JP2012124387A - Method of manufacturing semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体素子の作製方法に関し、より詳細には、同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工する半導体素子の作製方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor element in which shapes having different etching depths are processed in the same plane.
高性能・高機能デバイスの研究開発において、複雑なデバイスの構造の集積化が重要となり、加工(エッチング)、結晶再成長技術などによるデバイス作製プロセス技術が必要となる。とくに、複数の構造を集積化する場合、通常、複数回数のエッチングプロセスが必要となる。 In the research and development of high-performance and high-function devices, it is important to integrate the structure of complex devices, and device fabrication process technology such as processing (etching) and crystal regrowth technology is required. In particular, when a plurality of structures are integrated, a plurality of etching processes are usually required.
図1(a)〜(f)に、従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程を示す。試料(例えばInP結晶)1110に異なる深さのエッチングを施す場合、初めのエッチングの際にエッチングしない部分をマスク(誘電体など)1120で覆った(図1(a))後にエッチングする(図1(b))。次に、1回目のエッチング用のマスクを除去した(図1(c))後に、2回目のエッチングのために再度エッチングしない部分をマスクで覆い(図1(d))、さらにエッチングし(図1(e))、マスクを除去する(図1(f))というプロセスを繰り返さなくてはならない。 FIGS. 1A to 1F show an etching process when etching is performed at different depths according to the conventional method. When etching is performed on the sample (for example, InP crystal) 1110 at different depths, a portion not etched at the time of the first etching is covered with a mask (dielectric material) 1120 (FIG. 1A) and then etched (FIG. 1). (B)). Next, after removing the mask for the first etching (FIG. 1C), the portion not etched again for the second etching is covered with a mask (FIG. 1D), and further etched (FIG. 1). 1 (e)) and the process of removing the mask (FIG. 1 (f)) must be repeated.
半導体光素子作製において、深さの異なるエッチングを要する場合には複数回のマスク形成、エッチング、マスクの除去の工程が必須となるため、時間、コスト面での浪費につながるので問題となっていた。また、このような問題を考慮すると、深さが異なる微細かつ複雑な構造をエッチングにより形成することは実質的に困難であった。 In semiconductor optical device fabrication, when etching with different depths is required, a plurality of mask formation, etching, and mask removal processes are essential, leading to waste in terms of time and cost. . In consideration of such a problem, it has been substantially difficult to form fine and complicated structures having different depths by etching.
そこで、上述の課題を解決するために、異なる深さのエッチングを施す際に、エッチング深さに対応して面積の異なるマスクを用いることにより、1回のエッチングにより深さの異なるエッチングを可能にする方法が発明された(特許文献1参照)。 Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, when performing etching at different depths, it is possible to perform etching with different depths by performing etching once by using masks having different areas corresponding to the etching depths. Has been invented (see Patent Document 1).
図2(a)〜(c)に、基本的なエッチング過程を示す。半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いるドライエッチングの場合、半導体によるエッチング過程において半導体表面で半導体411とエッチング種(エッチングガス)412が反応することによりエッチングが進行する。
2A to 2C show a basic etching process. In the case of dry etching using a plasma state gas for etching a semiconductor, the etching proceeds by the reaction of the
図3(a)〜(c)に、エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を示す。このエッチングをする際に半導体表面をエッチング種512と反応しない物質(例えば酸化シリコン、窒化シリコンなどの誘電体など)をマスク513に用いて覆った場合、マスク上のエッチング種512は拡散してマスクで覆われていない半導体表面に到達する。この結果、マスク近傍の半導体表面ではエッチング種512の密度が増加する。このエッチング種512の増加は半導体のエッチング速度を増加させる。
3A to 3C show an etching process when a mask that does not react with the etching species is used. When the surface of the semiconductor is covered with a material that does not react with the etching species 512 (for example, a dielectric such as silicon oxide or silicon nitride) using the
このように、マスク上に飛来したエッチング種が半導体表面に拡散して半導体のエッチングを促進するので、マスク面積の増加に伴い半導体のエッチング量が増加する。従って、この方法によれば、深さが変化する単純な溝構造を容易に作製することができる。 As described above, the etching species flying on the mask diffuses on the semiconductor surface and promotes the etching of the semiconductor, so that the amount of etching of the semiconductor increases as the mask area increases. Therefore, according to this method, it is possible to easily produce a simple groove structure whose depth changes.
特に、半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いるドライエッチングにおいて該ガスにメタンやエタンなどの炭化水素系のガスを用いる場合、プラズマ状態においてガスが炭化水素基と水素に分解され、それぞれイオン化あるいは化学的に活性化(ラジカル化)される。尚、本願明細書では以降、イオン化あるいは化学的に活性化(ラジカル化)された炭化水素基を炭化水素プラズマ、同様の水素原子を水素プラズマと呼ぶこととする。 In particular, when a hydrocarbon-based gas such as methane or ethane is used as the gas in dry etching using a plasma state gas for semiconductor etching, the gas is decomposed into a hydrocarbon group and hydrogen in the plasma state to be ionized or chemically respectively. Is activated (radicalized). In the present specification, hereinafter, ionized or chemically activated (radicalized) hydrocarbon groups are referred to as hydrocarbon plasma, and similar hydrogen atoms are referred to as hydrogen plasma.
この炭化水素プラズマと水素プラズマが半導体に接触すると、半導体をエッチングする過程と半導体をエッチングすることなく半導体上に重合体(ポリマー)を形成して堆積する過程が起こる。一般に水素プラズマが十分にある場合にはエッチング過程が主となり、水素プラズマが不足するとポリマーが堆積する過程が主となる。同時に誘電体(SiO2など)マスク表面においては、炭化水素プラズマと水素プラズマが誘電体と反応しないことから重合物(ポリマー)となって堆積する。 When the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma come into contact with the semiconductor, a process of etching the semiconductor and a process of forming and depositing a polymer on the semiconductor without etching the semiconductor occur. In general, when there is sufficient hydrogen plasma, the etching process is the main process, and when hydrogen plasma is insufficient, the process of polymer deposition is the main process. At the same time, on the surface of the dielectric mask (such as SiO 2 ), the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma do not react with the dielectric, so that they are deposited as a polymer.
ここで、上述のドライエッチングをマスクのある試料に施した場合について説明する。図4(a)、(b)に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示し、図5(a)〜(c)に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す。 Here, a case where the above-described dry etching is performed on a sample having a mask will be described. FIGS. 4A and 4B show a phenomenon that occurs in a region without a mask when etching using methane plasma is performed, and FIGS. 5A to 5C show etching using methane plasma. This shows the phenomenon that occurs in the area surrounded by the mask when applied.
