JP2007207798A - Semiconductor device and method of manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、エッチングマーカー層を含む半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including an etching marker layer and a manufacturing method thereof.
AlGaInN系半導体等の窒化物を含む窒化物系III−V族化合物半導体は、化学的に安定で、かつ硬度が高い。そのため、砒化ガリウム(GaAs)または燐化インジウム(InP)のような他のIII−V族化合物半導体の製造プロセスにて用いられている化学エッチング(具体的にはウェットエッチング)を用いることができない。 Nitride III-V compound semiconductors containing nitrides such as AlGaInN semiconductors are chemically stable and have high hardness. Therefore, chemical etching (specifically, wet etching) used in the manufacturing process of other III-V compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) or indium phosphide (InP) cannot be used.
例えばAlGaAs系半導体では、2つのAlGaAs層においてAlおよびGaの組成比を変えることにより、一方のAlGaAs層を選択的に化学エッチングすることが可能であった。しかし、窒化物系III−V族化合物半導体は、化学エッチングではほとんどエッチングされない。そのため、窒化物系III−V族化合物半導体のエッチングには、プラズマを用いたドライエッチングが用いられている。 For example, in an AlGaAs-based semiconductor, one AlGaAs layer can be selectively chemically etched by changing the composition ratio of Al and Ga in two AlGaAs layers. However, nitride-based III-V group compound semiconductors are hardly etched by chemical etching. Therefore, dry etching using plasma is used for etching a nitride III-V compound semiconductor.
さて、窒化物系III−V族化合物半導体を用いてリッジ型化合物半導体レーザを製造する場合、以下の問題がある。すなわち、リッジ型化合物半導体レーザでは、リッジ導波路の深さがばらつくとレーザの発振特性が大きく変動する。そのため、リッジ導波路をエッチングにより形成する際に、エッチング深さを精密に制御する必要がある。 When manufacturing a ridge type compound semiconductor laser using a nitride III-V compound semiconductor, there are the following problems. That is, in the ridge type compound semiconductor laser, the oscillation characteristics of the laser greatly fluctuate when the depth of the ridge waveguide varies. Therefore, when the ridge waveguide is formed by etching, it is necessary to precisely control the etching depth.
上述のように、窒化物系III−V族化合物半導体には化学エッチングが適用できないため、窒化物系III−V族化合物半導体の加工にはドライエッチングが用いられる。ところが、ドライエッチングではエッチング選択性が低い。ドライエッチングでは通常、エッチング時間によってエッチング深さが制御され、エッチング時間によるエッチング深さ制御は、エッチング量の制御性が悪いからである。そのため、エッチング深さを精密に制御することが困難である。 As described above, since chemical etching cannot be applied to nitride-based III-V compound semiconductors, dry etching is used for processing of nitride-based III-V compound semiconductors. However, dry etching has low etching selectivity. This is because, in dry etching, the etching depth is usually controlled by the etching time, and the etching depth control by the etching time has poor controllability of the etching amount. Therefore, it is difficult to precisely control the etching depth.
この問題を解決するため、たとえば下記特許文献1に記載の技術が存在する。下記特許文献1では、Inを含むエッチングマーカー層にエッチングが到達した時のプラズマ発光スペクトルの変化を利用してエッチングを停止させる方法が開示されている。 In order to solve this problem, for example, there is a technique described in Patent Document 1 below. Patent Document 1 below discloses a method of stopping etching using a change in plasma emission spectrum when etching reaches an etching marker layer containing In.
エッチングマーカー層を用いてエッチングを停止させる上記の方法においては、発光スペクトルの変化が明瞭であることが必要とされる。ところが、半導体基板の表面にドライエッチングを行う際、エッチングすべき被エッチング面の各所におけるエッチング量を均一に保つことは困難である。そのため、被エッチング面内におけるエッチング量の不均一性に起因して、発光スペクトルの変化が不明瞭になり、エッチングマーカー層へのエッチング到達の検出が困難な場合がある。 In the above method in which etching is stopped using the etching marker layer, it is necessary that the emission spectrum change clearly. However, when dry etching is performed on the surface of a semiconductor substrate, it is difficult to keep the etching amount uniform at various locations on the surface to be etched. Therefore, due to the non-uniformity of the etching amount in the surface to be etched, the change in the emission spectrum becomes unclear and it may be difficult to detect the arrival of etching at the etching marker layer.
また、エッチング量の被エッチング面内不均一性がゼロであっても、エッチングマーカー層から最上層までのエッチングされるべき各層の合計膜厚の、エッチングマーカー層表面における分布が不均一な場合にも、やはりエッチングマーカー層へのエッチング到達の検出が困難な場合がある。 In addition, even when the in-plane non-uniformity of the etching amount is zero, the distribution of the total thickness of each layer to be etched from the etching marker layer to the uppermost layer is non-uniform on the etching marker layer surface However, it may still be difficult to detect the arrival of etching at the etching marker layer.
また、上記特許文献1にてエッチングマーカー層として用いられているInGaNの成長温度は、AlGaNよりも低い。通常、InGaNは800℃程度、AlGaNは1000℃程度の成長温度で形成される。そのため、上記特許文献1の図4に記載のように、p型InGaNエッチングマーカー層200の形成後に、p型AlGaNクラッド層107を成膜するためには、p型InGaNエッチングマーカー層200の形成後に、成膜装置のチャンバ内の温度をp型AlGaNクラッド層107の成長温度にまで上昇させ、その温度が安定するまで待機する必要がある。
Further, the growth temperature of InGaN used as an etching marker layer in Patent Document 1 is lower than that of AlGaN. Usually, InGaN is formed at a growth temperature of about 800 ° C., and AlGaN is formed at a growth temperature of about 1000 ° C. Therefore, as shown in FIG. 4 of the above-mentioned Patent Document 1, in order to form the p-type
このとき、p型InGaNエッチングマーカー層200の表面では、In成分の蒸発や成膜装置内部の残留ガス成分の付着が起こる。そのため、p型InGaNエッチングマーカー層200上に結晶成長が行われるp型AlGaNクラッド層107の結晶品質が、劣化しやすい。結晶品質が劣化すると結晶欠陥が増大し、歪量子井戸層で発光した光が結晶欠陥により吸収されやすいため、発振閾電流値が増大するとの問題がある。
At this time, evaporation of In components and adhesion of residual gas components inside the film forming apparatus occur on the surface of the p-type InGaN
また、p型InGaNエッチングマーカー層200の禁制帯幅は、p型GaN光ガイド層106やp型AlGaNクラッド層107の禁制帯幅よりも小さい。そのため、p型GaN光ガイド層106とp型AlGaNクラッド層107との間にp型InGaNエッチングマーカー層200を挿入すると、p型InGaNエッチングマーカー層200によりレーザ光の一部が吸収され(レーザ光が損失する)、発振閾電流値がより増大するとの問題もある。
The forbidden band width of the p-type InGaN
このように、プラズマ発光を検出するためにInGaNエッチングマーカー層を導入すると、発光デバイスの性能を低下させるという課題もある。 Thus, when an InGaN etching marker layer is introduced to detect plasma emission, there is a problem that the performance of the light emitting device is degraded.
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、エッチングマーカー層を用いた半導体装置の製造方法であって、素子特性を低下させることなく、エッチング深さを精密かつ容易に制御可能なもの、および、その製造方法にて製造された半導体装置を実現することを目的とする。 This invention has been made in view of the above circumstances, and is a method of manufacturing a semiconductor device using an etching marker layer, which can accurately and easily control the etching depth without deteriorating element characteristics. And it aims at realizing the semiconductor device manufactured with the manufacturing method.
