JPH0828331B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents
半導体素子の製造方法Info
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Description
に関し、特にInPを含有する素子の製造方法に関す
る。
aP、InGaAsPの半導体レザー素子は、特に光通
信の応用において重要である。このようなレザー素子の
形成は一連の層、n型InP層、四元化合物(合金)領
域層、p型InP層、四元のインジウム・ガリュウム・
ヒ素・リンの層を形成することによってなされる。この
ような層は、この後、パターン形成されて、図1に示す
ようなメサを形成する。同図において、活性領域1と、
n型InP層2と、p型InP層3と、四元合金の上層
4とからなる。このメサの側面はパッシベーション処理
がなされ、汚染を阻止し、後続の処理に対し、機械的な
完全性を提供し、活性層内の効率的な導波に必要な屈折
率の差を提供する。しかし、ここに用いられている材料
及び構造を選択することにより、過大な電流リーク(す
なわち、10μA以上)がパッシベーション領域を介し
て、メサ領域から他の基板、あるいは別のメサ領域に流
れるのを防ぐようになされる。
ン)の形成は図2の絶縁領域7内に適切に塗布されたI
nP材料からなる一連の逆バアスされたp−n接合領
域、及び/または、半絶縁を形成することによりなされ
る。このようなInP材料が直接メサを含む基板上に堆
積されると、図3に示すような成長構造が形成され、こ
れは受け入れがたいものである。このような構造が形成
されるのはInPの堆積は領域7のみならず、メサ8の
上にもできるからである。
マスク9がパッシベーション領域を成長させる前に、メ
サ形成の間、エッチングマスク層をアンダカットするこ
とにより、メサに約2μmの大きさで覆いかぶせるよう
(オーバーハング状)に形成される。このオーバーハン
グ構造により、図3に示すような成長構造が阻止され、
マスク(図示せず)は指定された形状のメサの上に存在
する。
成するには、プラズマエッチングではなく、ウェットエ
ッチングが必要である。しかし、プラズマエッチングは
一般的にはより簡単に制御でき、隣接領域の形状が改善
されるので好ましい。パッシベーション領域にのみ成長
させ、メサ領域には成長させないような選択的成長プロ
セスを用いると、図4に示すようなオーバーハング構造
の必要がなくなるが、この選択的成長プロセスは、一般
的にはInPには利用可能ではなく、かくして、プラズ
マエッチングは適用できない。
ロセスはレザー素子の製造には好ましいものであり、光
電子集積回路の形成のような応用には有益であると考え
られている。様々な試みがGaAsの選択的成長のため
になされたが、これらのアプローチは、InPにはその
まま利用できるものではない。例えば、有機金属気相成
長法(MOCVD)のGaAsの形成はアルシン(ar
sine)とトリエチルガリュウム(triethyl
gallium)のようなプリカーサガスを用いてな
される。クエック他によりJournal of Cr
ystal Growth(99巻 ,324(199
0)号)には、塩化物、例えば、ジエチルガリュウム塩
化物をガリュウム源に用いることにより、窒化シリコン
または二酸化シリコンに比較して、GaAsの選択的成
長ができると記載されている。
反応は厳しい制限がある。ジエチルインジウム塩化物の
蒸気圧は50℃で1トール以下である。それゆえに、充
分なインジウムプレカーサガスを供給するためには、す
なわち、0.1sccm以上の流れを提供するために
は、ジエチルインジウム塩化物は室温以上の温度に加熱
しなければならない。堆積装置内にガス流の堆積を阻止
するためには、ガスの導入パス全部をそれに応じて加熱
しなければならない。この要件はもちろん可能ではある
が、商業的な応用に対しては、実際的ではない。
に関する研究にはヒ素含有プレカーサガス内に塩素の使
用を含む。例えば、アゾーレとデュグランドによる「応
