JP5551575B2 - Manufacturing method of semiconductor element - Google Patents
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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。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor element in which shapes having different etching depths are processed in the same plane.
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。 In the research and development of high-performance and high-function devices, it is important to integrate the structure of complex devices, and device fabrication process technology such as processing (etching) and crystal regrowth technology is required. In particular, when a plurality of structures are integrated, a plurality of etching processes are usually required.
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。 FIGS. 1A to 1F show an etching process when etching is performed at different depths according to the conventional method. When etching is performed on the sample (for example, InP crystal) 1110 at different depths, a portion not etched at the time of the first etching is covered with a mask (dielectric material) 1120 (FIG. 1A) and then etched (FIG. 1). (B)). Next, after removing the mask for the first etching (FIG. 1C), the portion not etched again for the second etching is covered with a mask (FIG. 1D), and further etched (FIG. 1). 1 (e)) and the process of removing the mask (FIG. 1 (f)) must be repeated.
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。 In semiconductor optical device fabrication, when etching with different depths is required, a plurality of mask formation, etching, and mask removal processes are essential, leading to waste in terms of time and cost. . In consideration of such a problem, it has been substantially difficult to form fine and complicated structures having different depths by etching.
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)。 Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, when performing etching at different depths, it is possible to perform etching with different depths by performing etching once by using masks having different areas corresponding to the etching depths. Has been invented (see Patent Document 1).
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。
2A to 2C show a basic etching process. In the case of dry etching using a plasma state gas for etching a semiconductor, the etching proceeds by the reaction of the
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。
3A to 3C show an etching process when a mask that does not react with the etching species is used. When the surface of the semiconductor is covered with a material that does not react with the etching species 512 (for example, a dielectric such as silicon oxide or silicon nitride) using the
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。 As described above, the etching species flying on the mask diffuses on the semiconductor surface and promotes the etching of the semiconductor, so that the amount of etching of the semiconductor increases as the mask area increases. Therefore, according to this method, it is possible to easily produce a simple groove structure whose depth changes.
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。 In particular, when a hydrocarbon-based gas such as methane or ethane is used as the gas in dry etching using a plasma state gas for semiconductor etching, the gas is decomposed into a hydrocarbon group and hydrogen in the plasma state to be ionized or chemically respectively. Is activated (radicalized). In the present specification, hereinafter, ionized or chemically activated (radicalized) hydrocarbon groups are referred to as hydrocarbon plasma, and similar hydrogen atoms are referred to as hydrogen plasma.
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。 When the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma come into contact with the semiconductor, a process of etching the semiconductor and a process of forming and depositing a polymer on the semiconductor without etching the semiconductor occur. In general, when there is sufficient hydrogen plasma, the etching process is the main process, and when hydrogen plasma is insufficient, the process of polymer deposition is the main process. At the same time, on the surface of the dielectric mask (such as SiO 2 ), the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma do not react with the dielectric, so that they are deposited as a polymer.
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。 Here, a case where the above-described dry etching is performed on a sample having a mask will be described. FIGS. 4A and 4B show a phenomenon that occurs in a region without a mask when etching using methane plasma is performed, and FIGS. 5A to 5C show etching using methane plasma. This shows the phenomenon that occurs in the area surrounded by the mask when applied.
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。 In the region without the mask, the hydrogen plasma is uniformly distributed on the sample surface with respect to the methane plasma (FIG. 4A). When the concentration of the uniformly distributed hydrogen plasma is low, there is insufficient hydrogen for etching, so a polymer is generated on the sample surface and the sample surface is covered, so that etching does not proceed (FIG. 4B). The polymer deposition due to the lack of hydrogen plasma also occurs in a region where the width of the opening of the mask is wide and the distance from the mask is sufficient.
