JP2016527713A - ドライエッチングによる3d半導体構造の除去 - Google Patents
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Abstract
種々の実施形態は、支持部から離れるように延びる複数のナノ構造を提供することと、ナノ構造間に流動性材料層を形成することと、流動性材料の第2の部分及び複数のナノ構造の第2の部分がパターン化されたマスクの下に配置されないように、流動性材料の第1の部分及び複数のナノ構造の第1の部分の上にパターン化されたマスクを形成することと、流動性材料の第1の部分及び複数のナノ構造の第1の部分をエッチングせずに残すように流動性材料の第2の部分及び複数のナノ構造の第2の部分を除去するために、流動性材料の第2の部分及び複数のナノ構造の第2の部分をエッチングすることとを含む半導体素子を製造する方法を含む。
Description
本発明は、ドライエッチングによる3D半導体構造の除去に関する。
ナノワイヤ発光ダイオード(LED)は、平面LEDの代わりとして益々関心を集めている。従来のプレーナ技術を用いて生成されたLEDと比較して、ナノワイヤLEDは、ナノワイヤの3次元性の特質、格子整合の制限がより少ないために向上した材料の組み合わせの適応性及びより大きな基板上で処理するための機会を与える。
実施形態は、支持部から離れように延びる複数のナノ構造を提供することと、ナノ構造間に流動性材料層を形成することと、流動性材料の第2の部分及び複数のナノ構造の第2の部分がパターン化されたマスクの下に配置されないように、流動性材料の第1の部分及び複数のナノ構造の第1の部分の上にパターン化されたマスクを形成することと、流動性材料の第1の部分及び複数のナノ構造の第1の部分をエッチングせずに残すように流動性材料の第2の部分及び複数のナノ構造の第2の部分を除去するために、流動性材料の第2の部分及び複数のナノ構造の第2の部分をエッチングすることとを含むエッチング方法に関する。
実施形態は、支持部から離れるように延びる複数のナノ構造を提供することと、ナノ構造間に流動性材料層を形成することと、複数のナノ構造の第1の部分の上に配置された流動性材料の第1の部分が複数のナノ構造の第2の部分の上に配置された流動性材料の第2の部分より厚いように流動性材料をパターニングすることと、流動性材料の第1の部分の厚さを減少して複数のナノ構造の第1の部分をエッチングせずに残し、流動性材料の第2の部分及び複数のナノ構造の第2の部分を除去するように流動性材料をエッチングすることと含むエッチング方法に更に関する。
本明細書に取り入れられ且つ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態の例を示し、先に示した一般的な説明及び以下に示す詳細な説明と共に、本発明の特徴を説明するためのものである。
図1は、本発明の実施形態に係るナノワイヤLED素子の原理を概略的に示す垂直断面図である。
図2は、本発明の実施形態に係るバッファ層上のナノワイヤLED素子の原理を概略的に示す垂直断面図である。
図3Aは、GaNナノワイヤ上の破損ワイヤボンドを示す走査型電子顕微鏡(SEM)顕微鏡図である。
図3Bは、基板上のナノワイヤ間の空間における流動性材料が不足した基板のエッチングを示す走査型電子顕微鏡(SEM)顕微鏡図である。
図4Aは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Bは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Cは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Dは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Eは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Fは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Gは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Hは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Iは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図4Jは、一実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するための絶縁層を有するナノワイヤLEDアレイを製造する処理を概略的に示す垂直断面図である。
図5Aは、図4Aの製造処理を概略的に示すナノワイヤLED素子を示す上面図である。
図5Bは、図4Bの製造処理を概略的に示すナノワイヤLED素子を示す上面図である。
図5Cは、図4Cの製造処理を概略的に示すナノワイヤLED素子を示す上面図である。
図5Dは、図4Dの製造処理を概略的に示すナノワイヤLED素子を示す上面図である。
図5Eは、図4Eの製造処理を概略的に示すナノワイヤLED素子を示す上面図である。
図6Aは、一実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図6Bは、一実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図6Cは、一実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図7Aは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図7Bは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図7Cは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図8Aは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図8Bは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図8Cは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図9Aは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図9Bは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図9Cは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図9Dは、別の実施形態に係る図4B及び図4Cに示されたナノワイヤの除去の別の処理を概略的に示す垂直断面図である。
