(57)【要約】【課題】半導体からのＶ族原子の脱離を抑制しつつ同一面内でエッチング深さが異なる形状を簡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】酸素プラズマの所定の濃度に対して、開口部幅の異なる領域毎に、半導体表面にて酸素プラズマによりポリマーの生成を抑制しつつ半導体表面のエッチングが進行する状態のみが発現するように前記開口部幅１９０５が設定された開口部１９０１を有するマスク１９００を半導体表面に形成する第１の工程と、マスク１９００が形成された前記半導体表面に前記炭化水素系プラズマおよび前記酸素プラズマを照射し、前記酸素プラズマを前記マスクの開口部幅方向にて前記開口部に拡散させることによりポリマーの生成を抑制するとともにエッチングに寄与する炭化水素系プラズマの濃度を制御する第２の工程を有するようにした。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系プラズマと酸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、
前記酸素プラズマの所定の濃度に対して、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面にて前記酸素プラズマによりポリマーの生成を抑制しつつ前記半導体表面のエッチングが進行する状態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第１の工程と、
前記マスクが形成された前記半導体表面に前記炭化水素系プラズマおよび前記酸素プラズマを照射し、前記酸素プラズマを前記マスクの開口部幅方向にて前記開口部に拡散させることによりポリマーの生成を抑制するとともにエッチングに寄与する炭化水素系プラズマの濃度を制御する第２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。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子の作製方法において
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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１７（ａ）〜（ｆ）に示す。試料（例えばＩｎＰ結晶）１１０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）１２０で覆った（図１７（ａ））後にエッチングする(図１７（ｂ）)。次に、１回目のエッチング用のマスクを除去した（図１７（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１３０で覆い（図１７（ｄ））、さらにエッチングし（図１７（ｅ））、マスクを除去する（図１７（ｆ））というプロセスを繰り返さなくてはならない。
【０００４】
半導体素子の作製において、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。
【０００５】
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）。
【０００６】
基本的なエッチング過程を図１８（ａ）〜（ｃ）に示す。図１８（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２１１とエッチング種（エッチングガス）２１２が反応することによりエッチングが進行する。
【０００７】
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１９（ａ）〜（ｃ）に示す。図１９（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３１２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３１３に用いて覆った場合、マスク３１３上のエッチング種３１２は拡散してマスクで覆われていない半導体３１１の表面に到達する。この結果、マスク３１３近傍の半導体３１１の表面ではエッチング種３１２の密度が増加する。このエッチング種３１２の増加は半導体のエッチング速度を増加させる。
【０００８】
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。
【０００９】
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、本願では、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系プラズマ、同様の水素原子を水素プラズマと呼ぶこととする。
【００１０】
この炭化水素系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（例えば酸化シリコンなど）からなるマスクの表面においては炭化水素系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。
【００１１】
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２０（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２１（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。
【００１２】
マスクのない領域ではメタンプラズマ４２１に対して水素プラズマ４２２は試料（ＩｎＰ）４１０の表面に均一に分布する（図２０（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４３１が生成し、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない（図２０（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。
【００１３】
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５２１に対して水素プラズマ５２２は試料（ＩｎＰ）５１０の表面に形成されたマスク５１１の上に、またマスク５１１のマスク開口部５１１ａの試料５１０の表面にも均一に分布する（図２１（ａ））。マスク５１１上ではマスク材料（例えば酸化シリコンなど）はエッチングされないのでメタンプラズマ５２１はエッチングに寄与することなくポリマー５３１を生成する。マスク５１１上の水素プラズマ５２２はメタンプラズマ５２１と反応することなくマスク５１１上を拡散してマスク開口部５１１ａに凝集する。その結果、マスク開口部５１１ａでの水素プラズマ５２２の濃度は増加する（図２１（ｂ））。したがって、マスク開口部５１１ａでは水素プラズマ５２２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２１（ｃ））。
【００１４】
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。すなわち、選択的なエッチングが実現できる。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−２４７７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
