JPH10256226A

JPH10256226A - ＧａＮ系半導体層のエッチング方法

Info

Publication number: JPH10256226A
Application number: JP5502897A
Authority: JP
Inventors: Kiyoteru Yoshida; 清輝吉田
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1998-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上に形成されたＧａＮ系半導体層をエッ
チングする方法を提供する。【解決手段】このエッチング方法は、基板１の上にバ
ッファ層５を介して形成されている導電性のＧａＮ系半
導体層６をエッチングする際に、基板上におけるエッチ
ング予定個所に金属層３を形成し、前記金属層３を含め
た基板の表面にバッファ層５と導電性のＧａＮ系半導体
層６をこの順序で形成し、エッチングしない領域６Ｂに
保護膜７を形成し、ついで、アルカリ電解液中で、金属
板９に接続された前記導電性のＧａＮ系半導体層６を陽
極にして電解侵蝕処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＧａＮ系半導体層の
エッチング方法に関し、更に詳しくは、湿式エッチング
法を適用することにより、基板の損傷を引き起こすこと
なくＧａＮ系半導体層をエッチングしてそこに所望のパ
ターンを形成することができるＧａＮ系半導体層のエッ
チング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ＧａＡｓ系のIII−Ｖ族化合物
半導体を用いて各種の集積回路構造の光デバイスや電子
デバイスが製造されている。その場合には、まず、例え
ばＭＯＣＶＤ法を適用して半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基
板の上に所定組成のＧａＡｓ系半導体をエピタキシャル
成長させたのち、当該ＧａＡｓ系半導体層を選択的にエ
ッチングしてそこに所望のパターンが形成される。

【０００３】そのときのエッチング方法としては、高精
度のパターニングが可能であるということから、反応性
イオンエッチング（ＲＩＥ）や反応性イオンビームエッ
チング（ＲＩＢＥ）のような乾式エッチング法が広く採
用されている。また、ＧａＡｓ系半導体層の表面をＳｉ
Ｏ₂などの保護膜で被覆したのちホトリソグラフィーで
当該保護膜をパターニングし、ＳｉＯ₂保護膜に形成さ
れた開口部から表出するＧａＡｓに対し、例えばＫＯＨ
水溶液の中で当該ＧａＡｓを陽極とし、金属棒を陰極に
し、両極間に例えば１０Ｖの直流電圧を印加してＧａＡ
ｓ面をエッチングするという湿式エッチング法が適用さ
れることもある。

【０００４】これらの乾式エッチング法と湿式エッチン
グ法を比較すると、乾式エッチングはパターン精度をだ
しやすく、またエッチング速度も大きいという点で有効
であるが、他方では、基板を損傷しやすいという難点が
ある。したがって、基板の損傷を引き起こすことのない
エッチング方法としては湿式エッチングの方が好適であ
る。

【０００５】ところで、上記したＧａＡｓ系半導体と同
じようにIII−Ｖ族化合物半導体に所属し、一般式：Ｉ
ｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１）で示
されるＧａＮ系半導体は、その禁止帯幅が大きく、かつ
直接遷移型であるため、発光ダイオードやレーザダイオ
ードなどの発光素子、ホトダイオードやホトトランジス
タなどの受光素子、更には電界効果トランジスタやＨＢ
Ｔなどの電子デバイスの材料として注目されている。

【０００６】このＧａＮ系半導体を用いて集積回路構造
のデバイスを製造する場合にも、形成されているＧａＮ
系半導体層をエッチングしてそこに所望のパターンを形
成することが必要である。このＧａＮ系半導体層のエッ
チング方法としては、従来から、次のような湿式エッチ
ング法が知られている。

【０００７】例えば、第５６回応用物理学会学術講演会
（１９９５年８月２６日〜２９日）における講演予稿集
No.1、２４６頁、２７ｐ−ＺＥ−１６には、ＫＯＨ，
ＮａＯＨ２０gを水１００ccに溶解して成るそれぞれの
アルカリ水溶液を調製し、それらアルカリ水溶液に過酸
化水素水を混合して成る混合溶液にＧａＮのエピタキシ
ャル成長層を浸漬し、そこに強度0.６W/cm²の紫外線を
照射すると、当該ＧａＮは非常によくエッチングされる
ということが開示されている。

