(57)【要約】量子井戸領域を有する化合物半導体構造を含む光集積回路の製造方法において、化合物半導体構造に欠陥を発生させるために光子源を使用して照射をおこない、この光子は化合物半導体の少なくとも一元素の変位エネルギ（ＥＤ）のエネルギ（Ｅ）を有する。続いて、量子井戸混合を促進するため上記構造にアニーリングをおこなう。望ましい照射源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）システムを使用して発生させたプラズマである。上記照射源に上記構造の一部の露光を制御することにより、上記構造を空間的制御方法で選択的に混合するために上記構造を差異のある方法でマスクすることが可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸領域を有する化合物半導体構造を含む光集積回路の製造方法であって、
前記化合物半導体構造に欠陥を発生させるためにフォトンの源を使用して前記構造を照射する工程を有し、前記フォトンは前記化合物半導体の少なくとも一元素の変位エネルギ（ＥＤ）のエネルギ（Ｅ）を有し、続いて、量子井戸混合を促進するため前記構造にアニーリングをおこなう工程を有することを特徴とする光集積回路の製造方法。
【請求項２】
前記照射源はプラズマであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プラズマ源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）システムと、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムと、軟真空電子ビームにより励起されたプラズマディスクと、プラズマソフトＸ線（ＳＦＲ）装置とのうちの１つを使用して発生させることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記照射源は、電気気体放出装置、エキシマレーザ、シンクロトロン装置、フラッシュＸ線装置、ガンマ線源から成るグループから選択された一つであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
照射損傷の程度を制御するために前記構造の一部をマスキングする工程を含むことを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記マスクは、量子井戸混合を全面的に防止するように設けられていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記構造は、前記構造の一部の照射を所定の方法で制御することにより、前記構造を空間的制御方法で選択的に混合するために差別的な方法でマスクされることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記マスクは、バイナリマスク、フェーズマスク、グレーマスク、誘電体あるいは金属マスク、およびフォトレジストマスクから成るグループから選択されることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記混合の空間的制御は、プロフィール可変型のマスクパターンを使用して制御されることを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記構造にフォトレジストを形成する工程と、
必要とする量子井戸混合の程度に応じて空間的選択方法で前記フォトレジストの領域を差別的に照射する工程と、
その後、前記フォトレジストを現像する工程と、
をさらに有することを特徴とする先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記フォトレジストに光マスクを設ける工程と、
前記マスクを介して前記フォトレジストを露光する工程とを有し、
前記光マスクは、空間的選択方法で変化する光透過率を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記光マスクは、グレースケールマスクであることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記フォトレジストは、マスキング層に設けられることを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記マスキング層は、誘電体であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
差別的にエッチング処理したマスキング層を設けるために、現像したフォトレジストでその場をエッチングする工程をさらに有することを特徴とする請求項１３および請求項１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
プラズマを発生するために電子サイクロトロン共鳴システムが使用され、前記ＥＣＲシステムのマイクロ波出力は、３００Ｗと３０００Ｗの間、より望ましくは１０００Ｗと２０００Ｗの間であり、プロセス温度は、２５℃と５００℃の間、より望ましくは２５℃と２００℃の間であり、プロセス圧力は、０．１ｍＴｏｒｒと１００ｍＴｏｒｒの間、より望ましくは２０ｍＴｏｒｒと５０ｍＴｏｒｒの間であり、照射時間は、３０秒と１時間の間、より望ましくは４分と１４分の間であることを特徴とする、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
ＯＥＩＣ（ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：ＯＥＩＣ）及び光集積回路（ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ： ＰＩＣ）における複数のオプトエレクトロニクスデバイスのモノリシック集積化は、通信システムの発展に多大な影響をおよぼす。