通常は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、プラズマ状態の炭化水素系のガスとともにプラズマ状態の水素ガスを供給することにより、水素とＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体におけるＶ族原子（例えばＩｎＰにおけるＰ、ＧａＡｓにおけるＡｓなど）との反応を促進してエッチングを促進する。
【００１７】
ここで、水素が不足する場合には炭化水素基を基にポリマーが生成されエッチングが進行しない。また、上述の選択的なドライエッチングにおいては、水素プラズマの供給量によってエッチングされる領域とポリマーが生成する領域を制御できる。例えば、水素プラズマの供給量を増加させれば水素プラズマがマスク開口部に拡散する領域が拡大するのでエッチング領域が拡大する。しかしながら、過剰の水素プラズマに半導体が反応すると、半導体表面でのＶ族原子（例えばＩｎＰにおけるＰ、ＧａＡｓにおけるＡｓなど）の脱離が過剰に生じて、欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化が生じる。
【００１８】
このような欠陥が再結合中心として振る舞うと素子特性を劣化させるので問題となる。また、表面モフォロジーの劣化はこの表面上に積層する導波路層に光を導波させるときに凹凸部により光が散乱するので問題となる。
【００１９】
また、選択エッチング工程を繰り返して深さの異なる形状を加工する場合には、選択エッチングの際にエッチングされないＩｎＰ表面に生成されるポリマーを、次の選択エッチング工程の前に、酸素プラズマ照射により除去する必要があった。
【００２０】
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、半導体からのＶ族原子の脱離を抑制しつつ同一面内でエッチング深さが異なる形状を簡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ことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
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酸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、前記酸素プラズマの所定の濃度に対して、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面にて前記酸素プラズマによりポリマーの生成を抑制しつつ前記半導体表面のエッチングが進行する状態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第１の工程と、前記マスクが形成された前記半導体表面に前記炭化水素系プラズマおよび前記酸素プラズマを照射し、前記酸素プラズマを前記マスクの開口部幅方向にて前記開口部に拡散させることによりポリマーの生成を抑制するとともにエッチングに寄与する炭化水素系プラズマの濃度を制御する第２の工程を有することを特徴とする。
【００２２】
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。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る半導体素子の作製方法によれば、半導体からのＶ族原子の脱離を抑制しつつ同一面内でエッチング深さが異なる形状を簡易に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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体素子の作製方法を説明するための図であって、ＩｎＰ表面およびマスクの開口部のＩｎＰ表面における、酸素濃度とエッチング速度の関係を示すグラフである。
【図２】（ａ）はマスクの開口部幅の説明図であり、（ｂ）はマスクの開口部幅とエッチング速度およびマスク開口部中央領域の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図３】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導波路層の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法と比較するための比較例に係る半導体素子の作製方法で用いられるマスクの一例を示す図である。
【図５】比較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半導体素子の作製工程を示す図である。
【図６】比較例に係る半導体素子の作製方法の説明図であって、図６（ａ）に図５（ｂ）の上面を示し、図６（ｂ）に図６（ａ）のｂ−ｂ断面を示し、図６（ｃ）に図６（ａ）のｃ−ｃ断面を示し、図６（ｄ）に図６（ａ）のｄ−ｄ断面を示す。
【図７】本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法で用いられるマスクを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例に係る層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変化部に用いた半導体レーザ素子を示した図であって、図８（ａ）にその斜視を示し、図８（ｂ）に図８（ａ）におけるｂ−ｂ断面を示す。
【図９】本発明の第３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る。
【図１０】本発明の第３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回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの断面図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第３の実施例に係る回折格子における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り、（ｂ）は本発明の第３の実施例に係る回折格子を用いた場合と結合係数が８０ｎｍ-1一定の回折格子を用いた場合の反射スペクトルを示す図である。
【図１２】図９のマスク上のエッチング種の挙動を示す図である。
【図１３】（ａ）は膜厚の薄いマスクを用いる場合のエッチング種の挙動を示す図であり、（ｂ）は膜厚の厚いマスクを用いる場合のエッチング種の挙動を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施例に係る半導体素子の作製方法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。
【図１５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第４の実施例に係る半導体素子の作製方法において回折格子の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図である。
【図１６】本発明に係る半導体素子の作製方法で用いるマスクの他例を示す図である。
【図１７】（ａ）〜（ｆ）は、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を示す図である。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は、基本的なエッチング過程を示す図である。
