JP4447498B2

JP4447498B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4447498B2
Application number: JP2005090357A
Authority: JP
Inventors: 寛渡辺
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: JP2006278362A

Description

この発明は、レジストパターンの形成を伴う半導体装置およびその製造方法に関し、特に、半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。

ＡｌＧａＩｎＮ系半導体などの窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ素子は、サファイア基板やＧａＮ基板等の透明な半導体基板上に形成される。

半導体レーザ素子の製造に必要な最小パターン寸法は２μｍ程度であるため、転写工程においては、ＫｒＦステッパなどの高価な露光装置は必要なく、水銀ランプを用いたｇ線（波長：４３６ｎｍ）またはｉ線（波長：３６５ｎｍ）を照射可能な安価な露光装置によりパターン転写を行うことができる。

しかし、サファイア基板やＧａＮ基板を透過した露光光は、基板裏面にて反射し、裏面からの反射光がフォトレジストを感光させるために、レジストパターンの寸法精度が低下するという問題がある。下記特許文献１においては、この問題を解決するため、基板裏面に露光波長の１／１０程度の凹凸を設けて露光し、フォトレジストへのパターン転写を行う方法が採用されている。このレジストパターン形成方法によれば、基板表面から入射した露光光が基板裏面の凹凸で乱反射され、反射光の基板表面における強度が減少し、高精度のレジストパターンが得られる、とのことである。

すなわち、特許文献１の図５に示されている通り、ＧａＮ基板１００の裏面には、露光波長の１／１０以上の段差を有する凸凹１００ａが設けられる。そして、ＧａＮ基板１００上には、レジスト膜１７１が形成される。その後、水銀ランプのｇ線を光源とした露光光１７３により、レジスト膜１７１へのパターン転写が行われる。

この露光方法では、半導体基板１上の、遮光体で形成されたマスクパターンを有するフォトマスク１７２において、遮光されていない透過部１７２ａを透過した露光光がレジスト膜１７１に照射される。露光光の一部はレジスト膜５に吸収され、残りの露光光のうち、レジスト膜５とＧａＮ基板１００を透過した光が基板裏面の凸凹１００ａによって乱反射され、反射光１７５が再びレジスト膜１７１を露光することになる。基板裏面で反射しなかった露光光は透過光１７４として基板裏面を透過する。

特許文献１の第００９２段落によると、露光光が基板裏面の凹凸１００ａで乱反射することによって、基板表面での反射光の強度が減少するために高精度のレジストパターンが得られると説明されている。

特開２００２−１４１２８３号公報

上記特許文献１に記載のレジストパターン形成方法において見出した新たな課題について説明する。

本願出願人は、半導体レーザ素子の光導波構造を半導体基板上に形成することを目的として、光導波構造となるリッジパターンのフォトレジストへの転写について、上記特許文献１に記載のレジストパターン形成方法を用いて実験を行った。リッジパターンとしては、幅１．５μｍ程度のストライプ状の透過部、その両脇に幅２０μｍの長方形状の遮光体、さらにその両側に周辺パターンとして幅１８０μｍの長方形状の透過部を一組として、その繰り返しパターンとして構成されている直線状のマスクパターンが配置されているフォトマスクを用いて、パターン転写を実施した。すなわち、幅１．５μｍ程度のストライプ状の透過部下のレジスト部分、および、幅１８０μｍの長方形状の透過部下のレジスト部分が、露光光が照射される露光部となり、幅２０μｍの長方形状の遮光体下のレジスト部分が非露光部となる。

このパターン転写においては、フォトレジスト膜としてネガ型レジストを用いた。マスクを透過した露光光によりレジスト膜へのパターン転写を行い、現像したところ、レジスト膜の非露光部（つまり、遮光体で光が遮られたリッジパターン両側の幅２０μｍの領域）にレジスト残渣が発生し、マスクパターンに対応したレジストパターンを形成することができないという課題が生じた。

