JP2012209426A - 半導体素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく加工できる半導体素子の作製方法を提供する。
【解決手段】開口部幅の異なる領域毎に、半導体のエッチングの進行、またはポリマーの生成のどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定された開口部を有するマスク１９００を半導体表面に形成すると共に、マスクの周辺に周辺窓１７０１を有する周辺マスク１７００を形成する第１の工程と、メタンプラズマおよび水素プラズマをマスクが形成された半導体表面に照射する第２の工程を有し、マスク１９００が、第１のパターンを有す第１のマスク部１９１０と、第１のマスク部上に形成され、第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、第１のパターンの開口部幅を画定する第２のパターンを有す第２のマスク部１９２０とからなり、周辺マスクの窓領域が第１のパターンの回折格子方向周辺に配されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子の作製方法に関し、より詳細には、同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工する半導体素子の作製方法に関する。

高性能・高機能デバイスの研究開発において、複雑なデバイスの構造の集積化が重要となり、加工（エッチング）、結晶再成長技術などによるデバイス作製プロセス技術が必要となる。とくに、複数の構造を集積化する場合、通常、複数回数のエッチングプロセスが必要となる。

従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程の一例を図８（ａ）〜（ｆ）に示す。試料（例えばＩｎＰ結晶）１１１０に異なる深さのエッチングを施す場合には、初めのエッチングの際にエッチングしない部分をマスク（誘電体など）１１２０で覆った（図８（ａ））後にエッチングする(図８（ｂ）)。次に、１回目のエッチング用のマスクを除去した（図８（ｃ））後に、２回目のエッチングのために再度エッチングしない部分をマスク１１３０で覆い（図８（ｄ））、さらにエッチングし（図８（ｅ））、マスクを除去する（図８（ｆ））というプロセスを繰り返さなくてはならない。

半導体素子作製において、深さの異なるエッチングを要する場合には複数回のマスク形成、エッチング、マスクの除去の工程が必須となるため、時間、コスト面での浪費につながるので問題となっていた。また、このような問題を考慮すると、深さが異なる微細かつ複雑な構造をエッチングにより形成することは実質的に困難であった。

そこで、上述の課題を解決するために、異なる深さのエッチングを施す際に、エッチング深さに対応して面積の異なるマスクを用いることにより、１回のエッチングにより深さの異なるエッチングを可能にする方法が発明された（下記の特許文献１参照）。

基本的なエッチング過程を図９（ａ）〜（ｃ）に示す。図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いるドライエッチングの場合、半導体によるエッチング過程において半導体表面で半導体４１１とエッチング種（エッチングガス）４１２が反応することによりエッチングが進行する。

エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を図１０（ａ）〜（ｃ）に示す。図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、エッチングをする際に半導体表面をエッチング種５１２と反応しない物質（例えば酸化シリコン、窒化シリコンなどの誘電体など）をマスク５１３に用いて覆った場合、マスク５１３上のエッチング種５１２は拡散してマスクで覆われていない半導体５１１の表面に到達する。この結果、マスク５１３近傍の半導体５１１の表面ではエッチング種５１２の密度が増加する。このエッチング種５１２の増加は半導体のエッチング速度を増加させる。

このように、マスク上に飛来したエッチング種が半導体表面に拡散して半導体のエッチングを促進するので、マスク面積の増加にともない半導体のエッチングが増加する。したがって、この方法によれば、深さが変化する単純な溝構造を容易に作製することができる。

とくに、半導体のエッチングにプラズマ状態のガスを用いるドライエッチングにおいて該ガスにメタンやエタンなどの炭化水素系のガスを用いる場合には、プラズマ状態においてガスが炭化水素基と水素に分解され、それぞれイオン化あるいは化学的に活性化（ラジカル化）される。なお、本願では、以降、イオン化あるいは化学的に活性化（ラジカル化）された炭化水素基を炭化水素プラズマ、同様の水素原子を水素プラズマと呼ぶこととする。

この炭化水素プラズマと水素プラズマが半導体に接触すると、半導体をエッチングする過程と半導体をエッチングすることなく半導体上に重合体（ポリマー）を形成して堆積する過程が起こる。一般に水素プラズマが十分にある場合にはエッチング過程が主となり、水素プラズマが不足するとポリマーが堆積する過程が主となる。同時に誘電体（ＳｉＯ₂など）マスク表面においては炭化水素プラズマと水素プラズマが誘電体と反応しないことから重合物（ポリマー）となって堆積する。

