JP2012186406A - 半導体素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同一ウエハ面内で素子ごとにエッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく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】開口部幅の異なる領域毎に、半導体表面のエッチングが進行する第１の状態か、半導体表面にポリマーが生成される第２の状態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開口部１９０１を有する第一のマスク１９００を半導体表面に形成すると共に、第一のマスクの周辺に第一のマスクの開口部に供給される水素プラズマ濃度を制御するための第二のマスクを形成する第１の工程と、メタンプラズマおよび水素プラズマを第一のマスク１９００および第二のマスクが形成された半導体表面に照射する第２の工程を有するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子の作製方法に関し、より詳細には、同一ウエハ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。

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の一例を図１５（ａ）〜（ｆ）に示す。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には、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１５（ａ））後にエッチングする(図１５（ｂ）)。次に、１回目のエッチング用のマスクを除去した（図１５（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１１３０で覆い（図１５（ｄ））、さらにエッチングし（図１５（ｅ））、マスクを除去する（図１５（ｆ））というプロセスを繰り返さなくてはならない。

半導体光素子の作製において、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）。

基本的なエッチング過程を図１６（ａ）〜（ｃ）に示す。図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、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。

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図１７（ａ）〜（ｃ）に示す。図１７（ａ）〜（ｃ）に示すように、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５１３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５１１の表面に到達する。この結果、マスク５１３近傍の半導体５１１の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ともない半導体のエッチングが増加する。したがって、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。

とくに、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には、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。なお、本明細書では、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１８（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１９（ａ）、（ｂ）、（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６２１に対して水素プラズマ６２２は試料（ＩｎＰ）６１０の表面に均一に分布する（図１８（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６３１が生成し、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない（図１８（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、マスクからの距離が十分にある領域においても起きる。

一方、マスクがあって当該マスクで囲まれた領域、特にマスクの開口部幅が狭い領域では、まず、メタンプラズマ７２１に対して水素プラズマ７２２は試料（ＩｎＰ）７１０の表面に形成されたマスク７１１の上に、またマスク７１１のマスク開口部７１１ａの試料７１０の表面にも均一に分布する（図１９（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７２１はエッチングに寄与することなくポリマー７３１を生成する。マスク上の水素プラズマ７２２はメタンプラズマ７２１と反応することなくマスク上を拡散してマスク開口部７１１ａに凝集する。その結果、マスク開口部７１１ａでの水素プラズマ７２２の濃度は増加する（図１９（ｂ））。したがって、マスク開口部７１１ａでは水素プラズマ７２２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（図１９（ｃ））。

このようにマスクのない領域またはマスクの開口部幅が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、マスクの開口部幅の狭い領域ではエッチングが進行する。したがって、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

上述の選択エッチングにより加工される深さ形状は、同一ウエハ面内ではプラズマ条件（ガス流量、圧力、パワーなど）が同じなので、マスク形状が素子ごとに同一であればウエハ面内で深さ形状も素子ごとに同一になる。ウエハ面内で素子ごとに（マスクごとに）異なる深さで加工するには、マスクごとに異なる開口部幅を設定しなくてはならない。ここで開口部幅はマスクから開口部への水素プラズマの拡散距離を考慮して決める必要がある。

しかしながら、水素プラズマの拡散距離はプラズマ条件の僅かな変動に影響されるので開口部幅により加工する深さを同一ウエハ面内で変化させるのは簡単ではない。また、プラズマ条件の僅かな変動により加工される形状が設計値からずれるので、作製マージンが低下することも問題になる。

以上のことから、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、同一ウエハ面内で素子ごとにエッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく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を目的としている。

前述した課題を解決する本発明に係る半導体素子の作製方法は、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、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、前記半導体表面にポリマーが生成される第２の状態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開口部を有する第一のマスクを前記半導体表面に形成すると共に、前記第一のマスクの周辺に前記第一のマスクの前記開口部に供給される水素プラズマ濃度を制御するための第二のマスクを形成する第１の工程と、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第一のマスクおよび前記第二のマスクが形成された前記半導体表面に照射する第２の工程を有することを特徴とする。

また、前述した課題を解決する本発明に係る半導体素子の作製方法は、上述した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の工程を有することを特徴とする。

また、前述した課題を解決する本発明に係る半導体素子の作製方法は、上述した半導体素子の作製方法において、前記第３の工程に引き続き、前記第２の工程における、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、プラズマ条件を変化させる第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。