本発明は、(a)表面を有する半導体基板の前記表面上方に、表面を有するエッチングマーカー層を形成する工程と、(b)前記エッチングマーカー層の前記表面上に被エッチング層を形成する工程と、(c)プラズマを用いたドライエッチングにより、前記被エッチング層に選択的にエッチングを行う工程とを備え、前記工程(c)において、前記エッチングマーカー層の組成に対応したプラズマ発光強度の変化に応じて、前記ドライエッチングを停止する半導体装置の製造方法であって、前記工程(b)において、前記被エッチング層の被エッチング面内でエッチング量の多い場所では前記被エッチング層の膜厚を厚く、前記被エッチング層の被エッチング面内でエッチング量の少ない場所では前記被エッチング層の膜厚を薄く形成し、前記被エッチング層の被エッチング面内の各所におけるエッチング量の最大値、最小値および平均値を用いた、(最大値−最小値)/平均値×100[%]の値をエッチング量の面内不均一性Bと定義し、前記エッチングマーカー層の表面の各所における、前記被エッチング層の膜厚の最大値、最小値および平均値を用いた、(最大値−最小値)/平均値×100[%]の値を前記被エッチング層の膜厚の不均一性Dと定義し、前記被エッチング層の膜厚の前記エッチングマーカー層の表面上における平均値をLとし、前記エッチングマーカー層の平均膜厚をMとし、前記Mを前記Lにて除した値を膜厚比Nとし、2B>D>0、および、N>|(B−D)|(“|”は絶対値記号を表す)との関係式を同時に満たす半導体装置の製造方法である。また、その製造方法により製造された半導体装置である。 The present invention includes (a) a step of forming an etching marker layer having a surface above the surface of a semiconductor substrate having a surface, and (b) a step of forming an etching target layer on the surface of the etching marker layer; (C) selectively etching the layer to be etched by dry etching using plasma, and in the step (c), a change in plasma emission intensity corresponding to the composition of the etching marker layer is achieved. Accordingly, in the method of manufacturing a semiconductor device in which the dry etching is stopped, in the step (b), the film thickness of the etched layer is increased at a location where the etching amount is large in the etched surface of the etched layer. , Forming a thin film thickness of the layer to be etched in a place where the etching amount is small within the surface to be etched of the layer to be etched, Using the maximum value, minimum value, and average value of the etching amount at various points in the etched surface of the etched layer, the value of (maximum value−minimum value) / average value × 100 [%] is used as the etching amount surface. (Maximum value−minimum value) / average value × 100, which is defined as non-uniformity B and uses the maximum value, the minimum value, and the average value of the film thickness of the layer to be etched at various points on the surface of the etching marker layer. The value of [%] is defined as non-uniformity D of the film thickness of the etched layer, the average value of the film thickness of the etched layer on the surface of the etching marker layer is L, and the average of the etching marker layer The film thickness is M, the value obtained by dividing M by L is the film thickness ratio N, and 2B> D> 0 and N> | (BD) | (“|” represents an absolute value symbol. ) And a semiconductor device manufacturing method that simultaneously satisfies the relational expressionFurther, the semiconductor device is manufactured by the manufacturing method.
本発明によれば、被エッチング層の被エッチング面内でエッチング量の多い場所では被エッチング層の膜厚を厚く、被エッチング層の被エッチング面内でエッチング量の少ない場所では被エッチング層の膜厚を薄く形成する。エッチング量の多い箇所では被エッチング層の膜厚が大きく、エッチング量の少ない箇所では被エッチング層の膜厚が小さいので、エッチング量の不均一性を打ち消す効果がある。そして、2B>D>0、および、N=M/L>|(B−D)|との関係式を同時に満たす。これにより、エッチングマーカー層の膜厚をより薄くでき、かつ、発光強度の最大変動量を低下させずにプラズマ発光をモニターできる。そして、エッチング量の面内不均一性が存在する場合であっても、エッチングマーカー層下の所定位置からエッチングマーカー層中の被エッチング面までの距離たるエッチング残し厚さの均一性を向上させることができる。よって、素子特性を低下させることなく、エッチング深さを精密かつ容易に制御可能な、エッチングマーカー層を用いた半導体装置の製造方法が実現できる。 According to the present invention, the film thickness of the layer to be etched is thick at a location where the etching amount is large in the etched surface of the layer to be etched, and the film of the layer to be etched at a location where the etching amount is small in the etching surface of the layer to be etched. Form a thin thickness. Since the film thickness of the layer to be etched is large at the portion where the etching amount is large, and the film thickness of the layer to be etched is small at the portion where the etching amount is small, there is an effect of canceling the nonuniformity of the etching amount. The relational expression 2B> D> 0 and N = M / L> | (BD) | is simultaneously satisfied. Thereby, the thickness of the etching marker layer can be made thinner, and plasma emission can be monitored without reducing the maximum fluctuation amount of the emission intensity. And even in the case where in-plane non-uniformity of the etching amount exists, the uniformity of the etching residual thickness that is the distance from the predetermined position under the etching marker layer to the etched surface in the etching marker layer is improved. Can do. Therefore, it is possible to realize a method for manufacturing a semiconductor device using an etching marker layer in which the etching depth can be precisely and easily controlled without deteriorating element characteristics.
<a.従来のプラズマ発光スペクトルを用いたエッチング停止方法について>
まず、上記特許文献1に記載のプラズマ発光スペクトルを用いたエッチングの停止方法とその課題について詳しく説明する。
<A. Etching stop method using conventional plasma emission spectrum>
First, the etching stopping method using the plasma emission spectrum described in Patent Document 1 and its problem will be described in detail.
上記特許文献1の図5に記載の、窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体レーザの製造途中の構造を、図1に示す。図1では、半導体基板(サファイア基板)100上に、GaN低温層101、n型GaNバッファ層102、n型AlGaNクラッド層103、n型GaN光ガイド層104、InGaN歪量子井戸層105、p型GaN光ガイド層106、p型InGaNエッチングマーカー層200、p型AlGaNクラッド層107、p型GaNキャップ層108、および、酸化膜層201が、この順に積層されている。そして、図1では、p型AlGaNクラッド層107、p型GaNキャップ層108、および、酸化膜層201にドライエッチングが施され、半導体レーザ構造のリッジ部が形成された段階が示されている。
FIG. 1 shows a structure in the course of manufacturing a semiconductor laser using a nitride-based III-V group compound semiconductor described in FIG. In FIG. 1, on a semiconductor substrate (sapphire substrate) 100, a GaN
なお、この後、p型GaNキャップ層108上にp型電極(図示せず)が形成され、また、n型AlGaNクラッド層103からp型InGaNエッチングマーカー層200までの積層構造をn型GaNバッファ層102の途中までエッチングして、露出した面にn型電極(図示せず)が形成される。
Thereafter, a p-type electrode (not shown) is formed on the p-type
p型GaNキャップ層108およびp型AlGaNクラッド層107に対しては、酸化膜層201をマスクとして選択的に、塩素ガスを用いたプラズマドライエッチング(例えばRIE:Reactive ion etching)が施される。すなわち、p型GaNキャップ層108およびp型AlGaNクラッド層107は、あいまって被エッチング層となる。このエッチング時のプラズマ発光を観察することにより、Inのプラズマ発光波長に対応する発光ピークが現れた時にエッチングが停止される。つまり、p型InGaNエッチングマーカー層200の組成に対応したプラズマ発光強度の変化に応じて、ドライエッチングを停止する。
The p-type
エッチング後のp型GaN層キャップ層108およびp型AlGaNクラッド層107の断面は、その深さがエッチングマーカー層で規定されたメサ形状を構成している。そして、メサ形状のp型GaN層キャップ層108およびp型AlGaNクラッド層107が、半導体レーザのリッジ導波路として機能する。
The cross sections of the p-type GaN
半導体レーザのリッジ導波路として機能するAlGaNクラッド層107のエッチング深さがばらつくと、レーザの発振特性が大きく変動する。そのため、p型GaNキャップ層108およびp型AlGaNクラッド層107のドライエッチング時のエッチング深さは、精密に制御されなければならない。上記特許文献1ではエッチングマーカー層200の材質としてInGaNを用い、Inに対応したプラズマ発光のスペクトル変化を検出することによりエッチング深さを制御している。
When the etching depth of the
発明者らは、膜厚20nmのp型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200、膜厚500nmのp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層107、および、膜厚20nmのp型GaNキャップ層108を有する図1の構造を実際に複数、作成し、各種測定を行った。図2は、実際に作成した構造のエッチング時におけるInの規格化発光強度をエッチング時間とともに示した一つの実験結果である。なお、エッチング速度は200nm/分である。
The inventors have a p-type In 0.1 Ga 0.9 N
ここで、Inの「規格化発光強度」とは、p型InNに対してプラズマエッチングを行った時のInの発光強度を基準として、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200からのInの発光強度を、p型InNにおけるInの発光強度で割った値として定義する。つまり、Inの規格化発光強度=(p型InxGa1-xNエッチングマーカー層におけるInのプラズマ発光強度)/(p型InNにおけるInのプラズマ発光強度)と定義する。
Here, the “normalized emission intensity” of In refers to the emission intensity of In from the p-type In 0.1 Ga 0.9 N
本願発明者らの実験によれば、半導体基板100上の被エッチング面(p型GaNキャップ層108やp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層107等の各層のうち、エッチングプラズマに接触することによりエッチングが行われる面)内の各所においてエッチング速度がほぼ一定の場合、規格化発光強度は、p型InGaNエッチングマーカー層200のInxGa1-xN組成式中のInの組成比を表すxと同じ値となることがわかった。
According to the experiments by the inventors of the present application, the surface to be etched on the semiconductor substrate 100 (of each layer such as the p-type
図2を用いて、p型GaNキャップ層108およびp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層107のエッチング開始からp型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200でのエッチング終了までのInの規格化発光強度の変化について説明する。
With reference to FIG. 2, the normalized emission intensity of In from the start of etching of the p-type
まず、p型GaNキャップ層108およびp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層107をエッチングしている間は、膜中にInを含まないため、Inの規格化発光強度はゼロである。エッチングが進み、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200が露出すると、規格化発光強度は0.10(Inの組成比と値が同じ)となる。そして、膜厚20nmのエッチングマーカー層200をエッチングしている間は0.1のままである。次に、In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200のエッチングが終了すると、Inを含まないp型GaN光ガイド層106が露出するため、規格化発光強度は再びゼロとなる。
First, while the p-type
このように、エッチングマーカー層200が露出したことに対応するInの規格化発光強度の変化を検出すれば、エッチングを停止すればよい。上記の例では、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層107をエッチングした後にp型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200が露出すると、Inの規格化発光強度は0.10だけ増加することになる。
In this way, if a change in the normalized emission intensity of In corresponding to the exposure of the
ここで、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200とその上に形成されたp型GaNキャップ層108およびp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層107との間の規格化発光強度の差を、発光強度変化量αと定義する。すると、Inの発光強度変化量αが0.10になった時に、p型GaNキャップ層108の表面からp型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200までエッチングできたと判定し、エッチングを停止させることによってエッチング深さの制御を行うことができる。
Here, the difference in normalized emission intensity between the p-type In 0.1 Ga 0.9 N
次に、上記特許文献1に記載のプラズマ発光スペクトルを用いたエッチングの停止方法における課題について説明する。 Next, problems in the etching stopping method using the plasma emission spectrum described in Patent Document 1 will be described.