図10Aは、方法の一実施形態に従って形成されたフォトレジストにより保護されたエッチングナノワイヤ及び未エッチングナノワイヤを示すSEM顕微鏡図である。
図10Bは、方法の一実施形態に従って形成されたフォトレジストにより保護されたエッチングナノワイヤ及び未エッチングナノワイヤを示すSEM顕微鏡図である。
図10Cは、方法の一実施形態に従って形成されたフォトレジストにより保護されたエッチングナノワイヤ及び未エッチングナノワイヤを示すSEM顕微鏡図である。
図11は、ナノワイヤがエッチングされている領域上の金属コンタクトを示すX線二次電子放出顕微鏡(XSEM)顕微鏡図である。
図12Aは、更に別の実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するためのパターニングされた絶縁層を有するナノワイヤアレイのSEM像を示す図である。
図12Bは、更に別の実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するためのパターニングされた絶縁層を有するナノワイヤアレイのSEM像を示す図である。
図12Cは、更に別の実施形態に係る活性領域を平坦化及び規定するためのパターニングされた絶縁層を有するナノワイヤアレイのSEM像を示す図である。
添付の図面を参照して、種々の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、図中、同一の図中符号は、同一の部分又は同様の部分を示すために使用される。特定の例及び実現例を参照することは、例示するためであり、本発明又は特許請求の範囲の範囲を限定することを意図しない。
本発明の実施形態は、一般に、ナノワイヤアレイ上に絶縁層を形成することと、ナノワイヤデバイスの活性領域として使用されうる平面を規定するために絶縁層の一部を除去することとを含むナノワイヤLED素子等のナノワイヤ半導体素子を製造する方法に関する。更に実施形態は、実施形態の方法に従って製造されたナノワイヤデバイスに関する。種々の実施形態は、従来のドライエッチング活性領域の定義を使用して達成されうるより少ない処理工程及び大きな活性領域を含む平坦化ボンドパッド領域をナノワイヤデバイスに提供してもよい。
ナノテクノロジーの技術において、ナノワイヤは、通常、ナノスケール又はナノメータオーダの横方向のサイズ(例えば、円柱ナノワイヤに対する直径、あるいは錐体ナノワイヤ又は六角ナノワイヤに対する幅)を有するナノ構造として解釈されるのに対し、その縦方向のサイズは制限されない。一般に、そのようなナノ構造をナノウィスカ、1次元ナノ素子、ナノロッド、ナノチューブ等とも呼ぶ。ナノワイヤは、最大約2ミクロンの直径又は幅を有してよい。小型のナノワイヤは、固有の物理的性質、光学的性質及び電子的性質を提供する。例えばこれらの性質は、量子力学効果を利用する(例えば、量子ワイヤを使用する)デバイスを形成するため又は大きな格子不整合のために通常は結合不可能な合成上異なる材料のヘテロ構造を形成するために使用されうる。ナノワイヤという用語が示すように、1次元性は細長い形状と関連付けられてもよい。ナノワイヤが種々の断面形状を有してもよいため、直径は有効径を示すことを意図する。有効径により、構造の断面の長軸及び短軸の平均を意味する。
上部、上端、下部、下方向等の全ての言及は、基板が下端にあり、ナノワイヤが基板から上方向に延びることを考慮してなされている。垂直は、基板により形成された平面に垂直の方向を示す。水平は、基板により形成された平面に平行の方向を示す。この専門用語は、理解を容易にするためだけに導入され、特定の組み立て方位等に限定するものとして考えられるべきではない。
当該技術分野において知られているようなあらゆる適切なナノワイヤLED構造は、本発明の方法において使用されてもよい。一般にナノワイヤLEDは、1つ以上のpn接合又はpin接合に基づく。pn接合とpin接合との間の差異は、後者がより広い活性領域を有することである。より広い活性領域により、i領域における再結合の可能性がより高まる。各ナノワイヤは、動作において光を生成するために活性領域を提供するpn接合又はpin接合を形成するための第1の導電型(例えば、n型)のナノワイヤコア及び周辺第2の導電型(例えば、p型)のシェルを含む。本明細書において、第1の導電型のコアをn型半導体コアとして説明し、第2の導電型のシェルをp型半導体シェルとして説明するが、それらの導電型は逆にされてもよいことが理解されるべきである。
図1は、本発明の実施形態に従って変形されるナノワイヤLED構造に対する原理を概略的に示す。原則として、ナノワイヤLEDを形成するためには、単一のナノワイヤで十分である。しかし、単一のナノワイヤはサイズが小さいため、LED構造を形成するために、数百、数千、数万又はそれ以上のナノワイヤを含むアレイにおいて、ナノワイヤを並列に配置することが好ましい。例示するため、本明細書において、n型ナノワイヤコア2と、ナノワイヤコア2を少なくとも部分的に囲むp型シェル3と、単一の真性又は低濃度の(例えば、1016cm−3を下回るドーピングレベル)の半導体層、あるいは異なるバンドギャップの複数の半導体層を含む3−10量子井戸等の1つ以上の量子井戸を含んでもよい中間活性領域4とを有するナノワイヤLED1から構成されるものとして個々のナノワイヤLED素子を説明する。しかし、本発明の実施形態の目的のため、ナノワイヤLEDはこれに限定されない。例えば、ナノワイヤコア2、活性領域4及びp型シェル3は、複数の層又は区分から構成されてもよい。別の実施形態において、コア2のみが、2ミクロンを下回る幅又は直径を有することによりナノ構造又はナノワイヤを含んでもよく、シェル3は、1ミクロンを上回る幅又は直径を有してもよい。