なお、ネガ型レジストでは非露光部のレジスト膜が現像液に溶解するため、露光部のレジスト膜が現像後にレジストパターンとして残る。一方、ポジ型レジストでは、ネガ型レジストとは逆に露光部のレジスト膜が現像液に溶解するため、非露光部のレジスト膜が現像後にレジストパターンとして残る。

次に、露光量を様々に変化させて、上記と同様のパターン転写を実施した。露光量を十分に減少させてマスクパターンの転写を行うと、非露光部のレジスト残渣は消失した。その場合はしかし、レジストパターンの形成に必要な露光量が不足するため、レジスト膜の膜厚が減少したり、レジストパターン側壁の垂直性が低下したりするため、リッジパターンの解像性が制限されるという課題が生じた。

レジスト残渣の発生について検討するに、非露光部のレジスト残渣は、最低露光量（現像後の露光部にレジスト膜が形成されるのに最低必要な露光量を指す。これをＤ０［ｍＪ／ｃｍ²］とする）の１．６７倍以上の露光量で露光部を照射したときに発生していた。すなわち、非露光部は基板裏面で乱反射された反射光によって露光され、このときの反射光は最低露光量と同じか、それを上回る強度を有していると考えられる。よって、非露光部のレジストには、露光部への露光量（Ｄ０×１．６７）の約６０％（＝１／１．６７×１００％）に相当する光強度、あるいはそれ以上の光強度を持つ反射光が照射されたことになる。

上記特許文献１の第００９１段落によれば、ＧａＮ基板の裏面が鏡面である場合には、基板裏面での露光光の反射率は約２０％程度とされている。さらに、同じく上記特許文献１の第００９１段落によると、ＧａＮ基板の裏面で乱反射が起こる場合には基板表面への反射光の強度は、裏面が鏡面の場合と比較して、減少すると説明されている。

つまり、非露光部のレジストに照射された反射光の強度は、従来考えられていた反射光の光強度よりも、少なくとも３倍程度（６０％＝２０％×３）大きいことになる。つまり、従来考えられているよりも少ない露光量で、非露光部にレジスト残渣が発生していることがわかった。

次に、レジスト残渣の発生する露光量が著しく低下する原因について考察する。基板裏面の凹凸で乱反射された反射光は−９０度〜＋９０度の範囲の様々な入射角度（基板表面の垂線と反射光とがなす角度)で再度、レジスト膜に入射する。露光波長におけるＧａＮ基板とレジスト膜との屈折率が異なるため、レジスト膜への入射角度によってレジスト内の反射光の振る舞いが異なってくる。

臨界角φ（定義は後記する）よりも小さい入射角度の反射光（すなわち、基板表面の垂線に近い光路の反射光）は、ＧａＮ基板の表面とレジストとの界面で屈折してレジスト内に入射し、レジスト膜を感光させる。一方、臨界角φ以上の大きな入射角度の反射光（すなわち、基板表面に平行な線に近い光路の反射光）は、ＧａＮ基板の表面とレジスト膜との界面で全反射し、基板の裏面に向かい、再度基板裏面の凹凸によって乱反射され、このような反射を繰り返す。

レジスト膜は、レジスト膜に入射する臨界角φよりも小さい入射角度の反射光により感光するのは当然ながら、それのみならず、全反射される反射光によっても感光する。基板表面の全反射点では、反射光の一部がレジスト側に露光波長程度の長さだけエバネッセント光としてしみ出すことが知られているからである。

たとえば、ｇ線波長の場合、全反射点における基板界面近傍の感光領域は、基板表面から波長分の距離、つまりレジスト内の０．４３６μｍの範囲となる。レジスト膜厚を１μｍとすると、レジスト膜厚の約４０％程度に相当する範囲のレジスト膜がエバネッセント光によって感光されることになる。

