JP6364933B2 - 半導体光デバイスを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体光デバイスを製造する方法に関する。

特許文献１は、量子カスケードレーザの構造を開示する。

特開２００１−３２０１３６号公報

量子カスケードレーザなどの半導体光デバイスにおいて回折格子が形成されるときには、例えば誘導性結合プラズマ―反応性イオンエッチング（ＩＣＰ―ＲＩＥ）装置といったエッチング装置が用いられる。エッチング装置によって半導体基板上に形成される回折格子は、例えば周期的なラインアンドスペース形状を有する。しかしながら、エッチングによる回折格子の形成時において、形成される回折格子の深さを適確に制御することは容易ではない。本発明は、形成される回折格子の深さの制御性を向上できる半導体光デバイスを製造する方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体光デバイスを製造する方法は、半導体光デバイスを製造する方法であって、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる回折格子形成層を基板の上に形成する工程と、回折格子のためのパターンを有するマスクを回折格子形成層の上に形成する工程と、マスクを形成した後に、エッチング装置において、温度設定可能な基板支持台の上に基板を配置する工程と、エッチング装置において、放電により生成された希ガスプラズマに回折格子形成層を晒して、回折格子形成層の温度を高める工程と、希ガスプラズマの生成を停止するとともに、エッチング装置にハロゲンガスを供給して、回折格子の形成のために、ハロゲンガスから生成されたエッチャントに回折格子形成層を晒す工程と、を備え、希ガスプラズマに回折格子形成層を晒すことにより、回折格子形成層の温度は、ハロゲンガスを用いて回折格子形成層をエッチング可能な第１温度より高くなり、基板支持台の温度は、第１温度より低い第２温度に設定されている。

本発明に係る半導体光デバイスを製造する方法によれば、形成される回折格子の深さの制御性が向上できる。

本発明の第１実施形態に係る半導体光デバイスを製造する方法を示す流れ図である。 （ａ）〜（ｄ）部は、図１に示す方法の各工程により作製される生産物を示す断面図である。 （ｅ）〜（ｇ）部は、図１に示す方法の各工程により作製される生産物を示す断面図である。 第１実施形態に係るエッチング装置を概略的に示す図である。 プラズマ発生中に流す希ガスの供給量、エッチング中に流す希釈用の希ガスの供給量、エッチングガスの供給量、基板温度、及びエッチング速度と経過時間との関係を示す図である。 第１実施形態に係る回折格子形成層のエッチング時における基板温度と経過時間との関係を示す図である。 第１実施形態に係る回折格子の深さと総エッチング時間との関係を示す図である。 第１実施形態に係る基板の再加熱を行いながらエッチングされる回折格子の深さとエッチング時間との関係を調べた結果を示す図である。 第１実施形態に係るエッチング速度と基板温度との関係を示す図である。 第１実施形態に係る基板上の複数の位置で測定された回折格子の深さを示す図である。 第２実施形態に係る半導体光デバイスを製造する方法を示す流れ図である。 （ａ）〜（ｃ）部は、図１１に示す方法の各工程により作製される生産物を示す断面図である。 （ｄ）〜（ｆ）部は、図１１に示す方法の各工程により作製される生産物を示す断面図である。

本発明の実施形態の内容を説明する。本発明の一形態に係る半導体光デバイスを製造する方法は、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる回折格子形成層を形成する工程と、回折格子のためのパターンを有するマスクを回折格子形成層の上に形成する工程と、マスクを形成した後に、エッチング装置において、温度設定可能な基板支持台の面上に回折格子形成層を有する基板を配置する工程と、エッチング装置において、放電により生成された希ガスプラズマに回折格子形成層を晒して、回折格子形成層の温度を高める工程と、希ガスプラズマの生成を停止するとともに、エッチング装置にハロゲンガスを供給して、回折格子の形成のために、ハロゲンガスから生成されたエッチャントに回折格子形成層を晒す工程と、を備え、希ガスプラズマに回折格子形成層を晒すことにより、回折格子形成層の温度は、ハロゲンガスを用いて回折格子形成層をエッチング可能な第１温度より高くなり、基板支持台の温度は、第１温度より低い第２温度に設定されている。

この半導体光デバイスを製造する方法によれば、回折格子形成層の温度は、エッチング装置において放電により生成された希ガスプラズマに晒されて第１温度より高い温度に高められる。第１温度では、インジウムとハロゲンとの反応生成物が、回折格子形成層上に堆積しない。ハロゲンガスから生成されたエッチャントに回折格子形成層を晒し始める時刻には、希ガスプラズマによる加熱は既に停止しているので、エッチング中に、回折格子形成層の温度は、第１温度から下降する。第１温度よりも低い第２温度では、反応生成物がエッチング中の回折格子形成層の表面に残るようになって、この結果、エッチャントが回折格子形成層の表面に到達することが妨げられる。このため、エッチャントの有無に関係なくエッチングが実質的に停止する。

上記の半導体光デバイスを製造する方法では、インジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体がＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰであり、ハロゲンガスが塩素又はヨウ素を含む化合物であることが好ましい。この半導体光デバイスを製造する方法によれば、好適な回折格子形成を行うことができる。