本発明に係る半導体素子の作製方法によれば、同一ウエハ面内で素子ごとにエッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく加工することができる。これにより、高速半導体光素子を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により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。 本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により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第一のマスクを示す図である。 本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一ウエハ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第二のマスクの説明図であって、図３（ａ）にその一例を示し、図３（ｂ）にその他例を示し、図３（ｃ）に第二のマスクが無い状態を示す。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一ウエハ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。 本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法の説明図であって、図５（ａ）に図４（ｂ）の上面を示し、図５（ｂ）に図５（ａ）のｂ−ｂ断面を示し、図５（ｃ）に図５（ａ）のｃ−ｃ断面を示し、図５（ｄ）に図５（ａ）のｄ−ｄ断面を示す。 本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製された半導体素子の説明図であって、図６（ａ）に図３（ａ）に示す第一および第二のマスクを用いた場合を示し、図６（ｂ）に図３（ｂ）に示す第一および第二のマスクを用いた場合を示し、図６（ｃ）に図３（ｃ）に示す第一のマスクを用いた場合を示す。 本発明の第２の実施例に係る層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変化部に用いた半導体レーザ素子を示した図であって、図７（ａ）にその斜視を示し、図７（ｂ）に図７（ａ）におけるｂ−ｂ断面を示す。 本発明の第３の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一面内で層厚が変化する回折格子を作製するために使用する第一のマスクを示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第３の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一ウエハ面内で層厚が変化する回折格子の作製工程を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製された半導体素子の説明図であって、図１０（ａ）に図３（ａ）に示す第二のマスクを用いた場合を示し、図１０（ｂ）に図３（ｂ）に示す第二のマスクを用いた場合を示し、図１０（ｃ）に第一のマスクを用いた場合を示す。 本発明の第３の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製され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）は本発明の第３の実施例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）は本発明の第３の実施例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。 （ａ）は図３（ａ）〜（ｃ）に示すマスクパターンを用いて作製された各素子の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、結合係数と反射特性の関係を示す図であり、（ｂ）は各素子の反射特性を示す図である。 本発明に係る半導体素子の作製方法で用いるマスクの他例を示す図である。 （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。

本発明に係る半導体素子の作製方法を実施するための形態について、各実施例にて具体的に説明する。

本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法について、図１〜図６を参照して具体的に説明する。

図１は本実施例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。半導体素子は、図１に示すように、ｎ型ＩｎＰ１８００と、ｎ型ＩｎＰ１８００上に設けられたＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層１８０１と、この導波路層１８０１上に設けられたＩｎＰクラッド層１８０２とを有する。

本実施例に係る半導体素子の作製方法について以下に説明する。
まず、図２に示すように、ｎ型ＩｎＰ１８００上に積層したＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層１８０１の表面にマスク開口部１９０１の開口部幅１９０５が変化するマスク１９００を形成する。マスク１９００の材料は、通常のドライエッチングに用いるＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、ＴｉＯ₂などでよい。マスク開口部１９０１は、第一の開口部１９０２と、この開口部１９０２よりも幅広の第二の開口部１９０３と、この開口部１９０３よりも幅広の第三の開口部１９０４とで構成される。ここで、マスク開口部１９０１の開口部幅１９０５は、第一の開口部１９０２の幅が１．８μｍ、第二の開口部１９０３の幅が３．７μｍ、第三の開口部１９０４の幅が７．５μｍである。マスク開口部外部のマスク幅１９０６は４０μｍで一定である。導波路長１９０７は６００μｍである。