用物理学レータ(Applied Physics L
etters)」,58(2),128(1991)の
記載によれば、ヒ素トリ塩化物はトリメチルガリュウム
とAsH3と共に使用されて、マスクされた領域に対
し、半導体材料上にGaAsの選択的成長を成し得る。
InPの選択的成長に対し、三塩化リンの類似の使用は
実際的ではない。この三塩化リンは腐食性があり、堆積
装置の製造とその操作が比較的複雑である。それゆえ
に、InPの堆積に選択的なアプローチが望まれてはい
るが、そのような方法は未だ報告されていない。
インジウムのプレカーサガスと共に水素塩化物を導入し
て選択的成長を実現することは出来ない。これは、Ga
Asの選択的成長に対しては、三塩化ヒ素、あるいはジ
エチルガリュウム塩化物の使用を含むような方法から予
測されるものではない。しかし、意外なことに有機ハロ
ゲン化物(例えば、MOCVD法により、InPの堆積
に際し、リン源とインジウム源と一緒にした塩化物)の
使用は、マスクされた誘電体に対し、半導体材料上に選
択的成長が可能となる(本明細書において、ハロゲン化
物とは少なくともハロゲン原子を含む有機物の総称であ
る)。このようにして、完全な成長が達成できる。
シベーション領域の形成に際し使用されるのが望まし
く、レザー活性領域の形成に対し、プラズマエッチング
が使用できる。図5に示す構造は選択的InP堆積と共
にプラズマエッチング技術を用いて、形成できる。
きないレベルをもたらすものではなく、またInPのn
領域、p領域、または、半絶縁領域を形成するのに対
し、ドーピングができなくなるものでもない。また、マ
スク端部に隣接する領域、あるいは、表面を含む堆積層
の形状が改善される。
含むものである。本明細書において、InPという用語
はInPとド−パントのような他の成分を含むものであ
る。非選択的成長に対し、堆積層の形状は改善され、平
面化のような応用に対しても、本発明の方法は有益であ
る。しかし、本発明の方法は選択的成長の観点から説明
する。
レザー、LED、検知器、トランジスタなどである。こ
のような素子の形成に関する記述は「光ファバー通信
(Optical Fiber Telecommun
ications II)」,(著者:S.E.Mil
lerとI.P.Kaminow)AcademicP
ress会社,1988,pp.467−630に記載
されている。例えば、レザー素子の場合には、n−In
P基板が用いられ、インジウムガリュウムヒ素リンの四
元金属の堆積は「GaInAsP合金半導体(GaIn
AsP Alloy Semiconductor
s)」,pp.11−103,T.P.Pearsal
l,ed.,John WileyとSons,198
2年に記載されている。InPの堆積は上記のPear
sallの文献に記載されている。
第二層が堆積される。SiO2、またはSixNyのよう
なマスク材料は、その後に堆積されて、光リソグラフィ
技術でもって形状が決定され、約1μmの幅のストリッ
プが形成される。そして、この構造物は反応性イオンエ
ッチング(RIE)処理されて、この処理の条件は、水
素カーボンベースにしたエッチングガスと100KHz
から14MHzの間のプラズマ周波数で、0.2から
0.8W/cm2のパワーでもって、そして、ガス圧は
5から100mTorrの範囲である。
上に行われる。同様な素子の製造シーケンスは光集積回
路のような応用に用いられ、選択性エピタキシ以外の他
のステップは論文「InGasP−イジウム、リン光集
積回路におけるY接合パワーデバイダ」K−Y Lio
u他が「IEEE Journal of Quant
um Electrons」,Vol.26,p.13
76(1990年)に記載されている。
タキシ)は、インジウム用プリカーサ、リン用プリカー
サ、ドーパントプリカーサ(必要ならば)及び有機ハロ
ゲン化物(例えば、塩化物、これはインジウムプリカー
サとは異なる)を用いてなされる。インジウム堆積用の
プリカーサガスは論文「有機金属蒸気相エピタキシ(O
