JP4054325B2 - 半導体素子の作製方法及び半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の作製方法及び半導体素子に関し、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及び半導体素子に関する。

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。このとき、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（例えば、非特許文献１参照）。

図１（ａ），（ｂ）は、傾斜面を有する周期的光導波路層構造を示す図で、図１（ａ）は本構造における１ブロック、図１（ｂ）は多段にブロックを並べた周期構造を示している。図中符号１０は基板、１１は光導波路、１２はクラッド層、１３は入射光、１４は出射光、ａは傾斜面を示している。なお、明細書中における「素子方向」とは、入射光１３が素子内を導波する方向（ｚ方向）を意味している。

図１に示すような傾斜面を有する光導波路構造は、入射光の偏波を効率よく回転させるので、半導体光機能素子において有用な素子構造の１つとして注目されている（例えば、非特許文献２及び３参照）。

以下、この半導体素子の動作原理について説明する。
通常の左右対称の導波層においては、ＴＥ偏波成分はｘ軸方向に、ＴＭ偏波成分はｙ方向（ｘ方向から見て９０°の方向）に電界を有しているので、これらは通常は直交しており、結合成分を有していない。導波層に左右非対称性を持たせた構造を採ることにより、電界分布にも非対称性が生じてＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分の結合が生じる（境界部（階段状の段差部分近傍）の接続条件でｘ方向とｙ方向の電解成分が結合を起こす）。この結合成分が、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分との間での電界分布の移行をもたらし、偏波面に対する回転成分を生じさせる。

図１（ａ）に示す構造とその反転した構造を並べて１ブロックとし、直線偏波光を入射した場合、この１ブロックを通過した後は入射状態から角度θだけ回転された直線偏波光に変換される。そこで、図１（ｂ）のように、多段にブロック（例えばｎ個）を並べることでｎθという大きな回転角を得ることができる。

なお、図１（ｂ）に示す構造とその反転した構造を１ブロックとして考える必要があるのは、回折格子の凹凸と同様に、周期的にＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分の結合に逆位相（符号の反転）を与えるためである。この導波層に傾斜面を形成することによって、電界分布の一番強い導波路部分で斜め成分を有するため、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分の結合効率を高めることができる。

この半導体素子における傾斜面を有する光導波路構造を加工するためには、主に酸溶液によるエッチング（ウエットエッチング）が用いられる。ウエットエッチングにおいては、半導体結晶の方位（面）によってエッチング速度が異なる（異方性）という化学的性質により特定の結晶方位面を傾斜面とする構造を得ることができる。ここで傾斜面の水平面に対する角度は、半導体の種類あるいは酸溶液の種類によって定まる。
なお、本願発明の先願として特願２００３−４１３７１６号がある。

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 "Polarization rotation in asymmetric periodic loaded rib waveguides", Appl. Phys. Lett. Vol.59, No.11(1991) pp.1278-1280. "Passive mode converter with a periodically tilted InP/GaInAsP rib waveguide", IEEE Photonics Technol. Lett. Vol.4, No.1(1992) pp.34-36.

上述したような従来技術においては、傾斜面を有する光導波路の加工にウエットエッチングを用いる場合、エッチングされない領域を覆うマスク（主に酸化シリコンなどの誘電体薄膜）の下にもエッチングが進行するので（サイドエッチング）、高精度の加工が困難であり、微細構造の形成が困難であることが問題であった。また、傾斜面の水平面に対する角度は半導体の種類あるいは酸溶液の種類によって決まってしまうので、この傾斜面の角度は自由に設定することができないことも問題であった。

一方、プラズマ状態のハロゲンガスや炭化水素系ガス等のガスによるエッチング（ドライエッチング）を用いる場合には、サイドエッチングがほとんど生じないため高精度のエッチングが可能となるが、エッチングによりイオンビームが入射する試料面内に垂直な方向に進行するため傾斜面を有する構造を形成することは困難であった。

図２（ａ）〜（ｈ）は、図１（ａ），（ｂ）に示した傾斜面を有する周期的光導波路層構造を作製するための作製方法を示す工程図で、図中符号２０は試料（ＩｎＰ結晶）、２１はマスク、２２はレジストパターンを示している。

図２（ａ）はマスク（誘電体など）を形成した試料である。図２（ｂ）はレジストパターン２２の形成後、図２（ｃ）はマスク２１への転写後、図２（ｄ）はドライエッチング後、図２（ｅ）はマスク除去後、図２（ｆ）は２回目のエッチング用のマスク形成後、図２（ｇ）は２回目のエッチング後の各プロセス段階での試料の断面図である。図２（ｈ）はこの過程を繰り返すことにより形成される微細な連続するステップ構造の擬似的な傾斜面を有する試料の断面図である。

