JP2006114551A - 半導体素子構造およびエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エッチング深さ量およびエッチングの終了時点を正確に判断することができる半導体素子構造および該半導体素子構造を用いるエッチング方法を提供する。
【解決手段】 ＧａＡｓ基板１０の上にバッファ層１１、第１クラッド層１２、活性層１３、第２クラッド層１４、エッチング終点検出層１５、第３クラッド層１６、中間層１７およびキャップ層１８が積層された半導体素子構造１において、第２層が第２クラッド層１４とエッチング終点検出層１５との積層構造であり、該積層構造がドライエッチングモニター用レーザ光に対して高反射率を有するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子構造およびエッチング方法に関する。

ドライエッチング技術は、様々な半導体素子構造の作成に採用されるけれども、半導体素子の近年のさらなる高性能化および高集積化に対応するために、エッチング技術の一層の高度化が要求される。

エッチング技術においては、エッチング深さが半導体素子の性能に大きな影響を及ぼすので、エッチング深さを精度良く制御することが必要である。したがって、半導体素子のエッチングは、エッチング深さをモニターしながら実施されるのが一般的である。たとえば、ドライエッチングにおける、エッチング深さのモニター方法としては、プラズマの分光スペクトルを利用する方法、被エッチング層表面にレーザ光を入射し、その反射信号（干渉反射光）をモニターする方法などが挙げられる。特に、反射信号をモニターする方法は、レスポンスが早く、被エッチング層そのものを観測するので測定の正確さが増し、装置構成が比較的単純であるといった利点を有し、多くの方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の方法では、半導体素子の表面または傍に該半導体素子よりも厚みが薄いモニター用半導体素子を設置し、エッチングを行いながら、該モニター用半導体素子に測定用光を照射し、該モニター用半導体素子における被エッチング層の反射率または透過率を測定することによって、半導体素子の被エッチング量をモニターする。

しかしながら、被エッチング層におけるレーザ光の透過率が高い場合、レーザ光は被エッチング層だけでなく、それより下層にまで透過する。このとき、観測されるレーザ光の反射光は、被エッチング層より下に存在する全ての層において発生する反射光による干渉を受ける。半導体素子の多層構造が複雑になるほど、反射光の干渉は複雑になり、反射光から得られる反射信号のパターンが変化する。また、被エッチング層の下に存在する層の層厚または屈折率が部分的に標準より数パーセントずれるだけでも、反射信号のパターンが変化することが多い。こういった場合、反射信号のパターンを、予測することは非常に困難である。そして、現在の技術レベルにおける層成長の精度では、数パーセントのずれが発生するのを防止することは非常に困難であり、ほとんどの半導体素子はその積層構造中にずれを内在する。

したがって、同一の積層体として作成された半導体素子であっても、得られる反射信号パターンは素子毎に大きく異なるので、ドライエッチングに際し、反射信号パターンをエッチング終了の判断の目安にするのは非常に不正確である。

また、半導体素子の積層構造中に、予め、ドライエッチング終点検出層を形成する方法が提案される（たとえば、特許文献２、特許文献３参照）。特許文献２によれば、基板上に少なくとも第１クラッド層、ガイド層、第２クラッド層、第２クラッド層と屈折率の異なるエッチング終点検出層およびドライエッチング終点検出層と屈折率の異なる第３クラッド層を順次積層し、第３クラッド層の表面をフォトリソグラフィによりマスキングした後、レーザ光の照射下にエッチングを行い、第２または第３クラッド層とドライエッチング終点検出層との反射信号パターンの差から終点を検出し、エッチングを終了する半導体素子の製造方法および該製造方法により得られる半導体素子を開示する。

さらに、特許文献３によれば、基板上に少なくとも第１クラッド層、ガイド層、第２クラッド層、第２クラッド層よりも屈折率の高いエッチング終点検出層およびエッチング終点検出層よりも屈折率の低い第３クラッド層を順次積層し、第３クラッド層の表面をフォトリソグラフィによりマスキングした後、レーザ光の照射下にエッチングを行い、第３クラッド層とエッチング終点検出層との反射信号パターンの違いからエッチング終点を検出し、エッチングを終了する半導体素子の製造方法および該製造方法により得られる半導体素子を開示する。