ここで、上述のドライエッチングをマスクのある試料に施した場合について説明する。図１１（ａ）、（ｂ）に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示し、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す。

マスクのない領域ではメタンプラズマ６２１に対して水素プラズマ６２２は試料（ＩｎＰ）６１０の表面に均一に分布する（図１１（ａ））。この均一に分布した水素プラズマの濃度が低い場合、エッチングするには水素が不足するので、試料表面にはポリマー６３１が生成し、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない（図１１（ｂ））。この水素プラズマの不足によるポリマーの堆積は、マスクの開口部幅が広く、マスクからの距離が十分にある領域においても起きる。

一方、マスクがあって当該マスクで囲まれた領域、特にマスクの開口部幅が狭い領域では、まず、メタンプラズマ７２１に対して水素プラズマ７２２は試料（ＩｎＰ）７１０の表面に形成されたマスク７１１の上に、またマスク７１１のマスク開口部７１１ａの試料７１０の表面にも均一に分布する（図１２（ａ））。マスク上ではマスク材料（ＳｉＯ₂）はエッチングされないのでメタンプラズマ７２１はエッチングに寄与することなくポリマー７３１が生成される。マスク上の水素プラズマ７２２はメタンプラズマ７２１と反応することなくマスク上を拡散してマスク開口部７１１ａに凝集する。その結果、マスク開口部７１１ａでの水素プラズマ７２２の濃度は増加する（図１２（ｂ））。したがって、マスク開口部７１１ａでは水素プラズマ７２２の濃度がエッチングを生じさせるのに十分な濃度に達するのでエッチングが進行する（図１２（ｃ））。

このようにマスクのない領域またはマスクの開口部幅が広い領域ではポリマーが生成してエッチングが進行せず、マスクの開口部幅の狭い領域ではエッチングが進行する。したがって、この方法によれば、１回のエッチング過程で深さの異なる形状を加工することができる。

しかしながら、この方法を用いて回折格子を作製する場合には、図１３に示すように回折格子外部部分のマスク８２上に飛来したエッチング種８４がマスク開口部幅方向（Ｙ方向）に拡散するだけでなく回折格子部分のマスク８１上に飛来したエッチング種８３も回折格子方向（Ｘ方向）に拡散してエッチングに影響を与えるため、回折格子のエッチング形状の制御が困難になる。

この問題を解消するために厚さの異なるマスクを用いる方法が発明された（例えば、下記の特許文献２参照）。以下にこの方法について、図１４（ａ）および図１４（ｂ）を用いて説明する。図１４（ａ）にマスク厚（膜厚）の薄いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示し、図１４（ｂ）にマスク厚（膜厚）の厚いマスクを用いる場合におけるエッチング種の挙動を示す。

図１４（ａ）に示すように、マスク厚の薄いマスク１０１１を用いた場合には、エッチング種１０１２は半導体１０１０の表面からマスク端を越えてマスク１０１１上に拡散できるので半導体１０１０の表面上のエッチング種１０１２の密度は高くならない。したがって、半導体のエッチング速度は増加しない。一方、図１４（ｂ）に示すように、マスク厚の厚いマスク１０２１を用いた場合には、エッチング種１０２２はマスク端が障壁となりマスク端を越えられないため、エッチング種１０２２が半導体１０２０の表面に閉じ込められて半導体１０２０の表面上におけるエッチング種１０２２の密度は増加する。したがって、マスクがより厚くなると、半導体のエッチング速度が増加する。

または、マスク厚（膜厚）の薄いマスク（例えば、図１４（ａ）に示すようなマスク１０１１）を用いる場合には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量が少ないのでマスクに引き寄せられるエッチング種（主にイオン）が少ないため半導体のエッチング速度は増加しないとも考えられる。一方、マスク厚（膜厚）の厚いマスク（例えば、図１４（ｂ）に示すようなマスク１０２１）を用いる場合には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量が増加するのでマスクに引き寄せられるエッチング種（主にイオン）が増加して半導体のエッチング速度が増加するとも考えられる。

そこで、回折格子外部部分のマスク８２（図１３参照）の厚さを回折格子部分のマスク８１（図１３参照）の厚さに比べて厚くすれば、マスク厚の厚い回折格子外部から開口部へ開口部幅方向（Ｙ方向）に拡散するエッチング種の寄与が大きく、マスク厚の薄い回折格子部分から開口部へ回折格子方向（Ｘ方向）に拡散するエッチング種の寄与を小さくできる。したがって、厚層マスク幅（マスク厚が厚いマスクのマスク幅）の広い領域ではマスク上で反応しないエッチング種が多量に開口部に拡散することにより開口部でのエッチング種は高濃度になりエッチング速度が増加する。一方、厚層マスク幅の狭い領域ではマスク上で反応せずに開口部に拡散するエッチング種はマスク幅の広い領域に比べて少量となりエッチング速度は遅くなる。したがって、マスク幅の広い領域ではエッチング深さは深くマスク幅の狭い領域では浅くなる。

