(57)【要約】【課題】本発明は、化合物半導体基板に形成された半導体メサを形状のばらつきが少なく、より安定して形成できる赤外線センサの製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】赤外線センサの製造方法は、ＧａＡｓからなる基板１０上に、ＩｎＳｂまたはＡｌＩｎＳｂの積層膜で形成された化合物半導体積層部１１と、化合物半導体積層部１１の表面にＧａＡｓからなり膜厚が１〜２０ｎｍのキャップ層１６とを形成したエピタキシャルウエハ５０を作成し、エピタキシャルウエハ５０をウェットエッチングによって所望のメサ形状にエッチング加工する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に、ＩｎＳｂまたはＡｌＩｎＳｂの積層膜で形成された化合物半導体積層部と、前記化合物半導体積層部の表面にＧａＡｓからなり膜厚が１〜２０ｎｍのキャップ層とを形成したエピタキシャルウエハを作成し、
前記エピタキシャルウエハをウェットエッチングによって所望のメサ形状にエッチング加工する
赤外線センサの製造方法。
【請求項２】
エッチャントが塩酸、水および過酸化水素水の混合液である
請求項１記載の赤外線センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線センサの製造方法に関し、特に、半導体メサを備えた赤外線センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサの製造方法としては、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ：Ｉｎｄｉｕｍ  ａｎｔｉｍｏｎｉｄｅ）やアンチモン化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＳｂ：Ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｉｎｄｉｕｍ  ａｎｔｉｍｏｎｉｄｅ）のようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ−ｎ接合面を有し、さらに拡散電流を抑制するためのバリア層を有する、赤外線センサを作製する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型半導体層、ｉ型半導体層、バリア層、ｐ型半導体層を基板上に順に成長させ、これらをウェットエッチングして半導体メサを形成している。
【０００３】
ところで、半導体メサを有する赤外線センサでは、半導体メサの形状（以下、「メサ形状」と称する場合がある）のばらつきが大きくなると、半導体メサの上部面積のばらつきが大きくなり、素子抵抗などのばらつきが大きくなる。このように、赤外線センサの素子特性はメサ形状に大きく依存するため、素子特性のばらつきを制御するためには、メサ形状の安定化が重要である。
【０００４】
特に、半導体メサをウェットエッチングで形成する場合、メサ形状はエッチングを行うためのレジストマスクと半導体表面との密着性によって変化する。レジストマスクと半導体表面との密着性は、レジストマスクのベーク温度や半導体表面の酸化状態等に影響されて大きく変化するため、上部面積のばらつきが少なく半導体メサを形成することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８１２２５号公報
【特許文献２】特開２０１４−７２２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のような課題に対してバリア層と同一の材料からなるキャップ層を化合物半導体積層部の上部に形成することで、ウェットエッチングによるメサ形状ばらつきを抑える検討が成されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、バリア層の有無に関わらず、メサ形状を安定化できる半導体基板とウェットエッチング方法が望まれる。