上記の前記第１の設定温度が２００℃以上であり、第２の設定温度が１８０℃以下であることが好ましい。この半導体光デバイスを製造する方法によれば、第１温度として２００℃以上にまで基板の温度が上昇すると、エッチングが行われることが示される。また、第２温度として１８０℃以下の温度にまで基板の温度が下降すると、エッチングが実質的に停止される。基板の温度の調整は、回折格子の深さを制御することを可能にする。

上記の半導体光デバイスを製造する方法では、希ガスプラズマとしてアルゴンプラズマを備えることが好ましい。この半導体光デバイスを製造する方法によれば、第１温度への回折格子形成層の上昇に際して、アルゴンプラズマの利用により、回折格子形成層のほぼ全域に亘って回折格子形成層の温度を一様に上昇できる。

上記の半導体光デバイスを製造する方法では、基板支持台が、ヘリウムガスを用いて前記基板の温度を調整することが好ましい。この半導体光デバイスを製造する方法によれば、基板支持台と基板との熱媒体としてヘリウムガスが用いられる。ヘリウムガスの高い熱伝導率は、基板支持台を用いた基板温度の調整に好適である。

上記の半導体光デバイスを製造する方法では、エッチング装置が、誘導性結合プラズマ―反応性イオンエッチング法を適用可能であることが好ましい。また、上記の半導体光デバイスを製造する方法では、半導体光デバイスが量子カスケードレーザであることが好ましい。

いくつかの実施形態に係る半導体光デバイスを製造する方法を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体光デバイスを製造する方法を示す流れ図である。図２及び図３は、図１に示す方法の各工程により作製される生産物を示す断面図である。図２及び図３には、ＸＹＺ座標系が描かれており、ＸＹＺ座標系によって生産物の向きが示される。第１実施形態では、半導体光デバイスとして、実屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザが製造される。

方法Ｍ１の工程Ｓ１では、図２の（ａ）部に示されるように、回折格子を形成するため回折格子形成層の成長が行われる。工程Ｓ１では初めに、基板１０の面方位（１００）の主面上に、コア層１１が成長される。基板１０は、例えばＩｎＰ及びGaAs,GaSb,InSbなどであることができる。コア層１１の成長は、エピタキシャル成長による。引き続く説明において、半導体層の結晶成長には、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法又は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが適用できる。基板１０には、Ｓｎなどが含まれている。コア層１１は、超格子構造を有し、超格子構造は、例えばＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＡｓとを含む。超格子層は、例えば発光部と注入部とからなる数１００層の積層構造を有している。コア層１１の厚みは、例えば１．５μｍ〜２μｍである。工程Ｓ１では、コア層１１の上に、回折格子形成層１２が成長される。回折格子形成層１２は、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、例えばＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰを備える。回折格子形成層１２は、例えばＳｉといったドーパントを備える。回折格子形成層１２の厚みは、例えば５００ｎｍである。

工程Ｓ２では、図２の（ｂ）部に示されるように、回折格子形成層１２上に回折格子形成のためのマスク１３が形成される。マスク１３は、例えばＳｉ系無機絶縁層を備え、より具体的には、例えばＳｉＮ膜からなる。このＳｉＮ膜は、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成される。ＳｉＮ膜の厚みは、例えば１００ｎｍである。マスク１３は、例えばフォトリソグラフィ法などによって転写された回折格子１２Ｇのためのパターン（回折格子パターン１３Ａ）を有する。回折格子パターン１３Ａは、例えば、ライン幅１３Ｗが０．２μｍ〜１μｍのラインアンドスペースパターンであることができる。

工程Ｓ３では、マスク１３を備える基板１０がエッチング装置内に配置される。図４は、第１実施形態に係るエッチング装置を概略的に示す図である。第１の実施形態では、エッチング装置として、例えば誘導性結合プラズマ―反応性イオンエッチング装置（ＩＣＰ−ＲＩＥ装置）３０が用いられる。ＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０は、高周波電源３１及びプロセスチャンバ３２を備える。高周波電源３１は、プラズマ発生用高周波電源３１ａとバイアス用高周波電源３１ｂとを有する。プロセスチャンバ３２は、基板１０を搭載する基板支持台３３を備え、また、エッチングガスをプロセスチャンバ３２に導入するガス導入口３４ａと、反応生成物及び残余のエッチングガスをプロセスチャンバ３２から排出するガス排出口３４ｂとを備える。基板支持台３３は、例えば静電チャック含む基板支持面３３Ａを有していて、基板支持面３３Ａを用いて基板支持面３３Ａ上に基板１０が保持される。基板支持台３３では、基板１０の温度設定が可能となっている。基板１０が静電チャックによって保持されるので、一の基板内での基板温度の均一性が向上する。更に、バッチ間においても、基板温度の均一性が同様に向上する。工程Ｓ３では、基板支持台３３と基板１０との間の熱伝達のために、ガスからなる熱媒体も使用される。熱媒体としてのガスが流される。熱媒体としては、例えばヘリウムガスが適用される。ヘリウムガスは高い熱伝導率を有するので、熱媒体として好適である。図４において、矢印Ｂ１は、ガスの流れの一例を示す。

