JP6421901B1 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

基材の上に第１の半導体層を形成する工程と、第１の半導体層の上にマスクを形成する工程と、マスクを用いて第１の半導体層をエッチングし、半導体構造を形成する工程と、半導体構造の側面に接する領域に、マスクに接した凸部を有する第２の半導体層を形成する工程と、エッチングガスを供給して凸部を除去する凸部除去工程と、半導体構造および第２の半導体層の上に原料ガスを供給して再成長層を形成する再成長層形成工程とを備え、凸部除去工程および再成長層形成工程を同一の製造装置内で実施する。

Description

この発明は半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置を製造する際、絶縁膜マスクを用いた部分エッチングと再成長を行うことが多い。例えば、メサ構造を有する半導体レーザの製造では、基板上に積層した半導体層をストライプ状の絶縁膜マスクを用いてエッチングすることでメサ構造を形成し、メサ構造の両脇に半絶縁性の埋め込み層を成長させ、マスクを除去し、メサ構造および埋め込み層の上にクラッド層、コンタクト層を再成長させる。
上記の方法で半導体レーザを製造した場合、埋め込み層のマスク近傍でのボリュームが選択成長効果で大きくなり、マスク除去後の表面に凸部ができてしまう。このような局所的に高さの異なる表面構造の上にクラッド層およびコンタクト層を成長させると、面方位ごとの成長速度の違いにより、転位が伝搬する。その結果、半導体レーザの表面にピットが発生し、外観不良やその後のエッチング工程での異常エッチングなどを誘発してしまう。
この問題の解決手段として凸部をウェットエッチングで除去してからクラッド層を再成長させる方法が知られている（例えば特許文献１）。
特開２０１５−１６２５００号公報
しかし、凸部をウェットエッチングで除去する場合、ウェットエッチング工程とその後のクラッド層の再成長工程で使用する製造装置が異なるため、製造途中の半導体装置をウェットエッチング後に大気にさらす必要が生じる。そうなると、その表面を清浄な状態に保てない。
この発明は上記の問題を解決するためになされたもので、その目的は清浄な状態の表面の上に半導体層を再成長させられる半導体装置の製造方法を提供することである。
この発明に係る半導体装置の製造方法は、基材の上に第１の半導体層を形成する工程と、第１の半導体層の上にマスクを形成する工程と、マスクを用いて第１の半導体層をエッチングし、半導体構造を形成する工程と、半導体構造の側面に接する領域に、マスクに接した凸部を有する第２の半導体層を形成する工程と、エッチングガスを供給して凸部を除去する凸部除去工程と、半導体構造および第２の半導体層の上に原料ガスを供給して再成長層を形成する再成長層形成工程とを備え、凸部除去工程および再成長層形成工程を同一の製造装置内で連続して実施するものである。
この発明の製造方法を使用すれば、凸部の除去とその後の半導体層の再成長を同一の製造装置内で実施するため、清浄な状態の表面の上に半導体層を再成長させた半導体装置を製造できる。
実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法のガス供給状況を示す図である。 実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図である。 凸部が除去される様子を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法のガス供給状況を示す図である。 実施の形態３に係る半導体レーザの製造方法のガス供給状況を示す図である。 実施の形態４に係る半導体レーザの製造方法のガス供給状況を示す図である。 実施の形態５に係る半導体レーザの製造方法のガス供給状況を示す図である。 実施の形態６に係る半導体レーザの製造方法のガス供給状況を示す図である。 実施の形態７に係るＥＭＬの製造方法を示す断面図である。 実施の形態７に係るＥＭＬの製造方法を示す断面図である。
実施の形態１．
実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法について述べる。説明に用いる図２〜３において、半導体レーザからレーザ光が紙面に垂直に出射される。