III−V族半導体は、レーザ及び発光ダイオード(LED)等の高速で低電力の電子機器及び光電気デバイスを容易にする性質のために、特に関心を集めている。ナノワイヤはあらゆる半導体材料を含むことができる。ナノワイヤに適した材料は、GaAs(p)、InAs、Ge、ZnO、InN、GaInN、GaN、AlGaInN、BN、InP、InAsP、GaInP、InGaP:Si、InGaP:Zn、GaInAs、AlInP、GaAlInP、GaAlInAsP、GaInSb、InSb、Siを含むが、それらに限定されない。例えばGaPに対する可能なドナードーパントは、Si、Sn、Te、Se、S等であり、同一の材料に対するアクセプタドーパントは、Zn、Fe、Mg、Be、Cd等である。尚、ナノワイヤ技術により、従来の技術により容易にアクセス可能ではない波長領域においてLED発光の製造を容易にするGaN、InN及びAlN等の窒化物を使用することが可能になる。特定の商業上の関心の他の結合は、GaAs系、GaInP系、GaAIInP系、GaP系を含むが、それらに限定されない。一般的なドーピングレベルは、1018cm−3〜1020cm−3の範囲である。しかし、当業者は、これらの材料及び他の材料に精通し、他の材料及び材料の組み合わせが可能であることを理解する。
ナノワイヤLEDに対して好適な材料は、III族窒化物半導体等のIII−V族半導体(例えば、GaN、AlInGaN、AlGaN及びInGaN等)又は他の半導体(例えば、InP、GaAs)である。LEDとして機能するために、各ナノワイヤLED1のn側及びp側は接触されなければならず、本発明は、LED構造においてナノワイヤのn側及びp側に接触することに関連した方法及び構成物を提供する。
本明細書において説明する例示的な製造方法は、ナノワイヤ製造方法の教示のために参照によって本明細書に取り込まれるSeifert他の米国特許第7,829,443号等において記載されるように、コアシェルナノワイヤを形成するようにコア上の半導体シェル層を成長させるためにナノワイヤコアを利用することが好ましいが、本発明はそのように限定されない。例えば別の実施形態において、コアのみがナノ構造(例えば、ナノワイヤ)を構成してもよく、シェルは、必要に応じて、一般的なナノワイヤシェルより大きい寸法を有してもよい。また、デバイスは多くのファセットを含むように成形されてよく、種々のファセット間の面積率は制御されてもよい。これは、「ピラミッド」ファセット及び垂直側壁ファセットにより例示される。LEDは、テンプレート上に形成された発光層が優勢なピラミッドファセット又は側壁ファセットを含むように製造されうる。発光層の形状に関係なく、同じことが接触層にも当てはまる。
図2は、ナノワイヤに対する支持部を提供する例示的な構造を示す。必要に応じて、ナノワイヤ1の位置を規定し、ナノワイヤ1の下端インタフェース領域を判定するために成長マスク又は絶縁マスキング層6(例えば、窒化シリコン絶縁マスキング層等の窒化層)を使用して成長基板5上でナノワイヤ1を成長させることにより、基板5は、少なくとも処理中に基板5から突出するナノワイヤ1に対するキャリアとして機能する。ナノワイヤの下端インタフェース領域は、絶縁マスキング層6における各開口の内部にコア2の谷の断面積を含む。全ての内容が参照によって本明細書に取り込まれるスウェーデン特許出願第SE1050700−2号(GLO ABに割り当てられた)において説明されるように、基板5は、例えばIII−V族半導体又はII−VI族半導体、Si、Ge、Al2O3、SiC、石英、ガラス等の種々の材料を含んでもよい。基板に適した他の材料は、GaAs、GaP、GaP:Zn、GaAs、InAs、InP、GaN、GaSb、ZnO、InSb、SOI(silicon−on−insulator)、CdS、ZnSe、CdTeを含むが、それらに限定されない。一実施形態において、ナノワイヤコア2は、成長基板5上で直接成長する。
基板5はまた、各ナノワイヤLED1のn側に接続する現在のトランスポート層として機能するように構成されることが好ましい。例としてSi基板5上のGaN及び/又はAlGaNバッファ層7等のIII族窒化層、図2に示されるようにナノワイヤLED1に対面する基板5の表面上に配置された半導体バッファ層7を含む基板5を有することにより、これを達成できる。バッファ層7は、通常所望のナノワイヤ材料に一致するため、製造処理において成長テンプレートとして機能する。n型コア2に対して、バッファ層7は、更に添加されたn型であることが好ましい。バッファ層7は、単一の層(例えば、GaN)、いくつかのサブレイヤ(例えば、GaN及びAlGaN)、あるいはAl含有量の多いAlGaNからAl含有量のより少ないAlGaN又はGaNにグレードされるグレーデッド層を含んでもよい。全ての内容が参照によって本明細書に取り込まれる米国特許第7,396,696号、米国特許第7,335,908号及び米国特許第7,829,443号、並びに国際公開第WO201014032号、国際公開第WO2008048704号及び国際公開第WO2007102781号において記載された方法を利用することにより、ナノワイヤの成長を達成できる。
尚、ナノワイヤLED1は、いくつかの異なる材料(例えば、GaNコア、GaN/InGaN多重量子井戸活性領域及び活性領域とは異なるAlとGaの比率を有するAlGaNシェル)を含んでもよい。一般に、本明細書において、基板5及び/又はバッファ層7をナノワイヤに対する支持部又は支持層と呼ぶ。ある特定の実施形態において、導電層(例えば、ミラーコンタクト又は透明コンタクト)は、基板5及び/又はバッファ層7の代わりに、あるいは、それらに加えて支持部として使用されてもよい。従って、「支持層」又は「支持部」という用語は、これらの要素のうちのいずれか1つ以上を含んでもよい。
連続(例えば、シェル)層を使用することにより、最終的な個々のデバイス(例えば、pnデバイス又はpinデバイス)は、ピラミッド又はテーパー形状(即ち、上端又は先端においてより狭く、基部においてより広い)と、デバイスの長軸に垂直な円形、六角形又は他の多角形の断面を有する柱形状(例えば、先端及び基部においてほぼ同一の幅)との間のどれかの形状を有してもよい。従って、完成したシェルを有する個々のデバイスは種々のサイズを有してもよい。例えば、サイズは変動してもよく、基部の幅が100nm〜200ミクロンを下回る等100nm〜数(例えば、5)μmであり、高さが数100nm〜数(例えば、10)μmである。