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、化合物半導体基板に形成された半導体メサを形状のばらつきが少なく、より安定して形成できる赤外線センサの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様による赤外線センサの製造方法は、ＧａＡｓからなる基板上に、ＩｎＳｂまたはＡｌＩｎＳｂの積層膜で形成された化合物半導体積層部と、前記化合物半導体積層部の表面にＧａＡｓからなり膜厚が１〜２０ｎｍのキャップ層とを形成したエピタキシャルウエハを作成し、前記エピタキシャルウエハをウェットエッチングによって所望のメサ形状にエッチング加工することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様による赤外線センサの製造方法によれば、化合物半導体基板に形成された半導体メサを形状のばらつきが少なく、より安定して形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】レジストマスクと化合物半導体積層部表面の密着性が弱い場合のメサ形状を示す断面図である。
【図２】レジストマスクと化合物半導体積層部表面の密着性が強い場合のメサ形状を示す断面図である。
【図３】化合物半導体積層部表面にＧａＡｓ材料で形成されたキャップ層を設けた時のメサ形状を示す断面図である。
【図４】実施形態に係る赤外線センサの製造方法における主要工程を示す図。
【図５】実施形態に係る赤外線センサの製造方法を示す断面図。
【図６】実施形態に係る赤外線センサの製造方法を示す断面図。
【図７】ＧａＡｓキャップ層（厚さが２０ｎｍ）を有するＩｎＳｂ膜をウェットエッチングしたときのメサ形状断面の電子顕微鏡写真である。
【図８】ＧａＡｓキャップ層（厚さが１ｎｍ）を有するＩｎＳｂ膜をウェットエッチングしたときのメサ形状断面の電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態（本実施形態と称する）を説明する。図１から図３は、赤外線センサの製造時の半導体メサの断面を模式的に示す図である。図１は、レジストマスクと化合物半導体積層部との密着性が相対的に弱い場合に形成された半導体メサの断面を示している。図２は、レジストマスクと化合物半導体積層部との密着性が相対的に強い（図２における密着性よりも強い）場合に形成された半導体メサの断面を示している。図３は、レジストマスクと化合物半導体積層部との間にギャップ層を設けた場合に形成された半導体メサの断面を示している。
【００１２】
従来のメサパターン形成方法では、ＩｎＳｂあるいはＡｌＩｎＳｂの積層体からなる化合物半導体積層部の半導体表面にレジストマスクを塗布し、かつベークし、フォトリソグラフィ工程によってマスクパターンを形成後、メサパターン形成のためのウェットエッチングを行う。この時、化合物半導体積層部の半導体層表面とレジストマスク２１８との密着性が弱いと、エッチャントはレジストマスク２１８と化合物半導体積層部の半導体層表面との隙間に浸透しやすいため、化合物半導体積層部の半導体層表面のエッチングが進みやすくなる。このため、図１に示すように、基板２１０と、化合物半導体積層部をウェットエッチングして形成された半導体メサ２１１ａとの間の角度であるメサ角度θは小さくなる。逆に、化合物半導体積層部の半導体層表面とレジストマスク２１８との密着性が強いと、エッチャントはレジストマスク２１８と化合物半導体積層部の表面との隙間に浸透しにくくなる。このため、化合物半導体積層部の半導体層表面のエッチングは進みにくくなり、図２に示すように、半導体メサ２１１ａのメサ角度θは大きくなる。例えば、図２に示す半導体メサ２１１ａの形成時における当該密着性が図１に示す半導体メサ２１１ａの形成時における当該密着性よりも強い場合、図２に示すメサ角度θは、図１に示すメサ角度θよりも大きくなる。
【００１３】
ＩｎＳｂあるいはＡｌＩｎＳｂの積層体からなる化合物半導体積層部の半導体層表面とレジストマスクとの密着性は化合物半導体積層部の半導体表面の酸化状況やレジストマスクの塗布、ベーク条件の影響を受けやすく、さらにウェットエッチング時のエッチャント撹拌の影響も受けるため、メサ形状のばらつきが大きくなってしまう。
【００１４】
