JP3002205B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体の表面加工方法 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体の表面加工方法

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JP3002205B2 JP1110960A JP11096089A JP3002205B2 JP 3002205 B2 JP3002205 B2 JP 3002205B2 JP 1110960 A JP1110960 A JP 1110960A JP 11096089 A JP11096089 A JP 11096089A JP 3002205 B2 JP3002205 B2 JP 3002205B2
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Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は、AlxGa1-XN(0≦X≦1)半導体のドライ
エッチングよる表面加工方法に関する。
【従来技術】 従来、AlxGa1-XN(0≦X≦1)半導体は青色の発光
ダイオードや短波長領域の発光素子の材料として注目さ
れており、係る素子を作成する場合には、他の化合物半
導体と同様にメサ、リセス等の表面加工技術を確立する
ことが必要となっている。 AlxGa1-XN半導体は化学的に非常に安定な物質であ
り、他のIII−V族化合物半導体のエッチング液として
通常使用される塩酸、硫酸、フッ化水素酸(HF)等の酸
又はこれらの混合液には溶解しない。このため、AlxGa
1-XN半導体に関するエッチング技術は次の数少ない方法
しか知られていない。 第1の方法は、苛性ソーダ、苛性カリ又はピロ硫酸カ
リウムを800℃以上に加熱した溶液を用いるウエットエ
ッチングである。又、第2の方法は、0.1N苛性ソーダ溶
液を用いた電解ジェットエッチングである。そして、第
3の方法はリン酸と硫酸の混合比1:2〜1:5の混合液を用
いて、温度180℃〜250℃においてウエットエッチングす
る方法である。
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記第1及び第2の方法は、高温の腐食性
物質を用いること等から、実用面での困難性がある。
又、第3の方法は、微妙な温度変化によりエッチング速
度が大きく変化する等の問題があり、上記何れの方法も
実用されるに至っていない。 又、上記の方法はいずれもウエットエッチングである
ため、アンダーカットが発生すること等のウエットエッ
チング特有の欠点を解消することができない。 一方、AlxGa1-XN半導体に関するドライエッチング方
法については、全く知られた方法が存在しない。プラズ
マエッチングにおいて如何なる反応性のガスを選択すれ
ば良いかは、反応機構がエッチングされる化合物半導体
の原子の組合せや結晶構造に影響されるため、予測が出
来ない。従って、既存の反応性ガスがAlxGa1-XN半導体
にとってエッチングに効果があるか否かも予測すること
ができない。又、マスク材には、エッチング速度が被エ
ッチング物質よりも遅いものを使用する必要があるが、
これもエッチングガスとの関係により決定されるもので
あって、従来の他の半導体の湿式エッチングで使用され
ているマスク材が使用できるか否かは不明である。 そこで、本発明者等はAlxGa1-XN半導体のプラズマエ
ッチングにおいて、その半導体やマスク材のエッチング
速度と使用される反応ガスの種類やその他の条件につい
て鋭意実験研究を行った結果、本発明を完成したもので
ある。
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明者等は、マスクを二酸化ケイ素(SiO2
及び/又は酸化アルミニウム(Al2O3)又は、それらと
フォトレジストとの2重構造をマスクとして、ジクロロ
ジフルオロメタン(CCl2F2)ガスのプラズマにより、Al
xGa1-XN(0≦X≦1)半導体をエッチングすると効果
的な表面微細加工ができることを発見した。従って、上
記課題を解決するための発明の構成は、AlxGa1-XN(0
≦X≦1)半導体上に選択的に形成された二酸化ケイ素
(SiO2)及び/又は酸化アルミニウム(Al2O3)の第1
マスク層とその上に積層されたフォトレジストから成る
第2マスク層又は前記第1マスク層をマスクとして、ジ
クロロジフルオロメタン(CCl2F2)ガスのプラズマによ
り、AlxGa1-XN(0≦X≦1)半導体をエッチングする
ことによって表面加工を行うことである。 上記のプラズマエッチングは、通常、高周波電力を印
加する電極を平行に配置し、その電極に被エッチング物
体を配置した平行電極型装置や、高周波電力を印加する
電極を円筒状に配置し、その円筒の断面に平行に被エッ
チング物体を配置した円筒電極型装置、その他の構成の
装置を用いて行われる。又、ジクロロジフルオロメタン
(CCl2F2)ガスをプラズマ状態にするには、上記平行電
極型装置や円筒電極型装置では、電極間に高周波電力を
印加することにより行われる。
