JP2012199310A - Fabrication method of semiconductor element - Google Patents
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Abstract
【課題】同一ウエハ面内で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、半導体表面のエッチングが進行する第1の状態、または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1902,1903,1904を有するマスク1900を半導体1801表面に形成すると共に、マスク1900の周辺に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周辺窓を有する周辺マスクを形成する第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の工程を有するようにした。
【選択図】図5A method for manufacturing a semiconductor device capable of easily processing shapes having different etching depths in the same wafer surface.
The openings are formed so that only one of a first state in which etching of the semiconductor surface proceeds and a second state in which a polymer is generated on the semiconductor surface appears in each region having a different opening width. A mask 1900 having openings 1902, 1903, and 1904 having a set width is formed on the surface of the semiconductor 1801, and a peripheral window for controlling the concentration of hydrogen plasma supplied to the mask opening is formed around the mask 1900. A first step of forming a peripheral mask having a second step and a second step of irradiating the semiconductor surface on which the mask is formed with methane plasma and hydrogen plasma are provided.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、半導体素子の作製方法に関し、より詳細には、同一ウエハ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。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor element, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor element that processes shapes having different etching depths in the same wafer surface.
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。 In the research and development of high-performance and high-function devices, it is important to integrate the structure of complex devices, and device fabrication process technology such as processing (etching) and crystal regrowth technology is required. In particular, when a plurality of structures are integrated, a plurality of etching processes are usually required.
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11(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11(a))後にエッチングする(図11(b))。次に、1回目のエッチング用のマスクを除去した(図11(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11(d))、さらにエッチングし(図11(e))、マスクを除去する(図11(f))というプロセスを繰り返さなくてはならない。 An example of the etching process in the case of performing etching at different depths according to the conventional method is shown in FIGS. In the case where the sample (for example, InP crystal) 1110 is etched at a different depth, a portion not etched at the time of the first etching is covered with a mask (dielectric material) 1120 (FIG. 11A) and then etched ( FIG. 11 (b)). Next, after removing the mask for the first etching (FIG. 11C), the portion that is not etched again for the second etching is covered with a mask 1130 (FIG. 11D), and further etched ( The process of removing the mask (FIG. 11 (e)) (FIG. 11 (f)) must be repeated.
半導体光素子作製において、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。 In semiconductor optical device fabrication, when etching with different depths is required, a plurality of mask formation, etching, and mask removal processes are essential, leading to waste in terms of time and cost. . In consideration of such a problem, it has been substantially difficult to form fine and complicated structures having different depths by etching.
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)。
Therefore, in order to solve the above-mentioned problem, when performing etching at different depths, it is possible to perform etching with different depths by performing etching once by using masks having different areas corresponding to the etching depths. Has been invented (see
基本的なエッチング過程を図12(a)〜(c)に示す。図12(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。
A basic etching process is shown in FIGS. As shown in FIGS. 12A to 12C, in the case of dry etching using a plasma state gas for semiconductor etching, the
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13(a)〜(c)に示す。図13(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。
FIGS. 13A to 13C show the etching process when a mask that does not react with the etching species is used. As shown in FIGS. 13A to 13C, when etching is performed, the surface of the semiconductor is covered with a
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。 As described above, the etching species flying on the mask diffuses on the semiconductor surface and promotes the etching of the semiconductor, so that the etching of the semiconductor increases as the mask area increases. Therefore, according to this method, a simple groove structure whose depth changes can be easily manufactured.
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、本明細書では、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。 In particular, when a hydrocarbon gas such as methane or ethane is used as the gas in dry etching using a plasma gas for semiconductor etching, the gas is decomposed into hydrocarbon groups and hydrogen in the plasma state, and each ionized. Alternatively, it is chemically activated (radicalized). In the present specification, hereinafter, ionized or chemically activated (radicalized) hydrocarbon groups are referred to as hydrocarbon plasma, and similar hydrogen atoms are referred to as hydrogen plasma.
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。 When the hydrocarbon plasma and the hydrogen plasma come into contact with the semiconductor, a process of etching the semiconductor and a process of forming and depositing a polymer on the semiconductor without etching the semiconductor occur. In general, when there is sufficient hydrogen plasma, the etching process is the main process, and when hydrogen plasma is insufficient, the process of polymer deposition is the main process. At the same time, on the surface of the dielectric (such as SiO 2 ) mask, hydrocarbon plasma and hydrogen plasma do not react with the dielectric, and thus deposit as a polymer.