ドライエッチングを用いて傾斜面を有する構造を形成しようとするならば、図２（ａ）〜（ｈ）に示すように、レジストパターン２２の形成（図２（ｂ））、マスク２１への転写（図２（ｃ））、ドライエッチング（図２（ｄ））という過程を繰り返すことにより、微細な連続するステップ構造により擬似的な傾斜面（図２（ｈ））を作製することはできるが、時間と手間を要するので事実上不可能であった。

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、高速多波長光通信に不可欠な高速半導体光素子として、マスクを用いたエッチング加工を改良した半導体素子の作製方法及び半導体素子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に記載の発明は、半導体表面上にマスクを形成してエッチングする半導体素子の作製方法において、前記マスク近傍の前記半導体表面で密度が増加するエッチング種が、前記マスク端から前記マスクで覆われていない前記半導体表面へ拡散して、前記マスク端からの距離の増加にともないエッチング深さが減少することにより傾斜面を有する導波路構造を形成することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記エッチングが、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。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記エッチング種が、炭化水素プラズマと水素プラズマであることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記エッチング種が、炭化水素プラズマと水素プラズマとを含み、前記マスク近傍の前記半導体表面におけるエッチングと、前記マスクから離れた前記半導体表面における炭化水素系重合体（ポリマー）の堆積とが、同時に生じることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記炭化水素系重合体（ポリマー）を、酸素プラズマ照射により除去することをさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項２乃至５のいずれかに記載の発明において、前記エッチングの条件を変化させることにより、前記マスク端から前記半導体表面への前記エッチング種の拡散長を変化させ、前記傾斜面の角度を変化させることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項２乃至５のいずれかに記載の発明において、前記マスクの幅を変化させることにより、前記マスク端から前記半導体表面への前記エッチング種の量を変化させ、前記傾斜面の角度を変化させることを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、基板上に導波層を設け、該導波層上にクラッド層を設けてなる半導体素子の作製方法において、前記クラッド層上に酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、該酸化シリコン膜上に、素子方向に対して左右交互に周期的にマスク部分を有するレジストパターンを形成する第２の工程と、該レジストパターンを前記酸化シリコン膜に転写する第３の工程と、前記レジストパターンを除去して、前記クラッド層及び前記導波層に傾斜面を有する導波層構造を形成するためのマスクを作製する第４の工程と、前記マスクを介してエッチングにより前記クラッド層及び前記導波層に傾斜面を有する導波層構造を形成する第５の工程と、前記酸化シリコン膜を除去して、傾斜面を有する基本単位構造を交互に左右反転させて素子方向に２つ並べたものを１ブロックとして、該ブロックを連続して並べる第６の工程とを備え、前記第５の工程が、請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体素子の作製方法を備えることを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体素子の作製方法により作製される半導体素子における光導波路が、素子方向に垂直な断面において左右非対称である形状の光導波路構造を有することを特徴とする半導体素子である。

このような構成を採ることにより、半導体の加工方法における該半導体表面上に形成するマスクに、形状が素子方向について非対称であるマスクを用いることで、制御性に優れた傾斜面を有する光導波路の加工を可能にする。また、素子方向に垂直な断面において左右非対称である傾斜面を有する形状が周期的に連続する導波路構造を作製することができる。また、この傾斜面を有する光導波路構造は入射光の偏波を効率よく回転させることを可能にする。

図３（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３（ａ）はエッチング前（半導体とエッチング種の反応前）、図３（ｂ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図３（ｃ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を示す図である。図中符号３１は半導体原子、３２はエッチング種（原子）、３３はマスクを示している。

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とエッチング種（エッチングガスあるいはエッチング溶液）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３２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３３に用いて覆った場合（図３（ａ））、マスク上のエッチング種３２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３２の密度が増加する（図３（ｂ））。このエッチング種３２の増加は、半導体のエッチング速度を増加させるので、マスク端からの距離の増加にともないエッチング深さが減少する。すなわち、エッチング形状は傾斜面を有することとなる（図３（ｃ））。このとき、エッチング種のマスク端から半導体表面への拡散がエッチング形状、すなわち、傾斜面の形状に影響する。

