JPH11283968A

JPH11283968A - ドライエッチング方法および半導体装置

Info

Publication number: JPH11283968A
Application number: JP8323798A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Shinoda; 和典篠田; Junji Shigeta; 淳二重田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】低損傷でかつ垂直異方性に優れたドライエッチ
ング加工を提供する。【解決手段】炭化水素系ガスを用いた化合物半導体のド
ライエッチングにおいて、イオン衝撃を伴わずにエッチ
ングする第１の工程と、炭化水素高分子を付着させる第
２の工程と、炭化水素高分子の一部を除去する第３の工
程を複数回繰り返す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はドライエッチング方
法および半導体素子に係り、特に化合物半導体を用いた
光素子の作製工程におけるエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体のエッチング加工技術は、
半導体レーザ，光変調器等、様々な化合物半導体素子の
製造に用いられている。化合物半導体のエッチングは永
らく湿式エッチングが用いられてきたが、近年、ウェハ
面内での加工寸法均一性向上への要求が高まり、ドライ
エッチング技術の研究が進められている。

【０００３】従来の化合物半導体のドライエッチング技
術に関しては「集積回路プロセス技術シリーズ半導体
ドライエッチング技術（徳山巍編著、産業図書株式会
社）」に系統的かつ詳細に述べられている。本文献に詳
細に述べられているように、化合物半導体のドライエッ
チング方式としては炭化水素系ガスと塩素系ガスの２系
統で検討がなされている。このうち、炭化水素系ガスに
よるエッチングはＩｎＰ系材料のエッチングに広く用い
られている。これは、Ｉｎ塩化物は脱離しにくいため、
塩素系ガスによるＩｎＰ系材料のエッチングは良好な加
工形状を得ることが困難であるからである。

【０００４】炭化水素系ガスのドライエッチング加工を
用いて作製した化合物半導体素子の従来例としては、例
えばエタン／水素混合ガスの反応性イオンエッチングで
回折格子を形成したＩｎＧａＡｓＰリッジストライプ型
半導体レーザの発振特性が「１９９０年秋季第４５回応
用物理学会学術講演会２９ａ−Ｒ−８」に報告されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の炭化水素系
ガスのドライエッチング技術には以下の問題点がある。

【０００６】炭化水素系ガスのドライエッチングにより
マスクパターン寸法を高精度に基板に転写できるのは、
イオン衝撃の効果による垂直異方性があるためである。
しかし、イオン衝撃は、同時に、エッチング面に損傷を
もたらす。高速電子素子や半導体レーザでは、電気的能
動層や光学的活性層のエッチングが中心であるため、エ
ッチング時に生じる損傷は、素子の特性や寿命に関する
信頼性に甚大な悪影響を及ぼす。

【０００７】例えば、分布帰還型半導体レーザの回折格
子を炭化水素系ガスの反応性イオンエッチングで形成し
た場合、イオン衝撃により生成する照射損傷層の影響に
より、通電試験時の素子劣化の進行が速くなることが知
られている。従って、化合物半導体のドライエッチング
加工では、低損傷な加工技術を実現することが重要であ
る。

【０００８】損傷を低減するには、イオン衝撃の少ない
状態でエッチングすればよいことは上記の議論から自明
であるが、イオン衝撃を低減すると、エッチングは主と
して炭化水素中性ラジカルの反応により進行するので、
垂直方向のみならず、横方向にも等方的にエッチングが
進行し、ドライエッチングの利点であった加工寸法制御
性が損なわれる。従って、加工表面の低損傷性と加工寸
法制御性はトレードオフの関係にあり、両者を同時に満
足することはできなかった。

【０００９】ここで、イオン衝撃の少ない状態でのエッ
チングとは、例えばマイクロ波プラズマエッチング装置
を用いたエッチングの場合は、試料を配置する電極に印
加するＲＦバイアスを零あるいは低バイアスにする場合
に相当する。または、試料室から遠い場所でマイクロ波
プラズマを形成してそのガスを輸送するケミカルドライ
エッチング装置を使用する場合にも相当する。あるい
は、平行平板電極型反応性イオンエッチング装置を用い
たエッチングの場合には試料を配置する電極を陽極側と
してＲＦバイアスを印加する場合を例にあげることがで
きる。

