(57)【要約】【課題】表面の凹凸を抑制して同一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】酸素プラズマを所定の拡散距離に対して、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、メダンプラズマをマスク１９００が形成された半導体表面に照射しつつ、酸素プラズマをマスクの端部にて所定の濃度で前記開口部の幅方向においてマスク１９００の端部から開口部へ拡散させる第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第１の工程と、
前記炭化水素系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しつつ、前記酸素プラズマを前記マスクの端部にて所定の濃度で前記開口部の幅方向において前記マスクの端部から前記開口部へ拡散させる第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、前記酸素プラズマの前記所定の濃度を変化させる第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。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項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２０（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２０（ａ））後にエッチングする(図２０（ｂ）)。次に、１回目のエッチング用のマスクを除去した（図２０（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２０（ｄ））、さらにエッチングし（図２０（ｅ））、マスクを除去する（図２０（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２１（ａ）〜（ｃ）に示す。図２１（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２２（ａ）〜（ｃ）に示す。図２２（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２３（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２４（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２３（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が生成し、試料表面を覆うのでエッチングが進行しない（図２３（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２４（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を生成する。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２４（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２４（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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−２４７７１０号公報
【００１６】
【非特許文献１】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２】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】
【００１７】
しかしながら、マスクのない領域またはマスクの開口部幅が広い領域（ポリマーが生成してエッチングが進行しない領域）と開口部幅が狭い領域（エッチングが進行する領域）との境界領域ではポリマーの生成とエッチングが同時に起きる。この場合、ポリマーが生成されてエッチングされない領域とポリマーが生成されずにエッチングされる領域が混在するため、プラズマ照射後の半導体表面に凹凸が生じるという課題があった。
【００１８】
図２５（ａ）、（ｂ）に、プラズマ照射後の半導体表面に凹凸が生じる状態を示す。このとき、図２５（ａ）に示すように、半導体（ＩｎＰ）８１０の表面に部分的にポリマー８１１が生成され、そのポリマー８１１をマスクとしてエッチングが進行するので凹凸が生じる。また、図２５（ｂ）に示すように、ポリマー９１１が半導体（ＩｎＰ）９１０の表面に点在して残留すると残留したポリマー９１１をマスクとしてエッチングが進行するので針状の突起物が表面に形成され著しく凹凸が生じる場合もある。
【００１９】
図２６に、メタンプラズマ量を一定とした時のエッチング速度の水素プラズマ量依存性を示す。水素プラズマ量が０からｈ０までは水素プラズマ量が不足してポリマーが生成されエッチングがされない。ｈ０以上になるとポリマーの生成と同時にエッチングが始まる。ｈ０からｈ１まではポリマーの生成が支配的でありエッチング速度が遅いため表面に生じる凹凸も大きくない。ｈ１以上になるとエッチング速度が増加し始め表面の凹凸も著しくなる。ｈ２以上になるとエッチングが支配的になりポリマーの生成が減少するので凹凸も小さくなる。１以上になると水素のプラズマ量が十分になるのでポリマーの生成がなくなりエッチングが進行し凹凸が生じなくなる。
【００２０】
このように、水素のプラズマ量がｈ１からｈ２までの領域ではポリマーの生成とエッチングが同時に起き、表面の凹凸が著しくなる。
【００２１】
次に、表面にマスクを有する試料にメタン／水素プラズマを照射する場合について説明する。図２７に、マスク端から拡散する水素の分布を示す。縦軸はマスク端での水素濃度Ｃｓにより規格化された水素濃度Ｃｘ／Ｃｓである。マスク端から離れるにつれて水素のプラズマ量は減少して距離Ｌ２でｈ２、Ｌ１でｈ１になる。つまり、マスク端からの距離Ｌ２とＬ１の間では表面の凹凸が著しくなる。このように表面に凹凸が生じると、この表面上に積層する結晶の品質が劣化するので問題となる。また、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。
【００２２】
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、表面の凹凸を抑制して同一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ことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
