

図１に示すように、本発明に係る光電気化学反応を用いて作製されるＨＥＭＴ１００は、基板１０上に、バッファ層１１を介して内部層１２及び表面層１３がエピタキシャル成長された構造を備えている。このとき基板１０としては、例えば炭化シリコン（ＳiＣ）単結晶基板、シリコン（Ｓi）単結晶基板、サファイア単結晶基板又は窒化ガリウム（ＧaＮ）単結晶基板等が用いられる。またバッファ層１１は、格子緩和効果や耐圧の向上を目的とした層であり、その材質としては、例えば窒化ガリウム（ＧaＮ）又は窒化アルミニウム（ＡlＮ）等が用いられる。更にＨＥＭＴ１００としてのキャリア（電子及び正孔を纏めた概念をいう。以下同様。）の移動に直接関与する表面層１３及び内部層１２それぞれの材質としては、内部層１２としては例えば真性窒化ガリウム（ｉ−ＧaＮ）が用いられ、表面層１３としては例えば真性窒化アルムニウムガリウム（ｉ−ＡlＧaＮ）が用いられる。なお表面層１３の厚さは例えば２５ナノメートルとされ、内部層１２の厚さは例えば１、０００ナノメートルとされる。また、上記の材質により内部層１２及び表面層１３を作製すると、結果として、表面層１３と内部層１２との界面においては、それぞれの伝導体の下端エネルギーが不連続となる。このため、表面層１３との界面に近い内部層１２の領域のうち後述するゲートリセス３０に対向した領域以外の領域には、いわゆる二次元電子ガス（２ＤＥＧ）１２Ｇが存在する。以上の内部層１２及び表面層１３により、ＨＥＭＴ１００としてのいわゆるヘテロ構造が形成されている。このヘテロ構造においては、内部層１２及び表面層１３がそれぞれ上記の材質により作製されていることから、表面層１３の禁制帯（バンドギャップ）幅よりも内部層１２の禁制帯幅が狭くなっている。

そして、ＨＥＭＴ１００としてのゲートが作製される表面層１３の位置には、本発明に係る光電気化学反応によりゲートリセス３０が作製され、当該ゲートリセス３０を含む表面層１３の表面に絶縁膜１６が形成され、その上にゲート電極１７が作製されている。この絶縁膜１６の材質としては、例えば酸化アルミニウム（Ａl_２Ｏ_３）、窒化シリコン（ＳiＮ）又は酸化シリコン（ＳiＯ_２）が用いられる。更に、内部層１２の一部及び表面層１３の部分には、素子分離用のアイソレーション領域２１及びアイソレーション領域２２が作製されている。これらに加えて、ソース電極１４及びドレイン電極１５、並びに本発明に係る光電気化学反応によるエッチングに用いられる電流引出電極２０が、表面層１３に接触するように作製されている。

なお、ゲートリセス３０の底部に形成される絶縁膜１６は、ＨＥＭＴ１００の動作として必須のものではないが、ＨＥＭＴ１００の動作安定性を向上させる観点からは、ゲート電極１７と表面層１３との間に形成されていることが望ましい。即ち、ゲートリセス３０の作製により表面層１３自体が薄くなると、表面層１３からゲート電極１７へのいわゆる漏れ電流により増幅機能が損なわれる可能性があるため、絶縁膜１６はそれを防ぐ目的で、ゲートリセス３０の表面層１３に近い部分（底部及び内側側面部）に形成される（図１参照）。また、実施形態に係るＨＥＭＴ１００では、本発明に係る光電気化学反応により作製されたゲートリセス３０に対向する内部層１２の領域には、上記二次元電子ガス１２Ｇは存在しない（図１参照）。これは、ゲートリセス３０の作製により表面層１３が薄くなったことに起因して、内部層１２内の二次元電子ガス１２Ｇが消失していることによる。図１に示す場合は、結果として、ゲート電極１７に必要な電圧を印加しない状態で、ソース（ソース電極１４）とドレイン(ドレイン電極１５）との間には、電流の通り道となる二次元電子ガス１２Ｇが連続して存在しないことになる。これにより、上記ノーマリオフ型（即ち上記閾値電圧＞０ボルト）のＨＥＭＴ１００が実現できる。

