JP2008538055A - （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ薄層を作製するためのエッチング技術 - Google Patents

（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ薄層を作製するためのエッチング技術 Download PDF

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Abstract

（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ薄層を製作するためのエッチング技術であり、適当なテンプレートまたは基板が選択されて、所望の面積上に異種イオンが注入されてイオン注入された材料を作る。次に、イオン注入されたテンプレートまたは基板の上にデバイス構造が再成長される。テンプレートの成長表面上面がキャリアウェーハにボンディングされて、ボンディングされたテンプレート／キャリアウェーハからなる構造を形成する。ほかの残留する材料と一緒に基板が除去されて、イオン注入された材料が露出される。ボンディングされたテンプレート／キャリアウェーハからなる構造上のイオン注入された材料は、次に、イオン注入された材料を除去するのに十分な時間、適当なエッチャントに晒される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許仮出願の優先権を主張するものである。
ジェームス・Ｓ・スペック（Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｓｐｅｃｋ）、ベンジャミン・Ａ・ハスケル（Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ａ．Ｈａｓｋｅｌｌ）、Ｐ．モルガン・パチソン（Ｐ．Ｍｏｒｇａｎ Ｐａｔｔｉｓｏｎ）及びトロイ・Ｊ・ベーカー（Ｔｒｏｙ Ｊ．Ｂａｋｅｒ)、による米国特許仮出願第６０／６７０，７９０号、２００５年４月１３日出願、発明の名称「（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ薄層を作製するためのエッチング技術（ＥＴＣＨＩＮＧ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＩＮ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ ＬＡＹＥＲＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１３２−ＵＳ−Ｐ１（２００５−５０９−１）；
この出願は参照として本明細書中に組み込まれる。
本出願は本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の米国特許出願と関係するものである。
ジェームス・Ｓ・スペック、トロイ・Ｊ・ベーカー、及びベンジャミン・Ａ・ハスケルによる米国実用特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ、ｘｘｘ号、本願と同日出願、発明の名称「自立（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎウェーハの製作のためのウェーハ分離技術（ＷＡＦＥＲ ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＦＲＥＥ−ＳＴＡＮＤＩＮＧ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ ＷＡＦＥＲＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１３１−ＵＳ−Ｕ１（２００５−４８２−２）；
この出願は米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、以下の米国特許出願の優先権を主張するものである。ジェームス・Ｓ・スペック、トロイ・Ｊ・ベーカー、及びベンジャミン・Ａ・ハスケルによる米国特許仮出願第６０／６７０，８１０号、２００５年４月１３日出願、発明の名称「自立（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎウェーハの製作のためのウェーハ分離技術（ＷＡＦＥＲ ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＦＲＥＥ−ＳＴＡＮＤＩＮＧ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ ＷＡＦＥＲＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１３１−ＵＳ−Ｐ１（２００５−４８２−１）；
両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。
１．本発明の技術分野
本発明は（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ薄層を作製するためのエッチング技術に関するものである。
２．関連技術の説明
窒化ガリウム（ＧａＮ）ならびに、アルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）を組み込んだ窒化ガリウムに関連する３元または４元合金は、高出力エレクトロニクスおよび可視光及び紫外光の光電子デバイスの作製において広く興味を引いている。残念ながら、ＩＩＩ族窒化物をベースにした有用なデバイスの作製には、２つの広く知られた挑戦すべき課題が存在する。