または、厚層マスク幅を一定にしたとき、厚層マスク開口部幅（マスク厚が厚いマスクの開口部幅）の狭い領域では厚層マスク（マスク厚が厚いマスク）から拡散するエッチング種が開口部全域に行き渡るのでエッチング速度が増加する。一方、厚層マスク開口部幅の広い領域では厚層マスクから拡散するエッチング種が開口部全域に行き渡らないのでエッチング速度が減少する。

前述の炭化水素プラズマと水素プラズマをエッチングガスに用いるとき、炭化水素プラズマが高濃度であれば厚層マスクから開口部への水素プラズマの拡散によって開口部においてエッチングが生じるか、ポリマーが生成されるか、が決定される。したがって、厚層マスク幅を一定にしたとき、厚層マスク開口部幅の狭い領域では厚層マスクから拡散する水素プラズマが開口部全域に行き渡るのでエッチングが進行する。一方、厚層マスク開口部幅の広い領域では厚層マスクから拡散する水素プラズマが開口部全域に十分行き渡らないのでポリマーが生成してエッチングが進行しない。

特開２００４−２４７７１０号公報 特開２００６−３２５７３号公報

上述の選択エッチング方法によっても、プラズマ条件によっては、例えばエッチング種が多い場合やプラズマ出力が高い場合など、回折格子部に飛来してＸ方向に拡散するエッチング種の影響を十分に抑制することができないので、回折格子部分の開口部への水素プラズマの供給を回折格子外部の厚層マスクの開口部幅によって制御できない。また、炭化水素系プラズマと水素プラズマを用いてエッチングする場合に回折格子部に飛来する水素の影響を十分に抑制することができないと、ポリマーを生成させてエッチングを抑制すべき領域でポリマーが十分に生成できないためエッチングが生じてしまう。このような場合にはエッチング深さを制御できなくなるので問題となる。

以上のことから、本発明は上述したような課題を解決するために為されたものであって、エッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく加工することができる半導体素子の作製方法を提供することを目的としている。

前述した課題を解決する本発明に係る半導体素子の作製方法は、炭化水素系プラズマと水素プラズマを、開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された半導体表面に照射して、半導体表面を異なる複数の深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第１の状態、または前記半導体表面にポリマーが生成される第２の状態のどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定された開口部を有するマスクを前記半導体表面に形成すると共に、前記マスクの周辺に前記マスクの開口部に供給される水素プラズマ濃度を制御するための窓領域を有する周辺マスクを形成する第１の工程と、前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを前記マスクが形成された前記半導体表面に照射する第２の工程を有し、前記マスクが、前記半導体表面に形成された第１のパターンを有する第１のマスク部と、前記第１のマスク部上に形成され、前記第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第１のパターンの開口部幅を画定する第２のパターンを有する第２のマスク部とからなり、前記周辺マスクの前記窓領域が、前記第１のパターンの回折格子方向周辺に配されることを特徴とする。

また、前述した課題を解決する本発明に係る半導体素子の作製方法は、上述した半導体素子の作製方法において、前記第１の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ照射により除去する第３の工程を有することを特徴とする。

また、前述した課題を解決する本発明に係る半導体素子の作製方法は、上述した半導体素子の作製方法において、前記第２の工程における、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも１つの領域において発現する前記状態を、前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに変化させるように、プラズマ条件を変化させる第４の工程をさらに有し、前記第４の工程の後に前記第２の工程をさらに行うことを特徴とする。