工程Ｓ４では、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０内で、放電により希ガスプラズマを生成する。この希ガスプラズマに回折格子形成層１２が晒される。次いで、工程Ｓ５では、希ガスプラズマの生成が停止されるとともに、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０内に、例えばハロゲンガスといったエッチングガスが供給されて、ハロゲンガスから生成されたエッチャントに回折格子形成層１２が晒される。図５の（ａ）部は、プラズマ発生中に流す希ガスの供給量、及びエッチング中に流す希釈用の希ガスの供給量と経過時間との関係を示す図である。図５の（ｂ）部は、エッチングガスの供給量と経過時間との関係を示す図である。図５の（ｃ）部は、基板温度と経過時間との関係を示す図である。図５の（ｄ）部は、エッチング速度と経過時間との関係を示す図である。図５の（ａ）〜（ｄ）部において、横軸の経過時間は、基板１０が基板支持台３３に配置されてから経過した時間を示す。図５では、基板１０が基板支持台３３に配置された時刻を横軸の原点に設定する。時刻ｔ_０は、プラズマ発生用の希ガスの供給開始時刻を示す。時刻ｔ_１及び時刻ｔ_２は、それぞれエッチングガスの供給開始時刻及びエッチングガスの供給停止時刻を示す。基板１０は裏面１０Ｂを有し、裏面１０Ｂが基板支持台３３の基板支持面３３Ａに接する。このため、基板１０の温度制御により、回折格子形成層１２の温度を変化させることができる。第１実施形態では、基板１０の温度は、サーモラベルもしくは熱電対によって測定される。

工程Ｓ４では、希ガスプラズマに回折格子形成層１２が晒されて、図５の（ｃ）部に示されるように回折格子形成層１２の温度（基板１０の温度）が高められる。希ガスは、例えばアルゴンであることができる。希ガスプラズマは、プラズマ発生用高周波電源３１ａから供給された誘導結合高周波電力（ＩＣＰパワー）によって生成される。希ガスの流量は、５０〜１００ｓｃｃｍであり、ＩＣＰパワーは２００〜４００Ｗである。第１実施形態では、プラズマの点火により回折格子形成層１２の温度が上昇して、エッチングが可能な温度（第１温度）にまで高められる。第１温度は、例えば２００℃又はこれより高い温度である。ＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０では、回折格子形成層１２の全域を、希ガスプラズマに晒すことができる。このプラズマ加熱の利用によって、回折格子形成層１２のほぼ全域に亘って回折格子形成層１２の温度を十分な一様性で上昇できる。

第１実施形態では、工程Ｓ５でのエッチングに先立ってプラズマ発生用の希ガスの供給が停止される。工程Ｓ５では、この希ガスの供給停止に合わせてほぼ同時に、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０内には、エッチングガス（希釈用の希ガスを含む）の供給を開始する。ＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０では、ハロゲンガス及び希釈用の希ガスから生成されたエッチャントに回折格子形成層１２が晒される。本実施例では、希釈用ガスとして、希ガスがＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０内に供給される。図５の（ａ）及び（ｂ）部に示されるように、時刻ｔ_１に、エッチングガスの供給を開始すると共に、希ガスの供給量をＰ１からＰ２に変える。エッチング（時刻ｔ_１〜時刻ｔ_２）の期間では、希釈用の希ガスの供給量Ｐ２及びエッチングガスの供給量Ｅ１が、共にほぼ一定値を維持する。時刻ｔ_１の後の期間は、回折格子形成層１２が希ガスプラズマに晒されなくなるので、図５の（ｃ）部に示されるように、基板１０の温度は下降する。エッチング速度は、図５の（ｄ）部に示されるように、エッチング中（時刻ｔ_１〜時刻ｔ_２）は、ほぼ一定値Ｖ１を維持する。時刻ｔ_２では、基板１０の温度が第２温度Ｔ２に達して、エッチング速度は急激に減少する。これは、第２温度Ｔ２は、実質的にエッチングが停止する温度であることを示す。第１温度Ｔ１では、インジウムとハロゲンとの反応生成物が、回折格子形成層１２上に堆積しない。ハロゲンガスから生成されたエッチャントに回折格子形成層１２を晒し始める時刻ｔ_１には、希ガスプラズマによる加熱は既に停止しているので、時刻ｔ_１の後のエッチング中に、回折格子形成層１２の温度は、第１温度から下降する。第１温度Ｔ１よりも低い第２温度Ｔ２では、反応生成物がエッチング中の回折格子形成層１２の表面に残るようになって、この結果、エッチャントが回折格子形成層１２の表面に到達することが妨げられる。このため、エッチャントの有無に関係なくエッチングが実質的に停止する。