上記特許文献1に記載のエッチング停止方法では、被エッチング面の各所におけるエッチング量が均一である、すなわち、被エッチング面内の各所におけるエッチング速度が一定であると想定されている。しかし、現実には、被エッチング面内の各所においてエッチング速度に違いが存在し、その違いにより被エッチング面内に数%程度のエッチング量の分布が存在する。 In the etching stop method described in the above-mentioned Patent Document 1, it is assumed that the etching amount in each part of the surface to be etched is uniform, that is, the etching rate in each part in the surface to be etched is constant. However, in reality, there are differences in etching rates at various locations within the surface to be etched, and due to the differences, there is a distribution of an etching amount of about several percent in the surface to be etched.
また、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200からp型GaNキャップ層108までの各層(p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200、p型Al0.1Ga0.9Nクラッド層107およびp型GaNキャップ層108)の合計膜厚についても、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200の表面上の各所において異なる場合があり、これら各層の合計膜厚の分布も存在する場合がある。
Each layer from the p-type In 0.1 Ga 0.9 N
このように、エッチング量の分布やエッチングマーカー層上の合計膜厚の分布が存在する場合には、エッチング時間に対する規格化発光強度の振る舞いが大きく変わることを、本願発明者らは見い出した。 As described above, the inventors of the present invention have found that the behavior of the normalized emission intensity with respect to the etching time greatly changes when the distribution of the etching amount or the distribution of the total film thickness on the etching marker layer exists.
図3は、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200からp型GaNキャップ層108までの各層の合計膜厚は半導体基板100の表面上の各所において均一であって、被エッチング面内の各所におけるエッチング量の面内不均一性が0%、3%、6%、10%、15%、20%の各場合に対して、Inの規格化発光強度をエッチング時間に対してプロットした実験結果を示す図である。
FIG. 3 shows that the total film thickness of each layer from the p-type In 0.1 Ga 0.9 N
本願では「エッチング量の面内不均一性」を、被エッチング面内の各所におけるエッチング量の最大値、最小値および平均値を用いて、(最大値−最小値)/平均値×100[%]と定義した。たとえば「エッチング量の面内不均一性が0%である」とは、被エッチング面内の各所にてエッチング量に偏りがなく均一で一定であることを示し、「エッチング量の面内不均一性が20%である」とは、被エッチング面内の各所にてエッチング量に平均エッチング量の最大20%の偏りが生じていることを表している。 In the present application, the “in-plane nonuniformity of the etching amount” is expressed as (maximum value−minimum value) / average value × 100 [%] using the maximum value, the minimum value, and the average value of the etching amount at various points in the surface to be etched ] Defined. For example, “the in-plane non-uniformity of the etching amount is 0%” indicates that the etching amount is uniform and constant at various locations within the surface to be etched. "The property is 20%" means that the etching amount has a maximum deviation of 20% of the average etching amount at various points within the surface to be etched.
図3より、エッチング量の面内不均一性の値によって、規格化発光強度の最大値や時間変動量が変化することがわかる。面内不均一性が3%の場合では、規格化発光強度の最大変動量は0.10であり、面内不均一性が0%の時と同じである。しかし、エッチング時間に対する規格化発光強度の変化率は異なる。なお、「規格化発光強度の最大変動量」とは、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200における規格化発光強度の最大値からp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層107における規格化発光強度の最大値を引いた差として定義した値を指す。
FIG. 3 shows that the maximum value of the normalized emission intensity and the amount of time variation vary depending on the in-plane nonuniformity value of the etching amount. When the in-plane nonuniformity is 3%, the maximum fluctuation amount of the normalized emission intensity is 0.10, which is the same as when the in-plane nonuniformity is 0%. However, the rate of change of the normalized emission intensity with respect to the etching time is different. The “maximum variation in normalized emission intensity” refers to the normalized emission intensity in the p-type Al 0.1 Ga 0.9
また、6%以上の面内不均一性の場合では、規格化発光強度の最大変動量が面内不均一性の上昇とともに低下する。さらに、エッチング時間に対する規格化発光強度の変化率も面内不均一性の値に依存して変動することがわかった。つまり、規格化発光強度の最大変動量や規格化発光強度のエッチング時間変化率はエッチング量の面内不均一性に依存し、面内不均一性が上昇すると、規格化発光強度の最大変動量や時間変化率が低下する。 In the case of in-plane non-uniformity of 6% or more, the maximum fluctuation amount of the normalized emission intensity decreases as the in-plane non-uniformity increases. Furthermore, it was found that the rate of change of the normalized emission intensity with respect to the etching time also varies depending on the in-plane nonuniformity value. In other words, the maximum fluctuation amount of the normalized emission intensity and the etching time change rate of the normalized emission intensity depend on the in-plane nonuniformity of the etching amount, and when the in-plane nonuniformity increases, the maximum fluctuation amount of the normalized emission intensity And the rate of change over time decreases.
ここでは、エッチング量の面内不均一性がゼロではない場合について説明したが、エッチング量の面内不均一性がゼロであっても、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200からp型GaNキャップ層108までの各層の合計膜厚の、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200の表面上における分布が不均一な場合には、やはり規格化発光強度の最大変動量や規格化発光強度のエッチング時間変化率が低下することが、本願発明者らの実験により判明している。
Although the case where the in-plane non-uniformity of the etching amount is not zero has been described here, the p-type In 0.1 Ga 0.9 N
すなわち、エッチング量の面内分布やエッチングマーカー層以上の各層の合計膜厚の分布が存在している場合には、上記特許文献1に記載のプラズマ発光を用いたエッチング停止方法では規格化発光強度の最大変動量や規格化発光強度のエッチング時間変化率が変動するために、エッチングマーカー層の検出が困難になるという問題が生じることがわかった。 That is, when there is an in-plane distribution of the etching amount or a distribution of the total film thickness of each layer above the etching marker layer, the normalized emission intensity is obtained by the etching stop method using plasma emission described in Patent Document 1. It has been found that there is a problem that it becomes difficult to detect the etching marker layer due to fluctuations in the etching time change rate of the maximum fluctuation amount and the normalized emission intensity.