臨界角φは、ＧａＮ基板の屈折率をn1、レジストの屈折率をn2として、sin(φ)=n2／n1（ただし、n1＞n2）で定義される。例えばｇ線波長に対するＧａＮ基板の屈折率を２．５４、レジストの屈折率を１．６５とすると、臨界角φは４０．５度となる。つまり、−４０．５度〜＋４０．５度までの入射角を持つ反射光は、レジストを透過し、＋４０．５度〜＋９０度と−４０．５度〜−９０度の範囲の入射角を持つ反射光は、全反射することになる。すなわち、全反射が起こる角度範囲は基板裏面での反射可能な角度範囲の５０％以上に相当するため、広い角度範囲に乱反射されるほど全反射が起こりやすくなる。

特許文献１に記載の従来技術においては、基板表面とレジストとの界面で全反射される反射光によるレジストの感光が考慮されていなかったため、基板裏面で乱反射さえすれば基板表面の反射光が減少し、レジストパターンが高精度に形成できると考えられていた。しかし、全反射される反射光によるレジストの感光を考慮すると、むしろ乱反射させると基板表面で全反射する反射光の割合が増加するため、非露光部にレジスト残渣が発生する。これが、従来よりも低い露光量でレジスト残渣が生じた原因であると考えられる。

この発明は上記の事情に鑑み、レジスト残渣の発生する露光量が著しく低下する原因を詳細に検討して得られた知見に基づいてなされたものであって、基板裏面の反射光に起因する非露光部のレジスト残渣の発生という、従来には発見されていなかった課題を解決可能な半導体装置の製造方法を実現するものである。

本発明は、（ａ）半導体基板上にレジスト膜を形成する工程と、（ｂ）第１透過部を有する第１フォトマスクを用いて、前記レジスト膜に第１露光を行う工程と、（ｃ）前記第１透過部に比して大面積の第２透過部を前記第１透過部に重複しない領域において有する第２フォトマスクを用いて、前記レジスト膜に第２露光を行う工程と、（ｄ）前記レジスト膜を現像する工程とを備え、前記第１透過部の面積をＳ１、前記第２透過部の面積をＳ２、前記第１露光における露光量をＤ１、前記第２露光における露光量をＤ２、同一露光量で前記第１および第２露光を行った場合に、前記レジスト膜のうち非露光部にレジスト残渣が現像後に生じるときの露光光の最低露光量をＤ３として、

の関係を満たしつつ、前記露光量Ｄ１とＤ２とを異なった値とする半導体装置の製造方法である。

本発明によれば、レジスト膜への露光が、第１透過部を有する第１フォトマスクを用いた第１露光と、第１透過部に比して大面積の第２透過部を第１透過部に重複しない領域において有する第２フォトマスクを用いた第２露光とに分割され、かつ、第１露光における露光量Ｄ１と、第２露光における露光量Ｄ２とが所定の関係式を満たしつつ、露光量Ｄ１とＤ２とを異なった値とする。よって、露光量Ｄ１を増強して第１露光を行い、露光量Ｄ２を抑制して第２露光を行うことで、非露光部にレジスト残渣を発生させず、かつ、レジスト膜厚の減少やレジストパターン側壁の垂直性低下を抑制可能な半導体装置の製造方法が実現できる。

＜原理＞
本発明は、レジスト膜への露光を、第１透過部を有する第１フォトマスクを用いた第１露光と、第１透過部に比して大面積の第２透過部を第１透過部に重複しない領域において有する第２フォトマスクを用いた第２露光とに分割し、かつ、第１露光における露光量Ｄ１と、第２露光における露光量Ｄ２とが所定の関係式を満たしつつ、露光量Ｄ１とＤ２とを異なった値とした半導体装置の製造方法である。ここでは、本発明の原理について説明する。

図１および図３は、レジストパターンの形成を伴う本発明に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。

まず、裏面に凸凹１１を有する半導体基板たるＧａＮ基板８上にネガレジストを塗布し、レジスト膜１２を形成する。次に、波長４３６ｎｍのｇ線を露光光１ａ，１ｂとして、レジスト膜１２上の同一露光領域を、マスクパターンの異なる第１および第２フォトマスク５ａ，５ｂを用いて、異なる露光量でそれぞれ１回ずつ計２回露光する。

