JP4007609B2 - 半導体素子の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の作成方法に関し、より詳細には、超高速波長多重光通信に必要な半導体素子の作製方法に関する。

将来の通信情報量の増大に対して、光周波数（波長）多重通信システムにおける高性能・高機能デバイスの研究開発が盛んである。このような高性能・高機能デバイスを実現するにあたり、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（非特許文献１及び非特許文献２参照）。特に、複数の構造を集積化する場合（種々の構造のパターンを形成する場合など）、通常、複数回数のエッチングプロセスが必要となる（非特許文献２参照）。

図１（ａ）〜（ｆ）は、異なる深さのエッチングを施すエッチングプロセスの従来方法を説明するための工程図で、図１（ａ）はマスク（誘電体など）を形成した試料、図１（ｂ）は１回目のエッチング工程、図１（ｃ）はマスク除去工程、図１（ｄ）は２回目のエッチング用のマスク形成工程、図１（ｅ）は２回目のエッチング工程、図１（ｆ）はマスク除去後の各プロセス段階での試料を各々示す図である。

図１において、試料（例えば、ＩｎＰ結晶）１１００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））、さらにエッチングする（図１（ｅ），（ｆ））というプロセスを繰り返さなくてはならない。すなわち、所望の数の異なる深さのエッチングを施す場合は、その所望の数だけ上述のエッチングプロセスを行わなければならない。

一方、（波長）多重通信システムにおいては、高速で波長制御可能な素子が不可欠となる。回折格子を有する素子は波長選択性に優れており、上述の素子をはじめ、種々の素子への適用が成されている。また、半導体を用いた素子は、小型化、低価格化が期待できるので注目されており、回折格子を有する半導体素子を用いた種々のデバイスが開発されている。このような素子として代表的な従来の素子構成を図２に示す。

図２は、回折格子を有する分布反射型（ＤＢＲ）半導体レーザの素子長方向の断面図である。
図２において、符号２１０はｎ型ＩｎＰ基板、２１１はｎ型ＩｎＰバッファ層、２１２は回折格子、２１３はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、２１４は６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１．０％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）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）、２１５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）、２１６はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層、２１７はｐ型ＩｎＰクラッド層、２１８はｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層、２１９１はｎ型オーミック電極、２１９２はｐ型オーミック電極を示している。図２に示すような従来の半導体素子の構成においては半導体素子内の回折格子２１２の深さが一定であり、すなわち、結合定数が一定である。

この深さが一定である（すなわち、結合定数が一定である）回折格子の反射特性は、図３に示すように多波長（モード）でピークを有する（非特許文献３参照）。したがって、当該回折格子を、分布帰還型（ＤＦＢ）、ＤＢＲ半導体レーザに用いた場合、これら半導体レーザから出射される光スペクトルは、中心波長３２１の両脇に数個のピーク（サイドモード）３２２を有する。このことは、半導体レーザを動作させる際に、動作モード（動作波長）を不安定にする場合があり、問題となる。

Low-Loss, Compact, and Polarization Independent PHASAR Demultiplexer Fabricated by Using a Double-Etch Process", IEEE Photonics Technol. Lett. Vol.14, No.1(2002) pp.62-64. 半導体フォトニクス工学、池上徹彦他著、コロナ社、１９９５年１月１０日発行 ｐ．２１８ 半導体フォトニクス工学、池上徹彦他著、コロナ社、１９９５年１月１０日発行 ｐ．３０７

半導体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、例えば図１に示すように、複数回のマスク形成工程とエッチング工程とが必須となるため、時間やコスト面での浪費につながるという問題があった。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。

以上から明らかなように、（波長）多重通信システムにおいては、高速で波長制御可能であり高品位出力が行える半導体素子が必要であり、まだ改善しなければならない課題が残されている。特に、このような半導体素子を実現するにあたり、効率良く、また複雑な構造を形成可能な半導体素子の作製方法が望まれている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高品位な（波長）多重通信システムに必要な半導体素子に対して、複雑な構造を形成可能な半導体素子の作製方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、所与の回路パターンである第１のパターンを有する第１のマスク部と、前記第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第1のパターンの開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のパターンを有する第２のマスク部とを有するマスクを形成するマスク形成工程と、前記第１のマスク部と前記第２のマスク部とを有するマスクが形成された半導体基板に対して、前記エッチング種を供給することによりエッチングを行うエッチング工程とを有し、前記第２のパターンは、前記第１のパターンの開口部近傍における、前記第２のパターンの開口部とマスク部との面積比を変えていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記マスク形成工程は、前記半導体基板上に前記第１のマスク部を含む第１のマスクを形成した後に、該第１のマスクが形成された半導体基板上に前記第２のマスク部を含む第２のマスクを形成し、前記第１のマスクと前記第２のマスクとは異なる材質であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記第１のパターンは、短冊状の開口部が互いに等間隔で前記短冊状の開口部のうちの１つの辺に平行な第１の方向に配列されたパターンであり、前記第２のパターンは、前記第１の方向とは垂直な第２の方向に対する前記第２のパターンの開口部の距離と前記第２の方向に対する前記第２のパターンのマスク部の距離との比が、前記第１の方向に沿って変化していることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記第２のマスク部は、前記第１のマスク部が形成される半導体基板表面の面内について、前記第１のパターンに対する所定の方向に対して、該方向に沿って面積が変化していることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記エッチング工程は、ガスを用いるドライエッチングであることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記ガスは炭化水素系ガスであり、前記エッチング種は、炭化水素プラズマおよび水素プラズマであることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記エッチング工程は、前記第１のマスク部と前記第２のマスク部とが形成された半導体基板に対して、前記炭化水素プラズマおよび前記水素プラズマを、該半導体基板上に炭化水素系重合体が堆積する第１の流量比で供給して、該半導体基板表面に該表面の少なくとも一部に炭化水素系重合体を形成する重合体形成工程と、該炭化水素系重合体が形成された半導体基板に対して、酸素プラズマを供給して、前記形成された炭化水素系重合体の少なくとも一部を除去する重合体除去工程と、前記炭化水素系重合体が除去された半導体基板に対して、前記第１の流量比に対して炭化水素プラズマの割合を減少させた第２の流量比で前記炭化水素プラズマおよび前記水素プラズマを供給して、前記半導体基板表面の少なくとも一部をエッチングする工程とを有することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、半導体基板上に、所与の回路パターンを有する第１のマスク部と、第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、第1のマスク部の開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のマスク部とを有するマスクを形成し、第１のマスク部と第２のマスク部とを有するマスクが形成された半導体基板に対してエッチングを行うようにしたので、半導体基板上に、複雑な構造を形成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明は、高品位な（波長）多重通信システムに必要な高速で波長制御可能な半導体素子として、複雑な構造の半導体素子、特に深さの異なる回折格子を有する半導体素子を、効率良く作製するものである。