LED構造の例示的な一実施形態の上記の説明は、本発明の方法及び構成物の説明の原理になる。しかし、あらゆる適切なナノワイヤLED構造又は他の適切なナノワイヤ構造は、本発明から逸脱せずに、当業者には明らかとなるようなあらゆる必要な変形と共に、方法及び構成物において更に使用されてもよいことが理解されるだろう。
GaN系ナノワイヤLED等のナノワイヤLEDは、平面LEDと比較して効率及び波長安定性を向上させる将来性を示す。しかし、ナノワイヤの3次元性は、製造、特に、LED素子(即ち、チップ)が外部の電流/電圧源に接続されるワイヤボンディング工程における問題を提起しうる。ワイヤボンディング工程は、機械圧力の印加及びワイヤからデバイスへの振動を含む。ワイヤボンディング処理のこの圧力及び振動は、ワイヤの上部における圧力点からナノワイヤの弱くて小さい核形成基部への梃子の作用により、ナノワイヤを切断しうる。従って、ワイヤがデバイスに結合される領域において、ナノワイヤを切断しうるレバーアームの延長を回避するように領域を平坦化することが望ましい。
ナノワイヤLEDの製造処理は、一般に、デバイスの活性領域を規定することを更に含む。通常、これは、ほぼ完成したデバイスのドライエッチングにより達成される。その結果、n側導電層又はp側導電層の連続性が中断することにより、分離デバイスが得られる。あるいは、ナノワイヤは、活性領域を規定するために、導電膜の堆積(例えば、上端の電極又はコンタクトの堆積)前にエッチングされてもよい。しかし、ナノワイヤが導電膜の堆積前にエッチングされる場合、一般に部分的にエッチングされるいくつかのナノワイヤがある。従って、露出したpn接合の短絡を回避するために、導電膜を堆積する前に保護膜を堆積する必要がある。このパッシベーション膜は、別個にマスク及びエッチングされなければならず、その後、遷移領域を導電膜の堆積から十分に分離できるように、活性領域のうちのいくつかを消費する。
種々の実施形態は、ナノワイヤアレイを平坦化するために、アレイ上にLTO(low temperature oxide)層等の絶縁層を形成することを含むナノワイヤLED素子等のナノワイヤ半導体素子を製造することと、ナノワイヤデバイスの活性領域を規定するために、パターニングされたマスクを介したウェットエッチング等により絶縁層の一部を除去することとを備える方法を含む。更なる実施形態は、実施形態の方法に従って製造されたナノワイヤデバイスに関する。種々の実施形態は、従来のドライエッチング活性領域の定義を使用して達成されうるより少ない処理工程及び大きな活性領域を含む平坦化ボンドパッド領域をナノワイヤデバイスに提供してもよい。
図3Aは、GaNナノワイヤ1上の破損したワイヤボンドを平面的に示す上面図の走査型電子顕微鏡(SEM)顕微鏡図である。図3Aの顕微鏡図から分かるように、ナノワイヤ1の多くは切断される。更に顕微鏡図は、ボールボンド(不図示)をGaNナノワイヤ上の金属パッドに結合することに失敗することを立証する。即ち、金属パッド8の多くはナノワイヤ1に装着されるが、ボールバンドは金属パッド8から分離されている。
図3Bは、LED素子の製造中にナノワイヤをエッチングしている間の基板のエッチングを示す傾斜角で示されたSEM顕微鏡図である。図3のSEM顕微鏡図は、図3Aの倍率より高い倍率で撮影された。図3Bから分かるように、ナノワイヤ間の空間を充填する材料を提供せずにデバイスを製造する間にナノワイヤをエッチングすることにより、基板をエッチングする。このような基板のエッチングの結果としてエッチングされた非平面表面が得られることは、ボールボンドの結合に失敗することの一因であると考えられる。
ナノワイヤデバイスを製造する方法の一実施形態を図4A〜図4J及び図5A〜図5Eに概略的に示す。図4Aは、図1及び図2に関連して上述したように、複数のナノワイヤ401と、バッファ層407と、絶縁マスキング層406(例えば、化学量論的又は非化学量論的な窒化シリコン層)とを含むナノワイヤLED素子400を概略的に示す。図1及び図2に関連して上述したように、各ナノワイヤ401は、第1の導電型(例えば、n型)のナノワイヤコアと、第2の導電型(例えば、p型)のシェルと、中間光生成活性領域とを含んでもよい。ナノワイヤコアは、バッファ層407との電気的コンタクトであってもよい。上述したように、ナノワイヤシェルは、絶縁マスキング層406によりバッファ層から絶縁されてもよい。
図4Bにおいて、フォトレジスト層であってもよい第1のマスク層412は、ナノワイヤ401の上に形成される。第1のマスク層412は、素子400の活性領域413においてナノワイヤ401を覆い、露出領域421、415を規定するために標準的なリソグラフィック技術を使用してパターニングされてもよい。素子400は、第1のマスク層412のパターンを素子400に転送するためにエッチングされてもよい。エッチングは、塩素ガスプラズマを利用してもよいドライエッチング(例えば、誘導結合プラズマ(ICP)エッチング)であってもよい。図4Cに示されるように、露出ナノワイヤ401は、領域415及び421において素子を「平坦化し」、これらの領域415、421においてマスキング層406を露出するために除去される。要望に応じて、領域415、421におけるマスキング層406は、支持部(例えば、バッファ層407)を露出するために更に除去されてもよい。以下に説明するように、これらの「平坦化」領域は、電気的コンタクトを形成するために後で使用されてもよい。エッチングに続き、第1のマスク層412は、図4Cに示されるように素子400を提供するために除去されてもよい。図5Aは、パターニングされた第1のマスク層412をエッチング及び除去した後の素子400を示す上面図である。図5Aの線E−E’は図4Cの線E−E’に対応するが、素子400は必ずしも縮尺通りでない。
図6A〜図6Cは、図4B及び図4Cに示されたマスキング工程及びエッチング工程に対する第1の実施形態の詳細を示す。本実施形態において、図4Cに示されるように第1のマスク層412全体をナノワイヤ401の周囲から除去するのではなく、図6A〜図6Cの方法の結果、ナノワイヤ401間の空間に残る第1のマスク層412の部分614が得られる。図6Aに示されるような第1の工程において、フォトレジスト材料等の流動性材料の相対的に厚い第1のマスク層412は、ナノワイヤ401の上に堆積される。フォトレジストは、光放射又は紫外線(UV)放射等の放射線604でフォトリソグラフィマスク602を介してフォトレジストを露出することによりパターニングされる。電子線フォトリソグラフィが代わりに使用されてもよい。図6Aに示されるように、フォトレジストの上部分606は放射線604で露出され、フォトレジストの下部分608及びマスク602の下の上部分610は、露出されないままである。フォトレジストの下部分608の未露出中央部分612は、未露出上部分610の下に配置される。