第１に、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎグループ材料のいずれも、バルクの形態で成長させることは容易ではない。その結果、窒化物材料は一般に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、及び分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）を含む複雑な技術によって成長される。バルク窒化物結晶を作製するのが困難であるため、ＩＩＩ族窒化物薄膜及びデバイスの大多数はヘテロエピタキシャルに、即ちサファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）および炭化珪素（ＳｉＣ）のような異種基板上に成長される。
ヘテロエピタキシャル成長は一般的に、窒化物薄膜中へ欠陥を導入する。その欠陥は貫通転位からクラックや空隙にまで及ぶものであり、それらは全てデバイス特性にとって有害である。窒化物のヘテロエピタキシャル成長中に形成される様々な欠陥の密度を低減するために、多くの技術が開発されてきた。しかしながら、これらの技術の多くは、実際のデバイス構造に比べて厚い膜の成長を含んでいる。これらの工程はさらに別の不純物、点欠陥、不均一性及び歪を基板／窒化物薄膜からなる複合構造に導入しかねず、引き続くデバイス層の作製を複雑にしてしまう。
ＩＩＩ族窒化物デバイス製作が直面している第２の大きな課題は、うまく成長できた場合も、ＩＩＩ族窒化物が化学的、機械的、及び非溶解的な堅牢性を持つことから来るものである。メサや共振器や膜を形成するために窒化物材料を選択的に除去したり、或いは窒化物薄膜から異種基板を完全に除去したりすることが、しばしば必要になる。化学的なエッチングを容易に行うことが出来るシリコンや燐化インジウム（ＩｎＰ）及び砒化ガリウム（ＧａＡｓ）のような従来のＩＩＩ：Ｖ族の半導体とは違って、ＩＩＩ族窒化物のエッチングは非常に困難であることが分かっている。
窒化物表面のイオン照射を含む幾種類かのドライエッチングは、反応性イオン・エッチングや誘導性結合プラズマ・エッチングを含むが、これらは窒化物薄膜及び構造のトップダウン・エッチングとして開発されてきた。このような工程は複雑であり、経費がかかるとともに、残る材料が損傷を受けないように多大な注意が必要である。更に、これらの技術は垂直エッチングに適しているのみで、同じような横方向のドライエッチング技術は存在しない。複雑さが付加されるゆえに、例えば上記したような転位低減技術によって材料の品質が改良されると、ＩＩＩ族窒化物をエッチングできる可能性は減少する。
ＩＩＩ族窒化物に対してある横方向エッチング技術が開発されてきた。このプロセスは光電気化学（ＰＥＣ）エッチングと呼ばれ、バンドギャップよりも大きな光の照射と希塩酸（ＨＣｌ）または水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解液を用いた電気化学セルの形成を組み合わせることによって、薄膜の電子的な性質に基づいて窒化物薄膜の選択的エッチングを行う。入射光が化学結合を破り、光励起された正孔を形成し、それが電解液中の光照射された材料を酸化して、除去を可能とする。この工程はこれまでのところ、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ構造の横方向エッチングを達成する最も有効な技術であるとされている。
しかしながら、ＰＥＣエッチングはいくつかの欠点を持っている。第１にバンドギャップ選択性であり、入射光のエネルギーよりも小さなバンドギャップを持つ材料は全てエッチングされる可能性がある。例えば可視光の光電子デバイスからＩｎＧａＮの柱を除去するように設計されたＰＥＣエッチング・プロセスでは、柱と一緒にＩｎＧａＮ量子井戸もエッチングしてしまう可能性がある。第２に、ＰＥＣエッチング工程の実行は煩雑であり、マスキング、電極形成、適当な光フィルタの作製、及び損傷を与える可能性のある紫外線照射を用いることを必要とする。第３に、達成できるエッチング速度が比較的遅く、１分あたり最大数ミクロンに届く程度である。
薄い（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ構造をその基板から除去することが望まれる応用分野は多く存在する。たとえば、ＳｉＣ基板上にＡｌＧａＮを含む光電子デバイス構造を成長することがしばしば行われる。残念なことに、ＳｉＣのバンドギャップは電磁波スペクトルの近紫外領域にあるため、基板が大半の紫外光発光体からの発光を吸収してしまい、デバイスの外部効率を低下させる。
深紫外発光体を自立ＧａＮ基板上に成長する場合も同様の問題が生じる。光を吸収する基板を除去して、デバイスの膜を透明なキャリアウェーハ上に搭載すると、デバイス効率の増大が可能である。
また第２の例として、微小共振器構造デバイス形態を作製できれば、発光ダイオードの外部効率の改良を達成できる。微小共振器を形成するには異種基板上に非常に薄い（約４０ｎｍから８００ｎｍの）ＩＩＩ族窒化物膜の形成が必要である。これは現状の基板除去および横方向エッチング技術を用いて行うには非常に難しい課題である。
上記したように、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ材料系で高品質の光または電子デバイスを成長するためには、電子的または光学的な活性層を厚い（約４μｍ）ＧａＮ層の上に成長しなければならない。微小共振器型のＬＥＤの作製においては、厚い、ヘテロエピタキシャル成長されたＧａＮテンプレートまたはバッファーをまず第１に成長基板（通常はサファイヤである）から除去し、次いでイオン照射ドライエッチング技術を用いて薄層化しなければならない。高品質の微小空洞共振器を得るためには、±２５ｎｍのエッチングの厚さ制御が必要である。しかしながら、前述したように、ＧａＮのドライエッチングに関してはほとんど選択性がなく、正確な厚さの制御は非常に困難である。