【０００２】
ＯＥＩＣでは、電気接続部分における寄生リアクタンスを、密集配置したデバイスより小さくできるので、高速演算のためにレーザのような光デバイスやトランジスタのような電子デバイスは、一枚のチップ上に集積される。
【０００３】
ＰＩＣは、電子部品を持たないＯＥＩＣのサブセットであり、その中では、フォトンのみが、オプトエッレクトロニクスデバイス間、あるいは光デバイス間、あるいはその両デバイス間の通信や接続に関係している。ＰＩＣへの推進力は、多チャンネル波長分割多重（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ： ＷＤＭ）システムや高速時分割多重（ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ： ＴＤＭ）システム等における、次世代光通信リンク、ネットワーキングアーキテクチャ、およびスイッチングシステム等の複雑さを改良することである。ＰＩＣでは、低コスト、小型化、パッケージングの強度の増大に加え、主たる利点は、導波路デバイスは、リソグラフィを用いて製造されるので、個々の導波路オプトエレクトロニクスデバイスの相互接続のすべてが、正確に且つ永続的に、互いに正しい位置関係になっていることである。
【０００４】
この集積プロセスでは、複雑なデバイスは、光エミッタ、導波路、変調器、検出器のように機能が非常に異なっている部品から構成されている。各部品は、最適な特性を得るために、異なる材料構造を必要とする。その結果、ＯＥＩＣ及びＰＩＣを実現するためには、材料のバンドギャップエネルギと屈折率とを変更できることが重要である。このため、成長及び再成長、選択領域エピタキシ、すなわちパターン形成した基板上での成長、および量子井戸混合（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｉｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ： 以下、ＱＷＩと称す）などを含む、多数の技術が提案されている。
【０００５】
成長及び再成長技術は、母材の選択した領域に量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ： ＱＷ）の複数層を成長させ、エッチングし、再成長させるという複雑でコストの高くつく技術である。これらの層構造は、異なる活性領域を除き、同じ上面クラッドで一面を覆うように成長される。この方法は、光伝搬係数の不一致や再成長界面での導波路の寸法の不一致を被る。さらに、このプロセスは、低収率や低スループットであり、最終製品のコスト増を招いている。
【０００６】
選択領域成長は、マスクを介しての成長により作られるエピタキシ層の組成及び厚さの違いを利用して、空間的な選択バンドギャップ変化を得るものである。エピタキシ成長の前に、基板に、ＳｉＯ２などの誘電性マスクでパターンを形成する。なお、そのマスクには、異なる幅の複数の溝が作られている。開口領域での成長率は、マスクの開口部及びパターン部の幅に依存する。誘電性キャップの上面では成長は起こらない。しかし、核の表面移動が、もっとも近い開口部へマスクを横切るある距離に対して発生する。この方法の利点は、本質的に最適なレーザ及び変調器の複合量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ： ＭＱＷ）部分が、単一のエピタキシ成長段階で得られるように、全体の処理工程を減少できることである。このプロセスは、正確に制御されたパラメータの下では良好であるが、一般的な方法での操作は難しい。さらに、この技術では、空間分解能が約１００μｍと低いので、パッシブ領域は、概して比較的高い損失を有する。
【０００７】
ＱＷＩは、ＱＷが、ＱＷおよびバリア界面における原子種の相当の濃度勾配のために本来準安定のシステムであるという事実に基づいている。従って、これは、ＱＷをバリアと混合させて合金半導体を形成することにより、選択領域でのＱＷ構造のバンドギャップの変更が可能になる。この技術は、同一のエピタキシ層内での、様々なバンドギャップ、屈折率および光吸収の横方向の集積化のために、効果的な成長後の方法を提供する。
【０００８】
このＱＷＩ技術は、集積オプトエレクトロニクス回路における潜在的な用途が分かっているので、徐々に認知されて普及している。たとえば、上記用途は、バンドギャップ調整電子吸収変調器、バンドギャップ調整レーザ、ＯＥＩＣやＰＩＣでの部品を相互に接続する低損失導波路、ラインが狭いレーザ用の集積拡大空洞共振器、単一周波数分散ブラッグリフレクタ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ： ＤＢＲ）レーザ、モードロックトレーザ、非吸収ミラー、分散フィードバック（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ： ＤＦＢ）レーザ用のゲイン格子、すなわち位相格子、スーパールミネッセントダイオード、偏光無感応ＱＷ変調器および増幅器、多重波長レーザなどである。
【０００９】
不純物のない空格子点誘導無秩序（ｉｍｐｕｒｉｔｙ ｆｒｅｅ ｖａｃａｎｃｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ： ＩＦＶＤ）や、レーザ誘導無秩序（ｌａｓｅｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ： ＬＩＤ）、不純物誘導無秩序（ｉｍｐｕｒｉｔｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ： ＩＩＤ）等の方法を用いて、ＱＷＩに焦点をあわせた研究が行われてきた。こうしたＱＷＩ技術は、それぞれ利点も欠点もある。
【００１０】
