(57)【要約】【課題】同一ウエハ面内でエッチング深さが異なる形状を容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】開口部幅の異なる領域毎に、半導体表面のエッチングが進行する第１の状態、または半導体表面にポリマーが生成される第２の状態のどちらか一方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１９０２，１９０３，１９０４を有するマスク１９００を半導体１８０１表面に形成すると共に、マスク１９００の周辺にマスクの開口部に供給される水素プラズマ濃度を制御するための周辺窓を有する周辺マスクを形成する第１の工程と、メタンプラズマおよび水素プラズマをマスクが形成された半導体表面に照射する第２の工程を有するようにした。【選択図】図５
2012199310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系プラズマと水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、
前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第１の状態、または前記半導体表面にポリマーが生成される第２の状態のどちらか一方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と共に、前記マスクの周辺に前記マスクの開口部に供給される水素プラズマ濃度を制御するための窓領域を有する周辺マスクを形成する第１の工程と、
前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを前記マスクが形成された前記半導体表面に照射する第２の工程を有し、
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。
【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
前記第１の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ照射により除去する第３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３】
請求項２に記載の半導体素子の作製方法において
前記第２の工程における、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも１つの領域において発現する前記状態を、前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに変化させるように、プラズマ条件を変化させる第４の工程をさらに有し、
前記第４の工程の後に前記第２の工程をさらに行う
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、同一ウエハ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１１（ａ）〜（ｆ）に示す。試料（例えばＩｎＰ結晶）１１１０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）１１２０で覆った（図１１（ａ））後にエッチングする(図１１（ｂ）)。次に、１回目のエッチング用のマスクを除去した（図１１（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１１３０で覆い（図１１（ｄ））、さらにエッチングし（図１１（ｅ））、マスクを除去する（図１１（ｆ））というプロセスを繰り返さなくてはならない。
【０００４】
半導体光素子作製において、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１２（ａ）〜（ｃ）に示す。図１２（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４１１とエッチング種（エッチングガス）４１２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１３（ａ）〜（ｃ）に示す。図１３（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５１２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５１３に用いて覆った場合、マスク５１３上のエッチング種５１２は拡散してマスクで覆われていない半導体５１１の表面に到達する。この結果、マスク５１３近傍の半導体５１１の表面ではエッチング種５１２の密度が増加する。このエッチング種５１２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、本明細書では、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（ＳｉＯ2など）マスク表面においては炭化水素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１４（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１５（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６２１に対して水素プラズマ６２２は試料（ＩｎＰ）６１０の表面に均一に分布する（図１４（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６３１が生成され、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない（図１４（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７２１に対して水素プラズマ７２２は試料（ＩｎＰ）７１０の表面に形成されたマスク７１１の上に、またマスク７１１のマスク開口部７１１ａの試料７１０の表面にも均一に分布する（図１５（ａ））。