(57)【要約】【課題】  表面が高い平坦度を有し、組成が均一な選択領域成長層を得ることのできる有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法を提供する。【解決手段】  （１００）結晶面を有する半導体基板上の予定とする選択領域の幅よりも広い幅の第１の開口部を有する第１のマスクパターン２１と、この第１の開口部の縁部におけるIII族半導体原料ガスの表面移動を遮断する遮断領域を形成するための第２の開口部を形成するように前記第１のマスクパターン２１と離隔配置され、前記選択領域の幅と同一の幅の第３の開口部を有する第２のマスクパターン２２と、を形成する工程と、前記第２の開口部及び第３の開口部により露出された前記半導体基板上に、有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長する工程と、を含む構成とする。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の選択領域に有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長させる方法であって、
（１００）結晶面を有する半導体基板上の予定とする選択領域の幅よりも広い幅の第１の開口部を有する第１のマスクパターンと、前記第１の開口部の縁部におけるIII族半導体原料ガスの表面移動を遮断する遮断領域を形成するための第２の開口部を形成するように前記第１のマスクパターンと離隔配置され、前記選択領域の幅と同一の幅の第３の開口部を有する第２のマスクパターンと、を形成する工程と、
前記第２の開口部及び第３の開口部を介して露出された前記半導体基板上に、有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長させる工程と、
を含むことを特徴とする有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【請求項２】
前記第１及び第２のマスクパターン及び前記第１乃至第３の開口部は、前記半導体基板の（１００）結晶面に平行に形成されることを特徴とする請求項１記載の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【請求項３】
前記第２のマスクパターンは、少なくとも一対の遮断領域を形成するための少なくとも一対の第２の開口部を備えるように形成され、
前記第２の開口部の個数または幅を調節することによって前記選択領域に成長される半導体成長層の厚さを調節することを特徴とする請求項２記載の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【請求項４】
前記選択領域に成長させる半導体成長層は、ＳＳＣ−ＬＤの活性層であることを特徴とする請求項１記載の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。    
【請求項５】
前記選択領域に成長させる半導体成長層は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系であることを特徴とする請求項１記載の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【請求項６】
前記第２の開口部を介して露出された前記半導体基板をエッチングしてトレンチを形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【請求項７】
半導体基板の選択領域に有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長させる方法であって、
（１００）結晶面を有する半導体基板上の予定とする前記選択領域の幅よりも広い幅の第１の開口部を有する第１のマスクパターンと、前記第１の開口部の縁部におけるIII族半導体原料ガスの表面移動を遮断する遮断領域を形成するための、少なくとも一つの第２の開口部を形成するように前記第１のマスクパターンと離隔配置され、前記選択領域の幅と同一の幅の第３の開口部を有する第２のマスクパターンを形成する工程と、
前記第２の開口部を介して露出された前記半導体基板をエッチングして少なくとも一つのトレンチを形成する工程と、
前記第２の開口部及び第３の開口部を介して露出された前記半導体基板上に、有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長する工程と、
を含むことを特徴とする有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【請求項８】
前記第１及び第２のマスクパターンと、前記第１乃至第３の開口部は、前記半導体基板の（１００）結晶面に平行に形成されることを特徴とする請求項７記載の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【請求項９】
前記トレンチの個数、幅または深さを調節することによって前記選択領域に成長される半導体成長層の厚さを調節することを特徴とする請求項７記載の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【請求項１０】
