(57)【要約】  半導体レーザー構造に回折格子プロファイルを形成する方法は、ウエハ基板、前記ウエハ基板上に配置されるエッチストップ層、前記エッチストップ層上に配置される回折格子層、前記回折格子層上に配置されるエッチングマスク層、および前記エッチングマスク層上に配置されるフォトレジスト層を備えた半導体ウエハを提供し、フォトレジスト回折格子パターンを形成し、乾式エッチングを通じて前記フォトレジスト回折格子パターンを前記回折格子層内に移し、前記フォトレジスト層を除去し、前記回折格子層を選択的にウェットエッチングして前記回折格子層に前記回折格子プロファイルを形成する、各工程を有してなる。前記エッチングマスクとエッチストップ層との間に前記回折格子層を配置することによって、前記選択的ウェットエッチング工程を調節する。本方法はまた、前記回折格子プロファイルを変更することなく選択的ウェットエッチングを通じて前記エッチングマスク層を除去し、上部クラッド層を再生して前記半導体レーザー構造を生産する工程も有してなる。
2011517852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザー構造に回折格子プロファイルを形成する方法であって、
ウエハ基板、前記ウエハ基板上に配置されるエッチストップ層、前記エッチストップ層上に配置される回折格子層、前記回折格子層上に配置されるエッチングマスク層、および前記エッチングマスク層上に配置されるフォトレジスト層を備えた半導体ウエハを提供し、ここで、前記ウエハ基板が活性レーザー発振領域を含み；
前記フォトレジスト層にフォトレジスト回折格子パターンを形成し；
乾式エッチングを通じて、前記フォトレジスト回折格子パターンを前記回折格子層内に移し；
前記フォトレジスト層を除去し；
前記回折格子層を選択的にウェットエッチングして、前記回折格子層に前記回折格子プロファイルを形成し、ここで、前記エッチングマスク層と前記エッチストップ層の間に前記回折格子層を配置することにより前記選択的ウェットエッチングを調節し；
選択的ウェットエッチングを通じて、前記回折格子層の前記回折格子プロファイルを変化させることなく前記エッチングマスク層を除去し；
前記回折格子層上に上部クラッド層を再生して、前記半導体レーザー構造を生産する、
各工程を有してなる方法。
【請求項２】
前記ウエハ基板が、グレーデッドインデックス型分離閉じ込めヘテロ構造（ＧＲＩＮＳＣＨ）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記半導体ウエハが、前記フォトレジスト層に前記フォトレジスト回折格子パターンを形成する前に、量子井戸無秩序化を受けることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記エッチングマスク層がＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＩＩＩ−Ｖ族半導体組成物、またはこれらの組合せを含み、約５０ｎｍの厚さを画成することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記半導体レーザー構造が、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザーであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、「回折格子埋め込み型半導体の製作方法（Semiconductor Buried Grating Fabrication Methods）」という発明の名称で２００８年３月２７日出願の米国特許出願第１２／０７９，５２４号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体レーザーの分野に関し、特に、ＤＢＲまたはＤＦＢレーザーのための半導体材料に回折格子を製作する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体関連分野では、回折格子は、周期ラインおよび空間で作られるパターンである。回折格子の典型例は、半導体表面に規定のピッチを有する周期的波形である。電磁放射と相互作用する周期構造に起因して、スペクトルメーター、波長フィルター、および波長選択反射器など、回折格子の多くの興味深い有用な特徴が明らかにされている。その結果として、回折格子の用途は、半導体光電子装置などの構造に次第に利用されてきている。これらの構造の例としては、分布帰還型ブラッグ（ＤＦＢ）および分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザーが挙げられ、ここで回折格子は、活性層に沿った領域に形成されるか、あるいは、活性領域の後方または／および面前に形成される。これは、発振周波数の選択および安定化、または振動数の選択的な反射を可能にし、単一の波長の光学的放射を生じる。現代の通信システムでは、ＤＦＢレーザーは、正確かつ安定な光信号が必要とされる高密度波長分割多重用途に使用される。ＤＢＲレーザーは、それらの狭い線幅および同調可能な波長に起因して、医療用センサおよびディスプレイなどの分野に、次第に適用されつつある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