マスクのない領域ではメタンプラズマに対して水素プラズマは試料表面に均一に分布する(図4(a))。この均一に分布した水素プラズマの濃度が低い場合、エッチングするには水素が不足するので、試料表面にはポリマーが生成され、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない(図4(b))。この水素プラズマの不足によるポリマーの堆積は、マスクの開口部幅が広く、マスクから距離が十分にある領域においても起きる。 In the region without the mask, the hydrogen plasma is uniformly distributed on the sample surface with respect to the methane plasma (FIG. 4A). When the concentration of the uniformly distributed hydrogen plasma is low, there is insufficient hydrogen for etching, so a polymer is generated on the sample surface and the sample surface is covered, so that etching does not proceed (FIG. 4B). The polymer deposition due to the lack of hydrogen plasma also occurs in a region where the width of the opening of the mask is wide and the distance from the mask is sufficient.
一方、マスクで囲まれた領域、とくにマスクの開口部幅の狭い領域では、まず、メタンプラズマに対して水素プラズマは試料表面にマスクの上にも開口部の半導体表面にも均一に分布する(図5(a))。マスク上ではマスク材料(SiO2)はエッチングされないのでメタンプラズマはエッチングに寄与することなくポリマーが生成される。マスク上の水素プラズマは、メタンプラズマと反応することなくマスク上を拡散して開口部に凝集する。その結果、開口部での水素プラズマの濃度は増加する(5(b))。従って、開口部では水素プラズマの濃度がエッチングを生じさせるのに十分な濃度に達するのでエッチングが進行する。 On the other hand, in the region surrounded by the mask, particularly in the region where the opening width of the mask is narrow, first, hydrogen plasma is uniformly distributed on the sample surface on the mask as well as on the semiconductor surface of the opening (see FIG. FIG. 5 (a)). Since the mask material (SiO 2 ) is not etched on the mask, the methane plasma does not contribute to the etching and a polymer is generated. The hydrogen plasma on the mask diffuses on the mask without reacting with the methane plasma and aggregates in the opening. As a result, the concentration of hydrogen plasma at the opening increases (5 (b)). Therefore, the etching proceeds because the concentration of hydrogen plasma at the opening reaches a concentration sufficient to cause etching.
このようにマスクのない領域またはマスクの開口部幅の広い領域ではポリマーが生成してエッチングが進行せず、開口部幅の狭い領域ではエッチングが進行する。従って、1回のエッチング過程で深さの異なる形状を加工することができる。 Thus, in the region without the mask or the region where the opening width of the mask is wide, the polymer is generated and the etching does not proceed, and the etching proceeds in the region where the opening width is narrow. Therefore, shapes having different depths can be processed in one etching process.
しかしながら、マスクの面積が大き過ぎると、深さ変化を有する形状を選択エッチングにより加工する場合に大きな試料面積を要する。このことは1ウエハから製造できる素子数を減少させるので、素子の生産効率を低下させるので問題となる。 However, if the area of the mask is too large, a large sample area is required when a shape having a depth change is processed by selective etching. This is problematic because it reduces the number of elements that can be manufactured from one wafer, thus reducing the production efficiency of the elements.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、エッチング面積を変えずにマスク面積を小さくする、同一面内でエッチング深さが異なる形状を容易に加工することができる半導体素子の作製方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems. The object of the present invention is to easily process shapes having different etching depths in the same plane, reducing the mask area without changing the etching area. Another object is to provide a method for manufacturing a semiconductor element.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、炭化水素系プラズマと水素プラズマを開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された半導体表面に照射して、半導体表面を異なる複数の深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマに対して、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第1の状態か、前記半導体表面に一様にポリマーが生成される第2の状態かのどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定されたマスクを前記半導体表面に形成する第1の工程と、前記所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを、前記マスクを有する半導体表面に照射する第2の工程とを有し、前記マスクは前記開口部の縁から1μm以上10μm以下の幅を有することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体素子の作製方法において、前記第1の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ照射により除去する第3の工程をさらに有することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the first aspect, the third step of removing the polymer deposited on the semiconductor surface in the first step by plasma irradiation having oxygen. It further has these.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の半導体素子の作製方法において、前記水素プラズマが開口部内にマスク端から到達する距離を変化させ、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも1つの領域において発現する前記状態を、前記第1の状態および前記第2の状態のいずれかに変化させるように、前記水素プラズマの前記所定の流量を変化させる第4の工程をさらに有し、前記第4の工程の後に前記第2の工程をさらに行うことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second aspect, at least one of the regions having different opening widths is obtained by changing a distance that the hydrogen plasma reaches the opening from the mask end. A fourth step of changing the predetermined flow rate of the hydrogen plasma so as to change the state developed in one region to either the first state or the second state; The second step is further performed after the fourth step.
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体素子の作製方法において、前記マスクが、前記半導体表面上に形成された第1のパターンを有する第1のマスク部と、前記第1のマスク部上に形成され、前記第1のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第1のパターンの開口部幅を画定する第2のパターンを有する第2のマスク部とからなることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the mask includes a first mask portion having a first pattern formed on the semiconductor surface. And a second mask portion formed on the first mask portion and having a second pattern that is thicker than a mask thickness of the first mask portion and defines an opening width of the first pattern. It is characterized by comprising.
本発明は、エッチング面積を変えずにマスク面積を小さくする、同一面内でエッチング深さが異なる形状を容易にする効果を奏する。これにより、高速半導体光素子を提供することができる。これにより、1ウエハからより多くの高速半導体光素子を提供することができる。 The present invention has the effect of facilitating shapes having different etching depths within the same plane, which reduces the mask area without changing the etching area. Thereby, a high-speed semiconductor optical device can be provided. As a result, more high-speed semiconductor optical devices can be provided from one wafer.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図6に、マスク幅と開口部においてエッチングされる領域のマスク端からの距離との関係を検証するための実験に用いた試料のマスク形状(上面図)を示す。マスクはInP上に形成された。マスクの開口部幅1920を5μm一定として、マスク幅1921〜1924を10μm、5μm、2μm、0.5μmに変化させた。この試料に対して、メタンと水素の混合ガスを用いたRIEを、メタン流量40sccm、水素流量5sccm、放電電力が100W、ガス圧力が10Paの条件で施した。
FIG. 6 shows the mask shape (top view) of the sample used in the experiment for verifying the relationship between the mask width and the distance from the mask edge of the region to be etched in the opening. A mask was formed on InP. The
上記条件下でRIEを施した結果、開口部内のマスク近傍においてはInPがエッチングされ、マスクから一定程度離れた領域(開口部中央領域近傍)ではポリマーが生成されエッチングが進行しない。これはエッチングに寄与する水素プラズマが、マスク上から開口部に向かって拡散するためである。水素プラズマが拡散で到達できるマスク近傍ではエッチングを起こすのに十分な水素プラズマが供給される。一方、水素プラズマが到達しないマスクから一定程度離れた領域(開口部中央領域近傍)では水素が不足するのでポリマーが生成される。 As a result of performing RIE under the above conditions, InP is etched in the vicinity of the mask in the opening, and a polymer is generated in a region away from the mask (near the central region of the opening), and etching does not proceed. This is because hydrogen plasma that contributes to etching diffuses from above the mask toward the opening. In the vicinity of the mask where hydrogen plasma can reach by diffusion, hydrogen plasma sufficient to cause etching is supplied. On the other hand, in a region that is a certain distance away from the mask to which hydrogen plasma does not reach (near the central region of the opening), a polymer is generated because hydrogen is insufficient.