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第１の工程と、前記炭化水素系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しつつ、前記酸素プラズマを前記マスクの端部にて所定の濃度で前記開口部の幅方向において前記マスクの端部から前記開口部へ拡散させる第２の工程を有することを特徴とする。
【００２４】
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。
【００２５】
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、前記酸素プラズマの前記所定の拡散距離を変化させる第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。
【００２６】
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】
【００２７】
本発明に係る半導体素子の作製方法によれば、表面の凹凸を抑制して同一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。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】
【００２８】
【図１】水素プラズマ濃度がＣｓ、２×Ｃｓ、５×Ｃｓ、１０×Ｃｓ、２０×Ｃｓ、５０×Ｃｓ、１００×Ｃｓである場合のマスク端から拡散する水素プラズマの分布を示す図である。
【図２】マスク端から拡散する酸素プラズマおよび水素プラズマの分布を示す図である。
【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により作製される同一面内で層厚が変化する導波路層を作製するために使用するマスクを示す図である。
【図５】水素プラズマ濃度がＣｓ、５×Ｃｓ、２０×Ｃｓである場合のマスク端からの酸素プラズマの分布を示す図である。
【図６】酸素プラズマ濃度がＣｓ、５×Ｃｓ、２０×Ｃｓである場合のマスク端からの酸素プラズマの分布を示す図である。
【図７】（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面内で層厚が変化する導波路層の作製工程を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係る半導体素子の作製方法の説明図であって、図８（ａ）に図７（ｂ）の上面を示し、図８（ｂ）に図８（ａ）のｂ−ｂ断面を示し、図８（ｃ）に図８（ａ）のｃ−ｃ断面を示し、図８（ｄ）に図８（ａ）のｄ−ｄ断面を示す。
【図９】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９（ａ）にその斜視を示し、図９（ｂ）に図９（ａ）におけるｂ−ｂ断面を示す。
【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１１】（ａ）〜（ｅ）は、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の作製工程を示す図である。
【図１２】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半導体レーザの構造を示す図である。
【図１３】（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１４】図１０のマスク上のエッチング種の挙動を示す図である。
【図１５】（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１６】本発明の第４の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。
【図１７】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第４の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図である。
【図１８】（ａ）〜（ｅ）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より作製される回折格子の作製工程を示す図である。
【図１９】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２０】（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２１】（ａ）〜（ｃ）は、基本的なエッチング過程を示す図である。
【図２２】（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２３】（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２４】（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２５】（ａ）、（ｂ）は、プラズマ照射後の半導体表面に凹凸が生じる状態を示す図である。
【図２６】メタンプラズマ量を一定とした時のエッチング速度の水素プラズマ量依存性を示す図である。
【図２７】マスク端から拡散する水素の分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
図１は、マスク端での水素プラズマの濃度を１００倍まで増加させた場合のマスク端からの水素プラズマの分布を示す図である。この分布は水素プラズマの拡散距離Ｌｄを５μｍと仮定して、マスク端での水素プラズマ濃度は所定の値Ｃｓを仮定して、常の拡散方程式；Ｃ（ｘ）＝Ｃｓ・ｅｒｆｃ（ｘ／Ｌｄ）を用いて計算される。Ｃｓを基準にして１００倍まで変化させている。縦軸はＣｓで規格化された水素濃度Ｃｘ／Ｃｓである。
【００３１】
図１に示すように、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓである場合、マスク端からの距離が１．８μｍのときにｈ２、距離が３．７μｍのときにｈ１になる。したがって、距離が１．８μｍから３．７μｍの領域で凹凸が著しくなる。一方、マスク端での水素濃度がＣｓの５倍である場合、距離が５．４μｍのときにｈ２、距離が６．７μｍのときにｈ１になる。したがって、距離が５．４μｍから６．７μｍの領域で凹凸が著しくなる。このように、水素プラズマのマスク端での濃度を変化させることにより凹凸が著しい領域を変化させることができる。
【００３２】
次に、水素の代わりに酸素を用いる場合を説明する。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）された酸素を酸素プラズマと呼ぶこととする。
【００３３】
図２は酸素プラズマと水素プラズマの分布を比較したものである。この分布において拡散距離は以下の通りとする。上記の非特許文献１における式（４）によれば、ガスの拡散係数Ｄは分子質量ｍの１／２乗に比例する。拡散距離Ｌは拡散時間ｔとすると、Ｌ＝２（Ｄｔ）1/2なので（上記の非特許文献２参照）、拡散距離は分子質量ｍの１／４乗に比例する。したがって、酸素分子の質量は水素分子の質量の１６倍なので、酸素ガス（プラズマ）の拡散距離は水素ガス（プラズマ）の拡散距離の１／２である。