まず、図２（ａ）に示すように、基材となるｎ型ＩｎＰ基板１０上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１４、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層１６を順次エピタキシャル成長させる。続いて、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜を堆積させ、レジストパターンを用いたフォトエッチングを行うことで、ストライプ状のＳｉＯ２マスク１８を形成する。続いて、図２（ｃ）に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）のドライエッチングを行い、ＳｉＯ２マスク１８の開口部をｎ型ＩｎＰクラッド層１２の途中までエッチングし、メサ構造２０を形成する。続いて、図２（ｄ）に示すように、メサ構造２０の側面に接する領域に、半絶縁性のＩｎＰ埋め込み層２６を成長させる。このＩｎＰ埋め込み層２６は電流ブロック層として機能する。ＳｉＯ２マスク１８近傍のＩｎＰ埋め込み層２６の表面には、後述する理由により、凸部２８が形成される。続いて、ＳｉＯ２マスク１８をフッ酸を用いて除去し、図３（ａ）の構造を得る。
ＩｎＰ埋め込み層２６の表面に凸部２８が形成される理由は、ＳｉＯ２マスク１８近傍での結晶成長が促進されるからである。マスク表面に供給された材料はマスク表面を左右に流れ、マスク近傍のＩｎＰ埋め込み層２６の成長に寄与する。そのため、マスク近傍の結晶成長が他の箇所より速くなり、凸部２８が形成される。
図３（ａ）の構造を形成後、図３（ｂ）に示すように、ＨＣｌガスによるエッチングで凸部２８を除去する。これ以降、この工程を凸部除去工程と称する。
凸部２８が除去される仕組みは次のとおりである。ＨＣｌガスによるエッチングでは、エッチング速度に結晶の面方位依存性があり、（００１）面より（１１１）Ｂ面のほうがエッチング速度が大きい。図４（ａ）には、凸部２８と、（００１）面に垂直な方向を示すＡの矢印、（１１１）Ｂ面に垂直な方向を示すＢ１、Ｂ２の矢印が描かれている。図４（ａ）の状態からエッチングを開始すると、エッチングの進行に伴い図４（ｂ）のように凸部が小さくなり、最終的に図４（ｃ）のように凸部が除去される。
凸部の除去後、製造途中の半導体レーザを製造装置から出さずに、ＨＣｌガスの供給を止め、原料ガスであるＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスを流して第２のｐ型ＩｎＰクラッド層３０を再成長させ、図３（ｃ）に示した構造を得る。これ以降、この工程を再成長層形成工程と称する。さらにその上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２を成長させることで、図３（ｄ）に示した半導体レーザの基本結晶構造を得る。
図１にガス供給の状況を示す。凸部除去工程では、ＨＣｌガスを供給して凸部除去を実施する。続く再成長層形成工程では、ＨＣｌガスの供給を止め、ＴＭＩガスを供給し、第２のｐ型ＩｎＰクラッド層３０を再成長させる。なお、凸部を除去する前、製造装置内を昇温している間にＰＨ３（ホスフィン）を供給するのは、ＩｎＰ埋め込み層２６からのＰ抜けを防止するためである。
実施の形態１に係る製造方法を用いて半導体レーザを製造すると、凸部が除去されたＩｎＰ埋め込み層２６を得られる。そのため、第２のｐ型ＩｎＰクラッド層３０とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２を平坦に成長させられる。もし、凸部が存在したまま、その上に第２のｐ型ＩｎＰクラッド層３０やｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２を成長させると、面方位ごとの成長速度の違いにより、転位が伝搬する。その結果、半導体レーザの表面にピットが発生し、外観不良やその後のエッチング工程での異常エッチングなどを誘発してしまう。これに対し、実施の形態１に係る製造方法を用いた場合、上記のような不具合がない半導体レーザを得られる。
また、凸部除去工程および再成長層形成工程を同じ製造装置内で連続して実施するため、凸部除去後のＩｎＰ埋め込み層２６およびメサ構造２０の表面を大気にさらすことがなく、これらの表面を清浄な状態に保ったまま第２のｐ型ＩｎＰクラッド層３０を成長させられる。