【００１０】本発明の第１の目的は、低損傷でかつ垂直
な加工断面形状が得られる炭化水素系ガスのドライエッ
チング方法を提供することにある。また、本発明の第２
の目的は、本発明のドライエッチング方法を用いて製造
した半導体装置を提供することにある。本発明の第３の
目的は、本発明のドライエッチング方法を用いて製造し
た半導体レーザを提供することにある。また、本発明の
第４の目的は、本発明の半導体レーザを搭載した光モジ
ュールを提供することにある。また、本発明の第５の目
的は、本発明の半導体レーザを搭載した光伝送システム
あるいは光情報処理システム等の光応用システムを提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の目的は、
あらかじめマスクパターンを形成した被加工物に段差を
形成するドライエッチング方法において、少なくとも炭
化水素を含むガスのプラズマにより、上記被加工物をエ
ッチングする第１の工程と、炭化水素を含むガスのプラ
ズマにより上記マスクパターンを形成した被加工物に炭
化水素高分子を堆積させる第２の工程と、少なくとも一
つ以上の酸素原子を含む分子のガスを含むガスのプラズ
マにより上記炭化水素高分子の一部を除去する第３の工
程の連続する３工程の複数回の繰り返しを含むことによ
り達成される。

【００１２】また、上記第１の工程に用いるガスが水素
を含むことにより達成される。また、上記第２の工程に
用いるガスが水素を含むことにより達成される。また、
上記第３の工程に用いるガスが炭化水素を含むことによ
り達成される。また、上記第３の工程に用いるガスが水
素を含むことにより達成される。また、上記第３の工程
に用いるガスが一つ以上の酸素原子を含む分子のガスが
酸素あるいは二酸化炭素であることにより達成される。

【００１３】また、上記第１ないし第３の工程を同一の
エッチング処理装置内で連続して行うことにより達成さ
れる。また、上記第１ないし第３の工程を同一のマイク
ロ波エッチング装置で行い、第１の工程および第２の工
程では高周波バイアスを印加せず、第３の工程では高周
波バイアスを印加することにより達成される。また、上
記第１ないし第３の工程を同一の平行平板電極型反応性
イオンエッチング装置で行い、第１の工程および第２の
工程は上記被加工物を配置した電極を陽極側として高周
波電力を印加し、第３の工程は上記被加工物を配置した
電極を陰極側として高周波電力を印加することにより達
成される。

【００１４】また、上記第１および第２の工程が上記被
加工物へのイオン照射を伴い、上記第３の工程が上記被
加工物へのイオン照射を伴わないことにより達成され
る。また、上記被加工物がIII −Ｖ族化合物半導体を含
むことにより達成される。また、上記被加工物がIII −
Ｖ族混晶半導体を含むことにより達成される。

【００１５】また、本発明の第２の目的は、上記のドラ
イエッチング方法を用いて製造した半導体装置を提供す
ることにより達成される。また、本発明の第３の目的
は、本発明のドライエッチング方法を用いて製造した半
導体レーザを提供することにより達成される。また、本
発明の第４の目的は、本発明の半導体レーザを搭載した
光モジュールを提供することにより達成される。また、
本発明の第５の目的は、本発明の半導体レーザを搭載し
た光伝送システムあるいは光情報処理システム等の光応
用システムを提供することにより達成される。

【００１６】以下、本発明の作用について図１を用いて
説明する。

【００１７】図１は本発明のドライエッチング方法が低
損傷・垂直加工法として作用することを説明する断面模
式図である。ここでは、平行平板型電極構造を有する反
応性イオンエッチング装置を用いてＳｉＯ₂ をマスクと
しＩｎＰ基板をエッチングする場合を例として説明す
る。