マスク上ではマスク材料（ＳｉＯ2）はエッチングされないのでメタンプラズマ７２１はエッチングに寄与することなくポリマー７３１が生成される。マスク上の水素プラズマ７２２はメタンプラズマ７２１と反応することなくマスク上を拡散してマスク開口部７１１ａに凝集する。その結果、マスク開口部７１１ａでの水素プラズマ７２２の濃度は増加する（図１５（ｂ））。したがって、マスク開口部７１１ａでは水素プラズマ７２２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１５（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。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。
【００１５】
しかしながら、この方法を用いて回折格子を作製する場合には、図１６に示すように回折格子外部部分のマスク８２上に飛来したエッチング種８４だけでなく回折格子部分のマスク８１上に飛来したエッチング種８３もエッチングに影響を与えるため、回折格子のエッチング形状の制御が困難になる。
【００１６】
この問題を解消するために厚さの異なるマスクを用いる方法が発明された（例えば、下記の特許文献２参照）。以下にこの方法について、図１７（ａ）および図１７（ｂ）を用いて説明する。図１７（ａ）にマスク厚（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１７（ｂ）にマスク厚（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。
【００１７】
図１７（ａ）に示すように、マスク厚の薄いマスク１０１１を用いた場合には、エッチング種１０１２は半導体１０１０の表面からマスク端を越えてマスク１０１１上に拡散できるので半導体１０１０の表面上のエッチング種１０１２の密度は高くならない。したがって、半導体のエッチング速度は増加しない。一方、図１７（ｂ）に示すように、マスク厚の厚いマスク１０２１を用いた場合には、エッチング種１０２２はマスク端が障壁となりマスク端を越えられないため、エッチング種１０２２が半導体１０２０の表面に閉じ込められて半導体１０２０の表面上におけるエッチング種１０２２の密度は増加する。したがって、マスクがより厚くなると、半導体のエッチング速度が増加する。
【００１８】
または、マスク厚（膜厚）の薄いマスク（例えば、図１７（ａ）に示すようなマスク１０１１）を用いる場合には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量が少ないのでマスクに引き寄せられるエッチング種（主にイオン）が少ないため半導体のエッチング速度は増加しないとも考えられる。一方、マスク厚（膜厚）の厚いマスク（例えば、図１７（ｂ）に示すようなマスク１０２１）を用いる場合には、プラズマ照射時のマスクのチャージアップ量が増加するのでマスクに引き寄せられるエッチング種（主にイオン）が増加して半導体のエッチング速度が増加するとも考えられる。
【００１９】
そこで、回折格子外部部分のマスク８２（図１６参照）の厚さを回折格子部分のマスク８１（図１６参照）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から開口部へ開口部幅方向（Ｙ方向）に拡散するエッチング種の寄与が大きく、マスク厚の薄い回折格子部分から開口部へ回折格子方向（Ｘ方向）に拡散するエッチング種の寄与を小さくできる。したがって、厚層マスク幅（マスク厚が厚いマスクのマスク幅）の広い領域ではマスク上で反応しないエッチング種が多量に開口部に拡散することにより開口部でのエッチング種は高濃度になりエッチング速度が増加する。一方、厚層マスク幅の狭い領域ではマスク上で反応せずに開口部に拡散するエッチング種はマスク幅の広い領域に比べて少量となりエッチング速度は遅くなる。したがって、マスク幅の広い領域ではエッチング深さは深くマスク幅の狭い領域では浅くなる。
【００２０】
または、厚層マスク幅を一定にしたとき、厚層マスク開口部幅（マスク厚が厚いマスクの開口部幅）の狭い領域では厚層マスク（マスク厚が厚いマスク）から拡散するエッチング種が開口部全域に行き渡るのでエッチング速度が増加する。一方、厚層マスク開口部幅の広い領域では厚層マスクから拡散するエッチング種が開口部全域に行き渡らないのでエッチング速度が減少する。
【００２１】
前述の炭化水素プラズマと水素プラズマをエッチングガスに用いるとき、炭化水素プラズマが高濃度であれば厚層マスクから開口部への水素プラズマの拡散によって開口部においてエッチングが生じるか、ポリマーが生成されるか、が決定される。したがって、厚層マスク幅を一定にしたとき、厚層マスク開口部幅の狭い領域では厚層マスクから拡散する水素プラズマが開口部全域に行き渡るのでエッチングが進行する。一方、厚層マスク開口部幅の広い領域では厚層マスクから拡散する水素プラズマが開口部全域に十分行き渡らないのでポリマーが生成してエッチングが進行しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００４−２４７７１０号公報
