JPH02260416A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

（従来の技Ｗｉ） 例えば、半導体レーザ装置を製造する場合、ウェハに所
望の構造の半導体結晶層を形成した後、該ウェハをへき
開により分割し、その際にレーザ共振器端面を形成する
のが一般的である。しかし、へき開工程は自動化しＫく
い工程である。また、へき開工程を用いて、同一チップ
上に複数の半導体レーザを自由に集積することができな
いという問題がある。そこで、へき開工程に代わる端面
形成法が必要とされている。

レーザ共振器端面の形成工程においては、少なくとも高
さ数μｍのウェハに垂直で平坦表面を形成する必要があ
る。通常のエツチング法を用いてこのような形状を形成
することは大変困難である。

そこで、電子、イオン、光等のビームを用いてこのよう
な面を形成する試みが行われている。この中で特にイオ
ンを用いた端面形成の研究が進んでいる。基板を除去す
る性質を持つガスを含んだガスでプラズマを形成し、そ
こで生じた反応性イオンを、プラズマと基板の間に生じ
る電場或は外部から与えた電場によって加速し、マスク
を施した基板に衝突させ、垂直な面を形成するというも
のでおる。このように加速されたイオンが基板に衝突す
るため、端面部の基板の結晶は著しく照射損傷を受けた
。そのため半導体レーザのしきい値、寿命等の特性を劣
化させるという問題があった。

電子サイクロトロン共鳴を用い、イオンのエネルギーを
下げる工夫もされているが、良好な端面形状を維持しな
がら照射損傷をなくすことがでなかった。また、電子線
或は光を用いたエツチング法も研究されてはいるが、研
究は始まったばかりですぐには実用にならない。

以上で述べた照射損傷をなくすために、ビームプロセス
を用いてレーザとなる半導体結晶層を直接加工するので
はなく次のような方法を考案することができる。すなわ
ち、先ず１ビームプロセス等を用いて予め形成した薄膜
或は基板自身を加工し、−組の対向する壁面が平坦で平
行なレーザ端面形状の型を形成しておく。そして、そこ
にレーザとなる半導体結晶層を埋め込んだ後、初めに形
成した型のうち不要な部分を除去して端面を形成すると
いう方法が考えられる。この場合、所定の部分に、均一
の膜厚で隙間なく半導体結晶層を埋め込む必要がある。

しかしながら・従来の結晶成長法では成長した領域の端
部で成長速度が著しく増大したり、成長の起こらない部
分が生じたりして、均一な埋め込み成長を行うことがで
きず、所望のレーザ構造を形成することができなかった
。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、へき開工程を用いずに十分な特性を持つ
半導体レーザを製造することができなかった。このへき
開工程は自動化することは難しく、また、今後必要とな
る光レーザの集積化に対応できないという問題があった
。

この発明は、上記の問題を除去し、自動化が可能で集積
化に対応できる半導体装置の製造方法を提供することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この発明は、原料ガスを交互に供給する気相成長法によ
って半導体結晶層を選択的に形成する半導体装置の製造
方法を提供するものである。

（作用） 原料ガスを交互に供給した気相成長法においては、１回
の原料ガスの交互供給で１原子層だけをエピタキシャル
成長させることが可能である。

この方法を用いると、パターンの形状に関係なく原子層
の単位で膜厚を制御することができる。この時、ウェハ
面内で膜厚は原子層の精度で均一になる。

よって、この発明によれば、−組の対向する壁面が平坦
で平行なレーザ端面形状の型を形成しておき、そこに原
子層の単位で膜厚を制御した成長法を用いてレーザとな
る半導体結晶層を埋め込むことにより、へき開工程を用
いずとも、良好な端面を有する半導体レーザを製造する
ことができる。

従って、半導体レーザの特性を低下させずに、工程を総
て自動化することが可能になる。さらに、ウェハのまま
で製造した素子の試験を行うことが可能となる。また、
半導体レーザの集積化も容易になる。