ＩＦＶＤ法は、ＱＷ物質上に誘電性キャッピング物質を積層し、続いて高温アニーリングを行って、誘電性キャップからＱＷ物質への空格子点の発生を促進させ、選択領域における混合を増大させるものである。たとえば、ＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ ＱＷ物質では、ＳｉＯ２が、アニーリングの間にＧａ原子の外部拡散を誘導し、故に、ＱＷ物質内にＩＩＩ族の空格子点を生成することが知られている。ＧａＡｓとＳｉＯ２層との間の界面での熱歪が、重要な役割を演じている。ＧａＡｓの熱膨張係数は、ＳｉＯ２の熱膨張係数の十倍である。高温アニーリングの際に、プラズマ化学気相成長法（ｐｌａｓｍａ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ： ＰＥＣＶＤ）を使用して積層された多孔質ＳｉＯ２層内の結合は、ＧａＡｓとＳｉＯ２フィルムとの間の歪勾配により破壊されることがある。従って、Ｇａの外部拡散は、ＧａＡｓ内の引っ張り応力の緩和を助けている。次に、これらのＧａ空格子点は、ＱＷに伝搬し、ＧａとＡｌの相互拡散速度を増大させ、故に、ＱＷＩに至る。この混合プロセスの後、ＱＷ物質内のバンドギャップは拡大し、屈折率は減少する。
【００１１】
この技術の選択性は、ＳｒＦ２層を使用して、Ｇａの外部拡散を抑制し、故にＱＷＩプロセスを抑制することで得られる。この技術を使用することで、多重波長バンドギャップ調整レーザや多チャンネル導波路光検出器等のデバイスが、うまく説明されてきた。
【００１２】
ＩＦＶＤは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓシステム内で使用される時は有効な技術であるが、この技術の再現性は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰシステム内では低い。また、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ材料の熱安定性が低いので、ＩＦＶＤプロセスは、高温アニーリングを必要とし、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰベースのＱＷ構造では低いバンドギャップ選択性しか与えないことが分かっている。
【００１３】
レーザ誘導無秩序置換（ｌａｓｅｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ： ＬＩＤ）は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＱＷ材料の熱安定性が低いので、その材料内での無秩序置換を得るための前途有望なＱＷＩプロセスである。光吸収誘導無秩序置換（ｐｈｏｔｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ： ＰＡＩＤ）法では、連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ： ＣＷ）レーザ照射がＱＷ領域内で吸収され、故に熱を生成し、熱誘導混合を生じさせる。生成物質は、高い光学及び電気特性を有するが、この技術の空間的選択性は、横方向の流れによって約１００μｍに制限される。ＰＡＩＤ法の変形例は、パルス化ＰＡＩＤ（ｐｕｌｓｅｄ−ＰＡＩＤ： Ｐ−ＰＡＩＤ）として知られており、高エネルギＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザパルスを使用して、ＩｎＰベースの材料を照射する。パルスの吸収は、格子を破壊することになり、また、点欠陥の密度を増大させる。その後、この点欠陥は、高温アニーリングの際にＱＷへと内部拡散し、故にＱＷ混合率を増大させる。Ｐ−ＰＡＩＤは、１．２５μｍより高い空間分解能と直接書き込み能力とを提供できるが、混合材料は、拡大した欠陥の形成により低品質となる。
【００１４】
ＱＷＩ法の中でも、不純物誘導無秩序置換（ｉｍｐｕｒｉｔｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｉｓｏｒｄｅｒｉｎｇ： ＩＩＤ）は、混合プロセスを実現するためにＱＷ材料内への不純物の導入を必要とするプロセスだけである。この不純物は、集束されたイオンビームや、炉による不純物拡散や、イオン注入などを通じて導入させることが可能である。
【００１５】
ＩＩＤは、比較的簡単で、高い再現性のある混合プロセスである。また、ＩＩＤは、小さな寸法のデバイスの集積に対して高い空間分解能を提供する能力があり、またバンドギャップシフトは、注入パラメータによって制御できる。この方法が使用されて、半導体の横方向の電気的および光学的な閉じ込めが作られて、低いしきい値電流や単一の横方向モード動作が得られる。さらに、ＩＩＤプロセスは、多重波長レーザ源、低損失導波路、変調器、及び検出器などのＷＤＭシステムの集積にかなり重要である。
【００１６】
ＩＩＤの効果は、二つのステージから成ることが広く認められている。第一ステージは、ＱＷ材料内に不純物を注入することである。第二ステージは、材料をアニールして、不純物と点欠陥の両方の拡散をＱＷとバリアとに誘導し、故に、ＱＷとバリアとの間の母材元素の内部拡散を誘導することである。ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＱＷシステムでは、バリアから井戸へＶ族元素の内部拡散は、バンドギャップエネルギの青色シフトを起こすが、この内部拡散は、注入プロセスの際に生成される点欠陥の拡散、上昇した温度での自己内部拡散（熱シフト）、および注入された核の拡散によって生じると考えられている。
【００１７】