また、ここまでエッチング量の制御を主眼として説明してきたが、図1の半導体レーザ構造のうち、活性層たるInGaN歪量子井戸層105の表面からp型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200中の被エッチング面までの距離が0.05μm〜0.3μmと近接している場合には、InGaN歪量子井戸層105の表面からp型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200中の被エッチング面までの距離(以下、エッチング残し厚さと言う)の制御性が劣化すると、ビーム径の広がり角や発振閾電流値のばらつきが増大するため、エッチング量よりもむしろエッチング残し厚さの均一性の向上が、ビーム径の広がり角や発振閾電流値のばらつき低減にとって重要となる。
Further, the control of the etching amount has been described so far, but in the semiconductor laser structure of FIG. 1, the p-type In 0.1 Ga 0.9 N
エッチング量の面内分布や各層の合計膜厚の分布がなく、均一なエッチングが行われる場合には、エッチング量の制御性はエッチング残し厚さの制御性とほぼ同等と言えた。しかし、エッチング量の面内分布や各層の合計膜厚の分布が存在する場合には、当然ながらエッチング残し厚さのp型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200の表面上における分布も生じるため、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200の表面上の各所にてエッチング残し厚さが設計仕様からずれた発光素子が形成されることになり、発光素子の歩留まり低下を引き起こすという問題がある。
When there is no in-plane distribution of the etching amount or distribution of the total film thickness of each layer and uniform etching is performed, it can be said that the controllability of the etching amount is almost equal to the controllability of the remaining etching thickness. However, when there is an in-plane distribution of the etching amount and a distribution of the total film thickness of each layer, naturally, the distribution of the remaining etching thickness on the surface of the p-type In 0.1 Ga 0.9 N
また、窒化物系III−V族化合物半導体に、上記特許文献1に記載のp型InxGa1-xNエッチングマーカー層200を挿入する場合には、以下の問題が生じる。
Further, when the p-type In x Ga 1-x N
p型GaN光ガイド層106とp型AlyGa1-yNクラッド層107との間にp型InxGa1-xNエッチングマーカー層200を挿入すると、InxGa1-xNの禁制帯幅はGaNおよびAlyGa1-yNの禁制帯幅よりも狭いため、p型InxGa1-xNエッチングマーカー層200における光吸収(光損失)が増加する。その結果、発振閾電流値が増加するという問題が生じる。発光素子としては、消費電力抑制のため、発振閾電流値が低い方が望ましいことは当然である。
When the p - type In x Ga 1-x N
また、p型AlyGa1-yNクラッド層107の結晶成長温度が、p型InxGa1-xNエッチングマーカー層200の結晶成長温度よりも高い。そのため、p型InxGa1-xNエッチングマーカー層200の形成後に、半導体レーザ構造をAlyGa1-yNの結晶成長温度が安定する成膜装置の中で待機させている間に、p型InxGa1-xNエッチングマーカー層200表面からInが蒸発し、その蒸発によってp型InxGa1-xNエッチングマーカー層200表面に欠陥や荒れが生じやすい。よって、p型InxGa1-xNエッチングマーカー層200上にp型AlyGa1-yNクラッド層107を形成したときに、p型AlyGa1-yNクラッド層107の結晶品質が低下し、その結果、発振閾電流値が増加するという問題がある。
The crystal growth temperature of the p - type Al y Ga 1-y
本発明は、これら上記の問題を解決するためにエッチングプロセスを詳細に検討した考察に基づいてなされたものである。 The present invention has been made on the basis of a detailed examination of the etching process in order to solve the above-mentioned problems.
<b.本発明における、エッチング量の面内分布がある場合の規格化発光強度の変化について>
次に、本発明における、エッチング量の面内分布がある場合の規格化発光強度の変化について考察を行う。
<B. Regarding change in normalized emission intensity when there is an in-plane distribution of etching amount in the present invention>
Next, the change in the normalized emission intensity when there is an in-plane distribution of the etching amount in the present invention will be considered.
まず、本発明では、図1のp型InxGa1-xNエッチングマーカー層200に代わって、InGaNではなくAlGaNを採用したp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200を採用する。それ以外の部分については、図1の半導体レーザ構造と同様である。
First, in the present invention, in place of the p-type In x Ga 1-x N
図4は、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200を採用した本発明の半導体レーザ構造について、p型GaNキャップ層108からエッチングを開始してp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層107(y=0.05の場合)およびp型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200(x=0.2の場合)までエッチングしたときの、Alに対する規格化発光強度の最大変動量を、エッチング量の面内不均一性が0%(すなわち、エッチング量が面内で均一の場合)、および、1%、2%、3%、4%、6%、10%、15%、20%の各場合に対してプロットしたグラフである。
FIG. 4 shows a p - type Al 0.05 Ga 0.95 N clad
ここで、Alの「規格化発光強度」とは、p型AlNに対してプラズマエッチングを行った時のAlの発光強度を基準として、p型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200からのAlの発光強度を、p型AlNにおけるAlの発光強度で割った値として定義する。つまり、Alの規格化発光強度=(p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層におけるAlのプラズマ発光強度)/(p型AlNにおけるAlのプラズマ発光強度)と定義する。
Here, the “normalized emission intensity” of Al refers to the emission intensity of Al from the p-type Al 0.2 Ga 0.8 N
また、「規格化発光強度の最大変動量」とは、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200における規格化発光強度の最大値からp型AlyGa1-yNクラッド層107における規格化発光強度の最大値を引いた差として定義した値を指す。「エッチング量の面内不均一性」の定義は上述したように、被エッチング面内の各所におけるエッチング量の最大値、最小値および平均値を用いた、(最大値−最小値)/平均値×100[%]である。
Further, the “maximum fluctuation amount of the normalized emission intensity” refers to the maximum value of the normalized emission intensity in the p-type Al x Ga 1-x N
なお、図4のグラフは、p型AlxGa1-xエッチングマーカー層200からp型GaNキャップ層108までの各層の合計膜厚の、p型AlxGa1-xエッチングマーカー層200の表面上における分布が均一な半導体レーザ構造について、採取したものである。また、p型GaNキャップ層108の膜厚を20nm、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層107の膜厚を500nm、p型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200の膜厚を20nmとした。また、エッチングされる全ての層に対して、エッチング速度を200nm/分とした。
The graph of FIG. 4, p-type Al x Ga 1-x from the
本願発明者らの実験によれば、半導体基板100上の被エッチング面(p型GaNキャップ層108やp型AlyGa1-yNクラッド層107等の各層のうち、エッチングプラズマに接触することによりエッチングが行われる面)内の各所においてエッチング速度がほぼ一定の場合、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200およびp型AlyGa1-yNクラッド層107において、Alの規格化発光強度の最大値はAlの組成比xまたはyと同じ値となることがわかった。すなわち、エッチング量の面内不均一性が0%の場合、規格化発光強度の最大変動量はx−yとなる。上記例では0.15(=0.2−0.05)である。
According to the experiments by the inventors of the present application, the surface to be etched on the semiconductor substrate 100 (of the p-type
図4からわかるように、規格化発光強度の最大変動量は、面内不均一性が0%から3%程度までは0.15と一定であり、0%の場合と同じ最大変動量が得られるが、さらに面内不均一性が上昇すると、最大変動量は減少する。エッチング量の面内不均一性が3%程度以内に収まれば、0%の場合と同じ最大変動量が得られる理由は、半導体基板100上のエッチングマスクで保護されていない全ての箇所においてp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200が残置し、たとえエッチング量に不均一が存在しても、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200において充分な発光強度を確保できるためであると考えられる。
As can be seen from FIG. 4, the maximum fluctuation amount of the normalized emission intensity is constant at 0.15 when the in-plane non-uniformity is about 0% to 3%, and the same maximum fluctuation amount as in the case of 0% is obtained. However, as the in-plane non-uniformity further increases, the maximum variation decreases. If the in-plane non-uniformity of the etching amount falls within about 3%, the same maximum fluctuation amount as that in the case of 0% can be obtained because the p-type is formed in all locations not protected by the etching mask on the
このように、エッチング量の面内不均一性が存在する場合でも、エッチング量の面内不均一性が0%の場合と同じ規格化発光強度の最大変動量が得られる条件を、本願発明者らは各種実験より経験的に下記のように導き出した。 As described above, the inventors of the present application set the conditions for obtaining the same maximum amount of variation in normalized emission intensity as in the case where the in-plane non-uniformity of the etching amount is 0% even when the in-plane non-uniformity of the etching amount exists. Empirically derived from various experiments as follows.