本発明に係る半導体素子の作製方法によれば、エッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく加工することができる。これにより、高速半導体光素子を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一面内で層厚が変化する回折格子を作製するために使用するマスクの開口部へ供給される水素プラズマ濃度を制御するための周辺窓の説明図であって、図１（ａ）に周辺窓を配した状態の一例を示し、図１（ｂ）に周辺窓を配しない状態の一例を示す。 本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一面内で層厚が変化する回折格子を作製するために使用するマスクを示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一面内で層厚が変化する回折格子を作製するために使用する面内で厚さの異なるマスクの作製工程を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一面内で層厚が変化する回折格子の作製工程を示す図である。 本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの構造を示す図である。 （ａ）は本発明の第１の実施例に係る回折格子における回折格子の一端からの距離と結合係数κとの関係を示す図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施例に係る回折格子を用いた場合と結合係数が１００ｎｍ^-1一定の回折格子を用いた場合の反射スペクトルを示す図である。 本発明に係る半導体素子の作製方法で用いるマスクの他例を示す図である。 （ａ）〜（ｆ）は、従来法による異なる深さのエッチングを施す場合のエッチング過程を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、基本的なエッチング過程を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、エッチング種と反応しないマスクを用いた場合のエッチング過程を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクのない領域において起きる現象を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、メタンプラズマを用いたエッチングを施した場合にマスクに囲まれた領域において起きる現象を示す図である。 マスク上のエッチング種の挙動を示す図である。 （ａ）はマスク厚（膜厚）の薄いマスクを用いる場合のエッチング種の挙動を示す図であり、（ｂ）はマスク厚（膜厚）の厚いマスクを用いる場合のエッチング種の挙動を示す図である。

本発明に係る半導体素子の作製方法を実施するための形態について、実施例にて具体的に説明する。

本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法について、図１〜図４を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一面内で層厚が変化する回折格子を作製するために使用するマスクの開口部へ供給される水素プラズマ濃度を制御するための周辺窓の説明図であって、回折格子領域の回折格子方向（Ｘ方向）周辺に周辺窓（開口部）を配した周辺マスクを形成した場合を示す図である。参考のため、図１（ｂ）にウエハの表面において、マスクの周辺に周辺窓が無い周辺マスクを形成した場合を示す。

図２に、回折格子領域に形成するＳｉＮ_x／ＳｉＯ₂マスクを示す。図２に示すように、試料（ＩｎＰ）１８０１の表面にマスク開口部の格子幅（マスク開口部幅）１９０５が変化するマスク１９００を形成する。マスク１９００は、ＳｉＯ₂で形成される回折格子部分のマスク（格子状マスク）１９１０の厚さ（マスク厚）が２０ｎｍ、回折格子の長さ１９０７が５００μｍ、格子幅１９０５が変化しており素子中央部から素子両端に向かって１．８μｍ、３．７μｍ、７．５μｍである。また、ピッチ（周期）１９１１は２４０ｎｍ（ＳｉＯ₂部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）である。一方、ＳｉＮ_xで形成される回折格子外部のマスク（開口部幅調整マスク）１９２０の厚さ（マスク厚）が１μｍ、マスク幅１９０６は２０μｍで一定である。なお、上記では、格子状マスク１９１０が第１のマスク部をなし、開口部幅調整マスク１９２０が第２のマスク部をなしている。

ウエハ表面において、上述のマスク１９００の周辺における所定の領域に窓部をなす周辺窓（開口部）を配する。具体的には、図１（ａ）に示すように、試料（ＩｎＰ）１８０１表面にて、上述のマスク１９００の周辺に周辺マスク１７００を形成し、マスク１９００の周辺（周囲）における（回折格子方向（Ｘ方向）にてマスク１９００の輪郭に沿う）１００μｍの幅１７０２の領域に、窓部をなす周辺窓（開口部）１７０１を複数配する。各周辺窓１７０１は１辺が２０μｍの正方形である。隣接する周辺窓１７０１間の間隔ｄ１が５μｍである。

図１（ａ）に示すように、周辺窓１７０１を配した試料（ウエハ）１８０１表面に炭化水素系プラズマと水素プラズマを照射した場合、炭化水素系プラズマはマスク上で互いが反応してポリマーを形成するが、周辺窓１７０１上に飛来した水素プラズマは試料（ＩｎＰ）１８０１表面上で炭化水素プラズマと反応して消費されるので水素プラズマがマスク１９００の回折格子方向（Ｘ方向）周辺で減少する。

したがって、Ｘ方向から回折格子部分１９１０への水素プラズマの供給が抑制できる。よって、回折格子部分１９１０への水素プラズマの供給は、回折格子外部の厚層マスク１９２０からの供給（Ｙ方向）が支配的になり回折格子部分１９１０への水素プラズマの供給を回折格子外部の層厚マスク１９２０の開口部幅（回折格子部分１９１０の領域）によって制御できる。