【特許文献２】特開２００６−３２５７３号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】熊谷  他編、「真空の物理と応用」、裳華房、１９７０年、ｐ.３３、４４、８９
【非特許文献２】N. Asahi and Y. Nakamura, "Nuclear magnetic resonance and molecular dynamics study of methanol up to the supercritical region", JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, Vol.109, No.22, 8 DECEMBER 1998, p.9879-9887
【非特許文献３】A. S. Grove, "Physics and Technology of Semiconductor Devices", John Wiley and Sons, Inc., New York, London, Sydney, 1967年, p.46
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
上述の選択エッチングにより加工される深さ形状は、同一ウエハ面内ではプラズマ条件（ガス流量、圧力、パワーなど）が同じなので、マスク形状が素子ごとに同一であればウエハ面内で深さ形状も素子ごとに同一になる。ウエハ面内で素子ごとに（マスクごとに）異なる深さで加工するには、マスクごとに異なる開口部幅を設定しなくてはならない。ここで開口部幅はマスクから開口部への水素プラズマの拡散距離を考慮して決める必要がある。
【００２５】
しかしながら、水素プラズマの拡散距離はプラズマ条件の僅かな変動に影響されるので開口部幅により加工する深さを同一ウエハ面内で変化させるのは簡単ではない。また、プラズマ条件の僅かな変動により加工される形状が設計値からずれるので、作製マージンが低下することも問題になる。
【００２６】
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、同一ウエハ面内で素子ごとにエッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく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】
【００２７】
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水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、前記開口部幅の異なる領域毎に、前記半導体表面のエッチングが進行する第１の状態、または前記半導体表面にポリマーが生成される第２の状態のどちらか一方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と共に、前記マスクの周辺に前記マスクの開口部に供給される水素プラズマ濃度を制御するための窓領域を有する周辺マスクを形成する第１の工程と、前記炭化水素系プラズマおよび前記水素プラズマを前記マスクが形成された前記半導体表面に照射する第２の工程を有し、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。
【００２８】
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、前記第１の工程において前記半導体表面に堆積した前記ポリマーを、酸素を有するプラズマ照射により除去する第３の工程を有することを特徴とする。
【００２９】
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、前記第２の工程における、前記開口部幅の異なる領域のうち少なくとも１つの領域において発現する前記状態を、前記第１の状態および前記第２の状態のいずれかに変化させるように、プラズマ条件を変化させる第４の工程をさらに有し、前記第４の工程の後に前記第２の工程をさらに行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る半導体素子の作製方法によれば、同一ウエハ面内で素子ごとにエッチング深さが異なる形状を簡単に、且つ精度よく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】
【００３１】
【図１】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２】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ウエハ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の開口部へ供給される水素プラズマ濃度を制御するための周辺窓の説明図であって、図２（ａ）に周辺窓が無い状態を示し、図２（ｂ）に周辺窓を配した状態の一例を示し、図２（ｃ）にその他例を示す。