図２は、第１フォトマスク５ａの平面図である。また、図４は、第２フォトマスク５ｂの平面図である。図１および図２に示すように、第１フォトマスク５ａには、ガラス基板２ａ上に設けられた第１遮光部３ａにより、半導体レーザ素子におけるリッジパターン形成用のストライプ状の第１透過部４ａが規定されている。第１透過部４ａのリッジ幅Ｄ１は例えば１．５μｍである。また、第１透過部４ａの開口面積をＳ１とする。

この第１フォトマスク５ａを用いて、露光光１ａによりレジスト膜１２に第１露光が行われる。この第１露光により、レジスト膜１２に露光部６が形成される。なお、レジスト膜１２のそれ以外の部分は、非露光部７のままである。露光光１ａは、ＧａＮ基板８の裏面にて透過光９と反射光１０とに分かれる。

図３および図４に示すように、第２フォトマスク５ｂには、ガラス基板２ｂ上に設けられた第２遮光部３ｂにより、リッジパターンの両脇の周辺パターンとなる長方形状の第２透過部４ｂが規定されている。第２透過部４ｂは第１透過部４ａに比して大面積であり、第２フォトマスク５ｂは、第１透過部４ａに重複しない領域（図４において第１透過部４ａの対応箇所を破線にて明示）において第２透過部４ｂを有する。第２透過部４ｂの各々の開口幅Ｄ４は例えば１８０μｍである。第２遮光部３ｂの遮光幅Ｄ２は例えば４１．５μｍである。露光部６の両脇の非露光部７の幅Ｄ３はそれぞれ２０μｍである。また、第２透過部４ｂの総開口面積をＳ２とする。

この第２フォトマスク５ｂを用いて、露光光１ｂによりレジスト膜１２に第２露光が行われる。この第２露光により、レジスト膜１２に露光部１３が形成される。露光光１ｂは、ＧａＮ基板８の裏面にて透過光９と反射光１０とに分かれる。

第２露光では、第１露光で露光された露光部６を第２フォトマスク５ｂの第２遮光部３ｂにより遮光することによって、露光部６が二重露光されないようにした。つまり、第１および第２露光において、レジスト膜１２の同一箇所が重複して露光されることはない。

ここで、二重露光とは、レジスト膜１２の同一箇所が露光光によって２回露光されることを指し、反射光１０によるレジスト膜１２への露光は、二重露光には含まれない。第１露光による露光部が、第２露光にて第２フォトマスク５ｂの第２遮光部３ｂで遮光されておれば、露光光によって二重露光されることはない。なお、本発明に係るレジストパターン形成方法では、二重露光によってパターンの解像性を改善しているわけではない。

この後、レジスト膜１２を現像液により現像する。これにより、非露光部７のレジスト膜が現像液に溶解し、露光部６および１３のレジスト膜が現像後にレジストパターンとして残る。この後、ドライエッチング等を行えば、露光部６下に半導体レーザ素子におけるリッジパターンが形成される。

さて、本発明に係る半導体装置の製造方法においては、上記の第１露光における露光光１ａの露光量Ｄ１［ｍＪ／ｃｍ²］と、第２露光における露光光１ｂの露光量Ｄ２［ｍＪ／ｃｍ²］とを、異なる値に設定している。この点につき、以下に説明する。

一般に、ＧａＮ基板８の裏面で乱反射された反射光１０は、広い角度範囲に反射されるため、ＧａＮ基板８表面における反射光１０の平均強度は、露光量Ｄとフォトマスク内の透過部の総面積Ｓとの積を、レジスト膜１２上の露光画角の面積Ｅで割った値に比例すると考えられる。なお、露光画角とは、ステッパにより基板の位置をずらしながら基板上のレジスト膜にマスクパターンを繰り返し転写する際の、一度の露光でマスクパターンが転写される基板上の最大露光領域のことを指す。

そして、非露光部７における反射光１０の平均強度が、レジスト膜１２におけるパターンの形成に必要な一定の露光量（レジスト膜１２のうち露光部が現像後に残るために必要な最低露光量）Ｄ０［ｍＪ／ｃｍ²］を越えた時に、非露光部７にレジスト残渣が生じると考えられる。