本実施形態の赤外線センサの製造方法は、ＧａＡｓからなる基板（ＧａＡｓ基板）上に、ＩｎＳｂまたはＡｌＩｎＳｂの積層膜で形成された化合物半導体積層部と、この化合物半導体積層部の表面に膜厚が１〜２０ｎｍのＧａＡｓからなるキャップ層とを形成したエピタキシャルウエハを作成し、このエピタキシャルウエハをウェットエッチングによって所望のメサ形状にエッチング加工することを特徴とする。
【００１５】
ウェットエッチング前のエピタキシャルウエハは、化合物半導体積層部の最上部にＧａＡｓ材料で形成されたキャップ層を設けている。このキャップ層はその直下に位置するＩｎＳｂあるいはＡｌＩｎＳｂの化合物半導体積層部の表面（すなわち上面）を完全に保護している。そのため、ウェットエッチング前に形成されるレジストマスクは、キャップ層の表面と密着している。これにより、ＩｎＳｂあるいはＡｌＩｎＳｂで形成されて化合物半導体積層部の半導体層表面のエッチングは、この半導体層表面とキャップ層との結合によって決まり、化合物半導体積層部の半導体層表面とレジストマスクとの密着性に拠らない。
【００１６】
キャップ層の形成は分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）装置やＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置などに代表される半導体成膜装置によって、ＩｎＳｂあるいはＡｌＩｎＳｂの化合物半導体積層部１１の形成に連続して行われる。したがって、ＩｎＳｂあるいはＡｌＩｎＳｂの半導体層表面とＧａＡｓ材料で形成されたキャップ層との結合は極めて安定しており、安定したエッチングが可能となる。これにより、化合物半導体積層部をエッチングして形成された半導体メサの形状のばらつきが小さくなる。図３に示すように、ＧａＡｓからなるキャップ層１６ａを少なくとも製造段階で有する半導体メサ１１ａは、形状のばらつきが小さいので、同一の製造条件によって形成された半導体メサ１１ａのメサ角度θは、素子間のばらつきが小さくなりほぼ一定となる。
【００１７】
以下、本実施形態の赤外線センサの製造方法を、図面を用いてより詳細に説明する。
＜実施形態＞
図４は、本発明の実施形態に係る赤外線センサの製造方法における主要工程を示す図である。図５は、赤外線センサの製造方法を工程順に示す断面図である。
【００１８】
［化合物半導体積層部の形成］
図４に示す工程Ｓ１０は、図５（ａ）に示すように、基板１０上に、ＩｎＳｂまたはＡｌＩｎＳｂからなるｎ型半導体層１２、ｉ型半導体層１３、ｐ型半導体層１５およびキャップ層１６をこの順に積層する積層工程である。
【００１９】
本実施形態では、ｎ型半導体層１２、ｉ型半導体層１３、ｐ型半導体層１５を合わせて化合物半導体積層部１１と称する。また以下、化合物半導体積層部１１上のキャップ層１６まで形成された積層体をエピタキシャルウエハ５０と称することとする。キャップ層１６は化合物半導体積層部１１の最上層に追加形成されるが、その他の積層順はｉ型半導体層をｎ型半導体層およびｐ型半導体層で挟む形であれば化合物半導体積層部１１の積層順に制限は無い。また、本例では赤外線センサを構成するｐｉｎ型の半導体積層構造を例として取り上げるが、ＩｎＳｂまたはＡｌＩｎＳｂからなる単層または積層膜によってフォトコンダクター型の赤外線センサを形成する工程の場合でも以下のメサ形状を安定化させる効果は変わらない。
【００２０】
化合物半導体積層部１１およびキャップ層１６は、ＭＢＥ装置やＭＯＣＶＤ装置などに代表される半導体成膜装置によって基板１０上に形成することが可能である。基板１０としては、例えばＧａＡｓ半導体で形成された基板が用いられる。
化合物半導体層をＭＢＥ法を用いて成膜する場合は、図４に示すように、工程Ｓ１０を以下の工程Ｓ１および工程Ｓ２のように行うことができる。
【００２１】
まず工程Ｓ１において、基板１０上に、ｎ型半導体層１２を成長させる。ｎ型半導体層１２は例えば、公知のｎ型ドーパントを含むｎ型ＩｎＳｂ（ｎ−ＩｎＳｂ）からなる。次に、ｎ型半導体層１２の上に、ｉ型半導体層１３を成長させる。ｉ型半導体層１３は真性半導体層からなり、例えばＩｎＳｂからなるが、ドーピングされていても良い。さらにｉ型半導体層１３の上に、例えば、公知のｐ型ドーパントを含むｐ型ＩｎＳｂ（ｐ−ＩｎＳｂ）からなるｐ型半導体層１５を成長させる。