【００３４】
図２において、図１と同様に考えると、水素の場合には、距離が１０μｍ程度のときにｈ２、距離が２０μｍ程度のときにｈ１になる。したがって、距離が１０μｍから２０μｍ程度の１０μｍ程度の領域で凹凸が著しくなる。一方、酸素の場合には、距離が５μｍ程度のときにｈ２、距離が１０μｍ程度のときにｈ１になる。したがって、距離が５μｍから１０μｍ程度の５μｍ程度の領域で凹凸が著しくなる。このように、酸素を用いることにより凹凸が著しい領域を低減することができる。
【００３５】
酸素を用いた場合の反応について詳細を以下に説明する。
【００３６】
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）
【００３７】
上述した化学反応式（１）に基づきエッチングが生じ、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、マスクの開口部のＩｎＰ表面ではマスク上の水素プラズマが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。
【００３８】
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）
【００３９】
上述した化学反応式（２）に基づきエッチングが生じる。
酸素が供給されない場合、または酸素の供給量が微量の場合には、マスクのないＩｎＰ表面、マスクの開口部のＩｎＰ表面ともに酸化炭素（ＣＯ、ＣＯ2等）が生成されず炭化水素基が過剰に残留するためポリマーが生じてエッチングが生じない（条件０）。
【００４０】
酸素が増加すると、マスクのないＩｎＰ表面では、この状態の酸素の供給量では酸素が不足して酸化炭素（ＣＯ、ＣＯ2等）が生成されず炭化水素基が過剰に残留するためポリマーが生じてエッチングが生じない。一方、マスクの開口部のＩｎＰ表面ではプラズマ照射によりチャージアップしたマスクに酸素プラズマ（主にイオン）が引き寄せられ、この酸素プラズマが開口部に拡散して炭化水素基と反応して酸化炭素（ＣＯ2等）が生成される。そこで、酸素プラズマと反応して酸化炭素が生成される分炭化水素基が減少するが、酸素プラズマの量が不十分であるためポリマーの生成が十分に抑制されない。さらに、ＣＨ4のプラズマ分解から生じた少量の水素プラズマが開口部に拡散することにより開口部での水素プラズマ密度が増加するので開口部ではＩｎＰのエッチングが生じる。このように、ポリマーの生成が十分に抑制されない状態でエッチングも生じるので上述のように表面に凹凸が生じる（条件１）。
【００４１】
さらに、酸素を増加して供給した場合には、マスクのないＩｎＰ表面ではこの状態の酸素の供給量でもＯ2が不足して酸化炭素（ＣＯ、ＣＯ2等）が生成されず炭化水素基が過剰に残留するためポリマーが生じてエッチングが生じない。一方、マスクの開口部のＩｎＰ表面ではプラズマ照射によりチャージアップしたマスクに酸素プラズマ（主にイオン）が引き寄せられ、この酸素プラズマが開口部に拡散して炭化水素基と反応して酸化炭素（ＣＯ2等）が生成される。そこで、酸素プラズマと反応して酸化炭素が生成される分炭化水素基が減少するので、ポリマーの生成が十分に抑制される。さらに、ＣＨ4のプラズマ分解から生じた少量の水素プラズマが開口部に拡散することにより開口部での水素プラズマ密度が増加するので開口部ではＩｎＰのエッチングが生じる。このように、マスクのない表面のＩｎＰはエッチングされず、マスクの開口部のＩｎＰはエッチングされる。つまり、マスクのない表面とマスク開口部との間でＩｎＰの選択エッチングが生じる（条件２）。
【実施例１】
【００４２】
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８を参照して具体的に説明する。
【００４３】
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。
【００４４】
本実施例に係る半導体素子の作製方法について以下に説明する。
まず、図４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１９０５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よりも幅広の第二の開口部１９０３と、この開口部１９０３よりも幅広の第三の開口部１９０４とで構成される。ここでマスク開口部１９０１の開口部幅１９０５は以下に示すように決定する。マスク開口部外部のマスク幅１９０６は５μｍで一定である。導波路長１９０７は５００μｍである。
【００４５】
図５は、図１の拡大図であり、拡散距離が５μｍのときにマスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ、５×Ｃｓ、２０×Ｃｓである場合について示す。この図において水素プラズマの相対量（縦軸）が０．３〜０．５のときに上述のようにエッチングとポリマーの生成が同時に生じるために表面の凹凸が著しく大きくなると仮定している。図５中、実線は水素プラズマ濃度がＣｓである場合、点線は水素プラズマ濃度が５×Ｃｓである場合、破線は水素プラズマ濃度が２０×Ｃｓである場合を示す。この図において水素プラズマの相対量（縦軸）が０．３〜０．５のときに上述のようにエッチングとポリマーの生成が同時に生じるために表面の凹凸が著しく大きくなると仮定する。
【００４６】
まず、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓである場合、マスク開口部の開口部幅が１．８μｍ以下で水素プラズマの相対量が０．５以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、３．７μｍ以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【００４７】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が５×Ｃｓである場合、マスク開口部の開口部幅が５．４μｍ以下で水素プラズマの相対量が０．５以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、６．７μｍ以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【００４８】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が２０×Ｃｓである場合、マスク開口部の開口部幅が７．６μｍ以下で水素プラズマの相対量が０．５以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、８．７μｍ以上で水素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【００４９】