そこで、反射光１０による非露光部７への最低露光量Ｄ０を、

と定義する。ここで、βはレジストの種類で決まる比例定数である。また、露光量Ｄ３［ｍＪ／ｃｍ²］は、同一露光量で第１および第２露光を行った場合に、レジスト膜１２のうち非露光部７にレジスト残渣が現像後に生じるときの、露光光１ａ，１ｂの最低露光量である。露光量Ｄ３を数２に導入したのは、第１露光における露光量Ｄ１の値と第２露光における露光量Ｄ２の値との間に差異を設ける基準を、同一露光量で第１および第２露光を行った場合とするためである。

ここで、リッジパターン形成用の第１フォトマスク５ａと周辺パターン形成用の第２フォトマスク５ｂとを用いた２回の重ね露光によって、非露光部７にレジスト残渣が発生しないためには、２回の露光の際の非露光部７への反射光１０の平均強度の和が、最低露光量Ｄ０を越えないことが必要である。

つまり、非露光部７にレジスト残渣が発生しない条件として、

を満たす必要がある。なお、Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２である。

数３の両辺からβ／Ｅを削除して整理すると、

と書き直すことができる。

第１露光における露光量Ｄ１と、第２露光における露光量Ｄ２とをともに露光量Ｄ３よりも小さくすると、上記の数４を満足するため、非露光部７のレジスト残渣は消失するが、レジストパターン側壁の垂直性が低下し、解像性が制限されるという課題がある。この課題を解決するために、数４の関係式を満たしつつ、第１および第２露光における露光量Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ異なる値に設定して露光する。

すなわち、露光量Ｄ１を増強して第１露光を行い、露光量Ｄ２を抑制して第２露光を行う。これにより、非露光領域７にレジスト残渣を発生させず、かつ、レジスト膜厚の減少やレジストパターン側壁の垂直性低下を抑制可能な半導体装置の製造方法が実現できる。

さらに、第２フォトマスク５ｂを用いた第２露光における露光量Ｄ２をＤ３よりΔＤ２だけ減らし（すなわちＤ２＝Ｄ３＋ΔＤ２であって、ΔＤ２は負値）、第１フォトマスク５ａを用いた第１露光における露光量Ｄ１をＤ３よりもΔＤ１だけ増やして（すなわちＤ１＝Ｄ３＋ΔＤ１であって、ΔＤ１は正値）、露光を行う場合について考察する。

この場合に、非露光部７にレジスト残渣が発生しないためには、数４の関係式よりＤ１およびＤ２の増分のみに着目して、ΔＤ１とΔＤ２とが、次の関係式を満たせば良い。

このように、第１露光における最低露光量Ｄ３からの露光量Ｄ１の増分ΔＤ１と、第２露光における最低露光量Ｄ３からの露光量Ｄ２の増分ΔＤ２とが数５の関係式を満たせば、増分ΔＤ１を増強して第１露光を行い、増分ΔＤ２を負値にして第２露光を行うことで、より非露光領域７にレジスト残渣を発生させにくく、かつ、レジスト膜厚の減少やレジストパターン側壁の垂直性低下をより抑制可能となる。

一般的に、半導体レーザを製造するために化合物半導体の加工に用いるレジストパターンは、光導波構造となるリッジパターンのような最小寸法をもつパターンと、その数百倍の寸法をもつ周辺パターンとに、分割することができる。例えば上記図１および図３の例の場合、第１フォトマスク５ａの透過部４ａの面積Ｓ１に対する、第２フォトマスク５ｂの透過部４ｂの面積Ｓ２の割合Ｓ２／Ｓ１は、約２４０倍である。

このように、半導体レーザ素子製造用のレジストパターンでは、Ｓ２／Ｓ１を非常に大きくすることができるため、ΔＤ１をΔＤ２に対して、Ｓ２／Ｓ１倍、すなわち、１００〜４００倍の露光量まで増加させても、レジスト残渣が発生しないことになる。これは、周辺パターンの面積に対して、高い解像性が必要なリッジパターンの面積の割合が非常に小さいことに起因する。