すなわち、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の表面からエッチング前の被エッチング面までの膜厚、つまり、本実施の形態ではp型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚L、に対するp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Mの割合N(=M/L×100%)(以下、割合Nのことを膜厚比と呼ぶ)が、エッチング量の面内不均一性の値と等しい、または面内不均一性の値よりも大きいことが条件となる。つまり、膜厚比N≧エッチング量の面内不均一性、という関係を満たす場合には、規格化発光強度の最大変動量は低下しない。
That is, the film thickness from the surface of the p-type Al x Ga 1-x N
本実施の形態の場合を例に採れば、膜厚比N=(p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚20nm)/[(p型GaNキャップ層108の膜厚20nm)+(p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層107の膜厚500nm)]×100%=20/(20+500)×100%=3.8%となる。エッチング量の面内不均一性が膜厚比Nよりも小さい3%の場合では、面内不均一性が0%の場合と同じ最大変動量であることが、確かに図4に示されている。
Taking the case of this embodiment as an example, the film thickness ratio N = (film thickness of p-type Al x Ga 1-x N
しかし、エッチング量の面内不均一性が膜厚比Nよりも大きくなると、エッチング量の被エッチング面内における偏りがp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Mよりも大きくなる。そのため、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の露出面積が低下する。これが、規格化発光強度の最大変動量の低下の原因と考えられる。
However, when the in-plane non-uniformity of the etching amount becomes larger than the film thickness ratio N, the deviation of the etching amount in the etched surface is larger than the film thickness M of the p-type Al x Ga 1-x N
通常のエッチング装置では、絶対値で6%〜10%(エッチング量の平均値から±3%〜±5%)程度の、エッチング量の面内不均一性が存在する。エッチング量の面内不均一性が絶対値6%のエッチング装置を用いて上記の半導体レーザ構造をエッチングする場合には、面内不均一性が0%の場合から最大変動量が減少しないためのp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の最小膜厚は、31.2nm(=6%×合計膜厚L=6%×520nm)となる。p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Mがこの最小膜厚よりも薄くなると、規格化発光強度の最大変動量は減少することになる。
In a normal etching apparatus, there is an in-plane non-uniformity in the etching amount of about 6% to 10% in absolute value (± 3% to ± 5% from the average value of etching amount). In the case of etching the semiconductor laser structure using an etching apparatus having an in-plane non-uniformity of the etching amount of 6%, the maximum fluctuation amount does not decrease from the case where the in-plane non-uniformity is 0%. The minimum film thickness of the p-type Al x Ga 1-x N
また、本願発明者らは各種実験より経験的に、規格化発光強度の最大変動量が減少しない最小のp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚が存在することを導き出した。すなわち、エッチング量の面内不均一性をD%、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Mと、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の表面からエッチング前の被エッチング面までの合計膜厚Lとの合計の膜厚をEnmとすると、規格化発光強度の最大変動量が減少しない最小のp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚は、D/100×E(nm)となる。
Further, the inventors of the present application have empirically derived from various experiments that there is a minimum film thickness of the p-type Al x Ga 1-x N
p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Bを厚くすれば、膜厚比N≧(エッチング量の面内不均一性)という関係を満足することが可能である。しかし、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Mを厚くすると、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200内における横方向の電流広がりが大きくなるため、レーザ活性層における電流密度が減少し、発振閾電流値の増加を引き起こす。そのため、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Mは20nm以下にすることが望ましい。
If the film thickness B of the p-type Al x Ga 1-x N
一方、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Mを薄くしていくと、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200内における横方向の電流広がりは抑制されるものの、膜厚比N<(エッチング量の面内不均一性)となり、規格化発光強度の最大変動量は低下してしまう。
On the other hand, when the film thickness M of the p-type Al x Ga 1-x N
本発明は、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚Mを薄くして、膜厚比N<(エッチング量の面内不均一性)となる場合においても、規格化発光強度の最大変動量を低下させないプラズマ発光の検出方法とその条件について考察した結果に基づいてなされた。
In the present invention, even when the film thickness M of the p-type Al x Ga 1-x N
<c.本発明における、エッチングマーカー層からキャップ層までの各層の合計膜厚の分布およびエッチング量の面内分布がともにある場合の規格化発光強度の変化について>
上記b.では、p型AlxGa1-xエッチングマーカー層200からp型GaNキャップ層108までの各層の合計膜厚(すなわち、p型AlxGa1-xエッチングマーカー層200の膜厚とp型GaNキャップ層108の膜厚とp型AlyGa1-yNクラッド層107の膜厚との合計)の、p型AlxGa1-xエッチングマーカー層200の表面上における分布が均一な半導体レーザ構造について説明した。ここでは、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200の表面上において、p型In0.1Ga0.9Nエッチングマーカー層200、p型GaNキャップ層108、およびp型AlyGa1-yNクラッド層107の各膜厚に分布が存在して不均一である場合であって、かつ、膜厚比N<(エッチング量の面内不均一性)となる場合でも、規格化発光強度の最大変動量を低下させない方法とその条件とについて説明する。
<C. In the present invention, regarding the change in normalized emission intensity when there is both the distribution of the total film thickness of each layer from the etching marker layer to the cap layer and the in-plane distribution of the etching amount>
B. Then, the total film thickness of each layer from the p - type Al x Ga 1-x
なお、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性を考慮するため、以下においては、膜厚比Nとは、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚のp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の表面上における平均値Lに対する、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の平均膜厚Mの割合と定義する(N=M/L)。
In order to consider the non-uniformity of the total film thickness of the p-type
さて、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性を、エッチング量の面内不均一性に近づけると、膜厚比N<(エッチング量の面内不均一性)の場合でも、規格化発光強度の最大変動量を低下させないようにすることが可能となる。
When the non-uniformity of the total film thickness of the p-type
以下に、規格化発光強度の最大変動量が低下しない条件をさらに詳細に考察する。p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200表面の中心部(半導体基板100の基板表面の中心部にも相当する)でエッチング量が大きく、かつp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200表面の周辺部(半導体基板100の基板周辺部にも相当する)でエッチング量が小さい、凸型のエッチング量分布を持つエッチング装置と、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚が、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200表面の中心部で厚く、かつ周辺部で薄い、凸型の合計膜厚分布を持つ、エッチング前の半導体レーザ構造とを準備する。そして、このエッチング装置を用いて、この半導体レーザ構造にエッチングを行うことを想定する。
Hereinafter, the conditions under which the maximum fluctuation amount of the normalized emission intensity does not decrease will be considered in more detail. p-type Al x Ga 1-x center of N
ここで、エッチング量の被エッチング面内における平均値をA(nm)、その面内不均一性をB(%)、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性(p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の表面の各所における、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の最大値、最小値および平均値を用いて、(最大値−最小値)/平均値×100[%]と定義する)をD(%)とする。また、上述の通り、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚のp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の表面上における平均値をL、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の平均膜厚をM、とする。
Here, the average value of the etching amount in the etched surface is A (nm), the in-plane nonuniformity is B (%), the p-type
従来において、膜厚比N<(エッチング量の面内不均一性)の場合、つまり、M/L<Bの場合には、規格化発光強度の最大値は低下していた。しかし、エッチング量の面内不均一性Bを、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性Dによって補償することによって、規格化発光強度の最大値を低下させないことが可能となる。つまり、被エッチング面内でエッチング量の多い場所では、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚を厚くし、被エッチング面内でエッチング量の少ない場所ではその膜厚を薄くすれば良い。そうすれば、エッチング量の多い箇所では合計膜厚が大きいので、エッチング量の不均一性を打ち消す効果がある。
Conventionally, when the film thickness ratio N <(in-plane non-uniformity of etching amount), that is, when M / L <B, the maximum value of the normalized emission intensity has decreased. However, the in-plane non-uniformity B of the etching amount is normalized by compensating for the non-uniformity D of the total film thickness of the p-type
このように、被エッチング面内でエッチング量の多い場所ではp型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚を厚くし、被エッチング面内でエッチング量の少ない場所ではその合計膜厚を薄くした場合、エッチング量の面内不均一性と、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性との間には“正の相関がある”と定義する。
As described above, the total film thickness of the p-type
一方、被エッチング面内でエッチング量が多い場所ではp型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚を薄くし、被エッチング面内でエッチング量が少ない場所ではその合計膜厚を厚くした場合、エッチング量の面内不均一性と、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性との間には“負の相関がある”と定義する。
On the other hand, in a place where the etching amount is large in the etched surface, the total film thickness of the p-type
本発明では、エッチング量の面内不均一性Bと、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性Dとの間に、正の相関を持たせることを特徴とする。そして、本願発明者らは各種実験より経験的に、両者間に正の相関が存在する場合であって、エッチング量の面内不均一性Bと合計膜厚の不均一性Dとが以下の関係を満たすとき、規格化発光強度の最大変動量は低下しないことを導き出した。
In the present invention, the in-plane non-uniformity B of the etching amount and the non-uniformity D of the total film thickness of the p-type
すなわち、膜厚比N=M/L>|(B−D)|(“|”は絶対値記号を表す)の関係を満たすとき、規格化発光強度の最大変動量は低下しないことが判明している。また、エッチングマーカー層の膜厚を薄くするためには、必要条件B>M/LよりB>|(B−D)|(“|”は絶対値記号を表す)、すなわち、Dは2B>D>0の関係式を満足する必要がある。 That is, it is found that the maximum fluctuation amount of the normalized emission intensity does not decrease when the film thickness ratio N = M / L> | (BD) | (where “|” represents an absolute value symbol) is satisfied. ing. In order to reduce the thickness of the etching marker layer, B> | (BD) | (“|” represents an absolute value symbol) from the necessary condition B> M / L, that is, D is 2B> It is necessary to satisfy the relational expression of D> 0.