また、凸部除去をウェットエッチングで実施する場合に比べ、製造工程数を減らせる。
実施の形態２．
実施の形態２に係る半導体レーザの製造方法について述べる。ここでは、実施の形態１に係る製造方法と同様の工程については詳述せず、主に実施の形態１との違いを説明する。得られる効果についても、主に実施の形態１との違いを記述する。
実施の形態２に係る製造方法におけるガス供給の状況を図５に示す。実施の形態１との違いは、再成長層形成工程においてもＨＣｌガスの供給を続けることである。
実施の形態２に係る製造方法では、再成長層形成工程においてもＨＣｌガスを供給していることから、もし、凸部除去工程完了後に凸部を完全に除去できていなくても、続く再成長層形成工程において凸部が除去される。
実施の形態３．
実施の形態３に係る半導体レーザの製造方法について述べる。ここでは、実施の形態１に係る製造方法と同様の工程については詳述せず、主に実施の形態１との違いを説明する。得られる効果についても、主に実施の形態１との違いを記述する。
実施の形態３に係る製造方法におけるガス供給の状況を図６に示す。実施の形態１との違いは、凸部除去工程においてもＴＭＩガスを供給することである。ＨＣｌガスは（００１）面をエッチングする能力も持つため、ＨＣｌガスとＴＭＩガスを同時に流すと、実際に（００１）面がエッチングされるか成長するかはこれらのガスの供給量や温度、圧力などの諸条件により決まる。もし、（００１）面がエッチングされる場合でも、実施の形態１に比べてエッチング速度が小さいため、この面のエッチング量が小さくなり、その後の再成長層形成工程における第２のｐ型ＩｎＰクラッド層３０形成にかかる時間が短縮される。一方、（００１）面が成長する場合は、時間短縮効果がさらに増す。
実施の形態４．
実施の形態４に係る半導体レーザの製造方法について述べる。ここでは、実施の形態１に係る製造方法と同様の工程については詳述せず、主に実施の形態１との違いを説明する。得られる効果についても、主に実施の形態１との違いを記述する。
実施の形態４に係る製造方法におけるガス供給の状況を図７に示す。実施の形態１との違いは、凸部除去工程においてもＴＭＩガスを供給し、再成長層形成工程においてもＨＣｌガスを供給することである。図７では凸部除去工程と再成長層形成工程をそれぞれ別の工程としているが、これらを合わせて１つの工程として捉えても差し支えないし、これらの工程間でガス流量などの条件に違いを設けて別々の工程として捉えてもかまわない。
実施の形態４に係る製造方法では、凸部除去工程と再成長層形成工程においてＨＣｌガスで凸部を除去するため、凸部除去による効果が得られる。
また、凸部除去と同時にＴＭＩガスを供給するため、これらの工程にかかる時間を短縮できる。
実施の形態５．
実施の形態５に係る半導体レーザの製造方法について述べる。ここでは、実施の形態３に係る製造方法と同様の工程については詳述せず、主に実施の形態３との違いを説明する。得られる効果についても、主に実施の形態３との違いを記述する。
実施の形態５に係る製造方法におけるガス供給の状況を図８に示す。実施の形態３との違いは、凸部除去工程のほうが再成長層形成工程よりＴＭＩガスの流量が小さいことである。しかも、凸部除去工程におけるＴＭＩガスの流量は、（００１）面の成長速度とＨＣｌガスによる（００１）面のエッチング速度がほぼ等しくなるように設定する。このようにすれば、（００１）面の高さをほぼ変化させずに凸部だけを除去可能である。これにより、界面不純物除去効果を最大にすることができる。その理由は以下である。エッチング速度が遅いと、不純物が除去される前に結晶が成長するため、界面は汚染されたままである。逆にエッチング速度が速い場合、ほかの供給原料や炉内に付着した不純物がＨＣｌガスと反応して表面につきやすくなる。そのため、（００１）面の高さが変化しない場合は界面不純物除去効果が最大になる。
実施の形態６．
実施の形態６に係る半導体レーザの製造方法について述べる。ここでは、実施の形態４に係る製造方法と同様の工程については詳述せず、主に実施の形態４との違いを説明する。得られる効果についても、主に実施の形態４との違いを記述する。
実施の形態６に係る製造方法におけるガス供給の状況を図９に示す。実施の形態４との違いは、凸部除去工程のほうが再成長層形成工程よりＴＭＩガスの流量が小さいことである。しかも、凸部除去工程におけるＴＭＩガスの流量は、（００１）面の成長速度とＨＣｌガスによる（００１）面のエッチング速度がほぼ等しくなるように設定する。このようにすれば、（００１）面の高さをほぼ変化させずに凸部だけを除去可能である。これにより、界面不純物除去効果を最大にすることができる。