【図３】周辺窓の配置方法の一例を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、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回折格子を作製するために使用す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５】（ａ）〜（ｅ）は、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ウエハ面内で層厚が変化する回折格子の作製工程を示す図である。
【図６】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た回折格子の説明図であって、図６（ａ）に図２（ａ）に示すマスクのみを用いた場合を示し、図６（ｂ）に図２（ｂ）に示すマスクおよび周辺窓を用いた場合を示し、図６（ｃ）に図２（ｃ）に示すマスクおよび周辺窓を用いた場合を示す。
【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により作製される回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの構造を示す図である。
【図８】（ａ）は本発明の第１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１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９】（ａ）は図２（ａ）〜（ｃ）に示すマスクパターンを用いて作製された各素子の回折格子の一端からの距離と結合係数κとの関係を示す図であり、結合係数と反射特性の関係を示す図であり、（ｂ）は各素子の反射特性を示す図である。
【図１０】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１１】（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１２】（ａ）〜（ｃ）は、基本的なエッチング過程を示す図である。
【図１３】（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１４】（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１５】（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。
【図１６】マスク上のエッチング種の挙動を示す図である。
【図１７】（ａ）はマスク厚（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）はマスク厚（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。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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、実施例にて具体的に説明する。
【実施例１】
【００３３】
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１〜図８を参照して説明する。
図１は、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って、本実施例において試料表面に形成するＳｉＮx／ＳｉＯ2マスクを示す図である。
【００３４】
まず、図１に示すように、試料（ＩｎＰ）１８０１の表面にマスク開口部の格子幅（マスク開口部幅）１９０５が変化するマスク１９００を形成する。マスク１９００は、ＳｉＯ2で形成される回折格子部分のマスク（格子状マスク）１９１０の厚さ（マスク厚）が２０ｎｍ、回折格子の長さ１９０７が５００μｍ、格子幅１９０５が変化しており素子中央部から素子両端に向かって１．８μｍ、３．７μｍ、７．５μｍである。また、ピッチ（周期）１９１１は２４０ｎｍ（ＳｉＯ2部：１２０ｎｍ、窓部：１２０ｎｍ）である。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）１９２０の厚さ（マスク厚）が１μｍ、マスク幅１９０６は２０μｍで一定である。なお、上記では、格子状マスク１９１０が第１のマスク部をなし、開口部幅調整マスク１９２０が第２のマスク部をなしている。
【００３５】
ウエハ表面において、上述のマスク１９００の周辺における所定の領域に窓部をなす周辺窓（開口部）を配する。具体的には、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、試料（ＩｎＰ）１８０１表面にて、上述のマスク１９００の周辺に周辺マスク１７０１を形成し、マスク１９００の周辺における（マスク１９００の輪郭に沿う）１００μｍの幅１９０８の領域に、窓部をなす周辺窓（開口部）１９３０を複数配する。各周辺窓１９３０は１辺が２０μｍの正方形である。図２（ｂ）においては、隣接する周辺窓１９３０間の間隔ｄ２が４０μｍである。図２（ｃ）においては、隣接する周辺窓１９３０間の間隔ｄ１が５μｍである。参考のため、図２（ａ）にウエハの表面において、上述のマスク１９００の周辺に周辺マスク１７０１を形成し、上述の周辺窓１９３０を配さない場合を示す。
【００３６】