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。 On the other hand, in the region surrounded by the mask, particularly in the region where the opening width of the mask is narrow, first, hydrogen plasma is uniformly distributed on the sample surface on the mask as well as on the semiconductor surface of the opening (see FIG. FIG. 5 (a)). Since the mask material (SiO 2 ) is not etched on the mask, the methane plasma does not contribute to the etching and a polymer is generated. The hydrogen plasma on the mask diffuses on the mask without reacting with the methane plasma and aggregates in the opening. As a result, the concentration of hydrogen plasma at the opening increases (5 (b)). Therefore, the etching proceeds because the concentration of hydrogen plasma at the opening reaches a concentration sufficient to cause etching.
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。 Thus, in the region without the mask or the region where the opening width of the mask is wide, the polymer is generated and the etching does not proceed, and the etching proceeds in the region where the opening width is narrow. Therefore, shapes having different depths can be processed in one etching process.
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。 In general, when a hydrocarbon gas such as methane or ethane is used as the gas in dry etching using a plasma gas for semiconductor etching, a plasma hydrogen gas is supplied together with the plasma hydrocarbon gas. By doing so, the reaction between hydrogen and a group V atom (P in InP, As in GaAs, etc.) in the III-V group compound semiconductor can be promoted to proceed the etching. Here, if the supply of hydrogen gas is reduced, a polymer is generated based on hydrocarbon groups, and the progress of etching can be stopped.
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。 In the selective dry etching described above, a region to be etched and a region in which a polymer is generated can be controlled by the supply amount of hydrogen plasma. For example, if the supply amount of hydrogen plasma is increased, the region in which hydrogen plasma diffuses into the opening is expanded, so that the etching region is expanded.
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。 However, when excessive hydrogen plasma reacts with the semiconductor, group V atoms (P in InP, As in GaAs, etc.) are desorbed excessively on the semiconductor surface, leading to induction of defects (group V atomic vacancy) or surface Morphological degradation occurs.
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。 If such a defect behaves as a recombination center, the device characteristics deteriorate, which is a problem. In addition, the deterioration of the surface morphology causes uneven portions on the semiconductor surface, so that when light is guided through the waveguide layer laminated on the semiconductor, the light is scattered by the uneven portions, which causes a problem.
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。 The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is not to induce defects (group V atomic vacancies) or deterioration of surface morphology due to desorption of constituent atoms of the semiconductor. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor element that can easily process shapes having different etching depths in the same plane.
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、前記マスクの開口部幅が所定の幅より狭い領域に前記第1の状態が発現し、かつ、前記マスクの開口部幅が前記所定の幅より広い領域に前記第2の状態が発現する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、前記第2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の工程と、を有し、前記所定の幅を広くし、前記第2の状態が発現していた領域の少なくとも一部において前記第1の状態が発現するように前記酸素プラズマの流量を変えて前記第2及び第3の工程を繰り返すことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 1 is directed to irradiating a semiconductor surface on which a mask having an opening having a variable opening width is irradiated with hydrocarbon-based plasma and oxygen plasma. A method of manufacturing a semiconductor device that etches the semiconductor surface to a plurality of different depths, and etches the surface of the semiconductor for each region having a different opening width with respect to the hydrocarbon-based plasma and the oxygen plasma at a predetermined flow rate. A mask having an opening width set on the semiconductor surface so that only one of the first state in which the process proceeds or the second state in which a polymer is uniformly generated on the semiconductor surface appears. And forming the first state in a region where the opening width of the mask is narrower than a predetermined width and forming the first step in a region where the opening width of the mask is wider than the predetermined width. 2 The hydrocarbon-based plasma and the oxygen plasma flow state is expressed, a second step of irradiating the semiconductor surface with the mask, the polymer deposited on the semiconductor surface in the second step, the oxygen a third step of removing by plasma irradiation with, have a, to widen the predetermined width, such that the first state at least a part of a region where the second state was expressed is expressed The second and third steps are repeated by changing the flow rate of the oxygen plasma .