このような深さの異なる回折格子を作製する際に、エッチング深さに対応して異なる面積のマスクを用いることにより、1回のエッチングによって深さの異なるエッチングを行うことができ、その結果、深さの異なる回折格子を得ることができる。

ここで、本明細書における「異なる面積のマスク」とは、マスクを形成する半導体の面内のエッチングパターンについての所定の方向に対して面積が変化するマスクのことである。

マスクの面積によって、エッチングの深さを制御する原理を以下で簡単に説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は、半導体におけるエッチング過程を説明するための図で、図４（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種の反応前）、図４（ｂ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図４（ｃ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を各々示し、符号４１１は半導体原子、４１２はエッチング種（原子）を示している。

図4（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体のエッチングにおいて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原子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。

また、図５（ａ）〜（ｃ）は、表面にマスクを形成した半導体におけるエッチング過程を説明するための図で、図５（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種の反応前）、図５（ｂ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図５（ｃ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を各々示し、符号５１１は半導体原子、５１２はエッチング種（原子）、５１３はマスクを示している。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、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）をマスクに用いて覆った場合、マスク上のエッチング種は拡散してマスク５１３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５１２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が増加する。したがって、マスクの面積を変化させることにより半導体表面のエッチング種の密度を変化させることが可能となり、エッチング深さの異なる形状の形成を可能にする。

なお、半導体表面のエッチング種の密度を変化させることが重要であって、マスクの面積を変化させなくても、エッチングパターンの面積を変えるようにしても、エッチングの深さを変えることができる。本発明で重要なことは、異なる面積のマスクを用いることではなく、回折格子の開口部の面積あたりの、エッチングパターンの各々の周辺部に形成されるマスクからエッチングパターンの開口部に拡散されるエッチング種の量（エッチング密度）を、エッチングパターン毎に変化させることが重要である。すなわち、所定の方向（例えば、回折格子に入射する光の光軸方向）に対して垂直な方向の、マスクの開口部とマスク部の距離の比が、所定の方向に沿って異なるようにマスクを作製することが重要である。

なお、本明細書において、「エッチングパターンの開口部」とは、マスクの開口部のことであり、この開口部にエッチング種が到来することによりエッチングが行われる。また、「マスク部」とは、マスクにおいて開口部ではない部分、つまり、実際に基板等をマスクする部分のことを示す。

したがって、このような面積の異なるマスクを用いると、図６のような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。すなわち、半導体６０上に形成された、面積が異なるマスク、すなわち半導体６０の長手方向の一方端から他方端に向かって面積が徐々に増加（減少）するマスク６１の面積に応じて、エッチングによって形成される溝について、マスク６１の面積が大きい所では深く、その面積が小さい所では浅くなる。

上述の方法によれば、図７に示すような深さの変化する回折格子を作製することができる。さらに、一回のエッチングで深さの変化する回折格子を得ることができる。

図７（ａ）および（ｂ）は、深さが変化する回折格子の構造を示す図であり、図７（ａ）は深さが変化する回折格子の斜視図、図７（ｂ）はその回折格子の断面図である。符号７０は半導体、７１はマスクを示している。

このように上述の方法によれば、一回のエッチングで深さの異なる回折格子を形成することができるが、更なる品位の向上のために回折格子のエッチング形状の制御を可能にすることが望ましい。すなわち、上述の方法を図7のような深さが変化する回折格子の作製に用いる場合には、図８に示すように回折格子外部部分のマスク８２上に飛来したエッチング種８４だけでなく、回折格子部分のマスク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ため、回折格子のエッチング形状の制御が困難になる。なお、符号８１および８２は同一のマスクであり、回折格子外部部分と回折格子部分とを区別するために、図８ではそれら部分をそれぞれ異なる色（回折格子外部部分８１は黒ぬき）で示す。

この問題を解決するためには、回折格子部分のマスク８１に飛来したエッチング種８３の寄与、すなわち回折格子部分のマスク８１に飛来したエッチング種８３がエッチングに係ることを抑制して、回折格子外部部分のマスク８２上に飛来したエッチング種８４の寄与が主となる条件が必要である。具体的には、エッチングガスの流量を低減してエッチング種の量を低減するとともに、エッチング雰囲気の圧力を低下させてエッチング種の拡散長を増加させることが必要となる。この条件によれば、面積の大きい回折格子外部部分のマスク８２上に飛来してエッチングに寄与するエッチング種８４の量に比べて、面積の小さい回折格子部分のマスク８１に飛来してエッチングに寄与するエッチング種８３の量は無視できるほど少なくなるので、回折格子境界部分の深さの増加も無視できる程度に抑制できる。しかしながら、上述のエッチング条件の制御は困難であり、実際にこの方法を用いて再現性よく回折格子を作製することは困難であった。

そこで、本発明では、深さが変化する回折格子を作製する際に、異なる面積のマスクを用いる等して、回折格子の開口部についての回折格子外部部分のマスクから拡散されるエッチング種の密度を、エッチングパターン毎に変化させるマスクを半導体上に形成すると共に、半導体上のマスクを施すべき領域について、回折格子外部部分のマスクではマスクの厚さを厚く、また回折格子部分のマスクではマスクの厚さを薄なるようにマスクを形成する。このようなマスクを用いることにより、一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。また、回折格子部分からのエッチング種の寄与を少なくすることができ、再現性良く深さの異なる回折格子を作製することができる。