ここで、上述したようにＨＥＭＴ１００としての閾値電圧の精密な制御やその安定動作の実現のためには、図１に示すゲート長Ｌ、ゲート直下の表面層１３の厚さｔ及びゲートリセス３０の内側表面等をより精密且つ欠陥なく平滑に作製する必要がある。そこで本発明では、従来の光電気化学反応を用いたエッチング方法を改善することにより、この課題を解決する。

次に、本発明に係る光電気化学反応を用いたゲートリセス３０の作製について、具体的に図２乃至図５を用いて説明する。

上述したように本発明に係る光電気化学反応は、ゲート用のゲートリセス３０を、表面層１３内に高精度に且つ制御性よく作製するために用いられる。即ち本発明に係るＨＥＭＴ１００の作製工程では、図２（ａ）に示すように、基板１０、バッファ層１１及び内部層１２並びに表面層１３がエピタキシャル成長された素子の表面に、例えば絶縁性のマスクＭ及び電流引出電極２０が作製される。このとき、内部層１２内の二次元電子ガス１２Ｇは、表面層１３に近い領域全体に分布している。なお以下の説明において、作製途中のＨＥＭＴ１００を「途中素子ＤＶ０」乃至「途中素子ＤＶ２」と称する。その後、マスクＭのゲートに相当する領域が開口された上で（図２（ａ）参照）、当該開口部に対して本発明に係る光電気化学反応によるエッチングが施され、これによりゲートリセス３０が作製された途中素子ＤＶ２が作製される（図２（ｂ）参照）。

ここで、本発明に係る光電気化学反応の前提となる電気化学反応について、図２（ａ）に示す途中素子ＤＶ１を例として、図３を用いて一般的に説明する。本発明に係る光電気化学反応においては、従来と同様の電気化学反応において同時に励起光の照射を行い、半導体内のキャリアの生成等を調整する。

具体的に当該電気化学反応では、正孔が存在する半導体をイオンが含まれている電解液に浸しつつ、当該電解液と当該半導体の表面との接触面に外部から電界が印加される。これにより、その接触面で酸化反応を生起させて酸化物を形成し、それを電解液内に溶解させることで、当該半導体の表面をエッチングする。即ち、先ず図３（ａ）に示すように、正孔Ｈが存在する表面層１３を含む途中素子ＤＶ１が、イオンＩが含まれている電解液ＬＱに浸される。この電解液ＬＱとしては、例えば硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）と燐酸（Ｈ_３ＰＯ_４）の等量混合液や、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮaＯＨ）等のアルカリ又は塩酸（ＨＣl）等の酸を水又はグリコール等に溶かした溶液が用いられる。そして、電解液ＬＱに途中素子ＤＶ１が浸された状態で図３（ｂ）に示す電界を印加することで、表面層１３と電解液ＬＱとの接触面において図３（ｂ）に破線で示すような酸化反応を起こさせる。この酸化反応の結果として、図３（ｃ）に示す酸化物ＯＸが表面層１３の表面に形成され、この酸化物ＯＸが図３（ｄ）に示すように電解液ＬＱ内に溶解されることで、元の酸化物ＯＸの分だけ表面層１３がエッチングされる。

一方、上記電気化学反応に加えて励起光が用いられる本発明に係る光電気化学反応では、上記励起光の波長及び上記電界に対応する電圧が、所望されるキャリアの生成状態に応じて制御される。ここで、図２（ａ）に例示する表面層（例えば窒化アルムニウムガリウム層）１３と内部層（例えば窒化ガリウム層）１２からなるヘテロ構造の半導体に対する上記光電気化学反応によるエッチング方法に関し、本願の発明者ら（以下、単に「本発明者ら」と称する）は、その過程の系統的な調査と最適化を行った。この結果、当該エッチングに寄与するキャリアの供給過程には、内部層１２からキャリアが供給される「内部層供給過程」と、表面層１３からキャリアが供給される「表面層供給過程」と、があることが判明した。これに加えて本発明者らは、これらの過程が、上記励起光の波長及び上記電界に対応する電圧により選択可能であることを明らかにした。更に本発明者らは、内部層供給過程によるキャリアの供給を抑制すると共に、表面層供給過程により供給されるキャリアを促進するような光電気化学反応では、ゲートリセス３０としての表面の平坦性及びエッチングの制御性が良好であることも発見した。