図7に、選択エッチングのマスク幅依存性を示す。縦軸は、開口部においてエッチングされる領域のマスク端からの距離をLとし、Lが飽和する値(Lの最大値)をLoとしたときのL/Loである。エッチングされる領域のマスク端からの距離は、マスク幅が0.5μmのときL/Loは0.4未満であるが、マスク幅が2μmのときL/Loはすでに1.0まで達している。このことから、エッチングされる領域のマスク端からの距離は、マスク幅が1μm以上でほぼ一定の値を示す。このことは、マスク上のマスク端から1μmまでの領域に存在する水素プラズマが開口部に拡散してエッチングに寄与することを示す。このとき、マスク上のマスク端から1μm以上の領域に存在する水素プラズマはエッチングに寄与することなくマスク上から脱離するものと考えられる。 FIG. 7 shows the mask width dependency of selective etching. The vertical axis represents L / Lo where L is the distance from the mask edge of the region to be etched in the opening, and Lo is the value at which L is saturated (the maximum value of L). The distance from the mask edge of the region to be etched is less than 0.4 when the mask width is 0.5 μm, but L / Lo has already reached 1.0 when the mask width is 2 μm. . For this reason, the distance from the mask edge of the region to be etched shows a substantially constant value when the mask width is 1 μm or more. This indicates that hydrogen plasma existing in a region from the mask edge to 1 μm on the mask diffuses into the opening and contributes to etching. At this time, hydrogen plasma existing in a region of 1 μm or more from the mask edge on the mask is considered to be detached from the mask without contributing to etching.
以上の結果より、本発明の選択エッチングにおいてはマスクの幅は1μm以上あればエッチング領域のマスク端からの距離を、すなわちエッチング面積を十分に得られることがわかる。また、半導体素子の高密度集積における素子間隔が10μm程度であることを考慮すると、マスク幅は1μm以上10μm以下で有効である。 From the above results, it can be seen that in the selective etching of the present invention, if the mask width is 1 μm or more, the distance from the mask edge of the etching region, that is, the etching area can be sufficiently obtained. Considering that the element interval in high-density integration of semiconductor elements is about 10 μm, the mask width is effective when the mask width is 1 μm or more and 10 μm or less.
(実施形態1)
図8に、本発明の実施形態1において作製される同一面内で層厚が変化する導波路層の断面図である。1800はn型InP、1801はInGaAsP(組成波長:1.2μm)導波路層、1802はInPクラッド層である。本実施形態の作製方法について以下に説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 8 is a cross-sectional view of a waveguide layer whose layer thickness varies in the same plane manufactured in
図9に、本発明の実施形態1において作製される同一面内で層厚が変化する導波路層を作製するために使用するマスクを示す。まず、n型InP基板1800上に積層したInGaAsP(組成波長:1.2μm)1801表面に開口部幅1900が変化するマスクを形成する。ここで開口部の幅は以下に示すように決定する。開口部外部のマスク幅1901は2μmで一定である。導波路長1902は500μmである。
FIG. 9 shows a mask used for producing a waveguide layer whose layer thickness varies in the same plane produced in
図10(a)〜(e)に、本発明の実施形態1において作製される同一面内で層厚が変化する導波路層の作製工程を示す。1800はn型InP、1801はInGaAsP(組成波長:1.2μm)導波路層である。表面に上述のSiO2マスクを形成する(図10(a))。この試料について、初めにメタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)をメタン流量40sccm、水素流量5sccm、放電電力が100W、ガス圧力が40Paで施すと、幅が1.8μmの第1の開口部においてエッチングが進行し、第2の開口部(幅:3.7μm)と第3の開口部(幅:7.5μm)の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない(図10(b))。図11(a)〜(d)に、図10(b)の上面図と開口部幅の異なる開口部毎の断面を示す。第2の開口部と第3の開口部においてほとんどの領域にポリマーが堆積するが、マスクとの境界部分付近ではエッチングが進行する。引き続き、酸素プラズマを酸素流量10sccm、ガス圧力10Pa、放電電力400Wで1分間照射すると、堆積したポリマーが除去される(図10(c))。
FIGS. 10A to 10E show a waveguide layer manufacturing process in which the layer thickness varies in the same plane manufactured in the first embodiment of the present invention.
次に、メタン流量、水素流量、放電電力を一定にして、ガス圧力を10Paで施すと、幅が3.7μm以下の第1、第2の開口部においてエッチングが進行し、第3の開口部(幅:7.5μm)の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない(図10(d))。引き続き、酸素プラズマを酸素流量10sccm、ガス圧力10Pa、放電電力400Wで1分間照射すると、堆積したポリマーが除去される。従って、幅が1.8μmの第1の開口部においては初めのRIEによるエッチングの後にさらに2度目のRIEによるエッチングが進行するので、第2の開口部の深さよりも深くなる。 Next, when the methane flow rate, the hydrogen flow rate, and the discharge power are made constant and the gas pressure is applied at 10 Pa, etching proceeds in the first and second openings having a width of 3.7 μm or less, and the third opening On the surface (width: 7.5 μm), a polymer is generated and unevenness is hardly generated (FIG. 10D). Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed. Therefore, in the first opening having a width of 1.8 μm, the etching by the second RIE further proceeds after the etching by the first RIE, so that it becomes deeper than the depth of the second opening.
次に、メタン流量、水素流量、放電電力を一定にして、ガス圧力を1.5Paで施すと、幅が7.5μm以下の第1、第2、第3の開口部においてエッチングが進行する(図10(e))。この結果、エッチング深さは第1、第2、第3の開口部の順に深くなる。さらに、エッチングされた表面の凹凸はほとんどない。 Next, when the methane flow rate, the hydrogen flow rate, and the discharge power are made constant and the gas pressure is applied at 1.5 Pa, etching proceeds in the first, second, and third openings having a width of 7.5 μm or less ( FIG. 10 (e)). As a result, the etching depth increases in the order of the first, second, and third openings. Furthermore, there are almost no irregularities on the etched surface.
