JP2009070835A - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】2つの電極を電気的に完全に分離する半導体素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】リッジ導波路型半導体集積素子10は、互いに離間して配置されるEA部12の電極20およびLD部14の電極22と、電極20および電極22がそれぞれの上面に形成され、該上面の少なくとも一部の縁が該電極と同電位となる、互いに離間して配置されるEA部12のコンタクト層およびLD部14のコンタクト層と、それら2つのコンタクト層のうち一方の縁から他方の縁まで延伸する絶縁性の凹凸構造であるパッシベーション膜と、パッシベーション膜を埋めるポリイミド樹脂26と、を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体素子およびその製造方法に関し、特に、2つの電極を電気的に分離する技術に関する。
強度変調器とレーザダイオードとを一体集積することにより応答速度を高めた半導体レーザが知られている。たとえば、特許文献1には、EA(Electro-Absorption:電界吸収型)変調器、DFB(Distributed FeedBack:分布帰還型)レーザ、およびそれらを結ぶリッジ型の光導波路を含むリッジ導波路型半導体集積素子が開示されている。
図12に示すように、リッジ導波路型半導体集積素子50の表面には、EA変調器(以下「EA部」という。)52の電極60とレーザ(以下「LD部」という。)54の電極62がそれぞれ形成されている。これらの電極60,62は次の工程で形成される。まず表面保護用のパッシベーション膜(たとえばSiO膜)を、ウェハ全面に形成する。さらにその上に電極材料(たとえばAu)を蒸着する。最後に、形成された電極層のうち電極となる領域以外の領域を方向性を有するドライエッチングで除去することにより、EA部52の電極60とLD部54の電極62が形成される。
特開2006−351818号公報
しかしながら、上記従来の工程で製造されるリッジ導波路型半導体集積素子には、次のような製造歩留りを低下させる要因があった。
図13は、図12のa−a’線に沿うリッジ導波路型半導体集積素子50の断面図である。図13(A)は電極蒸着後の断面構造、図13(B)は電極パタン形成後の断面構造を示す。絶縁膜(保護膜)であるパッシベーション膜68はCVD(Cemical Vapor Deposition:化学気相成長)により導波路56の上面および側面に等方的に形成されるため、図13(A)に示すように、導波路56の上部周辺74ではパッシベーション膜68の膜厚が他の部分に比べて厚くなる。
上記従来の製造方法では、このパッシベーション膜68の上に電極材料が直接蒸着されるため、電極パタンの形成にイオンミリングなどの方向性を有するドライエッチングを用いると、図13(B)に示すように、導波路56の側壁のうちパッシベーション膜68の膜厚が変化する部分がイオンビームの影となり、その部分に形成された電極層66が完全に除去されない場合がある。同様に、導波路の両側に形成された溝の底隅部にも、電極層66の一部が除去されずに残る場合がある。
すなわち、リッジ導波路型半導体集積素子50は、EA部52とLD部54とがリッジ型の導波路56に沿う凹凸状の絶縁壁で形成された溝で結ばれているため、従来の工程に従ってEA部52とLD部54とを隔てる分離部58の溝部分に電極材料を直接蒸着すると、溝を形成する凹凸状の絶縁壁のうちイオンミリングなどの影になる部分に形成された電極層66が完全に除去されない場合がある。このため、EA部52の電極60とLD部54の電極62の分離抵抗が下がり、半導体レーザの応答速度が低下し、製造歩留りが低下するという課題があった。
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、2つの電極を電気的に完全に分離することができる半導体素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体素子の製造方法は、互いに離間して配置される2つの電極それぞれと同電位となる2つの電極導通領域の一方から他方に延伸する凹または凸状の絶縁性を有する凹凸構造を基板上に形成する工程と、前記凹凸構造を絶縁材料で埋める工程と、前記絶縁材料により前記凹凸構造が埋められた前記基板に対して、その少なくとも前記電極が形成される領域に電極層を形成する工程と、前記電極層のうち前記電極となる領域以外の領域を方向性を有する所定の電極除去手段により除去する工程と、を含むことを特徴とする。
ここで、方向性を有する所定の電極除去手段とは、所定方向に放出される粒子により被処理体を除去する手段であり、たとえばイオンミリングなどのドライエッチングがこれに該当する。
