(57)【要約】【課題】エッチング技術を用いたメサ加工によりレーザ素子を作製する際，半導体表面に生成する酸化物層の存在によりＳｉＮｘパッシベーション膜の密着性や耐湿性が悪化し，波長シフトなどレーザ素子の信頼性が得られない問題があった。【解決手段】上記課題を解決するため，エッチングガスとして塩素系ガスと窒素を含有するガスで且つ水素および酸素を含有しない組み合わせの混合ガスを用いたドライエッチングを行い，直接もしくは窒素ガスプラズマによる表面処理後，窒化膜パッシベーション処理を行う。【効果】上記の手段を用いることで，加工後の半導体表面が窒化膜層に覆われ，自然酸化膜が生成しない他，窒化膜との密着性に優れるため，半導体層との中間に酸化膜を介在することなくＳｉＮｘ膜等のパッシベーション膜堆積が可能となる。また，酸化膜をほとんど介在しないため，従来問題となっていた高温高湿条件における耐湿性の問題も全く問題とならない。これにより，従来素子で必要であったパッケージ密封工程が不要となり，レーザ装置の低コスト化，高信頼化も同時に達成される。【選択図】　図１
2004022618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子をドライエッチングにより形成する際，窒素と塩素系ガスの混合ガスプラズマを用いたドライエッチングを用い，開口した化合物半導体表面上に表面保護膜となる窒化膜層を間に酸化膜層を挟むことなく形成したことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記ドライエッチングのエッチャントが窒素と塩素および塩素系ガスの混合ガスであり，且つ，水素および酸素を含有しない組み合わせである請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記表面保護膜が，ＳｉＮｘ，ＡｌＮｘ　又はＴｉＮｘの表面保護膜単層およびこれらで構成される多層膜から成る請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記ドライエッチング処理後，連続して，もしくは窒素または窒素を含有し，且つ水素および酸素を含有しないガスプラズマにより表面層を窒化処理し，前記表面保護膜を形成した請求項１から３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記化合物半導体としてＩｎＰ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体，ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＡｓＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰ又はＩｎＡｌＧａＰやこれらの積層構造を用いた請求項１から４記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
半導体レーザ素子をドライエッチングにより形成する際，窒素と塩素系ガスの混合ガスプラズマを用いたドライエッチングを用い，開口した化合物半導体表面上に表面保護膜となる窒化膜層を間に酸化膜層を挟むことなく形成した半導体レーザ装置から構成される集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関わり，ドライエッチング加工後表面保護膜を形成して得られる半導体レーザ素子および光変調素子，更にそれらから構成される光集積回路に関わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子や光変調素子にはＩｎＰ基板上に結晶成長した化合物半導体多層膜構造により形成される。特に近年では効率化や高温特性向上の観点から活性層と呼ばれる電気−光変換層に多重量子井戸構造を採用しており，材料としてはＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓなどのＩｎＰ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いることが多くなっている。しかしながら，同材料は極めて揮発性に乏しいＩｎやＡｌを含んでおり，エッチングそのものが困難である他，メサエッチング後に酸化された表面層や反応性イオンの衝撃により半導体表面が親水性となり，表面保護膜であるＳｉＮｘ膜の密着性を悪化させる等の問題が生じていた。これらの問題を解決するため，半導体表面とＳｉＮｘ膜との中間に数ｎｍ程度の薄いＳｉＯｘ膜を形成する方法もあるが，密着性は改善されるものの，−Ｏや−ＯＨといった親水性基が多数介入するため，耐湿性が悪化し，ストレス変化による波長シフトなどが起こり，結局レーザ素子信頼性，製作歩留まりを悪化させていた。また，例えばＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１０ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ＩｎＰ　ａｎｄ　Ｒｅｌａｔｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，　Ｔｓｕｋｕｂａ，　Ｊａｐａｎ，　１９９８，　ｐ．