この方法に基づき、回折格子作製時に用いるマスクについて、回折格子周辺部での面積が異なり、また厚さを回折格子外部部分と回折格子部分とで異なるようなマスクを用いることにより、半導体素子内での深さが変化する、すなわち、結合定数が変化する回折格子を有する半導体素子を作製することができる。この回折格子の透過特性と反射特性とは図９に示すように単一波長（モード）となる。この回折格子を半導体フィルタに用いた場合は消光比が改善される。また、ＤＦＢ、ＤＢＲ半導体レーザに用いた場合、出射される光スペクトルのサイドモードは抑制され、半導体レーザを動作させる際に動作モード（動作波長）が安定する。以上から分かる通り、深さの異なる回折格子を用いることで、例えば、ＤＦＢ、ＤＢＲ半導体レーザ等では高品位なレーザ出力を得ることが出来る等、半導体素子の性能を向上させることができる。

なお、図９において、符号９１は深さが変化するする回折格子を有する半導体レーザより出射される光スペクトルを示し、９２は深さが一定の回折格子を有する半導体レーザより出射される光スペクトルを示している。

以下で、上述の表面にマスクを形成した半導体のドライエッチングにおける、マスクの厚さが異なる場合について説明する。
図１０（ａ）および（ｂ）は、表面に深さの異なるマスクを形成した半導体のエッチングの過程を説明するための図であり、図１０（ａ）は厚さの薄いマスクの場合、図１０（ｂ）は厚さの厚いマスクの場合を各々示し、符号１０１０および１０２０は半導体、１０１１および１０２１はマスク、１０１２および１０２２はエッチング種を示している。

図１０に示すように、膜厚の薄いマスクを用いる場合（図１０（ａ））には、エッチング種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。したがって、半導体のエッチング速度は増加しない。一方、膜厚の厚いマスクを用いる場合（図１０（ｂ））には、エッチング種はマスク端が障壁となりマスク端を越えられないため、エッチング種が半導体表面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。したがって、半導体のエッチング速度が増加する。このことはエッチング深さの異なる形状の回折格子の形成を可能にする。

さらに、プラズマ雰囲気中における正に帯電したエッチング種と正に帯電したマスクとの間に生じる反発力も、マスク厚の増加に伴いエッチング速度を増加させ得る。この反発力によりマスク上から半導体表面上へ拡散するエッチング種が増加する。このマスクの厚さを増加させるとマスクの帯電量が増加するので、反発力を受けるエッチング種の量も増加する。このエッチング種の増加はエッチング速度を増加させる。このように、マスクの厚さを厚くするほど、正に帯電したエッチング種は、正に帯電したマスクから反発力を受け、半導体表面へ拡散するエッチング種を増加することができる。

また、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。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。

この炭化水素プラズマと水素プラズマと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とが起こる。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（ＳｉＯ_２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とが誘電体と反応しないので重合物（ポリマー）となって堆積する。

図１１（ａ）〜（ｄ）は、炭化水素系エッチングにおいてポリマーが堆積する過程を説明するための図で、図１１（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種との反応前）、図１１（ｂ）および（ｃ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図１１（ｄ）はエッチング後（半導体とエッチング種との反応後）を各々示す図である。同図において、符号１１１１は半導体原子、１１１２は炭化水素プラズマ、１１１３は水素プラズマ、１１１４は誘電体（ＳｉＯ_２など）マスク、１１４１はポリマーを示している。

炭化水素系ガスまたは炭化水素系ガスと水素との混合ガスは、プラズマ状態において炭化水素プラズマと水素プラズマとに分解される（図１１（ａ））。半導体表面において、飛来した炭化水素プラズマ１１１２に比べて水素プラズマ１１１３が不足するとき、半導体およびマスク表面のほとんどを炭化水素プラズマが覆う（図１１（ｂ））。このとき、マスク上でポリマーの堆積に寄与しなかった余剰の炭化水素プラズマ１１１２が半導体表面に流入する。

そこで、上述のようにマスクの厚さの増加に伴い半導体表面に閉じ込められる炭化水素プラズマ１１１２の量（濃度）が増加するので（図１１（ｃ））、厚いマスクに囲まれた半導体表面に堆積するポリマーの厚さが増加する（図１１（ｄ））。一方、厚さが薄いマスクと半導体表面との境界部分およびその近傍の半導体表面では、炭化水素プラズマはマスク端を越えてマスク上に拡散するので、半導体表面上に堆積するポリマーの厚さは上記マスクが厚い場合に比べて薄くなる。

このように、異なるマスク厚さによりその周辺の開口部（半導体表面）に堆積するポリマー１１４１の厚さが変化する。この半導体上に堆積されたポリマー１１４１は酸素プラズマ照射により酸素プラズマと反応した結果、炭酸ガスと水となって除去される。そこで、酸素プラズマの一定時間照射により部分的に厚さの異なるポリマーのうち一定の厚さ以下のポリマーが除去されるので、部分的に選択的にポリマーを除去して半導体表面を露出することができる。この試料についてエッチング過程が主となるプラズマ条件によりエッチングを施せばポリマーが堆積した部分はエッチングが進行せず、半導体表面が露出した部分のみ選択的にエッチングが進行する。このことはエッチング深さの異なる形状の回折格子の形成を可能にする。

さらに、上述のプラズマ状態において、水素プラズマの量は炭化水素系ガスに水素を混合させることにより増加でき、また、放電電力やガス圧力などによりプラズマ状態を制御することにより増減できる。この水素プラズマの量の制御により堆積するポリマーの量を制御できると共に、さらにエッチングを進行させることもできる。

図１２（ａ）〜（ｄ）は、炭化水素系エッチングにおいてポリマーの堆積と共にエッチングが進行する過程を説明するための図で、図１２（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種との反応前）、図１２（ｂ）および（ｃ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図１２（ｄ）はエッチング後（半導体とエッチング種との反応後）を各々示す図である。同図において、符号１２１１は半導体原子、１２１２は炭化水素プラズマ、１２１３は水素プラズマ、１２１４は誘電体（ＳｉＯ_２など）マスク、１２４１はポリマーを示している。

図１２に示すように、炭化水素系ガス又は炭化水素系ガスと水素との混合ガスはプラズマ状態において炭化水素プラズマと水素プラズマとに分解される（図１２（ａ））。これらの炭化水素プラズマ１２１２と水素プラズマ１２１３とは、半導体およびマスク表面に到達する（図１２（ｂ））。水素プラズマ１２１３が多量にあれば、該マスク表面においてポリマーの形成に寄与しなかった水素プラズマ１２１３がマスク１２１４近傍の半導体表面に流入する（図１２（ｃ））。

