JPH06291093A - 半導体のエッチング方法および半導体装置 - Google Patents

半導体のエッチング方法および半導体装置

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JPH06291093A
JPH06291093A JP6045068A JP4506894A JPH06291093A JP H06291093 A JPH06291093 A JP H06291093A JP 6045068 A JP6045068 A JP 6045068A JP 4506894 A JP4506894 A JP 4506894A JP H06291093 A JPH06291093 A JP H06291093A
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semiconductor
compound semiconductor
layer
semiconductor substrate
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JP6045068A
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Sureshchandra M Ojha
スレスチャンドラ・ムルシリアル・オイハ
Stephen J Clements
スティーブン・ジョン・クレメンツ
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Northern Telecom Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヘテロ構造化合物半導体をプラズマエッチン
グする方法を提供する。 【構成】 ヘテロ構造化合物半導体の主表面を選択的に
マスクし、マスクされたヘテロ構造を、二酸化炭素、亜
酸化窒素またはその混合物と共にメタン及び水素の混合
物を含む無線周波数プラズマに露出し、それによって、
ヘテロ構造化合物半導体のマスクされていない部分を主
表面にほぼ垂直な方向に異方性エッチングする方法が提
供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ヘテロ構造化合物半
導体のドライエッチング方法およびその方法によって製
造された半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザのような光電子デバイスの製造に
おいては、活性化イオンまたはプラズマエッチングプロ
セスは化合物半導体、特にIII−Ｖ族化合物をエッチン
グをするために広く使用されている。この分野の製造プ
ロセスにおいて特に要求されることは、たとえば、鏡面
にように高品質の平面を有する光学表面を供給すること
にある。一般にメタン／水素混合物は、エッチングガス
として用いられる。
【０００３】しかしながら、この構成は多くの欠点があ
ることが分かった。第１に、多層構造またはヘテロ構造
化合物半導体をエッチング中に、低損失の鏡として動作
するエッチング表面をスムーズに正しく供給することは
非常に難しい。第２に、ポリマがマスキング材料上およ
びエッチング表面上に堆積し、表面が粗くなる。第３
に、エッチング表面は、ポリマの堆積と半導体のエッチ
ング間のバランスに大きく依存する。エッチング条件の
小さな変化も、エッチング表面の品質に大きな影響を及
ぼす。その結果、プロセスの制御が非常に難しく、製品
として合格するデバイスは比較的少なくなる。
【０００４】これらの不利益を改良するために、エッチ
ングガス混合物へ酸素を加えない方法が検討されてき
た。このようなプロセスは、J W McNabb等によってJ.Va
c.Sci.Technol., B9(6), Nov/Dec 1991, 3535頁に記載
されている。これによって、ポリマ堆積の問題を減少で
きることが分かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
プロセスによっては、表面粗さの減少及び表面制御につ
いてはほとんど改善されていない。この反射表面の粗さ
のために表面から反射する光信号は大きく減衰する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はこれらの不利益
を最小化しあるいは克服することにある。本発明は、ヘ
テロ構造化合物半導体の異方性ドライエッチング方法に
おいて、ヘテロ構造化合物半導体の主表面を選択的にマ
スクし、マスクされたヘテロ構造化合物半導体を、二酸