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14(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15(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。 Here, a case where the above-described dry etching is performed on a sample having a mask will be described. FIGS. 14A and 14B show a phenomenon that occurs in a region without a mask when etching using methane plasma is performed. FIGS. 15A, 15B, and 15C show methane plasma. This shows a phenomenon that occurs in a region surrounded by a mask when etching is used.
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14(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が生成され、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない(図14(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。 In the region without the mask, the hydrogen plasma 622 is uniformly distributed on the surface of the sample (InP) 610 with respect to the methane plasma 621 (FIG. 14A). When the concentration of the uniformly distributed hydrogen plasma is low, hydrogen is insufficient for etching, so that the polymer 631 is generated on the sample surface and the sample surface is covered, so that etching does not proceed (FIG. 14B). This deposition of polymer due to the lack of hydrogen plasma occurs even in a region where the opening width of the mask is wide and the distance from the mask is sufficient.
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15(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15(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15(c))。
On the other hand, in the region surrounded by the mask and in particular the region where the opening width of the mask is narrow, the hydrogen plasma 722 is first formed on the surface of the sample (InP) 710 with respect to the methane plasma 721. And uniformly distributed on the surface of the
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。 Thus, in the region without the mask or in the region where the opening width of the mask is wide, the polymer is generated and the etching does not proceed, and the etching proceeds in the region where the opening width of the mask is narrow. Therefore, according to this method, shapes having different depths can be processed in one etching process.
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16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。
However, when producing a diffraction grating using this method, as shown in FIG. 16, not only the
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17(a)および図17(b)を用いて説明する。図17(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17(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。 In order to solve this problem, a method using a mask having a different thickness has been invented (for example, see Patent Document 2 below). This method will be described below with reference to FIGS. 17 (a) and 17 (b). FIG. 17A shows the behavior of the etching species when a mask having a thin mask thickness (film thickness) is used, and FIG. 17B shows the behavior of the etching species when a mask having a thick mask thickness (film thickness) is used. Show.
図17(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17(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。
As shown in FIG. 17A, when the
または、マスク厚(膜厚)の薄いマスク(例えば、図17(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17(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。
Alternatively, in the case of using a mask having a thin mask thickness (for example, a
そこで、回折格子外部部分のマスク82(図16参照)の厚さを回折格子部分のマスク81(図16参照)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。 Therefore, if the thickness of the mask 82 (see FIG. 16) in the outer portion of the diffraction grating is made larger than the thickness of the mask 81 (see FIG. 16) in the diffraction grating portion, the outside of the diffraction grating having a larger mask thickness is changed to the opening. The contribution of the etching species diffusing in the opening width direction (Y direction) is large, and the contribution of the etching species diffusing in the diffraction grating direction (X direction) from the diffraction grating portion having a thin mask thickness to the opening can be reduced. Therefore, in a region having a wide thick mask width (mask width of a mask having a large mask thickness), a large amount of etching species that do not react on the mask diffuse into the opening, so that the etching species at the opening becomes high in concentration and the etching rate. Will increase. On the other hand, in the region where the thickness of the thick mask is narrow, the etching species which does not react on the mask and diffuses into the opening is smaller than that in the region where the mask is wide, and the etching rate is slow. Therefore, the etching depth is deep in the region where the mask width is wide and shallow in the region where the mask width is narrow.
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。 Alternatively, when the thickness of the thick mask is constant, an etching species that diffuses from the thick mask (thick mask) opens in a narrow region of the thick mask opening width (opening width of the mask with thick mask). Since it spreads over the entire area, the etching rate increases. On the other hand, in the region where the thick layer mask opening width is wide, the etching species diffusing from the thick layer mask does not reach the entire opening portion, so that the etching rate is reduced.
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。 When the above-mentioned hydrocarbon plasma and hydrogen plasma are used as the etching gas, if the hydrocarbon plasma is at a high concentration, etching occurs in the opening due to diffusion of the hydrogen plasma from the thick mask to the opening, or a polymer is generated. Or is decided. Therefore, when the thickness of the thick mask is constant, etching proceeds because the hydrogen plasma diffused from the thick mask spreads over the entire opening in a region where the opening of the thick mask is narrow. On the other hand, in the region where the thick layer mask opening width is wide, the hydrogen plasma diffused from the thick mask does not spread sufficiently over the entire opening portion, so that polymer is generated and etching does not proceed.
