(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板本体上に、各々異なる電極電位を有する第１の層と第２の層とをこの順に設けた半導体基板の表面電極電位を測定しながら、上記第２の層をウエットエッチングする半導体装置の製造方法であって、
上記第１の層がｐ型半導体層、上記第２の層がｎ型半導体層であり、上記ｎ型半導体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照射し、上記半導体基板の表面電極電位を測定しながら、上記ｎ型半導体層をウエットエッチングして、
上記半導体基板の表面電極電位が、上記第２の層の電極電位から上記第１の層の電極電位へ変化する電位変化領域で上記半導体基板表面に負の電位を印加することによりエッチングを停止することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板を浸漬するエッチング液と、このエッチング液でエッチングされる際の、上記半導体基板の表面電極電位を測定する電位差測定器と、エッチング中の上記半導体基板の表面電極電位の変化により、エッチングを停止するエッチング停止手段とを備えた半導体装置の製造装置であって、
上記エッチング停止手段が、浸漬された上記半導体基板の表面に負の電位を印加する電源であることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体層を積層した半導体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およびこれに用いる半導体装置の製造装置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）等の半導体装置は伝導型の異なるｐ型とｎ型の半導体膜が積層された構造を有し、製造工程において、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。
特に、Ｓｉを用いた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】
また、窒化物半導体は３ｅＶ以上の広いバンドギャップを有するワイドバンドギャップ半導体であり、橙色から紫外領域までの広い短波長発光素子材料として用いられ、１００℃を超える高温でも安定して動作するため、高温動作用の半導体としての利用が期待されている。
窒化物半導体は単膜で使用することは稀であり、ＬＤを作製する場合、窒化物半導体を多層積層して成長させ、エッチングによる溝形成や電極を形成する処理をおこなう。
また、窒化物半導体は化学的に安定な材料であるが、バンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射しながらウエットエッチングをおこなう方法が検討され、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。
【０００４】
そこで、伝導型や組成の異なる半導体膜間の界面でエッチングの停止を制御するために、エッチング時間を厳密に制御する方法や、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｛Ｅｔｃｈｉｎｇ  Ｓｔｏｐ  Ｌａｙｅｒ（ＥＳＬ）｝を形成する方法がある。
【０００５】
図１２は上記公報に開示されている、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を行った後の、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Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓ、５５はＧａ０．８５Ａｌ０．１５Ａｓ活性層、５６はｐ型のＧａ０．５Ａｌ０．５Ａｓクラッド層、５７はｐ型のＧａ０．８Ａｌ０．２ＡｓからなるＥＳＬ、５８はｎ型のＧａ０．４Ａｌ０．６Ａｓ電流ブロック層、５８ａはストライプの窓、５９はＩ型のＧａ０．５Ａｌ０．５Ａｓクラッド層、６０はＧａＡｓコンタクト層である。
即ち、ストライプ状の窓５８ａを形成するためにｎ型Ｇａ０．６５Ａｌ０．３５Ａｓ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Ｇａ０．５Ａｌ０．５Ａｓクラッド層５６に及ばないようにｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２ＡｓのＥＳＬ層５７を形成してある。これはエッチング溶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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エッチング時間を厳密に制御する方法は、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。
