JPH11354507A - ドライエッチング方法および半導体装置 - Google Patents
ドライエッチング方法および半導体装置Info
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- JPH11354507A JPH11354507A JP16020298A JP16020298A JPH11354507A JP H11354507 A JPH11354507 A JP H11354507A JP 16020298 A JP16020298 A JP 16020298A JP 16020298 A JP16020298 A JP 16020298A JP H11354507 A JPH11354507 A JP H11354507A
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Abstract
グ方法を提供する。 【解決手段】メタン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、反応ガス中に原子量36以上の不
活性ガスを添加する。
Description
光応用システムの技術分野に属する。
半導体レーザ,高電子移動度トランジスタ,光変調器
等、様々な化合物半導体素子の製造工程で用いられてい
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。
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
法としては炭化水素系ガスと塩素系ガスの二系統で検討
がなされている。
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。炭化水素系ガスのドライ
エッチング加工の公知例としては、例えば炭化水素系ガ
スの反応性イオンエッチングで光導波路を形成したFe
ドープInP埋込み半導体レーザの信頼性試験結果が
「ジャーナル オブ ライトウェイブ テクノロジー
15巻,3号,534頁〜537頁,1997年」に報
告されている。
ガスのドライエッチング技術には以下の問題点がある。
まず、炭化水素系ガスによるInPドライエッチング技
術は、塩素系ガスによるエッチングと比較して垂直かつ
平滑な加工形状が容易に得られる点で優れているが、エ
ッチング速度が遅いという問題がある。典型的な条件で
のエッチング速度を比較すると、塩素ガスの反応性イオ
ンビームエッチングにおけるエッチング速度が、基板温
度230℃,イオン引き出し電圧900Vの条件で、
1.5μm/min であるのに対し、メタンガスの反応性
イオンエッチングにおけるエッチング速度は、水素ガス
中のメタン濃度10%,自己バイアス300Vの条件
で、0.01μm/min である。
グ速度が極めて遅いため、たとえば上記公知例のように
半導体レーザのメサ加工のような、数μmの深さのエッ
チングを行う場合、エッチング加工に数百分の時間を要
する。
は、ローディング効果が大きいため、ウェハ面積が大き
くなると、エッチング速度は減少してしまう。これらの
理由により、炭化水素ガスのInPドライエッチングに
は量産性の観点で問題があった。
よる高速で量産性に優れた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。
化水素ガスを含む混合ガスのプラズマをエッチャントと
して、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、上記混
合ガスに原子番号が36以上である不活性ガスが混合さ
れていることにより達成される。また、上記混合ガスに
キセノンガスが混合されていることにより達成される。
また、上記混合ガスにクリプトンガスが混合されている
ことにより達成される。また、上記炭化水素ガスがメタ
ンガスであることにより達成される。また、上記混合ガ
スが水素ガスを含むことにより達成される。また、上記
被加工物がIII−V族化合物半導体またはIII−V族混晶
半導体を含むことにより達成される。
ングされるメカニズムは、主として、表面に吸着したC
H3 ラジカルと表面のIn原子がイオン衝撃のエネルギ
ーを得て反応し、In(CH3)2やIn(CH3)3を生成し
脱離することと、表面に吸着した水素ラジカルとP原子
が反応し、PH3 を生成し脱離することによる。このう
ち、エッチング速度を律速しているのは、CH3 ラジカ
ルの表面への吸着過程であるため、エッチング速度を高
くするには、プラズマ中でのCH3 ラジカル量を増加
し、基板表面へのCH3 供給量を増やせばよい。
ライド フィジックス32巻,パート1,12A号,5
721−5725頁」に詳細に述べられているように、
公知の現象として、メタンガスプラズマ中のCH3 ラジ
カル量が、反応ガス中にキセノンガスあるいはクリプト
ンガスを導入することにより著しく増大することが知ら
れている。この現象のメカニズムは、上記文献に詳述さ
れているように、プラズマ中で準安定状態に励起された
キセノン,クリプトン原子がメタン分子と衝突してエネ
ルギーを与えメタン分子を解離することにより、効率良
くCH3 ラジカルが生成するというものである。一方、
アルゴン,ヘリウム等従来添加されてきた原子量の小さ
い不活性ガスでは、準安定状態の放出エネルギーが大き
すぎるため、CH2 のように細かく解離しすぎてしま
い、CH3 ラジカルの生成率は低いのである。
InPドライエッチングの高速化に利用できることに気
が付いたのである。すなわち、本発明ではメタンガスを
含む反応ガスにキセノンガスあるいはクリプトンガスを
添加することにより、プラズマ中のCH3 ラジカル量が
増加するので、CH3 ラジカルの基板表面への吸着量が
増加し、InP系材料のエッチング速度が増加する。
の実施例を図1を用いて詳細に説明する。図1はn型In
P基板のエッチング速度のキセノン,クリプトンガス添
加量依存性である。
を有する反応性イオンエッチング装置である。メタンガ
ス,水素ガスの流量をそれぞれ10sccm,40sccmに固
定し、添加ガスであるキセノンガスまたはクリプトンガ
スの流量を変化させた。エッチング圧力は50mTorrと
し、印加高周波パワーは200Wとした。また、マスク
材として二酸化珪素を用いた。
て、キセノンガスまたはクリプトンガスを添加すること
によりエッチング速度が上昇した。特にキセノンではそ
の効果が大きく、添加無しの場合の5倍のエッチング速