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。 According to a second aspect of the invention, a method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the mask includes a first mask portion having a first pattern formed on the semiconductor surface, said first And a second mask part having a second pattern which is thicker than the mask thickness of the first mask part and defines an opening width of the first pattern. And
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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has the effect of facilitating processing of shapes having different etching depths in the same plane without inducing defects (group V atomic vacancies) or deteriorating surface morphology due to desorption of constituent atoms of the semiconductor. Play. Thereby, a high-speed semiconductor optical device can be provided.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
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。 The present invention is characterized in that oxygen is supplied in place of hydrogen in order to advance etching in dry etching using a plasma state gas. Oxygen does not cause detachment of semiconductor constituent atoms (such as P and As described above) unlike hydrogen, so that there is no induction of defects (group V atomic vacancies) or deterioration of surface morphology. Therefore, problems such as degradation of device characteristics due to desorption of constituent atoms of the semiconductor, and scattering of guided light due to it do not occur.
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。
Details of the reaction will be described below.
When supplying conventional hydrogen plasma
Etching occurs based on the reaction of CH 4 + H 2 + InP → In organic compound + P hydride, and when hydrogen is insufficient, a polymer is generated based on excess hydrocarbon groups and the etching stops. In selective etching, hydrogen is insufficient on the InP surface without a mask, polymer is generated, and etching does not proceed. On the InP surface of the opening of the mask, hydrogen plasma on the mask diffuses into the opening. The hydrogen plasma increases and etching occurs.
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。
When oxygen plasma is supplied instead of hydrogen plasma, CH 4 + O 2 + InP → In organic compound + P hydride + carbon oxide (CO, CO 2 etc.)
Based on the above reaction, in a normal etching on a wide InP surface without a mask, if there is a sufficient amount of oxygen, excess hydrocarbon groups combine with oxygen to form oxygen carbide, so no polymer is produced, On the other hand, a small amount of hydrogen plasma is generated from the plasma decomposition of CH 4 , but etching hardly occurs because the hydrogen plasma density is insufficient to etch a large area InP surface.
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。 On the other hand, in the selective etching, a large InP surface without a mask has a shortage of O 2 , so that carbon oxide (CO, CO 2, etc.) is not generated and a hydrocarbon group remains excessively, resulting in a polymer. On the other hand, oxygen plasma (mainly ions) is attracted to the mask charged up by plasma irradiation on the InP surface at the opening of the mask, and this oxygen plasma diffuses into the opening and reacts with hydrocarbon groups to react with carbon oxide (CO 2 etc.) is generated. Therefore, hydrocarbon groups are reduced by the amount of carbon oxide that is generated by reaction with oxygen plasma, so that polymer formation is suppressed at the opening. Further, since a small amount of hydrogen plasma generated from the plasma decomposition of CH 4 diffuses into the opening, the hydrogen plasma density in the narrow opening increases, so that InP etching occurs in the opening.
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。 When the oxygen flow rate is increased here, on the wide InP surface without a mask, excess hydrocarbon groups combine with oxygen to form oxygen carbide, so that no polymer is generated. On the other hand, on the InP surface with a narrow opening, as in the case before increasing the oxygen flow rate, the generation of polymer is suppressed, and InP etching is caused by a small amount of hydrogen plasma generated by plasma decomposition.
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。 When the oxygen flow rate is further increased, on the wide InP surface without a mask, excess hydrocarbon groups combine with oxygen to become oxygen carbide, so that no polymer is produced. On the other hand, on the InP surface with a narrow opening, the generation of polymer is suppressed, but a small amount of hydrogen plasma generated from plasma decomposition is also consumed by reacting with oxygen plasma, so that etching may not occur.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 6 is a cross-sectional view of a waveguide layer whose layer thickness varies in the same plane manufactured in Embodiment 1 of the present invention.
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。
FIG. 7 shows a mask used for manufacturing a waveguide layer whose layer thickness varies in the same plane manufactured in Embodiment 1 of the present invention. First, a mask in which the
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))。
FIGS. 8A to 8E show a waveguide layer manufacturing process in which the layer thickness changes in the same plane manufactured in the first embodiment of the present invention.