より具体的に本発明者らは、上記電気化学反応用の三極式電気化学セルであって、作用電極を図２（ａ）に例示する途中素子ＤＶ１とし、参照電極を飽和銀／塩化銀（飽和Ａg／ＡgＣl）電極とし、対向電極を白金（Ｐt）電極とした電気化学セルを用い、これに励起光を照射して本発明に係る光電気化学反応の特性を検討した。このとき、表面層１３及び内部層１２の双方においてキャリア（いわゆる光励起キャリア）を発生し得る波長である波長３００ナノメートルの上記励起光を照射した。このような波長の励起光は、表面層１３及び内部層１２それぞれの禁制帯幅より高いエネルギーを有する励起光である。この結果、参照電極に対する電位Ｖ_ＥＣと対向電極から流れる電流の密度Ｊ_ＥＣとの関係（いわゆるヘテロ構造のリニアスイープボルタモグラム）は、図４（ａ）に例示する特性となった。このとき、スイープ方向は正、スイープ速度は５０ミリボルト／秒である。また、参照電極に対する電位Ｖ_ＥＣは上記電界に対応する電圧に相当する。なお以下の説明においては、上記参照電極に対する電位Ｖ_ＥＣを単に「電位Ｖ_ＥＣ」と称し、対向電極から流れる電流の密度Ｊ_ＥＣを単に「電流密度Ｊ_ＥＣ」と称する。図４（ａ）に示す結果を見ると、波長３００ナノメートルの励起光が照射された場合、概ね−０．８ボルトの電位Ｖ_ＥＣを閾値として負の電流密度Ｊ_ＥＣ（即ち還元電流）が観測される一方、概ね−０．５ボルトの電位Ｖ_ＥＣを閾値として正の電流密度Ｊ_ＥＣ（即ち酸化電流）が観測される。更に電位Ｖ_ＥＣが１．０ボルト付近で電流密度Ｊ_ＥＣが飽和する傾向が観測される。

なお本発明者らは、暗中の場合、波長４００メートルの励起光を照射した場合、及び表面層１３を透過し内部層１２に吸収される波長３６０ナノメートルの照射光を照射した場合のそれぞれについても検討した。この結果、暗中及び波長４００ナノメートルの励起光を照射した場合は、表面層１３と電解液ＬＱとの界面における電気化学反応は殆ど生起せず、また波長３６０ナノメートルの励起光を照射した場合は、電位Ｖ_ＥＣが１．０ボルト以下では表面層１３と電解液ＬＱとの界面までキャリアが移動されないことを確認している。

ここで一般に、ＨＥＭＴ１００の内部層１２及び表面層１３をそれぞれ上記の材質により作製した場合、内部層１２と表面層１３との界面における分極効果（より具体的には、ピエゾ分極及び自発分極）により、内部層１２及び表面層１３には、それぞれ内部電界が発生している。なお、内部層１２及び表面層１３を後述するヒ化ガリウム系やリン化インジウム系材料で作製した場合、内部層１２及び表面層１３における上記内部電界は、不純物の変調ドーピング等により発生している。そしてこれらの内部電界（又はその分布）はＨＥＭＴ１００の動作には必要不可欠であり、内部層１２と表面層１３が積層された段階（例えば、図２（ａ）に示す途中素子ＤＶ１の段階）で、当該内部電界が適切に発生するようにＨＥＭＴ１００自体が設計されている。そして本発明に係る光電気化学反応を用いたエッチング方法では、上記内部電界を利用しつつ、外部から印加される上記電界に対応する電圧と励起光との調節による上記酸化電流の制御の下で、エッチングを進行させる。ここで、上記内部電界又はその分布が異なれば図４（ａ）に示す特性が変わるため、当該エッチング方法に最適な上記電界に対応する電圧（図４（ａ）において「適正範囲」で示される電圧）も異なってくる。