上述の選択エッチングにより加工される深さ形状は、同一ウエハ面内ではプラズマ条件(ガス流量、圧力、パワーなど)が同じなので、マスク形状が素子ごとに同一であればウエハ面内で深さ形状も素子ごとに同一になる。ウエハ面内で素子ごとに(マスクごとに)異なる深さで加工するには、マスクごとに異なる開口部幅を設定しなくてはならない。ここで開口部幅はマスクから開口部への水素プラズマの拡散距離を考慮して決める必要がある。 The depth shape processed by the selective etching described above has the same plasma conditions (gas flow rate, pressure, power, etc.) within the same wafer surface, so if the mask shape is the same for each element, the depth shape is within the wafer surface. Is the same for each element. In order to perform processing at different depths for each element (for each mask) in the wafer surface, a different opening width must be set for each mask. Here, the opening width needs to be determined in consideration of the diffusion distance of hydrogen plasma from the mask to the opening.
しかしながら、水素プラズマの拡散距離はプラズマ条件の僅かな変動に影響されるので開口部幅により加工する深さを同一ウエハ面内で変化させるのは簡単ではない。また、プラズマ条件の僅かな変動により加工される形状が設計値からずれるので、作製マージンが低下することも問題になる。 However, since the diffusion distance of hydrogen plasma is affected by slight fluctuations in the plasma conditions, it is not easy to change the depth to be processed in the same wafer plane by the opening width. In addition, since the shape to be processed is deviated from the design value due to slight fluctuations in the plasma conditions, there is a problem that the manufacturing margin is reduced.
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、同一ウエハ面内で素子ごとに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。 From the above, the present invention has been made to solve the above-described problems, and can easily and accurately process shapes having different etching depths for each element in the same wafer surface. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor element that can be manufactured.
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ることを特徴とする。 In a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention for solving the above-described problems, a semiconductor surface on which a mask having an opening having a variable opening width is irradiated with hydrocarbon-based plasma and hydrogen plasma. A method of manufacturing a semiconductor element that etches to a plurality of different depths, wherein a polymer is generated on the semiconductor surface in a first state where etching of the semiconductor surface proceeds for each region having a different opening width. A mask having an opening with the opening width set so that only one of the second states appears is formed on the semiconductor surface, and is supplied to the opening of the mask around the mask. A first step of forming a peripheral mask having a window region for controlling a hydrogen plasma concentration, and the mask contains the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma. A second step of irradiating the formed semiconductor surface, wherein the mask is formed on the first mask portion and a first mask portion having a first pattern formed on the semiconductor surface; And a second mask portion having a second pattern that is thicker than a mask thickness of the first mask portion and defines an opening width of the first pattern.
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。 A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention that solves the above-described problem is the above-described method for manufacturing a semiconductor device, wherein the polymer deposited on the semiconductor surface in the first step is irradiated with plasma containing oxygen. It has the 3rd process to remove, It is characterized by the above-mentioned.
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。 In addition, a method for manufacturing a semiconductor element according to the present invention that solves the above-described problem is the above-described method for manufacturing a semiconductor element, wherein the method is expressed in at least one of the regions having different opening widths in the second step. A fourth step of changing a plasma condition so as to change the state to be either the first state or the second state, and after the fourth step, the second step The process is further performed.
本発明に係る半導体素子の作製方法によれば、同一ウエハ面内で素子ごとに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。 According to the method for manufacturing a semiconductor element according to the present invention, it is possible to easily and accurately process shapes having different etching depths for each element in the same wafer surface. Thereby, a high-speed semiconductor optical device can be provided.
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。 Embodiments for carrying out a method for manufacturing a semiconductor element according to the present invention will be specifically described in Examples.
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8を参照して説明する。
図1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を示す図であって、本実施例において試料表面に形成するSiNx/SiO2マスクを示す図である。
A method for fabricating a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a view showing a mask used for manufacturing a diffraction grating having a layer thickness varying in the same plane manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. is a diagram illustrating a SiN x / SiO 2 mask is formed on the sample surface in the examples.