そこで、上述の第一の開口部１９０２の開口部幅（第一の開口部幅）を１．８μｍ、第二の開口部１９０３の開口部幅（第二の開口部幅）を３．７μｍ以上５．４μｍ以下の範囲にある４．０μｍ、第三の開口部１９０４の開口部幅（第三の開口部幅）を６．７μｍ以上７．６μｍ以下の範囲にある７．０μｍにそれぞれ決定する。
【００５０】
このようなマスク開口部の開口部幅を有すマスクを用いて、まず、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、マスク開口部の開口部幅が１．８μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第一の開口部のみがエッチングされる。一方、３．７μｍ以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、第二の開口部（開口部幅：４．０μｍ）と第三の開口部（開口部幅：７．０μｍ）の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【００５１】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が５×Ｃｓとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、マスク開口部の開口部幅が５．４μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第一の開口部と第二の開口部がエッチングされる。一方、６．７μｍ以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、第三の開口部（開口部幅：７．０μｍ）の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【００５２】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が２０×Ｃｓとなる条件でエッチング（メタン／水素プラズマ照射）を行うと、マスク開口部の開口部幅が７．６μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第一の開口部と第二の開口部と第三の開口部がエッチングされる。ここで、マスク端での水素プラズマ濃度は水素流量に相当するので、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓ、５×Ｃｓ、２０×Ｃｓとするためにプラズマ条件である水素流量をそれぞれ５ｓｃｃｍ、２５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍと設定する。
【００５３】
以上のように、表面で凹凸を著しく増加させるようなエッチングとポリマーの生成が同時に起きるような水素プラズマ量の領域を避けるように、プラズマ条件（流量）とマスク形状（開口部幅）を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができる。
【００５４】
仮に、本発明によることなく、第二の開口部の開口部幅を３．０μｍと設定した場合、マスク端での水素プラズマ濃度がＣｓとなる条件でエッチングしたとき３μｍの開口部幅における水素プラズマの相対量は０．４程度となるのでエッチング後の表面の凹凸は著しく増加する。このように一度生じた表面の凹凸形状は、その後エッチングを施しても維持されるので、作製される導波路層における第二の開口部に相当する領域に導波路層表面には凹凸が残ることになる。このような凹凸が生じると、この表面上に積層する結晶の品質が劣化するので問題となる。また、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。
【００５５】
以上のように、炭化水素系プラズマと水素プラズマを用いる場合、マスク開口部の開口部幅を１．８μｍ〜７．０μｍに設定して、この開口部幅に応じた水素流量を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができるので、導波路層上に積層されるクラッド層の結晶品質を良好に維持することができ、導波路層に凹凸部により光が散乱することなく光損失を抑制して光を導波させることができる。
【００５６】
図６は、酸素プラズマの拡散距離が水素の場合の１／２なので２．５μｍであり、マスク端での酸素プラズマ濃度がＣｓ、５×Ｃｓ、２０×Ｃｓである場合のマスク端からの酸素プラズマの分布を示す図である。図６において、縦軸はマスク端での酸素濃度Ｃｓにより規格化された酸素濃度Ｃｘ／Ｃｓを示す。図中、実線は酸素プラズマ濃度がＣｓである場合、点線は酸素プラズマ濃度が５×Ｃｓである場合、破線は酸素プラズマ濃度が２０×Ｃｓである場合を示す。この図において酸素プラズマの相対量（縦軸）が０．３〜０．５のときに上述のようにエッチングとポリマーの生成が同時に生じるために表面の凹凸が著しく大きくなると仮定する（上記の条件１に相当）。
【００５７】
まず、マスク端での酸素プラズマ濃度がＣｓである場合、マスク開口部の開口部幅が１．１μｍ以下で酸素プラズマの相対量が０．５以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、１．９μｍ以上で酸素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【００５８】
次に、マスク端での酸素プラズマ濃度が５×Ｃｓである場合、マスク開口部の開口部幅が２．９μｍ以下で酸素プラズマの相対量が０．５以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、３．４μｍ以上で酸素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【００５９】
次に、マスク端での酸素プラズマ濃度が２０×Ｃｓである場合、マスク開口部の開口部幅が３．９μｍ以下で酸素プラズマの相対量が０．５以上になりエッチングが支配的に起きる。一方、４．４μｍ以上で酸素プラズマの相対量が０．３以下になりポリマーの生成が支配的に起きる。
【００６０】
そこで、上述の第一の開口部１９０２の開口部幅（第一の開口部幅）を１．０μｍ、第二の開口部１９０３の開口部幅（第二の開口部幅）を１．９μｍ以上２．９μｍ以下の範囲にある２．５μｍ、第三の開口部１９０４の開口部幅（第三の開口部幅）を３．４μｍ以上３．９μｍ以下の範囲にある３．５μｍにそれぞれ決定する。
【００６１】
このようなマスク開口部の開口部幅を有すマスクを用いて、まず、マスク端での酸素プラズマ濃度がＣｓとなる条件でエッチング（メタン／酸素プラズマ照射）を行うと、マスク開口部の開口部幅が１．１μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第一の開口部のみがエッチングされる。一方、１．９μｍ以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、第二の開口部（開口部幅：２．５μｍ）と第三の開口部（開口部幅：３．５μｍ）の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【００６２】