次に、図４（ａ）に示す結果が得られた理由について、図４（ｂ）に示すエネルギーバンド図を用いて検討する。なお図４（ｂ）は、内部層１２及び表面層１３を含む途中素子ＤＶ２が電解液ＬＱに浸された状態で、電位Ｖ_ＥＣが−０．８ボルト乃至０ボルトの範囲とされている場合の、表面層１３、内部層１２及び電解液ＬＱそれぞれにおけるエネルギーバンドを示す図であり、伝導体電位Ｅ_Ｃ、価電子帯電位Ｅ_Ｖ及びフェルミ準位Ｅ_Ｆが合わせて記載されている。ここで、電位Ｖ_ＥＣにおける上記−０．８ボルト乃至０ボルトの範囲は、図４（ａ）において「適正範囲」で示される電圧範囲に相当する。また、表面層１３と内部層１２との界面、及び表面層１３と電解液ＬＱとの界面は、それぞれ一点鎖線で示されている。

図４（ａ）に示す場合において酸化電流（図４（ｂ）において符号「Ｉ_ＯＸ」で示す）が流れたのは、電位Ｖ_ＥＣが１ボルト以下でも表面層１３内には図４（ｂ）に示すように強い電界（上記内部電界）が生じており、これにより生成された電子Ｅ及び正孔Ｈが、内部層１２内の二次元電子ガス１２Ｇと表面層１３／電解液ＬＱ界面へそれぞれ移動され、これらのうちの正孔Ｈに相当する電流が、酸化電流Ｉ_ＯＸとして観測されたものと考えられる。ここで、電位Ｖ_ＥＣが１ボルト以下の場合は、図４（ｂ）に示すような高濃度の二次元電子ガス１２Ｇの存在により、内部層１２内にはバルク方向の電界が生じている。このバルク方向の電界と、それに対応した表面層１３と内部層１２との界面における電位障壁の存在と、により、励起光Ｌの照射で内部層１２内に発生した電子Ｅ及び正孔Ｈは、内部層１２内で再結合してしまう。よって、励起光Ｌにより内部層１２内で生成された正孔Ｈが、表面層１３との間の電位障壁を越えて表面層１３内に移動することはない（図４（ｂ）中×印参照）。従って、内部層１２で発生した正孔Ｈが、電解液ＬＱと表面層１３との間の電気化学反応に寄与することは殆どなく、当該電気化学反応には、励起光Ｌの照射により表面層１３内に生成されたキャリア（具体的には正孔Ｈ（図３参照））のみが寄与していると考えられる。以上の解析により、図２（ａ）に示す途中素子ＤＶ１における表面層１３内に励起光Ｌの照射により生成された正孔Ｈのみにより、電解液ＬＱとの間の電気化学反応が進行することで、図３に例示するように、当該表面層１３と電解液ＬＱとの界面における当該表面層１３のエッチングが進行することが判る。本発明者らによる以上の解析により、途中素子ＤＶ１に対する電気化学反応によるエッチングに寄与するキャリアの供給過程である上記内部層供給過程と上記表面層供給過程とが、励起光Ｌの波長及び電圧Ｖ_ＥＣにより選択可能であり、更に、内部層供給過程によるキャリアの供給を抑制しつつ、表面層供給過程によるキャリアの供給を促進することが可能となることが判る。

次に、本発明者らの研究による、本発明に係る光電気化学反応を用いた表面層１３のエッチングにおける制御性について、図５を用いて説明する。なお図５にそれぞれ示す結果は本発明者らの実験により得られた結果である。

先ず図５（ａ）は、当該制御性としての、表面層１３（厚さ２５ナノメートル）の表面からのエッチングの深さのエッチング時間ｔ_ＥＣ（横軸）に対する依存性を示している。なお図５（ａ）の実験結果は、硫酸と燐酸の等量混合液である電解液ＬＱに途中素子ＤＶ１を浸しつつ、波長が３００ナノメートルで出力が０．５ミリワット／平方センチメートルの励起光Ｌを照射し、電圧Ｖ_ＥＣが−０．２ボルト（図４（ａ）参照）となるようにした実験により得られた。図５（ａ）に示す実験の結果より、エッチングの開始から所定の深さまではエッチング時間ｔ_ＥＣに対してエッチングの深さが線形に増加（比例）しているが、当該所定の深さとなった以降は、エッチング時間ｔ_ＥＣに拘わらずエッチングの深さが飽和していることが判る。図５（ａ）に例示する場合、当該所定の深さは約１７ナノメートルである。この飽和現象は、即ち電気化学反応によるエッチングが「自己停止」していることを意味している。そして、元の表面層１３の厚さが２５ナノメートルであるため、結果的に、表面層１３の途中でエッチングが自己停止したことになる。更に、図５（ａ）に示すグラフの傾きで表されるエッチング速度は、一分当たり０．１２ナノメートルであり、これは、エッチングに必要な時間はある程度長くはなるが、エッチングの深さの制御が容易であることを意味している。