図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように周辺窓１９３０を配した試料（ウエハ）１８０１表面に炭化水素系プラズマと水素プラズマを照射した場合、炭化水素系プラズマはマスク上で互いが反応してポリマーを形成するが、周辺窓１９３０上に飛来した水素プラズマは試料（ＩｎＰ）１８０１表面上で炭化水素プラズマと反応して試料（ＩｎＰ）１８０１をエッチングするので、エッチングに消費される分の水素プラズマがマスク１９００の周辺で減少する。一方、図２（ａ）に示すように周辺窓１９３０を配さない試料１８０１表面に炭化水素系プラズマと水素プラズマを照射した場合、周辺に飛来した水素プラズマは反応せず消費されないので、マスク１９００の周辺に存在する水素プラズマは図２（ｂ）および図２（ｃ）の場合よりも多い。図２（ｂ）に示す周辺窓１９３０を配した場合と図２（ｃ）に示す周辺窓１９３０を配した場合を比較すると、図２（ｃ）の方が図２（ｂ）よりも高密度で周辺窓１９３０が配されているのでマスク１９００の周辺に存在する水素プラズマが少ない。さらに、試料（ＩｎＰ）１８０１表面にてマスク１９００の周辺に形成した周辺マスク１７０１を完全に除去してしまえば（図示せず）、図２（ｃ）の場合に比べてマスク１９００の周辺に存在する水素プラズマがさらに少なく。このように、周辺窓１９３０を配することによってマスク１９００周辺に存在する水素プラズマの量（濃度）を制御できる。
【００３７】
したがって、素子ごとに（マスクごとに）周辺窓１９３０の配置を変化させることによって選択エッチングに寄与する水素プラズマの量（濃度）を容易に変化させることができる。よって、同一ウエハ面内で素子ごとに（マスクごとに）異なる深さ形状に加工することができる。
【００３８】
本実施例において、周辺窓１９３０で水素プラズマと炭化水素系プラズマとＩｎＰが反応するが、周辺窓の面積は回折格子部分の面積よりも広いので水素プラズマ密度が高くならないため、周辺窓における反応によるエッチング量は少ないので素子特性には影響を与えない。あるいは、炭化水素系プラズマが十分に高濃度である場合にはポリマーの生成速度がエッチング速度を上回るので周辺窓においてポリマーが生成してエッチングが進行しない。
【００３９】
図３に、周辺窓の配置方法の他例を示す。図３に示すように、マスク１９００の周辺における、マスク１９００と開口部幅方向（Ｙ方向）で隣接する位置にのみ、回折格子方向（Ｘ方向）に周辺窓１９３０を複数配置することもできる。このような位置にのみ複数の周辺窓１９３０を配すれば、周辺窓１９３０によるエッチング深さ変化への効果は低下するが、回折格子周辺の回折格子方向（素子動作における光導波方向）にエッチングされる周辺窓がないので素子特性への影響は全く生じない。
【００４０】
図４（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１３１０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および周辺窓作製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１３１１ａが形成された回折格子部分作製用のＳｉＯ2マスク１３１１が形成される。
【００４１】
次に通常のフォトレジストプロセスとフッ化炭素系（（ＣＦ4，Ｃ2Ｆ8など）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、図２（ｂ）、（ｃ）に示される周辺窓パターン１３１１ｂをそれぞれ形成する（図４（ａ）参照）。または、周辺窓を有さないパターン（図２（ａ））を形成する。
【００４２】
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１３２１を形成する（図４（ｂ）参照）。ＳｉＮX膜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１３３１を作製する（図４（ｃ）参照）。このレジストパターン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１３３１をマスクとしてフッ化硫黄系ガス（ＳＦ6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１３４１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（ＳＦ6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１３３１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４（ｄ）参照）。なお、上記では、ＳｉＯ2マスク１３１１が第１のマスク部をなし、ＳｉＮX膜１３４１が第２のマスク部をなしている。
【００４３】
図５（ａ）〜（ｅ）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の作製工程を示す図であって、ＳｉＯ2／ＳｉＮxマスク部分における回折格子のエッチング過程を説明するための回折格子の一部を示す図である。
図５（a）に示すように、試料（ＩｎＰ）１８０１の表面に上述のマスク１９００を形成する。ここで、図中には示さないが、マスク１９００の周辺には、図２（ｂ）や図２（ｃ）や図３に示すような周辺窓１９３０が素子ごと（マスクごと）に配される。マスク１９００は、マスク厚（膜厚）が薄く、格子状に複数のマスク開口部が形成された回折格子部分のマスク（格子状マスク）１９１０（図１参照）と、回折格子部分のマスクの上に形成され、回折格子部分のマスクよりもマスク厚（膜厚）が厚く、回折格子部分のマスクのマスク開口部の開口部幅を画定する回折格子外部のマスク（開口部調整マスク）１９２０（図１参照）とで構成される。ここで、マスク１９００はマスク開口部を有する。マスク開口部は、第一の開口部１９０２と、これよりも幅広の第二の開口部１９０３と、これよりも幅広の第三の開口部１９０４を備える。第一の開口部１９０２の開口部幅は１．８μｍとし、第二の開口部１９０３の開口部幅は３．７μｍとし、第三の開口部１９０４の開口部幅は７．５μｍとする。以下に説明する一連のエッチング過程において、マスク厚の厚い回折格子外部からのメタン・水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からのメタン・水素プラズマの寄与は小さい。