【図１９】（ａ）〜（ｃ）は、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示す図である。
【図２０】（ａ）、（ｂ）は、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す図である。
【図２１】（ａ）〜（ｃ）は、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図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、図１および図２に基づいて以下に説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の形態のみに限定されるものではない。
【００２６】
本発明においては、上述の水素プラズマの代わりに、イオン化あるいは化学的に活性化（ラジカル化）された酸素のガスを供給することを特徴とする。なお、本願では、以降、イオン化あるいは化学的に活性化（ラジカル化）された酸素を酸素プラズマと呼ぶこととする。
酸素プラズマは水素プラズマのように半導体を構成するＶ族原子（例えば、ＩｎＰのＰ、ＧａＡｓのＡｓなど）の脱離を生じさせることはないので欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化は生じない。したがって、素子特性の劣化、導波光の散乱などの問題は生じない。
【００２７】
酸素プラズマを用いた場合の反応について詳細を以下に説明する。
【００２８】
従来の水素プラズマを供給する場合は以下の反応式で表される。
ＣＨ4＋Ｈ2＋ＩｎＰ→Ｉｎ有機化合物＋Ｐ水素化物  ・・・（１）
【００２９】
上述した化学反応式（１）に基づきエッチングが生じる。このとき、水素が不足すると余剰の炭化水素基を基にポリマーが生成されエッチングが進行しない。選択エッチングにおいては、マスクのないＩｎＰ表面では水素が不足してポリマーが生じてエッチングが進行せず、マスクの開口部におけるＩｎＰ表面ではマスク上の水素プラズマが前記開口部に拡散することにより水素プラズマが増加してエッチングが生じる。
【００３０】
水素プラズマの代わりに酸素プラズマを供給する場合には以下の反応式で表される。
ＣＨ4＋Ｏ2＋ＩｎＰ→Ｉｎ有機化合物＋Ｐ水素化物＋酸化炭素（CO、CO2等）・・（２）
【００３１】
上述した化学反応式（２）に基づき、炭化水素系プラズマは酸素プラズマと反応して炭化酸素プラズマになるので炭化水素系プラズマは減少する。この炭化水素系プラズマの変化によりＩｎＰ表面に生成されるポリマーが変化するので、エッチングの形態も変化する。
【００３２】
以下に、酸素プラズマ濃度の変化に伴う炭化水素系／酸素プラズマの反応の変化を説明する。ここでは、炭化水素系プラズマは酸素プラズマ、水素プラズマに比べて十分に高い濃度であるとする。したがって、以下の説明において、少量（低濃度）の酸素プラズマ、水素プラズマはマスクのチャージアップの有無により濃度が増減するが、炭化水素系プラズマは十分に多量（高濃度）でありマスクのチャージアップの有無による濃度の増減が炭化水素系プラズマ全体に比べて微量なのでエッチングの形態に影響を与えない。
【００３３】
（Ａ）酸素濃度が極めて低い場合
通常のＩｎＰ表面（マスクの無いＩｎＰ表面）においては、酸素プラズマと反応しなかった余剰のＣＨ4のプラズマ分解から少量の水素プラズマが生じるが、ＣＨ4プラズマが高濃度であるためポリマーが生成してエッチングが生じない。
【００３４】
一方、マスクを有するＩｎＰ表面におけるマスク開口部のＩｎＰ表面においては、プラズマ照射によりチャージアップしたマスクに水素プラズマおよび酸素プラズマ（主にイオン）が引き寄せられるがそれぞれ低濃度である。そこで、水素プラズマの濃度はエッチングを起こすには不足する。また、炭化水素系プラズマと反応する酸素プラズマが低濃度なので炭化水素系プラズマの減少はほとんどない。したがって、ＣＨ4プラズマが高濃度であるためポリマーが生成してエッチングは生じない。
【００３５】
（Ｂ）酸素濃度が低い場合
通常のＩｎＰ表面（マスクの無いＩｎＰ表面）においては、酸素プラズマと反応しなかった余剰のＣＨ4のプラズマ分解から少量の水素プラズマが生じるが、ＣＨ4プラズマが高濃度であるためポリマーが生成してエッチングは生じない。
【００３６】
一方、マスクを有するＩｎＰ表面におけるマスク開口部のＩｎＰ表面においては、プラズマ照射によりチャージアップしたマスクに水素プラズマおよび酸素プラズマ（主にイオン）が引き寄せられそれぞれ濃度が増加する。そこで、水素プラズマはエッチングを起こすのに十分な濃度に達するので、ポリマーが生成されずエッチングが生じる。また、酸素プラズマが炭化水素系プラズマと反応するので炭化水素系プラズマは減少するが、炭化水素系プラズマの濃度が十分あるのでエッチング速度はほとんど減少しない。
【００３７】
（Ｃ）酸素濃度が高い場合
通常のＩｎＰ表面（マスクの無いＩｎＰ表面）においては、酸素プラズマと反応しなかった余剰のＣＨ4のプラズマ分解から少量の水素プラズマが生じるが、高濃度の酸素プラズマと炭化水素系プラズマが反応して炭化水素系プラズマが減少するためポリマーが生成しない。このとき、ＩｎＰ表面（マスクの無いＩｎＰ表面）における水素プラズマの濃度が不足するのでエッチングは生じない。
【００３８】
一方、マスクを有するＩｎＰ表面におけるマスク開口部のＩｎＰ表面においては、プラズマ照射によりチャージアップしたマスクに水素プラズマおよび酸素プラズマ（主にイオン）が引き寄せられそれぞれ濃度が増加する。そこで、水素プラズマはエッチングを起こすのに十分な濃度に達するので、ポリマーが生成されずエッチングが生じる。また、酸素プラズマが炭化水素系プラズマと反応するので炭化水素系プラズマは減少する。そこで、酸素濃度の増加に伴いエッチング速度は減少する。
【００３９】
以上をまとめて、図１に、通常のＩｎＰ表面（点線、白丸、黒丸）とマスクを有するＩｎＰ表面でのマスク開口部のＩｎＰ表面（実線、白四角、黒四角）におけるエッチングの形態（エッチング速度）の酸素濃度依存性を示す。黒で示すプロット（黒丸、黒四角）は、ＩｎＰ表面にポリマーが生成されない場合を示し、白で示すプロット（白丸、白四角）は、ＩｎＰ表面にポリマーが生成される場合を示す。
【００４０】
図１に示すように、通常のＩｎＰ表面においては、酸素濃度を増加させてもエッチングは生じないが、酸素濃度の増加に伴い（Ａ）の領域（酸素濃度が極めて低い場合）および（Ｂ）の領域（酸素濃度が低い場合）ではポリマーが生成し、（ｃ）の領域（酸素濃度が高い場合）ではポリマーが生成しない。一方、マスクを有するＩｎＰ表面におけるマスク開口部のＩｎＰ表面においては、（Ａ）の領域（酸素濃度が極めて低い場合）では表面にポリマーが生成され、エッチングが生じない。酸素濃度を増加させると、（Ｂ）の領域（酸素濃度が低い場合）ではポリマーが生成されずエッチングが生じる。さらに、酸素濃度を増加させると、（Ｃ）の領域（酸素濃度が高い場合）では酸素濃度の増加に伴いエッチング速度が低下する。
【００４１】
以上より、（Ｃ）の領域（酸素濃度が高い場合）においては、ポリマーが生成することなく、通常のＩｎＰ表面ではエッチングが生じず、マスクを有するＩｎＰ表面におけるマスク開口部のＩｎＰ表面ではエッチングが生じる。すなわち、ポリマーの生成を伴わない選択エッチングが実現できる。
【００４２】