２６にあるようにポリイミド樹脂により被覆する方法もあるが，これとても樹脂硬化のためには熱脱水反応処理を行わねばならず，多量の水分が半導体表面に残存することとなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は，半導体レーザ装置のメサ加工工程において，異方性ドライエッチングと同時に窒化物膜密着性に優れた半導体界面を達成する方法を提供することにあり，これにより半導体レーザ装置の製作歩留まり向上や高信頼化を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，エッチングガスとして窒素と塩素系ガスで且つ水素や酸素を含有しないもの，の混合ガスを用いる。窒素を適当な割合含有させることによりエッチング反応と同時に半導体表面層では窒化物を主成分とする不動態層が形成される。エッチング処理条件にもよるが，ＩｎＰを２μｍ加工する間に側壁部分で３０ｎｍ〜１００ｎｍ，底面部分で３ｎｍ〜１０ｎｍ程度のＩｎ窒化膜が生成する。一旦窒化膜が形成されると表面は強い疎水性を示すようになり，容易に酸化したり親水性基が形成されることはない。また，側壁に形成された窒化膜はエッチング阻止膜として作用するため，サイドエッチングのほとんど無い異方性加工にも寄与している。従来方法ではドライエッチ加工後に表面に自然酸化膜が形成され，表面親水性基が優勢となり，直接窒化膜形成を行っても密着性を悪化させる結果となっていた。結局従来方法では密着性を改善するため，薄いＳｉＯｘ等の酸化膜形成後にＳｉＮｘ等の窒化膜形成を行っていたが，結局半導体界面に−Ｏや−ＯＨ等の親水性基を介入させることとなり，これが原因で耐湿性劣化による不良を引き起こしていた。本発明のドライエッチング処理を用いれば，そのまま連続してＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等による窒化膜形成を行ったとしても，表面層が窒化膜と馴染みやすい窒化膜層で覆われているため，従来法では不可能であった窒化膜形成を直接密着性良好に行うことができる。
なお，反応性イオンなど物理的衝撃を受ける底面については生成する窒化膜厚は薄いものとなるが，エッチング処理後連続して窒素を含み且つ水素や酸素を含まないガスプラズマによる処理を行うことで，十分な窒化物層が形成される他，ドライエッチングにより進入した不純物元素の除去も可能となり，続けてＳｉＮｘ膜被着を行うことで耐湿性の極めて良好な高品位表面保護膜が形成される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
実施例１：図１は本発明を通信用１．３μｍ帯半導体レーザに適用した実施例を説明するものである。まず，ｎ型ＩｎＰ基板１上に，０．０８μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層２（１×１０１８ｃｍ−３），０．０９μｍのｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ歪多重量子井戸活性層３（井戸層厚６ｎｍで圧縮歪１．２％，障壁層厚１０ｎｍ，５層），０．０８μｍのｐ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層４（６×１０１７ｃｍ−３），１．５μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層５（８×１０１７ｃｍ−３），およびＩｎＧａＡｓコンタクト層６を結晶成長により形成する。この基板に幅１．７μｍのメサストライプを形成するための，ＳｉＯ２マスク７をホトマスクプロセスや絶縁膜ドライエッチングプロセスを用いて形成する。その後，本発明のＥＣＲドライエッチングにより１．７〜１．８μｍの深さで異方性加工を行う。エッチング条件は，圧力：０．１３Ｐａ，エッチングガス流量：Ｃｌ２／Ｎ２＝１２ｓｃｃｍ／８ｓｃｃｍ，マイクロ波パワー：４００Ｗ，ＲＦバイアス：６０Ｗであった。その後，ＣＶＤ装置を用いてＳｉＮｘ膜８を０．３μｍ程形成するが，本発明の方法により半導体表面が窒化膜層９により保護されているため，ＳｉＮｘ膜８剥がれの見られない密着性良好な表面保護膜が形成された。また，エッチングプロセス中，側壁に生成する窒化膜層９はエッチング阻止膜としても作用するため，サイドエッチングの少ない異方性加工にも大きく寄与している。なお，ドライエッチング後同一反応室内で連続的に窒素プラズマにより表面処理を行うことでより密着性や表面の清浄性が向上するため，同処理を行っうことも非常に効果的である。ＳｉＮｘ膜８形成後，ＳｉＯｘマスク７を除去し，基板両面に上部電極１０と下部電極１１形成を行い，半導体レーザ装置が完成となる。本発明のドライエッチングを用いることで，ＳｉＮｘ膜８単膜でのパッシベーションが可能となり，半導体との界面に親水性基を介在させることがないため，耐湿性が大幅に改善され，温度８０℃，湿度８５％の高温多湿条件下の長期試験においても波長シフトがほとんど見られなかった。これによりレーザ素子パッケージ形成における密封処理が不要となり，結果的に従来方法に比較して約３５％の低コスト化が可能となった。
