JP2006245340A

JP2006245340A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2006245340A
Application number: JP2005059594A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Hanamaki; 吉彦花巻; Kenichi Ono; 健一小野; Masayoshi Takemi; 政義竹見
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】ウェハプロセス投入前にウェハの活性層のＰＬ（Photoluminescence）波長検査を行い、検査に用いたウェハをウェハプロセスに投入できるようにする。
【解決手段】ウェハプロセス投入前に、デバイスを形成するウェハのコンタクト層６の一部を除去して開口部１１を形成し、開口部１１から励起レーザ９を入射して活性層３のＰＬ波長検査を行う。そしてＰＬ波長の良否判定を行い、所定の規格を満たすウェハをウェハプロセスに投入し、ウェハプロセス加工を行うようにする。
このように、デバイス形成に用いるウェハの活性層のＰＬ波長検査をウェハプロセス投入前に非破壊検査により行うことにより、検査で用いたウェハをウェハプロセスに投入することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に半導体レーザに形成された活性層のＰＬ（Photoluminescence）波長検査を伴う半導体装置の製造方法に関する。

半導体光素子を製造する際には、半導体レーザの活性層のＰＬ波長検査が行われる。この検査方法について説明するため、例として808nm帯で発振する固体レーザ励起用半導体レーザの積層構造について説明する。
この積層構造は、例えばｎ型のGaAs基板の上に、下層からｎ型GaAsバッファー層、ｎ型AlGaInPクラッド層、InGaPガイド層、GaAsP活性層、InGaPガイド層、ｐ型AlGaInPクラッド層、ｐ型InGaP BDR(Band Discontinuity Reduction)層、およびGaAsコンタクト層を順次積層した構造である。

従来の半導体装置の製造方法において、上記積層構造のGaAsP活性層のＰＬ波長検査を行う場合には、上記積層構造を形成した破壊検査用のモニタウェハを破壊（劈開）してGaAsコンタクト層を全面除去した後に、主面上から励起レーザを入射して活性層からＰＬ光を放出させ、そのＰＬ波長を測定していた。
そして、測定されたＰＬ光の波長が所定の規格を満たしていれば、モニタウェハと同時に形成した他のウェハについても規格を満たすものとして、それらのウェハをウェハプロセス加工していた。

また、別の従来技術による半導体装置の製造方法では、ウェハプロセス投入前に上記ＰＬ波長を測定せずに、ウェハプロセス工程の中で実際にデバイスを形成するウェハのＰＬ波長検査を行い、その結果に基づきデバイス形成領域を選別するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

すなわち、上記いずれの製造方法においても、デバイスを形成するウェハの活性層のＰＬ波長が所定の規格を満たすか否かをウェハプロセス投入前に判定することなく、ウェハプロセスに投入して、ウェハプロセス加工を行っていた。

特開平１１−８４３８号公報

上記従来の技術による半導体装置の製造方法では、モニタウェハを破壊（劈開）してＰＬ波長検査を行うようにしていたので、ＰＬ波長検査を行ったウェハをウェハプロセスに投入することができないという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ウェハプロセス投入前にウェハの活性層のＰＬ波長検査を行い、検査に用いたウェハをウェハプロセスに投入できるようにした半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、下層から順に活性層とコンタクト層とを含む半導体レーザ構造が形成されたウェハの前記コンタクト層の一部を除去して開口部を形成する工程と、前記開口部から励起レーザを入射して前記活性層のフォトルミネッセンス波長検査を行う工程と、前記検査により測定した波長が所定の規格を満たすか否かを判定する判定工程と、前記判定工程で規格を満たすウェハをウェハプロセスにより加工する工程とを備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、ウェハの活性層のＰＬ波長検査をウェハプロセス投入前に非破壊検査により行うことにより、検査で用いたウェハをウェハプロセスに投入することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
本実施の形態で説明する半導体装置の構造は、例えばｎ型GaAs基板などの基板上に一対のInGaPガイド層で挟まれたGaAsP活性層が形成されている。これらの層の下層にはｎ型クラッド層が形成され、上層にはｐ型クラッド層が形成され、さらにｐ型クラッド層の上にｐ型コンタクト層が積層されている。上記活性層は一層であっても、複数の層であっても良い。
また、上記活性層のバンドギャップはガイド層およびクラッド層のバンドギャップよりも小さいとする。またコンタクト層のバンドギャップは活性層のバンドギャップよりも小さく、さらにコンタクト層はガイド層およびクラッド層との選択エッチングが可能な膜とする。