また、上記従来のＥＳＬの挿入によるエッチングの停止は、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ため、ＥＳＬでエッチングが再現性良く停止しないという課題があった。
【０００７】
本発明はかかる課題を解消するためになされたもので、エッチング状態をモニターできるので、異なる半導体膜間の界面でエッチングを精度良く停止し、ウエットエッチングの加工精度を向上できる半導体装置の製造方法とこれに用いる製造装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板本体上に、各々異なる電極電位を有する第１の層と第２の層とをこの順に設けた半導体基板の表面電極電位を測定しながら、上記第２の層をウエットエッチングする半導体装置の製造方法であって、上記第１の層がｐ型半導体層、上記第２の層がｎ型半導体層であり、上記ｎ型半導体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照射し、上記半導体基板の表面電極電位を測定しながら、上記ｎ型半導体層をウエットエッチングして、上記半導体基板の表面電極電位が、上記第２の層の電極電位から上記第１の層の電極電位へ変化する電位変化領域で上記半導体基板表面に負の電位を印加することによりエッチングを停止することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１５】
本発明に係る半導体装置の製造装置は、半導体基板を浸漬するエッチング液と、このエッチング液でエッチングされる際の、上記半導体基板の表面電極電位を測定する電位差測定器と、エッチング中の上記半導体基板の表面電極電位の変化により、エッチングを停止するエッチング停止手段とを備えた半導体装置の製造装置であって、上記エッチング停止手段が、浸漬された上記半導体基板の表面に負の電位を印加する電源であることを特徴とする半導体装置の製造装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法に用いる半導体装置の製造装置の構成図、図２は図１を、ウエットエッチングされる半導体基板と、この半導体基板の表面電位の測定とに限定して簡略化して示す説明図である。
図１および図２において、１はエッチング液、２は半導体基板で、２０は半導体基板本体、２１は第１の層、２２は第２の層で、上記第１の層２１と第２の層２２は各々異なる電極電位を有する。３は半導体基板ホルダー、４はエッチング槽、７はマグネチックスターラー、８は参照電極、８１は参照電極８のガラスキャピラリ管、８２はエッチング領域、９は電位差計、６は半導体基板２と電位差計９とを接続するための接続電極、１０はレジスト膜である。
なお、本実施の形態においては、半導体基板２としては、サファイアからなる半導体基板本体２０上に、第１の層２１および第２の層２２としてＩ型ＡｌＡｓおよびＩＩ型ＧａＡｓを積層したものを用い、エッチング液として、過酸化水素と酒石酸の混合溶液を用いる。
【００２０】
上記のように、第１の層２１と第２の層２２とが積層されている半導体基板２と、電位差計９とを電気的に接続するために、接続電極６を第１の層２１の側壁に接続する。この場合、半導体基板２の表面のエッチング領域８２以外はレジスト膜１０で被覆して、エッチング液１との接触を防止する。
本実施の形態では、半導体基板本体２０には絶縁性のサファイア基板を用いたために、第１の層２１で電気的に接触したが、導電性の基板を用いる場合は基板に接続電極を接続することも可能である。ただし、その際はエッチング領域８２以外は半導体基板全面をレジスト膜等で被覆し、エッチング液との接触を防止する必要がある。
【００２１】
次に、上記半導体基板２を、エッチング溶液１に浸漬し、第２の層２２のエッチングを開始するが、同時に、エッチング領域８２近傍には銀／塩化銀からなる参照電極８と接続したガラスキャピラリー電極８１を設置し、半導体基板２の表面電位と参照電極８との電位の差を電位差測定器９により測定する。
【００２２】
図３は、上記のようにしてウエットエッチングしたときの、エッチング時間による半導体基板の表面電位の電位変化を示す特性図で、図において、縦軸は電極電位、横軸はエッチング時間である。
図に示すように、半導体基板の表面電位は、エッチング領域の底面が第２の層の範囲にある状態Ａ２では第２の層が有する電極電位（図中、第２の電位）が測定され、上記底面が第１の層に到達し第１の層の範囲にある状態Ａ１では第１の層が有する電極電位（図中、第１の電位）が測定され、第２の電位から第１の電位に変化する変化領域Ａ１−Ａ２が存在する。
エッチング領域の底面が第１の層に達した際も、エッチング領域側面に第２の層は残存するが、電気抵抗が最も低いエッチング領域底面の第１の層の電位が支配的となるため、測定電位は第１の層の電位に対応する。
【００２３】
上記のようにして、ウエットエッチング中に、半導体基板表面の電極電位を測定することにより、エッチング状態をモニターすることができ、ウエットエッチングを停止すべき点を精度良く決定することができる。