ドライエッチングのもうひとつの欠点は、光学的活性層に損傷を与え、デバイス効率を低下させる可能性があることである。レーザ・アシスト・リフトオフ法でそのような基板の除去を行う試みは、リフトオフとエッチングの工程でデバイス構造がしばしば損傷を受けるので、成功の確率が非常に低く生産性が著しく悪い。リフトオフまたはエッチングによってデバイスが損傷を受けなくても、多くの場合、厚さ制御が困難であり、今日の技術的な要請を満たすには適さない低効率のデバイスが出来てしまう。それ故に、中の窒化物構造に損傷を与えることなく、薄い（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ膜を再現性良く形成するために用いることができる、物理的に選択性のある、垂直方向及び横方向のエッチング技術に対して明確なニーズが存在する。
化学的にも機械的にも堅牢な材料をイオン注入を用いてエッチングすることに関しては、大量の文献が存在する。イオン・スライシングは一種のエピタキシャル・リフトオフ工程であり、イオン注入によって形成された埋込犠牲層を選択的にエッチングする工程を含んでいる。硬い材料が適度なイオンのドーズに晒されて、表面下に損傷層を発生させる。この損傷層は高品質バルク材料よりも化学的な侵食を受けやすくなる。
このイオン・アシスト・エッチング工程の第１の変形例が、１９９５年にオークリッジ国立研究所でダイヤモンドに用いられた。まず、単結晶ダイヤモンドに炭素または酸素が注入されて、その後ダイヤモンドを加熱して損傷層をグラファイト化した。グラファイト層は次に熱クロム酸中でエッチングによって除去され、周囲のダイヤモンドは影響を受けなかった。この技術の次の改良形はダイヤモンド／グラファイト試料を酸素中で、ダイヤモンドに影響を与えることなくグラファイトを選択的に酸化するに十分な高温で加熱する工程を含むものであった。
イオン・スライシングは、金属酸化物電気光学セラミックスの研究において特別な注目を集めた。従来のマイクロエレクトロニクス・デバイスと結合した非線形光導波路に対しては強い要求がある。残念なことに、半導体上に単結晶導波路薄膜を成長することは難しいが、イットリウム鉄ガーネット、ニオブ酸リチウム、及びタンタル酸カリウムを含む、これら導波路材料は単結晶バルクの形態にて入手できる。このようなバルク光学材料は、ヘリウム（Ｈｅ）イオンを注入され、次いで犠牲層をエッチングする前あるいは後に半導体基板にボンディングされたところの単結晶薄膜を剥離するためにウェット・エッチングされる。
ＩＩＩ族窒化物のイオン注入は、主に窒化物ベースのデバイス構造の電子的な性質を改質する目的で何年も前から研究されてきた。しかしながら、２つのグループが窒化ガリウムを選択的にエッチングするためのイオン注入に使用について報告している。
海軍研究所のグループは最近、エッチングの選択性を達成するためにイオン注入を利用して垂直にＧａＮを選択エッチングするプロセスを開示した。彼らが実証したのは、成長後のイオン注入工程であり、これは水酸化カリウムベースのフォトレジスト現像液によってＧａＮの選択的エッチングを促進するために用いることができる。彼らは、選択的に注入されたＧａＮ試料をフォトレジスト現像液に浸すと、イオン注入され露出した領域だけが溶液中でエッチングされることを発見した〔特許文献１〕。この特許文献１は、モルナー（Ｍｏｌｎｅｒ）らの米国特許出願公開第ＵＳ２００２／００９６４９６号、２０００年１１月２９日出願、２００２年７月２５日公開、発明の名称“Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ＧａＮ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｉｏｎ ｂｅａｍｓ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ”であり、彼らの発明のいくつかの応用形態について論じているが、彼らの請求項は具体的にはＧａＮが「画像状（ｉｍａｇｅｗｉｓｅ）」にイオン注入されることを要件としており、表面全体にわたって注入されるものではない。この特許出願の請求項はまた、この注入が全ての成長工程が行われた後に行われるものであり、これによって注入に対してマスクされないデバイス層に損傷を与えることを暗示している。この特許出願はまた、このエッチングが成長表面の上面から起こり、したがってこの技術が微小共振器デバイスの作製には不向きであるということを暗示している。それ故に、マイクロ共振器デバイスの作製のために、デバイス層への損傷を最小にするような再現性のある裏面エッチング技術に対して明瞭なニーズがある。
本発明は傷つきやすいデバイス層を傷つけることなく、テンプレートの裏面から余分な（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎを除去するために用いることが出来る、選択的エッチング技術を提供するものである。上記したように、反応性イオン・エッチングや誘導性結合プラズマ・エッチングのような他の既知のイオン照射エッチング技術は傷つきやすいデバイス層にノックオン損傷を発生させるし、光電気化学エッチングは余分なテンプレート材料だけでなく、活性層である量子井戸層をも侵食しがちである。これら３種の技術のどれもが異なる（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ結晶面に対して異なる速度でエッチングを行う傾向があり、その結果、エッチングされた面には大きなスケールで凹凸が生じる。窒化物化合物半導体が化学的に不活性であるために、イオン注入されていない（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎの化学的エッチングは、あまりにも遅すぎて実用にならない。機械的研磨法を用いてナノメートル・スケールで材料を平坦に除去することは実際上不可能である。本発明はこれら全ての欠点を持たず、かつ広い応用範囲を持っている。本発明の最も見込みのある応用分野はおそらく、微小共振器発光構造のような光電子デバイスの製造分野であろう。なぜならば、本発明はデバイスの共振器そのものをイオン照射、機械的な応力、或いは光照射に晒さないとともに、下方の材料をきちんと除去することを可能としているからである。
米国特許公開第２００２／００９６４９６号