したがって、傾斜角度はエッチング種の拡散距離によるので、ガス流量、圧力、パワーなどのプラズマ条件によって任意の傾斜角度を形成することができる。そこで、マスクを、素子方向を中心として左右交互に非対称に設置すれば左右非対称の傾斜面を有する形状が周期的に連続する導波路構造を作製することができる。

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、この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（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４（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），（ｃ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図４（ｄ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を示す図である。

図中符号４１は半導体原子、４２は炭化水素プラズマ、４３は水素プラズマ、４４は誘電体（ＳｉＯ_２など）マスク、４５はポリマーを示している。

炭化水素系ガス又は炭化水素系ガスと水素の混合ガスは、プラズマ状態において炭化水素プラズマ４２と水素プラズマ４３に分解される（図４（ａ））。半導体表面において飛来した炭化水素プラズマ４２に比べて水素プラズマ４３が不足するとき、半導体原子４１およびマスク４４表面のほとんどを炭化水素プラズマ４２が覆う（図４（ｂ））。このとき、マスク４４上でポリマー４５の堆積に寄与しなかった余剰の炭化水素プラズマ４２が半導体表面に拡散する。

したがって、開口部に堆積するポリマー４５の厚さはマスク４４からの距離に依存し、マスク４４に近いほどマスク４４上から開口部に流入する炭化水素基が多量になる（図４（ｃ））。そこで堆積するポリマー４５の厚さは増加する。したがって、開口部に堆積するポリマー４５の厚さはマスク４４に近いほど厚く離れるにつれて薄くなり、傾斜面を有する構造になる（図４（ｄ））。

そこで、半導体とポリマー４５について同等のエッチング速度を有するエッチング方法、例えば，イオンミリングによって半導体とポリマー４５を同時にエッチングすることにより、堆積したポリマー４５の傾斜面を反映した半導体の形状を作製することができる。

図５（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とも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。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），（ｃ）はエッチング時（半導体とエッチング種の反応時）、図５（ｄ）はエッチング後（半導体とエッチング種の反応後）を示す図である。

図中符号５１は半導体原子、５２は炭化水素プラズマ、５３は水素プラズマ、５４は誘電体（ＳｉＯ_２など）マスク、５５はポリマーを示している。

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、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。

図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、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、さらに部分的にエッチングを進行させることができる。炭化水素系ガス又は炭化水素系ガスと水素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に分解される（図５（ａ））。これらの炭化水素プラズマ５２と水素プラズマ５３は、半導体およびマスク表面に到達する（図５（ｂ））。

このとき、水素プラズマ５３の量を増加させれば、この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５３がマスク５４近傍の半導体原子５１の表面に流入する（図５（ｃ））。この水素プラズマ５３が半導体５１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。一方、マスクから離れた部分では水素プラズマが補充されないためポリマー５５が堆積する（図５（ｄ））。

したがって、半導体のエッチングはマスクから離れた部分では進行せず、マスク近傍においてのみ選択的に進行する。このとき、炭化水素プラズマと水素プラズマのマスク端から半導体表面への拡散がエッチング形状、すなわち、傾斜面の形状に影響する。したがって、傾斜角度は炭化水素プラズマと水素プラズマの拡散距離によるので、ガス流量、圧力、パワーなどのプラズマ条件によって任意の傾斜角度を形成することができる。そこで、マスクを、素子方向を中心として左右交互に非対称に設置すれば左右非対称の傾斜面を有する形状が周期的に連続する導波路構造を作製することができる。

また、上述の過程を繰り返すことにより、微細な段差が連続する擬似的な傾斜面を有する形状を作成することが可能となる。このとき、繰り返し施される過程ごとの時間を変化させることにより、微細な段差ごとの高さを変化させることができ、擬似的な傾斜面の角度を任意に変化させることができる。そこで、マスクを、素子方向を中心として左右交互に非対称に設置すれば左右非対称の傾斜面を有する形状が周期的に連続する導波路構造を作製することができる。

以上説明したように本発明によれば、半導体の加工方法における半導体の表面上に形成するマスクにおいて、マスクパターンの面積がマスク内において変化しており、マスクの形状が素子方向に対して非対称であるので、制御性に優れた傾斜面を有する光導波路の加工を可能にする。この手法に基づき、素子方向に垂直な断面において左右非対称である傾斜面を有する形状が周期的に連続する導波路構造を作製することができる。また、この傾斜面を有する光導波路構造は入射光の偏波を効率よく回転させることを可能にする。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図６（ａ）〜（ｈ）は、本発明の半導体素子の作製方法の実施例１を説明するための工程図で、傾斜面を有する周期的導波路層構造の作製方法を示す工程図である。図中符号６０はＩｎＰ基板、６１はＩｎＧａＡｓＰ導波層（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、６２はＩｎＰクラッド層（層厚：０．３μｍ厚）、６３はマスク、６４はレジストパターン、６５はレジストパターンの上面図、６６はマスク部分、ａは傾斜面を示している。