つまり、本発明においては、ウエットエッチング状態をモニターすることができるので、ウエットエッチングの停止を的確に判断でき、加工精度を向上することができる。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態１において、第２の層がｎ型の窒化物半導体のうち代表的な窒化ガリウム（ＧａＮ）である場合について説明する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）のアルカリ溶液のエッチング溶液中での溶解反応は一般的に以下の式（１）で示すように正孔が関与する。
ＧａＮ＋６ＯＨ−＋３ｈ＋→ＧａＯ３３−＋０・５Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ  ・・（１）
（式中、ｈ＋は正孔を示す。）
【００２５】
図４はウエットエッチング時の、エッチング溶液に接した窒化物半導体（ｎ型半導体）の溶解反応を、窒化物半導体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は価電子帯端である。
【００２６】
上式に示すように、窒化物半導体が液中で溶解するためには、反応過程で正孔が半導体と溶液との界面に拡散し、消費される必要がある。
半導体と溶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、通常、図４に示すように、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。
しかし、上記実施の形態１に用いた製造装置に、浸漬された半導体基板の表面に正の電位を印加する電源を加えて、エッチング中の半導体基板の表面に正の電位を印加することで、図６に示すように半導体内部に電位勾配を発生させ、価電子帯の正孔が窒化物半導体と溶液界面に拡散する速度を増加させ、エッチング速度を増加させることが可能である。図６は、エッチング中に、半導体基板の表面に正の電位を印加した場合のエッチング溶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る。
【００２７】
実施の形態３．
実施の形態２において、エッチング中の半導体基板の表面に正の電位を印加することで半導体内部に電位勾配を発生させ、価電子帯の正孔が窒化物半導体と溶液界面に拡散する速度を増加させる代わりに、上記実施の形態１に用いた製造装置に、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、浸漬された半導体基板に照射する光源を加えて、エッチング中の半導体基板に上記光を照射することにより、ｎ型半導体内部で電子が励起されて正孔が形成され、エッチングを進行させる。
図５は本発明の第２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、エッチング溶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を示す。
【００２８】
即ち、光を照射することにより、窒化物半導体内部で電荷分離を起こし、価電子帯に正孔を発生することでエッチング中、この正孔がＧａＮ／溶液界面に拡散、消費されることでエッチングを進行させる。
【００２９】
なお、ｐ型の半導体についてはバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射しない場合でも価電子帯に正孔が存在するため、光照射はエッチング速度にほとんど影響を及ぼさない。
【００３０】
また、本実施の形態において、実施の形態２と同様に、エッチング中の半導体基板表面に正の電位を印加することで半導体内部に図６に示すように、電位勾配を発生させ、価電子帯の正孔が窒化物半導体／溶液界面に拡散する速度を増加させることができる。
【００３１】
図７は本実施の形態の半導体装置の製造方法によりエッチングされる半導体基板の構成を示す構成図で、６１は半導体基板本体であるサファイア基板、６２は第１の層であるｐ型ＧａＮ膜（膜厚２００ｎｍ）、６３は第２の層であるｎ型ＧａＮ膜（膜厚６００ｎｍ）、６４はマスクフィルムである。６４のマスクフィルム以外はいずれも有機金属気相析出法（ＭＯ−ＣＶＤ）により積層した。
【００３２】
現在、図１２で示したようなストライプ型のＬＤはＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体では実現されていないが、今後、生産性に優れたストライプ構造を有するＬＤの開発は必須である。
図１２と同様のストライプ型のＬＤ構造を実現するために、ストライプ窓をウエットエッチングで制御性良く形成する技術が必要である。そこで、モデル構造として上記図７に示す基板を形成し、ウエットエッチング実験をおこなった。
【００３３】