本発明は（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ材料に用いるための選択エッチング技術の方法を提供するものである。特に、このエッチング技術は、基板から窒化物薄膜を分離するために設計されている。それとは別に、本発明は同技術を用いて自立窒化物ウェーハを作製するために用いることが出来る。本発明のさらなる目的は、光電子デバイス応用のための窒化物微小共振器構造を容易に形成することである。
以下、図面を参照し、対応する部分には一貫して同じ参照番号を付与する。
以下の好ましい実施の形態の説明では、添付の図面を参照する。添付の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明を実施することができる特定の実施例を例示するために示す。本発明の範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を利用してもよく、構造上の変化を施しても良いことは明らかである。
概要
本発明は窒化物の選択的エッチングを目的とし、より具体的には、薄膜を作製することを目的としている。本発明は、エピタキシャル成長された窒化物薄膜をその基板或いはテンプレートからｅｘ−ｓｉｔｕで分離することを可能とする、新規な方法について記載するものである。本発明の実施においては、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎテンプレートはイオン注入されて損傷層を形成し、一方、テンプレートの表面はこの工程で何ら影響を受けることなくそのままである。次に、イオン注入されたテンプレート上に（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ薄層またはデバイス構造が成長される。成長後に、ウェーハは成長系から取り出されて、通常のウェーハボンディング技術を用いてサブマウントまたはキャリアウェーハに融着される。
次に、本発明では２つの方法が可能である。第一の選択肢は、この材料系を選択的化学エッチング工程に晒すことである。そこでは、エッチングは横方向に進行して再成長層を基板から分離する。他の選択肢は、まず基板を例えばレーザ・リフトオフ法で除去して、次にイオン注入されたテンプレートに対し再成長表面にあるエッチ・ストップ層まで選択エッチングを行う。これらの工程によって、基板は選択された面積にわたって、或いは全面にわたって除去され、窒化膜構造あるいは厚い窒化物ウェーハが形成される。本発明は微小共振器発光デバイス構造を作製するために特に有用である。
技術に関する説明
本発明は、傷つきやすいデバイス構造に損傷を与えることなく、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ材料を薄い膜または層から非結晶学的に除去する方法を提供するものである。特に、本発明は微小共振器発光デバイスを作製するために有用である。
図１は本発明の好ましい実施形態による、薄いエピタキシャル成長された窒化物層をエッチングする方法を示すフローチャートである。
ブロック１０は、例えばサファイヤ基板上の２μｍ厚のＧａＮの薄膜など、適当なテンプレートまたは基板を選択する工程を示す。代替法としては、付加された層が何もない基板自身を用いてもよいし、１層以上の異種層をもった基板を用いてもよい。
ブロック１２は、テンプレート或いは基板に所望の面積にわたって異種イオンを注入してイオン注入された材料を作製する工程を表している。ここで所望の面積とは、ウェーハ全面の場合から、注入マスクで区切られた少なくとも1つの選択領域の場合までのことを指す。この注入工程は、注入工程のためのイオン注入分布或いは損傷層を選択する工程を含んでいてもよく、注入層または損傷層がイオン注入された材料のエッチング速度および結晶学的なエッチングの起こるリスクを決めるものであってもよい。注入工程はまた、成長温度へ昇温された時に注入されたイオンが会合して大きな空隙を作ることがない程拡散しないように、ドーズと注入されるイオン種を選択する工程を含んでいてもよい。イオン注入された材料は損傷層を形成し、一方、テンプレートの表面は影響を受けずそのままである。損傷層はより容易にエッチングされ、そのエッチングは非注入材料に比べると結晶方位に依存しない。注入工程の後もテンプレートの表面は損傷を受けずに残り、再成長のための高品質結晶表面を提供する。
ブロック１４は、イオン注入されたテンプレートまたは基板上に窒化物構造、特に微小共振器構造を、ＭＯＣＶＤ或いはＭＢＥのような適当な成長技術を用いて再成長する工程を表す。ここで「窒化物構造」とは、厚さが１ｎｍから１００ｍｍにわたる範囲の、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，及びｘ＋ｙ＋ｚ＝１である（Ａｌｘ，Ｉｎｙ，Ｇａｚ）Ｎの層または積層を指している。例えば、窒化物構造は厚さ３００μｍを持つ単層の厚いＧａＮ層であってもよいし、全厚さが５００ｎｍの発光ダイオードへテロ構造であっても良い。
ブロック１６は、従来のウェーハボンディング技術或いは同等な技術を用いて、窒化物構造の露出した成長表面をキャリアウェーハにボンディングして、ボンディングされた窒化物構造／キャリアウェーハからなる構造を作製する工程を表している。
ブロック１８は、レーザ・アシスト剥離技術のような従来の基板除去技術を用いて、窒化物構造／キャリアウェーハからなる構造から基板またはテンプレートを除去する工程を表す。基板は少なくとも１つの選択された面積を、或いは全面にわたって除去され、窒化膜構造または厚い窒化物ウェーハが形成される。
ブロック２０は、必要に応じてそれまで基板／テンプレートの界面であった面とイオン注入された材料の間に残留する材料があればそれを除去して、イオン注入された材料を露出させる工程を表す。