次に図５（ｂ）は、上記制御性としての、エッチングが自己停止する深さ（縦軸）の、励起光Ｌの強度Ｐ_ＩＮ（横軸）に対する依存性を示している。なお図５（ｂ）の実験結果は、硫酸と燐酸の等量混合液である電解液ＬＱに途中素子ＤＶ１を浸しつつ、波長が３００ナノメートルの励起光Ｌをその強度を変えつつ照射し、電圧Ｖ_ＥＣが−０．２ボルト（図４（ａ）参照）となるようにした実験により得られた。図５（ｂ）に示す実験の結果より、エッチングが自己停止する深さが励起光Ｌの強度Ｐ_ＩＮに対して線形に増加（比例）していることが判る。以上の図５（ｂ）に示す結果により、表面層１３のエッチングの深さ（換言すれば、エッチング後の表面層１３の厚さ）が、励起光Ｌの強度Ｐ_ＩＮにより容易に制御できることが判る。

以上の図１乃至図５を用いて説明した本発明者らによる研究の結果から、本発明に係る光電気化学反応によるエッチングの過程について纏めて説明すると、以下の通りとなる。即ち、窒化アルミニウムガリウムからなる表面層１３で励起光Ｌの照射により励起（光励起）されたキャリアは、表面層１３における上記内部電界により分離され、電解液ＬＱと表面層１３との界面に到達した正孔Ｈ（図４（ｂ）参照）が酸化反応を生起させる。この酸化反応と、その反応の生成物たる酸化物ＯＸの溶解（図３参照）と、が繰り返されることにより、表面層１３の上面（表面）からの均一なエッチングが進行する。そして、表面層１３が当該エッチングにより薄層化し、その光吸収量（換言すれば、光励起されるキャリアの量）が減少することで、結果としてエッチング反応が抑制される。このとき、二次元電子ガス１２Ｇが空乏しない電圧条件（図４（ａ）における「適正範囲」参照）を選択することで、窒化ガリウムからなる内部層１２で生成されるキャリアの酸化反応への寄与が抑制されることとなり、これらによりエッチングの上記自己停止が発現する。このように表面層供給過程のキャリアのみを寄与させることにより、従来の電気化学反応によるエッチングの課題であった表面平坦性及びエッチングの深さの制御性において良好な結果が得られ、更に上位自己停止の発現により、エッチングの深さのばらつきの抑制にも効果的であることが判明した。これにより、表面層供給過程のキャリアのみを利用した電気化学反応によるエッチングはゲートリセス３０の加工技術への適用に非常に適していることが判った。

（II）本発明の実施形態
次に、上述してきた本発明に係る原理に基づく具体的な実施形態について、図６乃至図８を用いて説明する。なお、図６は実施形態に係るＨＥＭＴの作製工程を示すフローチャートであり、図７は当該ＨＥＭＴの作製工程を示す断面図であり、図８は実施形態に係るエッチング装置の概要構成を示す図である。

図６及び図７に示すように、実施形態に係るＨＥＭＴ１００の作製においては、初めに、図７（ａ）に示す断面構造を有するエピタキシャル基板である途中素子ＤＶ０が、例えば既存のエピタキシャル成長法等により作製される（図６ステップＳ１）。このとき途中素子ＤＶ０では、基板１０上に、バッファ層１１を介して内部層１２及び表面層１３がエピタキシャル成長されており、内部層１２の表面層１３に近い領域には、二次元電子ガス１２Ｇが存在している。