第１実施形態では、回折格子形成層１２のエッチング量は、エッチャントの供給開始の時刻ｔ_１から、エッチャントの供給終了の時刻ｔ_２までの期間の長さによって決定される。基板温度が第２温度Ｔ２に下降する時刻にエッチングが実質的に停止するので、基板温度が第２温度Ｔ２に下降する時刻は、時刻ｔ_２と一致する。このため、第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２への基板温度の下降速度が調整されると、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２への所要時間も調整されて、回折格子形成層１２におけるエッチング量が制御される。第１実施形態では、回折格子１２Ｇの深さが例えば１００〜５００ｎｍのいずれかの値を有するように、回折格子形成層１２のエッチングが行われる。エッチング時間とエッチング量との関係は、回折格子１２Ｇの作成に先立って予備的な実験的により決定される。エッチング時間の経過に伴った温度変化の程度は、基板支持台３３の温度の高低により調整可能であり、また、温度変化の程度は、回折格子１２Ｇの形成に先立って実験的に決定される。希ガスプラズマによる加熱に基づく回折格子形成層１２の温度は、回折格子１２Ｇの形成に先立って実験的に決定される。

工程Ｓ５において、ハロゲンガスは、例えば塩素又はヨウ素を含む化合物から成ることができる。より具体的には、ハロゲンガスは、例えば、ＣＣｌ_２Ｆ_２、ＣＣｌ_３Ｆ、ＣＣｌ_４、ＨＣｌ、Ｃｌ_２、ＳｉＣｌ_４、及びＨＩなどを包含することができる。希釈ガスは、具体的には、例えば、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、及びＫｒなどの希ガスであることができる。希釈ガスは、希ガスの他に、例えばＮ_２などであることもできる。エッチングガスは、回折格子形成層１２に含まれるＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰなどとエッチングガスとの反応生成物の蒸気圧が低くなるように選択される。ＩＣＰパワー及びＢＩＡＳパワーは、形成される回折格子１２Ｇの深さに合わせて調整される。第１実施形態におけるエッチング条件は、例えば、以下の通りである。
ＳｉＣｌ_４ガスの流量：１〜１００ｓｃｃｍ。
プロセス圧力：１〜１０Ｐａ。
ＩＣＰパワー：２０〜３００Ｗ。
Ｂｉａｓパワー：１０〜２００Ｗ。
回折格子１２Ｇが形成された後は、プロセスチャンバ３２内に残留するエッチングガスなどが、ガス排出口３４ｂを介して外部に排出される。ガスの排出後、基板１０は、プロセスチャンバ３２から取り出される。工程Ｓ５までの工程により、回折格子形成層１２に回折格子１２Ｇが形成され、回折格子層１２Ａが得られる。

工程Ｓ６では、マスク１３が除去された後に、図２の（ｃ）部に示されるように、エッチングが終了した回折格子層１２Ａの上に、ｎ型のＩｎＰクラッド層１４が形成される。ＩｎＰクラッド層１４は、ドーパントとして、例えばＳｉなどを含む。ＩｎＰクラッド層１４の厚みは、例えば３μｍである。工程Ｓ６では、ＩｎＰクラッド層１４の上に、コンタクト層１５が更にエピタキシャル成長される。コンタクト層１５は、例えばＩｎＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。コンタクト層１５の厚みは、例えば１００ｎｍである。

工程Ｓ７では、図２の（ｄ）部に示されるように、メサの形成が行われる。工程Ｓ７では初めに、基板１０の面方位（０−１−１）に垂直な方向にメサ１６が延在するように、メサ１６形成用のエッチングマスク１７のパターンが形成される。エッチングマスク１７は、コンタクト層１５の上に形成され、例えばＳｉＮ層を備える。ＳｉＮ層の形成は、例えばプラズマＣＶＤによる。ＳｉＮ層の厚みは、例えば５００ｎｍである。次に、例えばフォトリソグラフィ法などが用いられて、メサ１６形成のためのメサパターン１７Ａがエッチングマスク１７に転写される。エッチングマスク１７は、例えばストライプ状の形状を有するように形成される。メサ幅１６Ｗは、例えば３μｍ〜１０μｍである。ＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０を用いてエッチングを行うと、メサ１６が得られる。メサ１６を形成するためのエッチングガスとしては、例えばハロゲンガスが用いられる。メサ１６の形成にあたっては、基板１０の表面１０Ａもエッチングされて、メサ１６は基板１０の一部を含む。このため、メサ１６は、最下部に基板１０を含み、更に、この部分の上に、コア層１１、回折格子層１２Ａ、ＩｎＰクラッド層１４、及びコンタクト層１５を有する。メサ１６の高さ１６Ｈは、例えば７μｍである。

工程Ｓ８では、図３の（ｅ）部に示されるように、埋め込み層１８が成長される。メサ１６は、側面１６Ａ及び１６Ｂを有し、埋め込み層１８の形成にあたっては、側面１６Ａ及び１６Ｂが、例えば半絶縁性のＩｎＰなどによって埋め込まれる。工程Ｓ８では、埋め込み層１８がメサ１６の上に形成されないように、工程Ｓ７においてメサ１６の形成に使用されたエッチングマスク１７が選択成長マスクとして使用される。

工程Ｓ９では、図３の（ｆ）部に示されるように、パッシベーション膜１９が形成される。パッシベーション膜１９は、コンタクト層１５及び埋め込み層１８の上に形成される。パッシベーション膜１９は、例えばＳｉＮ又はＳｉＯＮといったＳｉ系無機絶縁層などからなり、例えばプラズマＣＶＤ法などを用いて形成される。パッシベーション膜１９の厚みは、例えば３００ｎｍである。