【００４４】
この試料について、初めに、マスク１９００上からメタンと水素の混合ガスを用いたＲＩＥをメタン流量４０ｓｃｃｍ、水素流量２ｓｃｃｍ、放電電力が１００Ｗ、ガス圧力が４０Ｐａで施すと、図５（ｂ）に示すように、開口部幅が１．８μｍの第一の開口部１９０２においては、マスク１９００上から水素の供給が十分あるのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、開口部幅が１．８μｍより広い第二の開口部１９０３（開口部幅：３．７μｍ）および第三の開口部３９０４（開口部幅：７．５μｍ）においては、マスク１９００上からの水素の供給が不足するので、ポリマー１８１１が堆積してエッチングが進行しない。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、図５（ｃ）に示すように、堆積したポリマーが除去される。
【００４５】
次に、水素流量を増加させた条件（メタン流量：４０ｓｃｃｍ、水素流量：５ｓｃｃｍ、ガス圧力：１０Ｐａ、放電電力：１００Ｗ）でＲＩＥを施すと、図５（ｄ）に示すように、開口部幅が３．７μｍ以下の第一の開口部１９０２および第二の開口部１９０３においては、水素の供給が増加するのでポリマーが堆積することなくエッチングが進行する。一方、開口部幅が７．５μｍの第三の開口部１９０４においては、マスク１９００上からの水素の供給が不足するので、ポリマー１８１２が堆積してエッチングが進行しない。したがって、開口部幅が１．８μｍの第一の開口部１９０２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、その深さは第二の開口部１９０３の深さよりも深くなる。
【００４６】
引き続き酸素プラズマの照射によりポリマーを除去した後に、水素流量を変化させた条件でのＲＩＥ、酸素プラズマの照射を交互に繰り返すことにより、図５（ｅ）に示すように、深さの異なる回折格子を形成することができる。その後、マスクを除去して、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７に示すような素子構造の回折格子部分が作製される。
【００４７】
上述のエッチング過程において、図２（ａ）に示す周辺窓が配されず周辺マスク１７０１が配された素子におけるエッチング深さが最も深くなり、次に図２（ｂ）に示す周辺窓１９３０が形成された周辺マスク１７０１が配された素子におけるエッチング深さが深く、図２（ｃ）に示す周辺窓１９３０が形成された周辺マスク１７０１が配された素子におけるエッチング深さが最も浅くなる。このように、周辺マスク１７０１を配することにより、同一ウエハ面内で素子毎に異なるエッチング深さ形状に加工することができる。上述のマスク１９００にてマスク開口部の開口部幅を５種類とし、中央から回折格子方向にて開口部幅を狭くし、このような形状のマスクの周辺に図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような周辺マスク１７０１をそれぞれ配した場合には、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような回折格子１８２０、１８２２，１８２１がそれぞれ得られる。その後、マスク除去、メサ構造加工後に、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素子構造が作製される。
【００４８】
図７に、本発明の第１の実施例に係る回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザの構造を示す。本実施例に係る半導体素子の作製方法により作製された深さの異なる回折格子を有する試料表面のＳｉＯ2マスクを除去した後、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、図７に示す深さの変化する回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザ構造が作製される。
【００４９】
本実施例に係る回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザは、図７に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１５０、ｎ型ＩｎＰバッファ層１５１、回折格子１５２、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層１５３、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）１５４、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）１５５、ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層１５６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５７、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層１５８、ｎ型オーミック電極１５９１、ｐ型オーミック電極１５９２を備える。