化炭素、亜酸化窒素またはその混合物と共にメタン及び
水素の混合物を含む無線周波数プラズマに露出し、それ
によって、ヘテロ構造化合物半導体のマスクされていな
い部分を主表面にほぼ垂直な方向に異方性エッチングす
るように構成される。本発明は、典型的には、リン化イ
ンジウム（ＩｎＰ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧ
ａＡｓ）および／またはインジウムガリウムヒ素リン化
物（ＩｎＧａＡｓＰ）の多層構造を含むヘテロ構造化合
物半導体によって構成され、レーザまたは光検出器等の
製造に用いられる。
【０００８】本発明の他の見地によれば、本発明は、半
導体リッジレーザを形成する方法において、インジウム
ガリウムヒ素リン化物の活性層、前記の活性層上に堆積
されたリン化インジウム層およびインジウムガリウムヒ
素表面層を有する化合物半導体基板を供給し、レーザリ
ッジの位置に対応した前記表面層の領域にマスクを形成
し、マスクされた構造を、減圧下で、二酸化炭素、亜酸
化窒素またはその混合物と共にメタン及び水素の混合物
を含む無線周波数プラズマに露出し、前記表面層のマス
クされない領域を除去し、前記リッジを形成するように
構成される。
【０００９】
【作用】本発明は、ヘテロ構造化合物半導体の主表面を
選択的にマスクし、マスクされたヘテロ構造化合物半導
体を、二酸化炭素、亜酸化窒素またはその混合物と共に
メタン及び水素の混合物を含む無線周波数プラズマに露
出し、それによって、ヘテロ構造化合物半導体のマスク
されていない部分は異方性エッチングされ、エッチング
された部分は主表面にほぼ垂直になる。ここで、プラズ
マの酸素成分は、二酸化炭素または亜酸化窒素のような
先駆体（混合物）から分離される。
【００１０】
【実施例】図１は、本発明の一実施例における、半導体
基板をプラズマエッチングするためのプラズマエッチン
グ装置の電極構造の断面図を示す図である。図１におい
て、プラズマエッチング装置は、上部電極２１およびそ
れに平行な下部電極２２とを含み、その下部電極２２は
半導体基板２３が異方性にエッチングされるように支持
される。典型的には、半導体基板２３は、第１および第
２のリン化インジウム（ＩｎＰ）層２３１、２３２およ
びそのリン化インジウム層間に形成されるインジウムガ
リウムヒ素リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ）平板層２３３に
よって二重ヘテロ構造に構成される。その平板層２３３
の厚さは、約０．６５ミクロンであり、約１．１８ｅＶ
のバンドエッジを有し、１．５ミクロンの波長において
透明となるものである。
【００１１】開口２５を有するフォトリソグラフィ・マ
スク２４によって、半導体基板２３の開口に対応する領
域を異方性にエッチングをする。半導体基板２３は、低
圧力下で、炭化水素および酸素を含むプラズマに露出す
ることによってエッチングされる。プラズマの酸素分は
ガス先駆体（混合物）の解離によって供給される。好ま
しくは、ガス先駆体（混合物）は、二酸化炭素、亜酸化
窒素またはその混合物によって構成される。典型的に
は、炭化水素はメタンである。酸素及び炭化水素は、ア
セトンのようなひとつのガス先駆体（混合物）から供給
することもできる。ガスまたはガス混合物は水素ガス・
キャリヤ中で分散し、上部電極２１中のパス２１１を介
して基板表面に供給してもよい。
【００１２】
プラズマは、無線周波数エネルギを印加することによ
って、電極間の空間で発生される。好ましくは、無線周
波数エネルギは上部電極２１に印加され、下部電極２２
には約４００ボルト〜５００ボルトの負のＤＣバイアス
が印加される。上部電極への無線周波数は、電極間の空
間に約１ワット／ｃｍ3のエネルギ密度を提供するに十
分な程度供給される。全体の印加無線周波数電力は、２
００ワット程度である。マスクされない領域で異方性エ
ッチングが行われ、エッチング切り欠き部２６は半導体
基板表面にほぼ垂直に加工される。このエッチング切り
欠き部２６は、たとえば、レーザを反射させるに十分な
品質の平面を有する鏡表面を提供する。
【００１３】実験には、約１３ＭＨｚの無線周波数およ
び１ｍｔｏｒｒ〜２００ｍｔｏｒｒのガス圧力が用いら
れた。ガス圧力は、５０〜１００ｍｔｏｒｒの範囲に維
持されることが好ましい。典型的なプロセスでは、ガス
圧力は５０〜６０ｍｔｏｒｒであり、ガス混合物は１９
０〜１９５ｓｃｃｍ（ｃｍ3／分）の水素、３０〜３５
ｓｃｃｍのメタン及び５〜８ｓｃｃｍの二酸化炭素を含
む。
【００１４】特に、１９３ｓｃｃｍの水素、６０ｍｔｏ
ｒｒの圧力下で、３２ｓｃｃｍのメタンおよび７．５ｓ