この水素プラズマ１２１３が半導体表面のエッチングの進行に不足していた水素プラズマを補充することにより、マスク近傍の半導体表面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。このとき、マスクの増加に伴い隣接する開口部に閉じ込められる炭化水素プラズマと水素プラズマが増加するので、エッチング速度が増加する（図１２（ｄ））。このことはエッチング深さの異なる形状の回折格子の形成を可能にする。また、このエッチング過程においてマスク表面に堆積されたポリマー１２４１は、酸素プラズマ照射により酸素プラズマと反応した結果、炭酸ガスと水とになって除去される。

以下で、本発明の一実施形態に係る深さの異なる回折格子形成に用いる、異なる面積のマスク部を有し、かつ面内で厚さの異なるマスクの作製方法を示す。

図１３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る回折格子形成に用いる、異なる面積のマスク部を有し、厚さが薄いマスク部と厚さが厚いマスク部とを有するマスクの作製方法を説明するための図で、図１３（ａ）は表面に窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜による回折格子用マスクを形成した試料、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示した試料の表面に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した試料、図１３（ｃ）はＳｉＯ_２膜上にレジストを塗布した後に回折格子外部のマスク用のレジストパターン１３３１を作製した試料、図１３（ｄ）はＳｉＯ_２膜をレジストパターンにより加工した試料を各々示す図である。同図において、符号１３１０はＩｎＰ基板上のＩｎＰクラッド層、１３１１は回折格子部分作製用のＳｉＮ_ｘマスク、１３２１は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、１３３１はレジストパターン、１３４１はＳｉＯ_２マスクを示している。

（１）厚さが薄いマスクの形成
ＩｎＰ基板上のＩｎＰクラッド層１３１０の表面に３０ｎｍ厚の窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）膜を形成する。ＳｉＮ_ｘ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硫黄系ガス（ＳＦ_６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ＳｉＮ_２膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＮ_ｘ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ＳｉＮ_ｘマスクが形成される（図１３（ａ））。

（２）厚さが厚く、異なる面積のマスクの形成
次に、上述の回折格子部分作製用のＳｉＮ_ｘマスクを有するＩｎＰ表面上に1μm厚の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜１３２１を形成する（図１３（ｂ））。ＳｉＯ_２膜１３２１上にレジストを塗布した後に回折格子外部のマスク用のレジストパターン１３３１を作製する（図１３（ｃ））。このレジストパターン１３３１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。このレジストパターン１３３１は、回折格子の配列方向に沿って、一方から他方にかけて面積が増加（減少）するようなパターンである。レジストパターン１３３１をマスクとしてフッ化炭素系（ＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６など）ＲＩＥによってＳｉＯ_２膜１３２１を加工することにより、レジストパターン１３３１をＳｉＯ_２膜１３２１に転写する（図１３（ｄ））。このとき、回折格子部分作製用のＳｉＮ_ｘマスクはフッ化炭素系ガスに耐性を有するのでエッチングされずに残る。レジストパターン１３３１を除去することによりＳｉＯ_２マスクは、異なる面積のマスクとなる。

この結果、ＩｎＰ上に回折格子部分と回折格子外部部分とで厚さの異なり、エッチングパターンの周辺部で面積の異なるマスクが形成される（図１３（ｄ））。

上述のマスクが形成されたＩｎＰ基板に対してドライエッチング等、通常のエッチング方法を適用することで、一回のエッチングで深さの異なる回折格子を作製することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。

（実施例１）
本発明に係る実施例１では、面内で深さの異なる回折格子部分の作製方法の一例を示す。本実施例では、ドライエッチング方法に反応性イオンビームエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ、ＲＩＢＥ）を用いた場合について説明する。

図１４（ａ）〜（ｅ）は、ＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子部分の作製方法を説明するための図で、図１４（ａ）はエッチング前の試料の概観図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）に示す試料の上面図、図１４（ｃ）は図１４（ａ）の回折格子部分の断面図、図１４（ｄ）はＲＩＢＥによりエッチングした後の試料の断面図、図１４（ｅ）は回折格子形成後（ＳｉＯ_２マスク除去後）の試料の断面図である。同図において、符号１４０１はＩｎＰ基板、１４０２はＩｎＰバッファ層、１４１０はＳｉＮ_ｘで形成される回折格子部分のマスク、１４１１はＳｉＯ_２で形成される回折格子外部部分のマスク、１４１２は回折格子の長さ、１４１３は回折格子の幅、１４１４は回折格子のピッチ（周期）（回折格子部分のマスクの幅）、１４１５は回折格子外部部分の幅を示している。

上述した本発明の一実施形態に係るマスクの作製方法に基づいて本実施例に係るマスクを作製する。このマスクは、回折格子部分作製用のマスクであって厚さが薄いマスク（ＳｉＮ_ｘで形成されるマスク）、および回折格子外部部分作製用のマスクであって厚さが厚いマスク（ＳｉＯ_２で形成されるマスク）を有するマスク（ＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクとも呼ぶ）である。なお、このマスクの作製方法については上述で説明したのでここでは省略する。

本実施例に係るＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクは、図１４（ａ）〜（ｃ）に示される通り、ＳｉＮ_ｘで形成される回折格子部分のマスク１４１０のマスク厚が２０ｎｍ、回折格子の長さ１４１２が５００μm、回折格子の幅１４１３が３μm、ピッチ（周期）１４１４が２４０nm（ＳｉＯ_２部：１２０ｎm、窓部：１２０nm〉であり、ＳｉＯ_２で形成される回折格子外部部分のマスク１４１１のマスク厚が1μm、マスクの幅１４１５は素子両端で狭くなっており（幅は１μm）、素子中央部で広くなっている（幅は５μm）。

このようなマスクを形成した試料に対してＲＩＢＥによりエッチングを施す。エッチングガスには塩素を用いて、ガス流量は４ｓｃｃｍ、ガス圧力は1０Ｔｏｒｒ、マイクロ波放電電力は、３００Ｗ、イオン引出し電圧は５００Ｖ、基板温度は２００℃である。