図6Bに示されるように、フォトレジストの露出部分606は、次に溶剤に溶解すること等により除去されてもよい。フォトリソグラフィマスク602により遮蔽された第1のマスク層412の未露出部分608及び未露出上部分610は、部分606を除去した後も残る。次にこのフォトレジスト構造608、610は、ほぼ同一のエッチング速度でレジスト及びナノワイヤをエッチングする異方性ドライエッチング処理等によりエッチングされてもよい。図6Cに示されるように、フォトレジストの上部分610及び下部分608、並びにフォトレジストの下部分608に組み込まれたナノワイヤ401は、露出領域415及び421を規定するためにエッチングにより除去される。この工程の結果、これらのナノワイヤ401が基板(例えば、ウエハ)に平行な層において除去されるように、露出ナノワイヤ401をエッチングする。露出ナノワイヤ401が完全に除去されると、露出領域415及び421における下にある基板は略平面である。残りのナノワイヤ401は、層612フォトレジスト材料に組み込まれる。
従って、図6A及び図6Bに示されるように、流動性材料(例えば、フォトレジスト412層)は、複数のナノ構造の第1の部分の上に配置された流動性材料の第1の(例えば、中央)部分610、612が複数のナノ構造の第2の部分の上に配置された流動性材料の第2の(例えば、周辺)部分608より厚くなるようにパターニングされる。次に流動性材料は、流動性材料の第1の部分610、612の厚さを減少して(例えば、残りの下中心部分612の上の***部分610を除去して)エッチングされていない複数のナノ構造の第1の部分を残し、流動性材料の第2の部分608及び複数のナノ構造の第2の部分を除去するために、図6Cに示されるようにエッチングされる。
図7A〜図7Cは、図4B及び図4Cに示されたマスキング工程及びエッチング工程に対する第2の実施形態の詳細を示す。本実施形態において、第1の流動性材料712は、図7Aに示されるようにナノワイヤ401間に堆積される。図7Bに示されるように、フォトレジスト層は、第1の流動性材料712の上に堆積され、パターン710を残すようにパターニングされる。第1の流動性材料712及び第1の流動性材料712に組み込まれたナノワイヤ401は、フォトレジストパターン710をマスクとして使用してエッチングされる。エッチングが完了すると、残りのフォトレジスト710は、図7Cに示された構造を形成するように縞をつけられうる。図7Cにおいて、残りのナノワイヤ401は、露出領域415及び421により取り囲まれた、フォトレジストパターン710により覆われた流動性材料712の層の残りの部分712Aに組み込まれる。
図8A〜図8Cは、図4B及び図4Cに示されたマスキング工程及びエッチング工程に対する第3の実施形態の詳細を示す。図8Aに示された第1の工程において、第1のフォトレジスト層812は、ナノワイヤ401の上に堆積され、パターニングされる。第2のフォトレジスト層810は、第1のフォトレジスト層812の上に堆積される。第1のフォトレジスト層812が除去された素子の部分814は、第2のフォトレジスト層810で覆われ、部分814の外側のナノワイヤ401は、第1のフォトレジスト層812及び第2のフォトレジスト層810の双方により覆われる。結果として得られる構造を図8Bに示す。ここで、この構造はドライエッチングされてもよい。パターニングされた第1のフォトレジスト層812の上の第2のフォトレジスト層810の部分は、ナノワイヤ401及び周囲の第2のフォトレジスト層810が図6B、図6Cに示された方法と同様に除去される時に除去される。最終的な構造を図8C(図6Cに類似する)に示す。
従って、図6A〜図6Cに示された実施形態において、単一のフォトレジスト層は、厚さの関数として部分的に露出される。図8A〜図8Cに示された実施形態において、2つのフォトレジスト層が使用される。図&A〜図7Cに示された実施形態において、独立したフォトレジスト及び他の流動性層が使用される。
図9A〜図9Cは、図4B及び図4Cに示されたマスキング工程及びエッチング工程に対する第4の実施形態の詳細を示す。本実施形態において、フォトレジスト又はガラス上のスピン等の流動性材料912の第1の層は、ナノワイヤ401の上及びナノワイヤ401間に堆積される。フォトレジストの第2の層は、流動性材料912の第1の層の上に堆積され、図9Bに示された構造910を形成するようにパターニングされる。次にこの構造は、図9Cに示されるようにフォトレジスト層910の部分を除去しないエッチング液を用いて、ナノワイヤ401を除去するようにドライエッチングされる。ナノワイヤ401及び流動性材料912の保護されていない第1の層を除去した後、残りのフォトレジスト910は、フォトレジスト910により保護された流動性材料912の第1の層に完全に組み込まれたナノワイヤ401を残すように除去されてもよい。必要に応じて、ナノワイヤ401間の流動性材料912(例えば、ガラス上のスピン)の第1の層の一部は、ナノワイヤ401の先端が層916の上に露出されるように、ナノワイヤ401間の流動性材料912の厚さが減少した層916を残すように凹設されてもよい。必要に応じて、流動性材料912の第1の層の一部を除去する工程は、先行する実施形態のいずれかを用いて実行されてもよい。
図4Dに戻り、絶縁層409は、活性領域413におけるナノワイヤ401及びナノワイヤが除去されている「平坦化」領域415、421を含む素子の上に形成される。絶縁層409は、SiO2層であってもよく、LTO(low temperature oxide)堆積により形成されてもよい。LTO堆積は、低温(例えば、400℃〜500℃又は約450℃を含む300℃〜400℃等の750℃未満)、並びにSiH4及びO2の流量で10Torr以下(例えば、約450mTorrを含む100mTorr〜500mTorr等の10−6Torr〜1Torr)等の減圧で化学蒸着(CVD)により達成されてもよい。O2流量は、sccm(standard cubic cm per minute)でSiH4流量より超過してもよい。一般に流量は、85sccm SiH4及120sccm O2であってもよい。