次に、途中素子ＤＶ０の表面にマスクＭが例えば蒸着法等により作製されると共に、電流引出電極２０が作製され、更に、マスクＭのゲートに相当する部分が例えばドライエッチング法等により開口されて、図７（ｂ）及び図２（ａ）に示す途中素子ＤＶ１が作製される（図６ステップＳ２）。

その後、本発明に係る光電気化学反応を用いたエッチング方法によりゲートリセス３０が作製され、図７（ｃ）及び図２（ｂ）に示す途中素子ＤＶ２が作製される（図６ステップＳ３）。このとき、当該ゲートリセス３０が形成された後の内部層１２では、上述したように、当該ゲートリセス３０に対向する領域の二次元電子ガス１２Ｇが消失している。

その後、途中素子ＤＶ２に対して上記ゲート電極１７、上記絶縁膜１６、上記アイソレーション領域２１及び上記アイソレーション領域２２並びに上記ソース電極１４及び上記ドレイン電極１５が作製されて（図６ステップＳ４）、図７（ｄ）及び図１に示す実施形態に係るＨＥＭＴ１００が作製される。

次に、図６ステップＳ３の実施形態に係るエッチング方法に用いられるエッチング装置について、図８を用いてその概要を説明する。

図８に示すように、実施形態に係るエッチング装置Ｓでは、容器Ｃ内に満たされた電解液ＬＱに、上記作用電極たる途中素子ＤＶ１と、上記参照電極３と、上記対向電極１と、が浸されている。このとき、途中素子ＤＶ１はホルダＨＤに保持されている。このホルダＨＤが本発明に係る「保持手段」の一例に相当する。また途中素子ＤＶ１では、マスクＭのゲートに相当する領域が開口されて表面層１３が露出しており、更に電流引出電極２０も作製されている。そして、当該電流引出電極２０と参照電極３との間に電圧計が接続され、更に電流引出電極２０と対向電極１との間に、電流計を介して可変電圧源２が接続されている。この可変電圧源２が本発明に係る「印加手段」の一例に相当する。この構成により、上記適正範囲（図４（ａ）参照）の電位Ｖ_ＥＣが電流引出電極２０に印加されつつ、所望されるエッチングの自己停止深さ（図５参照）に対応した強度Ｐ_ＩＮで且つ波長３００ナノメートルの励起光Ｌが、途中素子ＤＶ１におけるマスクＭの開口部を中心として外部から照射される。これにより、所望の電流密度Ｊ_ＥＣを有する酸化電流Ｉ_ＯＸ（図４（ｂ）参照）が途中素子ＤＶ１の表面層１３内に流れ、本発明に係る光電気化学反応が進行する。なお上記励起光Ｌの照射は、表面層１３内でエッチングの進行が自己停止する時間以上行われる。この励起光Ｌについては、例えば図示しないキセノンランプからの出射光から波長３００ナノメートルの励起光Ｌをバンドパスフィルタにより抽出して照射するのが好ましい。このキセノンランプ及びバンドパスフィルタが、本発明に係る「照射手段」の一例に相当する。

次に、実施形態に係る光電気化学反応を用いたエッチング方法を含む作製工程により作製されたＨＥＭＴ１００におけるゲートリセス３０の平坦性等を、図９を用いて具体的に説明する。なお図９は、実施形態に係る光電気化学反応を用いたエッチング方法によるＨＥＭＴ１００の作製結果により当該光電気化学反応の効果を示す図である。ここで図９に示す実験結果は、真性窒化ガリウムからなる内部層１２と、真性窒化アルムニウムガリウムからなる表面層１３と、を備える途中素子ＤＶ０を用いて、実施形態に係る光電気化学反応を用いたエッチング方法によりゲートリセス３０を形成した場合における、その表面の平坦性を示す実験結果である。このとき当該実験の諸元は、励起光Ｌの波長：３００ナノメートル、励起光Ｌの強度Ｐ_ＩＮ：１．０ミリワット／平方センチメートル、電位Ｖ_ＥＣ：−０．２ボルト、エッチング時間：５，０００秒、である。