特許文献２および３のように、ドライエッチング終点検出層を導入する技術においても、該検出層の下層からの干渉などの影響で、常に同様の反射信号パターンが得られず、判定の間違いが起こり易く、判定の自動化が困難であるという欠点がある。また、ドライエッチング終点検出層という特定の層に到達した時点でしかエッチングを終了できないので、該検出層以外の層の途中でエッチングを終了することが困難である。さらに具体的には、たとえば、ある層を正確に０．２μｍだけ残して段階で、エッチングを終了しようとする場合は、特許文献２および３の方法では対応不可能である。

特開平５−２５９１２５号公報 特開平８−１２５２８３号公報 特開平８−１８１３８７号公報

本発明の目的は、エッチング深さ量およびエッチングの終了時点を正確に判断することができる半導体素子構造および該半導体素子構造を用いるエッチング方法を提供することである。

本発明は、基板上に、少なくとも第１層、第２層および第３層が順に積層されてなる半導体素子構造において、
第２層は、ドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長に対して高反射率を有することを特徴とする半導体素子構造である。

また本発明の半導体素子構造は、前述の第２層の、ドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長に対する反射率が３０％以上であることを特徴とする。

さらに本発明の半導体素子構造は、前述の第２層が少なくとも２つの層を含む積層構造であることを特徴とする。

さらに本発明の半導体素子構造は、前述の第２層が少なくとも２つの異なる屈折率を有する層を含む積層構造であることを特徴とする。

さらに本発明の半導体素子構造は、前述の第２層が基板側から順に少なくとも第２−１層および第２−２層を含む積層構造であって、
第２−１層の層厚：（ｍ＋１／４）・λ／ｎ_２１
第２−２層の層厚：（ｍ＋１／４）・λ／ｎ_２２
（式中、ｍは０以上の整数を示す。λはドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長を示す。ｎ_２１はドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光に対する第２−１層の屈折率を示す。ｎ_２２はドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長に対する第２−２層の屈折率を示す。）
であり、かつ、ｎ_２１＜ｎ_２２およびｎ_２１＜ｎ_１（式中、ｎ_１はドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光に対する第１層の屈折率を示す。）であることを特徴とする。

また本発明は、前述のいずれか１つの半導体素子構造における第３層またはその一部を除去するエッチング方法であって、
波長λのレーザ光を該半導体素子構造に入射し、半導体素子構造による反射光を検出し、検出される反射光から得られる反射信号に基づいてエッチング深さおよび／またはエッチング終了の判定を特徴とするエッチング方法である。

さらに本発明のエッチング方法は、前述のいずれか１つの半導体素子構造における第２層から得られる反射信号に基づいてエッチング終了の判定を行うことを特徴とする。

本発明によれば、基板上に少なくとも第１層、第２層および第３層が順に積層されてなる半導体素子構造において、第２層を、ドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長に対して高反射率、好ましくは３０％以上の反射率を示すように形成することにより、エッチング深さ量およびエッチングの終了時点を正確に判断できる半導体素子構造が得られる。すなわち、本発明の半導体素子構造を用いれば、第３層をドライエッチングする際に、エッチング深さをモニターするために、該半導体素子構造に第３層の側からレーザ光を入射しても、第２層によってその多くが反射されるので、レーザ光は第２層よりも下層へはほとんど透過しない。したがって、レーザ光の入射により観測される反射光から得られる反射信号は、第１層、基板などからの反射光の干渉による影響を受けないため、安定したパターンを示す。また、第２層による反射率が高く、反射光の量が多いことから、反射信号も高強度になるので、エッチング量を正確に推定でき、さらにエッチング終了の判断も容易である。