一方、図１（ｂ）に示すように、試料表面にマスク１９００を形成すると共に、当該マスク１９００の周辺に、周辺窓を有さない周辺マスク１７１０を形成し、前記試料表面に炭素水素系プラズマと水素プラズマを照射した場合、周辺に飛来した水素プラズマは反応せずに消費されないので、Ｘ方向から回折格子部分１９１０への水素プラズマの供給が抑制できない。よって、回折格子部分１９１０への水素プラズマの供給を回折格子外部の層厚マスク１９２０の開口部幅（回折格子部分１９１０の領域）によって十分に制御できない。

図３（ａ）〜（ｄ）に、本実施例における回折格子形成に用いる面内で厚さの異なるマスクの作製工程を示す。
初めに、ＩｎＰ基板上のＩｎＰクラッド層１３１０の表面に３０ｎｍ厚の酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を形成する。ＳｉＯ₂膜上にレジストを塗布した後に電子ビーム露光法により回折格子作製マスク用および周辺窓作製用のレジストパターンを作製する。レジストパターンをマスクとしてフッ化炭素系（ＣＦ₄，Ｃ₂Ｆ₈など）を用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ，ＲＩＥ）によってＳｉＯ₂膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＯ₂膜に転写する。レジストパターンを除去することにより、ＩｎＰ上に回折格子部分１３１１ａが形成された回折格子部分作製用のＳｉＯ₂マスク１３１１が形成される。

次に通常のフォトレジストプロセスとフッ化炭素系（ＣＦ₄，Ｃ₂Ｆ₈など）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、図１（ａ）に示される周辺窓パターン１３１１ｂを形成する（図３（ａ）参照）。または、周辺窓を有さないパターン（図１（ｂ））を形成する。

次に、上述の回折格子部分ＳｉＯ₂マスクを有するＩｎＰ表面上に１μｍ厚の窒化シリコン（ＳｉＮ_X）膜１３２１を形成する（図３（ｂ）参照）。ＳｉＮ_X膜上にレジストを塗布した後に回折格子外部のマスク用のレジストパターン１３３１を作製する（図３（ｃ）参照）。このレジストパターンは電子ビーム露光だけでなく通常のフォトリソグラフィによるレジスト露光により形成できる。レジストパターン１３３１をマスクとしてフッ化硫黄系ガス（ＳＦ₈など）を用いたＲＩＥによってＳｉＮ_X膜を加工することにより、レジストパターンをＳｉＮ_X膜１３４１に転写する。このとき、回折格子部分のＳｉＯ₂マスクはフッ化硫黄系ガス（ＳＦ₈など）に耐性を有するのでエッチングされずに残る。この結果、レジストパターン１３３１を除去することにより、ＩｎＰ上に回折格子部分（格子状部分）と回折格子外部（開口部幅調整部分）で厚さの異なるマスクが形成される（図３（ｄ）参照）。なお、上記では、ＳｉＯ₂マスク１３１１が第１のマスク部をなし、ＳｉＮ_X膜１３４１が第２のマスク部をなしている。

図４（ａ）〜（ｅ）は、本実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される回折格子の作製工程を示す図であって、ＳｉＯ₂／ＳｉＮ_xマスク部分における回折格子のエッチング過程を説明するための回折格子の一部を示す図である。
図４（a）に示すように、試料（ＩｎＰ）１８０１の表面に上述のマスク１９００を形成する。ここで、図中には示さないが、マスク１９００の周辺には、図２（ａ）に示すような周辺窓１７０１を有する周辺マスク１７００が素子ごと（マスクごと）に配される。マスク１９００は、マスク厚（膜厚）が薄く、格子状に複数のマスク開口部が形成された回折格子部分のマスク（格子状マスク）１９１０（図２参照）と、回折格子部分のマスク１９１０の上に形成され、回折格子部分のマスク１９１０よりもマスク厚（膜厚）が厚く、回折格子部分のマスク１９１０のマスク開口部の開口部幅を画定する回折格子外部のマスク（開口部調整マスク）１９２０（図１参照）とで構成される。ここで、マスク１９００はマスク開口部を有する。マスク開口部は、第一の開口部１９０２と、これよりも幅広の第二の開口部１９０３と、これよりも幅広の第三の開口部１９０４を備える。第一の開口部１９０２の開口部幅は１．８μｍとし、第二の開口部１９０３の開口部幅は３．７μｍとし、第三の開口部１９０４の開口部幅は７．５μｍとする。