【００１８】まず、被加工物であるＩｎＰ基板１上にＳ
ｉＯ₂ マスク２を形成する（図１(ａ)）。この試料を相
対する平行平板電極の一方の電極上に配置し、チャンバ
ー内にメタンガスと水素ガスを導入した後、試料を配置
した電極を陽極側としてＲＦバイアスを印加することで
メタンと水素の混合ガスのプラズマを生成する。陽極側
に置かれた試料上には正イオンの衝撃が加わらないの
で、エッチングは主として中性ラジカルの作用で進行
し、図１（ｂ）に示す如く、垂直方向とマスク下部の横
方向に等方的に進行する。また、この場合、イオン衝撃
がないので、照射損傷は発生しない（このエッチング工
程を第１の工程と呼ぶ）。

【００１９】次に、チャンバー内にメタンガスのみを導
入し、試料を配置した電極を陽極側としてＲＦバイアス
を印加することでメタンのプラズマを生成する。このよ
うなメタンガス単独のプラズマの如くメタン濃度が高い
場合、炭化水素高分子の堆積が優勢となるためエッチン
グ反応は起らず、図１（ｃ）に示す如く、試料全面に炭
化水素高分子３が付着する（この工程を第２の工程と呼
ぶ）。

【００２０】次に、チャンバー内にメタン，水素，酸素
の混合ガスを導入し、試料を配置した電極を陰極側とし
てＲＦバイアスを印加し、通常の反応性イオンエッチン
グを行い付着した炭化水素高分子３を除去する。この混
合ガスの反応性イオンエッチングでは、反応性イオンは
試料に対し垂直方向から入射するため、図１（ｄ）に示
す如く、マスク２の影になるメサ側壁に付着した炭化水
素高分子３は除去されずに残ることになる（この除去工
程を第３の工程と呼ぶ）。なお、本工程ではイオン衝撃
を伴うため、試料底面に損傷が発生するが、付着した高
分子を除去するに要する時間は極短いため、照射損傷量
は非常に少ない。また、この後の工程でこの損傷部位は
除去されるのでなんら問題はない。

【００２１】ここまでの第１の工程，第２の工程，第３
の工程を一組として、これを複数回繰り返し、最後に第
１の工程を行う。第３の工程においてエッチング側壁に
残留した炭化水素高分子３が側壁保護膜として作用する
ため、ひとたび炭化水素高分子が付着した側壁では横方
向へのエッチングはそれ以上進行しないので、全工程を
通してみれば、エッチングは横方向には進行せず試料に
垂直な方向にのみ進行することになる（図１(ｅ)）。こ
の結果、低損傷で且つ垂直な加工形状が実現される。

【００２２】

【発明の実施の形態】（実施例１）まず、本発明の第１
の実施例を図２を用いて詳細に説明する。ｎ型ＩｎＰ基
板１上にＨｅ−Ｃｄレーザ（波長３２５ｎｍ）を用いた
２光束干渉露光法により２００ｎｍ周期の１００ｎｍ厚
レジストパターン４を形成する（図２(ａ)）。

【００２３】次にこのウェハをＥＣＲプラズマエッチン
グ装置のチャンバー内に搬入し、チャンバー内にエタン
ガス１０sccmと水素ガス３０sccmを導入した後、ガス圧
を２ｍＴに調整し、マイクロ波パワー１０００Ｗにてプ
ラズマを生成する。この際、試料台にはＲＦバイアスを
印加しない。ＲＦバイアスを印加しないため試料上には
正イオンの衝撃が加わらないので、エッチングは主とし
て中性ラジカルの作用で進行し、図２（ｂ）に示す如
く、垂直方向とマスク下部の横方向に等方的に進行す
る。また、この場合、イオン衝撃がないので、照射損傷
は発生しない（このエッチング工程を第１の工程と呼
ぶ）。

【００２４】次に深さ１０ｎｍまでエッチングした後、
水素ガスのチャンバー内への供給を止める。このエタン
ガス単独のプラズマのようにエタン濃度が高い場合、炭
化水素高分子の堆積が優勢となるためエッチング反応は
起らず、図１（ｃ）に示す如く、試料全面に炭化水素高
分子３が付着する（この工程を第２の工程と呼ぶ）。