その結果として、本発明の実施の形態は、一般に、半導体回折格子の製作を対象とし、特に回折格子埋め込み型半導体を対象とする。
【０００５】
本発明の実施の形態によれば、半導体レーザー構造に回折格子プロファイルを形成する方法が提供される。本方法は、適切な量子井戸レーザー構造を有するウエハ基板（以後、ウエハ基板と称される）、前記ウエハ基板上に配置されるエッチストップ層、前記エッチストップ層上に配置される回折格子層、前記回折格子層上に配置されるエッチングマスク層、および前記エッチングマスク層上に配置されるフォトレジスト層を備えた半導体ウエハを提供する工程を有してなる。本方法はまた、前記フォトレスト層にフォトレジスト回折格子パターンを形成し、前記フォトレジスト回折格子パターンを前記エッチングマスク層に移し、その後、乾式エッチングを通じて、前記回折格子パターンを前記回折格子層に移し、前記フォトレジスト層を除去し、前記回折格子層を選択的にウェットエッチングして、前記回折格子層に前記回折格子プロファイルを形成する、各工程も有してなる。エッチングマスク層とエッチストップ層の間に回折格子層を設置することにより前記選択的ウェットエッチングを調節し、それによって回折格子プロファイルを調節する。本方法はさらに、選択的ウェットエッチングを通じて、前記回折格子層の前記回折格子プロファイルを変化させることなく前記エッチングマスク層を除去し、前記回折格子層上に上部クラッド層を再生して半導体レーザー構造にＤＢＲ区域を生成する工程も有してなる。
【０００６】
さらなる実施の形態では、本方法は、ホログラフィ・システムを通じてフォトレジスト層にフォトレジスト回折格子パターンを形成し、フォトレジスト層上にディスカム（descum）工程を行ってディスカム化フォトレジスト回折格子パターンを生成する、各工程を含みうる。
【０００７】
本発明の実施の形態が提供するこれらおよび追加の特性は、図面と併せて、次の詳細な説明を考慮して、さらに十分に理解されよう。
【０００８】
特定の本発明の実施の形態についての次の詳細な説明は、本明細書に添付の図面と併せて読む場合に最も良く理解することができる。
【０００９】
図面に記載される実施の形態は、本質的に説明のためのものであって、特許請求の範囲に定義される本発明を限定することは意図していない。さらには、図面および本発明の個別の特性は、さらに完全に明らかとなり、詳細な説明を考慮して理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】１つ以上の本発明の実施の形態に従った、ウエハ基板、前記ウエハ基板上のエッチストップ層、前記エッチストップ層上の回折格子層、前記回折格子層上のエッチングマスク層、および前記エッチングマスク層上のフォトレジスト層を含む半導体ウエハの断面の概略図。
【図１Ｂ】１つ以上の本発明の実施の形態に従った、ホログラフィ・システムによって図１Ａのフォトレジスト層に生成したフォトレジスト回折格子パターンを示す断面の概略図。
【図１Ｃ】１つ以上の本発明の実施の形態に従って、図１Ｂのフォトレジスト回折格子パターンをディスカムすることによって生成するディスカム化フォトレジスト回折格子パターンを示す断面の概略図。
【図１Ｄ】１つ以上の本発明の実施の形態に従った、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）を使用する、図１Ｃのディスカム化したフォトレジスト回折格子パターンの、エッチングマスクを通過し回折格子層内への移動を示す断面の概略図。
【図１Ｅ】１つ以上の本発明の実施の形態に従った、図１Ｄのフォトレジスト層の除去後を示す断面の概略図。
【図１Ｆ】１つ以上の本発明の実施の形態に従った、図１Ｅの回折格子層の選択的な化学ウェットエッチングを示す断面の概略図。
【図１Ｇ】１つ以上の本発明の実施の形態に従った、選択的な化学ウェットエッチングを通じた、図１Ｆのエッチングマスク層の除去を示す断面の概略図。
【図１Ｈ】１つ以上の本発明の実施の形態に従った、図１Ｇの回折格子層上にクラッド層を再生した、半導体レーザー構造の形成を示す断面の概略図。