注入の際に、ＩＩＩ族の空格子点や格子間欠陥などの、点欠陥と同様な不純物を、選択領域の材料内に導入する。上昇温度下でのこれらの点欠陥及び不純物の拡散は、ＱＷとバリアとの間の内部拡散速度を向上させ、故にアニール後の混合を促進させる。注入された不純物の影響下で、ＱＷの組成プロフィールは、方形から放物線状のプロフィールに変化する。その結果、内部拡散プロセスの後、ローカルバンドギャップは増加し、対応する屈折率は減少する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＩＤ法を使用することで、ウエハに亘って混合する選択領域は、種々の厚さを有するＳｉＯ２注入マスクを使うことにより得られる。しかし、この方法は、製造プロセスを複雑にする複数のリソグラフィ及びエッチング工程を必要とする。
【００１９】
エレクトロニクスレター第３１巻（１９９５年）第４４９頁に掲載の「プラズマ損傷誘導層混合を使用する光集積回路の集積プロセス」（著者、Ｂ・Ｓオオイ、Ａ・Ｃブリス、Ｊ・Ｈマーシ）の論文は、反応性イオン衝撃損傷に基づく量子井戸混合プロセスについて開示している。この技術では、高周波出力、つまり高損傷のＨ２プラズマ処理が使用されて試料の表面に点欠陥を誘導される。次に、その試料は、アニールされて点欠陥がＱＷ領域に拡散された。プラズマ照射は、平行板反応性イオンエッチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ−ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）装置を用いておこなった。同様に、エレクトロニクスレター第３４巻第８号（１９９８年４月１６日）第１６頁に掲載のＬ・Ｍラム他による「歪ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸のプラズマ浸入Ａｒ＋イオン注入誘導無秩序置換」という論文に、ＲＩＥを使用するプラズマ浸入イオン注入処理の記載がある。これらの技術の各々では、ＱＷＩ処理は、イオン衝撃損傷に基づくものであり、複数のサイクルを必要として、相当に僅かな程度にバンドギャップシフトに影響する。
【００２０】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体ウエハにてバンドギャップを制御する機能は、モノリシックＰＩＣの製造上、鍵となる必要条件である。ＱＷ構造の吸収帯エッジは、集積レーザ、変調器、低損失導波路の製造を可能とするように、ウエハ全体に亘って空間的に制御されることが必要である。ＱＷＩ技術は、バンドギャップエンジニアリングプロセスに対する成長及び再成長技術と、選択的エピタキシ成長技術とに対して大きな利点を提供するが、従来のＱＷＩ技術の空間制御は、間接的であり、また複雑である。
【００２１】
インターネットトラフィック、マルチメディアサービス、高速データサービスなどの急速な成長が、通信キャリアに圧力を作用させて、ネットワークの容量を急速に拡大させ、かつコストを効果的に膨張させてきた。キャリアは、通常、容量を拡大するための３つの選択肢を有する。すなわち、第１は、新たな光ファイバを設けること、第２は、通信システムのビットレートを増やすこと、第３は、波長分割多重化（ＷＤＭ）を採用することである。第一の選択肢は、価格の高さや用地の問題があり、第二の選択肢は、システム本来の限界があるので容量の拡大に限界がある。第三の選択肢は、適度なコストでネットワーク容量の多様な増大が可能であるので、大変魅力的である。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、量子井戸領域を有する化合物半導体構造を含む光集積回路の製造方法を提供するものであり、この方法は、上記構造に欠陥を発生させるためにフォトン源を使用して照射をおこなう工程を有する。このフォトンは、上記化合物半導体の少なくとも一元素の変位エネルギ（ＥＤ）のエネルギ（Ｅ）を有する。この方法は、続いて、量子井戸混合を促進するため上記構造にアニーリングをおこなう工程を有する。
【００２３】
望ましい照射源はプラズマであるが、使用可能な高エネルギフォトン源は複数ある。適切なプラズマ源は、電子サイクロトロン共鳴（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）システム、誘導結合プラズマ（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）システム、軟真空電子ビーム、プラズマソフトＸ線（ｐｌａｓｍａ ｓｏｆｔ ｘ−ｒａｙ：ＳＦＲ）装置を使用してプラズマを発生させるものである。他の適切な高エネルギ照射源は、電気気体放出装置、エキシマレーザ、シンクロトロン装置、フラッシュＸ線装置、ガンマ線源などである。
【００２４】
上記方法は、照射による損傷程度を制御するために上記構造の一部をマスキングする工程を含むことがある。この方法では、マスクを量子井戸混合が全体的に妨げられるように設けることができる。しかし、望ましくは、所定の方法で上記構造の一部への照射を制御することにより、上記構造を空間的制御方法で選択的に混合をおこなうように差別的な方法で上記構造のマスキングをおこなう。
【００２５】
適切な形状の照射マスクとしては、バイナリマスク、フェーズマスク、グレーマスク、誘導体あるいはメタルマスク、そしてフォトレジストマスクなどがある。混合の空間的制御は、プロフィール変更可能なマスクパターンを使用しておこなうと望ましい結果が得られる。本発明者の同時係属国際特許出願第　　　　　　号（代理人参照番号ＰＪＦ０１０７５ＷＯ）は、グレースケールマスクを介してフォトレジスト層を照射することにより構造体にパターンを形成する方法を開示している。量子井戸混合の程度は、グレースケールマスクの光透過率特性に依存した空間的選択方法で制御される。この技術は、高エネルギ照射に対し構造体の照射を制御可能となるようにマスクを作ることができるので、本発明での使用が特に望ましい。フォトレジストマスクパターンは、照射程度を制御するために単独で使用可能であり、あるいはエッチング処理を介してマスクパターンを誘電物質の層のような下敷き層に転写するためにも使用できる。
【００２６】