（実施例） 第１の発明の第１の実施例を図面に従って説明する。

第１図は、この発明を用いて、ウェハ内に多数のＧａＡ
ｌＡｓ半導体レーザを製造したときの工程の概略を示し
たものである。

まず、第１図（ａ）に示すごとく、ｎ型ＧａＡｓ（１０
０）ウェハ１１全・面に、気相堆積法を用いて５μｍの
膜厚の酸化珪素膜（Ｓ　ｉ　Ｏ，膜）１２を形成した。

次に、第１図（ｂ）に示すごとく、反応性イオンエツチ
ング法を用いて、酸化珪素膜を選択的に除去し、横１０
μｍ１縦３００μｍで基板に達する深さを有し、すべて
の壁面がウェハに垂直で平坦な溝部を形成した。溝部の
方向は一定でなく、ウェハ上でさまざまな方向になるよ
うにした。

次に、第１図（Ｃ）に示すごとく、前記溝部分に、原料
ガスを交互に供給した気相成長法によりレーザ構造を有
する半導体結晶層１３を積層させた。

最後に、第１図（ｄ）に示すごとく、ウェハをふっ化ア
ンモニウム溶液につけて初めに形成した酸化珪素膜を除
去し、電極を形成して半導体レーザ装置を完成させた。

以下で、原料ガスを交互に供給した気相成長法によシ、
前記溝部に半導体結晶層を形成した工程について詳しく
述べる。

第２図は上記工程で使用した有機金属気相成長（ＭＯＣ
ＶＤ）装置を示す概略図である。図中の３１は、上部に
筒状体３２が一体的に付設された石英製の成長容器であ
る。この容器３１内には、駆動軸３３により上下動する
サセプタ３４が配置されている。前記成長容器３１の筒
状体３２の側壁には、各々ガス導入管３５．３６が連結
されている。

尚、前記筒状体３２に連結された上部側のガス導入管３
５からは水素や不活性ガスが供給され、該筒状体３２上
部に配置した後述する光導入窓内面への膜成長が防止さ
れるようになっている。前記成長容器３１の下部側壁に
は排気部材３７が連結されている。前記成長容器３１の
周囲には、高周波加熱コイル３８が巻装されている。前
記筒状体３２の上部には、光導入窓３９が配置されてい
る。

また、図中の４０はＫｒＦエキシマレーザ光４１を出射
するエキシマレーザであり、その光路上にはレーザ光４
１を前記光導入窓３９を通して前記容器３１内に照射す
るための反射ミラー４２が配置されている。

次に、前述したＭＯＣＶＤ装置を用いて、前記ウェハ溝
部に半導体結晶層を形成した方法を説明する。

先ず、サセプタ３４上に溝を形成した前記ウェハ４３を
保持させた後、排気部材３７を作動して成長容器３１内
の圧力を４９Ｔｏｒｒに保持し、容器３１内にガス導入
管３５から水素を１５１ｍ。

ガス導入管３６からアルシンを５０９　ｓ　ｅ　ｃｍ供
給すると共に、高周波フィル３８によシウエハ４３の温
度を７００’Ｃに加熱して２０分間のアニールを行った
。

次いで、ウェハ４３の温度を５００°Ｃに保持し、ガス
導入管３５から水素を１ａｍ、ガス導入管３６から原料
ガス及び水素を後述する一定シーケンスで成長容器３１
内に導入し、エキシマレーザ４０から波長２４８ｒ１ｍ
のエキシマレーザ光４１を反射ミラー４２、光導入窓３
９を通してウェハ４３に対して垂直に照射して半導体結
晶層を形成した。