図８は本実施の形態で使用した製造装置の構成図で、２は図７に示す半導体基板、５はＵＶ照射Ｘｅ光源、５Ａは光ファイバー製のＵＶライトガイドである。本実施の形態において、ウエットエッチング用の溶液１として、水酸化カリウム溶液（１ｍｏｌ／ｌ）を用い、半導体基板のエッチング領域の近傍からキャピラリーチューブと銀／塩化銀により形成された参照電極８を接続した。ＵＶ光はＵＶライトガイド５Ａを用いてＧａＮ半導体基板２全面に照射し、第１の層の側面に接続した接続電極６と参照電極との間の電位差は電位差計９を用いて測定しながらエッチングをおこなった。
【００３４】
図９は上記のようにして、ＵＶ光を照射しながら図７に示した断面構造を有する半導体基板２をウエットエッチングした際のエッチング時間による半導体基板表面電極電位の変化を示す特性図である。
エッチング初期のｎ層がエッチングされている領域では、電位は−１．３３Ｖ（ｖｓ  Ａｇ／ＡｇＣｌ）であるが、Ｐ層が表面に露出すると電位が−０．８３Ｖ（ｖｓ  Ａｇ／ＡｇＣｌ）に変化する。このことから、エッチング中の半導体基板表面の電極電位をモニターすることでサンプルのエッチング状態をモニターできる。
【００３５】
図９において、例えば、半導体基板表面の電極電位が、Ｐ層の電極電位（予め測定しておく）の、±０．１Ｖに達した時点で光照射を停止すると、エッチング速度が低下してエッチングが停止し、エッチング後の面内ばらつきは±０．１μｍ程度になる。
【００３６】
実施の形態４．
図１０は本実施の形態で使用した製造装置の構成図であり、図８の製造装置において、さらに白金対極１２を備えた電源（ポテンシオスタット）１１を用いたものである。
実施の形態３において、図１０の製造装置を用いる他は実施の形態３と同様にして半導体基板をウエットエッチングした。
【００３７】
実施の形態３と同様に、図９と同様の特性図を得た。実施の形態３と同様にしてエッチング停止時点を決定するが、実施の形態３では、光照を停止することでエッチング速度は低下するが、蛍光灯照明下でエッチングをおこなう場合には蛍光灯から発生する光に紫外領域の波長成分が含まれているために、エッチングは完全に停止しない。しかし本実施の形態では、上記光照射の停止と同時にポテンシオスタット１１により半導体基板表面に負の電位を印加することにより、エッチングを完全に停止させることができる。
実際に、エッチングの停止に、光照射の停止と−２Ｖへのカソードバイアス印加によりエッチングが停止し、エッチング後の面内ばらつきは±０．０５μｍ以内で制御性良く停止することがわかった。
【００３８】
図１１は、本実施の形態において、エッチングの停止のために、−２Ｖの電位を半導体基板に印加した際のＧａＮの電子のバンド構造を示す説明図である。
つまり、光照射による電荷分離により生成した価電子帯の正孔は電子のバンドが下向きに曲がるためにＧａＮ／溶液界面への拡散が防止され、エッチングは完全に停止する。
【００３９】
実施の形態５．
図７において、半導体基板本体６１がＳｉ基板、第２の層６２がｐ型ＳｉＣ膜（膜厚２００ｎｍ）、第１の層６３がｎ型ＳｉＣ膜（膜厚６００ｎｍ）である半導体基板を用いる他は実施の形態３と同様にしてウエットエッチングをおこなう。
【００４０】
ただし、ＳｉＣの場合には、ＧａＮの場合とは電位差が異なる。また、この場合には溶液として２．５％のＨＦ水溶液を使用した。この場合、ｎ層からｐ層にエッチング領域が変化した場合にｎ層の電極電位とｐ層の電極電位の差が＋０．８Ｖあることが観察され、電位測定によりウエットエッチング状態のモニターが可能であることがわかった。また、電極電位がｐ層の電極電位に変化した時点でＵＶ照射の停止と−２Ｖのカソードバイアスの印加をおこなったところ、エッチングの制御が目的とする領域で±０．０５μｍ以下となることがわかった。
【００４１】
実施の形態６．
実施の形態３において、エッチング液として硫酸またはクエン酸を用いても良い。また、反応を促進するために、過酸化水素をエッチング溶液に添加しても良い。
エッチング液としてフッ酸と単体ではＧａＮをエッチングしない酸との混合溶液を用いても同様の効果が得られる。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。
酸同士の混合エッチング溶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。
【００４２】
実施の形態７．
実施の形態３において、ウエットエッチングする材料としてはＧａＮに限らず、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、アルミガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）、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）でも良い。また、ウエットエッチングする半導体基板の作成方法については実施の形態３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。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板本体上に、各々異なる電極電位を有する第１の層と第２の層とをこの順に設けた半導体基板の表面電極電位を測定しながら、上記第２層をウエットエッチングする方法で、エッチング状態をモニターすることができ、加工精度が向上するという効果がある。