また本発明によれば、本発明の半導体素子構造においては、前述の第２層を少なくとも２つの層を含む積層構造にすることが好ましい。さらに好ましい積層構造としては、たとえば、少なくとも２つの異なる屈折率を有する層を含む積層構造が挙げられる。特に好ましい積層構造としては、たとえば、基板側から順に少なくとも第２−１層および第２−２層を含む積層構造であって、第２−１層の層厚が（ｍ＋１／４）・λ／ｎ_２１、第２−２層の層厚が（ｍ＋１／４）・λ／ｎ_２２（式中、ｍ、λ、ｎ_２１およびｎ_２２は前記に同じ。）であり、かつ、ｎ_２１＜ｎ_２２およびｎ_２１＜ｎ_１（式中、ｎ_１は前記に同じ。）である積層構造が挙げられる。第２層を前記のような積層構造とすることによって、第２層によるモニター用レーザ光の反射を一層高効率化できるので、エッチング量の推定およびエッチング終了の判断がさらに容易になる。

また本発明によれば、本発明の半導体素子構造を用い、該構造における第３層またはその一部を除去するエッチング方法が提供される。前述のように、本発明の半導体素子構造において、第２層はエッチング時のモニター用レーザ光を反射し、検出される反射光から得られる反射信号は第２層よりも下層の第１層、基板などの反射光による干渉の影響を受けず安定しかつ高強度のパターンを示し、第３層のエッチングの際にエッチング深さおよびエッチング終了時点を正確に判定できる。したがって、本発明の半導体素子構造を用いれば、該構造の第３層を所望のエッチング深さだけ効率良く除去することができ、所望の半導体素子を製造できる。

また本発明によれば、本発明のエッチング方法において、本発明の半導体素子構造における第２層の特性を利用し、第２層から得られる反射信号に基づいてエッチング終了の判定を行うことによって、第３層全体を効率良くかつ確実に除去できる。

本発明の半導体素子構造は、基板上に、少なくとも第１層、第２層および第３層がこの順番で積層された構造を有し、第２層が、エッチングモニター用レーザ光に対して高反射率を有するものである。

すなわち本発明においては、第２層がエッチングモニター用レーザ光に対して高反射率、好ましくは３０％以上の反射率を示し、かつ第３層がドライエッチングにより除去可能な材料からなるものであれば、それらは全て本発明の半導体素子構造として使用できる。

ここで、エッチングモニターとは、エッチング深さ、エッチング終点検出などを監視することを意味する。

また本発明の半導体素子構造において、第１層、第２層および第３層は、いずれも、少なくとも２つの層を含む積層構造であってもよい。特に第２層は、屈折率の異なる２以上の層を含む積層構造であるのが好ましい。

図１は、本発明の実施の第１形態である半導体素子構造１の構成を示す側面図である。半導体素子構造１は、ＧａＡｓ基板１０の上に、ＧａＩｎＰバッファ層１１（層厚２５０ｎｍ）、第１ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２（層厚２５００ｎｍ）、ＧａＩｎＰ活性層１３（層厚１００ｎｍ）、第２ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４（層厚２６７ｎｍ）、ＧａＩｎＰエッチング終点検出層１５（層厚４８．７ｎｍ）、第３ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６（層厚１２００ｎｍ）、ＧａＩｎＰ中間層１７（層厚３５ｎｍ）およびＧａＡｓキャップ層１８（層厚５００ｎｍ）が順次積層されたものである。

ここで、第１層はＧａＩｎＰ活性層１３であり、第２層は異なる屈折率を有する２つの層からなり、第２−１層である第２ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４と第２−２層であるＧａＩｎＰエッチング終点検出層１５との積層構造であり、第３層は第３ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６と、ＧａＩｎＰ中間層１７と、ＧａＡｓキャップ層１８との積層構造である。

第２層のレーザ光反射率はレーザ光の波長によって異なるけれども、たとえば６７９ｎｍの波長を有するレーザ光に対する反射率は、３５％である。

第１層〜第３層の屈折率は、レーザ光の波長が６７９ｎｍである場合、第１層であるＧａＩｎＰ活性層１３の屈折率（ｎ_１）は３．４８９、第２−１層である第２ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４の屈折率（ｎ_２１）は３．１７８、第２−２層であるＧａＩｎＰエッチングストップ層１５の屈折率（ｎ_２２）は３．４８９である。これらの屈折率値は、ｎ_２１＜ｎ_２２およびｎ_２１＜ｎ_１の関係を満たす。