前記トレンチは、逆メサまたは四角形状に形成されることを特徴とする請求項７記載の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機金属化学気相蒸着法(metal organic chemical vapor deposition: 以下、「ＭＯＣＶＤ」と称する。)による選択領域成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III-Ｖ族化合物半導体を有する半導体光素子のモノリシック(monolithic)集積化は、光素子類の製造のための光応用技術の高性能化を図るための基盤技術として構築された。このような集積化技術は、単純に素子の小型化や集積化に限定されず、従来の光素子によって実現不可能であった多機能、高性能の素子製作を可能にする。光素子と電子素子を集積化したＯＥＩＣ(opto-electronic integrated circuit)、レーザーダイオードと変調器を集積化したＥＭＬ(electro-absorption modulated laser)光増幅器、光モード変換器などにとって、このような集積化技術は必須であり、当該集積化技術には主としてＭＯＣＶＤを利用した選択領域成長（Selective area growth）が用いられている。
【０００３】
特に、超高速光電送ネットワークに使われる光部品として、低価格な光部品の製造のためには、レンズなしで半導体レーザーダイオードから出射される光の拡散を最小にする高い光結合効率を有する素子を設計すべきである。このために、選択領域薄膜成長を通してレーザーが出射される利得領域とレーザーが拡散されずに進行できるようにする導波路(waveguide)部分を同時に製作することによって、レーザーダイオードと光ファイバーとの間の光損失を最小化しながら光結合効率を向上させるＳＳＣ−ＬＤ(spot-size converter integrated Laser Diode)の提案がなされている。
【０００４】
図１Ａ乃至図１Ｃは、従来のＭＯＣＶＤを用いた選択領域成長方法を説明するための図であり、ＳＳＣ−ＬＤ製造工程の一部を示す。
【０００５】
まず、図１Ａは、ＩｎＰ基板１の上に選択領域成長用の一対のＳｉＯ２マスクパターン２を形成した状態を示す図である。一対のＳｉＯ２マスクパターン２間のウィンドウ領域３の幅(Ｗ)は、選択領域成長される半導体成長層の幅の目標値と同一になるように設定されている。図１Ｂは、図１ＡのＡ-Ａ'線に沿う断面図であり、ＭＯＣＶＤを用いた選択領域成長方法によりウィンドウ領域３に半導体成長層４を形成した状態を示す。また図１Ｃは、選択領域成長のメカニズムを説明するための概念図である。図１Ｃを参照すると、III族原料ガスの垂直拡散(vertical diffusion)、側面拡散(lateral diffusion)及び表面移動(surface migration)による気体の流れにより、III族とＶ族原料ガスがＩｎＰ基板１上において反応する。このうち、表面移動は、ＳｉＯ２マスクパターン２の表面に蒸着されない活性化されたIII族原料ガスが隣接したウィンドウ領域３内に移動して半導体成長層４を成長させるメカニズムである。
【０００６】
しかしながら、前述の表面移動による成長現象はウィンドウ領域３とマスクパターン２との間の境界であるマスクパターン２の縁部の付近で目立ち、そのため成長後の半導体成長層４の縁部の厚さが中央部に比べて相対的に厚くなるエッジスパイク(edge spike)が発生し(図１Ｂの符号５参照)、また組成も変わるようになる。結局、前記表面移動現象は、ウィンドウ全般にかけて選択領域成長に影響を与えるようになるため、成長された薄膜（半導体成長層４）の厚さや組成の均一性の確保が難しくなる。
【０００７】
また、大きい伝導帯(conduction band)オフセット(offset)を有するＡｌＧａＩｎＡｓ系レーザーダイオードの場合、高温での動作特性は優秀であるが、光結合を高めるためにＳＳＣ−ＬＤを集積化するには問題点がある。即ち、ＳＳＣ−ＬＤは埋め込みヘテロ(ＢＨ)構造では製作が容易であるが、活性層がＡｌＧａＩｎＡｓである場合は、Ａｌの酸化によってＢＨ製作が難くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、選択領域成長用マスクパターンの縁部において発生する原料ガスの表面移動現象が選択領域成長に影響を及ぼすことを抑えることによって、平坦な表面、組成の均一な半導体薄膜を成長させることのできる有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、活性層がＡｌＧａＩｎＡｓ系であるＳＳＣ−ＬＤ製造に適した有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法は、半導体基板の選択領域に有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長させる方法であって、（１００）結晶面を有する半導体基板上の予定とする前記選択領域の幅よりも広い幅の第１の開口部を有する第１のマスクパターンと、前記第１の開口部の縁部におけるIII族半導体原料ガスの表面移動を遮断する遮断領域を形成するための第２の開口部を形成するように前記第１のマスクパターンと離隔配置され、前記選択領域の幅と同一の幅の第３の開口部を有する第２のマスクパターンと、を形成する工程と、前記第２の開口部及び第３の開口部を介して露出された前記半導体基板上に、有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長させる工程と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
