JP2002057142A - 化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents
化合物半導体装置の製造方法Info
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Abstract
・エッチング工程に伴って発生するSi系の化合物から
なるエッチング反応生成物を、良好な表面モフォロジー
を保った状態で確実に除去する。 【解決手段】 Si原子とCl原子を分子構造に含むガ
スを少なくとも構成要素とする原料ガスを用いて化合物
半導体をドライ・エッチングしたのち、O2 ガス或いは
N2 ガスの少なくとも一方を含む原料ガスを用いたプラ
ズマ照射処理を行い、次いで、酸溶液を用いてエッチン
グ表面を処理する。
Description
製造方法に関するものであり、特に、半導体レーザやH
EMT(高電子移動度トランジスタ)等の化合物半導体
装置を構成するInPやGaAs等の化合物半導体表面
をドライ・エッチングした際のエッチング反応生成物の
除去工程に特徴のある化合物半導体装置の製造方法に関
するものである。
ては、化合物半導体装置の構造や用途によらず、多くの
場合に化合物半導体層の微細加工が必要となる。この様
な微細加工技術としては、半導体表面に誘電体マスクを
形成するフォトリソグラフィー技術と、誘電体マスクに
覆われていない部分の半導体層を除去するドライ・エッ
チング技術との組合せが一般的に用いられている。
形状に加工することや、エッチングによるダメージを小
さく抑えることが要求されるが、近年、この様な要求に
応える技術として、原料ガスとしてSiCl4 を用いた
ドライ・エッチングがGaAsやInP等のIII-V族化
合物半導体に対して用いられている。
sに対する選択性と、垂直異方性形状を両立するため
に、SiCl4 とSF6 の混合ガスを用いたドライ・エ
ッチングが行われており、良好な結果が得られることが
報告されている(Applied Physics L
etters,Vol.51,No.14,p.108
3−1085,1987参照)。
むガス系によりInPの平滑なエッチングが、低い基板
バイアス電圧でなされ、したがって、エッチングダメー
ジを低減することが可能であるとともに、エッチング側
面の形状が垂直に近くなることが報告されている(第5
9回応用物理学会学術講演会,講演予稿集,No.3,
p.1176,「SiCl4 /Ar誘導結合型プラズマ
(ICP)によるInPのドライエッチング」,199
8参照)。
系半導体に対する微細加工の一例である、従来の半導体
レーザの製造工程を説明する。 図7(a)参照 まず、n型InP基板31上に、MOVPE法(有機金
属気相成長法)を用いて、InGaAsPMQW活性層
32、及び、p型InPクラッド層33を順次成長させ
たのち、全面にSiO2 膜を堆積させ、次いで、通常の
フォトエッチングを施すことによってストライプ状のS
iO2 マスク34を形成する。
してSiCl4 とArからなるエッチングガス35を用
いた反応性イオンエッチング(RIE)を施すことによ
って、n型InP基板31に達するまでエッチングして
ストライプ状メサ36を形成する。
てそのまま用いて、再び、MOVPE法によってストラ
イプ状メサ36の側面にp型InP埋込層37及びn型
InP電流ブロック層38を順次選択的に成長させて、
ストライプ状メサ36をpn逆バイアス接合によって埋
め込んで電流狭窄構造を形成する。
したのち、再び、MOVPE法によって全面にp型In
Pクラッド層39及びp型InGaAsコンタクト層4
0を順次堆積させ、最後に、p型InGaAsコンタク
ト層40にp側電極(図示を省略)するとともに、n型
InP基板31の裏面にn側電極(図示を省略)するこ
とによって、半導体レーザの基本構造が完成する。
なSiCl4 を用いたドライ・エッチング工程において
は、エッチング後の半導体表面にSi系の化合物からな
るエッチング反応生成物が除去困難なエッチング残渣と
して残存するという問題があるので、図9を参照してこ
の事情を説明する。
ングを行ったのち、酸溶液で表面処理し、次いで、埋込