工程Ｓ１０では、図３の（ｇ）部に示されるように、電極形成及びレーザチップ形成が行われる。工程Ｓ１０では初めに、パッシベーション膜１９に開口部１９Ｎが形成される。開口部１９Ｎは、メサ１６のコンタクト部１６Ｃ上に位置する。開口部１９Ｎ用のマスクが、例えばフォトリソグラフィ法を用いて形成され、次に、開口部１９Ｎの形状は、例えばフッ酸溶液でのエッチングを介して、開口部１９Ｎ用のパターンに従って形成される。また、工程Ｓ１０では、開口を形成した後に、パッシベーション膜１９の上に、上部電極２０がリフトオフにより形成される。上部電極２０は、例えば蒸着法により形成される導電膜を含み、例えばＴｉ、Ｐｔ及びＡｕからなる積層構造を有する。上部電極２０の厚みは、例えば５００ｎｍである。上部電極２０には電極配線２０Ａが形成される。工程Ｓ１０では、基板１０の裏面１０Ｂが研磨される。研磨後の基板１０の厚みは、例えば１００μｍである。研磨後の裏面１０Ｂには、例えばＡｕＧｅＮｉとＡｕとからなる下部電極２１が形成される。下部電極２１の形成は、例えば蒸着法による。下部電極２１の厚みは、例えば１μｍである。メサ１６を含むレーザ領域２２がヘキ開によって分離されて、レーザチップが形成される。工程Ｓ１０によって、実屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザ１が完成する。

以上の説明では、図１の流れ図を参照しながら、方法Ｍ１によって実屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザ１が製造される工程について示した。第１実施形態では、分布帰還型量子カスケードレーザ１のための回折格子が形成される様子について詳細に調べるために、さらに具体的な実験を行った。以下、その実験結果について説明する。

（実施例）
図６は、回折格子形成層のエッチング時における基板温度と経過時間との関係を示す図である。方法Ｍ１では、希ガスプラズマによる加熱が行われる一方で、プラズマ加熱が停止された後に、回折格子形成層のエッチングが行われる。このため、エッチングが行われている間に、基板の温度は下降する。図６は、基板温度の下降の様子を調べるための実験を行った結果である。基板はＩｎＰを含む。図６に示す実験では、図４に示されるＩＣＰ−ＲＩＥ装置において、基板が図５と同様のプラズマ加熱を受けて、基板温度が約２００℃に達した時刻が０秒である。また、図６に示す実験では、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置内の基板支持台の温度は８０℃に設定されている。基板支持台の温度調整は、基板支持台に基板が保持された時から開始される。９０秒間の希ガスプラズマによる加熱を行う。この加熱が停止された後に、基板温度は、約２００℃から下降し始め、６０秒後には約１８０℃にまで下降する。さらに時間が経過すると、基板支持台３３に保持された基板の温度は、基板支持台の設定温度に近い約８０℃にまで下降し、その後には、ほぼ８０℃を維持することが示された。

図７は、回折格子の深さと総エッチング時間との関係を示す図である。図７に示される実験では、第１〜第３の基板が用いられて、回折格子形成層のエッチングにより形成された回折格子の深さが測定された。第１番目の基板は、エッチング開始から６０秒経過時の測定に使用された。第２及び第３番目の基板は、それぞれエッチング開始から１５０秒経過時及び２００秒経過時の測定に使用された。回折格子形成層は、いずれもInGaAsもしくはInGaAsPを含む。回折格子の深さは、原子間力顕微鏡によって測定した。回折格子の深さは、エッチング開始から６０秒経過時では、約１８０ｎｍである。また、回折格子の深さは、エッチング開始から１５０秒経過時では、約３４０ｎｍであり、エッチング開始から２００秒経過時では、約３６０ｎｍである。この結果は、基板の温度の下降に合わせて、エッチング速度が次第に減少することを示している。エッチング開始から６０秒経過時までの期間においては、エッチング量をこの期間で除した平均エッチング速度は、約３ｎｍ／秒であるのに対して、６０秒経過時から１５０秒経過時までの期間においては、平均エッチング速度は、約２ｎｍ／秒に減少する。１５０秒経過時から２００秒経過時までの期間における平均エッチング速度は、約０．４ｎｍ／秒である。エッチング開始から２００秒経過した時では、エッチングは実質的に殆ど停止している。図７に示される結果の実験条件は、以下の通りである。
エッチングガス：ＳｉＣｌ_４ガス。
希釈ガス：Ａｒガス。
ＳｉＣｌ_４ガスの流量：２ ｓｃｃｍ。
Ａｒガスの流量：９７ｓｃｃｍ。
プロセス圧力：２．５Ｐａ。
ＩＣＰパワー：２５Ｗ。
Ｂｉａｓパワー：１５Ｗ。