本発明の主な特徴は、結晶構造に照射損傷を起こすために照射源を使用することである。このために、明確な最小エネルギ転移が必要である。これは、変位エネルギＥＤと称される。ＥＤを超えるエネルギ転移は、原子変位を起こすことになり、ホストイオンが速成の粒子一個による衝突を受けた時には、第一変位を起こし、前に衝突されたホスト原子からエネルギ転移がある時には第二変位を起こす。ＩＩＩ−Ｖ族材料についてＥＤのエネルギ値ｅＶを下記の表に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
真空紫外線照射（ｖａｃｕｕｍ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ：ＶＵＶ）が半導体構造に損傷を起こすことは知られているが、この損傷を発生させない、あるいはアニーリングによって少なくとも補修してこうした欠陥が半導体デバイスの動作に影響を与えないようにするという発想から、このことは既に研究されている。
この新規、且つ低コストで簡単な技術は、一般にＰＩＣ、特にＷＤＭ源の製造に用いられる。本発明によるＱＷＩ技術を用いることにより、ＱＷ材料のバンドギャップエネルギを、ウエハ全体に異なる程度に調節できる。これによって、モノリシック多重波長レーザの集積だけでなく、単一のチップでの変調器及びカプラの集積への拡大が可能となる。また、この技術は、ゲインスペクトルをエピタキシ成長後に最大値に拡大することにより、スーパルミネッセントダイオード（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅ： ＳＬＤ）の製造や設計プロセスを簡単にするためにも利用可能である。
【００２９】
光集積研究団体は、従来のＱＷＩプロセスは冗長で複雑となるので、ＱＷＩ法を２セクション光デバイス用にだけ有望な方法として現在捉えている。これは、複雑でコスト効果もないが、代わりに、研究者は、多重セクション集積に選択領域エピタキシの使用よりも好んだ。本発明は、ＱＷＩの用途が２セクションデバイスに限定されないことを明らかにした。さらに、この方法は、コスト効果が大きく、選択領域エピタキシに比べて、高いスループットと高い収率とを提供する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明は、プラズマ誘導のＱＷＩについてのより効果的な形態が、ＥＣＲ起因プラズマ内で発生されたＶＵＶ照射等の高エネルギ照射を使用して得られるという発見に基づくものである。このプラズマ処理は、初期のプラズマ誘導無秩序置換ＱＷＩに記載された処理と比べて、全体的に異なった体系で作用する。ＥＣＲでは、マイクロ波出力制御が、従来のＲＩＥ装置では見られない高エネルギ照射の発生を可能にする。その結果、高エネルギ照射を使用して得られるＱＷＩ青色シフトが極めて大きい。
【００３１】
ＥＣＲシステムでは、磁界は、励起電磁波と共に印加される。こうした場における電子は、場の強さに関連した半径で円運動あるいは楕円運動をし、電子サイクロトロン周波数として知られている周波数で回転する。電磁波の周波数がサイクロトロン周波数と等しいなら、電子が連続的にエネルギを得られる位相コヒーレンスが存在する。この条件下で、共鳴プロセスとして知られているものの中で、励起電磁場から電子への放出転位がおこる。この共鳴プロセスでは、プラズマの塊の中の電子は、励起マイクロ波からエネルギを得て、続いて、そのエネルギを衝突によって分子に伝え、電子衝突イオン化を起こし、高プラズマ密度を発生する。高イオン化イオンは、ＶＵＶ線放出と共にフォトンを放出する。
【００３２】
ＥＣＲプラズマは、比較的低圧及び低温度で高分離且つ高イオン化プラズマを維持する能力があるので、エッチングや薄膜形成のようなマイクロエレクトロニクス加工で普及してきた。これは、従来のＲＩＥ高周波プラズマよりも低圧、１０−３〜１０−２ｔｏｒｒで動作可能であり、多くの場合、イオン化の程度は、１０％程度と高い。
【００３３】
交番電界の周波数がサイクロトロン周波数と等しい時に、共鳴、すなわち強化エネルギ吸収が生じる。この条件では、電子の螺旋運動は、交番電界と位相が同じで、極性変化の度に電子は共鳴により加速されることになる。周波数２．４５ＧＨｚの産業用マイクロ波で、共鳴は、８７３Ｇの永久磁石によって発生する。効果的にエネルギの共鳴吸収を起こすため、電子は、中性物体と衝突せずにサイクロトロンの円軌道を回る必要がある。衝突は、中性物体へエネルギ転移と方向の不揃いとにより、エネルギ吸収を妨げる。一般的法則として、衝突は、２０ｍＴｏｒｒを上回る圧力で電子サイクロトロン加熱の効率を落とす。効果的なＥＣＲ放電では、１０１２ｃｍ−３までのイオンおよび電子密度が得られる。これは、従来のＲＩＥシステムにより生成されたプラズマで得られる密度のおよそ１００から１０００倍である。
【００３４】
後述する試料の処理に使用されるＥＣＲシステムは、プラズマクウェストシリーズＩＩ ＰＱＭ−９１８７−Ａシステムである。これを図１に示す。このシステム１０は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生機１１を有し、マイクロ波は、水晶窓を介してＥＣＲ共振器１２内へ供給される。マイクロ波の出力範囲は、０−１５００Ｗである。システムには、３スタブチューナが取り付けられており、このチューナは、長さ２２．８６ｃｍ（９インチ）の導波路１３内部に設けられた３つのインピーダンス整合スタブを持っている。これが使用されて、調節容易なプラズマ源や対象の負荷に向けられたマイクロ波エネルギの反射出力を減少させる。さらに、交番磁極を持つＮｄ−Ｆｅ−Ｂ永久磁石１４が、リアクタの外周部の周囲に配置され、接地された上方電極に埋設されている。この構成は、プラズマをうまく閉じこめる磁界を作る。これは、プラズマイオンを、チャンバ壁から離れたチャンバの中心に集束させ、壁への帯電粒子の損失を減らす。
【００３５】