【０００８】また、例えば、特開昭５１−３７７９号公
報には、O.１ＮのＮａＯＨ溶液にエッチング対象のＧａ
Ｎ層を浸漬し、電流密度約１０mA/cm²で電気侵蝕して当
該ＧａＮ層を溶解する方法が開示されている。この電解
侵蝕法の場合、エッチングの対象となるＧａＮ層は導電
性であることが必要であるが、前記した別の湿式エッチ
ング法に比べて、超かにエッチング速度が大きいという
利点を備えている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これらの湿式エッチン
グ法は、いずれも、基板の損傷を招かないという点では
有効である。しかしながら、次のような問題がある。ま
ず、前者の湿式エッチング法に関しては、最近、ＧａＮ
の結晶性がよくない場合（例えば多結晶構造である場
合）にはエッチングは円滑に進行するが、しかし、対象
のＧａＮが単結晶構造に近づけば近づくほどエッチング
は困難になるということが指摘されている。そのため、
単結晶として形成されているＧａＮ系半導体層のパター
ン形成に適用することは必ずしも有効ではない。

【００１０】また、後者の電解侵蝕法の場合、例えば、
サファイヤ基板のような絶縁性の基板の上に形成されて
いる導電性のＧａＮ系半導体層を均一にエッチングでき
るか否かの点は不明のままであった。とくに、電解侵蝕
を実施する際における導電性のＧａＮ系半導体への通電
用端子の取り付け方に関しては、不明のままであった。

【００１１】この点に関して、本発明者は次のような実
験を行った。すなわち、導電性のＧａＮ層の一部に単純
にリード線を接続し、その状態で電解侵蝕を進めたとこ
ろ、そのリード線が接続されているＧａＮ層の部分にお
けるエッチングが基板との界面にまで集中的に進行し、
他の部分との間が断線状態となってしまい、結局、全体
的なエッチングは不可能であった。

【００１２】また、導電性のＧａＮ層の表面にレジスト
マスクのパターンを形成した状態で電解侵蝕を行ったと
ころ、用いたアルカリ電解液がＧａＮ層とレジストマス
クとの界面に侵入してしまい、その結果、ＧａＮ層のエ
ッチング形状は設計基準から外れてしまい、目的とする
デバイスの製造は不可能であった。本発明は、基板の損
傷は招かないという利点を有しながらも上記したような
問題をかかえている電解侵蝕によるＧａＮ系半導体層の
エッチング方法における問題を解決し、基板上に形成さ
れている導電性のＧａＮ系半導体層を設計基準通りにエ
ッチングすることができる方法の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、基板上にバッファ層を介し
て形成されている導電性のＧａＮ系半導体層をエッチン
グする際に、基板上におけるエッチング予定個所に金属
層を形成し、前記金属層を含めた基板の表面にバッファ
層と導電性のＧａＮ系半導体層をこの順序で形成し、つ
いで、アルカリ電解液中で、前記導電性のＧａＮ系半導
体層を陽極にして電解侵食処理を行うことを特徴とする
ＧａＮ系半導体層のエッチング方法が提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のエッチング方法
を図面に則して詳細に説明する。すなわち、基板１の表
面に形成されるＧａＮ系半導体層に対するエッチング予
定個所が、図１で示したような平面パターンＡである場
合について説明する。ここで、エッチング予定個所のパ
ターンＡは、基板１の表面１ａに所定の平面パターンで
描画され、その端部は基板１の周縁部１ｂにまで延びて
いる。

【００１５】最初に、基板上におけるエッチング予定個
所に所望の平面パターンを有する金属層が形成される。
具体的には、図２で示したように、例えばサファイヤの
ような絶縁材料の基板１が用意され、その表面１ａの全
体を被覆してレジスト膜２を形成したのち、公知のフォ
トリソグラフィーを適用して、エッチング予定個所に相
当するレジスト膜２の部分を除去し、そこに所望の平面
パターンを有する開口部２ａを形成する。