ガス導入管３６からの原料ガスの導入シーケンスは、■
族原料ガスの０．５秒間の導入（過程ｌ）、水素の０．
５秒間の導入（過程２）、ｖ族原料ガスの０．５秒間の
導入（過程３）、水素の０．５秒の導入（過程４）を１
サイクルとして繰り返すものである。この時、導入ガス
の流量の合計が常に２．７５１ｍに、成長容器３１の圧
力が４０Ｔｏｒｒになるように水素の流量および排気部
材３７の排気速度を調整した。また、レーザ光４１は過
程１において２０　ｍ　Ｊ　／Ｃｍ”の強度で８０パル
ス／秒で照射した。

レーザ構造の半導体結晶層１３の形成のための原料ガス
の導入シーケンスは以下のように行った。

先ず、過程Ｉにおいてトリエチルガリンム（ＴＥＧ）を
ＩＸＩＱ’ｍｏｌ／サイクルで導入し一過程３において
アルシン及びジシランをそれぞれ１ＸＩＱ４ｍｏｌ／サ
イクル、１ｘｌｏ’ｍｏｌ／サイクルで導入する前記サ
イクルを３０００回繰り返して膜厚０．８４μｍのｎ型
ＧａＡ　ｓバラフッ層を形成し九〇次に、過程Ｉにおい
てＴＢＧ及びトリメチルアルミニウム（１Ｍ人）をそれ
ぞれｔｘｔ＆ｍｏｌ／サイクル、２ＸＩＱ”ｍｏｌ／サ
イクルで導入し１過程３においてアルシン及びシランを
それぞれｌ×ｌｒＰｍＯ１／サイクル、１　ｘ　Ｉ　Ｑ
’ｍ　ｏ　ｌ　／　ｖ　イクルで導入する前記サイクル
を４５００回繰シ返して膜厚１，２６μｍのｎ型Ａ　Ｉ
　Ｇ　ａ　Ａ　ｓクラッド層を形成した。次いで、過程
ｌにおいてＴＥＧをｔ　ｘ　［ｆ”ｍ　ｏ　ｌ　／サイ
クル、で導入し、過程３においてアルシンをｌｘｌｐｍ
ｏｌ／サイクルで導入する前記サイクルを４０００回繰
シ返して膜厚０．１０２μｍのＧａＡｓ活性層を形成し
た。次いで、過程１においてＴＥＧ及びＴＭＡ、ジエチ
ル亜鉛（ＤＢＺ）ヲソレソれ１Ｘ１ｆｆ’ｍｏｌ／サイ
クル、２ＸＩＯ’ｍＯ１／サイクル、１ｘ　ｌｆｆ’ｍ
ｏ　１／’サイクルで導入し、過程３においてアルシン
をＩ　Ｘ　Ｉ　Ｐｎｏ　１／サイクルで導入する前記サ
イクルを４５００回繰り返して膜厚１．２６μｍのｐ型
ＡｌＧａＡｓクラ。

ド層を形成した。最後に、過程１においてＴＥＧおよび
ＤＥＺをそれぞれｔｘｌ（Ｔ’ｍｏｌ／サイクル、Ｉｘ
ｉｒｒｎｏｌ／サイクルで導入し、過程３においてアル
シンをｌ　Ｘ　Ｉ　Ｏｍ　ｏ　１　／サイクルで導入す
る前記サイクルを２０００回繰り返して膜厚０．５６μ
ｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層を形成した０ 半導体レーザ構造を形成したウェハの一部分の断面を走
査電子顕微鏡で観察し、良好な端面を持った所望の構造
が形成されていることを確認した。

このウェハに１電極をつけ、レーザ発振試験を行った。

全てのレーザが直流で発振し、そのしきい値電流は３０
ｍＡから５０ｍＡに分布した。これは、へき開工程を用
いて製造した半導体レーザ装置と同程度である。また、
レーザの特性はレーザの方向に対して依存していなかっ
たことから、基板の結晶方位に対し任意の方向に半導体
レーザ装置を作成できることが確認できた。