なお，本実施例では多重量子井戸活性層にＩｎＧａＡｓＰを用いたが，ＩｎＧａＡｌＡｓを用いた素子についても同様な効果が得られた。
実施例２：図２は本発明をＩｎＰ系ＭＺ（Ｍａｃｈ　Ｚｈｅｎｄｅｒ）変調器作製に応用した実施例である。結晶構造はＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰから構成される多重量子井戸活性層１２（周期〜２５，厚さ〜０．４μｍ）であること以外，ほぼ実施例１のレーザ素子と同様である。この化合物半導体結晶基板に，ストライプ幅１．４μｍのＷＳｉ電極１３を形成し，これをマスクとして自己整合的にメサ加工を行う。この時用いたドライエッチング方式とエッチング条件は以下の通りである。ＩＣＰプラズマエッチング，エッチングガス流量：Ｃｌ２／Ｎ２＝１７ｓｃｃｍ／３ｓｃｃｍ，エッチング圧力：０．２Ｐａ，アンテナパワー：５００Ｗ，ＲＦバイアス：２０Ｗ。本発明のドライエッチングにより約２．０μｍのメサ加工をサイドエッチングを起こすことなく，異方的に行うことができた。また，この際側壁保護の役割をした表面窒化膜層９が表面の酸化を防止するため，半導体表面を安定させた状態でパッシベーション膜形成を行うことができた。この効果はドライエッチング加工直後，同一反応室内で窒素プラズマ処理を行うことによりより大きなものとなった。最後にＷＳｉ電極１３を除く周囲にＳｉＮｘ膜８によるパッシベーション処理を行ってＭＺ変調器が完成となる。
素子サイズの大きなＭＺ変調器も，本発明を適用することにより，素子耐湿性が大幅に向上，ストレス変化を原因とする波長シフトの無い，良好なＭＺ変調器を歩留まり良く作成可能となり，従来方法と比較して４０％程度の低コスト化が可能となった。
なお，本実施例では多重量子井戸活性層１２がＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰから構成されるものを用いたが，ＩｎＧａＡｌＡｓとＩｎＡｌＡｓから構成される多重量子井戸活性層を用いてもほぼ同様な効果が得られた。また，本発明は電子吸収型変調器など，メサ加工を必要とするすべての変調器についても同様の効果が得られる。
実施例３：図３は実施例１のレーザ素子２１と実施例２のＭＺ変調器２２を半導体光アンプ２３および合波器２４と集積化した素子を上部から見た概略図である。ここで，半導体光アンプ２３についてはレーザ素子２１にて十分な利得があれば無くても構わない。素子長は１４００〜２８００μｍ，素子幅４００〜８００μｍと大きな素子であるが，電子線描画装置や縮小投影露光装置を用い，本発明のドライエッチング技術およびパッシベーション膜形成により，パタン転写精度良好且つ，露出される半導体表面の安定化が行われ，実施例１，２と同様に耐湿性良好な光集積素子が低コストに作製された。なお，図３中の２５は多重量子井戸活性層１２直下に形成されているλ／４シフト回折格子を示している。
【０００６】
素子長が１４００〜２８００μｍと大きいことから，吸湿に伴う応力変化も大きいことから，従来方法では歩留まりが極めて低かったが，本発明を応用することで歩留まりが飛躍的に向上し，従来に比較して６０〜１００％の低コスト化が達成された。本実施例ではＳｉＮｘパッシベーション膜形成後，ポリイミド樹脂２６を用いて平坦化および封止処理を行ったが，半導体表面が窒化膜層とＳｉＮｘパッシベーション膜により密着性良く被覆されているため，ポリイミド硬化処理時に発生する水分の影響も特に見られなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ装置とその製作方法を説明する鳥瞰図。
【図２】本発明のＭＺ変調器とその製作方法を説明する鳥瞰図。
【図３】本発明の光集積素子の外観を説明する図。
【符号の説明】
１：ｎ型ＩｎＰ基板，２：ｎ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層，３：ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層，４：ｐ型ＩｎＧａＡｓＰガイド層，５：ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層，６：ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層，７：ＳｉＯｘストライプマスク，８：ＳｉＮｘパッシベーション膜，９：表面窒化膜層，１０：上部電極，１１：下部電極，１２：ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＰ多重量子井戸活性層，１３：ＷＳｉ電極，２１：レーザ素子，２２：ＭＺ変調器，２３：半導体光アンプ，２４：合波器，２５：活性層直下λ／４シフト回折格子，２６：ポリイミド平坦化樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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