【００１６】なお、図２で示した開口部２ａの平面パタ
ーンは図１で示したパターンＡと同形であり、基板１の
表面の周縁部１ｂにまで延在している。ついで、残置し
ているレジスト膜２をマスクにして、前記開口部２ａに
金属を例えば真空蒸着したのちレジスト膜２を除去す
る。その結果、図３で示したように、基板１の表面１ａ
には、その周縁部１ｂにまで延びており、かつエッチン
グ予定個所に相当する平面パターンを有する金属層３が
形成される。なお、図３で示した金属層３から延在して
周縁部１ｂに形成されている金属層の端部を図３におい
ては３ａ，３ａで示してある。金属層３の形成に用いる
金属としては、後述するエッチングの対象となるＧａＮ
系半導体との格子不整合率が比較的大きい金属であるこ
とが好ましく、例えばＡｌ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｉなどをあ
げることができる。

【００１７】ついで、図４で示したように、基板１の周
縁部１ｂを例えばＭｏ製のホルダ４で把持した状態で結
晶成長装置内にセットし、例えばＭＢＥ法を適用して例
えばＧａＮ系バッファ層とＧａＮ系半導体層とをこの順
序で積層する。このとき、基板の周縁部１ｂ全体および
そこに存在する金属層の端部３ａ，３ａは、ホルダ４で
被覆された状態になっているので、その個所にはバッフ
ァ層とＧａＮ系半導体層は形成されない。

【００１８】この成膜操作の結果、図５で示したよう
に、基板１の表面のうち、ホルダで把持していた周縁部
を除いた表面では、金属層３を被覆してバッファ層５が
形成され、更にそのバッファ層５を被覆してＧａＮ系半
導体層６が形成される。そして、基材表面の周縁部１ｂ
およびそこに存在している金属層の部分３ａ，３ａはそ
のままの状態で表出している。

【００１９】この成膜操作時に、金属層３の上に成長す
るＧａＮ系半導体は多結晶構造になる。したがって、図
５における最上層のＧａＮ系半導体層６の場合、金属層
３の上に存在する領域６Ａは多結晶構造になっており、
それ以外の領域６Ｂ、すなわち金属層３が存在していな
い領域は単結晶構造になっている。換言すれば、最上層
のＧａＮ系半導体層６には、金属層３の平面パターン、
すなわち図１で示したエッチング予定個所のパターンＡ
をなして多結晶構造のパターンが形成されている。

【００２０】ついで、図６で示したように、表面全体を
被覆してレジスト膜２'を形成したのち、公知のリソグ
ラフィーを適用して、ＧａＮ系半導体層の表面のうち単
結晶構造の領域６Ｂに、目的とするデバイスの形状に相
当する開口部２ａ'のパターンを形成する。ついで、残
留しているレジスト膜２'をマスクにして、前記開口部
２ａ'に例えばＳｉＯ₂やＳｉＮ_xのような電気絶縁性材
料を被着したのちレジスト膜２'を除去する。

【００２１】その結果、図７で示したように、ＧａＮ系
半導体層６の単結晶構造の領域６Ｂにおける必要個所に
電気絶縁性の保護膜７が形成される。続けて、電解侵蝕
処理が行われる。まず、基板１の周縁部１ｂを被覆して
例えば銅ペーストやドータイトのような導電性塗料を等
幅で塗布する。このとき、少なくとも金属層の端部３
ａ，３ａは導電性塗料で完全に被覆されることが必要で
ある。

【００２２】金属層の端部３ａ，３ａが導電性塗料で完
全に被覆されておらずに一部が表出していると、後述す
る電解侵蝕処理時に、当該表出部が溶解して断線状態と
なり、ＧａＮ系半導体層６の電解侵蝕処理ができなくな
ってしまうからである。具体的な塗布態様としては、図
８で示したように、導電材塗料８が、金属層の端部３
ａ，３ａを埋設し、かつ、バッファ層５とＧａＮ系半導
体層６の周壁をも被覆するように塗布することが好まし
い。更には、図８の仮想線で示したように、ＧａＮ系半
導体層６の周縁部の表面をオーバーコートするように塗
布してもよい。