図１（ａ）〜（ｆ）は、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための半導体装置（半導体レーザ）の断面図である。
まず、図１（ａ）に示すように、ｎ型GaAs基板（図示しない）の上に、下層からｎ型AlGaInPクラッド層１、InGaPガイド層２、GaAsP活性層３、InGaPガイド層４、ｐ型AlGaInPクラッド層５、およびｐ型コンタクト層６を順次積層した半導体レーザ構造を形成したウェハを準備する。すなわち、下層から順に活性層とコンタクト層とを含む半導体レーザ構造が形成されたウェハを準備する。

次に、図１（ｂ）に示すように、コンタクト層６の上にマスク膜７としてフォトレジスト膜を形成する。そしてリソグラフィによりこの膜を加工して、図１（ｃ）に示すように、コンタクト層６の上にホールパターン８を有するマスクパターン７ａを形成する。このとき、図１（ｃ）の右側に示すように、ｎ型GaAs基板の主面側から見た場合、ホールパターン８の直径Ｒが２〜３ｍｍ程度の円形状、または幅Ｌが２〜３ｍｍ程度の正方形となるように形成する。
またこのとき、ホールパターン８の直径Ｒ又は幅Ｌが２〜１０ｍｍの範囲となるようにする。

上述したマスク膜７およびマスクパターン７ａを形成する工程（図１（ｂ）、（ｃ）参照）は、以下のようにしても良い。
例えば、図１（ｂ）に示すように、マスク膜７としてシリコン窒化膜（SiN膜）またはシリコン酸化膜（SiO膜、SiO₂膜）などの絶縁膜を形成する。その上にレジストパターン（図示しない）を形成し、これをマスクとして上記絶縁膜をエッチングして、図１（ｃ）に示すマスクパターン７ａを形成する。その後、レジストパターンを除去する。

次に、図１（ｃ）に示したマスクパターン７ａをマスクとして、コンタクト層６の一部をアンモニア水溶液と過酸化水素水の混合液などにより除去して、図１（ｄ）に示すように開口部１１を形成する。この開口部１１は、GaAsP活性層３のＰＬ波長検査を行うために光励起する励起レーザが通る窓である。
このとき、前述したように、図１（ｃ）に示したホールパターン８を直径が２〜３ｍｍの範囲の円形状、または幅が２〜３ｍｍ程度の正方形となるように形成したので、開口部１１は直径２〜３ｍｍ程度の円形状または幅が２〜３ｍｍ程度の正方形となる。
また、前述したように、ホールパターン８は直径（円形の場合）又は幅Ｌ（正方形の場合）が２〜１０ｍｍの範囲となるようにしたので、開口部１１の直径または幅も同様に２〜１０ｍｍの範囲となる。

次に、開口部１１から励起レーザ９を入射してGaAsP活性層３のＰＬ波長検査を行う。励起レーザ９は開口部１１からGaAsP活性層３に到達してこれを励起させ、ＰＬ光１０を放出させる。このとき用いる励起レーザ９としては、例えばAr⁺レーザ、He-Neレーザ、Ti：サファイアレーザ、ダイレーザ等である。
このとき、開口部１１の直径（円形の場合）または幅（正方形の場合）を２ｍｍ以上とすれば励起レーザはコンタクト層６に吸収されることがなく、ＰＬ波長検査を良好に行うことができる。（開口部１１の直径または幅が２ｍｍより小さくなると励起レーザは開口部１１を通過できず、GaAsP活性層３を光励起できない）