【００２５】次に、チャンバー内にエタンガス１０scc
m，水素ガス４０sccm，酸素ガス２sccmを導入し、マイ
クロ波パワー１０００Ｗにてプラズマを生成する。試料
台に５０ＶのＲＦバイアスを印加し、通常のＥＣＲプラ
ズマエッチングを行い付着している炭化水素高分子３を
除去する。反応性イオンは試料に対し垂直方向から入射
するため、図２（ｄ）に示す如く、マスクの影になるメ
サ側壁に付着した炭化水素高分子３は除去されずに残る
ことになる（このエッチングを第３の工程と呼ぶ）。

【００２６】ここまでの第１の工程，第２の工程，第３
の工程を一組として、これを１０回繰り返した後、最後
に第１の工程を一回行う。第３の工程においてエッチン
グ側壁に残留した炭化水素高分子が側壁保護膜として作
用するため、エッチングは横方向には進行せず、試料に
垂直な方向にのみ進行し、その結果、深さ１００ｎｍの
低損傷で且つ垂直な加工形状が実現された（図２
(ｅ)）。

【００２７】また、本実施例ではレジストマスクを用い
た場合について説明したが、酸化珪素マスクを用いても
同様の効果が得られた。また、本実施例では第３の工程
において付着した炭化水素高分子を除去するための添加
ガスとして酸素を用いた場合について説明したが、二酸
化炭素を用いても同様の効果が得られた。また、本実施
例では、炭化水素ガスとしてエタンを用いた場合につい
て説明したが、メタンを用いた場合も同様の効果が得ら
れた。

【００２８】（実施例２）次に第２の実施例を図３によ
り詳細に説明する。図３は本発明を用いて波長１.３μ
ｍ帯の分布帰還型半導体レーザを作製した例である。

【００２９】図３(ａ)に示すように、ｎ型(１００)Ｉｎ
Ｐ基板１上に有機金属気相成長法により１.０μｍのｎ
型ＩｎＰバッファ層１５，０.０５μｍのｎ型ＩｎＧａ
ＡｓＰ下側ガイド層（組成波長１.１０μｍ）、５周期
の多重量子井戸層〔６.０ｎｍ厚の１％圧縮歪ＩｎＧａ
ＡｓＰ（組成波長１.３７μｍ）井戸層，１０ｎｍ厚の
ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１.１０μｍ）障壁層〕およ
び、０.０５μｍのＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１.１０μ
ｍ）上側光ガイド層からなる活性層１６，０.１μｍの
第１ｐ型ＩｎＰクラッド層１７，０.０５μｍのアンド
ープInGaAsP（組成波長１.１５μｍ)回折格子供給層１
８を順次形成する。多重量子井戸活性層１６の発光波長
は約１.３１μｍである。

【００３０】次に、電子ビーム描画法により周期２４１
ｎｍで素子の中央で位相の反転した回折格子レジストパ
ターン４を形成し、実施例１に詳述した方法を用いて図
３（ｂ）に示すように周期２４１ｎｍで素子の中央で位
相の反転した回折格子２０を基板全面に形成する。回折
格子の深さは約１００ｎｍとし、回折格子が回折格子供
給層１８を貫通し第１ｐ型ＩｎＰクラッド層１７に達す
るようにする。続いて、有機金属気相成長法により１.
７μｍの第２ｐ型ＩｎＰクラッド層２１，0.2μｍの高
濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層２２を順次形成する
（図３(ｃ)）。

【００３１】続いて横幅約１.５μｍの埋め込み型レー
ザ構造または横幅約２.２μｍのリッジ導波路型レーザ
構造に加工形成した後、上部電極２３，下部電極２４を
形成する。図３（ｄ）に示すように劈開工程により素子
長４００μｍの素子に切り出した後、素子の両端面には
反射率約１％の低反射膜２５を公知の手法により形成す
る。

【００３２】作製した１.３μｍ帯の分布帰還型半導体
レーザ素子は回折格子形成時に損傷が生成しないため、
損傷があった場合に発生する非発光再結合による無効電
流成分が少ないことを反映して、室温，連続条件におい
てしきい値電流１０ｍＡ，発振効率０.４５Ｗ／Ａと低
しきい値で且つ高効率な特性が得られた。また、５０
℃，５ｍＷでの一定光出力通電試験を行った結果、損傷
層のない高品位な結晶構造を反映して、推定寿命として
２０万時間が得られた。