この試料について、初めに、マスク１９００上からメタンと水素の混合ガスを用いたＲＩＥをメタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量５ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、ガス圧力が１０Ｐａで施すと、図４（ｂ）に示すように、開口部幅が１．８μｍの第一の開口部１９０２においては、マスク１９００上から水素の供給が十分あるのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、開口部幅が１．８μｍより広い第二の開口部１９０３（開口部幅：３．７μｍ）および第三の開口部１９０４（開口部幅：７．５μｍ）においては、マスク１９００上からの水素の供給が不足するので、ポリマー１８１１が堆積してエッチングが進行しない。

引き続き、酸素プラズマを酸素流量１０ｓｃｃｍ、ガス圧力１０Ｐａ、放電電力４００Ｗで１分間照射すると、図４（ｃ）に示すように、堆積したポリマーが除去される。

次に、水素流量を増加させた条件（メタン流量：４０ｓｃｃｍ、水素流量：１０ｓｃｃｍ、ガス圧力：１０Ｐａ、放電電力：１００Ｗ）でＲＩＥを施すと、図４（ｄ）に示すように、開口部幅が３．７μｍ以下の第一の開口部１９０２および第二の開口部１９０３においては、水素の供給が増加するのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、開口部幅が７．５μｍの第三の開口部１９０４においては、マスク１９００上からの水素の供給が不足するので、ポリマー１８１２が堆積してエッチングが進行しない。したがって、開口部幅が１．８μｍの第一の開口部１９０２においては初めのＲＩＥによるエッチングの後にさらに２度目のＲＩＥによるエッチングが進行するので、その深さは第二の開口部１９０３の深さよりも深くなる。

引き続き酸素プラズマの照射によりポリマーを除去した後に、水素流量を変化させた条件でのＲＩＥ（例えば、メタン流量：４０ｓｃｃｍ、水素流量：２０ｓｃｃｍ、ガス圧力：１０Ｐａ、放電電力：１００Ｗ）、酸素プラズマの照射を交互に繰り返すことにより、図４（ｅ）に示すように、深さの異なる回折格子を形成することができる。

その後、マスクを除去して、メサ構造加工を行い、次に、この回折格子上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により積層することにより、例えば図５に示すような素子構造の回折格子部分が作製される。

よって、本実施例に係る半導体素子の作製方法によれば、上述のようにＸ方向から回折格子部分への水素プラズマの供給が抑制できるので、回折格子部分への水素プラズマの供給は回折格子外部の厚層マスクからの供給（Ｙ方向）が支配的になり回折格子部分への水素プラズマの供給を回折格子外部の厚層マスクの開口部幅によって制御できる。したがって、設計通りの深さを有する回折格子を作製できる。

本実施例によらない場合、例えば上記の１回目の選択エッチングＲＩＥ工程（メタン流量：４０ｓｃｃｍ、水素流量：５ｓｃｃｍ、ガス圧力：１０Ｐａ、放電電力：１００Ｗ）においてＸ方向から回折格子部分への水素プラズマの供給が抑制できず、開口部幅が１．８μｍである第一の開口部１９０２だけでなく、開口部幅が３．７μｍの第二の開口部１９０３および開口部幅が７．５μｍの第三の開口部１９０４においても水素がＸ方向から供給されエッチングが進行するので選択エッチングが得られない。したがって、作製された回折格子において最終的に設計した３段階で変化するエッチング深さを有する構造は得られず、エッチング深さが一定の構造になる。

本実施例において窓領域で水素プラズマと炭化水素系プラズマとＩｎＰが反応するが、窓領域の面積は回折格子部分の面積よりも広いので水素プラズマ密度が高くならない。そのため、窓領域における反応によるエッチング量は少なく素子特性には影響を与えない。あるいは、炭化水素系プラズマが十分に高濃度である場合にはポリマーの生成速度がエッチング速度を上回るので窓領域においてポリマーが生成してエッチングが進行しない。

本実施例において、３つの開口部幅を用いた深さが３段階変化するエッチングについて説明したが、より多数の開口部幅を用いて、その開口部幅に応じた圧力（拡散距離）の条件下でメタン／水素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化すするエッチングを行うことができる。このように作製された回折格子は第一の実施例と同様の特性を有する。

本発明の第２の実施例に係る半導体素子の作製方法について、図５および図６を参照して説明する。
図５は、本実施例に係る半導体素子の作製方法により作製される同一面内で層厚が変化する回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの構造を示す図であって、上述の図１（ａ）に示す周辺マスクを用いて作製された回折格子を有するＤＢＲ半導体レーザの断面図である。