このエッチングにおいて、マスク厚の厚い（１μm〉回折格子外部部分のマスク１４１１からのエッチング種であるイオン化あるいはラジカル化した塩素原子（塩素プラズマ）の寄与が大きく、マスク厚の薄い（２０nm）の回折格子部分のマスク１４１０からの塩素プラズマの寄与は小さい。すなわち、マスク１４１１からの塩素プラズマは、厚いマスクからのエッチング種であり、図１０（ｂ）で説明したように、マスク端を越えられないため、半導体表面に閉じ込められて、半導体表面上におけるマスク１４１１からの塩素プラズマ密度は増加する（マスク１４１１からの塩素プラズマの寄与は大きい）。一方、マスク１４１０からの塩素プラズマは、薄いマスクからのエッチング種であり、図１０（ａ）で説明したように、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、半導体表面上のマスク１４１０からの塩素プラズマ密度は高くならない（マスク１４１０からの塩素プラズマの寄与は小さい）。

したがって、マスク幅の広い回折格子中央部ではマスク１４１１上で反応しない塩素プラズマが多量に開口部に拡散することにより開口部での塩素プラズマは高濃度になりエッチング速度が増加する。一方、マスク幅の狭い回折格子両端部ではマスク１４１１上で反応せずに開口部に拡散する塩素プラズマ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。ここで、エッチング時の生成物は回折格子方向に沿って拡散するので、その生成物の滞留によりエッチング速度は抑制されない。したがって、回折格子において中央部ではエッチング深さは深く両端部では浅くなる（図１４（ｄ））。最後にＳＦ_６を用いたＲＩＥによりマスクを除去することにより中央部で深く両端部で浅い回折格子、すなわち深さの異なる回折格子が形成される（図１４（ｅ））。

このように、本実施例によれば、ＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクを用いてエッチングを行うことにより、エッチングの際に、複雑なエッチング制御を必要とせずに、回折格子部分のマスクに飛来しエッチングに影響する塩素プラズマ（エッチング種）を無視できるほど少なくすることが出来る。よって、再現性良く異なる深さの回折格子を作製することができる。また、一回のエッチングで深さの異なる回折格子を作製することができる。

（実施例２）
図１５は、本発明の第２の実施例であるＤＢＲ半導体レーザの素子長方向の断面図で、符号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６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１５％）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）、１５６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ｌｎＧａＡｓ（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。

本実施例では、実施例１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ＳｉＯ_２マスク除去後、この回折格子上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により対応する各層を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備えたＤＢＲ半導体レーザ構造が作製される。図１５に示すＤＢＲ半導体レーザの発振波長は、１．５５μｍであり、半導体素子の長さは、１５００μｍである。回折格子１５２については、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１６（ａ）および（ｂ）は、本実施例に係る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で、図１６（ａ）は位置に対する結合係数κの分布を示し、図１６（ｂ）はブラッグ波長からのずれに対する反射率を示している。

図１６において、符号１６０１は、図１５に示す回折格子の有する結合係数を示す。回折格子の深さが回折格子の両端部で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は回折格子の両端部で５ｃｍ^−１、中央部で８０ｃｍ^−１と変化する。この回折格子を用いた場合の反射スペクトルを符号１６０２に示す。比較のために結合係数が８０ｎｍ^−１一定の場合の反射スペクトルを符号１６０３に示す。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、深さの異なる回折格子を用いた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、実施例１のようにして作製された深さの異なる回折格子を備えたＤＢＲ半導体レーザによれば、高品位なレーザ出力を得ることが出来る。

（実施例３）
本発明の第３の実施例では、面内で深さが変化する回折格子部分の作製方法の一例を示す。本実施例はドライエッチングに炭化水素系のガスを用いる場合において一定の条件で生じるポリマーを利用するものである。エッチングに用いるＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクにおいて回折格子部分のＳｉＮ_ｘマスク幅は一定であるが回折格子外部部分のＳｉＯ_２マスク幅が変化するという点で実施例１と同様であるが、ＳｉＯ_２マスク幅が素子中央部で狭く素子両端部で広くなっていることを特徴とする。

図１７は、本実施例において試料表面に形成するＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクの上面図である。図１７において、符号１７０はＩｎＰ表面、１７１０はＳｉＮ_ｘで形成される回折格子部分のマスク、１７１１はＳｉＯ_２で形成される回折格子外部部分のマスク、１７１２は回折格子の長さ、１７１３は回折格子の幅、１７１４はピッチ（周期）、１７１５は回折格子外部部分のマスクの幅である。

上述した本発明の一実施形態に係るマスクの作製方法に基づいて本実施例に係るＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクを作製する。図１７において、ＳｉＮ_ｘで形成される回折格子部分のマスク１７１０のマスク厚が２０ｎｍ、回折格子の長さ１７１２が５００μm、回折格子の幅１７１３が３μm、ピッチ（周期）１７１４は２４０ｎｍ（ＳｉＯ_２部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）である。ＳｉＯ_２で形成される回折格子外部部分のマスク１７１１のマスク厚が１μm、マスクの幅１７１５は面内で変化しており、素子両端で広く（幅は１０μm）、素子中央部で狭くなっている（幅は３μm）。なお、このマスクの作製方法については上述で説明したのでここでは省略する。

図１８（ａ）〜（ｅ）は、本実施例における回折格子部分の作製方法を説明するための図で、図１８（ａ）はエッチング前の回折格子作製用マスク（図１７で示したＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクと同様なもの）を有する試料の一部、図１８（ｂ）は1回目のエッチングによりポリマーが堆積した試料の一部、図１８（ｃ）は酸素プラズマを照射した試料の一部、図１８（ｄ）は2回目のエッチングを施した試料の一部、図１８（ｅ）はエッチングと酸素プラズマ照射（図１８（ａ）〜図１８（ｄ））とを繰り返し施して作製された回折格子深さの異なる試料の一部を各々示す図であり、各図において（Ａ）は概観図、（Ｂ）は断面図を示している。

図１８において、符号１８０はＩｎＰ基板、１８１１はＳｉＮ_ｘで形成される回折格子部分のマスク、１８１２はＳｉＯ_２で形成される回折格子外部部分のマスクを示している。ここで説明を理解しやすくするために回折格子外部部分のマスク１８１２の一部を点線で透明に記載している。符号１８０１、１８０２、１８０３は回折格子部分の１８１１マスクの開口部であり、隣接する回折格子外部部分のマスク１８１２について幅の狭い方から順に１８０１、１８０２、１８０３とする。符号１８２１は1回目のエッチングにより堆積したポリマー、１８３１は酸素プラズマ照射後のポリマーである。