図６（ａ）〜（ｇ）は、本実施例の周期的導波層構造における基本単位構造の断面図で、図６（ａ）は作製に用いた試料を示す。図６（ｂ）はマスク６３形成後、図６（ｃ）はレジストパターン６４の形成後（６５はレジストパターンの上面図、６６はマスク部分である。）、図６（ｄ）はマスクへの転写後、図６（ｅ）はレジストパターン除去後、図６（ｆ）はドライエッチング後、図６（ｇ）はマスク除去後の各プロセス段階での試料の断面図である。図６（ｈ）はこのプロセスにより作製される傾斜面を有する基本単位構造を交互に左右反転させて素子方向に２つ並べた１ブロックを示す図である。

本実施例１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（ＲＩＢＥ；Reactive Ion Beam Etching）を用いた場合について説明する。
図６（ａ）〜（ｇ）は、本実施例１の周期的導波層構造における基本単位構造の断面図である。試料にはＩｎＰ基板６０上にＩｎＧａＡｓＰ導波層６１（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、ＩｎＰクラッド層６２（層厚：０．３μｍ厚）を成長させた結晶を用いる（図６（ａ））。この試料表面に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜６３を形成する（図６（ｂ））。

ＳｉＯ_２膜６３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６４を作製する（図６（ｃ））。このレジストパターン６４（上面図６５）は、素子方向について左右交互に周期的にマスク部分６６を有する。レジストパターンをマスクとして反応性ドライエッチングによってＳｉＯ_２膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＯ_２膜６３に転写する（図６（ｄ））。レジストパターン６４を除去することにより、ＩｎＰ上に傾斜面ａを有する導波層構造を作製するためのＳｉＯ_２マスクが形成される（図６（ｅ））。

このＳｉＯ_２マスクを形成した試料にＲＩＢＥ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。マスクから半導体表面への塩素プラズマの拡散によりマスク端から離れるにつれてエッチング深さが浅くなり、傾斜面を有する形状が形成される（図６（ｆ））。ここで、エッチング条件（ガス流量、ガス圧力、マイクロ波放電電力、イオン引出し電圧、基板温度など）を変化させることにより、塩素プラズマのマスク端から半導体表面への拡散長が変化するので、傾斜面の角度を変化させることができる。本実施例１の構造における傾斜面の角度は６０°である。

最後にＳｉＯ_２膜６３を、炭化フッ素系ガス（Ｃ_２Ｆ_６など）を用いたＲＩＥにより除去する（図６（ｇ））。このような傾斜面を有する基本単位構造を交互に左右反転させて素子方向に２つ並べたものを１ブロックとして（図６（ｈ））、このブロックを図１（ｂ）に示すように連続して並べることにより、素子長６００μｍで８０度の偏波回転を実現した。

ここで、偏波回転角度８０度は、周期導波路構造における異なる傾斜角度、素子長及び導波層の結晶組成、層厚の組み合わせにより達成できる。また、周期導波路構造における異なる傾斜角度、素子長及び導波層の結晶組成、層厚の組み合わせを用いることにより、偏波回転角度を変化させることもできる。

図７（ａ）〜（ｆ）は、本発明の半導体素子の作製方法の実施例２を説明するための工程図で、傾斜面を有する周期的導波路層構造の作製方法を示す工程図である。図中符号７０はＩｎＰ基板、７１はＩｎＧａＡｓＰ導波層（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、７２はＩｎＰクラッド層（層厚：０．３μｍ厚）、７３はマスク、ａは傾斜面を示している。

図７（ａ）〜（ｅ）は、本実施例２の周期的導波層構造における基本単位構造の断面図である。図７（ａ）は作製に用いた試料を示す。図７（ｂ）はメタンＲＩＥによるポリマーの堆積後、図７（ｃ），（ｄ）はそれぞれドライエッチング前、後、図７（ｅ）はマスク除去後の各プロセス段階での試料の断面図である。図７（ｆ）はこのプロセスにより作製される傾斜面を有する基本単位構造を交互に左右反転させて素子方向に２つ並べた１ブロックを示す図である。

本実施例２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。ＩｎＰ上のＳｉＯ_２マスク７３は、実施例１と同様のものを用いる。