ウエハの表面において、上述のマスク１９００の周辺における所定の領域に第二のマスク（周辺マスク）を配する。具体的には、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、上述の第一のマスク１９００の周辺における（第一のマスク１９００の輪郭に沿う）１００μｍの幅１９１１の領域に、第二のマスク１９０５を複数配する。なお、本実施例では、周辺マスク１９１０の材料は、上述のマスク１９００と同様、通常のドライエッチングに用いるＳｉＯ₂としている。各周辺マスク１９１０は１辺が２０μｍの正方形である。図３（ａ）においては、隣接する第二のマスク１９１０間の間隔ｄ１が５μｍである。また、第一のマスク１９００と第二のマスク１９１０の間隔も５μｍとしている。図３（ｂ）においては、隣接する第二のマスク１９１０間の間隔ｄ２が４０μｍである。また、第一のマスク１９００と第二のマスク１９１０の間隔も４０μｍとしている。参考のため、図３（ｃ）にウエハの表面において、上述の第一のマスク１９００の周辺に上述の第二のマスク１９１０を配さない場合を示す。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように第二のマスク１９１０を配した試料表面（ウエハ表面）に炭化水素系プラズマと水素プラズマを照射した場合、炭化水素系プラズマはマスク上で互いが反応してポリマーを形成するが、第二のマスク１９１０上に飛来した水素プラズマはマスクと反応せずＩｎＰ表面上に拡散するので、その分余剰の水素プラズマが第一のマスク１９００周辺に存在する。一方、図３（ｃ）に示すように第二のマスク１９１０を配さない試料表面に炭化水素系プラズマと水素プラズマを照射した場合、周辺に飛来した水素プラズマはＩｎＰと反応するので、第一のマスク１９００周辺に存在する水素プラズマは図３（ａ）および図３（ｂ）の場合よりも少ない。図３（ａ）に示す第二のマスク１９１０を配した場合と図３（ｂ）に示す第二のマスク１９１０を配した場合を比較すると、図３（ａ）の方が図３（ｂ）よりも高密度で第二のマスク１９１０が配されているので第一のマスク１９００周辺に存在する水素プラズマが多い。さらに、第一のマスク１９００の周辺のＩｎＰ表面をマスクで完全に覆ってしまえば（図示せず）、図３（ａ）の場合に比べて第一のマスク１９００周辺に存在する水素プラズマが多くなる。このように、第二のマスク１９１０を配することによって第一のマスク１９００周辺に存在する水素プラズマの量（濃度）を制御できる。

したがって、素子ごとに（マスクごとに）第二のマスク１９１０の配置を変化させることによって選択エッチングに寄与する水素プラズマの量（濃度）を容易に変化させることができる。よって、同一ウエハ面内で素子ごとに（マスクごとに）異なる深さ形状に加工することができる。

図４（ａ）〜（ｅ）に本実施例において作製される同一ウエハ面内で素子ごとに層厚が変化する導波路層の作製工程を示す。ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層１８０１はｎ型ＩｎＰ１８００上に設けられ、図４（ａ）の左右方向にて同一の層厚で形成されている。

図４（ａ）に示すように、導波路層１８０１表面に上述のＳｉＯ₂マスク１９００を形成する。ここで、図中には示さないが、マスク１９００の周辺には、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すような第二のマスク１９１０が素子ごと（マスクごと）に配される。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、水素流量５ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、ガス圧力が１０Ｐａで施すと、図４（ｂ）に示すように、幅が１．８μｍの第一の開口部においてエッチングが進行し、第二の開口部（幅：３．７μｍ）と第三の開口部（幅：７．５μｍ）の表面はポリマー１８１１が生成され凹凸はほとんど生じない。図５（ａ）に図４（ｂ）の上面を示し、図５（ｂ）に図５（ａ）のｂ−ｂ断面を示し、図５（ｃ）に図５（ａ）のｃ−ｃ断面を示し、図５（ｄ）に図５（ａ）のｄ−ｄ断面を示す。第二の開口部１９０３と第三の開口部１９０４においてほとんどの領域にポリマー１８１１が堆積するが、マスク１９００との境界部分付近部分でのみ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、図４（ｃ）に示すように、堆積したポリマーが除去される。

次に、メタン流量、ガス圧力、放電電力を一定にして、水素流量を１０ｓｃｃｍにして施すと、図４（ｄ）に示すように、幅が３．７μｍ以下の第一、第二の開口部においてエッチングが進行し、第三の開口部（幅：７．５μｍ）の表面はポリマー１８１２が生成され凹凸はほとんど生じない。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。したがって、幅が１．５μｍの第一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、第二の開口部の深さよりも深くなる。

次に、メタン流量、ガス圧力、放電電力を一定にして、水素流量を２０ｓｃｃｍにして施すと、図４（ｅ）に示すように、幅が７．５μｍ以下の第一、第二、第三の開口部においてエッチングが進行する。この結果、エッチング深さは第一、第二、第三の開口部の順に深くなる。

上述のエッチング過程において、図３（ａ）に示すように第二のマスク１９１０が配された素子におけるエッチング深さが最も深くなり、次に図３（ｂ）に示すように第二のマスク１９１０が配された素子におけるエッチング深さが深く、図３（ｃ）に示すように第二のマスクが配されず、第一のマスク１９００のみが配された素子におけるエッチング深さが最も浅い。このように、第二のマスクを配することにより、同一ウエハ面内で素子毎に異なるエッチング深さに加工することができる。