例えば、第２露光における露光量Ｄ２を最低露光量Ｄ３から５％（つまり０．０５×Ｄ３）だけ減らし、Ｄ２＝０．９５×Ｄ３にして露光した場合、第１露光における露光量Ｄ１の増分ΔＤ１は、Ｓ２／Ｓ１＝２４０として数５より、−２４０×（−０．０５）×Ｄ３＝１２×Ｄ３となる。つまり、リッジパターン形成用の第１露光における露光量Ｄ１は、最低露光量Ｄ３の１２倍まで増やしても、非露光部７にレジスト残渣が生じることはない。

すなわち、微小なリッジパターン形成用の第１露光時には、強度の高い露光を行って十分な露光量を供給することによりパターンを明瞭に形成し、一方、広大な周辺パターン形成用の第２露光時には、強度を弱めた露光を行って、レジスト残渣を発生させにくくするのである。

なお、上記においては半導体基板としてＧａＮ基板８を採用したが、ＧａＮ基板だけではなく、露光光が基板裏面で乱反射されうるサファイア基板やＳｉＣ基板に対しても、本発明は有効である。

また、上記においては、レジスト膜１２としてネガレジストを採用した。このレジスト膜１２には、レジスト膜１２のうち半導体基板との界面近傍の露光感度が、レジスト膜１２の他の部分の露光感度よりも低いものを採用することが望ましい。

そうすれば、反射光１０に起因する半導体基板表面におけるエバネッセント光のしみ出しによる非露光部７への露光を、有効に抑制することができる。

また、ネガレジスト以外にも、半導体基板との界面近傍の露光感度が他の部分よりも低いレジスト膜１２として、イメージリバーサル可能なポジレジストを採用しても良い。すなわち、露光後のレジスト膜を加熱することによって、レジスト膜の露光部のみがネガ化し（レジスト膜の露光部が現像液に対して不溶化する）、非露光部はネガ化せずポジレジストの性質を保ったままとすることが可能なポジレジストを採用しても良い。このような特性を持つポジレジストとしては、例えばクラリアント社製商品AZ5214Eがある。

イメージリバーサル可能なポジレジストを採用する場合は、上記の第１および第２露光後であって現像の前に、イメージリバーサルを行い、レジスト膜１２の全面に第３露光を行う必要がある。

レジスト膜１２の全面に第３露光を行うことにより、ポジレジストのままであった非露光部７が、現像液に溶解するようになり、現像後に露光部６および１３のみが残置して、リッジパターンおよび周辺パターンが形成可能となる。イメージリバーサル可能なポジレジストを採用しても、レジスト膜１２のうち半導体基板との界面近傍の露光感度がレジスト膜１２の他の部分の露光感度よりも低くなることを、実験写真にて示す。

図５は、イメージリバーサル可能なポジレジストを用いて上記発明により現像した場合の、レジスト膜１２のパターンを示す実験写真である。この写真から分かるように、レジスト膜１２の露光部６と半導体基板との界面において、くびれが生じている。このくびれは、レジスト膜１２のうち半導体基板との界面近傍の露光感度が低いために、露光が不十分となって生じたものと考えられる。

このように、イメージリバーサル可能なポジレジストにおいては、レジスト膜１２のうち半導体基板との界面近傍の露光感度が、レジスト膜の他の部分の露光感度よりも低いので、エバネッセント光のしみ出しによる非露光部７への露光を、有効に抑制することができる。

なお、本願発明の射程は、上記の半導体装置の製造方法にとどまらず、その方法により製造された半導体装置にまで及ぶ。

＜実施例＞
本実施例は、上記＜原理＞にて述べた本願発明の、窒化物系半導体レーザの実際の製造への適用例である。

図６は、本実施例に係る窒化物系半導体レーザの製造方法の一工程を示す断面図であり、共振器の共振方向に対して垂直方向の断面図である。まず、裏面に凸凹１１が設けられた、厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮ基板８の表面をあらかじめサーマルクリーニングなどにより清浄化する。その後、基板表面に有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、例えば１０００℃の成長温度でｎ型ＧａＮバッファ層２０を成長させる。その後、同じくＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２２、およびアンドープトＩｎＧａＮ光ガイド層２３、アンドープトＩｎ_xＧａ_1-xＮ／Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ多重量子井戸活性層２４、アンドープトＩｎＧａＮ光導波層２５、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２６およびｐ型ＧａＮ光ガイド層２７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２８およびｐ型ＧａＮコンタクト層２９を順次、成膜する。