先ず図９（ａ）は、実施形態に係る光電気化学反応を用いたエッチング方法により形成されたゲートリセス３０のＡＦＭ像であり、図９（ｂ）は当該ゲートリセス３０の断面プロファイル図である。そして図９（ａ）及び図９（ｂ）から明らかなように、エッチングされたゲートリセス３０の底部とマスクＭとの間に約２０ナノメートルの深さの段差が見られ、更にゲートリセス３０の底部の面における高さの二乗平均平方根（ＲＭＳ（Root Mean Square））の五点平均は０．４１ナノメートルであり、ゲートリセス３０の表面の平坦性としては良好な値となっている。

次に、当該ゲートリセス３０の平面ＳＥＭ像及びその拡大図を図９（ｃ）に示すように、ゲートリセス３０の底部には目立った孔や凹凸は見られない。更に当該ゲートリセス３０の断面ＳＥＭ像及びその拡大図を示す図９（ｄ）では、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すＡＦＭ像と同等の約２０ナノメートルの段差が確認でき、ゲートリセス３０の底部において目立った凹凸は見られない。以上の図９に示す実験結果により、実施形態に係る光電気化学反応において表面層供給過程により供給されるキャリアを利用する電気化学反応下では、ゲートリセス３０として望ましい均一なエッチングが実現されることが判る。

以上それぞれ説明したように、実施形態に係るエッチング方法によれば、表面層１３におけるエッチング対象の領域が電解液ＬＱ内に浸されるように途中素子ＤＶ１を保持した状態で、表面層１３の禁制帯幅より高いエネルギーを有し且つ表面層１３のエッチングの深さに対応した強度Ｐ_ＩＮの励起光Ｌを照射すると共に、ｉ）電解液ＬＱに接する表面層１３の面に向けて当該表面層１３内にある正孔Ｈを移動させるための当該表面層１３の内部電界（又はその分布）に対応し、ii）内部層１２内にある正孔Ｈの表面層１３側に向けた移動を制限するための当該内部層１２の内部電界（又はその分布）に対応し、且つiii）表面層１３内に（陽極）酸化電流を流すための電位Ｖ_ＥＣを、励起光Ｌの照射と並行して途中素子ＤＶ１に印加する。よって結果的に、光電気化学反応による表面層１３のエッチングが、励起光Ｌの強度に対応したエッチングの深さで自己停止するので（図５（ａ）参照）、エッチングされた表面層１３の領域の損傷性及び平坦性並びにエッチングにおける深さ制御性を向上させることができる。

また、励起光Ｌの照射において、表面層１３のエッチングの深さに比例した強度Ｐ_ＩＮの励起光Ｌ（図５（ｂ）参照）を途中素子ＤＶ１に照射するので、エッチングにおける深さ制御性をより向上させることができる。

更に、励起光Ｌの照射において、表面層１３内でエッチングの進行が自己停止する時間以上に励起光Ｌを照射するので、当該励起光Ｌの強度Ｐ_ＩＮにより予定される深さまで確実に表面層１３をエッチングすることができる。

更にまた、エッチングされる表面層１３の材質を窒化アルミニウムガリウムとし、内部層１２の材質を窒化ガリウムとする場合には、例えば窒化アルムニウムガリウムからなる表面層１３と窒化ガリウムからなる内部層１２が積層されたヘテロ構造の半導体により例えばＨＥＭＴ１００を作製する場合において、その閾値電圧（動作電圧）の制御性及び動作の安定性を向上させることができる。

なお上述した実施形態では、表面層１３の材質が窒化アルムニウムガリウムであり、内部層１２の材質が窒化ガリウムであるヘテロ構造半導体のエッチング方法に対して本発明を適用したが、これ以外に、本発明は種々のヘテロ構造半導体のエッチング方法に対して適用可能である。

より具体的に、先ず窒化ガリウム系材料としては、表面層／内部層として、窒化インジウムアルミニウム（ＩnＡlＮ）／窒化ガリウム（ＧaＮ）又は窒化アルミニウム（ＡlＮ）／窒化ガリウム（ＧaＮ）からなるヘテロ構造半導体のエッチング方法に本発明を適用することが可能である。またヒ化ガリウム系材料としては、表面層／内部層として、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡlＧaＡs）／ヒ化ガリウム（ＧaＡs）からなるヘテロ構造半導体のエッチング方法に本発明を適用することが可能である。更にリン化インジウム系材料としては、表面層／内部層として、ヒ化インジウムアルミニウム（ＩnＡlＡs）／ヒ化インジウムガリウム（ＩnＧaＡs）からなるヘテロ構造半導体のエッチング方法に本発明を適用することが可能である。