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。 Next, when the oxygen flow rate is 10 sccm with the methane flow rate, the discharge power, and the gas pressure kept constant, the etching proceeds in the first and second openings having a width of 3.7 μm or less, and the third opening On the surface (width: 7.5 μm), a polymer is generated and unevenness is hardly generated (FIG. 8D). Subsequently, when the oxygen plasma is irradiated at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W for 1 minute, the deposited polymer is removed. Therefore, in the first opening having a width of 1.8 μm, the etching by the second RIE further proceeds after the etching by the first RIE, so that it becomes deeper than the depth of the second opening.
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。 Next, when the methane flow rate, discharge power, and gas pressure are kept constant and the oxygen flow rate is 20 sccm, etching proceeds in the first, second, and third openings having a width of 7.5 μm or less (FIG. 8). (E)). As a result, the etching depth increases in the order of the first, second, and third openings. Furthermore, there are almost no irregularities on the etched surface.
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。 Thereafter, an InP layer is laminated on the surface by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), thereby producing a waveguide structure in which the layer thickness varies within the same plane.
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。 In the first embodiment, the etching in which the depth using the three opening widths is changed in three steps has been described. However, using a larger number of opening widths, the methane / By performing oxygen RIE, it is possible to perform etching in which the depth changes in more stages.
(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。
(Embodiment 2)
FIGS. 10A and 10B are a three-dimensional view and a cross-sectional view of a semiconductor laser device using a waveguide structure with a varying layer thickness according to the second embodiment of the present invention for a spot size conversion unit. This laser element is characterized by having a spot size conversion portion in the outgoing light portion. The spot size conversion unit is a device that widens the diameter of the emitted light beam in order to improve the efficiency (coupling efficiency) of the light emitted from the element to enter the optical fiber. In this spot size conversion section, the light distribution is oozed out into the cladding layer by gradually reducing the thickness of the waveguide layer, thereby increasing the spot size.
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。
2800 is an n-type InP substrate, 2801 is an n-type InP buffer layer, 2802 is an active layer, 2803 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm) guide layer for spot size conversion, and 2804 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide. 2805 is a p-type InP buried layer, 2806 is an n-type InP buried layer, 2807 is a p-type InP clad layer, 2808 is a p-type InGaAs (composition wavelength: 1.65 μm) contact layer, 2809 is an SiO 2 layer, and 2810 is An n-
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。
The
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。
A method for manufacturing the spot size conversion portion in this laser structure will be described. Similar to the first embodiment, an SiO 2 mask having a plurality of openings with different opening widths is formed on the surface of the spot size conversion InGaAsP (composition wavelength: 1.2 μm)
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。 When dry etching shown in Embodiment 1 is performed on this sample, the etching depth is shallow on the boundary side of the active layer and deep on the emission end side. Next, after laminating the InP clad layer, a spot size conversion portion is formed by forming a mesa forming stripe mask and processing it into a mesa structure. With respect to this structure, the structure of the semiconductor laser device of the second embodiment is fabricated by forming electrodes after the growth of the pn structure buried layer and the growth of the cladding layer and the contact layer.
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。 As described above, by using the present invention, a waveguide layer (spot size conversion section) whose layer thickness can be easily changed can be manufactured. The fabricated device exhibits good characteristics such that the optical loss in the waveguide layer (spot size conversion portion) is reduced, the threshold current at room temperature is 6.7 mA, and the efficiency is 0.42 W / A.
(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。
(Embodiment 3)
FIG. 11 shows a mask for producing a diffraction grating according to Embodiment 3 of the present invention. The opening width (diffraction grating portion) 2010 of the mask is set in the same manner as in the first embodiment. The width of the diffraction grating outside 2011 is constant. By using this mask and performing etching while changing the oxygen flow rate in the same manner as in the first embodiment, a diffraction grating having a varying depth can be manufactured.