【図２】１つ以上の本発明の実施の形態に従った、２ビームレーザーホログラフィ・システムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態は、例えば、単一の周波数および単一横モードを有する、１０６０ｎｍの波長で７００ｍＷの出力を生じうる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザーなどの半導体レーザーに回折格子プロファイルを作製する方法を対象とする。本明細書では「プロファイル」とは、半導体装置の回折格子層における回折格子パターンのことをいう。これらの増大したレーザー特性を生成するため、本発明の方法は、高品質の回折格子プロファイルを生成し、それによってレーザースペクトル性能を改善することを中心とする。回折格子プロファイルの質は、ピッチサイズ、負荷サイクル、回折格子のラインの高さ、均一性、および回折格子の再成長界面領域の結晶特性を最適化することによって改善される。
【００１２】
１つの実施の形態では、本方法は、乾式エッチング（例えば反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ））および化学ウェットエッチングを含めたハイブリッドエッチング工程を採用する。本方法は、さらに良好な可制御性を有するＲＩＥを開始し、ＲＩＥで損傷した表面層を除去して実質的に汚染されていない結晶表面を達成する、１つ以上のウェットエッチング工程を終える。これは、クラッド層の再生を促進し、装置の信頼性の低下の可能性を回避する。
【００１３】
回折格子プロファイルを生じさせるため、図示するように半導体ウエハ１が準備される。半導体ウエハは、ウエハ基板１０、前記ウエハ基板１０上に配置されるエッチストップ層２０、前記エッチストップ層２０上に配置される回折格子層３０、前記回折格子層３０上に配置されるエッチングマスク層４０、および前記エッチングマスク層４０上に配置されるフォトレジスト層５０を備える。本明細書では「〜上に」とは、１つの層が別の層の上に施用されるが、必ずしも直接施用する必要はないことを意味する。本明細書では、本発明に介在層の追加が意図されている。さらには、「〜上に」という用語は、表面全体を覆うことを必要とせず、一部の例では部分的な被覆のみを含みうる。上記層は、当業者によく知られたさまざまな方法を介して、ウエハ基板上で成長または生成されうる。例えば、半導体ウエハ１は、低圧有機金属気相エピタクシー（ＭＯＶＰＥ）を経て成長しうる。
【００１４】
半導体ウエハ１についてさまざまな組成物が意図されている。１つの実施の形態では、活性レーザー発振領域を含むウエハ基板１０は、グレーデッドインデックス型分離閉じ込めヘテロ構造（ＧＲＩＮＳＣＨ）である。エッチストップ層２０、回折格子層３０、およびエッチングマスク層４０は、１０００ｎｍよりも短いバンドギャップ波長を有するアルミニウムを含まない材料を、すべて含みうる。１つの実施の形態では、エッチストップ層２０は、５ｎｍよりも厚い厚さを有するＩｎＧａＡｓＰ組成物を含みうる。典型的な実施の形態では、エッチストップ層は約５０ｎｍの厚さを含みうる。回折格子層３０は、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体組成物、またはこれらの組合せを含んでもよく、エッチングマスク４０層は、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、他のＩＩＩ−Ｖ族半導体組成物、またはこれらの組合せを含みうる。さらなる実施の形態では、エッチングマスク層４０がＧａＩｎＰを含む場合には回折格子層３０はＧａＡｓを含んで差し支えなく、あるいは、エッチングマスク層４０がＧａＡｓを含む場合には回折格子層３０はＧａＩｎＰを含みうる。
【００１５】
層の大きさに関しては、回折格子層３０は約５〜約５００ｎｍ（例えば１００ｎｍ）の厚さを含みうるのに対し、エッチングマスク層４０は５ｎｍを超える厚さ（例えば５０ｎｍ）を含む。加えて、エッチストップ層２０は、上部クラッド層のものに近いバンドギャップ波長を含みうる。
【００１６】
エッチングマスク層４０組成物は、従来の方法に対する改善を生じる。窒化ケイ素または酸化ケイ素などの硬いエッチングマスク組成物を使用する従来の方法は、半導体構造の回折格子層または他の構成要素の汚染につながる。本エッチングマスク層４０の組成物は、従来の方法に起因する汚染を大幅に低減する。エッチストップ層２０は、回折格子の反射効率を最大化するために必須である、回折格子プロファイルの深さの調節および負荷サイクルを促進する。
【００１７】
再び図１Ａを参照すると、フォトレジスト層５０は、当業者によく知られている任意の適切なフォトレジスト組成物を含みうる（例えば正または負のフォトレジスト）。１つの実施の形態では、フォトレジストは、約２５〜約５００ｎｍの厚さを含む正のフォトレジストである。典型的な実施の形態では、正のフォトレジストは、約１００ｎｍの厚さを含みうる。適切な正のフォトレジスト材料の１つの例は、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ社が製造するＳＰＲ３０１２正のフォトレジスト材料である。適切な負のフォトレジストもまた使用されうる。
【００１８】