次に、上述の酸素濃度とエッチングの形態の関係を基に、（Ｃ）の領域（酸素濃度が高い場合）におけるマスク領域のマスク開口部幅の変化に伴うエッチングの形態について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は試料表面上に形成されるマスクの形状の一例を示し、図２（ｂ）はマスク開口部幅とエッチング速度およびマスク開口部中央領域における酸素濃度との関係を示す。図２（ｂ）において、実線がマスク開口部中央領域における酸素濃度との関係を示し、点線がエッチング速度との関係を示す。
【００４３】
マスク１１においてマスク開口部１２の開口部幅Ｗがマスク長さ方向（Ｘ方向）に対して変化しており（図２（ａ））、このマスク開口部においては上述のエッチング過程において開口部幅方向（Ｙ方向）にマスク表面から酸素プラズマが供給される。酸素プラズマはマスクからマスク開口部へ拡散するので、マスク開口部端部（マスクとの境界）で高濃度になり、マスク開口部中央部では低濃度になる。
【００４４】
したがって、図２（ｂ）に示すように、マスクの開口部幅が狭い場合にはマスク開口部中央領域での酸素プラズマ濃度は高く、マスクの開口部幅が広い場合にはマスク開口部中央領域での酸素プラズマ濃度は低くなる。ここで、炭化水素から分解する水素プラズマも酸素プラズマと同様の傾向の分布を示す。また、炭化水素系プラズマは、酸素プラズマおよび水素プラズマに比べて十分高濃度なのでマスクとマスク開口部においてほぼ一定の濃度で分布する。このような酸素プラズマ、水素プラズマ、および炭化水素系プラズマの濃度分布によって、マスクの開口部幅が狭い場合にはマスク開口部での酸素濃度が高いのでエッチング速度は遅く、マスクの開口部幅が広い場合にはマスク開口部での酸素濃度が低いのでエッチング速度は高くなる。このとき、マスク開口部のＩｎＰ表面においてポリマーは生成されない。このようなマスク開口部幅の変化によりエッチング速度、換言すればエッチング深さを変化させることができる。
【００４５】
以上のことから、酸素プラズマの所定の濃度に対して、開口部幅の異なる領域毎に、半導体表面にて前記酸素プラズマによりポリマーの生成を抑制しつつ前記半導体表面のエッチングが進行する状態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し、前記マスクが形成された前記半導体表面に炭化水素系プラズマおよび酸素プラズマを照射し、前記酸素プラズマを前記マスクの開口部幅方向にて前記開口部に拡散させることによりポリマーの生成を抑制するとともにエッチングに寄与する炭化水素系プラズマの濃度を制御することにより、半導体からのＶ族原子の脱離を抑制しつつ同一面内でエッチング深さが異なる形状を簡易に加工することができる。
【実施例１】
【００４６】
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３〜図７を参照して具体的に説明する。
【００４７】
図３は本実施例において作製される同一面内で層厚が変化する導波路層の断面図である。半導体素子は、図３に示すように、ｎ型ＩｎＰ１８００、ｎ型ＩｎＰ１８００上に設けられたＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層１８０１、この導波路層１８０１上に設けられたＩｎＰクラッド層１８０２を備える。
【００４８】
初めに、比較のために、炭化水素系ガスと水素を用いた選択エッチングを繰り返す工程の一例について説明する。
【００４９】
まず、図４に示すように、ｎ型ＩｎＰ上に積層したＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層６８０１の表面にマスク開口部６９０１の開口部幅６９０５が変化するマスク６９００を形成する。マスク開口部６９０１は、第一の開口部６９０２と、この開口部６９０２よりも幅広の第二の開口部６９０３と、この開口部６９０３よりも幅広の第三の開口部６９０４とで構成される。このマスク６９００において、例えば、第一の開口部６９０２の開口部幅を１．５μｍとし、第二の開口部６９０３の開口部幅を２．５μｍとし、第三の開口部６９０４の開口部幅を５．０μｍとする。マスク開口部外部のマスク幅６９０６を導波路長６９０７に対し一定であって、例えば４０μｍとする。導波路長６９０７を例えば５００μｍとする。
【００５０】
ここで、本実施例に係る半導体素子の作製方法を比較するための一例をなす比較例である、半導体素子を構成する導波路層の作製方法について、図５（ａ）〜（ｅ）および図６を参照して説明する。
【００５１】
ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層６８０１は、ｎ型ＩｎＰ６８００の上に設けられ、図５（ａ）の左右方向にて同一層厚で形成されている。
【００５２】
図５（ａ）に示すように、導波路層６８０１表面に上述のＳｉＯ2マスク６９００（図４参照）を形成する。この試料について、初めにメタンと水素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を例えばメタン流量が４０ｓｃｃｍ、水素流量が５ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、圧力が１０Ｐａで施すと、図５（ｂ）に示すように、マスク開口部の開口部幅が１．５μｍの第一の開口部においてエッチングが進行し、第二の開口部（開口部幅：２．５μｍ）と第三の開口部（開口部幅：５．０μｍ）の表面はポリマー６８１１が生成され凹凸はほとんど生じない。ただし、メタンプラズマをマスクが形成された半導体表面に照射しつつ、水素プラズマをマスク開口部の幅方向にてマスクの端部からマスク開口部へ向けて拡散させている。図６（ａ）〜（ｄ）に、図５（ｂ）の上面図とマスク開口部の開口部幅の異なる開口部毎の断面を示す。第二の開口部６９０３と第三の開口部６９０４においてほとんどの領域にポリマー６８１１が堆積するがマスク６９００との境界部分でのみエッチングが進行する。
【００５３】
引き続き、酸素プラズマを例えば酸素流量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。
【００５４】
次に、メタン流量、放電電力、ガス圧力を一定にして、水素流量を例えば１０ｓｃｃｍで施すと、図５（ｄ）に示すように、第一の開口部および第二の開口部においてエッチングが進行し、第三の開口部（開口部幅：５．０μｍ）の表面はポリマー６８１２が生成されエッチングされない。
【００５５】
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、堆積したポリマーが除去される。したがって、マスク開口部の開口部幅が１．５μｍの第一の開口部においては初めの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、第二の開口部の深さよりも深くなる。
【００５６】
次に、メタン流量、放電電力、ガス圧力を一定にして、水素流量を例えば２０ｓｃｃｍで施すと、図５（e）に示すように、第一の開口部、第二の開口部、および第三の開口部においてエッチングが進行する。この結果、エッチング深さは第一の開口部（開口部幅：１．５μｍ）、第二の開口部（開口部幅：２．５μｍ）、第三の開口部（開口部幅：５．０μｍ）の順に深くなる。
【００５７】
その後、マスクを除去し、表面上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）によりＩｎＰ層を積層することにより同一面内で層厚が変化する導波路構造が作製される。
【００５８】
次に、本実施例に係る半導体素子の作製方法による、半導体素子を構成する導波路層の作製方法について説明する。
【００５９】