前記第１及び第２のマスクパターン及び前記第１乃至第３の開口部は、例えば前記半導体基板の（１００）結晶面に平行に形成される。前記第２のマスクパターンは、少なくとも一対の遮断領域を形成するための少なくとも一対の第２の開口部を備えるように形成され、前記第２のウィンドウの個数または幅を調節することによって前記選択領域に成長される半導体成長層の厚さを調節することができる。前記選択領域に成長させる半導体成長層は、例えばＳＳＣ−ＬＤの活性層、あるいはＡｌＧａＩｎＡｓ系の成長層である。前記第２の開口部を介して露出された前記半導体基板をエッチングしてトレンチを形成する工程をさらに含めることができる。
【００１１】
他の発明の有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長方法は、半導体基板の選択領域に有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長させる方法であって、（１００）結晶面を有する半導体基板上の予定とする選択領域の幅よりも広い幅の第１の開口部を有する第１のマスクパターンと、前記第１の開口部の縁部におけるIII族半導体原料ガスの表面移動を遮断する遮断領域を形成するための、少なくとも一つの第２の開口部を形成するように前記第１のマスクパターンと離隔配置され、前記選択領域の幅と同一の幅の第３の開口部を有する第２のマスクパターンを形成する工程と、前記第２の開口部を介して露出された前記半導体基板をエッチングして少なくとも一つのトレンチを形成する工程と、前記第２の開口部及び第３の開口部を介して露出された前記半導体基板上に、有機金属化学気相蒸着法により半導体成長層を成長する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、有機金属化学気相蒸着法による選択領域成長において、選択領域成長用マスクパターンの開口部を予定された選択領域より大きく形成すると共に、当該開口部間に半導体原料ガスの表面移動を遮断する遮断領域(migration blocking area)を形成することにより、マスクパターンの縁部で発生する原料ガスの表面移動現象が選択領域成長に影響を及ぼすことを抑えることができる。その結果、選択領域成長された半導体成長層の表面は高い平坦度を有し、均一な組成を有するようになる。
また、本発明によれば、活性層がＡｌＧａＩｎＡｓ系であるＳＳＣ−ＬＤ製造のための選択領域成長に適用する場合、高い光結合効率を有するＳＳＣ−ＬＤ素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な一実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明確にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
【００１４】
図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態によるＭＯＣＶＤを用いた選択領域成長方法を説明するための図である。
【００１５】
図２Ａは、（１００）結晶面を有する半導体基板、例えばＩｎＰの基板１０上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）をなすマスクパターン２０を形成した状態を示す平面図である。マスクパターン２０は、予定とする選択領域の幅（Ｗ）よりも広い隙間をなす第１の開口部を介して形成された例えば一対の第１のマスクパターン２１、第１のマスクパターン２１間に形成された例えばそれぞれ一対の第２のマスクパターン２２及び一対の第３のマスクパターン２３と、を備えている。第２のマスクパターン２２間に形成された中央のウィンドウ領域３１の幅(Ｗ)は、選択領域成長される半導体成長層の幅の目標値と同一になるように設定されている。更に、第２のマスクパターン２２と第３のマスクパターン２３との間の隙間は、第２の開口部である第２のウィンドウ３２として形成され、第３のマスクパターン２３と第１のマスクパターン２１との間の隙間は、第３のウィンドウ３３として形成されている。第３の開口部として形成された中央のウィンドウ領域３１は、ＭＯＣＶＤを用いた選択領域成長法により成長層が形成される領域であり、残りのウィンドウ領域３２，３３は、半導体成長層を成長させるための原料ガスの表面移動を遮断するための遮断層が形成される領域(migration blocking area)である。以下においては、説明の便宜上、この遮断層が形成される領域を「ＭＢＡ」と称する。