つまり、エッチング量の面内不均一性Bと、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性Dとが正の相関を持ち、エッチング量の面内不均一性Bと合計膜厚の不均一性Dとが、2B>D>0の関係式、および、M/L>|(B−D)|との関係式を同時に満たす場合、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚をより薄くでき、かつ、規格化発光強度の最大変動量を低下させずにプラズマ発光をモニターできるという、本願特有の効果が得られる。そして、上記条件を満足してエッチングを行う場合には、エッチング量の面内不均一性が存在する場合であっても、エッチング残し厚さの均一性が向上することになるのである。
That is, the in-plane non-uniformity B of the etching amount and the non-uniformity D of the total film thickness of the p-type
次に、具体例を用いて本発明の効果を詳細に説明する。図5は、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200を採用した本発明の半導体レーザ構造を用い、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性を0%から21%まで変えた時の、Alの規格化発光強度の最大変動量を示すグラフである。
Next, the effects of the present invention will be described in detail using specific examples. FIG. 5 shows a structure of a p-type
図5において、エッチング量の面内不均一性と、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性との間には、正の相関が得られている。また、エッチング量の面内不均一性は6%、p型AlyGa1-yNクラッド層107の平均膜厚は500nm、p型GaNキャップ層108の平均膜厚は20nm、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の平均膜厚は20nmであった。膜厚比Nは3.8%である。
In FIG. 5, there is a positive difference between the in-plane non-uniformity of the etching amount and the non-uniformity of the total film thickness of the p-type
図5では、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性が3%から+10%の範囲では、規格化発光強度の最大変動量が低下せず、エッチング量の面内不均一性が0%の場合と同じ値が得られることがわかる。つまり、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性を制御することによって、エッチング量の面内不均一性が膜厚比Nよりも大きい場合でも、エッチング量の面内不均一性が0%に相当する最大変動量を得ることができる。
In FIG. 5, when the non-uniformity of the total film thickness of the p-type
また、言い換えると、エッチング量の面内不均一性が存在する場合でも、規格化発光強度の最大変動量を低下させずに、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚を薄くすることが可能となる。
In other words, the thickness of the p-type Al x Ga 1-x N
なお、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性が、エッチング量の面内不均一性と完全に一致することは要求されない。p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性は、少なくともエッチング量の面内不均一性と膜厚比Nとの差だけ補償すればよい。
It is not required that the non-uniformity of the total film thickness of the p-type
つまり、例えばエッチング量の面内不均一性が6%で膜厚比Nが3.8%の図5の場合には、p型GaNキャップ層108とp型AlyGa1-yNクラッド層107との合計膜厚の不均一性を6%にしなくとも、最低限として2.2%(=6%−3.8%)分を補償すれば、エッチング量の面内不均一性が0%の場合と同程度の規格化発光強度の最大変動量が得られる。
That is, for example, in the case of FIG. 5 where the in-plane non-uniformity of the etching amount is 6% and the film thickness ratio N is 3.8%, the p-type
<d.エッチングの停止方法について>
次に、本実施の形態におけるプラズマ発光を用いたエッチングの停止方法について説明する。
<D. Etching stop method>
Next, a method for stopping etching using plasma emission in this embodiment will be described.
エッチング中は、Alのプラズマ発光波長(たとえば396.2nm)の発光強度、および、Gaのプラズマ発光波長(たとえば417.2nm)の発光強度を観察する。そして、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200にエッチングが達したことに対応する発光強度の変化を検出した時点で、エッチングを停止させる。
During the etching, the emission intensity of the Al plasma emission wavelength (for example, 396.2 nm) and the emission intensity of the Ga plasma emission wavelength (for example, 417.2 nm) are observed. Etching is stopped when a change in emission intensity corresponding to the etching reaching the p-type Al x Ga 1-x N
Alの発光強度およびGaの発光強度は、エッチングが進行して、膜のAl組成およびGa組成の異なる層が露出すると、変動しはじめる。被エッチング面がすべて同一組成になると、発光強度は変化しなくなり、一定の発光強度を示すようになる。すなわち、膜の組成の変化に対応した発光強度の変化をトリガーとしてエッチングを停止させる。 The light emission intensity of Al and the light emission intensity of Ga begin to fluctuate when layers having different Al and Ga compositions are exposed as etching progresses. When all the etched surfaces have the same composition, the light emission intensity does not change and a constant light emission intensity is exhibited. That is, the etching is stopped using a change in emission intensity corresponding to a change in the composition of the film as a trigger.
本実施の形態では、Alのプラズマ発光強度変化の絶対値とGaのプラズマ発光強度変化の絶対値との和を求めて、発光強度変化を捉える。このことにより、AlまたはGaいずれか一方だけの発光強度変化を測定してエッチングを停止させる場合に比較して、強度変化の少ない発光をも検出することが可能となる。 In this embodiment, the sum of the absolute value of the Al plasma emission intensity change and the absolute value of the Ga plasma emission intensity change is obtained to capture the emission intensity change. As a result, it is possible to detect light emission with less intensity change as compared with the case where etching is stopped by measuring the light emission intensity change of only one of Al and Ga.
p型AlyGa1-yNクラッド層107をエッチングして、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200でエッチングを停止させる場合、p型AlyGa1-yNクラッド層107のAlのプラズマ発光強度PaはPa=αy、Gaのプラズマ発光強度PbはPb=β(1−y)となる。また、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200のAlのプラズマ発光強度PcはPc=αx、Gaのプラズマ発光強度PdはPd=β(1−x)となる。ここでα、βは元素やプラズマ状態で決まる定数である。
When etching the p-type Al y Ga 1-y
p型AlyGa1-yNクラッド層107からp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200にエッチングが進行した際の、Alの発光強度変化は、αy−αx=α(y−x)、Gaの発光強度変化はβ(1−y)−β(1−x)=−β(y−x)となる。つまり、Al、Gaの発光強度変化の絶対値は、それぞれ(y−x)のα倍とβ倍となる。一方、AlおよびGaの発光強度変化の絶対値の和は、(y−x)の(α+β)倍となり、AlまたはGaのどちらか一方だけの発光強度変化よりも大きい変化を得ることができる。
When etching proceeds from the p - type Al y Ga 1-y N clad
<e.半導体レーザ素子の具体的な製造方法について>
以下は、上記にて述べた本願発明の原理の、窒化物系半導体レーザ素子の実際の製造への適用例である。
<E. Specific manufacturing method of semiconductor laser element>
The following is an application example of the principle of the present invention described above to actual manufacture of a nitride-based semiconductor laser device.