まず、図1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、SiNx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。
First, as shown in FIG. 1, a
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2(b)および図2(c)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1701を形成し、マスク1900の周辺における(マスク1900の輪郭に沿う)100μmの幅1908の領域に、窓部をなす周辺窓(開口部)1930を複数配する。各周辺窓1930は1辺が20μmの正方形である。図2(b)においては、隣接する周辺窓1930間の間隔d2が40μmである。図2(c)においては、隣接する周辺窓1930間の間隔d1が5μmである。参考のため、図2(a)にウエハの表面において、上述のマスク1900の周辺に周辺マスク1701を形成し、上述の周辺窓1930を配さない場合を示す。
On the wafer surface, a peripheral window (opening) forming a window is arranged in a predetermined area around the
図2(b)および図2(c)に示すように周辺窓1930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1930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試料(InP)1801をエッチングするので、エッチングに消費される分の水素プラズマがマスク1900の周辺で減少する。一方、図2(a)に示すように周辺窓1930を配さない試料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、周辺に飛来した水素プラズマは反応せず消費されないので、マスク1900の周辺に存在する水素プラズマは図2(b)および図2(c)の場合よりも多い。図2(b)に示す周辺窓1930を配した場合と図2(c)に示す周辺窓1930を配した場合を比較すると、図2(c)の方が図2(b)よりも高密度で周辺窓1930が配されているのでマスク1900の周辺に存在する水素プラズマが少ない。さらに、試料(InP)1801表面にてマスク1900の周辺に形成した周辺マスク1701を完全に除去してしまえば(図示せず)、図2(c)の場合に比べてマスク1900の周辺に存在する水素プラズマがさらに少なく。このように、周辺窓1930を配することによってマスク1900周辺に存在する水素プラズマの量(濃度)を制御できる。
When the surface of the sample (wafer) 1801 provided with the
したがって、素子ごとに(マスクごとに)周辺窓1930の配置を変化させることによって選択エッチングに寄与する水素プラズマの量(濃度)を容易に変化させることができる。よって、同一ウエハ面内で素子ごとに(マスクごとに)異なる深さ形状に加工することができる。
Therefore, the amount (concentration) of hydrogen plasma contributing to selective etching can be easily changed by changing the arrangement of the
本実施例において、周辺窓1930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、周辺窓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ため、周辺窓における反応によるエッチング量は少ないので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周辺窓においてポリマーが生成してエッチングが進行しない。
In this embodiment, hydrogen plasma, hydrocarbon-based plasma, and InP react in the
図3に、周辺窓の配置方法の他例を示す。図3に示すように、マスク1900の周辺における、マスク1900と開口部幅方向(Y方向)で隣接する位置にのみ、回折格子方向(X方向)に周辺窓1930を複数配置することもできる。このような位置にのみ複数の周辺窓1930を配すれば、周辺窓1930によるエッチング深さ変化への効果は低下するが、回折格子周辺の回折格子方向(素子動作における光導波方向)にエッチングされる周辺窓がないので素子特性への影響は全く生じない。
FIG. 3 shows another example of the method of arranging the peripheral windows. As shown in FIG. 3, a plurality of
図4(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。
4A to 4D show a process for manufacturing masks having different thicknesses in a plane used for forming a diffraction grating in this embodiment.
First, a 30 nm thick silicon oxide (SiO 2 ) film is formed on the surface of the InP clad
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2(b)、(c)に示される周辺窓パターン1311bをそれぞれ形成する(図4(a)参照)。または、周辺窓を有さないパターン(図2(a))を形成する。 Next, the peripheral window pattern shown in FIGS. 2B and 2C is obtained by a normal photoresist process and reactive ion etching (RIE) using a fluorocarbon system ((CF 4 , C 2 F 8, etc.)). 1311b is formed (see FIG. 4A), or a pattern having no peripheral window (FIG. 2A) is formed.