【００２３】そして、この導電性塗料８に、図９で示し
たように例えばＡｌ，Ｃｕ，ステンレス鋼のような導電
性の金属板９が接着される。その結果、金属板９は導電
性塗料を介して周縁部の金属層の端部３ａ，３ａと導通
関係を形成し、そして当該金属層の端部３ａ，３ａは金
属層３が延在している部分であるため、その金属層３を
介してバッファ層５およびＧａＮ系半導体層６と導通関
係を形成する。すなわち、金属板９と、バッファ層５お
よびＧａＮ系半導体層６との間には導通関係が形成され
る。

【００２４】なお、導電性塗料８との導通部分を除いた
金属板９の表面には、例えばワックスまたはテフロンの
ような電気絶縁性塗料をシール剤として塗布することに
より、後述する電解侵蝕処理時に用いる電解液に対する
耐食性と電気絶縁性が付与される。この状態で全体をア
ルカリ電解液に浸漬し、前記した金属板８を電源のプラ
ス極に接続して陽極とし、またＧａＮ系半導体層６に対
向して例えばＰｔ電極のような不溶性電極を配置してそ
れを陰極とし、両極間に所定の電圧を印加して通電す
る。

【００２５】用いるアルカリ電解液としては、例えばＫ
ＯＨ水溶液やＮａＯＨ水溶液を好適例としてあげること
ができ、また電解液の温度は２０〜５０℃程度であるこ
とが好ましい。更に、両極間に印加する電圧は、用いる
アルカリ電解液の濃度との関係で変化させることになる
が、例えば0.７ＮのＫＯＨ水溶液を用いて電解侵蝕を室
温下で行う場合には、１０〜２０Ｖ程度であればよい。

【００２６】この電解侵蝕処理により、陰極からはそれ
に対面しているＧａＮ系半導体層６の表面に電子が集中
的に流入して流入個所を酸化し、その部分を溶解せしめ
る。そして、保護膜７で被覆されているＧａＮ系半導体
層の単結晶構造の領域６Ｂには当該保護膜７の作用で電
子は流入しないので溶解することなく残留する。しかし
領域６Ｂ以外の領域は、陰極からの電子が流入し、しか
もその下に位置する金属層６の作用で多結晶構造の領域
になっているので、電解侵蝕が継時的に進行して溶解が
進む。なお、このとき紫外線を照射すると電解侵蝕は効
果的に進行するので好適である。

【００２７】そして、最終的に、領域６Ａでは最下層に
位置する金属層３も電解侵食され、その結果、図１０で
示したように、基板１の表面１ａには、目的とするパタ
ーンをなして、バッファ層５と、その上に位置するエピ
タキシャル成長層である単結晶構造のＧａＮ系半導体層
６が残置する。そして、最上層の保護膜７を除去するこ
とにより、単結晶構造のＧａＮ系半導体層６を用いたデ
バイスを製造することができる。

【００２８】

【実施例】サファイヤ基板を用いて、図３で示したよう
に、その表面のエッチング予定個所に厚み５０nmのＡｌ
層を形成した。ついで基板１の周縁部１ｂの２mm程度を
図４で示したようにＭｏ製のホルダ４で把持してＭＢＥ
装置にセットし、まず、温度６４０℃でジメチルヒドラ
ジン（５×１０^-6Torr）と金属Ｇａ（５×１０^-7Torr）
を用いて厚み５nmのＧａＮバッファ層５を形成し、更に
続けて、成長温度８５０℃でアンモニア（５×１０^-6To
rr）と金属Ｇａ（５×１０^-7Torr）とＳｉ（５×１０^-9
Torr）を用いて厚み１０００nmのｎ型ＧａＮ層６を形成
した（図５）。Ａｌ層３の上のｎ型ＧａＮ層の領域６Ａ
は多結晶構造であり、それ以外の領域６Ｂは単結晶構造
であった。