これまで述べてきた製造方法においては、レーザの端面
形状の型を形成するため酸化珪素膜を用いたが、窒化珪
素膜を用いてもほぼ同様の結果が得られた。

次に、予めＧａＡｓ結晶層を形成しておき、そこにレー
ザの端面形状の型を形成した本発明の第２の実施例につ
いて第３図を用いて述べる。

先ず、第３図（ａ）に示すごとく、ｎ型Ａ１０．３Ｇａ
Ｏ，７人ｓ　（１００）基板５１全面に、前述ｏＭＯｃ
ＶＤ装置を用いて５層ｍの膜厚のＧａＡｓ結晶層５２を
形成した。但し、原料ガスとして用いたＴＥＧ、アルシ
ンは同時に継続的に供給し、レーザ光も成長中継続的に
照射した。ＴＥＧ、アルシンの供給量はそれぞれ２×１
０１ｍｏｌ／分、２×１０ｍｏｌ／分とした。次に、第
３図（ｂ）に示すごとく、前述した実施例と同様に、反
応性イオンエツチング法を用いて、該（）　ａ　Ａ　ｓ
膜５２を選択的に除去し、横ｉｏμｍ１縦３００μｍで
基板に達する深さの、端面がウェハに垂直で平坦な溝部
を形成した。前述した実施例と同様に溝部の方向は一定
でなく、ウェハ上でさまざまの方向になるようにした。

次に、第３図（Ｃ）に示すごとく、前記溝部分Ｋ、前述
のＭＯＣＶＤ装置を用いて、前述の実施例と同じ条件で
アニールを行った後、前述の実施例とほぼ同様のシーケ
ンスで原料ガスを交互に供給し、レーザ構造を有する半
導体結晶層５３を積層させた。ただし、バッフ７層及び
活性層、コンタクト層を形成する際、過程１において、
前述した実施例で示したガスに加えてＴＭＡを５Ｘ　Ｉ
　ＱｍＯ１／サイクルで導入した。

レーザとなる半導体結晶層５３を形成した後、第３図（
ｄ）に示すごとく、Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ　　を除去しない
が選択的にＧ　ａ　Ａ、　ａのみを除去するアンモニア
、過酸化水素混合溶液を用いて型の目的で形成したＧａ
Ａｓ結晶層５２を除去し、最後に、電極（図示せず）を
形成して半導体レーザを完成させた。

本実施例においても、前実施例と同様（レーザ発振試験
を行った。全てのレーザが直流で発振し、そのしきい値
電流は２５ｍＡから３５ｍＡに分布した。これは、前述
した実施例よシ改善されている。また、レーザの特性は
レーザ端面が（１１０）面に近いレーザのしきい値電流
が低いという傾向がみられた。

以上の実施例において基板上に酸化珪素或は窒化珪素或
はＧ　ａ　Ａ　ｓ結晶層を用いてレーザ端面構造の型を
形成したが、本発明においては、これらに限る必要はな
く、他の絶縁体、半導体、或は金属を用いてレーザ端面
構造の型を形成し手もよい。

また、以上の実施例において、半導体レーザ装置となる
半導体結晶層を形成した後、レーザ端面構造の型を形成
するために用いた部材を除去したが、本発明においてこ
れは本質的なことではない。

すなわち、前記部材の一部或は全部を除去せずに残し、
レーザ端面の保護、或はレーザ出射光の伝達等の目的に
用いても良い。

次に第２の発明の実施例について説明する。上記第１の
発明は、Ｓｉｎ、膜を壁面として、平担な半導体膜を形
成したが、第２の発明は下地の材料の違いにより選択的
に半導体膜を形成するものである。以下、第４図を参照
して説明する。先ず第４図（ａ）に示すごとく、表面に
選択的に８ｉ０．膜６１が埋め込まれたｎ型Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ基板６０を用意する。

このｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板６０の表面は平担になって
いる。

次に、このｎ型ＧａＡｓ基板６０表面に１第１の発明と
同様に原料ガスを交互に供給し、第４図（ｂ）に示すよ
うなレーザ構造を有する半導体結晶層６２を積層する。

半導体結晶層６２の形成方法は、第１図で示した半導体
結晶層１３の形成方法と同様に行えば良い。

このように、Ｓｉｎ、膜、ＳｉＮ膜、Ｓ　ｔ３　Ｎ４膜
等が選択的に埋め込まれた半導体基板上に、Ｉ族及び■
族の原料ガスを交互に供給して気相成長することにより
、選択的に且つ平担に半導体膜を形成することができる
。

以上で述べた実施例においては、成長速度を増加させる
ために、半導体結晶層を形成する時にＫ　ｒ　Ｆエキシ
マレーザ光を照射したが、これは本発明において本質的
なことではない。アルゴンイオンレーザ等の他の波長の
光を照射しても実験から成長速度の増加が確認されてお
り、他の波長の光を照射してもよい。また、光を照射し
なくても原料を交互に供給することで単原子層の膜厚制
御が実現できるので、光を照射せずに半導体結晶層を形
成しても良い。

また、実施例において、Ｇａ元素の原料ガスとしてトリ
エチルガリウムを用いたが、トリエチルガリウム、トリ
イソブチルガリウムを用いても単原子層の膜厚制御が実
現できることを確認しているので、これらの原料ガスを
用いても良い。

また、実施例では・、Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ　のダブ
ルへテロ半導体レーザの製造方法について述べたが、本
発明はこれに限るものではない。ＩｎｋＳＩｎＡｓの成
長においても原料を交互供給した気相成長法により、単
原子層の膜厚制御が可能なことが確認されている。これ
から、本発明はＩ　ｎ　Ｐ　ｓ　Ｉ　ｎ　Ａ　ｓあるい
はＩｎＧａＡＩＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等ノ他ノ混晶材料の
半導体装置の製造にもそのまま適用することができる。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することができる。

〔発明の効果〕

以上詳述した様に、本発明によれば、原料ガスを交互供
給した気相成長法を用いるととＫよって、へき開工程を
用いずに、へき開工程を用いて製造したものと同程度の
特性の半導体レーザ装置を製造することができた。へき
開工程を用いないため、製造の自動化が可能になった。

また、ウェハのままで素子の試験を行うことができるの
で、不μ素子に対して無駄な工程を行う必要がない。

従って、本発明を用いることにより、半導体レーザの製
造コストを下げることができる。また、ウェハ上に半導
体レーザを任意の方向に集積することが可能となるだめ
、光集積回路の設計に対する制約が大幅に少なくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３図は第１の発明を実施した半導体レーザの
製造工程を示す断面図であり、第２図は、半導体結晶層
を形成する工程において使用したＭＯＣＶＤ装置を示す
概略図、第４図は第２の発明の実施例を示す断面図であ
る。 １１−ＧａＡｍ基板、 １２・・・酸化珪素膜、 ３・・・レーザ構造を積層した半導体結晶層、ｌ・・・
成長容器、 ４・・・サセプタ、 ５．３６・・・ガス導入管、 ３・・・ウェハ、 ０・・・エキシマレーザ１ １−・ＡｌＧａＡｓ基板、 ２・・・ＧａＡｓ結゛晶層、 ３・・・レーザ構造を積層した半導体結晶層。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　松山光之 第 図 五−−３−ロー 第 霞 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に異なる材料からなる壁面を有する半導体基
   板上に、前記壁面に接する半導体結晶層を形成する際に
   、原料ガスを交互に供給する気相成長により前記半導体
   結晶層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方
   法。
2. （２）表面に材料の異なる膜が選択的に埋め込まれた半
   導体基板上に、原料ガスを交互に供給する気相成長によ
   り選択的に半導体結晶層を形成することを特徴とする半
   導体装置の製造方法。