以上それぞれ説明したように、本発明は半導体素子を作製する際のエッチング方法の分野に利用することが可能であり、ヘテロ構造を有する半導体素子を作製する際のエッチング方法の分野に適用すれば特に顕著な効果が得られる。

１ 対向電極
２ 可変電圧源
３ 参照電極
１０ 基板
１１ バッファ層
１２ 内部層
１２Ｇ 二次元電子ガス
１３ 表面層
１４ ソース電極
１５ ドレイン電極
１６ 絶縁膜
２０ 電流引出電極
２１、２２ アイソレーション領域
３０ ゲートリセス
１００ ＨＥＭＴ
Ｍ マスク
Ｉ イオン
Ｓ エッチング装置
Ｃ 容器
Ｈ 正孔
ＬＱ 電解液
ＨＤ ホルダ
ＤＶ０、ＤＶ１、ＤＶ２ 途中素子
ＯＸ 酸化物
Ｉ_ＯＸ 酸化電流

Claims (5)

1. 表面層と、当該表面層の禁制帯幅よりも狭い禁制帯幅の内部層と、により構成されるヘテロ構造の半導体であって、当該表面層と当該内部層との界面において伝導体の下端エネルギーが不連続である半導体の当該表面層を、電解液を用いた光電気化学反応によりエッチングするエッチング方法において、
   前記表面層におけるエッチング対象の領域が前記電解液内に浸されるように前記半導体を保持した状態で、
   前記表面層の前記禁制帯幅より高いエネルギーを有する励起光であって、当該表面層において所望されるエッチングの自己停止深さに対応した強度の励起光を、前記保持されている半導体に照射する照射工程と、
   ｉ）前記電解液に接する前記表面層の面に向けて当該表面層内にある正孔を移動させるための当該表面層の内部電界に対応し、ii）前記内部層内にある正孔の前記表面層側に向けた移動を制限するための当該内部層の内部電界に対応し、且つiii）前記表面層内に酸化電流を流すための電圧を、前記励起光の照射と並行して前記半導体に印加する印加工程と、
   を含むことを特徴とするエッチング方法。
2. 請求項１に記載のエッチング方法において、
   前記照射工程においては、前記エッチングの自己停止深さに比例した強度の前記励起光を前記半導体に照射することを特徴とするエッチング方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のエッチング方法において、
   前記照射工程においては、前記表面層内で前記エッチングの進行が停止する時間以上に前記励起光を照射することを特徴とするエッチング方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエッチング方法において、
   前記表面層の材質が窒化アルミニウムガリウム（ＡlＧaＮ）であり、前記内部層の材質が窒化ガリウム（ＧaＮ）であることを特徴とするエッチング方法。
5. 表面層と、当該表面層の禁制帯幅よりも狭い禁制帯幅の内部層と、により構成されるヘテロ構造の半導体であって、当該表面層と当該内部層との界面において伝導体の下端エネルギーが不連続である半導体の当該表面層を、電解液を用いた光電気化学反応によりエッチングするエッチング装置において、
   前記表面層におけるエッチング対象の領域が前記電解液内に浸されるように前記半導体を保持する保持手段と、
   前記表面層の前記禁制帯幅より高いエネルギーを有する励起光であって、当該表面層において所望されるエッチングの自己停止深さに対応した強度の励起光を、前記保持されている半導体に照射する照射手段と、
   ｉ）前記電解液に接する前記表面層の面に向けて当該表面層内にある正孔を移動させるための当該表面層の内部電界に対応し、ii）前記内部層内にある正孔の前記表面層側に向けた移動を制限するための当該内部層の内部電界に対応し、且つiii）前記表面層内に酸化電流を流すための電圧を、前記励起光の照射と並行して前記半導体に印加する印加手段と、
   を備えることを特徴とするエッチング装置。

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