【００２２】
次に、工程Ｓ２において、ｐ型半導体層１５の上に、ＧａＡｓからなるキャップ層１６を成長させる。ＧａＡｓからなるキャップ層１６はＩｎＳｂやＡｌＩｎＳｂとエッチングレートが大きく異なる。Ａｓ系の化合物半導体であるＧａＡｓ材料は、Ｓｂ系の化合物半導体であるＩｎＳｂやＡｌＩｎＳｂと比べて元素間の結合力が強くエッチングされ難い材料である。このため、ＧａＡｓは、化合物半導体積層部１１の表面に安定した保護層を形成するのに適した材料である。
【００２３】
キャップ層１６の厚みが厚過ぎると後の工程で除去する必要が生じた場合ＧａＡｓが取れ難くなる。一方、キャップ層１６の厚みが薄すぎると表面保護の効果が得られない。このため、キャップ層１６の厚みは１〜２０ｎｍとしてよく、さらに２〜１０ｎｍとしてもよい。
【００２４】
次の工程Ｓ２０は、図５（ｂ）に示すように、エピタキシャルウエハ５０のキャップ層１６上にレジストマスク１８を形成するマスク形成工程である。このレジストマスク１８は、化合物半導体積層部１１をウェットエッチングして半導体メサを形成するためのマスク層である。レジストマスク１８のパターンは、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて、半導体メサを形成したい領域にレジストを残し、それ以外の領域からレジストを除去するように形成する。
【００２５】
次の工程Ｓ３０は、図５（ｃ）に示すように、レジストマスク１８を用いて化合物半導体積層部１１をウェットエッチングすることにより、基板１０上に化合物半導体積層部を含む半導体メサ１１ａを形成するメサ形成工程である。このときに使用されるエッチャントは、例えば塩酸、過酸化水素および水の混合液が使用される。メサ形成工程では、キャップ層１６、ｐ型半導体層１５、ｉ型半導体層１３およびｎ型半導体層１２がこの順番でウェットエッチングされる。半導体メサ１１ａは、エッチングされたキャップ層１６ａと、エッチングされたｐ型半導体層１５ａと、エッチングされたｉ型半導体層１３ａと、エッチングされたｎ型半導体層１２ａとを含む。
半導体メサ１１ａを形成した後、レジストマスク１８を有機溶剤等によって除去する。
【００２６】
［配線層の形成］
本実施形態では、例えば図６（ａ）に示すように、上述の製造方法で形成される半導体メサ１１ａを同一の基板１０上に同時に複数形成する。そして、図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、隣り合う半導体メサ１１ａの間を分離する。例えば、隣り合う半導体メサ１１ａの間の領域のｎ型半導体層１２ａの一部を除去することにより、隣り合う半導体メサ１１ａは互いに分離される。このとき、キャップ層１６は除去しても良い。キャップ層１６の除去には、例えばＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法のようなドライエッチング方法が用いられる。またキャップ層１６が電極とのコンタクトに影響を与えない場合、キャップ層１６は残したままでもよい。
【００２７】
次に、図６（ｂ）に示すように、基板１０上に絶縁膜２１を堆積する。絶縁膜２１は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）であり、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成される。次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、絶縁膜２１のうちのキャップ層１６の直上に位置する一部を除去し、キャップ層１６を底面とするコンタクトホール２３ａを形成する。また、コンタクトホール２３ａを形成する際に、絶縁膜２１のうちのｎ型半導体層１２ａの直上に位置する一部を除去し、ｎ型半導体層１２ａを底面とするコンタクトホール２３ｂを形成する。
【００２８】