【００２９】ついで、全体の表面をレジスト膜で被覆し
たのち、デバイス作成予定個所に開口部を形成し、そこ
にＳｉＯ₂をスパックリング法で被着し、続いてレジス
ト膜を除去して保護膜７を形成した（図６，図７）。つ
いで、基板１の周縁部１ｂにドータイト（藤倉化成社製
の導電性塗料）８を、Ａｌ層の端部３ａ，３ａを完全に
埋設し、かつｎ型ＧａＮ層６の周縁部表面が幅２mm程度
被覆されるように塗布したのち、そこに、ドーナッツ形
状のＡｌ円板９を接着した（図８、図９）。なお、Ａｌ
円板９はそのドータイト８との接着部以外の表面には酸
化アルミ被膜が形成されている。

【００３０】一方、脱イオン水２００ミリリットルにＫＯＨ５
gを溶解して0.７ＮのＫＯＨ水溶液を調製し、この中
に、図９で示したＡｌ円板付きの基板を浸漬し、Ａｌ円
板を電源のプラス極に接続し、また、ｎ型ＧａＮ層６に
対向してＰｔ電極を配置してそれを電源のマイナス極に
接続した。そして、両極間に表１で示した電圧をそれぞ
れ印加して１０分間の電解侵蝕処理を行った。１０分
後、基板を取り出し、基板の中央部と周縁部におけるＡ
ｌ層上のエッチング深さを計測した。その結果を表１に
示した。

【００３１】なお、保護膜７の下に位置するｎ型ＧａＮ
層６はエッチングされずにそのまま残留していた。

【００３２】

【表１】また、両極間の印加電圧を１０Ｖと一定にした状態で処
理時間を表２で示したように変化させて、エッチング深
さを測定した。その結果を表２に示した。

【００３３】

【表２】

【００３４】表から明らかなように、例えば２０Ｖの印
加電圧を２０分間かけることにより、基板上に金属層を
パターニングした個所に形成されているＧａＮ系半導体
層（多結晶構造の領域）を、その金属層のパターン通り
にエッチング除去して、単結晶構造の領域を残すことが
できる。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明方
法によれば、エピタキシャル成長法で形成したＧａＮ系
半導体層を湿式エッチング法の１つである電解侵蝕法で
所望のパターンで均一にエッチングすることができる。
そして、本発明方法は、ＲＩＥやＲＩＢＥのような高エ
ネルギービームを使用することなくに湿式エッチング法
を適用しているため基板の損傷という問題は起こらな
い。

【００３６】したがって、本発明方法は、ＧａＮ系半導
体を用いた高品質のデバイス作成に適用して有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】基板の例を示す斜視図である。

【図２】基板表面に金属層形成用のレジスト膜の開口部
を形成した状態を示す断面図である。

【図３】基板表面に金属層のパターンを形成した状態を
示す断面図である。

【図４】基板をホルダで把持した状態を示す断面図であ
る。

【図５】金属層を被覆してバッファ層とＧａＮ系半導体
層を形成した状態を示す断面図である。

【図６】ＧａＮ系半導体層に形成したレジスト膜に開口
部を形成した状態を示す断面図である。

【図７】ＧａＮ系半導体層の単結晶構造領域に保護膜を
形成した状態を示す断面図である。

【図８】基板の周縁部に導電性塗料を塗布した状態を示
す断面図である。

【図９】基板に金属板を取り付けた状態を示した断面図
である。

【図１０】金属層上のＧａＮ系半導体層を電解侵食して
エッチング除去した状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１基板１ａ基板１の表面１ｂ基板１の周縁部２，２' レジスト膜２ａ，２ａ' 開口部３金属層３ａ金属層の端部４ホルダ５バッファ層６ＧａＮ系半導体層６ＡＧａＮ系半導体層５の多結晶構造領域６ＢＧａＮ系半導体層５の単結晶構造領域７絶縁性の保護膜８導電性塗料９金属板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にバッファ層を介して形成されて
いる導電性のＧａＮ系半導体層をエッチングする際に、
基板上におけるエッチング予定個所に金属層を形成し、
前記金属層を含めた基板の表面にバッファ層と導電性の
ＧａＮ系半導体層をこの順序で形成し、ついで、アルカ
リ電解液中で、前記導電性のＧａＮ系半導体層を陽極に
して電解侵食処理を行うことを特徴とするＧａＮ系半導
体層のエッチング方法。