【発明の効果】
後述の実施例で明らかにされるように、AlxGa1-XN
(0≦X≦1)半導体のエッチングにジクロロジフルオ
ロメタン(CCl2F2)ガスのプラズマが効果的であった。
又、二酸化ケイ素(SiO2)及び/又は酸化アルミニウム
(Al2O3)の第1マスク層とその上に積層されたフォト
レジストから成る第2マスク層とから成る2重構造又は
第1マスク層が上記プラズマエッチングに対するマスク
として効果的であることが判明された。 又、上記プラズマエッチングを行っても、上記半導体
に結晶欠陥を生じないことも判明された。 従って、本発明による表面加工方法により、AlxGa1-X
N(0≦X≦1)半導体を用いた素子、IC等の製造にお
いて、それらの生産性を大きく改善することができる。
特に、I型GaN/N型GaN/Al2O3構造において、I型GaNを
上記発明方法により部分的に除去することによりフリッ
プチップ型の青色発光ダイオードを容易に製作できるよ
うになった。
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。 本実施例方法で使用されたGaN半導体は、有機金属化
合物気相成長法(以下「MOVPE」と記す)による気相成
長により第1図(a)に示す構造に作成された。 用いられたガスは、NH3とキャリアガスH2,とトリメチ
ルガリウム(Ga(CH3)(以下「TMG」と記す)とト
リメチルアルミニウム(Al(CH3)(以下「TMA」と
記す)である。 まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したc面を主面
とする単結晶のサファイア基板1をMOVPE装置の反応室
に載置されたサセプタに装着する。次に、反応室内の圧
力を5Torrに減圧し、H2を流速0.3/分で反応室に流し
ながら温度1100℃でサファイア基板1を気相エッチング
した。 次に、温度を800℃まで低下させて、H2を流速3/
分、NH3を流速2/分、TMAを7×10-6モル/分で供給
して1分間熱処理した。この熱処理によりAlNのバッフ
ァ層2が約500Åの厚さに形成された。 次に、1分経過した時にTMAの供給を停止して、サフ
ァイア基板1の温度を1000℃に保持し、H2を2.5/
分、NH3を1.5/分、TMGを1.7×10-5モル/分で100分
間供給し、膜厚約5μmのGaN層3を形成した。 次に、このようにして形成された試料を反応室から取
り出し、GaN層3の上にSiO2をスパッタして第1マスク
層4を3000Åの厚さに形成した。次に、その第1マスク
層4の上にフォトレジストをスピナーで1.5μmの厚さ
に塗布し、90℃で30分間ベーキングして第2マスク層5
を形成した。 次に、第1図(b)に示すように、微細加工のパター
ンに対応したマスク6を用いて第2マスク層5のフォト
レジストを露光した後、そのフォトレジストを現像し、
純水で充分に洗浄して、第1図(c)に示すように、露
光部のフォトレジストが除去された試料を得た。 次に、この試料を120℃で30分間ベーキングした後、
その試料をフッ化水素酸に2分間浸漬して、フォトレジ
ストをマスクとして露出した部分のSiO2をエッチングし
て除去した。このようにして、第1図(d)に示すよう
に、GaNの上に所定形状の第1マスク層4と第2マスク
層5の積層構造から成るマスクを形成した。尚、GaNは
フッ化水素酸によってはエッチングされないので、SiO2
のエッチングはGaNの上面で停止する。 次に、第1図(d)の試料30を純水で洗浄した後、乾
燥して、第2図に示すプラズマエッチング装置を用いて
露出した部分のGaN層3をエッチングした。 第2図に示す平行電極型装置において、反応室20を形
成するステンレス製の真空容器10の側壁には、エッチン
グ用のガスを導入する導入管12が連設されており、その
導入管12はガス流速を可変できるマスフローコントロー
ラ14を介してCCl2F2ガスを貯蔵したタンク16に接続され
ている。そして、CCl2F2ガスがそのタンク16からマスフ
ローコントローラ14を介して反応室20に導入される。 又、反応室20は拡散ポンプ19により排気されており、
反応室20の真空度は反応室20と拡散ポンプ19との間に介
在するコンダクタンスバルブ18により調整される。 一方、反応室20内には上下方向に対向して、フッ化樹
脂により真空容器10から絶縁された電極22と電極24とが
配設されている。そして、電極22は接地され、電極24に
は高周波電力が供給される。その高周波電力は周波数1
3.56MHzの高周波電源28から整合器26を介して供給され
る。 又、電極24の上には、第1図(d)に示す構成の試料
30、32が載置される。 係る構成の装置において、プラズマエッチングを行う
場合には、まず、電極24の上に試料30、32を載置した
後、拡散ポンプ19により反応室20内の残留ガスを十分に
排気して、反応室20の真空度を5×10-5Torrにする。そ
の後、CCl2F2ガスがマスフローコントローラ14により流
速10cc/分に制御されて反応室20に導入され、コンダク
タンスバルブ18により反応室20の真空度は精確に0.04To
rrに調整された。そして、電極24と電極22間に200W(0.