【００５０】
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１５２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３０ｎｍ、素子中央部で深くなっており６５ｎｍである。
【００５１】
図８（ａ）および図８（ｂ）に、図７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８（ａ）は、この回折格子の一端からの距離と結合係数κとの関係を示す図である。回折格子の深さが素子両端部で３０ｎｍ、中央部で６５ｎｍとなるように変化させることにより、図８（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で５０ｃｍ-1、中央部で１００ｃｍ-1と変化する。
【００５２】
図８（ｂ）のＬ２にこの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８（ｂ）のＬ３に結合係数が１００ｎｍ-1一定の場合の反射スペクトルを示す。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。
【００５３】
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、簡易に深さ（結合係数）が変化する回折格子を作製することができる。
【００５４】
図９（ａ）に、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す周辺マスクを用いて作製された各素子における回折格子ａ、ｂ、ｃにより得られる結合係数と反射特性を、それぞれ曲線ａ、ｂ、ｃで示す。図２（ａ）に示す周辺マスク１７０１を用いた場合、回折格子の深さが素子両端部で４５ｎｍ、中央部で９０ｎｍとなるように変化させることにより、図９（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で７０ｃｍ-1、中央部で１５０ｃｍ-1と変化する。図２（ｂ）に示す周辺マスク１７０１を用いた場合、回折格子の深さが素子両端部で３０ｎｍ、中央部で６５ｎｍとなるように変化させることにより、図９（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で４０ｃｍ-1、中央部で１００ｃｍ-1と変化する。図２（ｃ）に示す周辺マスク１７０１を用いた場合、回折格子の深さが素子両端部で２０ｎｍ、中央部で３５ｎｍとなるように変化させることにより、図９（ａ）に示すように、結合係数κは素子両端部で３０ｃｍ-1、中央部で５０ｃｍ-1と変化する。
【００５５】
図９（ｂ）に、図９（ａ）に用いた上記の回折格子ａ，ｂ，ｃそれぞれの反射スペクトルを曲線ａ，ｂ，ｃに示す。図９（ｂ）に示すように、回折格子ａ（曲線ａ）では、反射率が高く（反射率；１）、ストップバンドが広くなる。回折格子ｂ（曲線ｂ）では反射率が高いが（反射率；１）、ストップバンドが回折格子ａに比べて狭くなる。回折格子ｃ（曲線ｃ）では反射率が低下してストップバンドが回折格子ａ，ｂと比べて狭くなる。このことは、本実施例に係る半導体素子の作製方法によれば、素子毎に発振スペクトルにおける可変波長範囲が異なるＤＢＲ半導体レーザを１回のプロセスにより作製できることを示唆する。
【００５６】
また、上述の結果は複数のパターンのマスクを配することにより作製マージンが増加することを示唆する。本発明によるエッチング方法においては「エッチングされる、またはポリマーが生成される」が水素の供給量の敏感であるため、水素の供給量等の条件が不安定になると歩留り、再現性が低下するので問題となる。例えば、本発明によらず周辺窓を配さない場合（パターンａの場合）、当初設計された形状に加工するようにエッチングを施したとしても、エッチング条件がずれる（変化する）と設計した形状が得られない。一方、上述のように複数の周辺窓を配すれば、例えば水素供給量が減少する方向に条件がずれた場合にはパターンａまたはｂにおいて水素供給量が補填されるので設計された回折格子が得られる。
【００５７】
さらに、パターンｂの周辺マスクを用いて設計された形状を加工すれば、エッチング条件がずれた場合、例えば水素供給量が減少する方向に条件がずれた場合にはパターンａにおいて水素供給量が補填されるので設計された回折格子が得られる。逆に水素供給量が増加する方向に条件がずれた場合にはパターンｃにおいて水素供給量が減少されるので設計された回折格子が得られる。このように、本発明によれば、複数のパターンの周辺窓を配することにより作製マージンを向上できる。
【００５８】
本実施例において、マスク周辺に３種類の周辺窓のパターンを配したが、より多くの種類のパターンのマスクを配すればより多くの異なる可変波長範囲が得られ、作製マージンも増加する。
【００５９】
本実施例では周辺窓に正方形を用いたが他の形状でもよく、また、他の大きさでも、間隔でもよい。
【００６０】
本実施例において、回折格子の開口部の両端部にはマスク上で反応に寄与しなかった水素（プラズマ）が流入する。この水素プラズマ分だけメタンが反応してエッチングが進行する。したがって、ポリマーが堆積する開口部においても両端の一部分のみでエッチングが進行する。このように、開口部全域のおいて深さが均一にならないという問題が生じる場合がある。しかしながら、実際のデバイスにおいてはメサ構造が採用されるため、開口部の両端部はメサ形成時に切り落とされるので、実際のデバイス作製上における問題とはならない。