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))。
12A to 12E show a manufacturing process of the diffraction grating according to Embodiment 3 of the present invention. RIE using a mixed gas of methane and oxygen is performed on the mask shown in FIG. 11 at a methane flow rate of 40 sccm, an oxygen flow rate of 5 sccm, a gas pressure of 40 Pa, and a discharge power of 100 W (FIG. 12A). Then, in the
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。
Next, when RIE is performed under conditions where the oxygen flow rate is changed (oxygen flow rate is 10 sccm), etching proceeds without depositing polymer in the
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。 Subsequently, after removal of the polymer by irradiation with oxygen plasma, RIE and oxygen plasma irradiation are alternately repeated while changing the pressure, whereby diffraction gratings having different depths can be formed (FIG. 12E). At this time, after the mask removal and mesa structure processing, the element structure shown in FIG. 13 is manufactured by stacking on the diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).
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。 In the third embodiment, the etching using three opening widths in which the depth is changed in three stages has been described. However, using a larger number of opening widths, methane / By performing oxygen RIE, it is possible to perform etching in which the depth changes in more stages.
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。 FIG. 13 shows the structure of a DBR semiconductor laser using a diffraction grating according to Embodiment 3 of the present invention. After removing the SiO 2 mask from the sample surface having the diffraction gratings having different depths produced by the method of the third embodiment, a layer is deposited on the diffraction gratings by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). A DBR semiconductor laser structure using a diffraction grating of varying depth as shown is fabricated.
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。 150 is an n-type InP substrate, 151 is an n-type InP buffer layer, 152 is a diffraction grating, 153 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm) guide layer, 154 is an eight-layer InGaAsP strained quantum well (strain: 1.0) %) And 5 layers of InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) active layer consisting of multiple quantum well layers of barrier layers (emission wavelength: 1.55 μm, active layer length: 400 μm), 155 is a DBR diffraction grating region InGaAsP ( (Composition wavelength: 1.4 μm) guide layer (diffraction grating length is 400 μm before and after the active layer), 158 is an InGaAsP (composition wavelength: 1.3 μm) guide layer, 157 is a p-type InP cladding layer, and 158 is a p-type InGaAs ( Composition wavelength: 1.85 μm) A contact layer, 1591 is an n-type ohmic electrode, and 1592 is a p-type ohmic electrode.
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。
The oscillation wavelength of the element is 1.55 μm, and the length of the element is 1500 μm. The pitch (period) of the
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。 FIGS. 14A and 14B show reflection characteristics obtained by the diffraction grating according to the third embodiment in the laser shown in FIG. FIG. 14A shows the relationship between the distance from one end of the diffraction grating and the coupling coefficient Κ in the diffraction grating according to the third embodiment. 5nm in depth element end portions of the diffraction grating, by varying such that the 30nm at the center, the coupling coefficient kappa 5 cm -1 at element end portions, changes 80 cm -1 at the central portion.
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。 The reflection spectrum when this diffraction grating is used is indicated by α in FIG. For comparison, a reflection spectrum in the case where a diffraction grating having a constant coupling coefficient of 80 nm −1 is used for β in FIG. It can be seen that the side mode of the reflection spectrum is suppressed by changing the depth of the diffraction grating, that is, the coupling coefficient. This suggests that the side mode in the oscillation spectrum when the DBR laser using this diffraction grating is operated is suppressed.
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。 As described above, by using this embodiment, it is possible to easily manufacture a diffraction grating whose depth (coupling coefficient) changes. Since the fabricated element has suppressed surface irregularities in the diffraction grating, the optical loss is reduced and the side mode is suppressed as designed.
(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。
(Embodiment 4)
As a fourth embodiment, a method of manufacturing a diffraction grating whose depth changes in the plane will be described. The fourth embodiment is characterized in that the thickness of the lattice mask is different from the thickness of the opening width adjustment mask that determines the opening width in the longitudinal direction of the opening.