その後、表面上に有機金属気相成長法(MOVPE)によりInP層を積層することにより同一面内で層厚が変化する導波路構造が作製される。 Thereafter, an InP layer is laminated on the surface by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), thereby producing a waveguide structure in which the layer thickness varies within the same plane.
以上のように、本実施形態1を用いれば、マスク幅を2μmに狭くして深さ変化を有する形状を選択エッチングにより加工できるので、試料面積を縮小できる。これにより、1ウエハから製造できる素子数を増やすことができ、素子の生産効率を向上させることができる。 As described above, by using the first embodiment, the mask width can be reduced to 2 μm and a shape having a depth change can be processed by selective etching, so that the sample area can be reduced. Thereby, the number of elements that can be manufactured from one wafer can be increased, and the production efficiency of the elements can be improved.
本実施形態1において、3つの開口部幅を用いた深さが3段階変化するエッチングについて説明したが、より多数の開口部幅を用いて、その開口部幅に応じたプラズマ条件下でメタン/水素RIEを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。 In the first embodiment, the etching in which the depth using the three opening widths is changed in three steps has been described. However, using a larger number of opening widths, the methane / By performing hydrogen RIE, it is possible to perform etching in which the depth changes in more stages.
(実施形態2)
図12(a)、(b)に、本発明の実施形態2に係る層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変換部に用いた半導体レーザ素子の立体図と断面図を示す。このレーザ素子は出射光部分にスポットサイズ変換部を有することを特徴とする。スポットサイズ変換部とは素子からの出射光の光ファイバに入射する効率(結合効率)を向上させるために発光ビーム径を広げるものである。このスポットサイズ変換部では導波層の厚みを徐々に薄くすることにより光分布をクラッド層に染み出させてスポットサイズを大きくする。
(Embodiment 2)
FIGS. 12A and 12B are a three-dimensional view and a cross-sectional view of a semiconductor laser device using a waveguide structure with a layer thickness varying according to the second embodiment of the present invention for a spot size conversion unit. This laser element is characterized by having a spot size conversion portion in the outgoing light portion. The spot size conversion unit is a device that widens the diameter of the emitted light beam in order to improve the efficiency (coupling efficiency) of the light emitted from the element to enter the optical fiber. In this spot size conversion section, the light distribution is oozed out into the cladding layer by gradually reducing the thickness of the waveguide layer, thereby increasing the spot size.
2800はn型InP基板、2801はn型InPバッファ層、2802は活性層、2803はスポットサイズ変換用InGaAsP(組成波長:1.2μm)ガイド層、2804はInGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層、2805はp型InP埋込み層、2806はn型InP埋込み層、2807はp型InPクラッド層、2808はp型InGaAs(組成波長:1.65μm)コンタクト層、2809はSiO2層、2810はn型オーミック電極、2811はp型オーミック電極である。
2800 is an n-type InP substrate, 2801 is an n-type InP buffer layer, 2802 is an active layer, 2803 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) guide layer for spot size conversion, and 2804 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide. 2805 is a p-type InP buried layer, 2806 is an n-type InP buried layer, 2807 is a p-type InP clad layer, 2808 is a p-type InGaAs (composition wavelength: 1.65 μm) contact layer, 2809 is an SiO 2 layer, and 2810 is An n-
活性層2802は、InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層、6層のInGaAsP歪量子井戸(歪量:0.8%)層と5層のInGaAsP(組成波長:1.1μm)障壁層の多重量子井戸層からなる活性層(発光波長:1.3μm)、InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層からなる。
The
このレーザ構造におけるスポットサイズ変換部の作製方法を説明する。活性層2802に隣接するスポットサイズ変換用InGaAsP(組成波長:1.2μm)ガイド層2803の表面に実施形態1と同様に開口部幅の異なる複数の開口部を有するSiO2マスクを形成する。このマスクは、活性層2802との境界側の開口部幅が広く出射端側の開口部幅が狭い形状を有する。同時に活性層表面は全面マスクで覆われている。
A method for manufacturing the spot size conversion portion in this laser structure will be described. Similar to the first embodiment, an SiO 2 mask having a plurality of openings with different opening widths is formed on the surface of the spot size conversion InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm)
この試料について実施形態1で示すドライエッチングを施すと、エッチング深さは活性層の境界側で浅く出射端側で深くなる。次に、InPクラッド層を積層した後に、メサ形成用ストライプマスクを形成してメサ構造に加工することによりスポットサイズ変換部が形成される。この構造について、pn構造埋め込み層の成長、クラッド層とコンタクト層の成長後に、電極形成することにより本実施形態2の半導体レーザ素子の構造が作製される。
When dry etching shown in
このように、本発明を用いれば、簡易に層厚が変化する導波路層(スポットサイズ変換部)を作製することができる。作製された素子は導波路層(スポットサイズ変換部)での光損失が低減され、室温におけるしきい値電流が6.7mA、効率が0.42W/Aである良好な特性を示す。 As described above, by using the present invention, a waveguide layer (spot size conversion section) whose layer thickness can be easily changed can be manufactured. The fabricated device exhibits good characteristics such that the optical loss in the waveguide layer (spot size conversion portion) is reduced, the threshold current at room temperature is 6.7 mA, and the efficiency is 0.42 W / A.
本実施形態2のスポットサイズ変換部付き半導体レーザ素子は、マスク幅を2μmに狭くして導波層厚が変化するスポットサイズ変換部を選択エッチングにより加工できるので、試料面積を縮小できる。これにより、1ウエハから製造できるスポットサイズ変換部付き半導体レーザ素子の数を増やすことができ、素子の生産効率を向上させることができる。 In the semiconductor laser device with a spot size conversion unit of the second embodiment, the sample area can be reduced because the spot size conversion unit in which the mask width is narrowed to 2 μm and the waveguide layer thickness changes can be processed by selective etching. As a result, the number of semiconductor laser elements with spot size converters that can be manufactured from one wafer can be increased, and the production efficiency of the elements can be improved.