【００６１】
本実施例ではマスクにおける開口部の外部のマスク幅を一定としたが、開口部に拡散する水素プラズマがマスク上を拡散する距離が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１０に示すような形状のマスク２９００でもよい。マスク２９００は、マスク開口部２９０１の開口部幅２９０５が導波路長２９０７に対し変化し、第一の開口部２９０２と、この開口部２９０２よりも幅広の第二の開口部２９０３と、この開口部２９０３よりも幅広の第三の開口部２９０４とを有する。マスク２９００におけるマスク開口部外部のマスク幅２９０６は導波路長２９０７に対し変化している。
【００６２】
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ることも可能である。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。
【００６３】
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。
【００６４】
また、ポリマーを除去するために酸素プラズマを照射したが、酸素を含むプラズマでもよい。例えば、酸素と窒素、アルゴン等不活性ガスとの混合ガス、酸素と水素の混合ガス等でもよい。
【００６５】
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】
【００６６】
本発明に係る半導体素子の作製方法は、表面の凹凸を抑制して同一ウエハ面内でエッチング深さが異なる形状を容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】
【００６７】
８１，８２    マスク
８３，８４    エッチング種
１５０        ｎ型ＩｎＰ基板
１５１        ｎ型ＩｎＰバッファ層
１５２        回折格子
１５３        ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）ガイド層
１５４        活性層（発光波長：１．５５μｍ、活性層長：４００μｍ）
１５５        ＤＢＲ回折格子領域ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．４μｍ）ガイド層
１５６        ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．３μｍ）ガイド層
１５７        ｐ型ＩｎＰクラッド層
１５８        ｐ型ＩｎＧａＡｓ（組成波長：１．８５μｍ）コンタクト層
４１１        半導体
４１２        エッチング種
５１１        半導体
５１２        エッチング種
５１３        マスク
７１０        ＩｎＰ
７１１        マスク
７２１        メタンプラズマ
７２２        水素プラズマ
７３１        ポリマー
６１０        ＩｎＰ
６２１        メタンプラズマ
６２２        水素プラズマ
６３１        ポリマー
１０１０，１０２０  半導体
１０１１，１０２１  マスク
１０１２，１０２２  エッチング種
１１１０      半導体
１１２０，１１３０  マスク
１３１０      ＩｎＰ基板
１３１１      ＩｎＰクラッド層
１３２１，１３４１  窒化シリコン（ＳｉＮx）膜
１３３１      レジストパターン
１５９１      ｎ型オーミック電極
１５９２      ｐ型オーミック電極
１７０１      周辺マスク
１８０１      試料（ＩｎＰ）
１８１１，１８１２  ポリマー
１８２０，１８２１，１８２２  回折格子
１９００      マスク
１９０２      第一の開口部
１９０３      第二の開口部
１９０４      第三の開口部
１９０５      マスク開口部の格子幅（マスク開口部幅）
１９０６      マスク幅
１９０７      回折格子の長さ
１９０８      領域
１９１０      回折格子部分のマスク（格子状マスク）
１９２０      回折格子外部のマスク（開口部幅調整マスク）
１９３０      周辺窓（開口部）
【図１】
2012199310.tif 000003
【図２】
2012199310.tif 000004
【図３】
2012199310.tif 000005
【図４】
2012199310.tif 000006
【図５】
2012199310.tif 000007
【図６】
2012199310.tif 000008
【図７】
2012199310.tif 000009
【図８】
2012199310.tif 000010
【図９】
2012199310.tif 000011
【図１０】
2012199310.tif 000012
【図１１】
2012199310.tif 000013
【図１２】
2012199310.tif 000014
【図１３】
2012199310.tif 000015
【図１４】
2012199310.tif 000016
【図１５】
2012199310.tif 000017
【図１６】
2012199310.tif 000018
【図１７】
2012199310.tif 000019