実施の形態７．
実施の形態７に係るＥＭＬ（Electro-absorption Modulator integrated Laser-diode）の製造方法について述べる。説明に用いる図１０、１１において、ＥＭＬからレーザ光が紙面の左に向かって出射される。ＥＭＬは、レーザ光を生成するＤＦＢ（Distributed FeedBack）部と、生成されたレーザ光を外部に出射するか遮断するかを制御するＥＡ（Electro-Absorption）部で構成される。
まず、図１０（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板５０上にｎ型ＩｎＰクラッド層５２をエピタキシャル成長させる。ｎ型ＩｎＰ基板５０上にｎ型ＩｎＰクラッド層５２を積層したものを基材と称する。続いて、ＩｎＧａＡｓＰ活性層５４、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層５６を順次エピタキシャル成長させる。続いて、図１０（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜を堆積させ、レジストパターンを用いたフォトエッチングを行うことで、ストライプ状のＳｉＯ２マスク５８を形成する。続いて、図１０（ｃ）に示すように、ＲＩＥのドライエッチングを行い、ＳｉＯ２マスク５８の開口部をＩｎＧａＡｓＰ活性層５４の下までエッチングし、ＤＦＢ構造６０を形成する。続いて、図１０（ｄ）に示すように、ＤＦＢ構造６０の側面に接する領域に、ＩｎＧａＡｓＰコア層６２と第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６４を成長させる。このＩｎＧａＡｓＰコア層６２と第２のｐ型ＩｎＰクラッド層６４を合わせてＥＡ構造６６と称する。このとき、実施の形態１の説明で記載したように、ＳｉＯ２マスク５８近傍のＥＡ構造６６の表面には凸部６８が形成される。続いて、ＳｉＯ２マスク５８をフッ酸を用いて除去し、図１１（ａ）の構造を得る。
図１１（ａ）の構造を形成後、図１１（ｂ）に示すように、ＨＣｌガスによるエッチングで凸部６８を除去する。凸部が除去される理由は実施の形態１の説明で記載したとおりである。
凸部の除去後、製造途中のＥＭＬを製造装置から出さずに、ＨＣｌガスの供給を止め、原料ガスであるＴＭＩガスを流してｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７２を再成長させ、図１１（ｃ）に示した構造を得る。このときのガス供給状況は図１と同様である。図１１（ｃ）の右側がＤＦＢ部７４であり、左側がＥＡ部７６である。このあと、さらに複数の工程を経ることでＥＭＬの基本結晶構造を完成させるが、これらの工程は既知であるため、ここでは説明しない。
実施の形態７に係る製造方法を用いてＥＭＬを製造すると、凸部が除去されたＥＡ構造６６を得られるため、実施の形態1の説明で記載した効果を得られる。
また、凸部除去後のＥＡ構造６６およびＤＦＢ構造６０の表面を大気にさらすことがないため、実施の形態１の説明で記載した効果を得られる。
上記の説明ではＤＦＢ構造６０を先に形成し、その後ＥＡ構造６６を形成していたが、ＥＡ構造を先に形成し、その後ＤＦＢ構造を形成してもいい。その場合、ＤＦＢ構造の表面に凸部が形成されるが、上述のとおりに凸部を除去すれば、先に記載したのと同様の効果を得られる。
また、実施の形態２〜６に関して説明したガス供給方法を実施の形態７に係るＥＭＬの製造方法に適用してもいい。その場合、実施の形態２〜６に関して記載済みの効果をそれぞれ得られる。
なお、実施の形態１〜７の説明ではエッチングガスとしてＨＣｌガスを用いたが、それ以外のハロゲン系のエッチングガスを用いてもいい。具体的にはＣｌ２、ＣＣｌ４、ＣＢｒ４、ＣＣｌ３Ｂｒ、ＴＢＣｌ（Tertiarybutylchloride）などのガスである。
また、実施の形態１〜７の説明では半導体レーザまたはＥＭＬの製造方法を記載したが、これら以外にも選択マスクを使ってエッチングと再成長を実施して製造する構造であれば、この発明を適用できる。