(実施形態3)
図13に、本発明の実施形態3に係る回折格子を作製するためのマスクを示す。マスクの開口部幅(回折格子部分)2010は実施形態1と同様に設定する。回折格子外部2011の幅は1μmで一定である。このマスクを用いて実施形態1と同様にガス圧力を変化させながらエッチングを施すことにより、深さが変化する回折格子が作製できる。
(Embodiment 3)
FIG. 13 shows a mask for producing a diffraction grating according to
図14に、本発明の実施形態3に係る回折格子の作製工程を示す。図13に示すマスク上からメタンと水素の混合ガスを用いたRIEをメタン流量40sccm、酸素流量5sccm、ガス圧力が40Pa、放電電力が100Wで施す(図14(a))。すると、幅が1.8μmの開口部2001においては、ポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が1.8μmより広い開口部2002、2003においては、ポリマーが堆積してエッチングが進行しない(図14(b))。引き続き、酸素プラズマを酸素流量10sccm、ガス圧力10Pa、放電電力400Wで1分間照射すると、堆積したポリマーが除去される(図14(c))。
FIG. 14 shows a manufacturing process of the diffraction grating according to the third embodiment of the present invention. RIE using a mixed gas of methane and hydrogen is performed on the mask shown in FIG. 13 at a methane flow rate of 40 sccm, an oxygen flow rate of 5 sccm, a gas pressure of 40 Pa, and a discharge power of 100 W (FIG. 14A). Then, in the
次に、ガス圧力を変化させた条件(ガス圧力が10Pa)でRIEを施すと、幅が3.7μm以下の開口部2001、2002においては、ポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が7.5μmの開口部2003においては、ポリマー2041が堆積してエッチングが進行しない(図14(d))。従って、幅が1.8μm以下の開口部2001においては初めのRIEによるエッチングの後にさらに2度目のRIEによるエッチングが進行するので、その深さは第2の開口部2002の深さよりも深くなる。
Next, when RIE is performed under the condition where the gas pressure is changed (gas pressure is 10 Pa), the etching proceeds without depositing polymer in the
引き続き酸素プラズマを照射によるポリマーの除去の後に、圧力を変化させてRIE、酸素プラズマ照射を交互に繰り返すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる(図14(e))。このとき、その後、マスク除去、メサ構造加工後に、この回折格子上に有機金属気相成長法(MOVPE)により積層することにより図15に示す素子構造が作製される。 Subsequently, after removing the polymer by irradiating with oxygen plasma, by changing the pressure and alternately repeating RIE and oxygen plasma irradiation, diffraction gratings having different depths can be formed (FIG. 14E). At this time, after removing the mask and processing the mesa structure, the element structure shown in FIG. 15 is manufactured by stacking on the diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).
図15に、本発明の実施形態3に係る回折格子を用いたDBR半導体レーザの構造を示す。本実施形態3の方法により作製された深さの異なる回折格子を有する試料表面のSiO2マスク除去後、この回折格子上に有機金属気相成長法(MOVPE)により積層することにより、図15に示す深さの変化する回折格子を用いたDBR半導体レーザ構造が作製される。
FIG. 15 shows the structure of a DBR semiconductor laser using a diffraction grating according to
150はn型InP基板、151はn型InPバッファ層、152は回折格子、153はInGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層、154は8層のInGaAsP歪量子井戸(歪量:1.0%)層と5層のInGaAsP(組成波長:1.3μm)障壁層の多重量子井戸層からなる活性層(発光波長:1.55μm、活性層長:400μm)、155はDBR回折格子領域InGaAsP(組成波長:1.4μm)ガイド層(回折格子長は活性層の前後それぞれ400μm)、158はInGaAsP(組成波長:1.3μm)ガイド層、157はp型InPクラッド層、158はp型InGaAs(組成波長:1.85μm)コンタクト層、1591はn型オーミック電極、1592はp型オーミック電極である。 150 is an n-type InP substrate, 151 is an n-type InP buffer layer, 152 is a diffraction grating, 153 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer, 154 is an eight-layer InGaAsP strained quantum well (strain: 1.0) %) And 5 layers of InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) active layer consisting of multiple quantum well layers of barrier layers (emission wavelength: 1.55 μm, active layer length: 400 μm), 155 is a DBR diffraction grating region InGaAsP ( (Composition wavelength: 1.4 μm) guide layer (diffraction grating length is 400 μm before and after the active layer), 158 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) guide layer, 157 is a p-type InP cladding layer, and 158 is a p-type InGaAs ( Composition wavelength: 1.85 μm) A contact layer, 1591 is an n-type ohmic electrode, and 1592 is a p-type ohmic electrode.
素子の発振波長は1.55μmであり、素子の長さは1500μmである。回折格子152のピッチ(周期)は240nm(凸部:120nm、凹部:120nm)であり、深さは素子両端面で浅くなっており5nm、素子中央部で深くなっており30nmである。
The oscillation wavelength of the element is 1.55 μm, and the length of the element is 1500 μm. The pitch (period) of the
図16(a)、(b)に、図15に示すレーザにおいて実施形態3に係る回折格子により得られる反射特性を示す。図16(a)は、この実施形態3に係る回折格子における回折格子の一端からの距離と結合係数Κとの関係を示す。回折格子の深さが素子両端部で5nm、中央部で30nmとなるように変化させることにより、結合係数Κは素子両端部で5cm-1、中央部で80cm-1と変化する。
FIGS. 16A and 16B show reflection characteristics obtained by the diffraction grating according to the third embodiment in the laser shown in FIG. FIG. 16A shows the relationship between the distance from one end of the diffraction grating and the coupling coefficient Κ in the diffraction grating according to the third embodiment. 5nm in depth element end portions of the diffraction grating, by varying such that the 30nm at the center, the
図16(b)のαにこの回折格子を用いた場合の反射スペクトルを示す。比較のため、図16(b)のβに結合係数が80nm-1一定の回折格子を用いた場合の反射スペクトルを示す。回折格子の深さ、すなわち、結合係数を変化させることにより反射スペクトルのサイドモードが抑制されることがわかる。このことは、この回折格子を用いたDBRレーザを動作させたときの発振スペクトルにおけるサイドモードが抑制されることを示唆する。 The reflection spectrum when this diffraction grating is used is shown by α in FIG. For comparison, a reflection spectrum in the case of using a diffraction grating having a constant coupling coefficient of 80 nm −1 is represented by β in FIG. It can be seen that the side mode of the reflection spectrum is suppressed by changing the depth of the diffraction grating, that is, the coupling coefficient. This suggests that the side mode in the oscillation spectrum when the DBR laser using this diffraction grating is operated is suppressed.
このように、本実施形態3を用いれば、簡易に深さ(結合係数)が変化する回折格子の作製することができる。 As described above, by using the third embodiment, it is possible to easily manufacture a diffraction grating whose depth (coupling coefficient) changes.
さらに、本実施形態3によれば、マスク幅を1μmにして選択エッチングにより深さが変化する回折格子を加工できるので試料面積を縮小できる。これにより、1ウエハから製造できる素子数を増やすことができ、素子の生産効率を向上させることができる。 Furthermore, according to the third embodiment, since the diffraction grating whose depth is changed by selective etching with a mask width of 1 μm can be processed, the sample area can be reduced. Thereby, the number of elements that can be manufactured from one wafer can be increased, and the production efficiency of the elements can be improved.