次に、このコンタクトホール２３ａ，２３ｂを埋め込むように基板１０の上方に金属膜を堆積する。この金属膜は、例えば蒸着法またはスパッタリング法を用いて形成される。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、この金属膜を部分的に除去する。これにより、図６（ｃ）に示すように、配線層２５が形成される。例えば、この配線層２５により、隣り合う半導体メサのうち、一方の半導体メサ１１ａのコンタクトホール２３ａに露出するキャップ層１６と、他方の半導体メサ１１ａのコンタクトホール２３ｂに露出するｎ型半導体層１２ａとが接続される。これにより、複数の半導体メサ１１ａを例えば直列に接続して、単一の赤外線センサを構成する。その後、例えばＣＶＤ法を用いて、基板１０上に絶縁性の保護膜２７を堆積する。この保護膜２７は、配線層２５や半導体メサ１１ａが水分等に触れることを防する。以上の工程を経て、複数の半導体メサ１１ａを備えた赤外線センサ１００が完成する。
【００２９】
＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態は、以下の効果を奏する。
エピタキシャルウエハ上に形状が均一な半導体メサが形成されるため、半導体メサの上部面積のばらつきが小さく、素子抵抗などの特性が、同一エピタキシャルウエハ上で均一な赤外線センサを形成できる。またＧａＡｓ材料で形成されたキャップ層は安定に作成可能であるためエピタキシャルウエハ間の赤外線センサの特性ばらつきも小さくすることが可能となる。
また、本実施形態に係る赤外線センサの製造方法を用いると、バリア層がない場合でもばらつきが少なく安定して半導体メサを形成できる。
【００３０】
（実施例１）
半絶縁性の、ＧａＡｓからなる基板（基板面方位（１００））にＭＢＥ法を用いてＩｎＳｂを膜厚１μｍエピタキシャル成長し、さらに続けてＧａＡｓからなるキャップ層をＩｎＳｂ上に２０ｎｍ成長し、エピタキシャルウエハを形成した。このエピタキシャルウエハにフォトリソグラフィ技術によってレジストマスクを形成し、塩酸：水：過酸化水素水＝１７０：４４０：３０の体積割合で混合したエッチャントを使用してウェットエッチングを行い半導体メサを形成した。形成された半導体メサの断面を電子顕微鏡で確認した結果を図７に示す。図７に示すようにキャップ層の下のＩｎＳｂは安定したメサ形状を示した。
【００３１】
（実施例２）
半絶縁性の、ＧａＡｓからなる基板（基板面方位（１００））にＭＢＥ法を用いてＩｎＳｂを膜厚１μｍエピタキシャル成長し、さらに続けてＧａＡｓからなるキャップ層をＩｎＳｂ上に１ｎｍ成長し、エピタキシャルウエハを形成した。このエピタキシャルウエハにフォトリソグラフィ技術によってレジストマスクを形成し、塩酸：水：過酸化水素水＝１７０：４４０：３０の体積割合で混合したエッチャントを使用してウェットエッチングを行い半導体メサを形成した。形成された半導体メサの断面を電子顕微鏡で確認した結果を図８に示す。図８に示すようにキャップ層の下のＩｎＳｂは安定したメサ形状を示した。
【００３２】
（比較例）
半絶縁性の、ＧａＡｓからなる基板（基板面方位（１００））にＭＢＥ法を用いてＩｎＳｂを膜厚１μｍエピタキシャル成長し、エピタキシャルウエハを形成した。このエピタキシャルウエハの表面酸化膜を１規定の希塩酸によって除去した。このエピタキシャルウエハ上にフォトリソグラフィ技術によってレジストマスクを形成し、塩酸：水：過酸化水素水＝１７０：４４０：３０の体積割合で混合したエッチャントを使用してウェットエッチングを行った。ＩｎＳｂとレジストマスクとの密着性が低く、エッチング中にレジストマスクの一部が剥がれたため、安定したエッチングを行うことが出来なかった。
【００３３】
上記の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０，２１０  基板
１１  化合物半導体積層部
１１ａ，２１１ａ  半導体メサ
１２，１２ａ  ｎ型半導体層
１３，１３ａ  ｉ型半導体層
１５，１５ａ  ｐ型半導体層
１６，１６ａ  キャップ層
１８，２１８  レジストマスク
２１  絶縁膜
２３ａ，２３ｂ  コンタクトホール
２５  配線層
２７  保護膜
５０  エピタキシャルウエハ
１００  赤外線センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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