上記のようにＰＬ波長検査を行うことにより、ウェハを破壊（劈開）することなく、デバイスを形成するウェハの活性層のＰＬ波長を測定することができる。これにより、ウェハを破壊（劈開）する工程を省略することができる。そして実際にウェハプロセスにより加工されるウェハについて、ウェハプロセス投入前に、活性層のＰＬ波長が規格を満たすか否かの良否判定をすることができる。

次に、図示しないが、上記ＰＬ波長検査により測定した波長が所定の規格を満たすか否かを判定する。この判定工程によりＰＬ波長の規格を満たさないと判定されたウェハは、図１（ｄ）に示したマスクパターン７ａを除去後、図１（ｅ）に示すように不合格ウェハとして廃棄する。
これにより、GaAsP活性層３のＰＬ波長が規格を満たさないウェハをその後のウェハプロセスで加工することがないので、無駄なプロセスコストを削減して、ウェハプロセスの歩留まり低下を抑制することができる。
一方、上記の判定工程で規格を満たすと判定されたウェハは、図１（ｄ）に示したマスクパターン７ａを除去後、図１（ｆ）に示すようにウェハプロセスに投入して、リッジ構造形成などの所定のウェハプロセスにより加工する。

また、上記のウェハプロセスにより加工されるウェハを、この判定工程で規格を満たすと判定されたウェハのみとすることにより、GaAsP活性層３のＰＬ波長が規格を満たさないウェハをウェハプロセス投入前に確実に排除することができる。これにより、ウェハプロセスの無駄なプロセスコストを削減することができ、ウェハプロセスの歩留まりが低下することを効果的に抑制することができる。

上述した例では、上記判定工程で規格を満たさないと判定されたウェハは不合格ウェハとして廃棄するようにした。
しかし、このようなウェハであっても、例えばＰＬ波長検査の検査条件を変更して再度検査を行い、その結果ウェハプロセスに投入することを許容すると判断した場合には、このウェハを廃棄することなく、ウェハプロセスに投入するようにしても良い。

また、図１（ｆ）で示したウェハプロセスで例えばリッジ構造を有するデバイスを形成する場合には、歩留まりを低下させないように、図１（ｄ）に示した開口部１１を形成する箇所を、リッジ構造を形成する箇所から十分に離れた箇所とする。
ここで、開口部１１の直径（円形の場合）または幅（正方形の場合）が１０ｍｍ以上である場合には、リソグラフィの合わせずれ等によりリッジを形成する領域と開口部１１が重なってしまい、歩留まりを低下させるおそれがある。しかし、本実施の形態では開口部１１の直径または幅を２〜１０ｍｍの範囲としたので、ウェハプロセスの歩留まりを低下させるおそれはない。
すなわち、開口部１１の直径または幅を２〜１０ｍｍの範囲とすることにより、ウェハプロセス加工の歩留まり低下を抑制することができる。

また、前述したように開口部１１の直径または幅を２〜１０ｍｍの範囲としたので、GaAsP活性層３のＰＬ波長検査を良好に行うことができる。すなわち、開口部１１の直径または幅を２〜１０ｍｍの範囲とすることにより、GaAsP活性層３のＰＬ波長検査を良好に行うことができ、且つ、ウェハプロセス加工の歩留まり低下を抑制することができる。

本実施の形態で説明した半導体レーザの積層構造の詳細な例として、図２（ａ）に断面構造、図２（ｂ）に層の名称、材料等を示す。この構造は７９０−８１０ｎｍ帯で発振し、GaAs基板にエピタキシャル成長が可能である活性層を有する。
詳細には、ｎ型GaAs基板２１（この場合、基板の面方位は限定しない）の上に、ｎ型不純物としてＳｉが添加されたｎ型GaAsバッファー層２２、ｎ型AlGaInPクラッド層２３、不純物を添加しないInGaPガイド層２４、GaAsP活性層２５、不純物を添加しないInGaPガイド層２６、ｐ型不純物としてZn等が添加されたｐ型AlGaInPクラッド層２７、ｐ型InGaP BDR（Band Discontinuity Reduction）層２８、およびｐ型コンタクト層２９を順次形成した構造である。