また、上記第１または第２の半導体装置の製造方法において、第１の層がｐ型半導体層、第２の層がｎ型半導体層であり、上記ｎ型半導体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照射し、上記半導体基板の表面電極電位を測定しながら、上記ｎ型半導体層をウエットエッチングする方法で、ｎ型半導体層のエッチング精度が向上するという効果がある。また、半導体基板の表面電極電位が、第２の層の電極電位から第１の層の電極電位へ変化する電位変化領域でエッチングを停止する方法で、加工精度が向上するという効果がある。また、電位変化領域でのエッチングの停止は、半導体基板表面に負の電位を印加することによりおこなう方法で、さらにｎ型半導体層のエッチング精度が向上するという効果がある。
【００４５】
本発明の半導体装置の製造方法において、第１の層がｐ型半導体層、第２の層がｎ型半導体層であり、半導体基板の表面に正の電位を印加しながら、ｎ型半導体層をウエットエッチングする方法は、ｎ型半導体層のエッチング精度が向上するという効果がある。
【００４７】
本発明の半導体装置の製造方法において、半導体基板表面に正の電位を印加しながら、ｎ型半導体層をウエットエッチングする方法は、特にエッチング速度が向上するという効果がある。
【００４８】
本発明の半導体装置の製造方法において、電位変化領域でのエッチングの停止を、光照射を停止することによりおこなう方法は、さらにｎ型半導体層のエッチング精度が向上するという効果がある。
【００５０】
本発明の半導体装置の製造装置は、半導体基板を浸漬するエッチング液と、このエッチング液でエッチングされる際の、上記半導体基板の表面電極電位を測定する電位差測定器と、エッチング中の上記半導体基板の表面電極電位の変化により、エッチングを停止するエッチング停止手段とを備えたもので、エッチングの加工精度が向上するという効果がある。また、エッチング停止手段が、浸漬された半導体基板の表面に負の電位を印加する電源のもので、ｎ型半導体層のエッチングの加工精度が向上するという効果がある。
【００５１】
本発明の半導体装置の製造装置において、浸漬された半導体基板の表面に光を照射する光源を備えることにより、エッチングの速度が増すという効果がある。
【００５２】
本発明の半導体装置の製造装置において、浸漬された半導体基板の表面に正の電位を印加する電源を備えることにより、ｎ型半導体層のエッチングの速度が増すという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  発明の実施の形態の半導体装置の製造方法に用いる半導体装置の製造装置の構成図である。
【図２】  図１を、ウエットエッチングされる半導体基板と、この半導体基板の表面電位の測定とに限定して簡略化して示す説明図である。
【図３】  実施の形態に係わる、エッチング時間による半導体基板の表面電位の電位変化を示す特性図である。
【図４】  実施の形態に係わる、エッチング溶液に接した窒化物半導体（ｎ型半導体）の溶解反応を、窒化物半導体のバンドモデルを用いて説明する説明図である。
【図５】  実施の形態に係わる、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、エッチング溶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る。
【図６】  実施の形態に係わる、エッチング中の半導体基板の表面に正の電位を印加した場合のエッチング溶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る。
【図７】  実施の形態の半導体装置の製造方法によりエッチングされる半導体基板の構成を示す構成図である。
【図８】  実施の形態で使用した製造装置の構成図である。
【図９】  実施の形態に係わる、半導体基板のエッチング時間による半導体基板表面電極電位の変化を示す特性図である。
【図１０】  実施の形態で使用した製造装置の構成図である。
【図１１】  実施の形態において、負の電位を半導体基板に印加した際のＧａＮの電子のバンド構造を示す説明図である。
【図１２】  電流ストライプ構造を有する従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【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、１  エッチング液、２  半導体基板、５  光源、２０  半導体基板本体、２１  第１の層、２２  第２の層、８２  エッチング領域、９  電位差計、６接続電極、１０  レジスト膜、１１  電源。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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