まず、図７に示すように、ｎ型ＩｎＰ１８００上に積層したＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層１８０１の表面にマスク開口部１９０１の開口部幅が変化するマスク１９００を形成する。マスク開口部１９０１は、第一の開口部１９０２と、この開口部１９０２よりも幅狭の第二の開口部１９０３と、この開口部１９０３よりも幅狭の第三の開口部１９０４とで構成される。本実施例では、例えば、第一の開口部１９０２の開口部幅を５．０μｍとし、第二の開口部１９０３の開口部幅を２．５μｍとし、第三の開口部１９０４の開口部幅を１．５μｍとする。マスク開口部外部のマスク幅１９０６を導波路長１９０７に対し一定であって、例えば４０μｍとする。導波路長１９０７を例えば５００μｍとする。従来法の炭化水素系ガスと水素による選択エッチングに用いるマスク（図４参照）との相違は、従来法においてはマスク開口部における開口部幅の狭い領域が深いエッチング深さに対応すると共に、マスク開口部における開口部幅の広い領域が浅いエッチング深さに対応するのに対して、本実施例においてはマスク開口部における開口部幅の狭い領域が浅いエッチング深さに対応すると共に、マスク開口部における開口部幅の広い領域が深いエッチング深さに対応することである。
【００６０】
この試料について、初めにメタンと酸素の混合ガスを用いたＲＩＥを例えばメタン流量４０ｓｃｃｍ、酸素流量２００ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、ガス圧力が１０Ｐａで施すと、上述のようにマスク開口部の開口部幅の増加に伴い、開口部中央領域でエッチング速度が増加するので（例えば、図２（ｂ）参照）、開口部幅が１．５μｍの第三の開口部１９０４、第二の開口部（開口部幅：２．５μｍ）１９０３、第一の開口部（開口部幅：５．０μｍ）１９０２の順でエッチング深さが増加する。このとき、ＩｎＰ表面にはポリマーは生成されない。ここで、エッチング工程において、酸素流量を変化させてエッチング速度を変化させることにより、エッチング深さ形状を他の形状に変化させることができ、導波路層厚を変化させることができる。
【００６１】
上述のエッチング工程が終了した後、マスクを除去し、表面上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、ＩｎＰ層を積層することにより、同一面内で層厚が変化する導波路構造が作製される。
【００６２】
このように、本実施例に係る半導体素子の作製方法を用いれば、マスク開口部のＩｎＰ表面にエッチングが生じる一方、ＩｎＰ表面にポリマーが生成されないので、ポリマーを除去するための酸素プラズマ照射の工程が不要になり、全体のプロセス工程が簡略化できる。
【００６３】
水素を用いないので過剰の水素プラズマに半導体と反応することがなく、半導体表面でのＶ族原子（例えばＩｎＰにおけるＰ、ＧａＡｓにおけるＡｓなど）の脱離が過剰に生じて欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化が生じることがない。したがって、欠陥のない高品質の結晶が提供され良好な素子特性を得ることができる。また、良好な表面モフォロジーにより光散乱ない導波路層が提供される。
【００６４】
本実施例において、３つのマスク開口部の開口部幅を有すマスクを用いて深さが３段階変化するエッチングについて説明したが、より多数のマスク開口部の開口部幅を有すマスクを用いて、その開口部幅に応じた圧力（拡散距離）の条件下でメタン／酸素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。
【実施例２】
【００６５】
本発明に係る第２の実施例に係る半導体素子の作製方法について、図８を参照して具体的に説明する。
図８（ａ）に、本実施例に係る層厚が変化する導波路構造をスポットサイズ変化部に用いた半導体レーザ素子の斜視を示し、図８（ｂ）に図８（ａ）におけるｂ−ｂ断面を示す。
【００６６】
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半導体レーザ素子は出射光部分にスポットサイズ変換部を有することを特徴とする。スポットサイズ変換部とは素子からの出射光の光ファイバに入射する効率（結合効率）を向上させるために発光ビーム径を広げるものである。このスポットサイズ変換部では導波層の厚みを徐々に薄くすることにより光分布をクラッド層に染み出させてスポットサイズを大きくする。
【００６７】
本実施例に係る半導体レーザ素子は、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板２８００、ｎ型ＩｎＰバッファ層２８０１、活性層２８０２、スポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層２８０３、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層２８０４、ｐ型ＩｎＰ埋込み層２８０５、ｎ型ＩｎＰ埋込み層２８０６、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８０７、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層２８０８、ＳｉＯ2層２８０９、ｎ型オーミック電極２８１０、ｐ型オーミック電極２８１１を備える。活性層２８０２はＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層、６層のＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸（歪量：０．８％）層と５層のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）障壁層の多重量子井戸層からなる活性層（発光波長：１．３μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層からなる。
【００６８】
このレーザ構造におけるスポットサイズ変換部の作製方法を説明する。
活性層２８０２に隣接するスポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層２８０３の表面に、例えば第１の実施例と同様のＳｉＯ2マスクを形成する。このＳｉＯ2マスクにおいては、活性層との境界側のマスク開口部幅が狭く出射端側のマスク開口部幅が広い形状を有する。同時に活性層表面は全面マスクで覆われている。
【００６９】
この試料について第１の実施例で示すドライエッチングを施すと、エッチング深さは活性層の境界側で浅く出射端側で深くなる。次に、マスクを除去し、ＩｎＰクラッド層を積層した後に、メサ形成用ストライプマスクを形成してメサ構造に加工することによりスポットサイズ変換部が形成される。この構造について、ｐｎ構造埋め込み層の成長、クラッド層とコンタクト層の成長後に、電極形成することにより本実施例に係る半導体レーザ素子の構造が作製される。
【００７０】
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、簡易に層厚が変化する導波路層（スポットサイズ変換部）を作製することができる。作製された素子は導波路層（スポットサイズ変換部）での光損失が低減され、室温におけるしきい値電流が６．７ｍＡ、効率が０．４２Ｗ／Ａである良好な特性を示す。
【実施例３】
【００７１】
本発明の第３の実施例に係る半導体素子の作製方法について、図９〜図１１を参照して説明する。