【００３３】発振しきい値以下に順バイアスを印加した
場合の、スペクトル形状を図３(ｅ)に示した。位相シフ
ト型の回折格子を反映してストップバンドの中央に発振
主モードが現われる典型的なスペクトルが得られた。

【００３４】本発明によるドライエッチング技術の優れ
た加工寸法制御性を反映して、位相シフト型回折格子作
製の再現性・単一モード選択性は極めて高く、８５℃の
高温においても副モード抑圧比４０ｄＢ以上の安定な単
一モード動作を９５％以上の高い製造歩留まりで実現で
きた。本構造は１.３μｍ帯のみならず１.５５μｍ帯や
他の波長帯の分布帰還型半導体レーザにも適用可能であ
る。

【００３５】（実施例３）次に第３の実施例を図４によ
り詳細に説明する。図４は実施例２の分布帰還型半導体
レーザ２６をヒートシンク２７上に実装した後、光学レ
ンズ２８，後端面光出力モニタ用のフォトダイオード２
９と光ファイバ３０とを一体化した光送信モジュールの
構造図である。室温，連続条件においてしきい値電流１
０ｍＡ，発振効率０.２０Ｗ／Ａであった。また、本発
明の照射損傷の少ない結晶構造を反映して推定寿命とし
て２０万時間が得られた。また、８５℃の高温において
もしきい値電流２５ｍＡ，発振効率０.１３Ｗ／Ａと良
好な発振特性を得た。

【００３６】また、本発明の優れた加工寸法制御性を反
映して、８５℃の高温においても副モード抑圧比４０ｄ
Ｂ以上の安定な単一モード動作を９５％以上の高い製造
歩留まりで実現した。本レーザでは規格化光結合係数を
２.５以上と高く設定できるため、モジュール実装での
最大の課題であるファイバ端からの戻り光による発振特
性の劣化は全く起こらなかった。

【００３７】（実施例４）次に第４の実施例を図５によ
り詳細に説明する。図５は、実施例３の送信モジュール
３１を用いた幹線系光通信システムである。送信装置３
２は送信モジュール３１とこのモジュール３１を駆動す
るための駆動系３３とを有する。モジュール３１からの
光信号がファイバ３４を通って受信装置３５内の受光部
３６で検出される。

【００３８】本実施例に係る光通信システムによれば１
００ｋｍ以上の無中継光伝送が容易に実現できる。これ
はチャーピングが著しく低減される結果、ファイバ３４
の分散による信号劣化がやはり著しく低減されることに
基づく。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、低損傷で且つ垂直異方
性に優れた化合物半導体のドライエッチング加工を実現
できる。本発明を用いれば、化合物半導体素子の高信頼
化および製造の歩留り向上による低コスト化に効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明する試料の断面図。