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(SiNX)膜1321を形成する(図4(b)参照)。SiNX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4(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(SF6など)を用いたRIEによってSiNX膜を加工することにより、レジストパターンをSiNX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(SF6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4(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、SiNX膜1341が第2のマスク部をなしている。
Next, a 1 μm-thick silicon nitride (SiN x )
図5(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/SiNx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5(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(b)や図2(c)や図3に示すような周辺窓1930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1参照)と、回折格子部分のマスクの上に形成され、回折格子部分のマスクよりもマスク厚(膜厚)が厚く、回折格子部分のマスク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。以下に説明する一連のエッチング過程において、マスク厚の厚い回折格子外部からのメタン・水素プラズマの寄与が大きく、マスク厚の薄い回折格子部分からのメタン・水素プラズマの寄与は小さい。
FIGS. 5A to 5E are diagrams showing a manufacturing process of a diffraction grating manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device according to this example, and a process of etching the diffraction grating in the SiO 2 / SiN x mask portion. It is a figure which shows a part of diffraction grating for demonstrating these.
As shown in FIG. 5A, the above-described
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2sccm、放電電力が100W、ガス圧力が40Paで施すと、図5(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3904(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5(c)に示すように、堆積したポリマーが除去される。
When this sample is first subjected to RIE using a mixed gas of methane and hydrogen on the
次に、水素流量を増加させた条件(メタン流量:40sccm、水素流量:5sccm、ガス圧力:10Pa、放電電力:100W)でRIEを施すと、図5(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。
Next, when RIE is performed under the conditions in which the hydrogen flow rate is increased (methane flow rate: 40 sccm, hydrogen flow rate: 5 sccm, gas pressure: 10 Pa, discharge power: 100 W), as shown in FIG. In the
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、酸素プラズマの照射を交互に繰り返すことにより、図5(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7に示すような素子構造の回折格子部分が作製される。 Subsequently, after removing the polymer by oxygen plasma irradiation, by alternately repeating RIE and oxygen plasma irradiation under the condition of changing the hydrogen flow rate, as shown in FIG. 5E, diffraction gratings having different depths are obtained. Can be formed. Thereafter, the mask is removed, mesa structure processing is performed, and then, the diffraction grating portion of the element structure as shown in FIG. 7 is formed by stacking on this diffraction grating by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). Is produced.
上述のエッチング過程において、図2(a)に示す周辺窓が配されず周辺マスク1701が配された素子におけるエッチング深さが最も深くなり、次に図2(b)に示す周辺窓1930が形成された周辺マスク1701が配された素子におけるエッチング深さが深く、図2(c)に示す周辺窓1930が形成された周辺マスク1701が配された素子におけるエッチング深さが最も浅くなる。このように、周辺マスク1701を配することにより、同一ウエハ面内で素子毎に異なるエッチング深さ形状に加工することができる。上述のマスク1900にてマスク開口部の開口部幅を5種類とし、中央から回折格子方向にて開口部幅を狭くし、このような形状のマスクの周辺に図2(a)、(b)、(c)に示すような周辺マスク1701をそれぞれ配した場合には、図6(a)、(b)、(c)に示すような回折格子1820、1822,1821がそれぞれ得られる。その後、マスク除去、メサ構造加工後に、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素子構造が作製される。
In the above-described etching process, the peripheral window shown in FIG. 2A is not arranged, and the etching depth in the element provided with the
図7に、本発明の第1の実施例に係る回折格子を用いたDBR半導体レーザの構造を示す。本実施例に係る半導体素子の作製方法により作製された深さの異なる回折格子を有する試料表面のSiO2マスクを除去した後、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、図7に示す深さの変化する回折格子を用いたDBR半導体レーザ構造が作製される。 FIG. 7 shows the structure of a DBR semiconductor laser using the diffraction grating according to the first embodiment of the present invention. After removing the SiO 2 mask on the sample surface having the diffraction gratings having different depths manufactured by the method for manufacturing the semiconductor element according to this example, the layers are stacked on the diffraction gratings by metal organic chemical vapor deposition (MOVPE). As a result, the DBR semiconductor laser structure using the diffraction grating whose depth changes as shown in FIG. 7 is manufactured.
本実施例に係る回折格子を用いたDBR半導体レーザは、図7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。
As shown in FIG. 7, the DBR semiconductor laser using the diffraction grating according to the present embodiment has an n-
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。
The oscillation wavelength of the element is 1.55 μm. The length of the element is 1500 μm. The pitch (period) of the
図8(a)および図8(b)に、図7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8(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8(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。 FIGS. 8A and 8B show reflection characteristics obtained by the diffraction grating in the DBR semiconductor laser shown in FIG. FIG. 8A shows the relationship between the distance from one end of the diffraction grating and the coupling coefficient κ. By changing the depth of the diffraction grating to be 30 nm at both ends of the element and 65 nm at the center, the coupling coefficient κ is 50 cm −1 at both ends of the element and at the center as shown in FIG. It changes to 100 cm- 1 .