ＥＣＲリアクタも、１３．５６ＭＨｚ高周波出力発生機１６に接続された試料チャック１５を有する。高周波発生機により生成可能な最大出力は、５００Ｗである。マイクロ波出力は、反応性粒子の分離や発生の量を制御する。一方、高周波源は、基板にバイアスを与え、それにより基板へのイオン束を制御し、プロセスの指向性を強化する。
【００３６】
後述する実施例で使用したＩｎｚＧａ１−ｚＡｓ／ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ構造は、ＩｎＰ基板に有機金属化学気相成長法（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）により成長された。単一量子井戸（ｓｉｎｇｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ：ＳＱＷ）領域は、ドーピングなしで、１２ｎｍのＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（λｇ＝１．２６μｍ）バリアを有する５．５ｎｍ幅のＩｎｚＧａ１−ｚＡｓＱＷから成る。活性領域は、階段状屈折率（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ：ＧＲＩＮ）ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ閉じこめ層により結合されている。これらの層の厚さおよび組成は、それぞれλｇ＝１．１８μｍが５０ｎｍと、λｇ＝１．０５μｍが８０ｎｍとであった。この構造は、ＩｎＰ全体に適合された格子であり、１．４μｍのＩｎＰ上方クラッド層と、コンタクト層として機能する０．１μｍのＩｎｚＧａ１−ｚＡｓが続く０．６５μｍのＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ層とで完成された。下方クラッド層は、イオウのドーピングを濃度２．５×１０１８ｃｍ−３までおこなった。第一上方クラッド層（ＩｎＰ）は、Ｚｎが濃度７．４×１０１７ｃｍ−３にドーピングされ、それに続く層は、それぞれＺｎが２×１０１８ｃｍ−３と１．３×１０１９ｃｍ−３との濃度でドーピングされた。層構造の概要を表２に示し、その構成を図２に示す。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
このＧＲＩＮ構造が使用されて、屈折率の差、つまりバリアに比較してＱＷ内の屈折率が高いことで、良好な光学的閉じこめを作られる。下方ＧＲＩＮ領域は、Ｓ（ｎ型）のドーピングが行われるが、上方ＧＲＩＮ領域（層７−８）は、ＱＷＩ工程の際にＱＷ領域へｐ型Ｚｎが拡散して活性層の質が劣化するのを防止するために、ｐ型Ｚｎによるドーピングはおこなわない。最上部ＩｎＧａＡｓ層は、コンタクト層として使用され、ＩｎＧａＡｓＰ層は、ＩｎＰ構造からＩｎＧａＡｓ構造への急峻な変化をおこさないようにするために、ＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓ層ではさまれる。
【００３９】
試料１７を初めに洗浄し、２×２ｍｍ２のサイズに切断した。次に、試料を、図１に示すＥＣＲ装置１０内で異なったプロセス条件でＡｒプラズマに曝した。プラズマ処理をおこなう試料の第一組について、Ａｒ流速５０ｓｃｃｍおよびプロセス圧力３０ｍＴｏｒｒで、高周波およびマイクロ波出力源を、それぞれ４５０Ｗ（自己ＤＣバイアス約−３５Ｖ）および１４００Ｗに固定した。照射時間は、１分から１５分まで変化させた。次に、試料の別の一組を、同一のプロセス条件で、但しマイクロ波出力を８００Ｗ（自己ＤＣバイアス約−６０Ｖ）に低下させて、Ａｒプラズマに曝した。照射時間を１分から９分まで変化させた。プラズマ照射の後、次に、試料は、高速熱プロセッサ（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ：ＲＴＰ）を使用して６００℃で２分間アニールをおこなった。アニール工程の間、試料に圧力以上のＡｓを供給するためにＧａＡｓ近似キャップを使用した。
【００４０】
図３（ａ）、（ｂ）は、１４００Ｗおよび８００Ｗのマイクロ波で異なった時間でＡｒプラズマに曝された試料のＰＬスペクトルを示す。図４は、高周波４５０Ｗとマイクロ波出力８００Ｗと１４００Ｗとをそれぞれ使用して発生されたＡｒプラズマに対する、照射時間を関数とするＡｓ成長試料についての相対バンドギャップシフトを示す。
【００４１】
図４から分かるように、ＱＷＩ効果は、バンドギャップエネルギの拡大とルミネッセンス波長の青色シフトをおこし、Ａｒプラズマに曝された試料に対して観察される。混合の程度は、１４００Ｗで曝された試料の照射時間が増大するにつれ徐々に増加する。バンドギャップシフトは、１０分のプラズマ処理の後、約１０６ｎｍ（７２ｍｅＶ）で飽和した。エネルギシフトの飽和は、イオン衝撃と照射損傷との両方によって生じた最大の点欠陥が、１０分の照射時間の後に飽和することを意味する。８００Ｗで曝された試料は、１４００Ｗの場合と同様な傾向を生じたが、青色シフトの程度が低い。これはマイクロ波出力が低いものを使用したので、Ａｒプラズマのイオン化が低かったことが原因と考えられる。この照射条件下での達成可能な最高青色シフトは、９分間処理された試料について約６６ｎｍ（４２ｍｅＶ）であることが分かった。
【００４２】
図５から分かるように、バンドギャップエネルギシフトとプロセス温度とを統制する非線形な関係がある。３２ｎｍの最大バンドギャップシフトが、１００℃の処理温度で得られた。イオン衝撃損傷プロセス下で、高温になるにつれてＱＷＩの程度も高くなると一般的に考えられている。しかし、この現象は、ここでは観察されなかった。このプロセスにより誘導された損傷の濃度は、ＱＷＩを活性化するためのある閾値より低いと結論づけることができた。
【００４３】