【００１６】
即ち、基板１０の表面には予定とする選択領域の外縁の一部又は全部に沿ってマスクパターン２０が形成されており、さらに当該マスクパターン２０には例えば基板１０の一部を露出させたＭＢＡを形成するための第２の開口部である例えば選択領域の外縁に沿って延びる長方形状の複数のウィンドウ（第２のウィンドウ３２，第３のウィンドウ３３）が形成されている。第２の開口部を構成するこれらウィンドウは、詳しくは後述するように、必要に応じて個数を調整することができる。言い換えると、基板１０の表面には、少なくとも選択領域を挟んだ一対のＭＢＡに対応するウィンドウが形成されたマスクパターン２０が形成されている。
【００１７】
図２Ｂは、図２ＡのＡ-Ａ'線に沿う断面図であり、ＭＯＣＶＤを用いた選択領域成長方法により、前記ウィンドウ領域３１に半導体成長層４０を形成した状態を示す図である。図２Ｂを参照すると、前記半導体成長層４０と共に、第２のマスクパターン２２と第３のマスクパターン２３との間のＭＢＡ（第２のウィンドウ３２）及び、第３のマスクパターン２３と第１のマスクパターン２１との間のＭＢＡ（第３のウィンドウ３３）にそれぞれ成長層５１，５２が形成される。これら成長層５１，５２は、図２Ｂ中に矢印で模式的に示すように、選択領域であるウィンドウ領域３１に向かうIII族原料ガス６０の表面移動を遮断する遮断層としての役割を有している。
【００１８】
図３は、本実施形態による選択領域成長のメカニズムを説明するための概念図である。図３を参照すると、III族半導体原料ガスの垂直拡散(vertical diffusion: Ｖｄ)、側面拡散(lateral diffusion: Ｌ)及び表面移動(surface migration: Ｓ)による気体流れによりIII族及びＶ族半導体原料ガスが基板１０上で反応することにより、選択領域成長が進行する。このうち、表面移動Ｓは、第１のマスクパターン２１の表面に蒸着されない活性化したIII族半導体原料ガスの横方向への移動を形成するようになる。しかしながら、このような原料ガス６０は、中央のウィンドウ領域３１に到達する前にＭＢＡ（第２のウィンドウ３２，第３のウィンドウ３３）で反応して成長層（遮断層）５１を成長させる。そして成長層５１が成長するとその側面により流れが遮断されてウィンドウ領域３１内に進入することができなくなる。結局、中央のウィンドウ領域３１での選択領域成長は、その大部分が拡散Ｖｄ，Ｌに起因することとなる。なお、図３では、作図の便宜上、成長層５２の記載を省略してある。
【００１９】
一方、図２において、前記マスクパターン２１，２２，２３は、基板１０の（１００）結晶面に平行するように形成され、これらマスクパターン２１，２２，２３のサイズ、ＭＢＡの個数及び幅などの設定値を調節することにより、前記選択領域に成長される半導体成長層４０の特性を調節することができる。実際に行なった試験の結果を示す下記の表１を用いてこれら変数及び成長層の特性を以下に具体的に説明する。
【表１】
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表１において、試料１，２は、ＭＢＡを形成しない場合の従来の技術による選択成長層(ＳＡＧ)であり、試料３，４，５及び６は、マスクパターン２１のサイズ及びＭＢＡの個数を種々の設定値にした場合の選択成長層である。なお、この試験では中央のウィンドウ領域３１の幅は２０μｍに、ＭＢＡ形成のためのマスクパターン２２，２３の幅は５μｍに、ＭＢＡの幅は１０μｍに、夫々設定した。
【００２０】
選択成長層の特性を示す値のうち、ＰＬ（photoluminescence）の光強度(intensity)は、相対的な値が大きいほど特性が良く、一方、ＦＷＨＭ(full width at half maximum；半値全幅)は、相対的な値が小さいほど特性が良い。ここで、もう一つ考慮する点は、選択成長層(ＳＡＧ)のＴＥＦ(thickness enhancement factor)である。ＴＥＦとは、選択成長層によって一般的なエピタキシー(epitaxy)部分より成長率(growth rate)が大きくなる現象であり、マスクの大きさが大きいほどＴＥＦは増加し、さらにＴＥＦ値が大きいほどＳＳＣ−ＬＤ(spot-size converter integrated LD)開発にとって有利となる。しかしながら、ＴＥＦが大きくなると、ＰＬの光強度やＦＷＨＭが悪くなるので、ＴＥＦとＰＬの光強度及び／又はＦＷＨＭとのトレードオフを考慮して、最適の条件を探すようにする。
【００２１】
続いて、本発明の他の実施形態について説明する。図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明の他の実施形態によるＭＯＣＶＤを用いた選択領域成長方法を説明するための図である。
【００２２】