図８は、基板の再加熱を行いながらエッチングされる回折格子の深さとエッチング時間との関係を調べた結果を示す図である。図８に示される実験では、第１〜第３の基板が用いられて、回折格子形成層のエッチングにより形成された回折格子の深さが測定された。第１番目の基板は、エッチング開始時に希ガスプラズマによる加熱を受けた。その後、第１番目の基板は、エッチング開始から６０秒経過時に、回折格子の深さの測定に使用された。第２番目の基板は、エッチング開始時の加熱に加えて、エッチング開始から６０秒経過後に再加熱を受けた。その後、第２番目の基板は、エッチング開始から１２０秒経過時に、回折格子の深さの測定に使用された。第３番目の基板は、エッチング開始時の加熱及び６０秒経過後の再加熱に加えて、エッチング開始から１２０秒経過後に再加熱を受けた。その後、第３番目の基板は、エッチング開始から１５０秒経過時に、回折格子の深さの測定に使用された。回折格子形成層は、いずれもInGaAsもしくはInGaAsPを含む。回折格子の深さは、原子間力顕微鏡によって測定した。図８に示されるように、回折格子の深さは、エッチング開始から６０秒経過した時点では、約２００ｎｍである。また、回折格子の深さは、エッチング開始から１２０秒経過した時点では、約３９０ｎｍであり、エッチング開始から１５０秒経過した時点では、約５７０ｎｍである。平均エッチング速度は、エッチング開始から６０秒経過時までにおいて約３ｎｍ／秒であり、６０秒経過時から１２０秒経過時までにおいても、約３ｎｍ／秒である。１２０秒経過時から１５０秒経過時までの平均エッチング速度は、約６ｎｍ／秒である。この結果は、基板の温度を再度２００℃又はこれ以上の温度に上昇させるようなプラズマ加熱が基板に適用されると、再加熱の後において、エッチング速度が維持されることを示す。図８の回折格子を形成するためのエッチングガス等のエッチング条件は、再加熱される点を除くと、図７の実験のために示されたエッチング条件と同じである。

図９は、エッチング速度と基板温度との関係を示す図である。図９に示す実験では、エッチング対象はInGaAsもしくはInGaAsPを含む。図９を参照すると、以下のことが理解される。基板の温度が２００℃程度以上の温度領域では、単位時間あたりのエッチング速度は、約３ｎｍ／秒でほぼ一定値を維持する。一方、基板温度が２００℃程度より低い温度領域に、エッチング速度が急に減少する温度領域があり、１８０℃程度の基板温度では、エッチング速度は約０．８ｎｍ／秒にまで減少する。基板温度が１８０℃程度より低い温度領域では、エッチングが実質的に停止する。例えば、基板温度が８０℃では、エッチング速度は殆ど０ｎｍ／秒である。図９の結果は、第１温度Ｔ１として２００℃以上にまで基板の温度が上昇すると、エッチングが進行することを示す。また、図９の結果は、第２温度Ｔ２として１８０℃以下の温度にまで基板の温度が下降すると、エッチングが実質的に停止されることを示す。基板の温度の調整は、回折格子の深さを制御することを可能にする。

図１０は、基板上の複数の位置で測定された回折格子の深さを示す図である。図１０に示される実験では、基板の表面の５つの測定点Ｐ〜Ｔにおいて回折格子の深さが測定された。図１０の（ａ）部は、基板の表面における５つの測定点を表す。図１０の（ｂ）部は、５つの測定点Ｐ〜Ｔにおける回折格子の深さの測定値である。図１０の（ａ）部に示されるように、基板内の測定点は、図中のＸＹ座標において基板の中心点を（０、０）とするとき、測定点Ｐ：（０、１）、測定点Ｑ：（−１、０）、測定点Ｒ：（０、０）、測定点Ｓ：（１、０）、測定点Ｔ：（０、−１）として表される。かっこ内の２つの数値の単位はｍｍである。回折格子の深さは、測定点Ｐで１４１ｎｍ、測定点Ｑで１４１．５ｎｍ、測定点Ｒで１３９ｎｍ、測定点Ｓで１４０ｎｍ、測定点Ｔで１４０ｎｍである。測定点Ｐ〜Ｔにおける回折格子の深さの平均値は、１４０．３ｎｍであり、測定点Ｐ〜Ｔにおける回折格子の深さの標準偏差が約１．８ｎｍである。測定点Ｐ〜Ｔにおいて、エッチングされる回折格子の深さの均一性が示された。この実施例では、第１温度Ｔ１への回折格子形成層の温度の上昇時に、回折格子形成層がアルゴンプラズマに晒されるので、回折格子形成層は、その全域の温度がほぼ一様に上昇する。また、第２温度Ｔ２への温度の下降に際しては、回折格子形成層を有する基板の裏面の全面が基板支持台に接触しているので、回折格子形成層は、その全域の温度がほぼ一様に下降する。このため、基板上の回折格子形成層の全域に対するエッチングがほぼ同時期に開始され、かつ、ほぼ同時期に停止するので、回折格子形成層のほぼ全域に亘って回折格子の深さの均一性が向上する。ヘリウムガスが、基板支持台と基板との熱媒体として使用されると、回折格子形成層のほぼ全域において均一な温度がより得られやすい。