本実施例に係る回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザは、図５に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１５０、ｎ型ＩｎＰバッファ層１５１、回折格子１５２、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層１５３、８層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：１．０％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）障壁層の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）１５４、ＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層（回折格子長は活性層の前後それぞれ４００μｍ）１５５、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層１５６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５７、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層１５８、ｎ型オーミック電極１５９１、ｐ型オーミック電極１５９２を備える。

素子の発振波長は１．５５μｍである。素子の長さは１５００μｍである。回折格子１５２のピッチ（周期）は２４０ｎｍ（凸部：１２０ｎｍ、凹部：１２０ｎｍ）であり、深さは素子両端面で浅くなっており３０ｎｍ、素子中央部で深くなっており６５ｎｍである。

図６（ａ）および図６（ｂ）に、図５に示すＤＢＲ半導体レーザにおける回折格子により得られる反射特性を示す。図６（ａ）は、この回折格子の一端からの距離と結合係数κとの関係を示す図である。回折格子の深さが素子両端部で３０ｎｍ、中央部で６５ｎｍとなるように変化させることにより、図６（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で５０ｃｍ^-1、中央部で１００ｃｍ^-1と変化する。

図６（ｂ）のＬ２に上述の回折格子を用いた場合の反射スペクトルを示す。比較のため、図６（ｂ）のＬ３に、本実施例によらず周辺窓を有さない周辺マスクおよびマスク（図１（ｂ）参照）を用いて作製された回折格子における、結合係数が１００ｎｍ^-1一定の場合の反射スペクトルを示す。図６（ｂ）に示すように、回折格子の深さ、すなわち、結合係数を変化させることにより反射スペクトルのサイドモードが抑制されることがわかる。このことは、この回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザを動作させたときの発振スペクトルにおけるサイドモードが抑制されることを示唆する。

このように、本実施例に係る半導体素子の作製方法によれば、簡易に深さ（結合係数）が変化する回折格子を作製することができる。

本実施例では周辺窓に正方形を用いたが他の形状でもよく、また、他の大きさでも、間隔でもよい。

本実施例では、ＳｉＮ_X/ＳｉＯ₂マスク１９００の周囲の回折格子方向（Ｘ方向）に周辺窓（開口部）１７０１を配する領域の幅１７０２を１００μｍとしたが、この値に限るものではない。

本実施例において、回折格子の開口部の両端部にはマスク上で反応に寄与しなかった水素（プラズマ）が流入する。この水素プラズマ分だけメタンが反応してエッチングが進行する。したがって、ポリマーが堆積する開口部においても両端の一部分のみでエッチングが進行する。このように、開口部全域のおいて深さが均一にならないという問題が生じる場合がある。しかしながら、実際のデバイスにおいてはメサ構造が採用されるため、開口部の両端部はメサ形成時に切り落とされるので、実際のデバイス作製上における問題とはならない。

本実施例ではマスクにおける開口部の外部のマスク幅を一定としたが、開口部に拡散する水素プラズマがマスク上を拡散する距離が無視できる程度の長さ（幅）であればマスク幅は一定である必要はない。例えば、図７に示すような形状のマスク２９００でもよい。マスク２９００は、回折格子部分のマスク開口部２９０１の開口部幅２９０５が導波路長２９０７に対し変化し、第一の開口部２９０２と、この開口部２９０２よりも幅広の第二の開口部２９０３と、この開口部２９０３よりも幅広の第三の開口部２９０４とを有する。マスク２９００におけるマスク開口部外部のマスク幅２９０６は導波路長２９０７に対し変化している。

また、本実施例では素子用半導体結晶として化合物半導体ＩｎＰ結晶を用いたが、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅなどの化合物半導体結晶やＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＳｂなどの混晶結晶を用いることも可能である。また、本発明による装置が対応するレーザ光の波長として１．５５μｍを用いたが、ＩｎＧａＡｓＰ結晶の組成などの構造、回折格子のピッチ（周期）を変えることにより波長が１．０μｍから１．７μｍまでの長波長帯にも対応でき、活性層に他の材料（ＩｎＧａＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＳｂなど）を用いることにより波長が１．０μｍ未満の短波長帯や１．７μｍ以上の長波長帯にも対応できる。また、活性層における多重量子井戸構造には、８層、５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層（歪量：１．０％）、５層、１０ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ障壁層（組成波長：１．１μｍ）を用いたが、歪量、層数、層厚、結晶組成などの構造因子は変化させても構わない。