その後、マスクを除去し、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ウエハ面内で素子ごとに層厚が変化する導波路構造が作製される。図３（ａ）に示すように第一のマスク１９００と第二のマスク１９１０が配された場合には、図６（ａ）に示すように、素子における導波路構造１８２１が得られる。図３（ｂ）に示すように第一のマスク１９００と第二のマスク１９１０が配された場合には、図６（ｂ）に示すように、素子における導波路構造１８２２が得られる。図３（ｃ）に示すように第二のマスクを配せず第一のマスク１９００のみ配した場合には、図６（ｃ）に示すように、素子における導波路構造１８２０が得られる。

本実施例において、３つの開口部幅を有すマスク開口部が形成されマスクを用いて深さが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有すマスク開口部が形成されたマスクを用いて、その開口部幅に応じたプラズマ条件下でメタン／水素の混合ガスを用いた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。

本発明に係る第２の実施例に係る半導体素子の作製方法について、図７を参照して具体的に説明する。
図７（ａ）に、本実施例に係る層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変化部に用いた半導体レーザ素子の構造の断面を示し、図７（ｂ）に図７（ａ）におけるｂ−ｂ断面を示す。

本実施例に係る半導体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。

本実施例に係る半導体レーザ素子は、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２８００、ｎ型ＩｎＰバッファ層２８０１、活性層２８０２、スポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層２８０３、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層２８０４、ｐ型ＩｎＰ埋込み層２８０５、ｎ型ＩｎＰ埋込み層２８０６、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層２８０８、ＳｉＯ₂層２８０９、ｎ型オーミック電極２８１０、ｐ型オーミック電極２８１１を備える。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の表面に第１の実施例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、活性層との境界側のマスク幅が広く出射端側のマスク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。

この試料について第１の実施例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、マスクを除去し、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例に係る半導体レーザ素子の構造が作製される。

このように、本実施例に係る半導体素子の作製方法によれば、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。

上述したように、本実施例に係る半導体素子の作製方法によれば、同一ウエハ面内で素子毎に層厚が異なる導波路構造を有するスポットサイズ変換部付き半導体レーザ素子を作製することができる。したがって、同一ウエハ面内で出力光のファーフィールドパターンが異なる素子を作製することができる。また、このことは、特定のファーフィールドパターン特性を有する素子を作製する場合その作製マージンを向上できることを示す。

本発明の第３の実施例に係る半導体素子の作製方法について、図８〜図１３を参照して説明する。
図８に、本実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一ウエハ面内で素子ごとに層厚が変化する回折格子を作製するために使用する第一のマスクを示す。

図８に示すように、第一のマスク３９００の開口部幅（回折格子部分）３９０５の幅は、第１の実施例と同様に設定する。すなわち、本実施例では、第一のマスク３９００には、複数の第一の開口部３９０２と、第一の開口部３９０２よりも幅広の第二の開口部３９０３と、第二の開口部３９０３よりも幅広の第三の開口部３９０４とが形成されている。回折格子外部のマスク幅３９０６は一定である。このマスクを用いて第１の実施例と同様に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。

図９（ａ）〜図９（ｅ）に、本実施例に係る回折格子の作製工程を示す。
図９（ａ）に示すように、試料３８０１の表面に上述の第一のマスク３９００を形成する。ここで、図中には示さないが、第一のマスク３９００の周辺には、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すような第二のマスク１９１０が素子ごと（マスクごと）に配される。この試料について、初めに、第一のマスク３９００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、水素流量５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施すと、図９（ｂ）に示すように、幅が１．８μｍの第一の開口部３９０２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より広い第二の開口部３９０３（開口部幅：３．７μｍ）および第三の開口部３９０４（開口部幅：７．５μｍ）においては、ポリマー３８１１が堆積してエッチングが進行しない。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、図９（ｃ）に示すように、堆積したポリマーが除去される。