ここで、これらの層の成長温度はたとえばｎ型ＡｌＧａＮクラッド２１およびｎ型ＧａＮ光ガイド層２２は１０００℃、アンドープトＩｎＧａＮ光ガイド層２３からアンドープトＩｎＧａＮ光導波層２５までは７４０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層２６からｐ型ＧａＮコンタクト層２９は１０００℃とする。

次に、結晶成長が終了した基板全面にレジスト膜１２を塗布し、リソグラフィによりリッジ構造に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。ここで、リソグラフィは以下の手順で実施した。

基板全面にポジレジストを塗布しレジスト膜１２を形成する。次いで、波長３６５ｎｍのｉ線を露光光として、レジスト上の同一露光領域を、＜原理＞で述べたように、マスクパターンの異なる２枚のマスクを用いて、露光光によって二重露光せずにそれぞれ異なる露光量で１回ずつ計２回露光した。

ここでは、本来必要とするレジストパターンに対応したマスクパターンを、リッジパターンなど最小寸法のパターンを含むリッジパターンマスク（第１フォトマスク５ａに相当）と、それ以外の周辺パターンなどを含む周辺パターンマスク（第２フォトマスク５ｂに相当）に分割して配置した。

リッジパターンマスクの透過部（第１透過部４ａに相当）の面積Ｓ１に対する周辺パターンマスクの透過部（第２透過部４ｂに相当）の面積Ｓ２の割合をＳ２／Ｓ１と定義すると、Ｓ２／Ｓ１は１００倍から４００倍の範囲に設定された。１回目の露光ではリッジパターンマスクを用いて露光し、２回目の露光では周辺パターンマスクを用いて露光した。１回目と２回目の露光において、レジスト膜の同一場所が重複して露光されることはない。

ここで、１回目と２回目の露光を同じ露光量で実施した際に、露光していない非露光部にレジスト残渣が発生する最低露光量をＤ３とすると、リッジパターンマスクを用いた１回目の露光量Ｄ１と周辺パターンマスクを用いた２回目の露光量Ｄ２は、＜原理＞で述べた数４および数５の関係式を満たす範囲で異なる露光量である。

次いで、露光後のレジスト膜１２を加熱することによって、イメージリバーサルを行い、レジスト膜１２の露光部６，１３をネガ化する。つまり、レジスト膜１２の露光部６，１３が現像液に対して不溶化する。また、非露光部はネガ化せずポジレジストの性質を保ったままである。そして、レジスト膜１２の全面を露光し、非露光部を感光させる。次いで、現像液でレジスト膜１２を現像することによって、非露光部は溶解し、露光部６，１３のみがレジストパターンとして残る。

従来は、非露光部に発生するレジスト残渣を防止するため、露光量を増加することができなかったため、微細な２μｍ以下のレジストパターンを形成することができなかった。本発明に係る半導体装置の製造方法によって、非露光部にレジスト残渣が発生することなく、リッジパターンとして寸法１．５μｍのレジストパターンを基板上に形成することができた。

次に、このレジストパターンをマスクとして、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により、図７に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２８の層内までドライエッチングを行う。このエッチングにより、光導波構造となるリッジ３０を作製する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。

次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再び基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、図８に示すように、例えば厚さ０．２μｍの絶縁膜たるＳｉＯ₂膜３１を形成する。そして、図９に示すように、レジスト除去と同時に、リッジ３０上のＳｉＯ₂膜を除去する、いわゆるリフトオフを行う。