図９に、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。
【００７２】
図９に示すように、マスク３９００の開口部幅（回折格子部分）３９０５は、第１の実施例と同様に設定する。すなわち、本実施例では、マスク３９００は、マスク開口部３９０１の開口部幅３９０５が変化しており、複数（図示例では５つ）の第一の開口部３９０２と、第一の開口部３９０２よりも幅狭である複数（図示例では８つ）の第二の開口部３９０３と、第二の開口部３９０３よりも幅狭である複数（図示例では９つ）の第三の開口部３９０４と備える。回折格子外部のマスク幅３９０６は一定である。本実施例では、例えば、第一の開口部３９０２の開口部幅を５．０μｍとし、第二の開口部３９０３の開口部幅を２．５μｍとし、第三の開口部３９０４の開口部幅を１．５μｍとし、マスク幅３９０６を４０μｍとし、マスク長３９０７を５００μｍとする。
【００７３】
まず、ｎ型ＩｎＰ上に積層したＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層３８０１の表面にマスク開口部３９０１の開口部幅が変化するマスク３９００を形成する。この試料について、メタンと酸素の混合ガスを用いたＲＩＥを例えばメタン流量４０ｓｃｃｍ、酸素流量２００ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、ガス圧力が１０Ｐａで施すと、上述のようにマスク開口部の開口部幅の増加に伴いエッチング速度が増加するので、開口部幅が１．５μｍの第三の開口部３９０４、第二の開口部（開口部幅：２．５μｍ）３９０３、第一の開口部（開口部幅：５．０μｍ）３９０２の順でエッチング深さが増加する。このとき、ＩｎＰ表面にポリマーは生成されない。このように深さの異なる回折格子を形成することができる。ここで、エッチング工程において酸素流量を変化させてエッチング速度を変化させることにより、エッチング深さ形状を他の形状に変化させることができる。
【００７４】
上述のエッチング工程が終了した後、マスクを除去し、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１０に示すような、回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの素子構造が作製される。
【００７５】
図１０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を用いたＤＢＲ半導体レーザの断面図である。このＤＢＲ半導体レーザは、図１０に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３１５０、ｎ型ＩｎＰバッファ層３１５１、回折格子３１５２、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層３１５３、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）３１５４、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）３１５５、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層３１５６、ｐ型ＩｎＰクラッド層３１５７、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層３１５８、ｎ型オーミック電極３１５９、ｐ型オーミック電極３１６０を備える。
【００７６】
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３１５２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５ｎｍ、素子中央部で深くなっており３０ｎｍである。
【００７７】
図１１（ａ）、（ｂ）に、図１０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１１（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。回折格子の深さが素子両端部で５ｎｍ、中央部で３０ｎｍとなるように変化させることにより、結合係数κは素子両端部で５ｃｍ-1、中央部で８０ｃｍ-1と変化する（図１１（ａ）の実線Ｌ１参照）。
【００７８】
図１１（ｂ）のＬ２にこの回折格子（図１１（ａ）のＬ１に示す特性を有す回折格子）を用いた場合の反射スペクトルを示す。比較のため、図１１（ｂ）のＬ３に結合係数が８０ｎｍ-1一定の場合の反射スペクトルを示す。図１１（ｂ）に示すように、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（図１１（ａ）のＬ１に示す特性を有す回折格子）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。
【００７９】
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、深さ（結合係数）が変化する回折格子を簡易に作製することができる。作製された素子は回折格子における表面の凹凸が抑制されるため、光損失が低減され、設計通りにサイドモードが抑制された特性を示す。
【００８０】
さらに、水素を用いないので過剰の水素プラズマが半導体と反応することはなく、半導体表面でのＶ族原子（例えばＩｎＰにおけるＰ、ＧａＡｓにおけるＡｓなど）の脱離が過剰に生じて欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化が生じることがない。したがって、欠陥のない高品質の結晶が提供され良好な素子特性を得ることができる。また、良好な表面モフォロジーにより光散乱ない導波路層が提供される。
【００８１】
本実施例において、３つのマスク開口部の開口部幅を有すマスクを用いて深さが３段階変化するエッチングについて説明したが、より多数のマスク開口部の開口部幅を有すマスクを用いて、その開口部幅に応じた圧力（拡散距離）の条件下でメタン／酸素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。
【実施例４】
【００８２】
本発明の第４の実施例に係る半導体素子の作製方法について、図１２〜図１５を参照して説明する。
本実施例では、面内で深さが変化する回折格子の作製方法について説明する。本実施例では回折格子部分のマスク（格子状マスク）の厚さと回折格子外部のマスク（開口部幅調整マスク）の厚さとが異なることを特徴とする。
【００８３】
まず、回折格子部分のマスクの厚さと回折格子外部のマスクの厚さとが異なる点（作用）について説明する。
【００８４】
図１２に、図９に示す形状のマスク上におけるエッチング種の動きを示す。第３の実施例で使用したマスクを用いて回折格子を作製する場合には、図１２に示すように回折格子外部のマスク（開口部幅調整マスク）４０１２上に飛来したエッチング種（酸素プラズマ）４０２２だけでなく回折格子部分のマスク（格子状マスク）４０１１上に飛来したエッチング種（酸素プラズマ）４０２１もエッチングに影響を与える。そのため、回折格子のエッチング形状の制御が困難になる。
【００８５】
次に、上述の表面にマスクを形成した半導体のドライエッチングにおいてマスクの厚さの異なる場合について説明する。図１３（ａ）に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１３（ｂ）に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。