上述の層をウエハ基板１上に配置した後、半導体ウエハ１は、回折格子プロファイルを形成する前に、追加の加工工程を受けてもよい。例えば、半導体ウエハ１は、量子井戸無秩序化工程に供されうる。
【００１９】
図１Ｂを参照すると、フォトレジスト回折格子パターンは、ホログラフィ・システムを通じてフォトレジスト層５０に形成される。図２を参照すると、２ビームレーザー干渉ホログラフィ・システムが使用されうる。２ビームレーザーホログラフィ・システムは、フォトレジスト層のウエハ表面に干渉縞を形成して、回折格子パターン（例えば２次回折格子パターン）を形成する。図２の典型的な実施の形態では、２ビームレーザー干渉ホログラフィ・システムは、３６１ｎｍにおいて約１５０ｍＷのＵＶ光を放出するように同調させたコヒーレント・アルゴンイオンレーザー源で構成される。このレーザー光線は、鏡Ｍ１およびＭ２を用いてオプティカル・テーブル上に光路変更される。その後、光線は、構成要素の欠陥から生じる高次の回折モードを排除するため、顕微鏡対物レンズおよびピンホールからなる空間フィルター（ＳＦ）によって拡大および純化される。次に、拡大した光線をビームスプリッター（ＢＳ）によって２つの光線に分ける。分岐した光線を２つの鏡Ｍ３、Ｍ４で反射させて基板表面に投射し、基板表面のフォトレジスト層５０上に干渉縞を形成する。回折格子の曝露は、角形反射器と共に、単一の拡大レーザー光線を用いて行うこともできる。これは、ロイド／コーナーキューブ方法とも称される。
【００２０】
ホログラフィの干渉縞の固有の挙動の理由から、ホログラフィ・システムは、フォトレジスト層５０において、多かれ少なかれ正弦プロファイルを有する回折格子パターンを生じる。フォトレジスト回折格子線の実際の形状は、干渉縞の対比、曝露時間、ならびに曝露後の展開時間に応じて決まる。結果として、フォトレジスト５０の溝底は、大抵の場合、図１Ｂに示すように一部分だけ開放されている。ホログラフィ後、回折格子パターンは約３１７ｎｍのピッチ５２を含みうる。このピッチ値５２は、図１Ｈに示すように、本発明の工程を通じて前記回折格子層の前記回折格子プロファイル３０へと移動する。この説明はホログラフィを中心としているが、他の適切な方法も本明細書において意図されている。
【００２１】
図１Ｃを参照すると、半導体ウエハ１は、フォトレジスト層５０のさらなる部分を除去するためにディスカム工程に供されうる。任意の適切なディスカム剤（例えば酸素含有プラズマ）を利用するディスカムの手順は、フォトレジスト回折格子パターンの回折格子線の厚さおよび負荷サイクルを最適化する一方で、フォトレジスト層５０の溝底をきれいにする。１つの典型的な実施の形態では、ディスカム化したフォトレジスト回折格子パターンは、約０．２５〜約０．３、または約０．７５〜約０．８の負荷サイクル５４を規定しうる。ホログラフィの変形に起因して、フォトレジスト回折格子パターンの所望の負荷サイクル５４が異なる場合がありうることから、ディスカム時間は、所望の負荷サイクルを得るために必要に応じて調整して差し支えない。図１Ｈに示すように、この負荷サイクル５４は、本発明の工程を通じて回折格子層の回折格子プロファイル３０へと移動されうる。ディスカム工程は所望の負荷サイクルの調整および達成において非常に有効であるが、本方法はこのディスカム工程なしに所望の負荷サイクルを達成しうることが意図されている。
【００２２】
次に、図１Ｄに示すように、半導体ウエハ１は、ディスカム化したフォトレジスト回折格子パターンをエッチングマスク層４０および回折格子層３０内に移動させるために、乾式エッチングの手法に供されうる。１つの実施の形態では、乾式エッチング法は、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）法である。ＲＩＥ法は、炭素水素系の反応性イオン・エッチング液（例えばメタンおよび水素ガス混合物）を使用して構わない。１つの典型的な実施の形態では、ＲＩＥ法は、インダクタンス結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチャー中で行われ、ここで、エッチング液は５０ｎｍのＧａＩｎＰエッチングマスク層４０を突き抜け、約７５〜８０ｎｍの深さを１００ｎｍのＧａＡｓ回折格子層３０内へと移動する。その非選択性の理由から、ＲＩＥは、ＧａＩｎＡｓＰエッチストップ層２０を通過するエッチングを防止するように調節されうる。そうしなければ、図１Ｈに示す再生工程の間に欠陥が生じうる。
【００２３】
この乾式エッチング工程の間および全工程を通じて、回折格子プロファイルは、回折格子線幅、負荷サイクル、およびラインの高さを測定する、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用した分析を通じてモニターされうる。本製作方法は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用してすべての工程段階をモニターすることによって、回折格子パラメータを制御しうる。各工程から得られたデータに基づいて、工程パラメータは、所望の回折格子の負荷サイクル、線幅および高さを達成するように調整され、それによって、最終的に最適化された回折格子プロファイルが達成されうる。