絶縁層409は、素子400の上に0.01μm〜10μm(例えば、約0.4μm等の0.1μm〜1μm)の平均厚さで堆積されてもよい。フォトレジスト層であってもよい第2のマスク層414は、絶縁層409の上に形成される。第2のマスク層414は、素子300の活性領域413と対応する第2のマスク層414における開口を規定するために標準的なリソグラフィック技術を使用してパターニングされてもよい。次に素子300は、第2のマスク層414のパターンを絶縁層409に転送するためにエッチングされてもよい。実施形態において、SiO2であってもよい絶縁層409は、素子の活性領域413から絶縁層409を除去するために希フッ酸(HF)のウェットエッチングを使用してエッチングされてもよい。ウェットエッチング液に対する一般的な濃度は、例えば1パートHF〜3パートH2Oであってもよい。HFエッチングにより、活性領域413におけるナノワイヤ401を妨害することなく残しつつ、絶縁層409の選択部分を除去してもよい。SiO2は、塩素等のガスを使用して更にエッチングされてもよい。
エッチング後、第2のマスク層414は、図4Eに示された素子400を提供するように除去されてもよい。図5Bは、パターニングされた第2のマスク層414をエッチング及び除去した後の素子400を示す上面図である。図5Bの線F−F’は図4Eの線F−F’に対応するが、素子400は必ずしも縮尺通りでない。絶縁層409は、素子400の活性領域413から除去される。図5Bに示されるように、絶縁層409は、活性領域413の境界を規定するために、活性領域413の周辺で拡張してもよい。絶縁層409は、素子400の「平坦化」部分415、421の上に略平面の上面を提供してもよく、「平坦化」部分415、421の上面を残りの素子から電気的に分離してもよい。(以下に説明するように、図5Bの円422は、n側コンタクト429の今後の場所を示す)。
図4Fに示されるように、素子400に対して酸洗浄が実行されてもよく、インジウムスズ酸化物(ITO)層等の透明導電膜(TCF)層419は、活性領域413におけるナノワイヤ401及び「平坦化」領域421、415における絶縁層409を含む素子400の上に堆積されてもよい。TCF層419は、p電極又は接触層を形成するようにナノワイヤ301のp型シェルに接触してもよい。アルミニウムドープ酸化亜鉛等の他のTCF材料も使用可能である。TCF層419は、蒸発又はスパッタリング等の物理的方法、CVD又は方法の組み合わせにより堆積されてもよい。いくつかの実施形態において、層419は、p型ナノワイヤシェルを損傷しないことが好ましいスパッタリング法により堆積されてもよい。ITO層419は、約100〜約10,000の厚さであってよく、最も好ましくは約8,000であってよい。
図4Fに示されるように、フォトレジスト層であってもよい第3のマスク層416は、TCF層419の上に形成され、第3のマスク層416における開口423を規定するために標準的なリソグラフィック技術を使用してパターニングされてもよい。第3のマスク層416における開口423は、素子400の「平坦化」部分421内のn側コンタクト領域423を規定する。次に素子400は、第3のマスク層416のパターンを素子400に転送するためにエッチングされてもよい。エッチングは、次にn側コンタクト領域423におけるn型バッファ層材料を露出する(例えば、「メサ」構造を形成する)ために、素子400のバッファ層407において又はバッファ層407内で停止してもよい。エッチングは、ドライエッチング又はウェットエッチングであってもよい。一実施形態において、塩素ガスプラズマを利用してもよい誘導結合プラズマ(ICP)エッチング等のドライエッチングが使用される。塩素は、SiO2、ITO、SiN及びGaNをエッチングする。エッチングに続き、第3のマスク層416は、図4Gに示されるように素子400を提供するように除去される。図5Cは、パターニングされた第3のマスク層416をエッチング及び除去した後の素子400を示す上面図である。図5Cの線G−G’は図4Gの線G−G’に対応するが、素子400は必ずしも縮尺通りでない。図5Cに示されるように、例えばn側コンタクト領域423は、素子400の左下隅の「平坦化」領域に配置されてもよい。
図4Hに示されるように、フォトレジスト層であってもよい第4のマスク層418は、素子400の上に形成され、n側コンタクト領域421の上の第1の開口425及び「平坦化」領域415の上の第2の開口427を提供するために標準的なリソグラフィック技術を使用してパターニングされてもよい。第4のマスク層418における開口425、427は、n金属コンタクト及びp金属コンタクトのそれぞれに対する場所を規定する。露出されたTCF層419及びあらゆる部分的にエッチングされたナノワイヤ401からn側金属コンタクトを分離するために、n側金属コンタクトに対する開口425は、n側コンタクト領域423より小さくてもよい。次に、Al、Ti及びAuを含みうる金属コンタクトスタックは、第4のマスク層418の上であって開口425、427の中に蒸発により堆積されてもよい。金属スタックは、1μm〜10μm(例えば、約3.3μm等の2μm〜4μm)の厚さで堆積されてもよい。金属コンタクトスタックは、最初にアルミニウム最後に金の順序で堆積されてもよい。金は、表面上の膜であり、その場合、良好なオーミック接触を成すための熱処理を必要としない。図4Iに示されるように、次に、堆積された金属を有する第4のマスク層418は、素子400上にn金属コンタクト429及びp金属コンタクト431を残すように除去される(例えば、素子をリフトオフされる)。図5Dは、パターニングされた第4のマスク層418の金属堆積及び金属除去(例えば、リフトオフ)の後の素子400を示す上面図である。図5Dの線H−H’は図4Iの線H−H’に対応するが、素子400は必ずしも縮尺通りでない。