ＩｎＰ基板７０上にＩｎＧａＡｓＰ導波層７１（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、ＩｎＰクラッド層７２（層厚：０．３μｍ厚）を成長させた結晶の表面にＳｉＯ_２マスク７３を形成した試料（図７（ａ））について、メタンガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；Reactive Ion Etching）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７４が堆積する過程が主となる。

このとき、開口部に堆積するポリマー７４の厚さはマスクからの距離に依存し、マスクに近いほどマスク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７４の厚さは増加する（図７（ｂ））。したがって、開口部に堆積するポリマー７４の厚さは、マスクに近いほど厚く離れるにつれて薄くなり、傾斜面を有する構造になる。

引き続き、イオンミリングによってＩｎＰクラッド層７２、ＩｎＧａＡｓＰ導波層７１とポリマー７４を同時にエッチングする（図７（ｃ））。イオンミリングはアルゴンガスを用いて１０^−３Ｐａ、加速電圧１ｋｅＶの条件で施した。このイオンミリングにおいては、ＩｎＰクラッド層７２、ＩｎＧａＡｓＰ導波層７１とポリマー７４について同等のエッチング速度を有する。

したがって、エッチングされたＩｎＰクラッド層７２、ＩｎＧａＡｓＰ導波層７１の形状は堆積したポリマー７４の形状を反映するので、ポリマー７４とほぼ同じ角度の傾斜面ａを有する（図７（ｄ））。ここで、プラズマ条件（ガス流量、ガス圧力、マイクロ波放電電力など）を変化させることにより、炭化水素プラズマのマスク端から半導体表面への拡散長が変化するので、開口部に堆積するポリマー７４の傾斜面が変化する。このポリマー７４の傾斜面の角度の変化により、ＩｎＰクラッド層７２、ＩｎＧａＡｓＰ導波層７１の傾斜面の角度を任意に変化させることができる。

最後にＳｉＯ_２膜６３を炭化フッ素系ガス（Ｃ_２Ｆ_６など）を用いたＲＩＥにより除去する（図７（ｅ））。実施例１と同様に、このような傾斜面を有する基本単位構造を交互に左右反転させて素子方向に２つ並べたものを１ブロックとして（図７（ｆ））、このブロックを連続して並べることにより、傾斜面を有する周期的導波層構造を作製することができる。

図８（ａ）〜（ｊ）は、本発明の半導体素子の作製方法の実施例３を説明するための工程図で、傾斜面を有する周期的導波路層構造の作製方法を示す工程図である。図中符号８０はＩｎＰ基板、８１はＩｎＧａＡｓＰ導波層（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、８２はＩｎＰクラッド層（層厚：０．３μｍ厚）、８３はマスク、８４はマスクパターンの上面図、８５は導波層領域、８６はマスク部分、ａは傾斜面を示している。

図８（ａ）〜（ｇ）は、本実施例３の周期的導波層構造における基本単位構造の断面図である。図８（ａ）は作製に用いた試料を示す。図８（ｂ）は１回目のメタンＲＩＥ後（８７はポリマー）、図８（ｃ）はポリマー除去後、図８（ｄ）は２回目のメタンＲＩＥ後、図８（ｅ）はこのプロセスを繰り返し施した後、図８（ｆ）はポリマー除去後、図８（ｇ）はマスク除去後、図８（ｈ）は導波層領域上にマスク形成後、図８（ｉ）はドライエッチングによる導波層領域外の除去後、図８（ｊ）は導波層領域上にマスク除去後の各プロセス段階での試料の断面図である。

本実施例３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２と同じであるが、傾斜面を有する導波層構造の形成過程が異なる。ＩｎＰ基板８０上にＩｎＧａＡｓＰ導波層８１（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、ＩｎＰクラッド層８２（層厚：０．３μｍ厚）を成長させた結晶の表面にＳｉＯ_２マスク８３を実施例１と同様に形成する（図８（ａ））。但し、マスク形状は実施例１と異なり、素子方向について導波層領域８５を挟んで左右交互に周期的にマスク部分８６を有する（上面図８４）。

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、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施すと、導波層領域８５におけるマスクから０．２μｍ以内の範囲では、マスク上から水素の供給が十分あるのでポリマー８７が堆積することなくエッチングが進行する。一方、導波層領域８５におけるマスクから０．２μｍ以上の範囲では、マスク上から水素の供給が不足するので、ポリマー８７が堆積してエッチングが進行しない（図８（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８７が除去される（図８（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、導波層領域８５におけるマスクから０．４μｍ以内の範囲では、水素の供給が増加するのでポリマー８７が堆積することなくエッチングが進行する。一方、導波層領域８５におけるマスクから０．４μｍ以上の範囲では、マスク上から水素の供給がまだ不足するので、ポリマー８７が堆積してエッチングが進行しない（図８（ｄ））。