度が得られた。これは、キセノンガスまたはクリプトン
ガスの準安定状態にある励起原子がメタンを解離し、C
H3 ラジカルを生成するため、これらのガスがない場合
に比べてCH3 ラジカルのInP基板表面への供給量が
増大するためである。
状態からの放出エネルギーが8.3eVと、クリプトン
の9.9eV より低くCH3 ラジカル生成の断面積が大
きいためである。比較のために図中に従来技術で添加ガ
スとして用いられてきたアルゴンガスを添加した場合の
データも示した。図より、アルゴンを添加した場合のエ
ッチング速度の増加は本発明のキセノン,クリプトンの
場合よりかなり小さいことが分かる。これはアルゴンの
準安定準位のエネルギーが11.7eV と大きいため、
メタンと衝突した際にCH2 のように細かく解離しすぎ
てしまい、エッチングに寄与するCH3 ラジカルの生成
率が低いためである。
ング装置を用いた例について述べたが、マイクロ波エッ
チング装置やケミカルドライエッチング装置等、他のエ
ッチング装置を用いても同様の効果があることを確認し
た。また、本実施例では、エッチング対象がInPの例
を述べたが、InGaAsP,GaAsでも同様の効果
が観測された。また、本実施例では、水素ガスで希釈し
たメタンガスにキセノンあるいはクリプトンを添加した
場合について述べたが、メタンガスをキセノンのみで希
釈しても効果があることが確認された。もちろんこれら
の反応ガスに酸素や窒素等のガスを添加しても本発明の
効果は発揮される。
り詳細に説明する。n型InP基板2上に有機金属気相
成長法により、n型InPバッファ層(厚さ0.3ミクロ
ン)4,アンドープ多重量子井戸活性層5,p型InP
クラッド層(厚さ2.0ミクロン)6,p型InGaAs
コンタクト層(厚さ0.2ミクロン)7を順次形成した。
多重量子井戸活性層5は、InGaAs井戸層(厚さ6
0nm)5層を、InGaAsP障壁層(厚さ100n
m,組成波長1.15ミクロン)6層で挟んだものであ
る。次に熱CVD法により厚さ300nmのSiO2 膜
を形成し、通常のリソグラフィ技術を用いて幅1.5ミ
クロンのSiO2 ストライプ1を形成した(図2
(a))。
するエッチング装置の陰極電極上に搬入し、メタンと水
素とキセノンの混合ガス50sccm(混合比4:10:1
0)をエッチング処理装置内に導入し、ガス圧80mT
において、試料を配置した電極を陰極とする高周波電力
300Wを供給してグロー放電をおこすことにより、反
応性イオンエッチングを行い、基板に3ミクロンの段差
を形成した。この際、反応ガスにキセノンが含まれるた
め、エッチング速度は80nm/min とキセノンがない
場合と比べて5倍速く、短時間で加工を完了できた(図
2(b))。
ッチング中にSiO2 パターン1上に堆積したポリマー
を除去した後、有機金属気相成長炉内に搬入した。次に
成長温度600℃にてフォスフィンガス,トリメチルイ
ンジウム,フェロセン、および塩化メチルを導入してF
eドープ半絶縁性InP電流狭窄層(成長厚さ3ミクロ
ン)8を成長した(図2(c))。InPのような化合物
半導体はSiO2 ストライプ上には成長しないので、I
nP層により半導体露出面が選択的に埋め込まれる。但
し、SiO2 ストライプ上にアモルファスまたは多結晶
状に半導体が析出することがあるが、本実施例のごとく
塩化メチルを微量添加することにより、そのような析出
を抑制することができ、また埋込み表面を平坦にするこ
とができる。
フッ酸で除去し、p側電極9を形成し、基板裏面を研磨
により薄くした後、裏面にn側電極10を形成した(図
2(d))。最後に分割,壁開することにより、発光波
長1.55 ミクロンの半導体レーザを作製した。
おいてしきい値電流10mA,発振効率0.45W/A
と低しきい値でかつ高効率な特性が得られた。また、5
0℃,5mWでの一定光出力通電試験を行った結果、推
定寿命として20万時間が得られた。また、本発明の高
速エッチングの効果を反映して、ドライエッチング加工
のスループットが増大し、生産量が飛躍的に増大した。
導体レーザに適用した場合について述べたが、1.3μ
m 帯や他の波長帯の半導体レーザにも適用可能であ
る。また、本実施例では平行平板型電極を有する反応性
イオンエッチングを用いた場合について述べたが、EC
R型やICP型のマイクロ波エッチング装置を用いても
同様の効果がある。また、本実施例ではマスク材として
SiO2 を用いた場合について述べたが、Si3N4等他
の材料を用いてもよい。
ザに適用した場合について述べたが、光変調器,高電子
移動度トランジスタ,電界効果トランジスタ,フォトダ
イオード、ならびに光導波路素子等の他の化合物半導体
素子に適用することもできた。また、本実施例では、メ
タン/水素/キセノンの混合ガスを用いた例について述
べたが、混合ガスに二酸化炭素や酸素等の他のガスを加
えてもよい。
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。
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I
nGaAsP(組成波長1.10μm)障壁層),0.05
μmのInGaAsP(組成波長1.10μm)上側光
ガイド層からなる活性層16,0.1μmの第1p型I
nPクラッド層17,0.05μmのアンドープInG
aAsP(組成波長1.15μm)回折格子供給層18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。
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、ECRプラズマエッチング装置内に
搬入後、メタンガス10sccm,キセノンガス30sccm,
ガス圧2mT,マイクロ波パワー1000W,RFバイ
アス50Vの条件でエッチングする。これにより、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1.7
μm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))。
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。
レーザ素子は室温、連続条件においてしきい値電流10
mA,発振効率0.45W/A と低しきい値でかつ高効
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、推定寿命として20万時間