図4Jに示されるように、次に第5のマスク層420は、素子400の上に形成されてもよい。第5のマスク層420は、CVD又は素子400を不動態化するために使用されてもよい他のあらゆる適切な方法によりSiO2堆積されてもよい。第5のマスク層420は、0.2μm〜5μm(例えば、約1.5μm等の.02μm〜2μm)の平均厚さを有してもよい。図4Jに示されるように、第5のマスク層420は、n金属電極429及びp金属電極431の周囲の領域から第5のマスク層420を除去するために標準的なSiO2リソグラフィ及びエッチング(ウェット又はドライ)を使用して、処理及び現像されてもよい。第5のマスク層420は、素子400の活性領域の上に残ってもよい。図5Eは、第5のマスク層420、並びにn金属電極429及びp金属電極431を示す素子400の上面図である。図5Eの線I−I’は図4Jの線I−I’に対応するが、素子300は必ずしも縮尺通りでない。図4Jに示されるように、ワイヤ433、435は、n金属電極429及びp金属電極431に結合されてもよい。
図10A〜図10Cは、方法の一実施形態に従って形成されたフォトレジストにより保護されたエッチングナノワイヤ及び未エッチングナノワイヤを示すSEM顕微鏡図である。図10Aは、ウエハを介した断面を示す。図の左側のナノワイヤ401は、フォトリソグラフィを使用して形成されたエッチングマスクを用いたエッチング中に保護された。図10Bは、30°の傾き及びより高い倍率で同一の実施形態を示す。図10Aから分かるように、ナノワイヤ401は、図の右側は除去されている一方で左側は保護された。図10Cは、ウエハの保護されていない側の右の接写写真である。図10Cは、バッファ層7を殆ど又は全くエッチングせずにナノワイヤを除去できることを実証する。
図11は、ナノワイヤがエッチングされている領域上の金属コンタクトを示す垂直走査型電子顕微鏡(XSEM)顕微鏡図である。XSEM顕微鏡図は、GaNバッファ層7と、バッファ層7上のSiO2層409と、ナノワイヤ401を覆うITO層419と、ITO層419の上の金属ボンドパッド8とを明確に示す。
図12A〜図12Cは、図4A〜図5Eに関連して上述した実施形態に係るGaN系ナノワイヤアレイ1201の上に形成されたSiO2等のLTO(low temperature oxide)であってもよいパターニングされた絶縁層1209を有するアレイ1201の走査型電子顕微鏡(SEM)像を示す。図12Aは、絶縁層1209(即ち、LTO)を堆積した後のアレイ1201の垂直SEM像である。図12Bは、フォトレジストが剥がされた状態で金属コンタクトパッド1231を堆積した後のpコンタクト領域の傾斜SEM像である。図12Cは、金属コンタクトパッドの外側のpコンタクト領域の垂直SEM像である。図12Cに示されるように、pコンタクト領域は、ナノワイヤ1201に対して「平坦化され」、絶縁層1209(SiO2等のLTO)は、上のp電極層1219から下にあるn−GaN層1207を絶縁し、p電極層は、金属コンタクト1231をナノワイヤ1201のp−GaNシェルと接続する。
ナノワイヤLEDに関して本発明を説明したが、電界効果トランジスタ等の他のナノワイヤを用いた半導体素子、ダイオード、特に、例えば光検出器、太陽電池、レーザ等の光吸収又は光生成に関係するデバイスをあらゆるナノワイヤ構造上で実現できることが理解されるべきである。
また、光がナノワイヤの基部から先端の方向に抽出される上部発光型ナノワイヤLEDとしていくつかの実施形態の例を説明及び例示したが、実施形態は、下部発光型ナノワイヤLEDを更に含んでもよいことが理解されるだろう。一般に、下部発光型ナノ構造の構成は、発せられた光を素子のバッファ層を介して逆方向に誘導するように、個々の発光ナノ素子の上端部分又はそれに近接して、即ちそれに隣接して鏡等の反射構造を提供することを伴う。双方とも全ての内容が参照によって本明細書に取り込まれる、2011年6月17日に出願された米国特許出願公開第2011/0309382号公報及び2011年6月17日に出願された国際公開/米国特許第11/40932号において、下部発光型電極を更に説明する。
この明細書で引用されている公表物及び特許は、それらの個々の公表物及び特許が上記の方法及び/又は材料を開示及び説明するために具体的かつ個別に参照によって取り込まれるものとして示されているが如くに、参照によって本明細書に取り込まれる。あらゆる公表物の引用は、出願日前の開示内容に対するものであり、本発明が先行する発明によりそのような公表物に対する先行する権利がないという承認として解釈されるべきではない。また、提供された出願日は、個別に確認される必要があってもよい実際の出願日とは異なってもよい。
上述の方法の説明は、単なる例示として提供され、種々の実施形態の工程が提示された順序で実行されなければならないことを要求すること又は示すことを意図しない。当業者には理解されるように、上述の実施形態の工程の順序はあらゆる順序で実行されてもよい。例えば「それ以降」、「その後」、「次に」等の用語は、必ずしも工程の順序を限定することを意図しない。これらの用語は、方法の説明を通して読者を誘導するために使用されてもよい。また、単数形の特許請求の範囲の要素を参照することは、要素を単数形に限定するものとして解釈されるべきではない。
開示された態様の先行する説明は、あらゆる当業者が本発明を実行又は使用できるように提供される。これらの態様に対する種々の変形は、当業者には容易に明らかとなり、本明細書において規定された一般的な原理は、本発明の範囲から逸脱せずに他の態様に適用されてもよい。従って、本発明は、本明細書において示された態様に限定されることを意図せず、本明細書において開示された原理及び新規な特徴と整合性のある最も広い範囲と一致することを意図する。
Claims (22)
- 支持部から離れるように延びる複数のナノ構造を提供することと、
前記ナノ構造間に流動性材料層を形成することと、
前記流動性材料の第2の部分及び前記複数のナノ構造の第2の部分がパターニングされたマスクの下に配置されないように、前記流動性材料の第1の部分及び前記複数のナノ構造の第1の部分の上に前記パターニングされたマスクを形成することと、
前記流動性材料の前記第1の部分及び前記複数のナノ構造の前記第1の部分をエッチングせずに残すように前記流動性材料の前記第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記第2の部分を除去するために、前記流動性材料の前記第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記第2の部分をエッチングすることと、