１０，５０ ｎ型ＩｎＰ基板、１２，５２ ｎ型ＩｎＰクラッド層、１４，５４ ＩｎＧａＡｓＰ活性層、１６，５６ 第１のｐ型ＩｎＰクラッド層、１８，５８ ＳｉＯ２マスク、２０ メサ構造、２６ ＩｎＰ埋め込み層、２８，６８ 凸部、３０ 第２のｐ型ＩｎＰクラッド層、３２，７２ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、６０ ＤＦＢ構造、６２ ＩｎＧａＡｓＰコア層、６４ 第２のｐ型ＩｎＰクラッド層、６６ ＥＡ構造、７４ ＤＦＢ部、７６ ＥＡ部

Claims (12)

  1. 基材の上に第１の半導体層を形成する工程と、
    前記第１の半導体層の上にマスクを形成する工程と、
    前記マスクを用いて前記第１の半導体層をエッチングし、半導体構造を形成する工程と、
    前記半導体構造の側面に接する領域に、前記マスクに接した凸部を有する第２の半導体層を形成する工程と、
    エッチングガスを供給して前記凸部を除去する凸部除去工程と、
    前記半導体構造および前記第２の半導体層の上に原料ガスを供給して再成長層を形成する再成長層形成工程とを備え、
    前記凸部除去工程および前記再成長層形成工程を同一の製造装置内で連続して実施する半導体装置の製造方法。
  2. 前記再成長層形成工程において前記エッチングガスを供給する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記凸部除去工程において前記原料ガスを供給する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記凸部除去工程において前記原料ガスを供給し、
    前記再成長層形成工程において前記エッチングガスを供給する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記凸部除去工程のほうが前記再成長層形成工程より前記原料ガスの流量が小さい請求項３または４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記凸部除去工程において前記凸部以外の領域において高さがほぼ変化しない請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記エッチングガスはハロゲン系のガスである請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記半導体構造はメサ構造であり、
    前記第２の半導体層は電流ブロック層であり、
    前記半導体装置は半導体レーザである請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記基材は第１導電型ＩｎＰ基板であり、
    前記第１の半導体層は下層から上層に向けて順に第１導電型ＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ活性層、第１の第２導電型ＩｎＰクラッド層を備え、
    前記第２の半導体層は半絶縁性のＩｎＰ埋め込み層であり、
    前記再成長層は第２の第２導電型ＩｎＰクラッド層であり、
    前記原料ガスはＴＭＩガスである請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記半導体構造はＤＦＢ構造であり、
    前記第２の半導体層はＥＡ構造であり、
    前記半導体装置はＥＭＬである請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記半導体構造はＥＡ構造であり、
    前記第２の半導体層はＤＦＢ構造であり、
    前記半導体装置はＥＭＬである請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記基材は第１導電型ＩｎＰ基板の上に第１導電型ＩｎＰクラッド層を積層したものであり、
    前記第１の半導体層は下層から上層に向けて順にＩｎＧａＡｓＰ活性層、第１の第２導電型ＩｎＰクラッド層を備え、
    前記ＥＡ構造は下層から上層に向けて順にＩｎＧａＡｓＰコア層、第２の第２導電型ＩｎＰクラッド層を備え、
    前記再成長層は第２導電型ＩｎＧａＡｓコンタクト層であり、
    前記原料ガスはＴＭＩガスである請求項１０または１１に記載の半導体装置の製造方法。
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