この構造を形成する方法としては、例えば有機金属気相成長（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition；以下「MOCVD」という）法を用いる。例えば、成長温度を７２０℃、圧力を１×１０^４Ｐａとして形成する。このとき、各層を形成するための原料ガスとして例えば、トリメチルインジウム（TMI）、トリメチルガリウム（TMG）、トリメチルアルミニウム（TMA）、フォスフィン（PH₃）、アルシン（AsH₃）、シラン（SiH₄）、ジメチルジンク（DMZn）、ジエチルジンク（DEZn）を用いて、これらの材料をマスフローコントローラ（MFC）などを用いて流量を制御して所望の各層の組成を得る。

また、本実施の形態で説明したウェハプロセスによるデバイスの形成例として、図３にリッジ導波型レーザの斜視図を示す。
このデバイスは、裏面にｎ型電極３１を形成したｎ型GaAs基板３２の上にｎ型バッファー層３３、ｎ型クラッド層３４、量子井戸３５、ｐ型クラッド層３６、ｐ型コンタクト層３７、ｐ型キャップ層３８、ｐ型電極３９を順次積層した膜をパターニングして、ｐ型コンタクト層３７、ｐ型キャップ層３８、ｐ型電極３９からなるリッジ構造を形成したものである。

さらに、本実施の形態で説明したウェハプロセスによるデバイスの他の形成例として、図４に電流狭窄構造を有する埋め込み型レーザの斜視図を示す。
このデバイスは、裏面にｎ型電極４１を形成したｎ型基板４２の上に、ｎ型バッファー層４３、ｎ型クラッド層４４、量子井戸構造４５、ｐ型クラッド層４６、ｐ型コンタクト層４７、ｐ型キャップ層４８を積層した膜をパターニングした後に、ｎ型電流ブロック層４９を埋め込み、さらにその上にｐ型電極５０を形成したものである。

以上説明したように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、まず、下層から順にGaAsP活性層３とコンタクト層６とを含む半導体レーザ構造が形成されたウェハのコンタクト層６の一部を除去して開口部１１を形成するようにした。
次に、開口部１１から励起レーザを入射してGaAsP活性層３のＰＬ波長検査を行い、この検査で測定したＰＬ波長が所定の規格を満たすか否かを判定するようにした。そしてこの判定工程で規格を満たすウェハをウェハプロセスにより加工するようにした。

このように製造することにより、ウェハを破壊（劈開）することなく、デバイスを形成するウェハの活性層のＰＬ波長を測定することができる。これにより、ウェハを破壊（劈開）する工程を省略することができる。そして実際にウェハプロセスにより加工されるウェハについて、ウェハプロセス投入前に、活性層のＰＬ波長が規格を満たすか否かの良否判定をすることができる。
これにより、GaAsP活性層３のＰＬ波長が規格を満たさないウェハをその後のウェハプロセスで加工することがないので、無駄なプロセスコストを削減して、ウェハプロセスの歩留まり低下を抑制することができる。

上記実施例の変形例として、ウェハプロセス投入前にモニタウェハを上記実施例のごとく非破壊検査によりＰＬ波長検査した後、デバイスを形成するウェハとしてウェハプロセスに投入するようにしても良い。
すなわち、ウェハの活性層のＰＬ波長検査をウェハプロセス投入前に非破壊検査により行うことにより、検査で用いたウェハをウェハプロセスに投入することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、７９０−８１０ｎｍ帯で発振する半導体レーザの構造の例を説明した。本実施の形態では、９００−１０８０ｎｍ帯で発振する半導体レーザの構造の例を説明する。
図５（ａ）に断面構造、図５（ｂ）に層の名称、材料等を示す。この構造は９００−１０８０ｎｍ帯で発振し、GaAs基板にエピタキシャル成長が可能である活性層を有する。