図６は、異なったプロセス圧力に関するバンドギャップエネルギシフトを示す。３０ｍＴｏｒｒのプロセス圧力で最大値４９ｎｍに増加したバンドギャップエネルギシフトは、プロセス圧力が増大するに従い徐々に低下した。得られた結果から、プロセス圧力が１０ｍＴｏｒｒから３０ｍＴｏｒｒに増大するにつれ、プラズマの中性粒子およびイオン化した粒子の密度は増加することが説明できた。このように、損傷量が大きくなると、結果としてＱＷＩの程度も高くなる。しかし、圧力の増加を継続すると、イオンの平均自由行程は短くなる。これによって、イオン粒子と中間粒子との試料表面への衝突量がかなり減少することになり、故に、誘導される損傷の量も減少する。プロセス圧力の増大によるイオン化の増加は、照射損傷を増大させるべきである。しかし、この結果は、照射強度の変化が最小であり、異なった圧力の範囲にわたってＱＷＩへのその効果が明らかに一定のままであることを示している。
【００４４】
ＱＷＩは、半導体の所望領域に局部的に存在する、即ち、選択的に混合が可能である場合は、一般的に有益である。選択性は、集積化の可能性を提供するという理由から、プロセスでは重要な特徴である。ＱＷＩでは、混合領域と非混合領域との境界の明確さは、空間分解能として知られている。高い空間分解能は、デバイスの集積における小型化を確実にするので、混合プロセスにおいて必須である。
【００４５】
プラズマプロセスの選択性を研究するために、２×４ｍｍ２の試料２０を用意した（図７）。その試料の半分に、フォトレジスト２１でパターンを作った。これらの試料２０を、高周波４５０Ｗとマイクロ波１４００Ｗとで５分間のＡｒプラズマに曝した。フォトレジスト２１でマスクした部分は、Ａｒプラズマによる損傷から遮蔽され、故に、ＲＴＰプロセス後にＱＷＩは生じないか、あるいは最小となる。
【００４６】
図８は、Ａｒ照射およびその続の熱アニーリング後の試料２０から得たＰＬスペクトルを示す。グラフから分かるように、フォトレジスト２１の層でマスクされた部分は、バンドギャップシフトが少量（〜１０ｎｍ）であるが、プラズマに曝された部分２２は、６４ｎｍの大きなバンドギャップシフトを示した。故に、これによって、マスク領域とマスクなしの領域との間に５４ｎｍの相対バンドギャップ差を作った。この結果は、マスキング層としてフォトレジストのみを使用したＩｎＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓＰ試料では高い選択性が得られることを強く示している。マスクした領域でバンドギャップシフト量が小さいのは、熱関連効果により誘導されるバンドギャップの変化によるものであろう。
【００４７】
高周波出力だけを使用して発生させたプラズマは、大部分がイオン衝撃損傷を作ると考えられる。これは、主に、プラズマと半導体との間の、１３０ｅＶの高さにもなる、高い電位差による。試料をかかるプラズマに曝すことにより、イオン衝撃が支配的なプラズマ環境でのＱＷＩメカニズムを調べることができる。
【００４８】
一組の試料を、異なった高周波条件を使用しながらも、他のプロセスパラメータを一定に維持して発生させたＡｒプラズマに曝した。全ての照射は、５分間おこなわれた。図９は、高周波出力の関数として相対バンドギャップシフトを示す。図９から分かるように、高周波のみの条件下でプラズマで処理された試料は、最大シフトが２２ｎｍ（１０ｍｅＶ）と、さほど大きくないバンドギャップシフトを呈する。異なった高周波値でのバンドギャップシフトも、それ以下であった。
【００４９】
次に、別の試料の組を、異なったマイクロ波条件により発生させたプラズマに曝した。尚、他のプロセスパラメータは一定に維持し、照射時間は５分間でおこなわれた。照射の際、試料を６００℃で２分間アニールした。図１０は、マイクロ波出力を関数とした相対バンドギャップエネルギシフトを示している。
【００５０】
図１０から分かるように、マイクロ波だけの条件下でプラズマにより処理された試料は、６６ｎｍ（４２ｍｅＶ）という大きさのバンドギャップエネルギシフトを作った。バンドギャップシフト量もマイクロ波出力の増大に伴い増加する。この結果は、高密度ＥＣＲプラズマにより発生された高エネルギＶＵＶ照射が、イオン衝撃よりＱＷＩに強い影響を有することを意味する。故に、これは、このプロセスを使用するＩｎＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓＰ構造のＱＷＩでは重要な役割を演じる。
【００５１】
下記の表３は、上記のように研究したプロセスの変数をまとめたもので、各変数の可能な操作範囲および望ましい操作範囲を示している。
【００５２】
【表３】
2004500715.tif 000005
【００５３】
以下の例では、Ａｒプラズマ照射マスクとしてＳｉＯ２の層を使用して、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷに積層させたＳｉＯ２の厚さについてＱＷＩの割合を調査する。異なったＳｉＯ２の厚さでＱＷＩの量を制御する能力は、試料のバンドギャップエネルギの横方向変化を可能とする。これは、多重波長レーザのように、試料の全体に異なる動作波長を必要とするデバイスの実現を可能とする。
【００５４】
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ試料を２×２ｍｍ２に切断し、異なった厚さのＳｉＯ２層を、ＰＥＣＶＤシステムを使用して試料上に積層させた。ＳｉＯ２の厚さは、１００ｎｍから１２００ｎｍまでの範囲を取った。４個の試料を各ＳｉＯ２の厚さについて使用した。これはプロセスの再現性を調査するためにおこなった。
【００５５】
全試料を、高周波４５０Ｗとマイクロ波１４００ＷのＡｒプラズマに１０分間照射した。照射後、各ＳｉＯ２の厚さについて２個の試料を、ＨＦ：Ｈ２Ｏが２：１の比の溶液内に入れた。これは、アニーリングプロセスを行う前に、試料上のＳｉＯ２層を除去するためである。このようにして、ＳｉＯ２キャッピングの有無におけるアニーリングの効果を調査することができた。次に、試料をＲＴＰ内で温度５９０℃で２分間アニールした。次に、ＱＷＩの程度を分析するために、ＰＬ測定を実施した。