上述の本発明の一実施形態に係るマスクの作製方法に従って、ＩｎＰ基板１８０表面に回折格子部分のマスク１８１１の幅が一定で、回折格子外部部分のマスク１８１２の幅が変化するマスクを形成する（図１８（ａ））。この試料について、メタンガスを用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、ＲＩＥ）を施す。ＲＩＥ条件はメタンガス流量が８０ｓｃｃｍ、ガス圧力が５Ｐａ、放電電力が５０Ｗであり、この条件下ではポリマー１８２１が堆積する過程が主となる。

このＲＩＥ過程において、回折格子部分のマスク１８１１のマスク厚よりも回折格子外部部分のマスク１８１２のマスク厚の方が厚いというマスク構造のため、マスク厚の厚い（１μm）回折格子外部部分のマスク１８１２からのメタンプラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄い（２０ｎｍ）回折格子部分のマスク１８１１からのメタンプラズマの寄与は小さい。このとき、開口部に堆積するポリマーの厚さは回折格子外部部分のマスク１８１２の幅に依存し、マスク１８１２の幅が広いほどマスク１８１２上から開口部に流入する炭化水素基が多量になるので、堆積するポリマー１８２１の厚さは増加する（図１８（ｂ））。

例えば、図１８において、ＲＩＥを１０分間施したときに開口部に堆積するポリマーの厚さはマスク１８１２の幅が広くなるにつれて、開口部１８０１、１８０２、１８０３の順にそれぞれ、０．１、０．２、０．３μｍの厚さで堆積する。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１００Ｗで１分間照射すると、開口部１８０１に堆積したポリマー０．１μm厚が除去される。

したがって、上記のＲＩＥ時に０．１μｍより厚いポリマーが堆積した開口部１８０２、１８０３においてはポリマーが残留し、０．１μm以下の厚さでポリマーが堆積した開口部１８０１においてはポリマーが完全に除去されて、ＩｎＰ基板１８０の表面が露出する（図１８（ｃ））。引き続き、エッチング過程が主となる条件（メタンと水素の混合ガス（メタン濃度２０％）のガス流量８０ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）でＲＩＥを施せばＩｎＰ基板１８０が露出した開口部１８０１のみエッチングが進行し、ポリマーが残留する開口部１８０２、１８０３ではエッチングが進行しない（図１８（ｄ））。

このように、初めに０．１μm以下の厚さでポリマーが堆積した開口部１８０１においてのみ選択的にエッチングがされる。引き続き、同様の酸素プラズマ照射による０．１μm厚さのポリマーの除去とＲＩＥとを繰り返して施すことにより、深さの異なる回折格子を形成することができる（図１８（ｅ））。このとき、ＲＩＥによるエッチングにおいて、メタンと水素との流量比を、除去するポリマーの厚さに応じて変えることは言うまでも無い。ＳｉＯ_２マスク除去後に、この回折格子上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により対応する各層を積層することにより図１５に示す半導体素子構造が作製される。

本実施例におけるＩｎＰ基板上に堆積するポリマーの厚さの開口部幅依存性は、メタンガス流量を０−５００ｓｃｃｍ、ガス圧力を０．０１−５０Ｐａ、放電電力を５０−５００Ｗの範囲で変化させることにより変化する。また、ＲＩＥ時間を変化させることにより堆積するポリマーの厚さを変化させることができる。また、メタンと水素の混合ガスのメタンガス濃度を０．１−１００％、ガス流量を０−５００ｓｃｃｍ、ガス圧力を０．０１−５０Ｐａ、放電電力を５０−５００Ｗの範囲で変化させることによりエッチング速度を変化させることができる。酸素プラズマ照射は本実施例の条件に限定されず、例えば、基板上に堆積したポリマーを一度に除去するための条件等の他の条件でもポリマーを除去することができる。

（実施例４）
本発明の第４の実施例では、面内で深さが変化する回折格子部分の作製方法の一例を示す。本実施例は炭化水素系のガスを用いたドライエッチングにおいて生じるポリマーを利用する点で実施例３と同じであるが、エッチングに用いるＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクにおいて、回折格子外部部分のＳｉＯ_２マスクの幅は一定であるが回折格子部分のＳｉＮ_ｘマスクの幅が変化するという点で実施例３と異なる。

図１９は、本実施例において試料表面に形成するＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクの上面図である。図１９において、符号１９０はＩｎＰ表面、１９１０はＳｉＮ_ｘで形成される回折格子部分のマスク、１９１１はＳｉＯ_２で形成される回折格子外部部分のマスク、１９１２は回折格子の長さ、１９１３は回折格子の幅、１９１４はピッチ（周期）、１９１５は回折格子外部部分のマスクの幅である。

上述した本発明の一実施形態に係るマスクの作製方法に基づいて本実施例に係るＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクを作製する。図１９において、ＳｉＮ_ｘで形成される回折格子部分のマスク１９１０のマスク厚が２０ｎｍ、回折格子の長さ１９１２が５００μm、回折格子の幅１９１３が素子両端では広く５μｍ、素子中央部では狭く３μm、ピッチ（周期）１９１４は２４０ｎｍ（ＳｉＯ_２部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）である。ＳｉＯ_２で形成される回折格子外部部分のマスク１９１１のマスク厚が１μm、マスクの幅１９１５が１０μｍで一定である。なお、このマスクの作製方法については上述で説明したのでここでは省略する。

図２０（ａ）〜（ｆ）は、本実施例における回折格子部分の作製方法を説明するための図で、図２０（ａ）はエッチング前の回折格子作製用マスク（図１９で示したＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクと同様なもの）を有する試料の一部、図２０（ｂ）は1回目のエッチングにより開口部の一部にポリマーが堆積した試料の一部、図２０（ｃ）は酸素プラズマを照射した試料の一部、図２０（ｄ）は2回目のエッチングをした試料の一部、図２０（ｅ）はエッチングと酸素プラズマ照射（図２０（ａ）〜図２０（ｄ））とを繰り返し施して作製された回折格子深さの異なる試料の一部、図２０（ｆ）はメサ構造に加工された試料を各々示す図であり、各図において（Ａ）は概観図、（Ｂ）は断面図を示している。