次に、マスク端での酸素プラズマ濃度が５×Ｃｓとなる条件でエッチング（メタン／酸素プラズマ照射）を行うと、マスク開口部の開口部幅が２．９μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第一の開口部と第二の開口部がエッチングされる。一方、３．４μｍ以上でポリマーの生成が支配的に起きるので、第三の開口部（開口部幅：３．５μｍ）の表面はポリマーが生成され凹凸はほとんど生じない。
【００６３】
次に、マスク端での水素プラズマ濃度が２０×Ｃｓとなる条件でエッチング（メタン／酸素プラズマ照射）を行うと、マスク開口部の開口部幅が３．９μｍ以下でエッチングが支配的に起きるので、第一の開口部と第二の開口部と第三の開口部がエッチングされる。ここで、マスク端での酸素プラズマ濃度は酸素流量に相当するので、マスク端での酸素プラズマ濃度がＣｓ、５×Ｃｓ、２０×Ｃｓとするためにプラズマ条件である酸素流量をそれぞれ５ｓｃｃｍ、２５ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍと設定する。
【００６４】
以上のように、表面で凹凸を著しく増加させるようなエッチングとポリマーの生成が同時に起きるような酸素プラズマ量の領域を避けるように、プラズマ条件（流量）とマスク形状（マスク開口部の開口部幅）を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができる。
【００６５】
仮に、本発明によることなく、第二の開口部の開口部幅を１．５μｍと設定した場合、マスク端での酸素プラズマ濃度がＣｓとなる条件でエッチングしたとき１．５μｍの開口部幅における酸素プラズマの相対量は０．４程度となるのでエッチング後の表面の凹凸は著しく増加する。このように一度生じた表面の凹凸形状は、その後エッチングを施しても維持されるので、作製される導波路層における第二の開口部に相当する領域に導波路層表面には凹凸が残ることになる。このような凹凸が生じると、この表面上に積層する結晶の品質が劣化するので問題となる。また、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。
【００６６】
以上のように、本実施例に係る半導体素子の作製方法によれば、水素プラズマに代えて酸素プラズマを用いる場合、マスクの開口部幅を１．０μｍ〜３．５μｍに設定して、この開口部幅に応じた酸素流量を設定することにより、表面の凹凸を抑制して同一面内でエッチング深さが異なる形状を加工することができるので、導波路層上に積層されるクラッド層の結晶品質を良好に維持することができ、導波路層に凹凸部により光が散乱することなく光損失を抑制して光を導波させることができる。
【００６７】
このように、水素に代えて酸素を用いることにより、同一流量条件下で凹凸領域を抑制して選択エッチングを施すのに必要な開口部幅を低減することができる。したがって、同様の深さ変化を有する形状を選択エッチングにより加工する場合に必要とする試料面積を、酸素を用いることにより低減できる。このことは酸素を用いた選択エッチングによれば水素を用いた場合に同一面積のウエハから製造できる素子数を２倍程度に増加できることを示すので、素子の生産効率を向上させることができる。
【００６８】
図７（ａ）〜（ｅ）に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作製方法を示す。ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層１８０１は、ｎ型ＩｎＰ１８００の上に設けられ、図７（ａ）の左右方向にて同一層厚で形成されている。
【００６９】
図７（ａ）に示すように、導波路層１８０１表面に上述のＳｉＯ2マスク１９００を形成する。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反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）をメタン流量４０ｓｃｃｍ、圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗ、酸素流量が５ｓｃｃｍで施すと、図７（ｂ）に示すように、マスク開口部の開口部幅が１．０μｍ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：３．５μｍ）の表面はポリマー１８１１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、酸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８（ａ）〜（ｄ）に、図７（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１９０３と第三の開口部１９０４においてほとんどの領域にポリマー１８１１が堆積するがマスク１９００との境界部分でのみエッチングが進行する。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７（ｃ）に示すように、堆積したポリマーが除去される。
【００７０】
次に、メタン流量、圧力、放電電力を一定にして、酸素流量を２５ｓｃｃｍで施すと、図７（ｄ）に示すように、マスク開口部の開口部幅が２．９μｍ以下の第一、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：３．５μｍ）の表面はポリマー１８１２が生成され凹凸はほとんど生じない。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、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１．０μｍ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。
【００７１】
次に、メタン流量、圧力、放電電力を一定にして、酸素流量を１００ｓｃｃｍで施すと、図７（e）に示すように、マスク開口部の開口部幅が３．９μｍ以下の第一、第二、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、第二、第三の開口部の順に深くなる。さらに、エッチングされた表面の凹凸はほとんどない。
【００７２】
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。
【００７３】
このように炭化水素系ガスとともに酸素を用いた場合、水素を用いた場合に比べて、凹凸領域を抑制して選択エッチングを施すのに必要なマスク開口部の開口部幅を低減することができるので試料面積を低減でき、同一面積のウエハから製造できる素子数を２倍程度に増加することができる。
【００７４】
