JP2012129422A - 半導体素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体の構成原子の脱離による欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化を生じさせずに、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。
【解決手段】開口部幅の異なる複数の開口部を有するマスクを半導体層１８０１の表面上に形成し、開口部幅が同じ開口部毎に、前記マスク端での酸素プラズマ濃度が所定の濃度となるようにプラズマ条件（拡散距離または圧力）とマスク形状（開口部幅）を設定してエッチング（メタン／酸素プラズマ照射）を行い、同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工する。
【選択図】図８

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

特開２００４−２４７７１０号公報

通常、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には、プラズマ状態の炭化水素系のガスと共にプラズマ状態の水素ガスを供給することにより、水素とＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体におけるＶ族原子（ＩｎＰにおけるＰ、ＧａＡｓにおけるＡｓなど）との反応を促進してエッチングを進行させることができる。ここで、水素ガスの供給を絞れば、炭化水素基を基にポリマーが生成されエッチングの進行を止めることができる。

また、上述の選択的なドライエッチングにおいては、水素プラズマの供給量によってエッチングされる領域とポリマーが生成する領域を制御できる。例えば、水素プラズマの供給量を増加させれば水素プラズマが開口部に拡散する領域が拡大するのでエッチング領域が拡大する。

しかしながら、過剰の水素プラズマが半導体と反応すると、半導体表面でのＶ族原子（ＩｎＰにおけるＰ、ＧａＡｓにおけるＡｓなど）の脱離が過剰に生じて、欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化が生じる。

このような欠陥が再結合中心として振る舞うと素子特性を劣化させるので問題となる。また、表面モフォロジーの劣化は半導体表面上に凹凸部を生じさせるので、半導体に積層した導波路層に光を導波させると、光がその凹凸部により散乱するので問題となる。

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、半導体の構成原子の脱離による欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化を生じさせずに、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。

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酸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酸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酸素プラズマを、前記マスクを有する半導体表面に照射する第２の工程とを有することを特徴とする。

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。

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、前記酸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、前記酸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。

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。

本発明は、半導体の構成原子の脱離による欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化を生じさせずに、同一面内でエッチング深さが異なる形状の加工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。

（ａ）〜（ｆ）は、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図である。 （ａ）〜（ｃ）は、基本的なエッチング過程を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、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図である。 （ａ）、（ｂ）は、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す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、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図である。 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。 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図である。 （ａ）〜（ｅ）は、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図である。 （ａ）は図８（ｂ）の上面図であり、（ｂ）〜（ｄ）は図８（ｂ）の開口部幅の異なる開口部毎の断面を示す。 （ａ）は本発明の実施形態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であり、（ｂ）はその断面図を示す図である。 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図である。 （ａ）〜（ｅ）は、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である。 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図である。 （ａ）は実施形態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との関係を示す図であり、（ｂ）実施形態３に係る回折格子を用いた場合と結合係数が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図である。 図１１のマスク上のエッチング種の挙動を示す図である。 （ａ）は膜厚の薄いマスクを用いる場合のエッチング種の挙動を示す図であり、（ｂ）は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図である。 実施形態４において試料表面に形成するＳｉＮ_X／ＳｉＯ₂マスクを示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、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図である。 （ａ）〜（ｅ）は、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図である。 本発明に用いることができるマスク形状を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明においては、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エッチングを進行させるために、水素の代わりに酸素を供給することを特徴とする。酸素は水素のように半導体の構成原子（上述のＰやＡｓなど）の脱離を生じさせることはないので欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化は生じない。従って、半導体の構成原子の脱離に起因する素子特性の劣化、それによる導波光の散乱などの問題は生じない。

反応について詳細を以下に説明する。
従来の水素プラズマを供給する場合は
ＣＨ₄＋Ｈ₂＋ＩｎＰ→Ｉｎ有機化合物＋Ｐ水素化物
の反応に基づきエッチングが生じ、水素が不足すると余剰の炭化水素基を基にポリマーが生成されエッチングは止まる。選択エッチングにおいては、マスクのないＩｎＰ表面では水素が不足してポリマーが生じてエッチングが進行せず、マスクの開口部のＩｎＰ表面ではマスク上の水素プラズマが開口部に拡散することにより、開口部の水素プラズマが増加してエッチングが生じる。