また、第２−１層の層厚＝（ｍ＋１／４）・λ／ｎ_２１であるから、この式においてｍ＝１とし、λ＝６７９（ｎｍ）、ｎ_２１＝３．１７８を代入して求めた第２−１層の層厚が２６７（ｎｍ）である。第２−２層の層厚＝（ｍ＋１／４）・λ／ｎ_２２であるから、この式においてｍ＝０とし、λ＝６７９（ｎｍ）、ｎ_２２＝３．４８９を代入して求めた第２−２層の層厚が４８．７（ｎｍ）である。これらの値に基づいて、第２−１層である第２ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１４および第２−２層であるＧａＩｎＰエッチングストップ層１５が形成される。

このような半導体素子構造１は、有機金属化学気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）装置により製造できる。

本発明のエッチング方法は、エッチング対象物（被エッチング物）として、本発明の半導体素子構造を用いる以外は、エッチングモニター用レーザ光を使用する従来のエッチング方法と同様に実施できる。

本発明のエッチング方法は、エッチング対象物にマスクを形成するマスキング工程と、マスクを形成したエッチング対象物にエッチングを施すエッチング工程とを含む。

図２は、本発明のエッチング方法におけるマスキング工程を模式的に示す側面図である。

本工程で用いられるエッチング対象物は、図１に示す半導体素子構造１である。そして、エッチングが行われるのは、第３層である、第３ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６とＧａＩｎＰ中間層１７とＧａＡｓキャップ層１８との積層構造である。

本工程では、半導体素子構造１のＧａＡｓキャップ層１８の上に、プラズマ化学的気相成長（Plasma Chemical Vopour Deposition、以後「ＰＣＶＤ」と称す）法によってＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィ技術により、該ＳｉＯ_２膜をストライプ形状に加工し、幅４．０μｍのストライプ形状のエッチングマスク２０を形成する。ＳｉＯ_２膜の加工は、たとえば、バッファードフッ酸によるウェットエッチング法に従って行われる。

次に、図示しないドライエッチング工程が行われる。ドライエッチングは、誘電結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma、以後「ＩＣＰ」と称す）ドライエッチング法に従って、第３層であるＧａＡｓキャップ層１８、ＧａＩｎＰ中間層１７および第３ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６の、エッチングマスク２０で被覆されない部分が除去される。なお、エッチングマスク層２０は、エッチング終了後、この分野での一般的な方法に従って、除去される。

ドライエッチングの際に、第３層の表面に、該表面の斜め上方からエッチングモニタ−用レーザ光を照射する。ここで、レーザ光の波長は６７９ｎｍである。照射されるレーザ光は、該レーザ光（波長６７９ｎｍ）に対する第２層の反射率が高いので、その大部分が第２層により反射され、第２層よりも下の層へのレーザ光の透過率が減少する。この反射光はレーザーディテクターによって検出され、高強度の反射信号に変換され、レーザーディテクターに接続されるＸ−Ｔレコーダに反射信号パターンとして記録される。Ｘ−Ｔレコーダに記録される反射信号パターンを観察しながらエッチングを行い、反射信号パターンの変化から、エッチングの終了時点を判断する。

本発明では、レーザ光の大部分が第２層によって反射されることから、反射光および反射光から得られる反射信号が高強度になるので、反射信号の微妙な変化でも容易に認識することができ、エッチング深さおよびエッチング終了時点の判断が容易である。さらに、第２層の存在により、第２層よりも下の層からの干渉を受け難いので、エッチングの度ごとに反射信号パターンが大きく変化することがなく、事前に予想可能な反射信号パターンになり、エッチング深さを確実に推定できる。ここでは、エッチングの終了は、第３層の最下層である第３ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６がエッチングにより除去され、第２−２層ＧａＩｎＰエッチング終点検出層１５の表面が露出する時点とする。