図8(b)のL2にこ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8(b)のL3に結合係数が100nm-1一定の場合の反射スペクトルを示す。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。 A reflection spectrum when this diffraction grating is used is shown in L2 of FIG. For comparison, L3 in FIG. 8B shows a reflection spectrum when the coupling coefficient is constant at 100 nm −1 . It can be seen that the side mode of the reflection spectrum is suppressed by changing the depth of the diffraction grating, that is, the coupling coefficient. This suggests that side modes in the oscillation spectrum when a DBR semiconductor laser using this diffraction grating is operated are suppressed.
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。 Thus, according to the method for manufacturing a semiconductor element according to this example, it is possible to easily manufacture a diffraction grating whose depth (coupling coefficient) changes.
図9(a)に、図2(a)、(b)、(c)に示す周辺マスクを用いて作製された各素子における回折格子a、b、cにより得られる結合係数と反射特性を、それぞれ曲線a、b、cで示す。図2(a)に示す周辺マスク1701を用いた場合、回折格子の深さが素子両端部で45nm、中央部で90nmとなるように変化させることにより、図9(a)に示すように、結合係数κは素子両端部で70cm-1、中央部で150cm-1と変化する。図2(b)に示す周辺マスク1701を用いた場合、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9(a)に示すように、結合係数κは素子両端部で40cm-1、中央部で100cm-1と変化する。図2(c)に示す周辺マスク1701を用いた場合、回折格子の深さが素子両端部で20nm、中央部で35nmとなるように変化させることにより、図9(a)に示すように、結合係数κは素子両端部で30cm-1、中央部で50cm-1と変化する。
FIG. 9A shows the coupling coefficients and reflection characteristics obtained by the diffraction gratings a, b, and c in each element manufactured using the peripheral masks shown in FIGS. 2A, 2B, and 2C. The curves are indicated by curves a, b and c, respectively. When the
図9(b)に、図9(a)に用いた上記の回折格子a,b,cそれぞれの反射スペクトルを曲線a,b,cに示す。図9(b)に示すように、回折格子a(曲線a)では、反射率が高く(反射率;1)、ストップバンドが広くなる。回折格子b(曲線b)では反射率が高いが(反射率;1)、ストップバンドが回折格子aに比べて狭くなる。回折格子c(曲線c)では反射率が低下してストップバンドが回折格子a,bと比べて狭くなる。このことは、本実施例に係る半導体素子の作製方法によれば、素子毎に発振スペクトルにおける可変波長範囲が異なるDBR半導体レーザを1回のプロセスにより作製できることを示唆する。 FIG. 9B shows the reflection spectra of the diffraction gratings a, b, and c used in FIG. As shown in FIG. 9B, the diffraction grating a (curve a) has a high reflectance (reflectance: 1) and a wide stop band. The diffraction grating b (curve b) has a high reflectance (reflectance: 1), but the stop band is narrower than that of the diffraction grating a. In the diffraction grating c (curve c), the reflectance is lowered and the stop band becomes narrower than that of the diffraction gratings a and b. This suggests that according to the method for manufacturing a semiconductor device according to this example, a DBR semiconductor laser having a variable wavelength range in the oscillation spectrum for each device can be manufactured by a single process.
また、上述の結果は複数のパターンのマスクを配することにより作製マージンが増加することを示唆する。本発明によるエッチング方法においては「エッチングされる、またはポリマーが生成される」が水素の供給量の敏感であるため、水素の供給量等の条件が不安定になると歩留り、再現性が低下するので問題となる。例えば、本発明によらず周辺窓を配さない場合(パターンaの場合)、当初設計された形状に加工するようにエッチングを施したとしても、エッチング条件がずれる(変化する)と設計した形状が得られない。一方、上述のように複数の周辺窓を配すれば、例えば水素供給量が減少する方向に条件がずれた場合にはパターンaまたはbにおいて水素供給量が補填されるので設計された回折格子が得られる。 In addition, the above result suggests that a manufacturing margin is increased by arranging a plurality of patterns of masks. In the etching method according to the present invention, “etched or polymer is produced” is sensitive to the amount of hydrogen supplied, so if the conditions such as the amount of hydrogen supplied become unstable, the yield and reproducibility deteriorate. It becomes a problem. For example, when the peripheral window is not arranged regardless of the present invention (in the case of the pattern a), even if the etching is performed so as to be processed into the originally designed shape, the etching condition is deviated (changed). Cannot be obtained. On the other hand, if a plurality of peripheral windows are arranged as described above, for example, when the conditions deviate in the direction in which the hydrogen supply amount decreases, the hydrogen supply amount is compensated for in the pattern a or b, so that the designed diffraction grating can get.