rganometallic Vapor−Phase
Epitaxy)」G.B.Stringfello
w,アカデミクプレス(Academic Pres
s),1989年に記載されている。
れに限定されるものではなく、一般的にインジウムアル
キル(例、トリメチルインジウムとトリエチルインジウ
ム)、ここで、アルキルは好ましくは1−6カーボン原
子をリン源(例、ホスフィン)と共に有し、充分な品質
のInPを生成する。
ンジウムと反応する物体を有するハロゲンを生成する。
臭化物、塩化物、ヨー化物を含むハロゲン化物が有益で
ある。しかし、フ化物は一般的に過剰反応を示し、用い
られるべきではない。
層、n型層、または、半絶縁層に依存する。半絶縁層用
の適当なプリカーサガスに関しては、米国特許第471
6130号(1987年12月29日発行)に記載され
ている。p型材料及びn型材料に対して、適当なドーパ
ント材は上記のStringfellowの文献に記載
されている。
(少なくとも1つのハロゲン分子を含む有機化合物)
は、それが分解して、インジウム源に対して、分解温度
から100℃以内の温度で原子、または、分子を含有す
る反応性ハロゲンを放出するように選択される。この目
的のために、一般的な有機ハロゲン化物はインジウム源
に対してはトリクロロエタン、トリエチル、あるいは、
トリエチルインジウムのようなアルキルハロゲン化物で
ある。
は0.05/1から1/1の範囲にある。選択的堆積に
必要な量は、プリカーサガスの型、種類と濃度、成長温
度、反応圧力、反応容器に依存する。制御サンプルを用
いて、選択性の特定の程度に必要な正確な比率を決定て
きる。選択性の程度は不必要な堆積でカーバーされるマ
スクの領域のパーセントで決定される。一般的に望まし
いことはウェハの10%以下がメサマスクの50%以下
にカーバーされることである。
は、堆積が必要とされない領域を指す。堆積が、マスク
またはマスクエッジの上部において行われないように、
本発明の方法によりなされる。
ムによりプリカーサガス流内に導入される。有機塩化物
が液体の場合は、適当な温度まで加熱され、キャリアガ
ス流に晒されるバブラー(気泡気体通過装置)でもっ
て、好ましい結果を得る。H2キャリアガスのようなキ
ャリアガスにとって、バブラーの温度は−20℃から2
0℃の範囲で、適当な有機塩化物濃度を生成できる。こ
のガス濃度は0.01から0.15atmである。
釈は有機塩化物の濃度を所望の値(10-6から10-3a
tmの間)にまで下げるのに有効である。有機塩化物は
ガス状の場合には、処理流内に直接導入することができ
る。液体の場合には、キャリアガスは比較的純粋で、不
純物は堆積されたInPには導入されない。一般的に、
充分なキャリアガスをバブラーを通して流し、キャリア
ガスと有機塩化物の飽和した組成を生成する。このガス
流は必ずしも飽和しておらず、より細かい制御がこれを
用いてなされる。
場所ではなく、成長すべき場所の材料に依存する。一般
的に、10-4パーセント以上の選択性は、成長が望まし
くない場所におけるSiO2のような材料ではなく、I
nPのような半導体材料上に堆積することにより達成さ
れる。
際しての条件を述べたものである。
n−InPバッファ層、0.1μmInGaAsP四元
合金層、0.8μmp−InPクラッド層と0.05μ
mInGaAsP四元合金キャップ層からなり、これら
は、SiO2の3000オングストロームとマイクロポ
ジット1450のポジティブホトレジストの1.5μm
厚さの層でもって、被覆される。これらの層の堆積はV
LSIテクノロジS.M.Sze,McGraw Hi
ll Book会社、1983,第7章に記載されてい
る。
ホトレジスト層に405nmで100mJのドーズ量で
もって、光リソグラフィ的に形成され、SiO2をパタ
ーン化するのに用いられる。パターンを形成するための
エッチングはCF4/O2(8%O2)のプラズマで、3
00Wの無線周波数パワーのプラズマで、100scc
mの流速で、300mtorrの圧力で、−80VのD
Cバイアスでもって、形成される。