図３は、図１に示す半導体素子構造１の第３層をエッチングする際に、該素子構造１にレーザ光（波長６７９ｎｍ）を照射するときに得られる、反射信号パターンである。図３から、第３層の最上層であるキャップ層（ＧａＡｓキャップ層１８）および最下層であるクラッド層（第３ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６）が、それぞれ特定の反射信号パターンを有し、エッチングの進行度合いの判断が容易であることが明らかである。

本実施の形態において、プラズマドライエッチングには、ＩＣＰドライエッチング法が用いられるけれども、それに限定されず、たとえば、ＲＩＥエッチング法、ＥＣＲエッチング法、ヘリコン波エッチング法、ヘリカル共鳴エッチング法、パルス変調エッチング法などを用いてもよい。さらに、プラズマドライエッチング以外の公知のドライエッチング法を用いることもできる。

本実施の形態において、成長装置、製膜装置、エッチング装置なども前述の装置に限定されず、この分野で常用される各装置を使用できる。

図４は、図１に示す半導体素子構造１を用いて、本発明のエッチング方法を行うことにより得られる半導体素子２の構成を示す側面図である。半導体素子２は、ＧａＡｓキャップ層１８、ＧａＩｎＰ中間層１７および第３ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６がドライエッチングにより矩形状に形成される以外は、半導体素子構造１と同様の構成を有する。

すなわち、本発明の半導体素子構造を用いることにより、一般的なエッチング方法で、種々の半導体素子を精度良くかつ容易に製造できる。

本発明の実施の第１形態である半導体素子構造の構成を示す側面図である。 本発明のエッチング方法におけるマスキング工程を模式的に示す側面図である。 図１に示す半導体素子構造の第３層をエッチングする際に得られるレーザ光の反射信号パターンである。 本発明のエッチング方法により得られる半導体素子の構成を示す側面図である。

符号の説明

１ 半導体素子構造
２ 半導体素子
１０ ＧａＡｓ基板
１１ ＧａＩｎＰバッファ層
１２ 第１ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１３ ＧａＩｎＰ活性層
１４ 第２ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１５ ＧａＩｎＰエッチング終点検出層
１６ 第３ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１７ ＧａＩｎＰ中間層
１８ ＧａＡｓキャップ層 ２０ エッチングマスク

Claims (7)

1. 基板上に、少なくとも第１層、第２層および第３層が順に積層されてなる半導体素子構造において、
   第２層は、ドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長に対して高反射率を有することを特徴とする半導体素子構造。
2. 第２層の、ドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長に対する反射率が３０％以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子構造。
3. 第２層が少なくとも２つの層を含む積層構造であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子構造。
4. 第２層が少なくとも２つの異なる屈折率を有する層を含む積層構造であることを特徴とする請求項３記載の半導体素子構造。
5. 第２層が基板側から順に少なくとも第２−１層および第２−２層を含む積層構造であって、
   第２−１層の層厚：（ｍ＋１／４）・λ／ｎ_２１
   第２−２層の層厚：（ｍ＋１／４）・λ／ｎ_２２
   （式中、ｍは０以上の整数を示す。λはドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長を示す。ｎ_２１はドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光に対する第２−１層の屈折率を示す。ｎ_２２はドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光の波長に対する第２−２層の屈折率を示す。）
   であり、かつ、ｎ_２１＜ｎ_２２およびｎ_２１＜ｎ_１（式中、ｎ_１はドライエッチングの深さ判定のモニターに用いるレーザ光に対する第１層の屈折率を示す。）であることを特徴とする請求項３または４記載の半導体素子構造。
6. 請求項１〜５のいずれか１つの半導体素子構造における第３層またはその一部を除去するエッチング方法であって、
   波長λのレーザ光を該半導体素子構造に入射し、半導体素子構造による反射光を検出し、検出される反射光から得られる反射信号に基づいて、エッチング深さおよび／またはエッチング終了の判定をすることを特徴とするエッチング方法。
7. 請求項１〜５のいずれか１つの半導体素子構造における第２層から得られる反射信号に基づいてエッチング終了の判定を行うことを特徴とする請求項６記載のエッチング方法。

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