ブロック２２は、イオン注入された材料を除去するために、ボンディングされた窒化物構造／キャリアウェーハからなる構造上のイオン注入された材料を、希薄水酸化カリウムまたは塩酸のような適当なエッチャントに十分な時間晒す工程を表す。エッチャントに晒す工程は、基板から再成長層を分離するためにエッチングが横方向に進行するような化学エッチング工程を行うことを含んでもよい。エッチャントに晒す工程はまた、テンプレートまたは基板表面の下にあって、注入分布または損傷層によって画定されるエッチ・ストップ層まで、イオン注入された材料を選択エッチングする工程を含んでもよい。
この工程は窒化物構造／キャリアウェーハからなる構造を裏面から（即ち、窒化物再成長層を含む表面とは反対の表面から）エッチングすることを可能とするものであり、これによって再成長層に与える損傷を最小にしている。
他の選択肢はブロック１８から２０までを飛ばして、すぐにブロック２２へ行くものである。この場合、ブロック２２におけるエッチングは横方向へアンダーカットするものとなる。基板はエッチングによってデバイス層から除去されることになる。
最終的に、この方法を用いて作製された（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ薄層が得られる。更に、この方法を用いて自立基板、光電子デバイス、トランジスタ、或いは非線形光導波路を作製することもできる。
基板の選択は、（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ薄膜の所望の方位、意図するウェーハ分離技術、及び成長技術を含む様々な要因に依存する。第１の例として、もし成長すべき窒化物薄膜がａ面方向であり、ウェーハ分離技術としてレーザ・アシスト剥離技術を選択するならば、ｒ面サファイヤ基板を選択するのが自然だろう。第２の例として、ｍ面ＧａＮが所望の薄膜の方位であり、ウェット化学エッチングが望ましい基板除去技術である場合には、（１００）γアルミン酸リチウム（ＬｉＡｌＯ）が好適であろう。第３の例として、ｃ面ＧａＮ成長のための基板としては（０００１）Ｓｉ面６Ｈ−ＳｉＣを選ぶことが出来る。その場合、基板除去のためにドライ反応性イオン・エッチング技術を用いることが出来るであろう。これらの例は基板／テンプレートの可能な組み合わせを示唆するものであるが、当業者には他の多くの基板とテンプレート層や構造の組み合わせも本発明の範囲内で選択可能であることが理解される。
上記ブロック１２のイオン注入工程には、いくつかの選択が含まれている。第１に、問題としているテンプレートの全面にイオン注入するか、反対に、選択された面積にだけイオン注入するか選択しなければならない。もし選択された面積だけにイオンを注入する場合には、これは例えばデバイス製作工程におけるメサの形成を容易にするために望まれることであるが、イオン注入の前にテンプレートの表面でマスクを位置決めしなければならない。そのようなマスクの形成と処理技術はイオン注入の分野の中ではよく理解されている。そしてそのような手法は本発明の実施過程においても用いることが出来る。
第２に、注入されるべきイオン種を選択しなければならない。実質的には周期律表内のどの原子もイオン化してテンプレートの中へ注入することが出来る。したがって、特定のイオン種を選ぶことは本発明の応用分野を制限しようとするものではない。実際的には、経費と化学的な視点から、或るイオン種は他よりも注入が容易であることがある。本発明を実施する際にも用いることが出来る、いくつかの良く用いられる注入イオンにはＨｅ，Ａｒ，Ｓｉ，およびＧａが含まれている。
第３に、イオン注入ドーズを選択しなければならない。イオン注入工程の目的は、テンプレートの表面を荒らすこと無しに、テンプレート層に「ノックオン」損傷を誘起することである。損傷を受けた下方のテンプレート材料は、非注入テンプレート材料に比べてより容易に、しかも結晶方位に依存することなくエッチングされる。スマートカット（登録商標）または関連するイオン切断工程に対比して、デバイス成長温度に加熱されるときにテンプレート結晶内でイオンが会合して大きな空隙を作る程イオンが拡散しないように、ドーズは十分に低く、注入されるイオン種は十分に移動度が小さくなければならない。本発明の実施のための典型的なイオン注入ドーズは１０１４から１０１６ｃｍ−２の間である。ただし、実際のドーズは注入されるイオン種に依存し、この範囲から１００倍もずれることもある。正確なドーズを選択することは本発明の実施を基本的に変更するものではない。
なお、イオン切断工程については、本発明の譲受人に譲渡された以下の同時係属の出願の中に記述されている。
ジェームス・Ｓ・スペック、トロイ・Ｊ・ベーカー、及びベンジャミン・Ａ・ハスケルによる米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ、ｘｘｘ号、本願と同日出願、発明の名称「自立（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎウェーハの製作のためのウェーハ分離技術（ＷＡＦＥＲ ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＦＲＥＥ−ＳＴＡＮＤＩＮＧ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ ＷＡＦＥＲＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１３１−ＵＳ−Ｕ１（２００５−４８２−２）；
この出願は米国特許法第１１９条ｅに基づいて、以下の米国特許出願の優先権を主張するものである。ジェームス・Ｓ・スペック、トロイ・Ｊ・ベーカー、及びベンジャミン・Ａ・ハスケルによる米国特許仮出願第６０／６７０，８１０号、２００５年４月１３日出願、発明の名称「自立（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎウェーハの製作のためのウェーハ分離技術（ＷＡＦＥＲ ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＦＯＲ ＴＨＥ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＦＲＥＥ−ＳＴＡＮＤＩＮＧ （Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ ＷＡＦＥＲＳ）」、代理人整理番号３０７９４．１３１−ＵＳ−Ｐ１（２００５−４８２−１）；両出願とも参照として本明細書中に組み込まれる。