次に、水素流量を変化させた条件（水素流量：１０ｓｃｃｍ）でＲＩＥを施すと、図９（ｄ）に示すように、幅が３．７μｍ以下の第一の開口部３９０２および第二の開口部３９０３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の第三の開口部３９０４においては、ポリマー３８１２が堆積してエッチングが進行しない。したがって、幅が１．８μｍ以下の第一の開口部３９０２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、その深さは第二の開口部３９０３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りポリマーを除去した後に、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、図９（e）に示すように、深さの異なる回折格子を形成することができる。その後、マスクを除去して、メサ構造加工を行い、次に、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１１に示す素子構造が作製される。

上述のエッチング過程において、図３（ａ）に示す第二のマスク１９１０が配された素子におけるエッチング深さが最も深くなり、次に図３（ｂ）に示す第二のマスク１９１０が配された素子におけるエッチング深さが深く、図３（ｃ）に示すように第二のマスクが配されなかった素子におけるエッチング深さが最も浅くなる。このように、上述の第一のマスク３９００と第二のマスク１９１０を配することにより、同一ウエハ面内で素子毎に異なるエッチング深さ形状に加工することができる。上述の第一のマスク３９００にて５種類の開口部幅とし、このような形状の第一のマスクの周辺に図３（ａ）に示すように第二のマスク１９１０を配した場合には、図１０（ａ）に示すような回折格子３８２２が得られる。上述の第一のマスク３９００にて５種類の開口部幅とし、このような形状の第一のマスクの周辺に図３（ｂ）に示すように第二のマスク１９１０を配した場合には、図１０（ｂ）に示すような回折格子３８２２が得られる。上述の第一のマスク３９００にて５種類の開口部幅とし、このような形状の第一のマスクの周辺に図３（ｃ）に示すように第二のマスクを配しない場合には、図１０（ｃ）に示すような回折格子３８２０が得られる。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素子構造が作製される。

図１１に、本発明の第３の実施例に係る回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの構造を示す。本実施例に係る半導体素子の作製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マスクを除去した後、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１１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。

本実施例に係る回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザは、図１１に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１５０、ｎ型ＩｎＰバッファ層１５１、回折格子１５２、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層１５３、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）１５４、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）１５５、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層１５６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５７、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層１５８、ｎ型オーミック電極１５９１、ｐ型オーミック電極１５９２を備える。

素子の発振波長は１．５５μｍである。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３０ｎｍ、素子中央部で深くなっており６５ｎｍである。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）に、図１１に示すＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子により得られる反射特性を示す。図１２（ａ）は、この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る。回折格子の深さが素子両端部で３０ｎｍ、中央部で６５ｎｍとなるように変化させることにより、図１２（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で５０ｃｍ^-1、中央部で１００ｃｍ^-1と変化する。

図１２（ｂ）のＬ１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１２（ｂ）のＬ２に結合係数が１００ｎｍ^-1一定の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半導体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、本実施例を用いれば、簡易に深さ（結合係数）が変化する回折格子を作製することができる。

図１３（ａ）に、図３（ａ）、（ｂ）に示す第二のマスクを用いて作製された各素子における回折格子により得られる結合係数と反射特性を、それぞれ曲線ａ、ｂで示す。また、図１３（ａ）にて、第二のマスクを配せずに第一のマスクのみを用いて作製された素子における回折格子により得られる結合係数と反射特性を曲線ｃで示す。図３（ａ）に示す第二のマスク１９１０を用いた場合、回折格子の深さが素子両端部で４５ｎｍ、中央部で９０ｎｍとなるように変化させることにより、図１３（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で７０ｃｍ^-1、中央部で１５０ｃｍ^-1と変化する。図３（ｂ）に示す第二のマスク１９１０を用いた場合、回折格子の深さが素子両端部で３０ｎｍ、中央部で６５ｎｍとなるように変化させることにより、図１３（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で４０ｃｍ^-1、中央部で１００ｃｍ^-1と変化する。また、第二のマスクを配せずに第一のマスクのみを用いた場合、回折格子の深さが素子両端部で２０ｎｍ、中央部で３５ｎｍとなるように変化させることにより、図１３（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で３０ｃｍ^-1、中央部で５０ｃｍ^-1と変化する。

図１３（ｂ）に、図１３（ａ）に用いた上記の回折格子それぞれの反射スペクトルを曲線ａ，ｂ，ｃに示す。図１３（ｂ）に示すように、曲線ａでは、反射率が高く（反射率；１）、ストップバンドが広くなる。曲線ｂでは反射率が高いが（反射率；１）、ストップバンドが曲線ａに比べて狭くなる。曲線ｃでは反射率が低下してストップバンドが曲線ａ，ｂと比べて狭くなる。このことは、本実施例に係る半導体素子の作製方法によれば、素子毎に発振スペクトルにおける可変波長範囲が異なるＤＢＲ半導体レーザを１回のプロセスにより作製できることを示唆する。