【００８６】
図１３（ａ）に示すように、膜厚の薄いマスク４１１１を用いて半導体４１１０の表面を覆った場合には、プラズマ照射時のマスク４１１１のチャージアップ量が小さいのでマスク４１１１に誘引される酸素プラズマ４１１２は少ない。したがって、酸素プラズマと炭化水素基の反応により生成される酸化炭素は少なく炭化水素基は減少しないのでポリマーの生成は抑制されない。
【００８７】
一方、図１３（ｂ）に示すように、膜厚の厚いマスク４１２１を用いて半導体４１２０の表面を覆った場合には、プラズマ照射時のマスク４１２１のチャージアップ量が膜厚の厚い分増加するので、マスク４１２１に誘引される酸素プラズマ４１２２も増加する。その結果、酸素プラズマと炭化水素基が反応して酸化炭素が生成され炭化水素基が減少するのでポリマーの生成は、抑制される。したがって、炭化水素基から分解された少量の水素プラズマによってエッチングが生じる。
【００８８】
そこで、回折格子外部のマスク（開口部幅調整マスク）４０１２（図１２参照）の厚さを回折格子部分のマスク（格子状マスク）４０１１（図１２参照）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のマスク４０１２上からのエッチング種（酸素プラズマ）の寄与が大きく、マスク厚の薄い回折格子部分のマスク４０１１からのエッチング種（酸素プラズマ）の寄与を小さくできる。したがって、マスク開口部幅の狭い領域では、膜厚の薄い回折格子部分のマスク４０１１からマスク開口部への酸素プラズマの供給はほとんどないが、膜厚の厚い回折格子外部のマスク４０１２上から拡散してマスク開口部へ供給される酸素プラズマは開口部中央まで到達して炭化水素系プラズマと反応してポリマーの生成を抑制させると共に、エッチングに寄与する炭化水素系プラズマの濃度を減少させるので、開口部中央付近でエッチング速度が遅くなる。一方、マスク開口部幅の広い領域では、膜厚の薄い回折格子部分のマスク４０１１からマスク開口部への酸素プラズマの供給はほとんどなく、膜厚の厚い回折格子外部のマスク４０１２上から拡散してマスク開口部へ供給される酸素プラズマは、マスク開口部中央では低濃度になるためエッチングに寄与する炭化水素系プラズマの濃度の減少は抑制されるので、開口部中央付近ではエッチング速度は速くなる。
【００８９】
このようなことから、上述のマスク（開口部幅調整マスクの厚さが格子状マスクの厚さに比べて厚いマスク）を用いれば、膜厚の薄い回折格子部分のマスク４０１１からマスク開口部への酸素プラズマの供給の影響を抑制して、マスク開口部幅の狭い領域では開口部中央付近でのエッチング深さを浅く、マスク開口部幅の広い領域では深くすることができる。
【００９０】
図１４に、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１４に示すように、マスク４９００は、格子状マスク４９１０と開口部幅調整マスク４９２０を備える。格子状マスク４９１０には、ＳｉＯ2部と窓部（開口部）が所定の周期（ピッチ）で形成されている。格子状マスク４９１０は、回折格子長４９０７に対しマスク開口部４９０１の開口部幅４９０５が変化している。マスク開口部４９０１は、複数（図示例では４つ）の第一の開口部４９０２と、第一の開口部４９０２より幅狭である複数（図示例では１０個）の第二の開口部４９０３と、第二の開口部４９０３より幅狭である複数（図示例では８つ）の第三の開口部４９０４とを備える。開口部幅調整マスク４９２０のマスク幅４９０６は、回折格子長４９０７に対し一定である。格子状マスク４９１０の厚さは、開口部幅調整マスク４９２０の厚さよりも薄く形成される。
【００９１】
本実施例では、例えば、ＳｉＯ2で形成される回折格子部分のマスク（格子状マスク）４９１０の厚さを３０ｎｍとし、回折格子の長さ４９０７を５００μｍとし、格子幅４９０５が変化しており素子中央部から素子両端に向かって、第一の開口部４９０２を７．５μｍとし、第二の開口部４９０３を３．７μｍとし、第三の開口部４９０４を１．８μｍとする。また、ピッチ（周期）４９１１を例えば２４０ｎｍ（ＳｉＯ2部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）とする。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）４９２０の厚さを例えば１μｍとし、マスク幅４９０６を例えば２０μｍとする。なお、上記では、格子状マスク４９１０が第１のマスク部をなし、開口部幅調整マスク４９２０が第２のマスク部をなしている。
【００９２】
図１５（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４３１０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上に回折格子部分作製用のＳｉＯ2マスク４３１１が形成される（図１５（ａ））。
【００９３】
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４３２１を形成する（図１５（ｂ））。ＳｉＮX膜４３２１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４３３１を作製する（図１５（ｃ））。このレジストパターン４３３１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４３３１をマスクとしてフッ化硫黄系ガス（ＳＦ8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４３４１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（ＳＦ8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４３３１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１５（ｄ））。なお、上記では、ＳｉＯ2マスク４３１１が第１のマスク部をなし、ＳｉＮX膜４３４１が第２のマスク部をなしている。
【００９４】
まず、ｎ型ＩｎＰ上に積層したＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層４８０１の表面に、上述した、格子状マスク４９１０の膜厚（層厚）が開口部幅調整マスク４９２０の膜厚（層厚）よりも薄く、マスク開口部４９０１の開口部幅４９０５が変化するマスク４９００を形成する。この試料について、メタンと酸素の混合ガスを用いたＲＩＥを例えばメタン流量４０ｓｃｃｍ、酸素流量２００ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、ガス圧力が１０Ｐａで施すと、上述のように開口部幅の増加に伴いエッチング速度が増加するので、マスク開口部のマスク開口部幅が１．８μｍの第三の開口部４９０４、第二の開口部（開口部幅：３．７μｍ）４９０３、第一の開口部（開口部幅：７．５μｍ）４９０２の順でエッチング速度が増加する。このとき、ＩｎＰ表面にポリマーは生成されない。このように深さの異なる回折格子を形成することができる。ここで、エッチング工程において酸素流量を変化させてエッチング速度を変化させることにより、エッチング深さ形状を他の形状に変化させることができる。
【００９５】
上述のエッチング工程が終了した後、マスクを除去し、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１０に示すような素子構造が作製される。
【００９６】