水素プラズマの代わりに酸素プラズマを供給する場合には
ＣＨ₄＋Ｏ₂＋ＩｎＰ→Ｉｎ有機化合物＋Ｐ水素化物＋酸化炭素（ＣＯ、ＣＯ₂など）
の反応に基づき、マスクを有さない広いＩｎＰ表面に対する通常のエッチングにおいては、十分な量の酸素があれば余剰の炭化水素基は酸素と化合して炭化酸素になるのでポリマーは生成されず、一方、ＣＨ₄のプラズマ分解から少量の水素プラズマが生じるが、広い面積のＩｎＰ表面をエッチングするには水素プラズマ密度が不足するので、エッチングはほとんど生じない。

これに対し、選択エッチングにおいては、マスクのない広いＩｎＰ表面ではＯ₂が不足して酸化炭素（ＣＯ、ＣＯ₂など）が生成されず炭化水素基が過剰に残留するためポリマーが生じる。一方、マスクの開口部のＩｎＰ表面ではプラズマ照射によりチャージアップしたマスクに酸素プラズマ（主にイオン）が引き寄せられ、この酸素プラズマが開口部に拡散して炭化水素基と反応して酸化炭素（ＣＯ₂など）が生成される。そこで、酸素プラズマと反応して酸化炭素が生成される分炭化水素基が減少するので、開口部ではポリマーの生成が抑制される。さらに、ＣＨ₄のプラズマ分解から生じた少量の水素プラズマが開口部に拡散することにより、狭い開口部での水素プラズマ密度が増加するので、開口部ではＩｎＰのエッチングが生じる。

ここで酸素流量を増加すると、マスクのない広いＩｎＰ表面では余剰の炭化水素基は酸素と化合して炭化酸素になるのでポリマーは生成されなくなる。一方、開口部の狭いＩｎＰ表面では、酸素流量を増加する前と同様に、ポリマーの生成が抑制され、プラズマ分解から生じた少量の水素プラズマによりＩｎＰのエッチングが生じる。

さらに酸素流量を増加すると、マスクのない広いＩｎＰ表面では余剰の炭化水素基は酸素と化合して炭化酸素になるのでやはりポリマーは生成されない。一方、開口部の狭いＩｎＰ表面では、ポリマーの生成は抑制されるが、プラズマ分解から生じた少量の水素プラズマも酸素プラズマと反応して消費されるのでエッチングが生じない場合もあり得る。

（実施形態１）
図６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。

図７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４０μｍで一定である。導波路長１９０２は５００μｍである。

図８（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８（ａ））。この試料について、初めにメタンと酸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、酸素流量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８（ｂ））。図９（ａ）〜（ｄ）に、図８（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８（ｃ））。

次に、メタン流量、放電電力、ガス圧力を一定にして、酸素流量を１０ｓｃｃｍ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８（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。

次に、メタン流量、放電電力、ガス圧力を一定にして、酸素流量を２０ｓｃｃｍ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８（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。

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。

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／酸素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。

（実施形態２）
図１０（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（実施形態３）
図１１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の幅は一定である。このマスクを用いて実施形態１と同様に酸素流量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。

図１２（ａ）〜（ｅ）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１１に示すマスク上からメタンと酸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１２（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１２（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１２（ｃ））。

次に、酸素流量を変化させた条件（酸素流量が１０ｓｃｃｍ）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１２（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。

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１２（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１３に示す素子構造が作製される。

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／酸素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。

図１３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１３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。

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。

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。

図１４（ａ）、（ｂ）に、図１３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１４（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。

図１４（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１４（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。

このように、本実施形態を用いれば、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。作製された素子は回折格子における表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、設計通りにサイドモードが抑制された特性を示す。

（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。

図１５に、図１１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１５に示すように開口部幅調整マスク８２上に飛来した酸素８４だけでなく、格子状マスク８１上に飛来した酸素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。