また、上述の結果は複数のパターンのマスクを配することにより作製マージンが増加することを示唆する。本発明によるエッチング方法においては「エッチングされるか、ポリマーが生成されるか」が水素の供給量の敏感であるため、水素の供給量等の条件が不安定になると歩留り、再現性が低下するので問題となる。例えば、本発明によらず第二のマスクを配さない場合（パターンｃの場合）、当初設計された形状に加工するようにエッチングを施したとしても、エッチング条件がずれる（変化する）と設計した形状が得られない。一方、上述のように複数の第二のマスクを配すれば、例えば水素供給量が減少する方向に条件がずれた場合にはパターンａまたはｂにおいて水素供給量が補填されるので設計された回折格子が得られる。

さらに、パターンｂの第二のマスクを用いて設計された形状を加工すれば、エッチング条件がずれた場合、例えば水素供給量が減少する方向に条件がずれた場合にはパターンａにおいて水素供給量が補填されるので設計された回折格子が得られる。逆に水素供給量が増加する方向に条件がずれた場合にはパターンｃにおいて水素供給量が減少されるので設計された回折格子が得られる。このように、本発明によれば、複数のパターンの第二のマスクを配することにより作製マージンを向上できる。

本実施例において、第一のマスク周辺に３種類の第二のマスクのパターンを配したが、より多くの種類のパターンの第二のマスクを配すればより多くの異なる可変波長範囲が得られ、作製マージンも増加する。

本実施例では第二のマスクに正方形を用いたが他の形状でもよく、また、他の大きさでも、間隔でもよい。

本実施例において、回折格子の開口部の両端部には第一の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。したがって、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、開口部全域の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。

本実施例では第一の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、開口部に拡散する水素プラズマが第一の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１４に示すような形状の第一のマスク４９００でもよい。第一のマスク４９００は、マスク開口部４９０１の開口部幅４９０５が導波路長４９０７に対し変化し、第一の開口部４９０２と、この開口部４９０２よりも幅広の第二の開口部４９０３と、この開口部４９０３よりも幅広の第三の開口部４９０４とを有する。第一のマスク４９００におけるマスク開口部外部のマスク幅４９０６は導波路長４９０７に対し変化している。

本実施例では、回折格子の深さを５ｎｍ−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５ｃｍ^-1−８０ｃｍ^-1に設定したが、この値に限られることはない。

また、本実施例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、本実施例では、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水素ガスだけではなく水素ガスと共に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第二の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。

本発明に係る半導体素子の作製方法は、同一ウエハ面内で素子ごとにエッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく加工することができ、これにより、高速半導体光素子を提供することができるため、通信産業等を始めとする各種産業において、極めて有益に利用することができる。

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
１５６ 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
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
１８１１，１８１２ ポリマー
１９００，３９００ 第一のマスク
１９０２，１９０３，１９０４ 開口部
１９０５，３９０５ 開口部幅
１９０６，３９０６ マスク幅
１９０７ 導波路長
１９１０ 第二のマスク（周辺マスク）
１９１１ 領域
３９０２，３９０３，３９０４ 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：１．２μｍ）ガイド層
２８０５ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
２８０６ ｎ型ＩｎＰ埋め込み層
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
３８１１，３８１２ ポリマー
４９００ 第一のマスク
４９０２，４９０３，４９０４ 開口部
４９０６ マスク幅
４９０７ 導波路長

Claims (3)

1. 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、
   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、前記半導体表面にポリマーが生成される第２の状態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開口部を有する第一のマスクを前記半導体表面に形成すると共に、前記第一のマスクの周辺に前記第一のマスクの前記開口部に供給される水素プラズマ濃度を制御するための第二のマスクを形成する第１の工程と、
   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第一のマスクおよび前記第二のマスクが形成された前記半導体表面に照射する第２の工程を有する
   ことを特徴とする半導体素子の作製方法。
2. 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の工程を有する
   ことを特徴とする半導体素子の作製方法。
3. 請求項２に記載の半導体素子の作製方法において
   前記第３の工程に引き続き、前記第２の工程における、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、プラズマ条件を変化させる第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
   ことを特徴とする半導体素子の作製方法。

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