第４に、イオン注入分布を選択する必要がある。この選択は主に、テンプレートの厚さと、化学エッチングによって除去されるべきテンプレート材料の深さによって決められる。理想的には、損傷層はテンプレート表面から下に数１０ナノメートルのところからテンプレートの全厚さを経てテンプレート／基板界面まで伸びているのが良い。実際的には、イオン注入の深さは注入されるイオン種のエネルギーによって制限され、約２μｍを越える深さは達成が困難である。それでもなお、本発明はいかなる範囲のイオン注入の深さも含むものと理解すべきである。しかしながら、イオン注入工程の終わった後でテンプレートの表面が傷を受けないで残り、デバイス再成長のために高品質の結晶表面を提供するようなイオン注入分布であることが重要である。
図２（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明の好ましい実施形態によるイオン注入分布の例を示す。この図において「基板表面」及びそれに付随する破線は基板の最上面を示し、「テンプレート表面」とそれに付随する破線はテンプレート層の最上面を示し、「０」から「最大」は注入のドーズを表し、２つの破線間の距離はイオン注入の深さを表し、実線は深さの関数としてのドーズのイオン注入分布を表すものである。
理想的な分布の形は、図２（ａ）に示すようなシルクハット型である。このような分布では、剥離された基板界面からテンプレート層の表面直下のエッチ・ストップ点に至るまでの全ての深さで一様なエッチングが施され、テンプレート表面への損傷はない。
実際には、急峻なイオン注入分布は容易には達成できない。より現実的な分布が図２（ｂ）に示されている。この分布はシルクハット型分布を近似しているが、注入工程において注入されるイオン種のランダム拡散によって両表面でテールを引いている。このような場合は、イオン注入された材料を露出させるためには、剥離された表面から少しの深さだけ機械的研磨またはドライエッチングが必要になる。或る閾値以上の異種イオン濃度（これは注入されるイオン種によって変わるが）を有する注入された材料はすべて、化学エッチング工程で除去される。正確なエッチング速度は局所的なイオンドーズによっても変化する。
そのようなエッチング速度の変化は、図２（ｃ）に示されたような分布を用いて利用することが出来る。イオン濃度がピーク注入ドーズから減少するにつれてエッチング速度は減少するであろう。本発明のこの変化はある種のデバイス応用においては有用である。ただし、ドーズが或る閾値以下になると、結晶学的なエッチングにより斜めの面が現れる危険性が増大する。この記述から、多くの異なるイオン注入分布を本発明に用いることができることが理解される。図２（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示した例は、本発明を実施するに当たって用いるべき分布の形を制限しようとするものと解釈してはならない。
イオン注入に続いて、イオン注入されたテンプレート・ウェーハは、エピタキシャル再成長を促進するために、洗浄されるか、あるいは他の方法で前処理を受けてもよい。ウェーハは次に、これに限るものではないが、ＭＯＣＶＤあるいはＭＢＥの成長室のような適当な成長室へ装填されて、注入されたテンプレート上に構造を成長する。そのような構造は、様々な厚さのバルク（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層から、様々な合金組成とドーパントを組み込んだ複雑な多層構造にまでわたるものである。再成長構造の詳細は本発明の実施に影響を与えるものではない。実際、テンプレート層及び意図しているエッチング液と化学的に合うあらゆる材料をこの工程において成長することができる。
ブロック１６では、再成長構造の自由表面が、ハンドルまたはキャリアウェーハに多岐にわたるウェーハボンディング技術の1つを用いて融着またはボンディングされる。そのような多くのボンディング技術はマイクロエレクトロニクス産業において実施されており、実質的にそのすべてが本発明の実施に適用できるものである。選択されるキャリアウェーハによって本発明の実施が影響を受けることはない。キャリアウェーハは、選択されるエッチャントに対して化学的に不活性であり、その後のウェーハ処理に耐えられる十分な機械的堅牢性を有していなければならず、さらに低価格材料であることが好適である。キャリア材料にはシリコンや多結晶窒化アルミニウムが含まれるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、多くのキャリアウェーハ材料がこのガイドラインを満たしている。
ブロック１８では、ボンディングされたテンプレート／キャリアウェーハからなる構造から元々の成長基板が除去される。上記したように、剥離方法は基板の選択に関係していて、ウェット・エッチング、光または光化学アシスト・エッチング、ドライ・エッチング技術のすべて、レーザ・アシスト剥離技術、機械的な除去、またはテンプレートおよび再成長構造に損傷を与えないようなその他の適当な技術を含んでいる。当業者には多くの基板除去技術を本発明に用いることができるということが理解される。上に列記した第６番目の工程、すなわち、残留する非注入テンプレート材料をテンプレートの裏面から除去する工程の必要性は、基板除去技術、イオン注入分布、およびテンプレートの厚さに依存する。この工程は、イオン注入されたテンプレート材料を自由表面に露出させることを意図している。多岐にわたるウェットまたはドライエッチング技術のいずれもこの工程に用いることが出来る。