層を成長させたものを試料とし、この試料の表面をエッ
チングしながらSIMS(二次イオン質量分析器)を用
いて露出表面の不純物濃度を測定した場合のSiとOの
含有量を示したものであり、図における深さが0μmの
位置がエッチング加工表面を示している。
たのち酸処理をしても、エッチング加工表面に残留する
SiとOの濃度は、夫々5×1019cm-3、1×1020
cm -3であり、非常に高濃度で残留していることが理解
される。
グ反応生成物からなるエッチング残渣が存在した場合、
その後の素子作製工程や出来上がった素子の動作に悪影
響を与える。
型InP基板31とp型InP埋込層37との間にpn
接合が形成されるが、界面において良好な結晶成長が行
わなければ良好な電気的特性を有するpn接合が形成さ
れなくなり、その結果、電流がブロックされずリーク電
流が増大し、素子特性が悪化することになる。
問題を解決するために、GaAs系半導体をドライ・エ
ッチングしたのち、表面にF系ガスによるプラズマを照
射して、Si系のエッチング残渣を除去することが提案
されている(必要ならば、特開平10−209181号
公報参照)。
の素子の製造工程に適用できないという問題がある。即
ち、第1に、F系のガスは、ウェハ表面に露出している
SiO2 等の半導体以外の材料に対しても大きな化学反
応性を有するため、半導体以外の材料がプラズマ処理に
よって形状が変化してしまい、その結果、最終的に出来
上がった素子特性に悪影響を与えるという問題がある。
トライプ状メサ36の頂面に存在するSiO2 マスク3
4を選択成長マスクとしても使用するので、このSiO
2 マスク34がCF4 処理においてエッチングされ、以
降の選択成長において成長させる素子形状に影響を与え
るという問題がある。
合、オゾン層に対する影響を考慮する必要があり、対環
境性が問題となる。
グ工程に伴って発生するSi系の化合物からなるエッチ
ング反応生成物を、良好な表面モフォロジーを保った状
態で確実に除去することを目的とする。
て、本発明における課題を解決するための手段を説明す
る。なお、図1は本発明の特徴点を示す製造フロー図で
ある。 図1参照 上述の目的を達成するために、本発明においては、Si
Cl4 等のSi原子とCl原子を分子構造に含むガスを
少なくとも構成要素とする原料ガスを用いて化合物半導
体をドライ・エッチングしたのち、O2 +Ar或いはN
2 +Ar等のO 2 ガス或いはN2 ガスの少なくとも一方
を含む原料ガスを用いたプラズマ照射処理を行い、次い
で、塩酸を含む溶液等の酸溶液を用いてエッチング表面
を処理することを特徴とする。
のO2 ガス或いはN2 ガスの少なくとも一方を含む原料
ガスを用いたプラズマ照射処理を行うことによって、ス
パッタ効果等のガスの物理的作用によりドライ・エッチ
ングに起因するSi系の化合物からなるエッチング残渣
を塩酸を含む溶液等の酸溶液に溶解しやすい形態に変質
させるとともに、変質したエッチング残渣をその直下の
半導体層から浮かせることができる。なお、この場合の
原料ガスとしては、O2 ガスのみ或いはN2 ガスのみで
も良いが、Arガスを混入した場合に比べてスパッタ効
果が小さくなる。
処理することにより表面から浮き、且つ、酸溶液に溶解
しやすい形態に変質したエッチング残渣を容易に除去す
ることができる。また、この酸溶液を用いた表面処理
は、ドライ・エッチング工程及びプラズマ照射処理工程
に伴って発生する表面ダメージを除去する作用もある。
15μmのシャローエッチングが可能であり、且つ、化
合物半導体表面のモフォロジー、化合物半導体層の形状
を大きく変化させない酸溶液が好適であり、例えば、H
Cl+H2 O2 +H2 Oからなる混合溶液等の塩酸を含
む酸溶液が好適である。
工程の後、少なくとも処理表面に結晶再成長を行うこ
と、特に、半導体レーザの電流ブロック層を含む埋込層
を成長させることを特徴とする。
ことによって、少なくとも処理表面に結晶再成長を行っ
た場合、良好な結晶成長を行うことができる。特に、半
導体レーザの電流ブロック層を含む埋込層を成長させた
場合、電気的特性に優れたpn接合を形成することがで
き、それによって埋込層を介して流れるリーク電流を低