したがって、導波層領域８５におけるマスクから０．２μｍ以内では、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、その深さはマスクから導波層領域８５における０．２μｍから０．４μｍまでの範囲で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８７が除去される。このようにＲＩＥと酸素プラズマ照射を交互に繰り返す際に、ＲＩＥを施すごとに水素流量を増加させることにより、マスクから離れるにつれて深さが浅くなる形状、すなわち、微細な段差を有する擬似的な傾斜面ａを有する形状を形成することができる（図８（ｅ），（ｆ））。

ここで、プラズマ条件（ガス流量、ガス圧力、マイクロ波放電電力など）を変化させることにより、水素プラズマと炭化水素プラズマのマスク端から半導体表面への拡散長が変化するので、エッチングされる導波層領域８５における範囲（マスクからの距離）が変化する。

したがって、単位エッチング時間当りのエッチングにより形成される各段差の面積（長さ）が変化するので擬似的な傾斜面の角度を変化させることができる。また、各段差の形成時のエッチング時間を変化させることによっても、単位エッチング時間当りのエッチングにより形成される各段差の高さが変化するので擬似的な傾斜面の角度を任意に変化させることができる。

最後に、炭化フッ素系ガス（Ｃ_２Ｆ_６など）を用いたＲＩＥによるマスク８３の除去（図８（ｇ））、フォトリソグラフィーによる導波層領域８５表面のＳｉＯ２マスク８８の形成（図８（ｈ））、メタンと水素の混合ガス（メタン濃度２０％）を用いたＲＩＥ（ガス流量が８０ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）による導波層外部領域の除去（図８（ｉ））、炭化フッ素系ガス（Ｃ_２Ｆ_６など）を用いたＲＩＥによるマスク８８の除去（図８（ｊ））を施す。

このように実施例１と同様に、このような傾斜面ａを有する基本単位構造を交互に左右反転させて素子方向に２つ並べたものを１ブロックとして、このブロックを連続して並べることにより、傾斜面を有する周期的導波層構造を作製することができる。傾斜面を有する周期的導波層構造を作製する。

このように本実施例３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。

図９（ａ）〜（ｄ）は、本発明の半導体素子の作製方法の実施例４を説明するための工程図で、同一面で異なる角度の傾斜面を有する周期的導波路層構造の作製方法を示す工程図である。図中符号９０はＩｎＰ基板、９１はＩｎＧａＡｓＰ導波層（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、９２はＩｎＰクラッド層（層厚：０．３μｍ厚）、９３はマスク、９４はポリマー、９５は導波層領域、９６は導波層領域とその外部領域との境界線、９７はマスク部分、ａは傾斜面を示している。

図９（ａ）は本実施例４における導波層構造の作製のために試料表面に形成するＳＩＯ_２マスクの上面図、図９（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ異なる面積（幅）を有するマスク近傍の試料の断面図である。

試料にはＩｎＰ基板９０上にＩｎＧａＡｓＰ導波層９１（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、ＩｎＰクラッド層９２（層厚：０．３μｍ厚）を成長させた結晶を用い、その表面にＳｉＯ_２マスク９３を形成する。本実施例４における導波層構造の作製のために試料表面に形成するＳＩＯ_２マスク９３の上面図（図９（ａ））と、異なる面積（幅）を有するマスク９３近傍の試料の断面図（図９（ｂ）〜（ｄ））を示す。マスク９３においてマスク部分９７の面積（幅）を面内で変化させている。

図９（ａ）に示すマスクを有する試料について実施例４の作製方法を施す場合、ＲＩＥによるエッチングと酸素プラズマ照射によるポリマーの除去を交互に繰り返す際に、ＲＩＥを施すごとに水素流量を増加させることにより、導波層領域９５においてマスクから離れるにつれて微細な段差の深さが浅くなる形状、すなわち、微細な段差を有する擬似的な傾斜面ａを有する形状を形成することができる（図９（ｂ）〜（ｄ））。このエッチングにおいてＲＩＥの際のメタンプラズマ及び水素プラズマの増加に伴い段差ごとの深さが深くなるので、擬似的な傾斜面の角度は増加する。