図４Ａは、ＩｎＰの基板１０上にマスクパターン２０を形成した状態を示す。マスクパターン２０は、予定とする選択領域の幅（Ｗ）よりも広い隙間を介して形成された一対の第１のマスクパターン２１と、第１のマスクパターン２１間に形成されたそれぞれ一対の第２のマスクパターン２２及び一対の第３のマスクパターン２３と、を備えている。第２のマスクパターン２２間に形成された中央のウィンドウ領域３１の幅(Ｗ)は、選択領域成長される半導体成長層の幅の目標値と同一になるように設定されている。第２のマスクパターン２２と第３のマスクパターン２３との間の隙間は、第２のウィンドウ３２として形成され、第３のマスクパターン２３と第１のマスクパターン２１との間の隙間は、第３のウィンドウ３３として形成されている。
【００２３】
図４Ｂは、ＭＢＡ３２及びＭＢＡ３３における基板１０の露出表面をエッチングして溝部をなす例えば断面が逆メサ又は四角形状のトレンチ７１、７２を形成した状態を示す図である。
【００２４】
最後に、図４Ｃは、ＭＯＣＶＤを用いた選択領域成長方法により中央ウィンドウ領域３１に半導体成長層４０を形成した状態を示す図である。図４Ｃを参照すると、表面移動する活性化されたIII族原料ガス６０は、第２のマスクパターン２２と第３のマスクパターン２３との間及び、第３のマスクパターン２３と第１のマスクパターン２１との間に形成されたトレンチ７１、７２に捕獲され、これによりトレンチ７１，７２にはそれぞれ成長層８１、８２が形成される。この場合、トレンチの個数、トレンチの幅及び深さのうちの少なくとも一つを調節することにより、前記中央のウィンドウ領域３１に成長される半導体成長層４０の厚さを調節することができる。またトレンチ７１，７２の深さは、中央のウィンドウ領域３１に予定とする半導体成長層４０が成長された際に、当該半導体成長層４０の上面と、基板１０の表面とが同じ高さとなるように設定する。
【００２５】
図５は、ＭＢＡを形成した本発明による選択領域成長層の特性と従来の技術による選択領域成長層の特性を比較したＰＬグラフである。図５を参照すると、本発明によって成長した選択領域成長層の曲線５１は、従来の選択領域成長層の曲線５２よりＰＬの光強度が高く、またＦＷＨＭは５０．６meVで、従来の７８．８meVより低いため、全体的に優秀な特性を有することが分かる。なお、図５に記載した結果は、図２記載の実施形態の実験結果データであるが、図４記載の実施形態においても曲線５１と完全に同一ではないが従来の選択領域成長の曲線５２よりも向上した実験結果データが得られたことを確認している。
【００２６】
以上、本発明を具体的な一実施形態を参照して詳細に説明してきたが、本発明の範囲は前述の実施形態に限定されることはなく、本発明の精神を逸脱しない範囲で様々な変形が可能であるということは、当該技術分野における通常の知識を持つ者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】従来のＭＯＣＶＤを利用した選択領域成長方法を説明するための、マスクパターンが形成された基板の平面図である。
【図１Ｂ】従来のＭＯＣＶＤを利用した選択領域成長方法を説明するための、マスクパターンが形成された基板の縦断面図である。
【図１Ｃ】従来の選択領域成長のメカニズムを示す概念図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態によるＭＯＣＶＤを利用した選択領域成長方法を説明するための、マスクパターンが形成された基板の平面図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態によるＭＯＣＶＤを利用した選択領域成長方法を説明するための、マスクパターンが形成された基板の縦断面図である。
【図３】上記実施形態による選択領域成長メカニズムを説明するための概念図である。
【図４Ａ】本発明の他の実施形態によるＭＯＣＶＤを利用した選択領域成長方法を説明するための、マスクパターンが形成された基板の平面図である。
【図４Ｂ】本発明の他の実施形態によるＭＯＣＶＤを利用した選択領域成長方法を説明するための、マスクパターンが形成された基板の縦断面図である。
【図４Ｃ】上記の他の実施形態によるＭＯＣＶＤを利用した選択領域成長方法を説明するための図である。
【図５】本発明によるＳＡＧの特性を従来技術によるＳＡＧの特性と比較したグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１０  基板
２０  マスクパターン
２１  第１のマスクパターン
２２  第２のマスクパターン
２３  第３のマスクパターン
３１，３２，３３  ウィンドウ領域
４０  半導体成長層
５１，５２  成長層
７１，７２  トレンチ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2005150733.tif 000005
【図１Ｃ】
2005150733.tif 000006
【図２Ａ】
2005150733.tif 000007
【図２Ｂ】
2005150733.tif 000008
【図３】
2005150733.tif 000009
【図４Ａ】
2005150733.tif 000010
【図４Ｂ】
2005150733.tif 000011
【図４Ｃ】
2005150733.tif 000012
【図５】
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