減することができる。
本発明の第1の実施の形態を説明するが、まず、図2乃
至図4を参照して本発明の第1の実施の形態の製造工程
を説明する。 図2(a)参照 まず、(100)面を主面とするn型InP基板11上
に、MOVPE法を用いて、厚さが、例えば、0.35
μmのn型InPクラッド層12、InGaAsPMQ
W活性層13、及び、厚さが、例えば、250nmのp
型InPクラッド層14を順次成長させる。なお、この
場合のInGaAsPMQW活性層13は、発光のピー
ク波長が、例えば、1.3μmになるように構成するも
のであり、その構造としては、バンドギャップ波長λg
が、例えば、1.1μm組成で、厚さが、例えば、10
nmのi型InGaAsPバリア層と、バンドギャップ
波長λg が、例えば、1.39μm組成で、厚さが、例
えば、5nmのi型InGaAs井戸層とを交互に10
ペア成長させたものである。
mのSiO2 膜を堆積させたのち、通常のレジストパタ
ーン(図示せず)を用いたフォトエッチングを施すこと
によって幅が、例えば、2μmのストライプ状のSiO
2 マスク15を形成する。
IE(誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング)装
置を用い、このSiO2 マスク15をエッチングマスク
としてSiCl4 +Arからなる混合ガス16を用いた
反応性イオンエッチングを施すことによって、n型In
Pクラッド層12に達するまで、例えば、2μmの深さ
にエッチングしてストライプ状メサ17を形成する。
は、 原料ガス流;SiCl4 :Ar=10sccm:20s
ccm 圧力;2Pa ICPコイル電力;200W(/4500cm3 ) 基板バイアス電圧;100W(印加電圧;−300V) 基板温度;180℃ とし、3分間エッチングを行った。
からなる混合ガス16を排気したのち、O2 +Arから
なる混合ガスを導入し、電力を供給してプラズマを発生
させ、ウェハをプラズマ18中に晒すことによって露出
表面にプラズマ18を照射する。
は、 原料ガス流;O2 :Ar=50sccm:50sccm 圧力;10Pa ICPコイル電力;200W(/4500cm3 ) 基板バイアス電圧;12W(印加電圧;−70V) 基板温度;100℃ とし、5分間のプラズマ照射処理を行った。
露出表面に付着しているSi系化合物からなるドライ・
エッチング工程に起因するエッチング残渣が酸溶液に溶
解しやすくなるとともに、ウェハ表面から浮き上がるこ
とになる。
=1:1:1からなる酸溶液19に、例えば、1分間浸
漬することによって、露出表面を、例えば、0.05μ
mエッチングする。この酸溶液19によるエッチングに
よって、浮き上がったエッチング残渣を除去するととも
に、ドライ・エッチング工程及びプラズマ照射工程によ
って発生した物理的ダメージを除去する。
のまま用いて、再び、MOVPE法によってストライプ
状メサ17の側面に厚さが、例えば、0.6μmで、不
純物濃度が2×1018cm-3のp型InP電流埋込層2
0、及び、厚さが、例えば、1.0μmのn型InP電
流ブロック層21を順次選択的に成長堆積させて、スト
ライプ状メサ17をpn逆バイアス接合によって埋め込
んで電流狭窄構造を形成する。なお、SiH4 をドーパ
ント原料とするn型InP電流ブロック層21の不純物
濃度は成長面の結晶方位に依存するが、最も濃度の低い
領域において、2×1018cm-3になるようにする。
したのち、再び、MOVPE法によって全面に表面が平
坦になるように、厚さが、例えば、2.9μmで、不純
物濃度が1.0×1018cm-3のp型InPクラッド層
22、及び、厚さが、例えば、0.7μmで、不純物濃
度が1.5×1019cm-3のp型InGaAsコンタク
ト層23を順次堆積させる。
GaAsコンタクト層23にp側電極を形成するととも
に、n型InP基板11の裏面を研磨したのちn側電極
を形成し、次いで、p側電極及びn側電極上にAuメッ
キを施すことによって、半導体レーザの基本構成が完成
する。
の不純物濃度の説明図であり、深さが0μmの位置が、
ストライプ状メサ17の表面位置である。図から明らか