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。
FIG. 15 shows the movement of the etching species on the mask of FIG. When the diffraction grating is manufactured using the mask used in the third embodiment, not only the
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。 Next, a case will be described in which dry etching is performed by forming on the semiconductor surface a mask having a different mask thickness that determines the thickness of the lattice mask according to the fourth embodiment and the opening width in the longitudinal direction of the opening. FIGS. 16A and 16B show the behavior of oxygen plasma when a thin film mask is used and when a thick film mask is used.
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。
When the
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。
On the other hand, when a
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。
Therefore, if the thickness of the opening
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。
On the other hand, in the region where the opening width is wide, there is almost no supply of oxygen plasma from the
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。
For this reason, if such a mask is used, the influence of the supply of oxygen plasma from the
図17に、本実施形態4において試料表面に形成するSiNX/SiO2マスクを示す。SiNX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。
FIG. 17 shows a SiN x / SiO 2 mask formed on the sample surface in the fourth embodiment. The thickness of the lattice-shaped
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))。
18A to 18D show a process for manufacturing masks having different thicknesses in the plane used for forming the diffraction grating in the fourth embodiment. First, a 30 nm thick silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the surface of the InP clad
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(SiNX)膜1321を形成する(図18(b))。SiNX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SiNX膜を加工することにより、レジストパターンをSiNX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))。
Next, a 1 μm thick silicon nitride (SiN x )
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。
19A to 19E show a diffraction grating manufacturing process in the manufacturing method according to the fourth embodiment. The above-described mask is formed on the surface of InP200 (FIG. 19A). Here, the widths of the
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))。
First, when RIE using a mixed gas of methane and oxygen is performed at a methane flow rate of 40 sccm, an oxygen flow rate of 2 sccm, a discharge power of 100 W, and a gas pressure of 40 Pa, the
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。
Next, when the oxygen plasma is irradiated for 1 minute at an oxygen flow rate of 10 sccm, a gas pressure of 10 Pa, and a discharge power of 400 W, the deposited polymer is removed (FIG. 19C). Next, when RIE is performed under the conditions in which the oxygen flow rate is increased (
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。
On the other hand, in the
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。 In the fourth embodiment, the etching in which the depth using three opening widths changes in three stages has been described, but methane is used under a plasma condition corresponding to the opening width using a larger number of opening widths. / By performing oxygen RIE, it is possible to perform etching in which the depth changes in more stages. The diffraction grating produced in this way has the same characteristics as in the third embodiment.
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。 As described above, by using the fourth embodiment, it is possible to easily manufacture a diffraction grating whose depth (coupling coefficient) changes. Since the fabricated element has suppressed surface irregularities in the diffraction grating, the optical loss is reduced and the side mode is suppressed as designed.
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。 In the present invention, oxygen plasma that did not contribute to the reaction on the mask flows into both ends of the opening of the diffraction grating. The generation of polymer is suppressed by the amount of oxygen plasma that has flowed in, and etching proceeds. Therefore, the etching proceeds only at a part of both ends in the opening where the polymer is deposited. Thus, there may be a problem that the depth is not uniform over the entire opening. However, since a mesa structure is adopted in an actual device, both ends of the opening are cut off when the mesa is formed, and this does not cause a problem in actual device fabrication.
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。 In the present invention, the mask width outside the opening in the mask is constant, but the mask width is constant if the oxygen plasma diffused in the opening has a negligible distance (width) on the mask. There is no need. For example, the shape shown in FIG.
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。 In the present invention, the depth of the diffraction grating is set to 5 to 30 nm. However, the depth is not limited to this depth, and the same effect can be obtained if the depth of the diffraction grating is not constant and varies within the element. . At this time, the depth of the diffraction grating does not need to be symmetrical in the element length direction. The coupling coefficient that changes in accordance with this depth is also set to 5-80 cm −1 , but is not limited to this value.