詳細には、ｎ型GaAs基板５１（この場合、基板の面方位は限定しない）の上に、ｎ型不純物としてSiまたはSeが添加されたｎ型GaAsバッファー層５２、ｎ型AlGaAsあるいはAlGaInPクラッド層５３、不純物を添加しないAlGaAsあるいはGaAsPガイド層５４、InGaAs活性層５５、不純物を添加しないAlGaAsあるいはGaAsPガイド層５６、ｐ型不純物としてZn等が添加されたｐ型AlGaAsクラッド層５７、ｐ型GaAsコンタクト層５８を順次形成した構造である。

この構造を形成する方法としては、例えばMOCVD法を用いて、成長温度を７００〜７６０℃、圧力を５×１０^３〜１×１０^４Ｐａとして形成する。このとき、各層を形成するための原料ガスとして例えば、トリメチルインジウム（TMI）、トリメチルガリウム（TMG）、トリメチルアルミニウム（TMA）、フォスフィン（PH₃）、アルシン（AsH₃）、シラン（SiH₄）、ジメチルジンク（DMZn）、ジエチルジンク（DEZn）を用いて、これらの材料をマスフローコントローラ（MFC）などを用いて流量を制御して所望の各層の組成を得る。

本実施の形態のその他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、それぞれ７９０−８１０ｎｍ帯、９００−１０８０ｎｍ帯で発振する半導体レーザの構造の例を説明した。本実施の形態では、１２５０−１５８０ｎｍ帯で発振する半導体レーザの構造の例を説明する。

図６（ａ）に断面構造、図６（ｂ）に層の名称、材料等を示す。この構造は、１２５０−１５８０ｎｍ帯で発振し、InP基板にエピタキシャル成長が可能であるAlGaInAsあるいはInGaAsP活性層を有する。
詳細には、ｎ型InP基板６１（この場合、基板の面方位は限定しない）の上に、ｎ型不純物としてSiまたはSが添加されたｎ型InPバッファー層６２、ｎ型AlGaInAsあるいはInGaAsP BDR(Band Discontinuity Reduction)層６３、ｎ型AlInAs層６４、ｎ型AlGaInAsあるいはInGaAsPガイド層６５、不純物を添加しないAlGaInAsバリア層６６、AlGaInAs活性層６７、AlGaInAsあるいはInGaAsPバリア層６８、AlGaInAsあるいはInGaAsPガイド層６９、ｐ型不純物としてZnなどが添加されたｐ型AlInAs層７０、ｐ型InP７１、ｐ型InGaAsP BDR層７２、ｐ型InGaAsコンタクト層７３、ｐ型InPキャップ層７４を順次形成した構造である。

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図。実施の形態１に係る半導体装置の積層構造を示す図。半導体光素子の構造例を示すデバイスの斜視図。半導体光素子の構造例を示すデバイスの斜視図。実施の形態２に係る半導体装置の積層構造を示す図。実施の形態３に係る半導体装置の積層構造を示す図。

符号の説明

１ｎ型AlGaInPクラッド層、２ InGaPガイド層、３ GaAsP活性層、４ InGaPガイド層、５ｐ型AlGaInPクラッド層、６ｐ型コンタクト層、７マスク膜、７ａマスクパターン、８ホールパターン、９励起レーザ、１０ＰＬ光、１１開口部。

Claims

下層から順に活性層とコンタクト層とを含む半導体レーザ構造が形成されたウェハの前記コンタクト層の一部を除去して開口部を形成する工程と、
前記開口部から励起レーザを入射して前記活性層のフォトルミネッセンス波長検査を行う工程と、
前記検査により測定した波長が所定の規格を満たすか否かを判定する判定工程と、
前記判定工程で規格を満たすウェハをウェハプロセスにより加工する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記ウェハプロセスにより加工されるウェハは、前記判定工程で前記規格を満たすと判定されたウェハのみであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記開口部の直径または幅を２〜１０ｍｍの範囲とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。