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１６（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酸素プラズマの挙動を示す。

膜厚の薄いマスク１０１１を用いた場合（図１６（ａ））には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量が小さいので、マスクに誘引される酸素プラズマ１０１２は少ない。従って、酸素プラズマと炭化水素基の反応により生成される酸化炭素は少なく、炭化水素基は減少しないのでポリマーの生成は抑制されない。

一方、膜厚の厚いマスク１０２１を用いる場合（図１６（ｂ））には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量が膜厚の厚い分増加するので、マスクに誘引される酸素プラズマも増加する。その結果、酸素プラズマと炭化水素基が反応して酸化炭素が生成され炭化水素基が減少するので、ポリマーの生成は抑制される。従って、炭化水素基から分解された少量の水素プラズマによってエッチングが生じる。

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上からの酸素の寄与が大きく、マスク厚の薄い格子状マスク８１上からの酸素の寄与を小さくできる。従って、開口部幅の狭い領域では、膜厚の薄い格子状マスク８１から開口部への酸素プラズマの供給はほとんど無いが、膜厚の厚いマスク開口部幅調整８２上から拡散して開口部へ供給される酸素プラズマは、開口部中央まで到達してポリマーの生成の抑制に寄与するので、開口部中央付近を含めた開口部全体でエッチング速度が速くなる。

一方、開口部幅の広い領域では、膜厚の薄い格子状マスク８１から開口部への酸素プラズマの供給はほとんど無く、膜厚の厚い開口部幅調整マスク８２上から拡散して開口部へ供給される酸素プラズマも開口部中央まで到達しないので、開口部中央付近ではエッチング速度は遅くなる。すなわち、エッチング深さに関しては、開口部幅調整マスク８２が支配的である。

このようなことから、このようなマスクを用いれば、膜厚の薄い格子状マスク８１から開口部への酸素プラズマの供給の影響を抑制して、開口部中央付近でのエッチング深さを開口部幅の狭い領域では深く、開口部幅の広い領域では浅くすることができる。

図１７に、本実施形態４において試料表面に形成するＳｉＮ_X／ＳｉＯ₂マスクを示す。ＳｉＮ_X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、幅１９１５は２０μｍで一定である。

図１８（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、Ｃ₂Ｆ₈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１８（ａ））。

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（ＳｉＮ_X）膜１３２１を形成する（図１８（ｂ））。ＳｉＮ_X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１８（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（ＳＦ₈など）を用いたＲＩＥによってＳｉＮ_X膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＮ_X膜１３４１に転写する（図１８（ｄ））。このとき、回折格子部分ＳｉＯ₂マスクはフッ化硫黄系ガス（ＳＦ₈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１８（ｄ））。

図１９（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１９（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・酸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・酸素プラズマの寄与は小さい。

初めにメタンと酸素の混合ガスを用いたＲＩＥをメタン流量４０ｓｃｃｍ、酸素流量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、マスク上から酸素の供給が十分あるのでポリマーの堆積が抑制されて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、マスク上から酸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１９（ｂ））。

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１９（ｃ））。次に、酸素流量を増加させた条件（メタン流量４０ｓｃｃｍ、酸素流量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、酸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。

一方、幅が７．５μｍの開口部２００３においては、マスク上から酸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１９（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１９（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１３に示す素子構造が作製される。

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／酸素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。

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。作製された素子は回折格子における表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、設計通りにサイドモードが抑制された特性を示す。

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酸素プラズマが流入する。この流入した酸素プラズマ分だけポリマーの生成が抑制され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。

本発明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）であればマスク幅は一定である必要はない。例えば、図２０に示すような形状でもよい。

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＳｉＮ_X）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、２０１０ 開口部幅
１９０１、１９１５、２０１１ マスク幅
１９０２ 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

Claims (4)

1. 炭化水素系プラズマと酸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酸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酸素プラズマを、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
   を有することを特徴とする半導体素子の作製方法。
2. 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請求項１に記載の半導体素子の作製方法。
3. 前記酸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、前記酸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請求項２に記載の半導体素子の作製方法。
4. 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。

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