最後に、イオン注入された面が露出している裏面を適当なエッチング剤を含む溶液、たとえば水酸化カリウムまたは塩酸に晒す。この両化学薬品は本発明を実施する上で（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎの有効なエッチング剤であることが知られているが、他の多くの酸、塩基、および酸化剤やその他の構成物を含むそれらの溶液を本発明の実施に用いてもよい。本発明の実施において用いることが出来る溶液濃度は、広い範囲にわたる。理想的な濃度はエッチング剤によって異なる。一例として、ＫＯＨ水溶液であれば１から５０％の濃度のものを本発明に用いることができるが、この例は本発明の実施において用いることの出来るエッチング溶液濃度の範囲を制限しようとするものではない。場合によっては、エッチング工程の最中に試料を攪拌して、試料からのエッチング生成物の移動を促進し、試料表面の近くの溶液を新しくしてもよい。また場合によっては、試料に対しバイアスを印加したり、光照射を行ったり、あるいは両者を行って、露出表面に電子−正孔対を発生させて、イオン注入されたテンプレート材料の酸化を促進してエッチング速度を増大させてもよい。
エッチング工程では、イオン注入されたテンプレート材料は、イオン注入ドーズや（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ組成及びエッチャント溶液の特性に依存して、１から５，０００Å/分の範囲の速度で除去される。材料が、エッチャントに晒されているすべてのイオン注入された表面からかなりの速度で除去されるので、エッチングは非結晶学的に起こる。更に、イオン注入されていない材料や、注入されているが異種イオン濃度の低い材料は、エッチャントによって侵食されない。このように、イオン注入分布は、テンプレート材料の除去を容易にするとともに、テンプレート層内にエッチ・ストップ面を定めるのに役に立っていて、これによってエッチング工程は自己制限的になる。また、イオン注入工程後のテンプレート上に再成長したデバイス構造または他の材料は高品質であり、ノック・オン損傷がないので、この引き続いて成長した材料はテンプレートのエッチング工程による影響を受けることはない。本発明は、それ故に、選択性エッチング技術を提供するものであり、この技術は傷つきやすいデバイス層を痛めることなく、テンプレートの裏面から余分な（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎを除去するために用いることが出来る。本発明は、デバイスの共振器そのものをイオン照射や機械的な応力、あるいは光照射に晒すことはなく、なお下方にある材料を範囲を特定して除去可能であるので、この工程は微小共振器型の発光構造の製作に特に有用である。
実施例
以下の実施例は、これらのプロセス工程とその結果について更に説明するものである。
テンプレート・ウェーハは、通常のＭＯＣＶＤ法によって、ｃ面サファイヤ基板上の厚さ２０ｎｍのＡｌＮ核成長層上に厚さ２μｍのＧａＮ薄膜を成長することによって形成される。こうして得られたテンプレート・ウェーハは成長システムから取り出され、次に、Ｇａイオンがウェーハの全面にわたって一様に注入される。その分布は深さ１．５μｍにわたって一様なイオン濃度５×１０１６ｃｍ−２であり、自由表面から深さ５０ｎｍで止まっている。イオン注入されたテンプレートは次に、ＭＯＣＶＤ成長システムに再度装填されて、イオン注入されたテンプレート上に微小共振器ＬＥＤ構造を直接成長する。成長が終わると、ウェーハは室温まで降温される。ウェーハの自由表面はＡｌＮキャリアウェーハにボンディングされ、元々のサファイヤ基板がレーザ・アシスト剥離技術によって除去される。通常の化学機械研磨技術を用いて、切り離された薄膜からＡｌＮ核成長層と約４５０ｎｍの露出した非注入のＧａＮ層を除去する。薄膜／キャリアウェーハからなる構造は次に７５℃に加熱した体積比２０％のＫＯＨ溶液中に置かれ、そこで３０分間浸漬される。この浸漬時間の間に、イオン注入されたＧａＮが化学エッチングによって非結晶学的に除去される。その結果、平坦な自由表面にテンプレート材料が５０ｎｍ残った微小共振器デバイス構造であり、全てキャリアウェーハにボンディングされているものが得られる。
参考文献
エッチングの選択性増大のためにイオン注入を用いることに関しては、かなりの量の文献が存在する。これら文献の中のいくつかを以下に列挙する。しかしながら、従来技術はどれも本明細書に記載したような（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ基板または薄膜に関する応用を示唆するものではない。以下の参考文献は本発明に関連するものとして引用され、参照として本明細書に組み込まれるものとする。
１．Ｌｅｖｙらによる米国特許第６，１２０，５９７号、２０００年９月１９日発行、発明の名称“Ｃｒｙｓｔａｌ ｉｏｎ−ｓｌｉｃｉｎｇ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｌｍｓ”、この特許は金属酸化物のイオン・スライス法を扱っている。この特許となった研究は本発明の背景技術を提供するものであるが、この特許は本願発明の場合のような金属窒化物をイオン・スライスすることについては言及していない。
２．Ｍ．Ｓ．Ｍｉｎｓｋｙら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６８（１１）１５３１（１９９６）、光電気化学（ＰＥＣ）ウェット・エッチングの最初の実験がＵＣＳＢのＭ．Ｓ．Ｍｉｎｓｋｙによって行われた。この論文は、本発明の背景技術をなすＰＥＣエッチング・プロセスに関する参考文献として挙げたものである。
３．Ｍｏｌｎａｒらによる米国特許公開公報第２００２／００９６４９６号、２０００年１１月２９日出願、２００２年７月２５日公開、発明の名称“Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ＧａＮ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｉｌｍｓ ｗｉｔｈ ｉｏｎ ｂｅａｍｓ ａｎｄ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｗｅｔ ｅｔｃｈｉｎｇ”、海軍研究所（ＮＲＬ）のＭｏｌｎａｒのグループは本明細書中のイオン注入されたＧａＮのエッチングについて論じている。