さらに、図１０に示すように、リソグラフィによりリッジ上部のみにレジストパターン３３を形成し、その後、基板全面に絶縁膜たるＳｉＯ₂膜３２を形成する。そして、図１１に示すように、レジストパターン３３の除去と同時に、リッジ３０上のＳｉＯ₂膜３２を除去する。これにより、リッジ３０上に開口部３２ａが形成される。

次に、図１２に示すように、ｐ型電極３４の形成を行う。このｐ型電極３４は、例えばＰｔおよびＡｕ膜を順次積層した構造となっている。図１１の基板全面に、例えば真空蒸着法によりＰｔおよびＡｕ膜を順次形成した後、レジスト塗布およびリソグラフィおよび、ウエットエッチングあるいはドライエッチングにより、表面にｐ型電極３４のパターンを形成する。ｐ型電極３４は、リッジ３０上のｐ型ＧａＮコンタクト層２９と接触している。

次に、基板裏面を研削し、薄板化した後、ｎ型電極３５が形成される。このｎ型電極３５は、ＴｉおよびＡｌ膜を順次積層した構造となっている。基板裏面の全面に真空蒸着法により、ＴｉおよびＡｌ膜を順次形成する。その後、ｎ型電極３５をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。

この後、この基板を劈開などによりバー状に加工して共振器の両端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。以上より、窒化物系半導体レーザが製造される。

本実施例に記載のレジストパターン形成方法を用いることによって、リッジ３０の微細加工が実現できた結果、光出力が電流値に比例しなくなる最大の光出力値（キンクレベル）が向上し、光出力の高い窒化物系半導体レーザ素子が実現できる。

本発明に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。第１フォトマスクを示す平面図である。本発明に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。第２フォトマスクを示す平面図である。イメージリバーサル可能なポジレジストを用いて現像した場合の、レジストのパターンを示す実験写真である。本発明に係る半導体装置の製造方法の実施例の一工程を示す断面図である。本発明に係る半導体装置の製造方法の実施例の一工程を示す断面図である。本発明に係る半導体装置の製造方法の実施例の一工程を示す断面図である。本発明に係る半導体装置の製造方法の実施例の一工程を示す断面図である。本発明に係る半導体装置の製造方法の実施例の一工程を示す断面図である。本発明に係る半導体装置の製造方法の実施例の一工程を示す断面図である。本発明に係る半導体装置の製造方法の実施例の一工程を示す断面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ露光光、３ａ，３ｂ遮光部、４ａ，４ｂ透過部、５ａ，５ｂフォトマスク、６，１３露光部、７非露光部、８ＧａＮ基板。

Claims

（ａ）半導体基板上にレジスト膜を形成する工程と、
（ｂ）第１透過部を有する第１フォトマスクを用いて、前記レジスト膜に第１露光を行う工程と、
（ｃ）前記第１透過部に比して大面積の第２透過部を前記第１透過部に重複しない領域において有する第２フォトマスクを用いて、前記レジスト膜に第２露光を行う工程と、
（ｄ）前記レジスト膜を現像する工程と
を備え、
前記第１透過部の面積をＳ１、前記第２透過部の面積をＳ２、前記第１露光における露光量をＤ１、前記第２露光における露光量をＤ２、同一露光量で前記第１および第２露光を行った場合に、前記レジスト膜のうち非露光部にレジスト残渣が現像後に生じるときの露光光の最低露光量をＤ３として、
の関係を満たしつつ、前記露光量Ｄ１とＤ２とを異なった値とする
半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
Ｄ１＝Ｄ３＋ΔＤ１、Ｄ２＝Ｄ３＋ΔＤ２として、
の関係も満たす
半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記レジスト膜のうち前記半導体基板との界面近傍の露光感度は、前記レジスト膜の他の部分の露光感度よりも低い
半導体装置の製造方法。
請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記レジスト膜はイメージリバーサル可能なポジレジストであって、
（ｅ）前記第１および第２露光後であって前記現像の前に、イメージリバーサルを行い、前記レジスト膜の全面に第３露光を行う工程
をさらに備える半導体装置の製造方法。