図6は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法の一工程を示す断面図であり、共振器の共振方向に対して垂直方向の断面図である。まず、半導体基板たる厚さ400μmのn型GaN基板100を準備し、その表面をあらかじめサーマルクリーニングなどにより清浄化する。その後、基板100の表面に有機化学気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により、例えば1000℃の成長温度でn型GaNバッファ層20を成長させる。その後、同じくMOCVD法により、n型AlGaNクラッド層21、n型GaN光ガイド層22、およびアンドープトInGaN光ガイド層23、アンドープトInzGa1-zN/InwGa1-wN多重量子井戸活性層24、アンドープトInGaN光導波層25、p型AlGaN電子障壁層26、p型GaN光ガイド層27、膜厚10nmのp型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200、膜厚500nmのp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28、および、膜厚20nmのp型GaNコンタクト層29を順次、成膜する。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing one step of the method for manufacturing the nitride semiconductor laser according to the present embodiment, and is a cross-sectional view perpendicular to the resonance direction of the resonator. First, an n-
ここで、これらの層の成長温度はたとえばn型AlGaNクラッド21およびn型GaN光ガイド層22は1000℃、アンドープトInGaN光ガイド層23からアンドープトInGaN光導波層25までは740℃、p型AlGaN電子障壁層26からp型GaNコンタクト層29までは1000℃とする。
Here, the growth temperature of these layers is, for example, 1000 ° C. for the n-
なお、エッチングマーカー層200として、低温成長が必要なInGaNを用いていないため、p型AlGaN電子障壁層26からp型GaNコンタクト層29まで同一温度で成長させることが可能となり、成長中断を生じない。そのため、結晶欠陥の少ない高品質のp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28およびp型GaNコンタクト層29を形成することができる。
In addition, since InGaN which requires low temperature growth is not used as the
次に、結晶成長が終了した基板全面にレジスト膜PRを塗布し、リソグラフィによりリッジ構造に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。なお、レジストパターンには、リッジ部のパターンPRaと周辺部のパターンPRbとが含まれる。 Next, a resist film PR is applied to the entire surface of the substrate after crystal growth, and a resist pattern having a predetermined shape corresponding to the ridge structure is formed by lithography. The resist pattern includes a ridge pattern PRa and a peripheral pattern PRb.
次に、このレジスト膜PRをマスクとして、p型GaNコンタクト層29とp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28とを、たとえばRIE(Reactive ion etching)法により、プラズマ発光を観察しながら、図7に示すようにエッチングを行う。すなわち、p型GaNコンタクト層29およびp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28は、あいまって被エッチング層となり、p型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200の組成に対応したプラズマ発光強度の変化に応じて、ドライエッチングを停止する。このエッチングにより、光導波構造となるリッジ30を作製する。このRIEのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
Next, using this resist film PR as a mask, the p-type
本実施の形態で用いたエッチング装置では、エッチング量の面内不均一性が6%である。そのため、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28とp型GaNコンタクト層29との合計膜厚の不均一性は5%〜7%の範囲に制御した。また、合計膜厚の不均一性はエッチング量の面内不均一性と正の相関を持つ。
In the etching apparatus used in this embodiment, the in-plane non-uniformity of the etching amount is 6%. Therefore, the nonuniformity of the total film thickness of the p-type Al 0.05 Ga 0.95 N clad
発光スペクトルに関しては、Alのプラズマ発光波長とGaのプラズマ発光波長の両方の発光強度を計測し、Alのプラズマ発光強度の変化ΔAとGaのプラズマ発光強度の変化ΔGの差を指標として、たとえば指標が最大値を示した時にエッチングを停止させた。エッチング後、p型GaNコンタクト層29およびp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28の一部は、エッチング深さがp型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200で規定された、メサ形状に加工された。
With respect to the emission spectrum, the emission intensity of both the Al plasma emission wavelength and the Ga plasma emission wavelength is measured, and the difference between the Al plasma emission intensity change ΔA and the Ga plasma emission intensity change ΔG is used as an index. Etching was stopped when s reached the maximum value. After etching, the p-type
本実施の形態では、被エッチング面内のエッチング量は均一ではないが、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28とp型GaNコンタクト層29との合計膜厚に分布を持たせたため、p型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200内でエッチングを停止することができた。そのため、アンドープトInzGa1-zN/InwGa1-wN多重量子井戸活性層24の表面からp型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200中の被エッチング面までの距離たる、エッチング残し厚さは約10nm均一と、良好な精度が得られた。
In the present embodiment, the etching amount in the surface to be etched is not uniform, but the total film thickness of the p-type Al 0.05 Ga 0.95
これは、エッチング残し厚さの均一性がエッチング量の面内不均一性、および、p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28とp型GaNコンタクト層29との合計膜厚の不均一性を組み合わせることによって向上できたことを示している。p型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28とp型GaNコンタクト層29との合計膜厚の分布を制御しない場合には、仮に合計膜厚の分布がゼロでも、エッチング量の分布により、約30nmのエッチング残し厚さの面内ばらつきが発生する。また、規格化発光強度の最大変動量は低下してしまい、発光の検出が困難となる。本実施の形態に係るエッチング方法によれば、規格化発光強度の最大変動量を低下させずに、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の膜厚を薄くでき、エッチング残し厚さの面内均一性を向上させることが可能である。
This is because the uniformity of the remaining etching thickness is combined with the in-plane non-uniformity of the etching amount and the non-uniformity of the total film thickness of the p-type Al 0.05 Ga 0.95
次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再び基板全面に例えばCVD法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、図8に示すように、例えば厚さ0.2μmの絶縁膜たるSiO2膜31を形成する。そして、図9に示すように、レジスト除去と同時に、リッジ30上のSiO2膜を除去する、いわゆるリフトオフを行う。
Next, while leaving the resist pattern used as a mask, for example, a CVD method, a vacuum evaporation method, a sputtering method or the like is again applied to the entire surface of the substrate, as shown in FIG. 8, for example, a SiO 2 film having a thickness of 0.2 μm. A
さらに、図10に示すように、リソグラフィによりリッジ上部のみにレジストパターン33を形成し、その後、基板全面に絶縁膜たるSiO2膜32を形成する。そして、図11に示すように、レジストパターン33の除去と同時に、リッジ30上のSiO2膜32を除去する。これにより、リッジ30上に開口部32aが形成される。
Further, as shown in FIG. 10, a resist
次に、図12に示すように、p型電極34の形成を行う。このp型電極34は、例えばPtおよびAu膜を順次積層した構造となっている。図11の基板表面の全面に、例えば真空蒸着法によりPtおよびAu膜を順次形成した後、レジスト塗布およびリソグラフィおよび、ウエットエッチングあるいはドライエッチングにより、表面にp型電極34のパターンを形成する。p型電極34は、リッジ30上のp型GaNコンタクト層29と接触している。
Next, as shown in FIG. 12, the p-
次に、基板裏面を研削し、薄板化した後、n型電極35が形成される。このn型電極35は、TiおよびAl膜を順次積層した構造となっている。基板裏面の全面に真空蒸着法により、TiおよびAl膜を順次形成する。その後、n型電極35をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
Next, after the substrate back surface is ground and thinned, the n-
この後、この基板を劈開などによりバー状に加工して共振器の両端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。以上より、窒化物系半導体レーザが製造される。 Thereafter, the substrate is processed into a bar shape by cleaving or the like to form both end faces of the resonator, and end faces are coated on the end faces of the resonator, and then the bar is chipped by cleaving or the like. As described above, a nitride-based semiconductor laser is manufactured.