が得られた。
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。ま
た、本発明ドライエッチングの高速性を反映して、ドラ
イエッチング工程のスループットは高く、製造量を増大
することができた。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。
り詳細に説明する。図4は実施例3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、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。また、本発明
のドライエッチングの高速性を反映して、製造コストを
低減することができた。
り詳細に説明する。図5は、実施例4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。本実施例に係る光通信システムによ
れば100km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。
のドライエッチング加工を行うことができる。本発明を
用いれば、化合物半導体素子製造の量産性向上と低コス
ト化に効果がある。
クリプトンガス添加量依存性を示す測定図。
図。
製造工程を示す断面図および素子の発光特性図。
造を示す断面斜視図。
を示すブロック図。
バッファ層、5…アンドープ多重量子井戸活性層、6…
p型InPクラッド層、7…p型InGaAsコンタク
ト層、8…Feドープ半絶縁性InP電流狭窄層、9…
p側電極、10…n側電極、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 (11)
- 【請求項1】炭化水素ガスを含む混合ガスのプラズマを
エッチャントとして、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、上記混合ガスに原子番号が36以上である不活
性ガスが混合されていることを特徴とするドライエッチ
ング方法。 - 【請求項2】炭化水素ガスを含む混合ガスのプラズマを
エッチャントとして、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、上記混合ガスにキセノンガスが混合されている
ことを特徴とするドライエッチング方法。 - 【請求項3】炭化水素ガスを含む混合ガスのプラズマを
エッチャントとして、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、上記混合ガスに、クリプトンガスが混合されて
いる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、上記炭化水素ガスがメタン
ガスである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、上記混合ガスが水素ガスを
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7】請求項1ないし6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
イエッチング方法を用いて製造したことを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項9】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10】請求項9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11】請求項9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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16020298A JPH11354507A (ja) | 1998-06-09 | 1998-06-09 | ドライエッチング方法および半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16020298A JPH11354507A (ja) | 1998-06-09 | 1998-06-09 | ドライエッチング方法および半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11354507A true JPH11354507A (ja) | 1999-12-24 |
Family
ID=15710007
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP16020298A Pending JPH11354507A (ja) | 1998-06-09 | 1998-06-09 | ドライエッチング方法および半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11354507A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003527748A (ja) * | 2000-03-15 | 2003-09-16 | レール・リキード−ソシエテ・アノニム・ア・ディレクトワール・エ・コンセイユ・ドゥ・スールベイランス・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード | 化学反応を行う方法および装置、並びに該方法および装置を使用した表面処理方法。 |
-
1998
- 1998-06-09 JP JP16020298A patent/JPH11354507A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2003527748A (ja) * | 2000-03-15 | 2003-09-16 | レール・リキード−ソシエテ・アノニム・ア・ディレクトワール・エ・コンセイユ・ドゥ・スールベイランス・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード | 化学反応を行う方法および装置、並びに該方法および装置を使用した表面処理方法。 |
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