本実施形態3において、3つの開口部幅を用いた深さが3段階変化するエッチングについて説明したが、より多数の開口部幅を用いて、その開口部幅に応じたプラズマ条件下でメタン/水素RIEを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。 In the third embodiment, the etching using three opening widths in which the depth is changed in three stages has been described. However, using a larger number of opening widths, methane / By performing hydrogen RIE, it is possible to perform etching in which the depth changes in more stages.
(実施形態4)
実施形態4として面内で深さが変化する回折格子の作製方法を示す。本実施形態4では格子状マスクの厚さと開口部の長手方向の開口部幅を決める開口部幅調整マスクの厚さとが異なることを特徴とする。
(Embodiment 4)
As a fourth embodiment, a method of manufacturing a diffraction grating whose depth changes in the plane will be described. The fourth embodiment is characterized in that the thickness of the lattice mask is different from the thickness of the opening width adjustment mask that determines the opening width in the longitudinal direction of the opening.
図17に、図13のマスク上のエッチング種の動きを示す。実施形態3で使用したマスクを用いて回折格子を作製する場合、図17に示すように開口部幅調整マスク82上に飛来したエッチング種84だけでなく、格子状マスク81上に飛来したエッチング種83もエッチングに影響を与える。そのため、回折格子のエッチング形状の制御が困難になる。
FIG. 17 shows the movement of the etching species on the mask of FIG. When the diffraction grating is manufactured using the mask used in the third embodiment, not only the
次に本実施形態4に係る格子状マスクの厚さと開口部の長手方向の開口部幅を決めるマスクの厚さの異なるマスクを半導体表面上に形成してドライエッチングを行った場合について説明する。図18(a)、(b)に、膜厚の薄いマスクを用いる場合と膜厚の厚いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示す。 Next, a case will be described in which dry etching is performed by forming on the semiconductor surface a mask having a different mask thickness that determines the thickness of the lattice mask according to the fourth embodiment and the opening width in the longitudinal direction of the opening. FIGS. 18A and 18B show the behavior of etching species when a thin film mask is used and when a thick film mask is used.
膜厚の薄いマスク1011を用いた場合(図18(a))には、エッチング種1012は半導体表面からマスク端を越えてマスク上に拡散できるので半導体表面上のエッチング種密度は高くならない。従って、半導体1010のエッチング速度は増加しない。
When the
一方、膜厚の厚いマスク1021を用いる場合(図18(b))には、エッチング種1012はマスク端が障壁となりマスク端を越え難くなるため、より多くのエッチング種1012が開口部に閉じ込められて半導体表面上におけるエッチング種密度は増加する。従って、マスクがより厚くなると、半導体1010のエッチング速度が増加する。
On the other hand, when the
そこで、開口部幅調整マスク82の厚さを格子状マスク81の厚さに比べて厚くすれば、マスク厚の厚い開口部幅調整マスク82上からのエッチング種の寄与が大きく、マスク厚の薄い格子状マスク81上からのエッチング種の寄与を小さくできる。従って、開口部幅の広い領域では、マスク上で反応しないエッチング種が多量に開口部に拡散することにより開口部でのエッチング種は高濃度になり、エッチング速度が増加する。一方、マスク幅の狭い領域ではマスク上で反応せずに開口部に拡散するエッチング種はマスク幅の広い領域に比べて少量となり、エッチング速度は遅くなる。従って、マスク幅の広い領域ではエッチング深さは深く、マスク幅の狭い領域では浅くなる。
Therefore, if the thickness of the opening
図19に、本実施形態4において試料表面に形成するSiNX/SiO2マスクを示す。SiNXで形成される格子状マスク1910の厚さが20nm、回折格子の長さ1912が500μm、格子幅1913が変化しており素子中央部から素子両端に向かって1.8、3.7、7.5μmである。また、ピッチ(周期)1914は240nm(SiO2部:120nm、窓部:120nm)である。一方、SiO2で形成される開口部幅調整マスク1911の厚さが1μm、マスクの幅1915、1916、1917はそれぞれ5、3、2μmである。
FIG. 19 shows a SiN x / SiO 2 mask formed on the sample surface in the fourth embodiment. The thickness of the lattice-shaped
図20(a)〜(d)に、本実施形態4における回折格子形成に用いる面内で厚さの異なるマスクの作製工程を示す。初めに、InP基板1310上のInPクラッド層1311の表面に30nm厚の酸化シリコン(SiO2)膜を形成する。SiO2膜上にレジストを塗布した後に電子ビーム露光法により回折格子作製マスク用のレジストパターンを作製する。レジストパターンをマスクとしてフッ化炭素系(CF4、C2F6など)を用いた反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching, RIE)によってSiO2膜を加工することにより、レジストパターンをSiO2膜に転写する。レジストパターンを除去することにより、InP上に回折格子部分作製用のSiO2マスク1311が形成される(図20(a))。
20A to 20D show a process for manufacturing masks having different thicknesses in the plane used for forming the diffraction grating in the fourth embodiment. First, a 30 nm thick silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the surface of the InP clad
次に、上述の回折格子部分SiO2マスクを有するInP表面上に1μm厚の窒化シリコン(SiNX)膜1321を形成する(図20(b))。SiNX膜上にレジストを塗布した後に開口部幅調整マスク用のレジストパターン1331を作製する(図20(c))。このレジストパターンは電子ビーム露光だけでなく通常のフォトリソグラフィによるレジスト露光により形成できる。レジストパターン1331をマスクとしてフッ化硫黄系ガス(SF6など)を用いたRIEによってSiNX膜を加工することにより、レジストパターンをSiNX膜1341に転写する(図20(d))。このとき、回折格子部分SiO2マスクはフッ化硫黄系ガス(SF6など)に耐性を有するのでエッチングされずに残る。この結果、レジストパターン1331を除去することにより、InP上に格子状部分と開口部幅調整部分で厚さの異なるマスクが形成される(図20(d))。
Next, a 1 μm-thick silicon nitride (SiN x )
図21(a)〜(e)に、本実施形態4に係る作製方法における回折格子の作製工程を示す。InP200表面に上述のマスクを形成する(図21(a))。ここで開口部2001、2002、2003の幅はそれぞれ1.8、3.7、7.5μmとする。以下に説明する一連のエッチング過程において、マスク厚の厚い開口部幅調整マスク上からのメタン・水素プラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄い格子状マスク上からのメタン・水素プラズマの寄与は小さい。
21A to 21E show a diffraction grating manufacturing process in the manufacturing method according to the fourth embodiment. The above-described mask is formed on the surface of InP200 (FIG. 21A). Here, the widths of the
初めにメタンと水素の混合ガスを用いたRIEをメタン流量40sccm、水素流量2sccm、放電電力が100W、ガス圧力が40Paで施すと、幅が1.8μmの開口部2001においては、マスク上から水素の供給が十分あるのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が1.8μmより広い開口部2002、2003においては、マスク上から水素の供給が不足するので、ポリマー2021が堆積してエッチングが進行しない(図21(b))。
First, when RIE using a mixed gas of methane and hydrogen is performed at a methane flow rate of 40 sccm, a hydrogen flow rate of 2 sccm, a discharge power of 100 W, and a gas pressure of 40 Pa, in the
次いで、酸素プラズマを酸素流量10sccm、ガス圧力10Pa、放電電力400Wで1分間照射すると、堆積したポリマーが除去される(図21(c))。次に、水素流量を増加させた条件(メタン流量40sccm、水素流量5ccm、ガス圧力が10Pa、放電電力が100W)でRIEを施すと、幅が3.7μm以下の開口部2001、2002においては、水素の供給が増加するのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。