さらに、パターンbの周辺マスクを用いて設計された形状を加工すれば、エッチング条件がずれた場合、例えば水素供給量が減少する方向に条件がずれた場合にはパターンaにおいて水素供給量が補填されるので設計された回折格子が得られる。逆に水素供給量が増加する方向に条件がずれた場合にはパターンcにおいて水素供給量が減少されるので設計された回折格子が得られる。このように、本発明によれば、複数のパターンの周辺窓を配することにより作製マージンを向上できる。 Further, if the shape designed using the peripheral mask of the pattern b is processed, if the etching condition is deviated, for example, if the condition is deviated in the direction of decreasing the hydrogen supply amount, the hydrogen supply amount is compensated in the pattern a. Therefore, a designed diffraction grating can be obtained. On the other hand, when the conditions are shifted in the direction of increasing the hydrogen supply amount, the designed diffraction grating is obtained because the hydrogen supply amount is decreased in the pattern c. Thus, according to the present invention, the manufacturing margin can be improved by arranging the peripheral windows of a plurality of patterns.
本実施例において、マスク周辺に3種類の周辺窓のパターンを配したが、より多くの種類のパターンのマスクを配すればより多くの異なる可変波長範囲が得られ、作製マージンも増加する。 In this embodiment, three types of peripheral window patterns are arranged around the mask. However, if more types of patterns of masks are arranged, more different variable wavelength ranges can be obtained and the manufacturing margin is increased.
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。 In this embodiment, a square is used for the peripheral window, but other shapes may be used, and other sizes and intervals may be used.
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。 In this embodiment, hydrogen (plasma) that did not contribute to the reaction on the mask flows into both ends of the opening of the diffraction grating. Etching proceeds with the reaction of methane by this amount of hydrogen plasma. Therefore, even in the opening where the polymer is deposited, the etching proceeds only at a part of both ends. Thus, there may be a problem that the depth is not uniform over the entire opening. However, since a mesa structure is adopted in an actual device, both ends of the opening are cut off when the mesa is formed, and this does not cause a problem in actual device fabrication.
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10に示すような形状のマスク2900でもよい。マスク2900は、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。
In this embodiment, the mask width outside the opening in the mask is constant, but the mask width is constant as long as the distance that the hydrogen plasma diffusing into the opening diffuses on the mask is negligible. Need not be. For example, a
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。 In this embodiment, the compound semiconductor InP crystal is used as the element semiconductor crystal. However, it is also possible to use a compound semiconductor crystal such as GaAs or SiGe or a mixed crystal such as InGaAsP, AlGaInAs, InGaN, GaInNAs, or AlGaSb. . Further, although 1.55 μm is used as the wavelength of the laser beam to which the apparatus according to the present invention is applicable, the wavelength is changed from 1.0 μm to 1.7 μm by changing the structure such as the composition of the InGaAsP crystal and the pitch (period) of the diffraction grating. Up to a long wavelength band up to 1, and by using other materials (InGaAlN, AlGaInP, AlGaSb, etc.) for the active layer, it also supports a short wavelength band of less than 1.0 μm and a long wavelength band of 1.7 μm or more. it can. The multi-quantum well structure in the active layer includes an 8 layer, 5 nm thick InGaAsP strained quantum well layer (strain amount: 1.0%), a 5 layer, 10 nm thick InGaAsP barrier layer (composition wavelength: 1.1 μm). However, structural factors such as the amount of strain, the number of layers, the layer thickness, and the crystal composition may be changed.