ｃｃｍの二酸化炭素を含んでいるガス混合物、および２
００ワットの無線周波数電力を用いた場合に実験は成功
した。リン化インジウム及びインジウムガリウムヒ素リ
ン化物のエッチング・サンドイッチの多層構造を使用
し、第２電極に−４３０ボルトの直流バイアスを印加し
たとき、このガス混合物は、高い反射品質を有するポリ
マのないスムーズなエッチング表面が得られた。
【００１５】エッチングは、２５ｍｔｏｒｒから１００
ｍｔｏｒｒの範囲の圧力で５０〜１２０ｎｍ／分リット
ルのレートで行われることが分かった。全体のエッチン
グ深さは、約２５００ｎｍが達成された。また９０゜に
近い壁角度が得られた。
【００１６】プラズマを発生するために広範囲の無線周
波数を用いることができる。典型的には、この周波数
は、約１００ｋＨｚの低い無線周波数から２．４ＧＨｚ
オーダのマイクロ波周波数が用いられる。マイクロ波周
波数を用いるとき、１００ＫＨｚ〜１５ＭＨｚの周波数
範囲の他の無線周波数が半導体基板にバイアスとして印
加された。
【００１７】他の構成においては、プラズマは誘導結合
によって発生することもできる。たの応用において、こ
の半導体基板は、他の無線周波数供給源からバイアスさ
れる。この構成は三極エッチングと呼ばれる。
【００１８】プラズマ中の二酸化炭素の過度の部分が表
面を粗くすることが分かったので、最大で容積４％の二
酸化炭素濃度を使用した。
【００１９】図２〜図４は、上述のエッチング技術を使
用した半導体リッジレーザを製造するための連続的な製
造ステップを示す。図２は、本発明の一実施例における
半導体レーザを製造する第１の製造段階を示す図であ
る。図２において、レーザがその上に形成される半導体
構造は半導体基板４１（リン化インジウム：ＩｎＰ）上
に支持され、レーザ構造４２、インジウムガリウムヒ素
リン化物（ＩｎＧａＡｓＰ）活性層４３、ｐタイプ・リ
ン化インジウム（ＩｎＰ）層４４およびインジウムガリ
ウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）表面層４５を含む。最終的に
リッジを形成する構造の領域は酸化膜マスク４６によっ
て形成される。
【００２０】図３は、本発明の一実施例における半導体
レーザを製造する第２の製造段階を示す図である。図３
において、この半導体構造は、上述の水素、炭化水素お
よび酸素先駆体（混合物）を含むプラズマ中に露出さ
れ、それにより表面のマスクされない領域はエッチング
され、図に示されるリッジ構造４７が形成される。典型
的には、ｐタイプ・リン化インジウム層４４の厚さの約
３分の１に相当する約０．５ミクロンの深さにエッチン
グされる。
【００２１】図４は、本発明の一実施例における半導体
レーザを製造する第３の製造段階を示す図である。図４
において、部分的にエッチングされた構造は、酸化膜マ
スク４６が残され、燐酸（Ｈ3Ｐ０4）の混合物および硫
酸（Ｈ2Ｓ０4）中に露出することによって、ｐタイプ・
リン化インジウム層４４はさらにエッチングされる。こ
のエッチング液は、燐酸が３／４及び硫酸が１／４の混
合割合である。ｐタイプ・リン化インジウム層４４は十
分な深さに異方性エッチングされ、典型的には、１ミク
ロンの深さのリッジ４７を形成する。他の処理シーケン
スにおいては、エッチングを連続した単一のプラズマエ
ッチングのみで行い、ウェットエッチング段階を省くこ
とができる。
【００２２】図５は、上述の本発明の技術によって製造
されたなめらかな鏡表面を有する光波長デマルチプレク
サを示す。このデマルチプレクサは、二重ヘテロ構造の
インジウムガリウムヒ素／リン化インジウムの平板導波
管によって形成され、単一入力シングルモード・リッジ
導波管３１及び複数出力シングルモード・リッジ導波管
３２を含む。入力導波管３１から分岐した光ビームは、
第１の平行反射表面３３を照射し、そこから、この光ビ
ームは半導体表面にエッチングされた三角形のくぼみ
（凹部）３４の配列によって構成される回折格子に送ら
れる。エッチングによって構成された回折格子の構成及
び動作は英国出願No.2,222,891に記述される。適切な分
散がこの格子によって行われるように、その格子の周期
およびブレーズ角は４４番目の回折によって動作するよ
うにセットされる。
【００２３】この回折格子からの分離された光は、第２
の鏡表面３６および対応する出力導波管３２に送られ
る。ここで、各鏡表面３３、３６は上述の異方性エッチ
ングプロセスよって形成される。
【００２４】図６は、図１のプラズマエッチング装置で
製造された光検出器構造の断面図を示す図である。この
検出器は、ｎタイプ・リン化インジウム（ＩｎＰ）基板
５１、ｎタイプ・ＩｎＧａＡｓＰ導波管層５２およびｎ