を含むことを特徴とするエッチング方法。 - 支持部の上に前記複数のナノ構造の前記第1の部分を残すように前記エッチングする工程の後に、前記流動性材料の前記第1の部分の少なくとも一部を選択的に除去することを更に含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記ナノ構造は半導体ナノワイヤを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記流動性材料層はフォトレジスト層を含み、前記パターニングされたマスクを形成することは、フォトリソグラフィマスクを介して前記フォトレジスト層の上部分のみを放射線で露出することと、前記流動性材料層の前記第2の部分の上にある前記フォトレジストの上部分における部分を除去することとを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記パターニングされたマスクを形成することは、前記流動性材料層の上にフォトレジスト層を堆積することと、前記フォトレジストをパターニングすることとを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記パターニングされたマスクを形成することは、前記流動性材料層をパターニングすることと、次に前記パターニングされた流動性材料層の上フォトレジスト層を堆積することとを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記エッチングする工程は、前記流動性材料の前記第1の部分及び前記複数のナノ構造の前記第1の部分をエッチングせずに残すように前記パターニングされたマスクの少なくとも一部、前記流動性材料の前記第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記第2の部分を除去するために、前記パターニングされたマスク、前記流動性材料の前記第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記第2の部分をエッチングすることを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記エッチングする工程は、前記パターニングされたマスク、前記流動性材料の前記第1の部分及び前記複数のナノ構造の前記第1の部分をエッチングせずに残すように前記流動性材料の前記第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記第2の部分を除去するために、前記流動性材料の前記第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記第2の部分をエッチングすることを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 支持部の上に前記複数のナノ構造の前記第1の部分を残すように前記エッチングする工程の後に、前記パターニングされたマスク及び前記流動性材料の前記第1の部分の少なくとも一部を選択的に除去することを更に含むことを特徴とする請求項8記載の方法。
- 前記複数のナノ構造の前記第1の部分の間で前記流動性材料の前記第1の部分の高さを減少するように前記流動性材料の前記第1の部分をエッチングすることを更に含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 前記流動性材料は、スピン・オン・グラス(SOG)又はフォトレジストを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 絶縁材料層の少なくとも一部が略平面の上面を提供するように、前記複数のナノワイヤの少なくとも一部の上に前記絶縁材料層を形成することと、
前記絶縁材料層の前記略平面の上面の上に電気的コンタクトを形成することとを更に含むことを特徴とする請求項1記載の方法。 - 前記流動性材料の前記エッチングされた第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記エッチングされた第2の部分が除去された領域において、前記支持部の上に第2の電気的コンタクトを形成することを更に含むことを特徴とする請求項12記載の方法。
- 前記ナノ構造はナノワイヤLEDを含むことを特徴とする請求項12記載の方法。
- エッチングはドライエッチングを含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 支持部から離れるように延びる複数のナノ構造を提供することと、
前記ナノ構造間に流動性材料層を形成することと、
前記複数のナノ構造の第1の部分の上に配置された前記流動性材料の第1の部分が前記複数のナノ構造の第2の部分の上に配置された前記流動性材料の第2の部分より厚いように前記流動性材料をパターニングすることと、
前記流動性材料の前記第1の部分の厚さを減少して前記複数のナノ構造の前記第1の部分をエッチングせずに残し、前記流動性材料の前記第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記第2の部分を除去するように前記流動性材料をエッチングすることと、
を含むことを特徴とするエッチング方法。 - 前記流動性材料層はフォトレジスト層を含み、前記流動性材料をパターニングすることは、前記複数のナノ構造の前記第2の部分の上に配置された前記流動性材料の部分を除去することを含むことを特徴とする請求項16記載の方法。
- 前記流動性材料をパターニングすることは、放射でフォトリソグラフィマスクを介して前記複数のナノ構造の前記第2の部分の上に配置された前記フォトレジスト層の上部分のみを放射線で露出することと、前記フォトレジスト層の前記露出された部分を除去することとを更に含むことを特徴とする請求項17記載の方法。
- 支持部の上に前記複数のナノ構造の前記第1の部分を残すように前記エッチングする工程の後に、前記流動性材料の前記第1の部分の少なくとも一部を選択的に除去することを更に含むことを特徴とする請求項16記載の方法。
- 前記ナノ構造は半導体ナノワイヤを含むことを特徴とする請求項19記載の方法。
- 前記ナノ構造はナノワイヤLEDを含むことを特徴とする請求項20記載の方法。
- 前記流動性材料の前記エッチングされた第2の部分及び前記複数のナノ構造の前記第2の部分が除去された領域において、前記支持部の上に電気的コンタクトを形成することを更に含むことを特徴とする請求項19記載の方法。
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