後、標準の平行平面RIEリアクタの中でエッチングさ
れて、1.5μm幅で、3.5μm高さのメサを形成す
る。このエッチング条件は10%CH4/H2の100s
ccmで、50mtorrで、250Wの電力、−34
0VのDCバイアスである。このサンプルは、その後、
O2プラズマの中で洗浄され、硫酸の中に2分間浸さ
れ、脱イオン水で5分間洗浄される。
低圧MOCVD反応容器内に納められる。この反応容器
は20mbarの圧力で、640℃の温度で操作され
る。全体の反応容器流速は7.5SLPMで、PH3の
流速は200sccmである。トリメチルインジウム
(TMI)は330sccmの流速のH2を、17℃の
温度のTMIに流すことにより導入される。
温度に保持され、0.5sccmの流速のH2はトリク
ロロエタンを介して、気泡を発生させられる。この条件
を用いてpドープInPとnドープInPの両方がメサ
の周囲に成長し、約4μm厚のp/n素子構造が形成さ
れる。このpドーパントとnドーパントはそれぞれジメ
チルジンク(dimethylzinc)とテトラエチ
ルチン(tetraethyltin)を加えることに
より導入される。
り出され、HF酸に浸され、SiO2を除去し、硫酸と
過酸化水素と水(体積比で10:1:1)の混合物で洗
浄され、p−InPとp−InGaAs(それぞれ2.
5μm厚と0.7μm厚)のエピタクシャル層でもっ
て、水素化物気相エピタキシでもって被覆される。その
後、このサンプルは上記のMillerとKamino
wの論文に記載されたような標準的な方法でもって、レ
ザーに形成される。
れたように準備されたサンプルはHBr、H2O2とH2
Oの混合物を用いて、ウェットケミカルエッチングさ
れ、レザー素子形成用のメサを生成する。このサンプル
は市販(Thomas Swan社)の大気圧MOCV
D反応容器内に納められる。イオン塗布したInPブロ
ック層は760torrで、550℃で、PH3を10
体積%含有するH2の180sccmと5SLPMの全
流速を用いて成長される。
ccmで、バブラの温度は30℃であった。TCEバブ
ラを介して、H2の流速は1.8sccmで、バブラの
温度は−10℃であった。成長後、このサンプルは取り
出され、MillerとKaminowの論文に記載さ
れているような標準の技術を用いて、レザーに形成され
る。
用ガスにハロゲンを含有する有機成分を有するよう構成
することにより、InPの堆積を選択的におこなうこと
ができる。
成された素子の断面図。
成された素子の断面図。
成された素子の断面図。
成された素子の断面図。
の断面図。
Claims (6)
- 【請求項1】 基板上に、インジウムリン層を含む一連
の層を堆積するステップを有する半導体素子の製造方法
において、 前記インジウムリン層は、インジウム堆積用プリカーサ
ガスと、リン堆積用プリカーサガスと、ハロゲンを含有
するガスとの混合ガスを基板上に供給することにより選
択した領域に形成されることを特徴とする半導体素子の
製造方法。 - 【請求項2】 前記半導体素子は、レーザであることを
特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項3】 インジウム堆積用プリカーサガスは、イ
ンジウムトリアルキル(indium trialkyl)を含有する
ことを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項4】 前記ハロゲンを含有するガスは、トリク
ロロエタン(trichloroethane)を含有することを特徴
とする請求項4の方法。 - 【請求項5】 前記ハロゲンを含有するガスは、クロロ
エタン(chloroethane)を含有することを特徴とする請
求項1の方法。 - 【請求項6】 前記ハロゲンを含有するガスは、塩素、
臭素、ヨー素からなるグループから選択された成分を含
有することを特徴とする請求項1の方法。
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