41W/cm2)高周波電力を供給すると、電極間でグロー放
電が開始され、導入されたCCl2F2ガスはプラズマ状態と
なり、試料30,32のエッチングが開始された。 20分間エッチングした後、その試料30、32を装置から
取り出した。この時、第2マスク層5のフォトレジスト
もエッチングされ、第1マスク層4が残った。この第1
マスク層4のSiO2をフッ化水素酸でエッチング除去し
て、純水洗浄をした後乾燥させて、第1図(e)に示す
ように、形状にダレの少ない深さ1.3μmの微細加工表
面を得ることができた。又、顕微鏡による表面写真を第
4図に示す。エッチピットが現れず滑らかな表面が得ら
れ、形状にダレが少ないことが分かる。 尚、上記のエッチング装置及びCCl2F2ガスを用いて、
GaN,SiO2,Al2O3,フォトレジストをそれぞれエッチング
して、それらのエッチング速度を測定した。その結果を
第3図に示す。 その結果から分かるように、エッチング速度は、フォ
トレジストが1330Å/分,GaNが660Å/分,SiO2が260Å
/分,Al2O3が80Å/分であった。 上記の実施例において、20分エッチングすると、厚さ
1.5μmの第2マスク層5のフォトレジストは約11.5分
で完全に除去され、残り約8.5分で第1マスク層4のSiO
2が2200Å除去される。しかしながら、第1マスク層4
は3000Åに形成されているので、充分にマスクとして機
能する。 SiO2だけでマスクを形成すると、その厚さをエッチン
グに耐える得る厚さにする必要があるが、SiO2の積層速
度が遅く、積層厚さに限界がある。そこで、SiO2の上に
充分にしかも容易に厚くできるフォトレジストを設けた
2重構造にすることにより、効果的なマスクが実現され
る。 又、第3図の結果から分かるように、第1マスク層4
にAl2O3を用いることもできる。その場合には、Al2O3
除去するためのエッチング液としては、フッ化水素酸と
リン酸との混合液(混合比4:1)が用いられる。 更に、AlNのエッチングも上記と同様にして行った
が、同様に良好な表面微細加工が行われた。このことか
ら、本発明は一般式AlxGa1-XN半導体の微細加工にも適
用できることが判明した。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の表面加工方法を示した工程図。 第2図はその表面加工方法を行うエッチング装置を示し
た構成図。 第3図はエッチング速度の測定図。 第4図はエッチングした後のGaNの表面の結晶構造を示
す顕微鏡写真である。 1……サファイア基板 2……バッファ層 3……GaN層 4……第1マスク層 5……第2マスク層 6……マスク 10……真空容器、12……導入管 14……マスフローコントローラ 16……タンク 19……拡散ポンプ 18……コンダクタンスバルブ 22,24……電極、28……高周波電源
フロントページの続き (72)発明者 小滝 正宏 愛知県西春日井郡春日村大字落合字長畑 1番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 橋本 雅文 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41 番地の1 株式会社豊田中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−228776(JP,A) 特開 昭55−154735(JP,A) 特開 昭58−143530(JP,A) 特開 昭55−15290(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】AlxGa1-XN(0≦X≦1)半導体上に選択
    的に形成された二酸化ケイ素(SiO2)及び/又は酸化ア
    ルミニウム(Al2O3)から成る第1マスク層とその上に
    積層されたフォトレジストから成る第2マスク層又は前
    記第1マスク層をマスクとして、 ジクロロジフルオロメタン(CCl2F2)ガスのプラズマに
    より、 AlxGa1-XN(0≦X≦1)半導体をエッチングすること
    による表面加工方法。
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