第１実施形態においては、回折格子形成層のエッチングが実質的に終了した後に、希ガスプラズマに回折格子形成層を更に晒し続けるオーバーエッチングも行われた。エッチング対象はInGaAsもしくはInGaAsPを含む。回折格子形成層に対する希ガスプラズマによるダメージの増加の有無が観察された結果、５０秒間のオーバーエッチングが行われても、回折格子形成層上のエッチング面には、エッチングに伴うダメージが増加しないことが示された。

（第２の実施の形態）
図１１は、第２実施形態に係る半導体光デバイスを製造する方法を示す流れ図である。図１２及び図１３は、図１１に示す方法の各工程により作製される生産物を示す断面図である。図１２及び図１３には、ＸＹＺ座標系が描かれており、ＸＹＺ座標系によって生産物の向きが示される。第２実施形態では、半導体光デバイスとして、複素屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザが製造される。

工程２１では、図１２の（ａ）部に示されるように、コンタクト層（回折格子形成層）が形成される。工程２１では初めに、ＩｎＰからなる基板１０の面方位（１００）の主面上に、コア層１１が形成される。基板１０には、Ｓｎなどが含まれている。コア層１１は、超格子構造を有し、超格子構造は、例えばＩｎＧａＡｓとＡｌＩｎＡｓとを含む。超格子層は、例えば発光部と注入部とからなる数１００層の積層構造を有している。コア層１１の厚みは、例えば１．５μｍ〜２μｍである。工程Ｓ２１では、コア層１１の上に、ｎ型のＩｎＰクラッド層５２が成長される。ＩｎＰクラッド層５２の成長は、例えばＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法を用いたエピタキシャル成長による。ＩｎＰクラッド層５２は、例えばＳｉといったドーパントを含む。ＩｎＰクラッド層５２の厚みは、例えば３μｍである。工程Ｓ２１では、ＩｎＰクラッド層５２の上に、コンタクト層５３が形成される。コンタクト層５３は、ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。コンタクト層５３は、具体的には、例えばＩｎＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓＰなどからなる。コンタクト層５３は、例えばＳｉといったドーパントを含み、コンタクト層５３の厚みは、例えば５００ｎｍである。

工程Ｓ２２では、図１２の（ｂ）部に示されるように、メサ５４が形成される。このため、基板１０の面方位（０−１−１）に垂直な方向にメサ５４が延在するように、メサ５４形成用のエッチングマスク５５が形成される。エッチングマスク５５は、例えばＳｉＮ層を備える。ＳｉＮ層の形成は、例えばプラズマＣＶＤによる。ＳｉＮ層の厚みは、例えば５００ｎｍである。次に、例えばフォトリソグラフィ法などが用いられて、メサ５４形成のためのメサパターン５５Ａがエッチングマスク５５に転写される。エッチングマスク５５は、例えばストライプ状の形状を有るように形成される。メサ幅５４Ｗは、例えば３μｍ〜１０μｍである。工程Ｓ２２では、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０を用いてエッチングを行うと、メサ５４が得られる。メサ５４を形成するためのエッチングガスとしては、例えばハロゲンガスが用いられる。メサ５４の形成にあたっては、基板１０の表面１０Ａもエッチングされて、メサ５４は基板１０の一部を含む。このため、メサ５４は、最下部に基板１０を含み、更に、この部分の上に、コア層１１、ＩｎＰクラッド層５２、及びコンタクト層５３を有する。メサ５４の高さ５４Ｈは、例えば７μｍである。

工程Ｓ２３では、回折格子形成のためのマスクが形成される。このマスク形成に先立って、工程Ｓ２３では、エッチングマスク５５が例えばフッ酸溶液によって除去される。回折格子形成のためのマスク５６は、例えばＳｉ系無機絶縁層などからなり、より具体的には、例えばＳｉＮ膜からなる。このＳｉＮ膜は、例えばプラズマＣＶＤ法によって成長される。ＳｉＮ膜の厚みは、例えば１００ｎｍである。マスク５６は、例えばフォトリソグラフィ法などによって転写された回折格子５３Ｇのためのパターン（回折格子パターン５６Ａ）を有する。回折格子パターン５６Ａは、例えば、ライン幅５６Ｗが０．２μｍ〜１μｍのラインアンドスペースパターンであることができる。

工程Ｓ２４では、コンタクト層５３を有する基板１０が、図４のＩＣＰ−ＲＩＥ装置３０内に配置される。工程Ｓ２５では、第１実施形態と同様に、希ガスプラズマによって、コンタクト層５３の温度が高められる。次いで、工程Ｓ２６では、希釈ガスに希釈されたエッチングガスが用いられて、図１１の（ｃ）部に示されるように、コンタクト層５３に回折格子５３Ｇが形成される。第２実施形態でも、回折格子５３Ｇの深さが例えば１００〜５００ｎｍのいずれかの値を有するように、コンタクト層５３のエッチングが行われる。