図２０において、符号２００はＩｎＰ基板、２０１１はＳｉＮ_ｘで形成される回折格子部分のマスク、２０１２はＳｉＯ_２で形成される回折格子外部部分のマスクを示している。ここで説明を理解しやすくするために回折格子外部部分のマスク２０１２の一部を点線で透明に記載している。符号２００１、２００２、２００３、２００４は回折格子部分の２０１１マスクの開口部であり、回折格子部分のマスク２０１１について幅の狭い方から順に２００１、２００２、２００３、２００４とする。符号２０２１は1回目のエッチングにより堆積したポリマーであり、２０４１は２回目のエッチングにより堆積したポリマーである。

上述の本発明の一実施形態に係るマスクの作製方法に従って、ＩｎＰ基板２００表面に回折格子外部部分のマスク２０１２の幅が一定で回折格子部分のマスク２０１１の幅が変化するマスクを形成する（図２０（ａ））。ここで、各開口部の幅は、２００１、２００２、２００３、２００４の順にそれぞれ、２．０、４．０、６．０、８．０μｍとする。

以下に説明する一連のエッチング過程において、本実施例においても、回折格子部分のマスク２０１１のマスク厚よりも回折格子外部部分のマスク２０１２のマスク厚の方が厚いというマスク構造のため、マスク厚の厚い（１μm）マスク２０１２からのメタン・水素プラズマの寄与がは大きく、マスク厚の薄い（２０ｎｍ）マスク２０１１からのメタン・水素プラズマの寄与は小さい。

図２０（ａ）に示すＩｎＰ基板２００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２ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施すと、幅が２μm以下の開口部２００１においては、マスク２０１２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２μｍより広い開口部２００２、２００３、２００４においては、マスク２０１２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２０（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２０２１が除去される（図２０（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５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）でＲＩＥを施すと、幅が４μｍ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２０４１が堆積することなくエッチングが進行する。一方、幅が４μｍより広い開口部２００３、２００４においては、マスク２０１２上から水素の供給がまだ不足するので、ポリマー２０４１が堆積してエッチングが進行しない（図２０（ｄ））。

したがって、幅が２μｍ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、幅が２μｍから４μｍまでの開口部の深さよりも深くなる。引き続き酸素プラズマを照射することにより、上述と同様に堆積したポリマー２０４１が除去される。このようにＲＩＥと酸素プラズマ照射とを交互に繰り返す。この際に、ＲＩＥを施すごとに、除去するポリマーの厚さに応じて水素流量を増加させることにより、深さの異なる回折格子を形成することができる（図２０（ｅ））。

このとき、水素流量は１００ｓｃｃｍまで増加させることができる。その後、マスク除去、メサ構造加工を行うと図２０（ｆ）に示す、異なる深さの回折格子を得ることが出来る。この回折格子上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により対応する各層を積層することにより図１５に示す半導体素子構造を作製することができる。

この際、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。

本実施例ではＲＩＥ時に開口部においてエッチングに寄与する水素の量を、水素流量により変化させたが、ガス圧（０．０１Ｐａ−５０Ｐａ）によるマスク上から水素の拡散距離の変化、または放電電力（５０−５００Ｗ）によるイオン化される水素の量の変化によっても変化させることができ、同様の効果が得られる。

上述の実施例では、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は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はない。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、上述の実施例では素子用の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〜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、６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、上述の実施例では、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塩素やメタンを用いたが、エタン等の他の炭化水素系ガスや臭素などのハロゲン系ガスなど他の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窒素やアルゴンなどでも構わないし、希釈ガスは用いなくても構わない。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。また、プラズマ状態のガスを用いたドライエッチング以外でも、プラズマ状態でないガスを用いたガスエッチング、酸溶液を用いたウエットエッチングにより加工することも可能である。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（ＳｉＯ_２）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。

なお、本発明の一実施形態について、上述では、２つの材質のマスク（ＳｉＮ_ｘマスクおよびＳｉＯ_２マスク）を用いた半導体素子の製造方法について説明したが、これに限定されない。すなわち、本発明の一実施形態では、１つの材質のマスクを用いるようにしても良い。

以下で、本発明の一実施形態に係る１つの材質のマスクの作製方法について説明する。
図２１（ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る回折格子形成に用いる、１つの材質のマスクの作製方法を説明するための図で、図２１（ａ）は表面に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した試料、図２１（ｂ）はＳｉＯ_２膜をレジストパターンにより加工した試料、図２１（ｃ）は回折格子部分をレジストパターンにより加工した試料を各々示す図である。同図において、符号２１１０はＩｎＰ基板上のＩｎＰクラッド層、２１１１は酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜、２１１２は回折格子外部部分のＳｉＯ_２膜、２１１３は回折格子部分のＳｉＯ_２膜、２１１４は回折格子外部部分のマスク部、２１１５は回折格子部分のマスク部を示している。

ＩｎＰ基板上のＩｎＰクラッド層２１１０の表面に１μｍ厚のＳｉＯ_２膜２１１１を形成する（図２１（ａ））。ＳｉＯ_２膜２１１１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外部部分を形成するためのレジストパターンを作製する。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ことは言うまでもない。本実施形態では、回折格子外部部分が面積の異なるマスク部となるようにレジストパターンを作製する。

このレジストパターンをマスクとしてフッ化硫黄系ガス（ＳＦ_８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ＳｉＯ_２膜２１１１を加工することにより、レジストパターンをＳｉＯ_２膜２１１１に転写する。このＲＩＥでは、回折格子外部部分のＳｉＯ_２膜２１１２については１μｍ厚のままで残すと共に、回折格子部分のＳｉＯ_２膜については３０ｎｍ厚となるようにエッチングを行う。レジストパターンを除去することにより、ＩｎＰクラッド層２１１０上に回折格子外部部分用のマスク部が形成される（図２１（ｂ））。