本実施の形態に記載の窒化物系半導体レーザでは、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の禁制帯幅を、p型AlyGa1-yNクラッド層28の禁制帯幅よりも広くするために、エッチングマーカー層200としてp型AlxGa1-xN層(x>y)を用いることとする。これにより、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の挿入による光損失は、p型InxGa1-xNエッチングマーカー層の場合よりも抑制されるため、従来よりも低い電流値で発振することが可能となる。つまり、発振閾電流値を低減することができる。
In the nitride-based semiconductor laser described in the present embodiment, the forbidden band width of the p - type Al x Ga 1-x N
さらに、p型AlyGa1-yNクラッド層28とp型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200とを同じ成長温度で結晶成長させることが可能となり、光損失を引き起こすp型AlyGa1-yNクラッド層28の結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、発振閾電流値を低減することが可能となる。
Further, the p-type Al y Ga 1-y
なお、本実施の形態では、p型GaN光ガイド層27とp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28との間にp型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200を挿入したが、挿入位置によらず、本発明の効果であるエッチング残し膜厚の均一性の向上が得られることは発明の原理より明らかである。
In this embodiment, the p-type Al 0.2 Ga 0.8 N
また、たとえばp型AlGaN電子障壁層26をエッチングマーカー層として用いた場合には、p型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200を挿入する必要がなくなる。そのため、エッチングマーカー層200を追加する場合に比べ、基板抵抗を増加させることがなく、さらに電流の横方向広がりを増加させることがないという効果を有する。
For example, when the p-type AlGaN
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、被エッチング層たるp型GaNコンタクト層29およびp型Al0.05Ga0.95Nクラッド層28の被エッチング面内でエッチング量の多い場所では被エッチング層の膜厚を厚く、被エッチング層の被エッチング面内でエッチング量の少ない場所では被エッチング層の膜厚を薄く形成する。エッチング量の多い箇所では被エッチング層の膜厚が大きく、エッチング量の少ない箇所では被エッチング層の膜厚が小さいので、エッチング量の不均一性を打ち消す効果がある。そして、2B>D>0、および、N=M/L>|(B−D)|との関係式を同時に満たす。これにより、p型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200の膜厚をより薄くでき、かつ、発光強度の最大変動量を低下させずにプラズマ発光をモニターできる。そして、エッチング量の面内不均一性が存在する場合であっても、p型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200下の所定位置からp型Al0.2Ga0.8Nエッチングマーカー層200中の被エッチング面までの距離たるエッチング残し厚さの均一性を向上させることができる。よって、素子特性を低下させることなく、エッチング深さを精密かつ容易に制御可能な、エッチングマーカー層を用いた半導体装置の製造方法が実現できる。
According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the p-type
また、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、エッチングマーカー層は、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200であり、被エッチング層は、エッチングマーカー層上に形成されたp型AlyGa1-yNクラッド層28(x>y)を少なくとも有する。よって、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の禁制帯幅が、エッチングマーカー層200上に形成されたp型AlyGa1-yNクラッド層28の禁制帯幅よりも広くなり、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200の挿入による光損失は、p型InxGa1-xNエッチングマーカー層の場合よりも抑制される。そのため、従来よりも低い電流値で発振することが可能となる。つまり、発振閾電流値を低減することができる。さらに、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層200とp型AlyGa1-yNクラッド層28とを同じ成長温度で結晶成長させることが可能となり、光損失を引き起こすp型AlyGa1-yNクラッド層28の結晶欠陥の発生が抑制される。その結果、発振閾電流値を低減することが可能となる。
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the etching marker layer is the p-type Al x Ga 1-x N
本実施の形態に記載の、窒化物系III−V族化合物半導体装置の製造方法を用いることによって、エッチング深さの制御性が容易であり、かつレーザ発振の閾電流値を低減させたIII−V族化合物半導体発光素子(半導体レーザ素子)を製造することが可能となる。 By using the method for manufacturing a nitride-based III-V compound semiconductor device described in this embodiment, the etching depth can be easily controlled, and the laser oscillation threshold current value is reduced. A group V compound semiconductor light emitting device (semiconductor laser device) can be manufactured.
100 半導体基板、101 GaN低温層、102 n型GaNバッファ層、103 n型AlGaNクラッド層、104 n型GaN光ガイド、105 InGaN歪量子井戸層、106 p型GaN光ガイド層 、107 p型AlGaNクラッド層、108 p型GaNキャップ層、200 p型AlGaNエッチングマーカー層、201 酸化膜層、20 n型GaNバッファ層、21 n型AlGaNクラッド層、22 n型GaN光ガイド層、23 アンドープトInGaN光ガイド層、24 アンドープトInzGa1-zN/InwGa1-wN多重量子井戸活性層、25 アンドープトInGaN光導波層、26 p型AlGaN電子障壁層、27 p型GaN光ガイド層、28 p型AlGaNクラッド層、29 p型GaNコンタクト層、30 リッジ、31,32 SiO2膜、34 p型電極、35 n型電極。
100 semiconductor substrate, 101 GaN low temperature layer, 102 n-type GaN buffer layer, 103 n-type AlGaN cladding layer, 104 n-type GaN light guide, 105 InGaN strained quantum well layer, 106 p-type GaN light guide layer, 107 p-type AlGaN cladding Layer, 108 p-type GaN cap layer, 200 p-type AlGaN etching marker layer, 201 oxide film layer, 20 n-type GaN buffer layer, 21 n-type AlGaN clad layer, 22 n-type GaN light guide layer, 23 and doped InGaN light guide layer , 24 Andopto In z Ga 1 -z N / In w Ga 1 -w N multiple quantum well active layer, 25 Andopto InGaN optical waveguide layer, 26 p-type AlGaN electron barrier layer, 27 p-type GaN optical guide layer, 28 p-type AlGaN cladding layer, 29 p-type GaN contact layer, 30 ridge, 1,32 SiO 2 film, 34 p-type electrode, 35 n-type electrode.
Claims (3)
(b)前記エッチングマーカー層の前記表面上に被エッチング層を形成する工程と、
(c)プラズマを用いたドライエッチングにより、前記被エッチング層に選択的にエッチングを行う工程と
を備え、
前記工程(c)において、前記エッチングマーカー層の組成に対応したプラズマ発光強度の変化に応じて、前記ドライエッチングを停止する半導体装置の製造方法であって、
前記工程(b)において、前記被エッチング層の被エッチング面内でエッチング量の多い場所では前記被エッチング層の膜厚を厚く、前記被エッチング層の被エッチング面内でエッチング量の少ない場所では前記被エッチング層の膜厚を薄く形成し、
前記被エッチング層の被エッチング面内の各所におけるエッチング量の最大値、最小値および平均値を用いた、(最大値−最小値)/平均値×100[%]の値をエッチング量の面内不均一性Bと定義し、
前記エッチングマーカー層の表面の各所における、前記被エッチング層の膜厚の最大値、最小値および平均値を用いた、(最大値−最小値)/平均値×100[%]の値を前記被エッチング層の膜厚の不均一性Dと定義し、
前記被エッチング層の膜厚の前記エッチングマーカー層の表面上における平均値をLとし、
前記エッチングマーカー層の平均膜厚をMとし、
前記Mを前記Lにて除した値を膜厚比Nとし、
2B>D>0、および、N>|(B−D)|(“|”は絶対値記号を表す)との関係式を同時に満たす
半導体装置の製造方法。 (A) forming an etching marker layer having a surface above the surface of the semiconductor substrate having a surface;
(B) forming a layer to be etched on the surface of the etching marker layer;
(C) a step of selectively etching the layer to be etched by dry etching using plasma,
In the step (c), the dry etching is stopped according to a change in plasma emission intensity corresponding to the composition of the etching marker layer,
In the step (b), the thickness of the layer to be etched is thick at a place where the etching amount is large in the etched surface of the layer to be etched, and the area at the place where the etching amount is small in the etched surface of the layer to be etched. The thickness of the layer to be etched is made thin,
Using the maximum value, the minimum value, and the average value of the etching amount at various points in the etching target surface of the etching target layer, the value of (maximum value−minimum value) / average value × 100 [%] is set within the etching amount surface. Defined as non-uniformity B,
A value of (maximum value−minimum value) / average value × 100 [%] using the maximum value, the minimum value, and the average value of the film thickness of the layer to be etched at various points on the surface of the etching marker layer It is defined as the non-uniformity D of the thickness of the etching layer,
The average value of the thickness of the layer to be etched on the surface of the etching marker layer is L,
The average thickness of the etching marker layer is M,
A value obtained by dividing M by L is a film thickness ratio N,
2B>D> 0 and N> | (BD) | (where “|” represents an absolute value symbol).
前記エッチングマーカー層は、p型AlxGa1-xNエッチングマーカー層であり、
前記被エッチング層は、前記エッチングマーカー層上に形成されたp型AlyGa1-yN層(x>y)を少なくとも有する
半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
The etching marker layer is a p-type Al x Ga 1-x N etching marker layer,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the layer to be etched includes at least a p-type Al y Ga 1-y N layer (x> y) formed on the etching marker layer.
半導体装置。
A semiconductor device manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
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