結論
これで本発明の好ましい実施形態の説明を終わる。本発明の一つ以上の実施形態に関する上記の記述は例示と説明を目的として行われたものである。開示の形態そのものによって本発明を包括または限定することを意図するものではない。本発明の本質から基本的に外れることなく、本明細書に記載した工程に付加的な調整工程を加えるなど、上記の教示に照らして多くの変更と変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって制限されるものではなく、本明細書に添付の請求項によって限定されるものである。
本発明の好ましい実施形態のプロセス工程を示すフローチャートである。 本発明の好ましい実施形態による試料のイオン注入分布を示す。

Claims (18)

  1. エピタキシャル成長された薄い窒化物層をエッチングする方法であって、
    （ａ）適当なテンプレートまたは基板を選択する工程と、
    （ｂ）該テンプレートまたは基板に異種イオンを所望の面積にわたって注入してイオン注入された材料を作製する工程と、
    （ｃ）前記イオン注入されたテンプレートまたは基板上に窒化物構造の再成長を行う工程と、
    （ｄ）該窒化物構造の露出している成長表面をキャリアウェーハにボンディングして、ボンディングされた窒化物構造／キャリアウェーハからなる構造を作製する工程と、および、
    （ｅ）前記イオン注入された材料を除去するのに十分な時間、前記ボンディングされた窒化物構造／キャリアウェーハからなる構造上の前記イオン注入された材料を適当なエッチャントに晒す工程と、
    を備えることを特徴とする方法。
  2. 前記ボンディング工程（ｄ）の後で、かつ前記エッチャントに晒す工程（ｅ）の前に、前記窒化物構造／キャリアウェーハからなる構造から前記テンプレートまたは基板を除去する工程を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記テンプレートまたは基板を除去した後で、かつ前記エッチャントに晒す工程（ｅ）の前に、前記イオン注入された材料を露出するために、残留する材料を除去する工程を更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  4. 前記所望の面積が、ウェーハ全体の場合から、注入マスクによって画定された少なくとも一つの選択領域の場合までを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  5. 前記イオン注入された材料は、前記テンプレートの表面には影響を及ぼさずに損傷層を形成し、該損傷層が非注入材料に比べて容易に、かつ結晶方位に関係なくエッチングされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  6. 前記エッチャントに晒す工程（ｅ）が、エッチングが横方向に進行し、前記再成長層を前記基板から分離する化学エッチング工程を行うことを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  7. 前記エッチャントに晒す工程（ｅ）が、前記テンプレートまたは基板の表面下で、注入分布または損傷層によって決まるエッチ・ストップまで前記イオン注入された材料を選択エッチングする工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  8. 前記テンプレートまたは基板が、少なくとも一つの選択された面積にわたって、或いは全面にわたって除去され、少なくとも一つの窒化膜構造または少なくとも一つの厚い窒化物ウェーハを形成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  9. 前記テンプレートまたは基板の表面が前記イオン注入工程（ｂ）の後に損傷を受けずに残り、前記再成長のための高品質結晶表面を提供することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  10. 前記イオン注入工程（ｂ）が、成長温度に加熱された時に、注入されたイオンが会合してバルクの空隙を造るほどには拡散しないように、ドーズと注入されるイオン種を選択する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  11. 前記イオン注入工程（ｂ）が、該注入工程（ｂ）によって出来る注入分布または損傷層を選択する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  12. 前記注入分布が、前記イオン注入された材料に対するエッチング速度と、結晶学的なエッチングの起こる危険性とを決定することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記注入分布または損傷層が、前記テンプレートまたは基板表面下の数１０ナノメートルから前記テンプレートまたは基板の厚さ方向に伸びることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  14. 請求項１に記載の方法を用いて作製した（Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ）Ｎ層または薄膜。
  15. 請求項１に記載の方法を用いて作製した光電子デバイス。
  16. 請求項１に記載の方法を用いて作製した自立基板。
  17. 請求項１に記載の方法を用いて作製したトランジスタ。
  18. 請求項１に記載の方法を用いて作製した非線形光導波路。
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