ついで、ＩｎＰクラッド層２１１０に対して、回折格子外部部分用のＳｉＯ_２膜２１１２にはエッチングが進行にしないようにレジストを形成して保護すると共に、回折格子部分のＳｉＯ_２膜２１１３にはレジストを塗布して電子ビーム露光法により回折格子用のレジストパターンを作製する。回折格子用のレジストパターンをマスクとしてフッ化硫黄系ガス（ＳＦ_８など）を用いたＲＩＥによって回折格子部分のＳｉＯ_２膜２１１３を加工することにより、回折格子の形状のマスクを回折格子部分のＳｉＯ_２膜２１１３に形成する。この結果、ＩｎＰ上に、１つの材質からなる、回折格子部分のマスク部２１１５と回折格子外部部分のマスク部２１１４とで厚さの異なり、回折格子外部部分のマスク部２１１４が異なる面積のマスク部となるマスクが形成される（図２１（ｃ））。

このようなマスクが形成されたＩｎＰ基板に対して、上述のようにドライエッチング等、通常のエッチング方法を適用することで、一回のエッチングで深さの異なる回折格子を作製することができる。

なお、回折格子外部部分のマスク部２１１４は、上述したＳｉＯ_２で形成されるマスクと同様の機能を果たす。すなわち、マスク部２１１４を形成することにより、回折格子部分のマスク２１１５の開口部に拡散されるエッチング種の量を制御することができる。また、回折格子部分のマスク部２１１５は、上述したＳｉＮ_ｘで形成されるマスクと同様の機能を果たす。すなわち、マスク部２１１４よりもマスク部２１１５の厚さを薄くすることで、マスク部２１１５から開口部へ拡散されるエッチング種の影響を小さくすることができる。

また、上述では１つの材質としてＳｉＯ_２を用いているが、これに限定されず、例えば、ＳｉＮ_ｘ等、マスクを形成できるものであればいずれを用いても良い。

（ａ）〜（ｆ）は、異なる深さのエッチングを施すエッチングプロセスの従来方法を説明するための工程図である。 回折格子を有する分布反射型（ＤＢＲ）半導体レーザの素子長方向の断面図である。 半導体レーザから出射される光スペクトルを示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、半導体におけるエッチング過程を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、表面にマスクを形成した半導体におけるエッチング過程を説明するための図である。 深さが変化する単純な溝構造を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、深さが変化する回折格子の構造を示す図である。 深さが変化する回折格子構造をエッチングにより作製する際の問題点を説明するための図である。 深さが変化する回折格子を有する半導体レーザから出射される光スペクトルを示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、表面に深さの異なるマスクを形成した半導体のエッチングの過程を説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）は、炭化水素系エッチングにおいてポリマーが堆積する過程を説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）は、炭化水素系エッチングにおいてポリマーの堆積と共にエッチングが進行する過程を説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る回折格子形成に用いる、異なる面積のマスク部を有し、厚さが薄いマスク部分と厚さ厚いマスク部分とを有するマスクの作製方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｅ）は、ＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子部分の作製方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るＤＢＲ半導体レーザの素子長方向の断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る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である。 本発明の一実施形態に係る試料表面に形成するＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクの上面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の一実施形態に係る回折格子部分の作製方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る試料表面に形成するＳｉＮ_ｘ／ＳｉＯ_２マスクの上面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の一実施形態に係る回折格子部分の作製方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る回折格子形成に用いる、１つの材質のマスクの作製方法を説明するための図である。

符号の説明

１３１０ ＩｎＰ基板上のＩｎＰクラッド層
１３１１ 回折格子部分作製用のＳｉＮ_ｘマスク
１３２１ 酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜
１３３１ レジストパターン
１３４１ ＳｉＯ_２マスク

Claims (7)

1. 半導体基板上に、所与の回路パターンである第１のパターンを有する第１のマスク部と、前記第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第1のパターンの開口部に拡散されるエッチング種の量を制御するための第２のパターンを有する第２のマスク部とを有するマスクを形成するマスク形成工程と、
   前記第１のマスク部と前記第２のマスク部とを有するマスクが形成された半導体基板に対して、前記エッチング種を供給することによりエッチングを行うエッチング工程とを有し、
   前記第２のパターンは、前記第１のパターンの開口部近傍における、前記第２のパターンの開口部とマスク部との面積比を変えていることを特徴とする半導体素子の作製方法。
2. 前記マスク形成工程は、前記半導体基板上に前記第１のマスク部を含む第１のマスクを形成した後に、該第１のマスクが形成された半導体基板上に前記第２のマスク部を含む第２のマスクを形成し、前記第１のマスクと前記第２のマスクとは異なる材質であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の作製方法。
3. 前記第１のパターンは、短冊状の開口部が互いに等間隔で前記短冊状の開口部のうちの１つの辺に平行な第１の方向に配列されたパターンであり、前記第２のパターンは、前記第１の方向とは垂直な第２の方向に対する前記第２のパターンの開口部の距離と前記第２の方向に対する前記第２のパターンのマスク部の距離との比が、前記第１の方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子の作製方法。
4. 前記第２のマスク部は、前記第１のマスク部が形成される半導体基板表面の面内について、前記第１のパターンに対する所定の方向に対して、該方向に沿って面積が変化してい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。
5. 前記エッチング工程は、ガスを用いるドライエッチングであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体素子の作製方法。
6. 前記ガスは炭化水素系ガスであり、前記エッチング種は、炭化水素プラズマおよび水素プラズマであることを特徴とする請求項５記載の半導体素子の作製方法。
7. 前記エッチング工程は、
   前記第１のマスク部と前記第２のマスク部とが形成された半導体基板に対して、前記炭化水素プラズマおよび前記水素プラズマを、該半導体基板上に炭化水素系重合体が堆積する第１の流量比で供給して、該半導体基板表面に該表面の少なくとも一部に炭化水素系重合体を形成する重合体形成工程と、
   該炭化水素系重合体が形成された半導体基板に対して、酸素プラズマを供給して、前記形成された炭化水素系重合体の少なくとも一部を除去する重合体除去工程と、
   前記炭化水素系重合体が除去された半導体基板に対して、前記第１の流量比に対して炭化水素プラズマの割合を減少させた第２の流量比で前記炭化水素プラズマおよび前記水素プラズマを供給して、前記半導体基板表面の少なくとも一部をエッチングする工程と
   を有することを特徴とする請求項６記載の半導体素子の作製方法。
   

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