本発明によれば、電極層を形成する前に、2つの電極導通領域の一方から他方に延伸する凹凸構造を絶縁材料で埋める工程が入るため、凹凸構造上に電極層が直接形成されることはない。このため、2つの電極導通領域の間に方向性を有する所定の電極除去手段の影となる部分が生じず、電極となる領域以外の領域に形成された電極層を該電極除去手段により完全に除去できるようになる。すなわち、2つの電極は電気的に完全に分離されるようになる。
また、本発明の一態様では、前記絶縁材料を埋める工程では、前記絶縁材料を前記電極導通領域よりも盛り上げるとともに、前記2つの電極導通領域の間にて当該半導体素子の一端から他端まで延伸する。この態様によれば、2つの電極導通領域の間にて半導体素子の一端から他端まで絶縁材料が延伸しているため、すなわち、絶縁材料が半導体素子の端から端まで切れ目なくつながっているため、この絶縁材料の盛り上がりによって、2つの電極導通領域の一方から他方に延伸する新たな凹凸構造が形成されることはない。このため、絶縁材料を電極導通領域より盛り上げる場合でも、2つの電極は電気的に完全に分離される。
また、本発明の一態様では、当該半導体素子は、光変調器とレーザダイオードとを集積したリッジ導波路型半導体集積素子であって、前記凹凸構造は、前記光変調器と前記レーザダイオードとを結ぶリッジ型の光導波路の形状に沿って形成され、前記電極は、前記光変調器のコンタクト層上面の少なくとも一部と前記レーザダイオードのコンタクト層上面の少なくとも一部にそれぞれ形成される。この態様によれば、リッジ導波路型半導体集積素子において、光変調器の電極とレーザダイオードの電極とを電気的に完全に分離できるようになる。
なお、上記半導体素子の製造方法において、前記所定の電極除去手段はイオンミリングでもよく、前記絶縁材料はポリイミド樹脂でもよい。
また、本発明に係る半導体素子は、互いに離間して配置される2つの電極と、前記各電極がそれぞれの上面に形成され、該上面の少なくとも一部の縁が該電極と同電位となる、互いに離間して配置される2つの台と、前記2つの台のうち一方の前記縁から他方の前記縁まで延伸する凹または凸状の絶縁性を有する凹凸構造と、前記凹凸構造を埋める絶縁部と、を含むことを特徴とする。
また、本発明の一態様では、前記絶縁部は、前記台よりも盛り上がるとともに、前記台の間にて半導体素子の一端から他端まで延伸する。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子10の上面図である。図2は、図1のa−a’線に沿うリッジ導波路型半導体集積素子10の断面図である。
図1に示すように、リッジ導波路型半導体集積素子10は、EA変調器(EA部)12、レーザダイオード(LD部)14、EA部12とLD部14とを結ぶリッジ型の導波路16、およびEA部12とLD部14とを分離する分離部18を含み、LD部14から出射されたレーザ光が導波路16を介してEA部12に入射され、EA部12で電界吸収効果により変調された後に外部に出力されるよう構成されている。
リッジ導波路型半導体集積素子10の表面には、EA部12の電極20と電極パッド(PAD部)24、電極20と離間したLD部14の電極22、および電極20と電極22とを電気的に分離するためのポリイミド樹脂26が形成されている。
特に、分離部18では、パッシベーション膜28の形成後かつ電極の蒸着前に、ポリイミド樹脂26が導波路16に沿って形成された凹凸状の溝がポリイミド樹脂26で完全に埋まるよう、またリッジ導波路型半導体集積素子10の一端から他端まで延伸するように、形成されている。
これにより、この後にEB(Electron Beam)蒸着法などによりウェハ全面に電極を蒸着すると、分離部18では凹凸状の溝を埋めるポリイミド樹脂26の上に電極が形成されるため(図2A参照)、導波路16の側壁や底隅部には直接電極が付着しない。また、分離部18はリッジ導波路型半導体集積素子10の一端から他端まで切れ目なくポリイミド樹脂26で覆われているため、ポリイミド樹脂26により新たな凹凸が形成されることもない。このため、かかるポリイミド樹脂26を形成した後に、従来と同様に方向性を有する電極除去手段であるイオンミリングなどのドライエッチングでポリイミド樹脂26上に蒸着された電極層21を除去すれば(図2B参照)、EA部12の電極20とLD部14の電極22を電気的に完全に分離することができる。
ここで、リッジ導波路型半導体集積素子10の製造工程を図3〜図11に基づき詳細に説明する。図3〜図11の(A)および(B)は、それぞれ図1のa−a’線およびb−b’線に沿うリッジ導波路型半導体集積素子10の断面構造を製造工程順に示した図である。
まず、InP基板34上に、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)により、EA部12と分離部18とLD部14とを含む層と、InPクラッド層30と、InGaAsコンタクト層36と、からなる多層構造を成長させる(図3(A),図3(B))。EA部12と分離部18とLD部14はそれぞれ結晶構造が異なるため、バットジョイント法や選択成長法により絶縁膜をマスクとして結晶成長を行う。