このように、本実施例に係る半導体素子の作製方法を用いれば、マスク開口部のＩｎＰ表面にエッチングが生じる一方、ＩｎＰ表面にポリマーが生成されないので、ポリマーを除去するための酸素プラズマ照射の工程が不要になり、全体のプロセス工程が簡略化できる。
【００９７】
水素を用いないので過剰の水素プラズマが半導体と反応することはなく、半導体表面でのＶ族原子（例えばＩｎＰにおけるＰ、ＧａＡｓにおけるＡｓなど）の脱離が過剰に生じて欠陥（Ｖ族原子空格子）の誘起または表面モフォロジーの劣化が生じることがない。したがって、欠陥のない高品質の結晶が提供され良好な素子特性を得ることができる。また、良好な表面モフォロジーにより光散乱ない回折格子が提供される。
【００９８】
本実施例において、３つのマスク開口部の開口部幅を有すマスクを用いて深さが３段階変化するエッチングについて説明したが、より多数のマスク開口部の開口部幅を有すマスクを用いて、その開口部幅に応じた圧力（拡散距離）の条件下でメタン／酸素ＲＩＥを施すことにより、より多段で深さが変化するエッチングを行うことができる。このようなマスクを用いて作製された回折格子は第４の実施例と同様の特性を有する。
【００９９】
本実施例において、開口部中央領域でのエッチング形状（深さ）について着目した。これは、実際のデバイスにおいてはメサ構造が採用されるため、マスク開口部の両端部はメサ形成時に切り落とされるので問題とならないからである。
【０１００】
本実施例ではマスクにおける開口部外部のマスク幅を一定としたが、マスク開口部に拡散する酸素プラズマがマスク上にて拡散する距離を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１６に示すような形状のマスク５９００でもよい。マスク５９００は、マスク開口部５９０１の開口部幅５９０５が導波路長５９０７に対し変化し、第一の開口部５９０２と、この開口部５９０２よりも幅狭の第二の開口部５９０３と、この開口部５９０３よりも幅狭の第三の開口部５９０４とを備える。マスク５９００におけるマスク開口部外部のマスク幅５９０６は導波路長５９０７に対し変化している。
【０１０１】
本実施例では、回折格子の深さを５ｎｍ−３０ｎｍに設定したが、この深さに限られることはなく素子内で回折格子の深さが一定でなく変化していれば同様の効果が得られる。この際、回折格子の深さが素子長方向に対称である必要もない。この深さに対応して変化する結合係数も５ｃｍ-1−８０ｃｍ-1に設定したが、この値に限られることはない。
【０１０２】
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ても可能である。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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明に係る半導体素子の作製方法は、半導体からのＶ族原子の脱離を抑制しつつ同一面内でエッチング深さが異なる形状を簡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。
【符号の説明】
【０１０６】
１１          マスク
１２          マスク開口部
１８００      ｎ型ＩｎＰ基板
１８０１      ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層
１８０２      ＩｎＰクラッド層
１９００      マスク
１９０１      マスク開口部
１９０２      第一の開口部
１９０３      第二の開口部
１９０４      第三の開口部
１９０５      開口部幅
１９０６      マスク幅
１９０７      導波路長
２８０１      ｎ型ＩｎＰバッファ層
２８０２      活性層
２８０３      スポットサイズ変換用ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層
２８０４      ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）ガイド層
２８０５      ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
２８０６      ｎ型ＩｎＰ埋め込み層
２８０７      ｐ型ＩｎＰクラッド層
２８０８      ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．６５μｍ）コンタクト層
２８０９      ＳｉＯ2層
２８１０      ｎ型オーミック電極
２８１１      ｐ型オーミック電極
３１５０      ｎ型ＩｎＰ基板
３１５１      ｎ型ＩｎＰバッファ層
３１５２      回折格子
３１５３      ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層
３１５４      活性層（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）
３１５５      ＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層
３１５６      ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層
３１５７      ｐ型ＩｎＰクラッド層
３１５８      ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層
３１５９      ｎ型オーミック電極
３１６０      ｐ型オーミック電極
３８０１      導波路層
３９００      マスク
３９０１      マスク開口部
３９０２      第一の開口部
３９０３      第二の開口部
３９０４      第三の開口部
３９０５      開口部幅
３９０６      マスク幅
３９０７      マスク長
４０１１，４０１２  マスク
４０２１，４０２２  エッチング種（酸素プラズマ）
４１１０，４１２０  半導体
４１１１，４１２１  マスク
４１１２，４１２２  エッチング種
４３１０      ＩｎＰクラッド層
４３１１      回折格子部分作製用のＳｉＯ2マスク
４３２１，４３４１  窒化シリコン（ＳｉＮx）膜
４３３１      レジストパターン
４９００      マスク
４９０１      マスク開口部
４９０２      第一の開口部
４９０３      第二の開口部
４９０４      第三の開口部
４９０５      格子幅
４９０６      マスク幅
４９０７      回折格子の長さ
４９１０      回折格子部分のマスク（格子状マスク）
４９１１      ピッチ
４９２０      回折格子外部のマスク（開口部幅調整マスク）
５９００      マスク
５９０１      マスク開口部
５９０２      第一の開口部
５９０３      第二の開口部
５９０４      第三の開口部
５９０５      開口部幅
５９０６      マスク幅
５９０７      導波路長
【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】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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