なように、従来と同様にSIMS分析を行った結果、ス
トライプ状メサ17の表面位置におけるSi及びOの濃
度は、夫々1×1017cm-3、3×1017cm-3となっ
ており、図9に示した酸処理のみの場合に比べて約2桁
程度小さくなっていることが理解される。
いては、まず、O2 +Arからなる混合ガスのプラズマ
のスパッタ効果によって、表面に付着したエッチング残
渣を変質させるとともに、浮かせ、次いで、HCl:H
2 O2 :H2 O=1:1:1からなる酸溶液を用いた酸
処理を行うことによって浮き上がったエッチング残渣を
除去しているので、酸処理のみでは除去が困難であった
エッチング残渣を確実に除去することが可能になる。
成長層を良好な結晶性を保った状態で成長させることが
でき、それによって、良好な電流狭窄構造を構成するこ
とができるので、リーク電流を低減することができる。
は、酸処理工程において、HCl:H2 O2 :H2 O=
1:1:1からなる塩酸を含む酸溶液を用いているの
で、表面モフォロジーを良好に保つことができるととも
に、ストライプ状メサ17の形状を良好に保つことがで
きる。
するが、プラズマ照射処理工程における条件が異なるだ
けで、他の工程は上記の第1の実施の形態と全く同様で
あるので、図3(c)を借用してプラズマ照射処理工程
のみを説明する。 再び、図3(c)参照 上記の第1の実施の形態と同様にICP−RIE装置を
用いてストライプ状メサ17を形成したのち、引き続い
て、ICP−RIE装置中のSiCl4 +Arからなる
混合ガスを排気し、次いで、O2 からなる混合ガスを導
入し、電力を供給してプラズマを発生させ、ウェハをこ
のプラズマ18中に晒すことによって露出表面にプラズ
マ18を照射する。
は、 原料ガス流;O2 =50sccm 圧力;5Pa ICPコイル電力;200W(/4500cm3 ) 基板バイアス電圧;12W(印加電圧;−30V) 基板温度;100℃ とし、5分間のプラズマ照射処理を行った。以降は、再
び、上記の第1の実施の形態と全く同様の工程を経るこ
とによって、上記の第1の実施の形態と同様の半導体レ
ーザが得られる。
の不純物濃度の説明図であり、深さが0μmの位置が、
ストライプ状メサ17の表面位置である。図から明らか
なように、従来と同様にSIMS分析を行った結果、ス
トライプ状メサ17の表面位置におけるSi及びOの濃
度は、夫々3×1018cm-3、8×1018cm-3となっ
ており、図9に示した酸処理のみの場合に比べて約1桁
程度小さくなっていることが理解される。なお、上記の
第1の実施の形態に比べて1桁程度大きくなっている。
たが、本発明は各実施の形態に記載した構成及び条件に
限られるものではなく、各種の変更が可能である。例え
ば、本発明の各実施の形態においては、ドライ・エッチ
ング工程とプラズマ照射工程を同じ装置中における一連
の工程としているが、バッチ処理等におけるように、不
連続的な工程として行っても良いものであり、さらに
は、ドライ・エッチング工程とプラズマ照射工程とを別
の製造装置を用いて行っても良いものである。
は、プラズマ照射処理における原料ガス流量をO2 :A
r=50:50、或いは、O2 ガスのみとしているが、
これらの流量比に限られるものではなく、例えば、原料
ガス流量をO2 :Ar=50:0〜50:200の範囲
で使用することが好適である。なお、Arガスのみを用
いた場合には、スパッタ効果が大きくなりすぎ、ストラ
イプ状メサの形状が変わるので好ましくない。
は、O2 +Ar、或いは、O2 に限られるものではな
く、O2 と同様にソフトなスパッタ効果の得られるN2
を用いても良いものであり、したがって、N2 +Ar、
或いは、N2 を用いても良いものである。
P系半導体レーザとして説明しているが、GaAs系半
導体レーザにも同様に適用されるものであり、対象も半
導体レーザに限られるものではなく、ドライ・エッチン
グ工程を伴う発光ダイオードやフォトダイオード等の光
半導体装置にも適用されるものである。
はなく、エッチング後の再成長工程を伴わないHEMT
(高電子移動度トランジスタ)等の他の化合物半導体装
置にも適用されるものである。
Cl4 を用いてドライ・エッチングを行った場合、表面