また、本実施例では、回折格子等の半導体の加工のためのドライエッチングにおいて、エッチングガスとしてメタンを用いたが、エタン等の他の炭化水素系ガスを用いても構わない。また、エッチングガスとして混合ガスを用いる際の希釈ガスには水素ガスだけではなく水素ガスと共に窒素やアルゴンを用いても構わない。

また、ポリマーを除去するために酸素プラズマを照射したが、酸素を含むプラズマでもよい。例えば、酸素と窒素、アルゴン等不活性ガスとの混合ガス、酸素と水素の混合ガス等でもよい。

また、ドライエッチング法にＲＩＢＥ、ＲＩＥ法を用いたが、イオンビームアシストエッチングなどを用いても加工できる。レジストパターン作製には電子ビーム露光法以外にも干渉露光法を用いることができる。エッチングの際に半導体表面に形成するマスクには酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用いたが、窒化シリコン、酸化チタンなどの誘電体や、金やチタンなどの金属を用いることもできる。

本発明に係る半導体素子の作製方法は、表面の凹凸を抑制してエッチング深さが異なる形状を容易に加工することができ、これにより、高速半導体光素子を提供することができるため、通信産業等を始めとする各種産業において、極めて有益に利用することができる。

８１，８２ マスク
８３，８４ エッチング種
１５０ ｎ型ＩｎＰ基板
１５１ ｎ型ＩｎＰバッファ層
１５２ 回折格子
１５３ ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層
１５４ 活性層（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）
１５５ ＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層
１５６ ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層
１５７ ｐ型ＩｎＰクラッド層
１５８ ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層
４１１ 半導体
４１２ エッチング種
５１１ 半導体
５１２ エッチング種
５１３ マスク
６１０ ＩｎＰ
６２１ メタンプラズマ
６２２ 水素プラズマ
６３１ ポリマー
７１０ ＩｎＰ
７１１ マスク
７２１ メタンプラズマ
７２２ 水素プラズマ
７３１ ポリマー
１０１０，１０２０ 半導体
１０１１，１０２１ マスク
１０１２，１０２２ エッチング種
１１１０ 半導体
１１２０，１１３０ マスク
１３１０ ＩｎＰクラッド層
１３１１ ＳｉＯ₂マスク
１３２１，１３４１ 窒化シリコン（ＳｉＮ_x）膜
１３３１ レジストパターン
１５９１ ｎ型オーミック電極
１５９２ ｐ型オーミック電極
１７００，１７１０ 周辺マスク
１７０１ 周辺窓（開口部）
１７０２ 幅
１８０１ 試料（ＩｎＰ）
１８１１，１８１２ ポリマー
１９００ マスク
１９０２ 第一の開口部
１９０３ 第二の開口部
１９０４ 第三の開口部
１９０５ マスク開口部の格子幅（マスク開口部幅）
１９０６ マスク幅
１９０７ 回折格子の長さ
１９１０ 回折格子部分のマスク（格子状マスク）
１９２０ 回折格子外部のマスク（開口部幅調整マスク）

Claims (3)

1. 炭化水素系プラズマと水素プラズマを、開口部幅が変化する開口部を有するマスクが形成された半導体表面に照射して、半導体表面を異なる複数の深さにエッチングする半導体素子の作製方法であって、
   前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第１の状態、または前記半導体表面にポリマーが生成される第２の状態のどちらか一方のみが発現するように前記開口部幅が設定された開口部を有するマスクを前記半導体表面に形成すると共に、前記マスクの周辺に前記マスクの開口部に供給される水素プラズマ濃度を制御するための窓領域を有する周辺マスクを形成する第１の工程と、
   前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを前記マスクが形成された前記半導体表面に照射する第２の工程を有し、
   前記マスクが、前記半導体表面に形成された第１のパターンを有する第１のマスク部と、前記第１のマスク部上に形成され、前記第１のマスク部のマスク厚よりも厚く、前記第１のパターンの開口部幅を画定する第２のパターンを有する第２のマスク部とからなり、
   前記周辺マスクの前記窓領域が、前記第１のパターンの回折格子方向周辺に配される
   ことを特徴とする半導体素子の作製方法。
2. 請求項１に記載の半導体素子の作製方法において、
   前記第１の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ照射により除去する第３の工程を有する
   ことを特徴とする半導体素子の作製方法。
3. 請求項２に記載の半導体素子の作製方法において、
   前記第２の工程における、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも１つの領域において発現する前記状態を、前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに変化させるように、プラズマ条件を変化させる第４の工程をさらに有し、
   前記第４の工程の後に前記第２の工程をさらに行う
   ことを特徴とする半導体素子の作製方法。

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