さらに、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（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。
【００７５】
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酸素流量の条件下でメタン／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。
【００７６】
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】
【００７７】
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９を参照して具体的に説明する。
図９（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構造の断面を示し、図９（ｂ）に図９（ａ）におけるｂ−ｂ断面を示す。
【００７８】
本実施例に係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。
【００７９】
本実施例に係る半導体レーザ素子は、図９（ａ）および図９（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。
【００８０】
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の表面に第１の実施例と同様にマスク開口部幅の異なる複数のマスク開口部を有するＳｉＯ2マスクを形成する。このマスクは、活性層との境界側のマスク開口部幅が広く出射端側のマスク開口部幅が狭い形状を有する。同時に活性層表面は全面マスクで覆われている。
【００８１】
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。
【００８２】
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】
【００８３】
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１０〜図１３を参照して説明する。
図１０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。
【００８４】
図１０に示すように、マスク３９００の開口部幅（回折格子部分）３９０５の幅は、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には、複数の第一の開口部３９０２と、第一の開口部３９０２よりも幅広の第二の開口部３９０３と、第二の開口部３９０３よりも幅広の第三の開口部３９０４とが形成されている。回折格子外部のマスク幅３９０６は一定である。このマスク３９００を用いて第１の実施例と同様に酸素流量を変化させながらエッチングを施すことにより深さが変化する回折格子が作製できる。
【００８５】
図１１（ａ）〜図１１（ｅ）に、本実施例に係る回折格子の作製工程を示す。
図１１（ａ）に示すように、試料３８０１の表面に上述のマスク３９００を形成する。この試料について、初めに、マスク３９００上からメタンと酸素の混合ガスを用いたＲＩＥをメタン流量４０ｓｃｃｍ、酸素流量５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施すと、図１１（ｂ）に示すように、マスク開口部の開口部幅が１．０μｍの第一の開口部３９０２においては、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、マスク開口部の開口部幅が１．９μｍより広い第二の開口部３９０３（開口部幅：２．５μｍ）および第三の開口部３９０４（開口部幅：３．５μｍ）においては、ポリマー３８１１が堆積してエッチングが進行しない。ただし、メタンプラズマをマスクが形成された試料表面に照射しつつ、酸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。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１１（ｃ）に示すように、堆積したポリマーが除去される。
【００８６】
次に、酸素流量を変化させた条件（酸素流量が２５ｓｃｃｍ）でＲＩＥを施すと、図１１（ｄ）に示すように、マスク開口部の開口部幅が２．９μｍ以下の第一の開口部３９０２および第二の開口部３９０３においては、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、マスク開口部の開口部幅が３．５μｍの第三の開口部３９０４においては、ポリマー３８１２が堆積してエッチングが進行しない。したがって、マスク開口部の開口部幅が１．１μｍ以下の第一の開口部３９０２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３９０３の深さよりも深くなる。
【００８７】
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、酸素濃度（酸素流量）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１１（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１２に示すように、回折格子を備える素子構造が作製される。
【００８８】
図１２は、本発明の第３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断面図である。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１２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。
【００８９】
本実施例に係る回折格子を用いたＤＢＲ半導体レーザは、図１２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。
【００９０】
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５ｎｍ、素子中央部で深くなっており３０ｎｍである。
【００９１】
図１３（ａ）、（ｂ）に、図１２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１３（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。
【００９２】
図１３（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１３（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。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。
【００９３】