にエッチング残渣が存在するとゲート電極のショットキ
ーバリア性が低下して所期のゲート特性が得られなくな
る虞れがあるものの、本発明のプラズマ照射処理及び酸
処理を行うことによって、良好なゲート特性を得ること
ができる。
マ照射処理工程において、ICP−RIE装置を用いて
いるが、ICP−RIE装置に限られるものではなく、
通常の一般的な平行平板型のRIE装置を用いても良い
ものであり、さらには、ウェハにバイアスを与えること
はできず、エッチング残渣の除去効果は劣るものの、バ
レル型の装置を用いても良いものである。
造に含むガスを少なくとも構成要素とする原料ガスを用
いて化合物半導体をドライ・エッチングしたのち、O2
ガス或いはN2 ガスの少なくとも一方を含む原料ガスを
用いたプラズマ照射処理を行い、次いで、酸溶液を用い
てエッチング表面を処理することを特徴とする化合物半
導体装置の製造方法。 (付記2) 上記Si原子とCl原子を分子構造に含む
ガスが、SiCl4 であることを特徴とする付記1記載
の化合物半導体装置の製造方法。 (付記3) 上記プラズマ照射処理に用いる原料ガス
に、Arが含まれていることを特徴とする付記1または
2に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (付記4) 上記酸溶液が、塩酸を含む酸溶液であるこ
とを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の化合
物半導体装置の製造方法。 (付記5) 上記酸溶液を用いた表面処理工程の後、少
なくとも前記処理表面に結晶再成長を行うことを特徴と
する付記1乃至4のいずれか1に記載の化合物半導体装
置の製造方法。 (付記6) 上記結晶再成長工程が、半導体レーザの電
流ブロック層を含む埋込層を成長させる工程であること
を特徴とする付記5記載の化合物半導体装置の製造方
法。
用いてドライ・エッチングを施したのち、O2 或いはN
2 を含むガスによるプラズマ照射を行うとともに、引き
続いて酸溶液処理を行っているので、ドライ・エッチン
グに伴って発生するエッチング残渣を表面モフォロジー
を保ったままで確実に除去することができ、それによっ
て、半導体レーザ等の化合物半導体装置の特性の向上、
信頼性の向上に寄与するところが大きい。
程の説明図である。
での製造工程の説明図である。
程の説明図である。
の不純物濃度の説明図である。
の不純物濃度の説明図である。
明図である。
明図である。
半導体レーザにおけるドライ・エッチング加工面の不純
物濃度の説明図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 Si原子とCl原子を分子構造に含むガ
スを少なくとも構成要素とする原料ガスを用いて化合物
半導体をドライ・エッチングしたのち、O2ガス或いは
N2 ガスの少なくとも一方を含む原料ガスを用いたプラ
ズマ照射処理を行い、次いで、酸溶液を用いてエッチン
グ表面を処理することを特徴とする化合物半導体装置の
製造方法。 - 【請求項2】 上記プラズマ照射処理に用いる原料ガス
に、Arが含まれていることを特徴とする請求項1記載
の化合物半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 上記酸溶液が、塩酸を含む酸溶液である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の化合物半導
体装置の製造方法。 - 【請求項4】 上記酸溶液を用いた表面処理工程の後、
少なくとも前記処理表面に結晶再成長を行うことを特徴
とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半
導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 上記結晶再成長工程が、半導体レーザの
電流ブロック層を含む埋込層を成長させる工程であるこ
とを特徴とする請求項4記載の化合物半導体装置の製造
方法。
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