【００５６】
図１１は、異なったＳｉＯ２層の厚さでＡｒプラズマに照射された試料に対する相対バンドギャップエネルギシフトを示す。図１１から分かるように、ＱＷＩの程度は、ＳｉＯ２層の厚さが増加するにつれ徐々に減少した。しかし、混合の程度は、むしろ一定のままであり、ＳｉＯ２層の厚さが５００ｎｍ未満の場合は、バンドギャップシフトは４０〜５０ｍｅＶの範囲である。ＳｉＯ２キャップの厚さが８００ｎｍを上回るものでは、大きなバンドギャップシフトは観察されなかった。５００〜８００ｎｍのＳｉＯ２厚さ範囲では、ＱＷＩの程度は、厚さが増大するに伴い顕著に減少した。
【００５７】
従って、Ａｒプラズマ照射を使用してＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷのＱＷＩは、照射前に試料に積層するＳｉＯ２層の厚さを変えることにより制御可能であることを示した。混合の程度を制御する能力は、試料全体に異なったバンドギャップエネルギを必要とするデバイスの製造を可能にする。ＷＤＭ用の多重波長レーザのようなデバイスは、Ａｒ照射の前にウエハ全体のＳｉＯ２層の厚さを制御することにより実現可能となる。本発明者による同時係属国際特許出願第　　　番（代理人参照番号ＰＪＦ０１０７５ＷＯ）に記載の新規なグレースケールマスクリソグラフィ技術の発明を用いると、この製造は、試料上にＳｉＯ２の様々な厚さの層を移転するためにワンステップＲＩＥ処理のみを必要とするので、さらに簡潔化できる。あるいは、マスクは、同一のグレースケールマスク技術を使用して設けられた様々な厚さのフォトレジストパターンだけを有することも可能である。
【００５８】
ＱＷＩの後の材料の励起波長を調べるために、ブロードエリアゲイン誘導レーザをＡｓ成長試料（プラズマ処理とアニーリング処理とがなし）、対照試料（プラズマ処理なし、アニーリング処理あり）、およびＡｒプラズマＱＷＩ処理試料から製造した。
【００５９】
６×６ｍｍ２の試料を、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷウエハから結晶方位に沿って切断した。そして、試料を、高周波出力４５０Ｗとマイクロ波出力８００ＷとのＡｒプラズマに５分間照射させた。５９０℃で１２０秒のアニーリング工程を続けておこない、ＱＷＩを促進させた。そして、２００ｎｍのＰＥＣＶＤ ＳｉＯ２誘電性キャップを試料上に設けた。次に、フォトリソグラフィを使用して５０μｍストライプの窓を画定し、ドライおよびウェットエッチングの両方を使ってストライプ窓を開いた。ＣＦ４とＯ２処理からのＲＩＥ損傷を最小にするために、初めにドライエッチングを５分間実施し、それに続き、ＳｉＯ２の残留層７５ｎｍを除去するためにバッファ処理したＨＦを使用して１０秒間のウェットエッチングをおこなった。これらのレーザは、注入電流が反転分布を作り出し、５０μｍのストライプ領域でのみ微妙な導波路効果を生じるので利得誘導される。この後、フロントコンタクト金属化（ｐ型：Ｔｉ／Ａｕ、５０ｎｍ／２００ｎｍ）を、電子ビーム蒸発装置を使用しておこなった。そして、試料を約１８０μｍの厚さに薄くした。バックコンタクトに対する別の金属化（ｎ型：Ａｕ／Ｇｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ、１４ｎｍ／１４ｎｍ／１４ｎｍ／１１ｎｍ／２００ｎｍ）を蒸着させ、３６０℃でＲＴＰを６０秒間使用して試料のアニーリングをおこない、全製造工程を完了させた。そしてこの製造試料を、特性決定のために異なった空洞共振器長をもった個別のレーザに線引きした。バンドギャップがシフトした酸化ストライプレーザ３０の概略図を図１２に示す。
【００６０】
図１３は、Ａｓ成長レーザ、対照レーザ、ＡｒプラズマＱＷＩレーザのスペクトルを示す。図から、対照試料とＡｓ成長試料とは、ほとんど同じピーク１．５５μｍの励起波長を示し、Ａｒプラズマ混合レーザは、３８ｎｍのシフト、つまり１．５１７μｍにピークがある励起波長を呈した。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ＥＣＲシステムの一例を示す概略図。
【図２】
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰＳＱＷ層構造の概略説明図およびこの構造のバンドギャップエネルギの図。
【図３】
（ａ）および（ｂ）は、Ａｒプラズマに曝された試料のＰＬスペクトルを示すグラフ。
【図４】
異なったマイクロ波出力に対し、Ａｒ照射時間と相対バンドギャップエネルギシフトとの関係を示すグラフ。
【図５】
プロセス温度と相対バンドギャップエネルギシフトとの関係を示すグラフ。
【図６】
プロセス圧力と相対バンドギャップエネルギシフトとの関係を示すグラフ。
【図７】
フォトレジストの層により部分的にマスキングされた試料の概略図。
【図８】
Ａｒプラズマに曝された後の図７の試料より得たＰＬスペクトルを示すグラフ。
【図９】
高周波出力と相対バンドギャップエネルギシフトとの関係を示すグラフ。
【図１０】
マイクロ波出力と相対バンドギャップエネルギシフトとの関係を示すグラフ。
【 図１１】
異なったＳｉＯ２マスク厚さでＡｒプラズマに曝された試料の相対バンドギャップエネルギシフトを示すグラフ。
【図１２】
広帯域利得誘導レーザの概略図。
【図１３】
図１２のデバイスの正規化スペクトルを示すグラフ。
【符号の説明】
１１　　マイクロ波発生器
１２　　ＥＣＲ共振器
１４　　磁石
１６　　高周波出力発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2004500715.tif 000013
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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