次に、リソグラフィとエッチングにより、InPクラッド層30にリッジ型の導波路16を形成する(図4(A),図4(B))。さらに、電極が形成されない分離部18以外の領域をレジストで覆い、分離部18のInGaAsコンタクト層36を除去する(図5(A),図5(B))。これにより、その上面に形成される電極と同電位となる、EA部12のInGaAsコンタクト層36とLD部14のInGaAsコンタクト層36とが電気的に分離される。その後、電極20,22が形成されるEA部12およびLD部14の導波路16上部以外の領域を、絶縁膜(保護膜)であるパッシベーション膜28(たとえばSiO2膜)で保護する(図6(A),図6(B))。ここで形成されるパッシベーション膜28は、導波路16およびその両側に形成されたInPクラッド層30の形状に沿う凹凸構造を有する。なお、ここまでの工程は従来の製造工程と同様である。
パッシベーション膜28を形成した後、ウェハ全面にポリイミド樹脂26を塗布する(図7(A),図7(B))。これにより、導波路16に沿って形成された凹凸状の溝はポリイミド樹脂26で埋められる。続いて、分離部18に沿ってウェハの一端から他端までをレジスト38でポリイミド樹脂26をマスクし、分離部18以外のポリイミド樹脂26をドライエッチングにより除去する(図8(A),図8(B))。こうして分離部18上に残されたポリイミド樹脂26は、InGaAsコンタクト層36よりも盛り上がるとともに、ウェハの一端から他端まで延伸した形状を有する。なお、上記エッチングでは、リソグラフィでの合わせ精度を考慮して、電極20,22が形成される領域の内側5〜10μm程度までポリイミド樹脂26を残すようにしてもよい。
レジスト38を除去した後、EB蒸着法などにより、電極層(たとえばAu)21をウェハ全面(ポリイミド樹脂26により凹凸状の溝が埋められた基板表面のうち、少なくとも電極20,22が形成される領域でもよい。)に形成する(図9(A),図9(B))。次に、電極20が形成されるEA部12のInGaAsコンタクト層36の一部と電極22が形成されるLD部14のInGaAsコンタクト層36の一部とをレジスト38でマスクし(図10(A),図10(B))、分離部18を含む他の領域に形成された電極層21をイオンミリングにより除去する(図11(A),図11(B))。特に、分離部18では、ポリイミド樹脂26が凹凸状の溝を完全に埋め、またウェハの一端から他端まで切れ目なくつながっているため、導波路16の側壁や底隅部に電極層21が残ることはない。すなわち、分離部18上に形成された電極層21はイオンミリングにより完全に除去されるため、形成された電極20と電極22とは電気的に完全に分離される。さらに、分離部18では、凹凸状の溝を埋めるポリイミド樹脂26により、導波路16底部に形成されたパッシベーション膜28がイオンミリングによる破壊から保護される。
以上説明したリッジ導波路型半導体集積素子10およびその製造方法によれば、電極材料を蒸着する前に、EA部12の電極20と同電位になる領域からLD部14の電極22と同電位になる領域まで延伸するパッシベーション膜28で覆われた凹凸上の溝をポリイミド樹脂26で埋めるため、導波路16の側壁や底隅部に電極材料が直接蒸着されることはない。このため、電極20と電極22の間にイオンミリングの影となる部分が生じず、電極20,22となる領域以外の領域に形成された電極層21はイオンミリングにより完全に除去される。すなわち、EA部12の電極20とLD部14の電極22は電気的に完全に分離されるようになる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。たとえば以上の説明では、リッジ導波路型半導体集積素子に本発明を適用したが、本発明は、互いに離間して配置される2つの電極と、該各電極がそれぞれの上面に形成され該上面の少なくとも一部の縁(導電縁)が該電極と同電位となる互いに離間して配置される2つの台と、該2つの台のうち一方の導電縁から他方の導電縁まで延伸する凹または凸状の絶縁性を有する凹凸構造と、を含む半導体素子全般に適用可能である。
また、ポリイミド樹脂の代わりに、絶縁性を有する他の材料を用いてもよい。この場合、できればイオンミリングなどのドライエッチングへの耐性が高く、吸湿性の低い材料を用いることが望ましい。
また、半導体素子を構成する基板や電極その他の部分の形状や材料が、上記実施形態に限定されないのはもちろんである。たとえば、EA部12の電極20と同電位となるInGaAsコンタクト層36がその上面に形成される電極20より小さい形状を有していてもよいし、LD部のコンタクト層がInGaAs以外の材料で構成されていてもよい。