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酸素ガスだけではなく酸素ガスと共に水素、窒素やアルゴンを用いても構わない。 In this embodiment, methane is used as an etching gas in dry etching for processing a semiconductor such as a diffraction grating, but other hydrocarbon gases such as ethane may be used. In addition, as a dilution gas when using a mixed gas as an etching gas, hydrogen, nitrogen, or argon may be used together with oxygen gas as well as oxygen gas.
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。 Further, although oxygen plasma is irradiated to remove the polymer, plasma containing oxygen may be used. For example, a mixed gas of oxygen and an inert gas such as nitrogen or argon, a mixed gas of oxygen and hydrogen, or the like may be used.
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。 Further, although RIBE and RIE methods are used for the dry etching method, processing can also be performed using ion beam assist etching or the like. In addition to the electron beam exposure method, an interference exposure method can be used for producing the resist pattern. Although silicon oxide (SiO 2 ) is used as a mask formed on the semiconductor surface during etching, a dielectric such as silicon nitride or titanium oxide, or a metal such as gold or titanium can also be used.
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同一ウエハ面内で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。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention can easily process shapes having different etching depths within the same wafer surface while suppressing surface irregularities, thereby providing a high-speed semiconductor optical device. Therefore, it can be used extremely beneficially in various industries including the communication industry.
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
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
610 InP
621 メタンプラズマ
622 水素プラズマ
631 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基板
1311 InPクラッド層
1321,1341 窒化シリコン(SiNx)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
1701 周辺マスク
1801 試料(InP)
1811,1812 ポリマー
1820,1821,1822 回折格子
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
1908 領域
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)
1930 周辺窓(開口部)
81, 82
155 DBR diffraction grating region InGaAsP (composition wavelength: 1.4 μm)
711 Mask 721 Methane plasma 722 Hydrogen plasma 731
621 Methane plasma 622 Hydrogen plasma 631
1811, 1812
1906
1920 Mask outside diffraction grating (opening width adjustment mask)
1930 Perimeter window (opening)
Claims (3)
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る
ことを特徴とする半導体素子の作製方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising irradiating a hydrocarbon surface and a hydrogen plasma on a semiconductor surface on which a mask having an opening having a variable opening width is formed, and etching the semiconductor surface to a plurality of different depths,
In each of the regions having different opening widths, the opening is formed so that only one of the first state in which etching of the semiconductor surface proceeds and the second state in which a polymer is generated on the semiconductor surface appears. A mask having an opening having a set width is formed on the semiconductor surface, and a peripheral mask having a window region for controlling the concentration of hydrogen plasma supplied to the opening of the mask is formed around the mask. A first step;
A second step of irradiating the surface of the semiconductor on which the mask is formed with the hydrocarbon-based plasma and the hydrogen plasma;
A first mask portion having a first pattern formed on the semiconductor surface; and a first mask portion formed on the first mask portion, the mask being thicker than a mask thickness of the first mask portion, A method of manufacturing a semiconductor element, comprising: a second mask portion having a second pattern that defines an opening width of one pattern.
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。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a third step of removing the polymer deposited on the semiconductor surface in the first step by plasma irradiation having oxygen. Manufacturing method.
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。 3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein in the second step, the states that are manifested in at least one of the regions having different opening widths are the first state and the second state. The method further includes a fourth step of changing the plasma condition so as to change to any of the following:
The method for manufacturing a semiconductor element, wherein the second step is further performed after the fourth step.
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| JP2011061286A JP2012199310A (en) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | Fabrication method of semiconductor element |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012209426A (en) * | 2011-03-30 | 2012-10-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Method for manufacturing semiconductor device |
| JP2023081884A (en) * | 2018-12-07 | 2023-06-13 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | Apparatus and technique for tilted etching using multi-electrode extraction sources |
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-
2011
- 2011-03-18 JP JP2011061286A patent/JP2012199310A/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012209426A (en) * | 2011-03-30 | 2012-10-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Method for manufacturing semiconductor device |
| JP2023081884A (en) * | 2018-12-07 | 2023-06-13 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | Apparatus and technique for tilted etching using multi-electrode extraction sources |
| JP7566948B2 (en) | 2018-12-07 | 2024-10-15 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | Apparatus and technique for tilted etching using a multielectrode extraction source - Patent Application 20070123633 |
| US12106936B2 (en) | 2018-12-17 | 2024-10-01 | Applied Materials, Inc. | Scanned angled etching apparatus and techniques providing separate co-linear radicals and ions |
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