タイプ・ＩｎＰ分離層５３を含む平板導波管上に配置さ
れたメサ構造５０によって形成される。さらに、ＩｎＧ
ａＡｓＰ層５４が供給されてもよい。導波管層５２を伝
送される光は検出器のメサ構造５０に結合され、メサ構
造５０によって受信光が検出される。
【００２５】このメサ構造は、下部のｎタイプ・ＩｎＰ
層５０１、真性ＩｎＧａＡｓ層５０２、真性ＩｎＧａＡ
ｓＰ層５０３、上部のｐタイプ・ＩｎＰ層５０４および
ｐ＋タイプ・ＩｎＧａＡｓキャップ層５０５から成る多
層ＰＩＮダイオード構造に形成される。この構造は、上
述の異方性プラズマエッチング・プロセスによって、選
択的に基板５１上に成長した多層構造をマスクすること
によって形成される。
【００２６】この目的のための適切なガス混合物は、６
０ｍｔｏｒｒの圧力下で、１９２ｓｃｃｍの水素、３２
ｓｃｃｍのメタンおよび５ｓｃｃｍの二酸化炭素を含む
ことが分かった。この実験では、−４３０ボルトの直流
バイアス、２００ワットの無線周波数電力が用いられ
た。これによって、十分な品質のスムーズで平面性のよ
いメサエッジを提供し、ＩｎＰ層５５の過度成長が行わ
れることが分かった。
【００２７】このプラズマエッチング・プロセスによっ
て達成されたメサ構造は十分な品質を有し、さらに、Ｉ
ｎＰの過度成長によって、検出器メサ壁の周囲はゆるや
かに傾斜し、電気接点を供給するためのガラス不活性化
層および金属層等のその後の処理に対して適切な表面を
形成する。
【００２８】この検出器構造は、波長デマルチプレクサ
と統合することもできる。メサ構造をエッチングすると
き、エッチングが導波管構造にまで侵入することを防止
するために、エッチングプロセスの端点を決定する必要
がある。これは、たとえば、６６０ｎｍの波長のレーザ
・スポットを所望の基板領域に当て、それによって、干
渉パターンが層の厚さの関数となるようにするレーザ干
渉技術によって達成できる。
【００２９】図７は、図１のプラズマエッチング装置を
用いて、たとえば、図６の多層構造のエッチングの進行
状態を監視するための干渉軌跡を示す図である。各層に
おいて、光強度の一次導関数（曲線の傾斜を示す）は、
一般的に循環して変化する。たとえば、図７に示すよう
に、干渉軌跡中において、各層の境界点（ｐタイプ・Ｉ
ｎＰ層５０４、ＩｎＧａＡｓＰ層５０３、ＩｎＧａＡｓ
層５０２、ｎタイプ・ＩｎＰ層５０１）で大きく変化し
ている。このように、図７の干渉軌跡およびサイクルを
注意深く観測することによって、異方性エッチングプロ
セスの進行状態を正確に監視できる。図中のサイクル数
をカウントすることによって、エッチングプロセス中の
層の厚さを決定できる。
【００３０】
【発明の効果】上に述べたように、本発明によれば、エ
ッチングされた半導体の表面をなめらかにすることがで
きる。したがって、鏡面のように高品質の平面を有する
光学表面を供給できる。それによって、半導体表面から
反射する光信号の損失を減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例において、半導体基板をプラ
ズマエッチングするためのプラズマエッチング装置の電
極構造の断面図を示す図である。
【図２】本発明の一実施例における半導体レーザを製造
する第１の製造段階を示す図である。
【図３】本発明の一実施例における半導体レーザを製造
する第２の製造段階を示す図である。
【図４】本発明の一実施例における半導体レーザを製造
する第３の製造段階を示す図である。
【図５】図１のプラズマエッチング装置で製造された光
波デマルチプレクサの斜視図を示す図である。
【図６】図１のプラズマエッチング装置で製造される光
検出器構造の断面図を示す図である。
【図７】図１のプラズマエッチング装置を用いて、図６
の多層構造のエッチングの進行状態を監視するための干
渉軌跡を示す図である。
【符号の説明】
２１ 上部電極 ２２ 下部電極 ２３ 半導体基板 ２４ フォトリソグラフィ・マスク ２５ 開口 ２６ 切り欠き部 ３１ 入力導波管 ３２ 出力導波管 ３３ 第１の平行反射鏡表面 ３４ 三角形のくぼみ（凹部） ３６ 第２の平行反射鏡表面 ４１ 半導体基板 ４２ レーザ構造 ４３ インジウムガリウムヒ素リン化物（ＩｎＧａＡ
ｓＰ）活性層 ４４ ｐタイプ・リン化インジウム（ＩｎＰ）層 ４５ インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）表面