本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の上面図である。 図1のa−a’線に沿うリッジ導波路型半導体集積素子の断面図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(多層成長)を説明する図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(道波路形成)を説明する図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(分離溝エッチング)を説明する図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(レジスト除去)を説明する図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(ポリイミド塗布)を説明する図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(ポリイミド除去)を説明する図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(電極蒸着)を説明する図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(イオンミリング)を説明する図である。 本発明の実施形態に係るリッジ導波路型半導体集積素子の製造工程(レジスト除去)を説明する図である。 従来のリッジ導波路型半導体集積素子の上面図である。 図12のa−a’線に沿うリッジ導波路型半導体集積素子の断面図である。
符号の説明
10,50 リッジ導波路型半導体集積素子、12,52 EA変調器(EA部)、14,54 レーザ部(LD部)、16,56 導波路、18,58 分離部、20,22,60,62 電極、21,66 電極層、24,64 電極パッド(PAD部)、26 ポリイミド樹脂、28,68 パッシベーション膜、30,70 InPクラッド層、34,74 InP基板、36 InGaAsコンタクト層、38 レジスト、74 導波路の上部周辺。

Claims (7)

  1. 互いに離間して配置される2つの電極それぞれと同電位となる2つの電極導通領域の一方から他方に延伸する凹または凸状の絶縁性を有する凹凸構造を基板上に形成する工程と、
    前記凹凸構造を絶縁材料で埋める工程と、
    前記絶縁材料により前記凹凸構造が埋められた前記基板に対して、その少なくとも前記電極が形成される領域に電極層を形成する工程と、
    前記電極層のうち前記電極となる領域以外の領域を方向性を有する所定の電極除去手段により除去する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  2. 請求項1に記載の半導体素子の製造方法において、
    前記絶縁材料を埋める工程では、前記絶縁材料を前記電極導通領域よりも盛り上げるとともに、前記2つの電極導通領域の間にて当該半導体素子の一端から他端まで延伸する、
    ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  3. 請求項1または2に記載の半導体素子の製造方法において、
    当該半導体素子は、光変調器とレーザダイオードとを集積したリッジ導波路型半導体集積素子であって、
    前記凹凸構造は、前記光変調器と前記レーザダイオードとを結ぶリッジ型の光導波路の形状に沿って形成され、
    前記電極は、前記光変調器のコンタクト層上面の少なくとも一部と前記レーザダイオードのコンタクト層上面の少なくとも一部にそれぞれ形成される、
    ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  4. 請求項1から3のいずれかに記載の半導体素子の製造方法において、
    前記所定の電極除去手段は、イオンミリングである、
    ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載の半導体素子の製造方法において、
    前記絶縁材料は、ポリイミド樹脂である、
    ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  6. 互いに離間して配置される2つの電極と、
    前記各電極がそれぞれの上面に形成され、該上面の少なくとも一部の縁が該電極と同電位となる、互いに離間して配置される2つの台と、
    前記2つの台のうち一方の前記縁から他方の前記縁まで延伸する凹または凸状の絶縁性を有する凹凸構造と、
    前記凹凸構造を埋める絶縁部と、
    を含むことを特徴とする半導体素子。
  7. 請求項6に記載の半導体素子において、
    前記絶縁部は、前記台よりも盛り上がるとともに、前記台の間にて半導体素子の一端から他端まで延伸する、
    ことを特徴とする半導体素子。
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