Next, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed (FIG. 21C). Next, when RIE is performed under the conditions in which the hydrogen flow rate is increased (
一方、幅が7.5μmの開口部2003においては、マスク上から水素の供給が不足するので、ポリマー2041が堆積してエッチングが進行しない(図21(d))。従って、幅が1.8μmの開口部2001においては初めのRIEによるエッチングの後にさらに2度目のRIEによるエッチングが進行するので、その深さは幅が開口部2002の深さよりも深くなる。引き続き、酸素プラズマの照射によるポリマーの除去と、その後の圧力を変化させたRIE、酸素プラズマ照射とを交互に繰り返すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる(図21(e))。その後、マスクを除去してメサ構造加工を行い、その後、この回折格子上に有機金属気相成長法(MOVPE)により積層することにより図18に示す素子構造が作製される。
On the other hand, in the
以上のように、本実施形態4を用いれば、簡易に深さ(結合係数)が変化する回折格子の作製することができる。 As described above, by using the fourth embodiment, it is possible to easily manufacture a diffraction grating whose depth (coupling coefficient) changes.
さらに、本実施形態4によれば、マスク幅に5、3、2μmを用いた選択エッチングにより深さが変化する回折格子を加工できるので試料面積を縮小できる。これにより、1ウエハから製造できる素子数を増やすことができ、素子の生産効率を向上させることができる。 Furthermore, according to the fourth embodiment, a diffraction grating whose depth is changed by selective etching using a mask width of 5, 3, 2 μm can be processed, so that the sample area can be reduced. Thereby, the number of elements that can be manufactured from one wafer can be increased, and the production efficiency of the elements can be improved.
本実施形態4において、3つの開口部幅を用いた深さが3段階に変化するエッチングについて説明したが、より多数の開口部幅を用いて、その開口部幅に応じたプラズマ条件下でメタン/水素RIEを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。このように作製された回折格子は実施形態3と同様の特性を有する。 In the fourth embodiment, the etching in which the depth using three opening widths changes in three stages has been described, but methane is used under a plasma condition corresponding to the opening width using a larger number of opening widths. / By performing hydrogen RIE, it is possible to perform etching in which the depth changes in more stages. The diffraction grating produced in this way has the same characteristics as in the third embodiment.
本発明において、回折格子の開口部の両端部にはマスク上で反応に寄与しなかった水素プラズマが流入する。この流入した水素プラズマ分だけメタンが反応してエッチングが進行する。従って、ポリマーが堆積する開口部においても両端の一部分のみでエッチングが進行する。このように、開口部全域において深さが均一にならないという問題が生じる場合がある。しかしながら、実際のデバイスにおいてはメサ構造が採用されるため、開口部の両端部はメサ形成時に切り落とされるので、実際のデバイス作製上における問題とはならない。 In the present invention, hydrogen plasma that did not contribute to the reaction on the mask flows into both ends of the opening of the diffraction grating. Etching proceeds with the reaction of methane by the amount of hydrogen plasma that has flowed in. Therefore, the etching proceeds only at a part of both ends in the opening where the polymer is deposited. Thus, there may be a problem that the depth is not uniform over the entire opening. However, since a mesa structure is adopted in an actual device, both ends of the opening are cut off when the mesa is formed, and this does not cause a problem in actual device fabrication.
実施形態1、3ではマスクにおける開口部の外部のマスク幅を一定としたが、開口部に拡散する酸素プラズマがマスク上を拡散する距離が無視できる程度の長さ(幅)であればよく、マスク幅が1μm以上10μm以下であれば実施形態4のようにマスク幅は一定である必要はない。例えば、図22に示すような形状でもよい。
In
本発明では、回折格子の深さを5−30nmに設定したが、この深さに限られることはなく素子内で回折格子の深さが一定でなく変化していれば同様の効果が得られる。この際、回折格子の深さが素子長方向に対称である必要もない。この深さに対応して変化する結合係数も5−80cm-1に設定したが、この値に限られることはない。 In the present invention, the depth of the diffraction grating is set to 5 to 30 nm. However, the depth is not limited to this depth, and the same effect can be obtained if the depth of the diffraction grating is not constant and varies within the element. . At this time, the depth of the diffraction grating does not need to be symmetrical in the element length direction. The coupling coefficient that changes in accordance with this depth is also set to 5-80 cm −1 , but is not limited to this value.
また、本発明では素子用半導体結晶として化合物半導体InP結晶を用いたが、GaAs、SiGeなどの化合物半導体結晶やInGaAsP、AlGaInAs、InGaN、GaInNAs、AlGaSbなどの混晶結晶を用いても可能である。また、本発明による回折格子を用いた装置が対応するレーザ光の波長として1.55μmを用いたが、InGaAsP結晶の組成などの構造、回折格子のピッチ(周期)を変えることにより波長が1.0μmから1.7μmまでの長波長帯にも対応でき、活性層に他の材料(InGaAlN、AlGaInP、AlGaSbなど)を用いることにより波長が1.0μm未満の短波長帯や1.7μm以上の長波長帯にも対応できる。また、活性層における多重量子井戸構造には、8層、5nm厚のInGaAsP歪量子井戸層(歪量:1.0%)、5層、10nm厚のInGaAsP障壁層(組成波長:1.1μm)を用いたが、歪量、層数、層厚、結晶組成などの構造因子は変化させてもかまわない。 In the present invention, a compound semiconductor InP crystal is used as the element semiconductor crystal. However, a compound semiconductor crystal such as GaAs or SiGe or a mixed crystal such as InGaAsP, AlGaInAs, InGaN, GaInNAs, or AlGaSb can also be used. In addition, although 1.55 μm is used as the wavelength of the laser beam to which the apparatus using the diffraction grating according to the present invention corresponds, the wavelength is set to 1. by changing the structure such as the composition of the InGaAsP crystal and the pitch (period) of the diffraction grating. It can handle long wavelength bands from 0 μm to 1.7 μm. By using other materials (InGaAlN, AlGaInP, AlGaSb, etc.) for the active layer, the wavelength is shorter than 1.0 μm or longer than 1.7 μm. It can also handle wavelength bands. The multi-quantum well structure in the active layer includes an 8 layer, 5 nm thick InGaAsP strained quantum well layer (strain amount: 1.0%), a 5 layer, 10 nm thick InGaAsP barrier layer (composition wavelength: 1.1 μm). However, the structural factors such as the amount of strain, the number of layers, the layer thickness, and the crystal composition may be changed.