工程Ｓ２７では、図１３の（ｄ）部に示されるように、パッシベーション膜５７が形成される。パッシベーション膜５７は、メサ５４を覆うように形成される。パッシベーション膜５７は、例えばＳｉＮ又はＳｉＯＮなどからなり、例えばプラズマＣＶＤ法などを用いて形成される。パッシベーション膜５７の厚みは、例えば３００ｎｍである。

工程Ｓ２８では、図１３の（ｅ）部に示されるように、上部電極の形成が行われる。工程Ｓ２８では初めに、パッシベーション膜５７に開口部５７Ｎが設けられる。メサ５４はコンタクト部５４Ｃを有し、開口部５７Ｎは、パッシベーション膜５７内において、コンタクト部５４Ｃ上に位置する部分に形成される。開口部５７Ｎは、例えばフォトリソグラフィとフッ酸溶液とのエッチングとによって形成される。工程Ｓ２８では次に、開口されたパッシベーション膜５７の上に、上部電極５８が形成される。上部電極５８には、例えばフォトリソグラフィ法によって電極配線パターンが転写される。次いで、例えばリフトオフ法が用いられて、電極配線パターンが転写された上部電極５８には電極配線５８Ａが形成される。

工程Ｓ２９では、図１３の（ｆ）部に示されるように、裏面研磨、下部電極形成及びレーザチップ形成が行われる。工程Ｓ２９では、基板１０の裏面１０Ｂが研磨されて、研磨面１０Ｑが形成される。研磨後の基板１０の厚みは、例えば１００μｍである。研磨面１０Ｑには、例えばＡｕＧｅＮｉとＡｕとからなる下部電極５９が形成される。下部電極５９の形成は、例えば蒸着法による。下部電極５９の厚みは、例えば１μｍである。メサ５４を含むレーザ領域６０がヘキ開によって分離されて、レーザチップが形成される。工程Ｓ２９によって、複素屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザ１Ｂが完成する。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。

本実施の形態によれば、形成される回折格子の深さの制御性を向上できる半導体光デバイスを製造する方法が提供される。

１…実屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザ、１Ｂ…複素屈折率結合型の分布帰還型量子カスケードレーザ、１０…基板、１２…回折格子形成層、１２Ｇ…回折格子、１３…回折格子形成用マスク、１３Ａ…回折格子パターン、３０…ＩＣＰ−ＲＩＥ装置、３１…高周波電源、３２…プロセスチャンバ、３３…基板支持台、５３…コンタクト層、５３Ｇ…回折格子、５６Ａ…回折格子パターン。

Claims (9)

1. 半導体光デバイスを製造する方法であって、
   ＩＩＩ族構成元素としてインジウムを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む回折格子形成層を基板の上に形成する工程と、
   回折格子のためのパターンを有するマスクを前記回折格子形成層の上に形成する工程と、
   前記マスクを形成した後に、エッチング装置において、温度設定可能な基板支持台の上に前記基板を配置する工程と、
   前記エッチング装置において、放電により生成された希ガスプラズマに前記回折格子形成層を晒して、前記回折格子形成層の温度を高める工程と、
   前記希ガスプラズマの生成を停止するとともに、前記エッチング装置にハロゲンガスを供給して、前記回折格子の形成のために、前記ハロゲンガスから生成されたエッチャントに前記回折格子形成層を晒す工程と、
   を備え、
   前記希ガスプラズマに前記回折格子形成層を晒すことにより、前記回折格子形成層の温度は、前記ハロゲンガスを用いて前記回折格子形成層をエッチング可能な第１温度より高くなり、
   前記ハロゲンガスから生成されたエッチャントに前記回折格子形成層を晒す前記工程において、前記回折格子形成層の温度は、前記第１温度より低い第２温度に降下し、
   前記第２温度におけるエッチングレートは、前記第１温度におけるエッチングレートより低く、
   前記基板支持台の温度は、前記第１温度及び前記第２温度より低い温度に設定されている、半導体光デバイスを製造する方法。
2. 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体がＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰであり、
   前記ハロゲンガスが塩素又はヨウ素を含む化合物である、請求項１に記載の半導体光デバイスを製造する方法。
3. 前記第１温度が２００℃以上であり、
   前記第２温度が１８０℃以下である、請求項１又は請求項２に記載の半導体光デバイスを製造する方法。
4. 前記希ガスプラズマとしてアルゴンプラズマを備える、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の半導体光デバイスを製造する方法。
5. 前記基板支持台が、ヘリウムガスを用いて前記基板の温度を調整する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の半導体光デバイスを製造する方法。
6. 前記エッチング装置が、誘導性結合プラズマ―反応性イオンエッチング法を適用可能である、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の半導体光デバイスを製造する方法。
7. 当該半導体光デバイスが量子カスケードレーザである、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の半導体光デバイスを製造する方法。
8. 前記回折格子形成層の温度が前記第２温度に達したとき、前記ハロゲンガスから生成されたエッチャントに前記回折格子形成層を晒す前記工程におけるエッチングが実質的に停止する、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の半導体光デバイスを製造する方法。
9. 前記回折格子形成層の温度が前記第２温度に達したとき、前記エッチング装置に前記ハロゲンガスを供給することを停止する、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の半導体光デバイスを製造する方法。

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