【００２４】
乾式エッチング工程の後、フォトレジスト層５０は、図１Ｅに示されるように除去されうる。当業者に知られているように、さまざまなフォトレジスト層の除去工程が用いられうる。１つの実施の形態では、フォトレジスト層５０は、酸素プラズマを用いたエッチングを通じて除去される。
【００２５】
図１Ｆを参照すると、次に、回折格子層３０は、化学組成物を使用して選択的ウェットエッチングされ、回折格子層３０において回折格子プロファイルを形成する。図１Ｆに示すように、エッチングマスク層４０およびエッチストップ層２０の間に回折格子層３０を配置することによって、回折格子層３０のウェットエッチングを制御する。１つの典型的な実施の形態では、硫酸および過酸化水素を含む選択的な化学エッチング液は、ＧａＩｎＰマスク層４０をエッチングせずに、ＧａＡｓ回折格子層３０をエッチングする。この選択性に起因して、エッチングマスク４０は、エッチング液が回折格子層３０の溝を深めることを確実にする。さらに、図１Ｆに示すように、ＧａＡｓ回折格子層３０のこの選択的なエッチングは、ウェットエッチング工程がＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０の表面で終了することから、ＩｎＧａＡｓエッチストップ層２０を使用して負荷サイクル５４を制御する。このストップ層２０を使用することにより、回折格子プロファイルの負荷サイクル５４は、ＧａＡｓ回折格子層３０の厚さによってあらかじめ画成された回折格子の深さを変更することなく、ウェットエッチング時間を調節することによって最適化されうる。上述のように、回折格子の負荷サイクル５４は、回折格子の反射効率を決定する主要パラメータである。ＧａＡｓ回折格子層３０を中心に論じているが、他の回折格子層３０組成物（例えばＧａＩｎＰ）および他の選択的なエッチング液もまた、本明細書で意図されている。
【００２６】
図１Ｇに示すように、エッチングマスク層４０は、追加の選択的ウェットエッチング工程によって除去される。この工程下において、エッチングマスク層４０は、回折格子層の回折格子プロファイル３０を変化させることなく、除去される。典型的な実施の形態では、リン酸および塩酸溶液を含む選択的なエッチング溶液は、ＧａＩｎＰエッチングマスク層４０をエッチングするのに用いられるが、ＧａＡｓ回折格子層３０およびエッチストップ層２０には影響を与えない。エッチングマスク層４０、回折格子層３０、エッチストップ層２０、および選択的なエッチング液のための他の組成物も意図されている。
【００２７】
マスク層の除去後、上部クラッド層６０は回折格子層３０上で成長し、回折格子プロファイルを覆い、図１Ｈに示す半導体レーザー構造１００を生成する。上部クラッド層６０は、ＡｌＧａＡｓまたは別の適切な組成物を含みうる。半導体レーザー構造１００は、上部クラッド層６０上に配置されるＧａＡｓを含む接触層７０をさらに備えていてもよい。再生後、半導体構造１００は、さらに、隆起したリッジ導波管ＤＢＲレーザーを形成するための工程に供されうる。
【００２８】
随意的に、本製作方法は、再生前に追加の加工工程を使用してもよい。１つの実施の形態では、図１Ｇに示すように、ウエハ１は、表面における任意の浅部結晶損傷およびＳｉ汚染を除去するためにエッチングされうる。エッチング工程は、典型的には化学ウェットエッチングを使用して行われる。適切な化学物質としては、限定はしないが、ＨＦ、または上述の化学エッチング液が挙げられる。汚染物質の除去を確実にするため、ＵＶ／オゾン処理などの追加の処理工程を使用して差し支えない。
【００２９】
本発明を詳細に、それらの特定の実施の形態を参照しつつ説明してきたが、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の範囲から逸脱することなく、変更および変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳細には、本明細書では、本発明の一部の態様が好ましい、または特に有利であると特定されているが、本発明は、必ずしも本発明のこれらの好ましい態様に限定されないことが意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
2011517852.tif 000009
【図１Ｈ】
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【図２】
2011517852.tif 000011
【国際調査報告】
2011517852.tif 000012
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