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。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。
【００９４】
また、上述したように炭化水素系ガスとともに酸素を用いた場合、水素を用いた場合に比べて、凹凸領域を抑制して選択エッチングを施すのに必要なマスク開口部の開口部幅を低減することができるので試料面積を低減でき、同一面積のウエハから製造できる素子数を２倍程度に増加することができる。
【００９５】
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（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。
【００９６】
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酸素流量の条件下でメタン／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。
【００９７】
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】
【００９８】
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１４〜図１９を参照して説明する。
第４の実施例として面内で深さが変化する回折格子の作製方法を示す。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。
【００９９】
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。
【０１００】
図１４に、図１０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１４に示すように回折格子外部のマスク（開口部調整マスク）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（格子状マスク）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。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。
【０１０１】
次に、本実施例に係る回折格子部分のマスクの厚さと開口部の長手方向の開口部幅を決める回折格子外部のマスクの厚さの異なるマスクを半導体表面上に形成してドライエッチングを行った場合について説明する。図１５（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１５（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。
【０１０２】
図１５（ａ）に示すように、膜厚の薄いマスク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。
【０１０３】
一方、図１５（ｂ）に示すように、膜厚の厚いマスク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。
【０１０４】
そこで、回折格子外部のマスク８２（図１４参照）の厚さを回折格子部分のマスク８１（図１４参照）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８２上からの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のマスク８１からのエッチング種の寄与を小さくできる。したがって、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８１から開口部へのエッチング種の供給はほとんど無く、膜厚の厚い回折格子外部のマスク８２上から拡散して開口部へ供給されるエッチングも開口部中央まで到達しないので、開口部中央付近ではエッチング速度は遅くなる。一方、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８１から開口部へのエッチング種の供給はほとんど無いが、膜厚の厚い回折格子外部のマスク８２上から拡散して開口部へ供給されるエッチング種は、開口部中央まで到達してエッチングに寄与するので、開口部中央付近を含めた開口部全体でエッチング速度が速くなる。すなわち、エッチング深さに関しては、回折格子外部のマスク８２が支配的である。
【０１０５】
このようなことから、このマスクを用いれば、膜厚の薄い回折格子部分のマスク８１からマスク開口部へのエッチング種の供給を抑制して、マスク開口部中央付近でのエッチング深さを開口部幅の狭い領域では深く、開口部幅の広い領域では浅くすることができる。
【０１０６】
図１６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１６に示すように、ＳｉＯ2で形成される回折格子部分のマスク（格子状マスク）４９１０の厚さが３０ｎｍ、回折格子の長さ４９０７が５００μｍ、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１．０μｍ、２．５μｍ、３．５μｍである。また、ピッチ（周期）４９１１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）４９２０の厚さが１μｍ、マスク幅４９０６は５μｍで一定である。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。
【０１０７】
図１７（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，Ｃ2Ｆ6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１３１１が形成される（図１７（ａ））。
【０１０８】
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１７（ｂ））。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１７（ｃ））。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１７（ｄ））。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。
【０１０９】