そこで、本実施例４のマスクを用いれば、マスクの面積（幅）の増加に伴い、マスク上からＩｎＰ表面に拡散するメタンプラズマ及び水素プラズマが増加するので、擬似的な傾斜面の角度は増加する（図９（ｂ））。このように本実施例４におけるマスク面積（幅）が異なるマスクを用いることにより、同一面内で異なる角度の傾斜面を有する導波層構造を作製することができる。

図１０（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例５である半導体偏波回転素子を示す図で、図１０（ａ）は本実施例５における素子の上面図、図１０（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ異なる角度の傾斜面を有する導波層から部分の断面図である。図中符号１００はｎ型ＩｎＰ基板、１０１はＩｎＧａＡｓＰ導波層（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、１０２はｐ型ＩｎＰクラッド層（層厚：０．３μｍ厚）、１０３は電極分離ＳｉＯ_２膜、１０４は電極、ａは傾斜面を示している。

図１０（ａ）に示すように、本実施例５における素子は３つの領域からなり、図１０（ｂ）〜（ｄ）に示すように、それぞれの領域において導波層は異なる角度の傾斜面ａを有する。それぞれの導波層は、図１０（ｂ）〜（ｄ）の断面図に示すように、基本単位構造を交互に左右反転させて素子方向に２つ並べたブロックが連続する周期的導波層構造からなる。

本素子構造においては、傾斜角度の異なる導波層によって偏波面の回転角度は異なる。さらに傾斜角度の異なる導波層ごとに電極１０４から電流注入をすることができる。電流注入により各導波層の屈折率が変化するので、偏波面の回転角度も変化する。したがって、傾斜角度の異なる導波層ごとに注入する電流を変化させることにより偏波面を任意の角度に回転させることができる。

図１１（ａ）〜（ｉ）は、図１０（ａ）〜（ｄ）に示した本発明の半導体偏波回転素子の作製方法を説明するための工程図で、図中符号１１０はＩｎＰ基板、１１１はＩｎＧａＡｓＰ導波層（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、１１２はＩｎＰクラッド層（層厚：０．３μｍ厚）、１１３はマスク、１１５はｐ型ＩｎＰ埋込層、１１６は導波層作製用マスク、１１７はＳｉＯ_２膜、１１８は電極分離ＳｉＯ_２膜、１１９は電極、ａは傾斜面を示している。

図１１（ａ）は作製に用いた試料を示す。図１１（ｂ）は導波層の傾斜面の形成後、図１１（ｃ）は埋込成長用マスク１１４形成後、図１１（ｄ）は埋込選択成長後（１１５はｐ型ＩｎＰ埋込層）、図１１（ｅ）は導波層作製用マスク１１６形成後、図１１（ｆ）は導波層形成後、図１１（ｇ）はＳｉＯ_２膜１１７形成後、図１１（ｈ）は電極分離ＳｉＯ_２膜１１８加工後、図１１（ｉ）は電極１１９形成後の各プロセス段階での試料の断面図である。

試料にはｎ型ＩｎＰ基板１１０上にＩｎＧａＡｓＰ導波層１１１（組成波長：１．１μｍ、層厚：０．７μｍ）、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１２（層厚：０．３μｍ厚）を成長させた結晶を用い、その表面にＳｉＯ_２マスク１１３を形成する（図１１（ａ））。この試料について実施例５である作製方法により面内で角度が異なる傾斜面ａを有する導波層を作製する（図１１（ｂ））。

図１１（ｂ）において加工されなかった領域表面上に形成したＳｉＯ_２マスク１１４を用いて（図１１（ｃ））、加工された領域を埋込選択成長によりｐ型ＩｎＰ結晶１１５によって埋め込む（図１１（ｄ））。

次に、導波層上に形成したＳｉＯ_２マスク１１６を用いて（図１１（ｅ））、メタンと水素の混合ガス（メタン濃度２０％）を用いたＲＩＥ（ガス流量が８０ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ）により導波層構造を作製する（図１１（ｆ））。

最後に、試料全面に形成したＳｉＯ_２膜１１７をフォトリソグラフィーと炭化フッ素系ガス（Ｃ_２Ｆ_６など）を用いたＲＩＥにより電極分離ＳｉＯ_２膜１１８に加工した後、電極１１９を形成する。

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明の各実施例では、素子用半導体結晶として化合物半導体ＩｎＰ結晶を用いているが、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、導波層には単一材料だけではではなく数種の材料からなる積層構造を用いてもよい。

また、各実施例では、導波層構造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。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。