【図２】本発明の第１の実施例を説明する半導体装置の
断面図。

【図３】本発明の第２の実施例を説明する半導体装置の
断面図および発光特性図。

【図４】本発明の第３の実施例の光送信モジュールの構
造を示す部分断面斜視図。

【図５】本発明の第４の実施例の幹線系光通信システム
のブロック図。

【符号の説明】

１…ＩｎＰ基板、２…ＳｉＯ₂ マスク、３…炭化水素高
分子、４…レジストマスク、１５…ｎ型ＩｎＰバッファ
層、１６…多重量子井戸活性層、１７…第１ｐ型ＩｎＰ
クラッド層、１８…アンドープＩｎＧａＡｓＰ回折格子
供給層、２０…回折格子、２１…第２ｐ型ＩｎＰクラッ
ド層、２２…ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層、２３…上部
電極、２４…下部電極、２５…低反射膜、２６…分布帰
還型半導体レーザ、２７…ヒートシンク、２８…光学レ
ンズ、２９…フォトダイオード、３０…光ファイバ、３
１…送信モジュール、３２…送信装置、３３…駆動系、
３４…光ファイバ、３５…受信装置、３６…受光部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】あらかじめマスクパターンを形成した被加
工物に段差を形成するドライエッチング方法において、
炭化水素を含むガスのプラズマにより、上記被加工物を
エッチングする第１の工程と、炭化水素を含むガスのプ
ラズマにより上記マスクパターンを形成した被加工物に
炭化水素高分子を付着させる第２の工程と、少なくとも
一つ以上の酸素原子を含む分子のガスを含むガスのプラ
ズマにより上記炭化水素高分子の一部分を除去する第３
の工程の連続する３工程の複数回の繰り返しを含むこと
を特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】請求項１に記載のドライエッチング方法に
おいて、上記第１の工程に用いるガスが水素を含むこと
を特徴とするドライエッチング方法。
【請求項３】請求項１または２に記載のドライエッチン
グ方法において、上記第２の工程に用いるガスが水素を
含むことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載のドラ
イエッチング方法において、上記第３の工程に用いるガ
スが炭化水素を含むことを特徴とするドライエッチング
方法。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載のドラ
イエッチング方法において、上記第３の工程に用いるガ
スが水素を含むことを特徴とするドライエッチング方
法。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載のドラ
イエッチング方法において、上記第３の工程に用いる一
つ以上の酸素原子を含む分子のガスが酸素であることを
特徴とするドライエッチング方法。
【請求項７】請求項１ないし５のいずれかに記載のドラ
イエッチング方法において、上記第３の工程に用いる一
つ以上の酸素原子を含む分子のガスが二酸化炭素である
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかに記載のドラ
イエッチング方法において、上記第１ないし第３の工程
を同一のエッチング処理装置内で連続して行うことを特
徴とするドライエッチング方法。
【請求項９】請求項１ないし８のいずれかに記載のドラ
イエッチング方法において、上記第１ないし第３の工程
を同一のマイクロ波エッチング装置で行い、第１の工程
および第２の工程では高周波バイアスを印加せず、第３
の工程では高周波バイアスを印加することを特徴とする
ドライエッチング方法。
【請求項１０】請求項１ないし８のいずれかに記載のド
ライエッチング方法において、上記第１ないし第３の工
程を同一の平行平板電極型反応性イオンエッチング装置
で行い、第１の工程および第２の工程は上記被加工物を
配置した電極を陽極側として高周波電力を印加し、第３
の工程は上記被加工物を配置した電極を陰極側として高
周波電力を印加することを特徴とするドライエッチング
方法。
【請求項１１】請求項１ないし１０のいずれかに記載の
ドライエッチング方法において、上記第１および第２の
工程が上記被加工物へのイオン照射を伴い、上記第３の
工程が上記被加工物へのイオン照射を伴わないことを特
徴とするドライエッチング方法。
【請求項１２】請求項１ないし１１のいずれかに記載の
ドライエッチング方法において、上記被加工物がIII −
Ｖ族化合物半導体を含むことを特徴とするドライエッチ
ング方法。
【請求項１３】請求項１ないし１２のいずれかに記載の
ドライエッチング方法において、上記被加工物がIII −
Ｖ族混晶半導体を含むことを特徴とするドライエッチン
グ方法。
【請求項１４】請求項１ないし１３のいずれかに記載の
ドライエッチング方法において、上記被加工物が、Ｉ
ｎ，Ｇａ，Ａｓ，Ｐのうち少なくとも一つの元素を含む
III −Ｖ族化合物半導体若しくはIII −Ｖ族混晶半導体
を含むことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項１５】請求項１ないし１４のいずれかに記載の
ドライエッチング方法を用いて製造したことを特徴とす
る半導体装置。
【請求項１６】請求項１ないし１４のいずれかに記載の
ドライエッチング方法を用いて製造したことを特徴とす
る半導体レーザ。
【請求項１７】請求項１６に記載の半導体レーザを搭載
したことを特徴とする光モジュール。
【請求項１８】請求項１６に記載の半導体レーザを搭載
したことを特徴とする光応用システム。