層 ４６ 酸化膜マスク ４７ リッジ構造 ５０ メサ構造 ５１ 基板 ５２ 導波管層 ５３ 分離層 ５４ ＩｎＧａＡｓＰ層 ５５ ＩｎＰ層 ２１１ パス ２３１ 第１のリン化インジウム（ＩｎＰ）層 ２３２ 第２のリン化インジウム（ＩｎＰ）層 ２３３ 平板層 ５０１ 下部のｎタイプ・ＩｎＰ層 ５０２ 真性ＩｎＧａＡｓ層 ５０３ 真性ＩｎＧａＡｓＰ層 ５０４ 上部のｐタイプ・ＩｎＰ層 ５０５ ｐ＋タイプ・ＩｎＧａＡｓキャップ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・ジョン・クレメンツ イギリス国，エセックス，スタンステッ ド，ハイレーン，バーチャルス ８

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ヘテロ構造化合物半導体の異方性ドライ
    エッチング方法において：ヘテロ構造化合物半導体の主
    表面を選択的にマスクし、 マスクされたヘテロ構造化合物半導体を、二酸化炭素、
    亜酸化窒素またはその混合物と共にメタン及び水素の混
    合物を含む無線周波数プラズマに露出し、 それによって、ヘテロ構造化合物半導体のマスクされて
    いない部分を主表面にほぼ垂直な方向に異方性エッチン
    グをすることを特徴とする半導体のエッチング方法。
  2. 【請求項２】 ヘテロ構造化合物半導体の異方性ドライ
    エッチング方法において：ヘテロ構造化合物半導体の主
    表面を選択的にマスクし、 マスクされたヘテロ構造化合物半導体を、１９０〜１９
    ０ｓｃｃｍ（ｃｍ3／分）の水素、３０〜３５ｓｃｃｍ
    のメタン及び５〜８ｓｃｃｍの二酸化炭素を含む無線周
    波数プラズマに露出し、 それによって、ヘテロ構造化合物半導体のマスクされて
    いない部分を主表面にほぼ垂直な方向に異方性エッチン
    グをすることを特徴とする半導体のエッチング方法。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載される半導体のエッチン
    グ方法において：前記プラズマは、無線周波数電力を印
    加した第１の電極および第２の電極間で発生されること
    を特徴とする半導体のエッチング方法。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載される半導体のエッチン
    グ方法において：直流バイアスが電極間に印加され、第
    ２の電極は第１の電極に対して負の電位に維持されるこ
    とを特徴とする半導体のエッチング方法。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載される半導体のエッチン
    グ方法において：前記プラズマは、１〜２００ｍｔｏｒ
    ｒの圧力に維持されることを特徴とする半導体のエッチ
    ング方法。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載される半導体のエッチン
    グ方法において：前記プラズマは、５０〜１００ｍｔｏ
    ｒｒの圧力に維持されることを特徴とする半導体のエッ
    チング方法。
  7. 【請求項７】 請求項４に記載される半導体のエッチン
    グ方法において：前記プラズマは、１立方センチメート
    ル当たり約１ワットのエネルギ密度を有することを特徴
    とする半導体のエッチング方法。
  8. 【請求項８】 インジウムガリウムヒ素リン化物の活性
    層、前記の活性層上に堆積されたリン化インジウム層お
    よびインジウムガリウムヒ素表面層を有する化合物半導
    体基板を供給し、 レーザリッジの位置に対応した前記表面層の領域にマス
    クを形成し、 前記マスクされた構造を、減圧下で、二酸化炭素、亜酸
    化窒素またはその混合物と共にメタン及び水素の混合物
    を含む無線周波数プラズマに露出し、 前記表面層のマスクされない領域を除去し、前記リッジ
    を形成することを特徴とする半導体のエッチング方法。
  9. 【請求項９】 インジウムガリウムヒ素リン化物の活性
    層、前記の活性層上に堆積されたリン化インジウム層お
    よびインジウムガリウムヒ素表面層を有する化合物半導
    体基板を供給し、 レーザリッジの位置に対応した前記表面層の領域にマス
    クを形成し、 前記マスクされた構造を減圧下で、二酸化炭素、亜酸化
    窒素またはその混合物と共にメタン及び水素の混合物を
    含む無線周波数プラズマに露出し、 前記表面層のマスクされない領域を除去することによっ
    て、前記リッジが形成されることを特徴とする半導体装
    置。
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