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。 In the present invention, a compound semiconductor InP crystal is used as the element semiconductor crystal. However, a compound semiconductor crystal such as GaAs or SiGe or a mixed crystal such as InGaAsP, AlGaInAs, InGaN, GaInNAs, or AlGaSb can also be used. Further, the wavelength of the laser beam corresponding to the apparatus using the diffraction grating according to the present invention is 1.55 μm. It can handle long wavelength bands from 0 μm to 1.7 μm. By using other materials (InGaAlN, AlGaInP, AlGaSb, etc.) for the active layer, the wavelength is shorter than 1.0 μm or longer than 1.7 μm. It can also handle wavelength bands. The multi-quantum well structure in the active layer includes an 8 layer, 5 nm thick InGaAsP strained quantum well layer (strain amount: 1.0%), a 5 layer, 10 nm thick InGaAsP barrier layer (composition wavelength: 1.1 μm). However, the structural factors such as the amount of strain, the number of layers, the layer thickness, and the crystal composition may be changed.
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。 In the present invention, methane is used as an etching gas in dry etching for processing a semiconductor such as a diffraction grating, but other hydrocarbon gases such as ethane may be used. In addition, as a dilution gas when using a mixed gas as an etching gas, hydrogen, nitrogen, or argon may be used together with oxygen gas as well as oxygen gas.
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。 Further, although oxygen plasma is irradiated to remove the polymer, plasma containing oxygen may be used. For example, a mixed gas of oxygen and an inert gas such as nitrogen or argon, a mixed gas of oxygen and hydrogen, or the like may be used.
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。 Further, although RIBE and RIE methods are used for the dry etching method, processing can also be performed using ion beam assist etching or the like. In addition to the electron beam exposure method, an interference exposure method can be used for producing the resist pattern. Although silicon oxide (SiO 2 ) is used as a mask formed on the semiconductor surface during etching, a dielectric such as silicon nitride or titanium oxide, or a metal such as gold or titanium can also be used.
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(SiNX)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
81, 82
153 InGaAsP (composition wavelength: 1.1 μm)
155 DBR diffraction grating region InGaAsP (composition wavelength: 1.4 μm)
Claims (2)
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、
前記マスクの開口部幅が所定の幅より狭い領域に前記第1の状態が発現し、かつ、前記マスクの開口部幅が前記所定の幅より広い領域に前記第2の状態が発現する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、
前記第2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の工程と、
を有し、前記所定の幅を広くし、前記第2の状態が発現していた領域の少なくとも一部において前記第1の状態が発現するように前記酸素プラズマの流量を変えて前記第2及び第3の工程を繰り返すことを特徴とする半導体素子の作製方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising irradiating a hydrocarbon surface and an oxygen plasma on a semiconductor surface on which a mask having an opening whose opening width changes is formed, and etching the semiconductor surface to a plurality of different depths,
With respect to the hydrocarbon-based plasma and the oxygen plasma at a predetermined flow rate, the polymer is uniformly applied to the semiconductor surface in the first state where etching of the semiconductor surface proceeds for each region having a different opening width. A first step of forming on the semiconductor surface a mask in which the opening width is set so that only one of the generated second states is manifested;
The flow rate at which the first state appears in a region where the opening width of the mask is narrower than a predetermined width and the second state appears in a region where the opening width of the mask is wider than the predetermined width . A second step of irradiating the surface of the semiconductor having the mask with the hydrocarbon-based plasma and the oxygen plasma ;
A third step of removing the polymer deposited on the semiconductor surface in the second step by plasma irradiation having oxygen;
Have a, to widen the predetermined width, the second and changing the flow rate of the oxygen plasma as the first state at least in part of a region where the second state was expressed is expressed A method for manufacturing a semiconductor element, wherein the third step is repeated .
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に記載の半導体素子の作製方法。 The mask is
A first mask portion having a first pattern formed on the semiconductor surface;
And a second mask portion formed on the first mask portion and having a second pattern that is thicker than a mask thickness of the first mask portion and defines an opening width of the first pattern. The method for manufacturing a semiconductor element according to claim 1 .
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