図１８（ａ）〜（ｅ）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回折格子の作製工程を示す。初めに、図１８（a）に示すように、ＩｎＰ基板上のＩｎＰクラッド層４８０１の表面に上述のマスク４９００を形成する。マスク４９００は、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）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）とで構成される。ここで、第一の開口部４９０２の開口部幅は１．０μｍとし、第二の開口部４９０３の開口部幅は２．５μｍとし、第三の開口部４９０４の開口部幅は３．５μｍ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・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からのメタン・酸素プラズマの寄与は小さい。
【０１１０】
初めに、メタンと酸素の混合ガスを用いたＲＩＥをメタン流量４０ｓｃｃｍ、酸素流量５ｓｃｃｍ、ガス圧力が１０Ｐａ、放電電力が１００Ｗで施すと、図１８（ｂ）に示すように、マスク開口部の開口部幅が１．０μｍの第一の開口部４９０２においては、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、マスク開口部の開口部幅が１．９μｍより広い第二の開口部４９０３（開口部幅：２．５μｍ）および第三の４９０４（開口部幅：３．５μｍ）においては、ポリマー４８１１が堆積してエッチングが進行しない。ただし、メタンプラズマをマスクが形成された試料表面に照射しつつ、酸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。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１８（ｃ）に示すように、堆積したポリマーが除去される。
【０１１１】
次に、酸素流量を変化させた条件（酸素流量が２５ｓｃｃｍ）でＲＩＥを施すと、図１８（ｄ）に示すように、マスク開口部の開口部幅が２．９μｍ以下の第一の開口部４９０２（開口部幅：１．０μｍ）および第二の開口部４９０３（開口部幅：２．５μｍ）においては、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、マスク開口部の開口部幅が３．５μｍの第三の開口部４９０４においては、ポリマー４８１２が堆積してエッチングが進行しない。したがって、マスク開口部の開口部幅が１．１μｍ以下の第一の開口部４９０２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４９０３の深さよりも深くなる。
【０１１２】
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、酸素濃度（酸素流量）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１８（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１２に示すような素子構造が作製される。
【０１１３】
このように炭化水素系ガスとともに酸素を用いた場合、水素を用いた場合に比べて、凹凸領域を抑制して選択エッチングを施すのに必要なマスク開口部の開口部幅を低減することができるので試料面積を低減でき、同一面積のウエハから製造できる素子数を２倍程度に増加することができる。
【０１１４】
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（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。
【０１１５】
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酸素流量の条件下でメタン／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。このように作製された回折格子は第３の実施例と同様の特性を有する。
【０１１６】
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。このように作製された回折格子は第３の実施例と同様の特性を有する。
【０１１７】
以上のように、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の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。
【０１１８】
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酸素（プラズマ）が流入する。この酸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。
【０１１９】
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、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１９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よりも幅広の第二の開口部５９０３と、この開口部５９０３よりも幅広の第三の開口部５９０４とを有する。マスク５９０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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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】
【０１２５】
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】
【０１２６】
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
１０１０，１０２０  半導体
１０１１，１０２１  マスク
１０１２，１０２２  エッチング種
１３１０      ＩｎＰクラッド層
１３１１      回折格子部分作製用のＳｉＯ2マスク
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
１８００，２８００  ｎ型ＩｎＰ基板
１８０１      ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．２μｍ）導波路層
１８０２      ＩｎＰクラッド層
１８１１，１８１２  ポリマー
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
３８１１，３８１２  ポリマー
３９００      マスク
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
４８１１，４８１２  ポリマー
４９００      マスク
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
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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