また、本発明では、回折格子等の半導体の加工のためのドライエッチングにおいて、エッチングガスとしてメタンを用いたが、エタン等の他の炭化水素系ガスを用いても構わない。また、エッチングガスとして混合ガスを用いる際の希釈ガスには酸素ガスだけではなく酸素ガスと共に水素、窒素やアルゴンを用いても構わない。 In the present invention, methane is used as an etching gas in dry etching for processing a semiconductor such as a diffraction grating, but other hydrocarbon gases such as ethane may be used. In addition, as a dilution gas when using a mixed gas as an etching gas, hydrogen, nitrogen, or argon may be used together with oxygen gas as well as oxygen gas.
また、ポリマーを除去するために酸素プラズマを照射したが、酸素を含むプラズマでもよい。例えば、酸素と窒素、アルゴン等不活性ガスとの混合ガス、酸素と水素の混合ガス等でもよい。 Further, although oxygen plasma is irradiated to remove the polymer, plasma containing oxygen may be used. For example, a mixed gas of oxygen and an inert gas such as nitrogen or argon, a mixed gas of oxygen and hydrogen, or the like may be used.
また、ドライエッチング法にRIBE、RIE法を用いたが、イオンビームアシストエッチングなどを用いても加工できる。レジストパターン作製には電子ビーム露光法以外にも干渉露光法を用いることができる。エッチングの際に半導体表面に形成するマスクには酸化シリコン(SiO2)を用いたが、窒化シリコン、酸化チタンなどの誘電体や、金やチタンなどの金属を用いることもできる。 Further, although RIBE and RIE methods are used for the dry etching method, processing can also be performed using ion beam assist etching or the like. In addition to the electron beam exposure method, an interference exposure method can be used for producing the resist pattern. Although silicon oxide (SiO 2 ) is used as a mask formed on the semiconductor surface during etching, a dielectric such as silicon nitride or titanium oxide, or a metal such as gold or titanium can also be used.
81、82 マスク
83、84 エッチング種
150 n型InP基板
151 n型InPバッファ層
152 回折格子
153 InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層
154 活性層(発光波長:1.55μm、活性層長:400μm)
155 DBR回折格子領域InGaAsP(組成波長:1.4μm)ガイド層
158 InGaAsP(組成波長:1.3μm)ガイド層
157 p型InPクラッド層
158 p型InGaAs(組成波長:1.85μm)コンタクト層
1591 n型オーミック電極
1592 p型オーミック電極
411、511 半導体
412、512 エッチング種
1010 半導体
1011、1021 マスク
1012 エッチング種
1110 試料
513、1120 マスク
1310 InP基板
1311 InPクラッド層
1321、1341 窒化シリコン(SiNX)膜
1331 レジストパターン
1800、2800 n型InP基板
1801 InGaAsP(組成波長:1.2μm)導波路層
1802 InPクラッド層
1900、1913、1920、2010 開口部幅
1901、1915〜1917、1921〜1924、2011 マスク幅
1902、1925 導波路長
1911 マスク
1912 回折格子の長さ
1914 ピッチ
2001、2002、2003 開口部
2801 n型InPバッファ層
2802 活性層
2803 スポットサイズ変換用InGaAsP(組成波長:1.2μm)ガイド層
2804 InGaAsP(組成波長:1.1μm)ガイド層
2805 p型InP埋込み層
2806 n型InP埋込み層
2807 p型InPクラッド層
2808 p型InGaAs(組成波長:1.65μm)コンタクト層
2809 SiO2層
2810 n型オーミック電極
2811 p型オーミック電極
81, 82
153 InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm)
155 DBR diffraction grating region InGaAsP (composition wavelength: 1.4 μm)
Claims (4)
所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマに対して、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第1の状態か、前記半導体表面に一様にポリマーが生成される第2の状態かのどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定されたマスクを前記半導体表面に形成する第1の工程と、
前記所定の流量の前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを、前記マスクを有する半導体表面に照射する第2の工程と
を有し、前記マスクは前記開口部の縁から1μm以上10μm以下の幅を有することを特徴とする半導体素子の作製方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising irradiating a hydrocarbon surface and a hydrogen plasma on a semiconductor surface on which a mask having an opening having a variable opening width is formed, and etching the semiconductor surface to a plurality of different depths,
With respect to the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma at a predetermined flow rate, the polymer is uniformly applied to the semiconductor surface in the first state where the etching of the semiconductor surface proceeds for each region having a different opening width. A first step of forming on the semiconductor surface a mask in which the opening width is set so that only one of the generated second states is manifested;
A second step of irradiating the surface of the semiconductor having the mask with the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma at the predetermined flow rates, and the mask has a width of 1 μm or more and 10 μm or less from an edge of the opening. A method for manufacturing a semiconductor element, comprising:
前記第4の工程の後に前記第2の工程をさらに行うことを特徴とする請求項2に記載の半導体素子の作製方法。 The state in which the hydrogen plasma reaches the inside of the opening from the edge of the mask is changed, and the state that appears in at least one of the regions having different opening widths is any of the first state and the second state. A fourth step of changing the predetermined flow rate of the hydrogen plasma so as to change
The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 2, wherein the second step is further performed after the fourth step.
前記半導体表面上に形成された第1のパターンを有する第1のマスク部と、
前記第1のマスク部上に形成され、前記第1のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第1のパターンの開口部幅を画定する第2のパターンを有する第2のマスク部と
からなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体素子の作製方法。 The mask is
A first mask portion having a first pattern formed on the semiconductor surface;
And a second mask portion formed on the first mask portion and having a second pattern that is thicker than a mask thickness of the first mask portion and defines an opening width of the first pattern. 4. The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein
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