（ａ），（ｂ）は、傾斜面を有する周期的光導波路層構造を示す図である。 （ａ）〜（ｈ）は、図１に示した傾斜面を有する周期的光導波路層構造を作製するための作製方法を示す工程図である。 （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。 （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とも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）〜（ｈ）は、本発明の半導体素子の作製方法の実施例１を説明するための工程図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の半導体素子の作製方法の実施例２を説明するための工程図である。 ８（ａ）〜（ｊ）は、本発明の半導体素子の作製方法の実施例３を説明するための工程図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の半導体素子の作製方法の実施例４を説明するための工程図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施例５である半導体偏波回転素子を示す図である。 （ａ）〜（ｉ）は、図１０に示した本発明の半導体偏波回転素子の作製方法を説明するための工程図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 光導波路
１２ クラッド層
１３ 入射光
１４ 出射光
２０ 試料（ＩｎＰ結晶）
２１，３３ マスク
２２ レジストパターン
３１，４１，５１ 半導体原子
３２ エッチング種（原子）
４２，５２ 炭化水素プラズマ
４３，５３ 水素プラズマ
４４，５４ 誘電体（ＳｉＯ_２など）マスク
４５，５５，９４ ポリマー
６０，７０，８０，９０，１１０ ＩｎＰ基板
６１，７１，８１，９１，１０１，１１１ ＩｎＧａＡｓＰ導波層
６２，７２，８２，９２，１１２ ＩｎＰクラッド層
６３，７３，８３，９３，１１３ マスク
６４ レジストパターン
６５，８４ レジストパターンの上面図
６６，８６，９７ マスク部分
８５，９５ 導波層領域
９６ 導波層領域とその外部領域との境界線
１００ ｎ型ＩｎＰ基板
１０２ ｐ型ＩｎＰクラッド層
１０３，１１８ 電極分離ＳｉＯ_２膜
１０４，１１９ 電極
１１５ ｐ型ＩｎＰ埋込層
１１６ 導波層作製用マスク
１１７ ＳｉＯ_２膜
ａ 傾斜面

Claims (9)

1. 半導体表面上にマスクを形成してエッチングする半導体素子の作製方法において、
   前記マスク近傍の前記半導体表面で密度が増加するエッチング種が、前記マスク端から前記マスクで覆われていない前記半導体表面へ拡散して、前記マスク端からの距離の増加にともないエッチング深さが減少することにより傾斜面を有する導波路構造を形成することを特徴とする半導体素子の作製方法。
2. 前記エッチングが、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に記載の半導体素子の作製方法。
3. 前記エッチング種が、炭化水素プラズマと水素プラズマである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. 前記エッチング種が、炭化水素プラズマと水素プラズマとを含み、前記マスク近傍の前記半導体表面におけるエッチングと、前記マスクから離れた前記半導体表面における炭化水素系重合体（ポリマー）の堆積とが、同時に生じる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。
5. 前記炭化水素系重合体（ポリマー）を、酸素プラズマ照射により除去することをさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の作製方法。
6. 前記エッチングの条件を変化させることにより、前記マスク端から前記半導体表面への前記エッチング種の拡散長を変化させ、前記傾斜面の角度を変化させることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の半導体素子の作製方法。
7. 前記マスクの幅を変化させることにより、前記マスク端から前記半導体表面への前記エッチング種の量を変化させ、前記傾斜面の角度を変化させることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の半導体素子の作製方法。
8. 基板上に導波層を設け、該導波層上にクラッド層を設けてなる半導体素子の作製方法において、
   前記クラッド層上に酸化シリコン膜を形成する第１の工程と、
   該酸化シリコン膜上に、素子方向に対して左右交互に周期的にマスク部分を有するレジストパターンを形成する第２の工程と、
   該レジストパターンを前記酸化シリコン膜に転写する第３の工程と、
   前記レジストパターンを除去して、前記クラッド層及び前記導波層に傾斜面を有する導波層構造を形成するためのマスクを作製する第４の工程と、
   前記マスクを介してエッチングにより前記クラッド層及び前記導波層に傾斜面を有する導波層構造を形成する第５の工程と、
   前記酸化シリコン膜を除去して、傾斜面を有する基本単位構造を交互に左右反転させて素子方向に２つ並べたものを１ブロックとして、該ブロックを連続して並べる第６の工程とを備え、
   前記第５の工程が、請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体素子の作製方法を備えることを特徴とする半導体素子の作製方法。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体素子の作製方法により作製される半導体素子における光導波路が、素子方向に垂直な断面において左右非対称である形状の光導波路構造を有することを特徴とする半導体素子。

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