(57)【要約】【課題】エッチングの終点を適切に判断することが可能な半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】第１の半導体領域をエッチングするとともに、第１の半導体領域のエッチング量および第１のマスク層のエッチング量を測定する。第１の半導体領域のエッチング量および第１のマスク層のエッチング量から選択比Ｋを得る。第２の半導体領域２４をエッチングするとともに、該エッチング期間中に第２のマスク層２５ａの厚さＦを分光エリプソメトリにより測定して、該測定の測定値と選択比Ｋとを用いてエッチングの停止を判断する。第２の半導体領域２４の材料は、第２のマスク層２５ａの材料と異なる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体領域を第１の基板の上に成長する工程と、
開口部を有する第１のマスク層を前記第１の半導体領域の上に形成する工程と、
前記第１の半導体領域をエッチングするとともに、前記第１の半導体領域のエッチング量および前記第１のマスク層のエッチング量を測定する工程と、
前記第１の半導体領域の前記エッチング量および前記第１のマスク層の前記エッチング量から選択比を得る工程と、
前記第１の半導体領域と同じ材料の第２の半導体領域を第２の基板の上に成長する工程と、
開口部を有する前記第１のマスク層と同じ材料の第２のマスク層を前記第２の半導体領域の上に形成する工程と、
前記第２の半導体領域をエッチングするとともに、該エッチング期間中に前記第２のマスク層の厚さを分光エリプソメトリにより測定して、該測定の測定値と前記選択比とを用いてエッチングの停止を判断する工程と、
を備え、
前記第１および第２の半導体領域の材料は前記第１および第２のマスク層の材料と異なる、
半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記第２の半導体領域の厚さは５μｍ以上である、請求項１に記載された半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２の半導体領域の材料の屈折率は前記第２の基板の材料の屈折率と略等しい、請求項１又は請求項２に記載された半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記第２の基板は前記第２の半導体領域と同じ半導体からなる、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、高電子移動度トランジスタの製造方法が記載されている。この製造方法では、レジストマスクを用いて、塩素系ガスによる反応性イオンエッチング法でエピタキシャル成長層および基板を選択的に除去して、溝を形成する。
【０００３】
特許文献２には、化合物半導体のエッチング方法が記載されている。このエッチング方法では、レジストマスクを用いたドライエッチングの期間中に化合物半導体の屈折率および膜厚をエリプソメトリにより測定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１２１４５２号公報
【特許文献２】特開平２−２９８０２７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】分光エリプソで解析困難なサンプルとは？,［平成２３年２月３日検索],  インターネット,  ＜URL;  http://www.horiba.com/jp/scientific/products-jp/ellipsometers/thin-film-metrology/guidance/13/＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体素子構造の微細化が進んでいる。設計通りの微細な構造を作製するには精度良い加工を行う必要がある。エッチングマスク形状の寸法と半導体層に形成された形状の寸法との寸法変換差を小さくするために、半導体素子の製造工程では例えば反応性イオンエッチングといったドライエッチングが用いられる。エッチングの終点は、半導体層のエッチングレートから算出されたエッチング時間により制御される。しかし、エッチングレートは経時変化が起り易いので、エッチング時間によるエッチングの制御を行うとき、エッチングの終点を適切に判断できない可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載の方法においては、ドライエッチングの期間中に化合物半導体の膜厚をエリプソメトリにより測定する。エリプソメトリの測定値により、化合物半導体のエッチングの終点を判断している。
【０００８】
しかしながら、エリプソメトリの測定値で半導体をエッチングする制御には以下のようなときに限界がある。例えば、基板上に基板との屈折率差が小さいエピ層を成長させたとき、エピ層の厚さを正確に測定できない。また、例えば半導体の厚さが５μｍより大きいときは半導体の厚さを正確に測定できない。このようなプロセスでは、半導体のエッチングの終点を適切に判断できない可能性がある。
【０００９】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、エッチングの終点を適切に判断することが可能な半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体素子の製造方法は、第１の半導体領域を第１の基板の上に成長する工程と、開口部を有する第１のマスク層を第１の半導体領域の上に形成する工程と、第１の半導体領域をエッチングするとともに、第１の半導体領域のエッチング量および第１のマスク層のエッチング量を測定する工程と、第１の半導体領域のエッチング量および第１のマスク層のエッチング量から選択比を得る工程と、第１の半導体領域と同じ材料の第２の半導体領域を第２の基板の上に成長する工程と、開口部を有する第１のマスク層と同じ材料の第２のマスク層を第２の半導体領域の上に形成する工程と、第２の半導体領域をエッチングするとともに、該エッチング期間中に第２のマスク層の厚さを分光エリプソメトリにより測定して、該測定の測定値と前記選択比とを用いてエッチングの停止を判断する工程と、を備える。第１および第２の半導体領域の材料は、第１および第２のマスク層の材料と異なる。
【００１１】
この製造方法によれば、第１の半導体領域のエッチング量および第１のマスク層のエッチング量から選択比を得る。第２のマスク層を第２の半導体領域の上に形成する。第２の半導体領域の材料は第２のマスク層の材料と異なっているので、分光エリプソメトリにより第２のマスク層の厚さを測定できる。第２のマスク層の厚さの測定値および選択比から第２の半導体領域のエッチング量を見積もることができるので、エッチングの終点を適切に判断することができる。
【００１２】
本発明に係る半導体素子の製造方法では、第２の半導体領域の厚さは５μｍ以上であってもよい。厚さ５μｍ以上である第２の半導体領域の厚さを分光エリプソメトリにより測定してエッチングの終点を検出する方法では、エッチングの停止を適切に判断できない可能性がある。この製造方法では、第２の半導体領域ではなく第２のマスク層の厚さを分光エリプソメトリにより測定するので、厚さ５μｍ以上の第２の半導体領域のエッチングにおける終点を適切に判断することができる。
【００１３】
本発明に係る半導体素子の製造方法では、第２の半導体領域の材料の屈折率は第２の基板の材料の屈折率と略等しくてもよい。半導体層の材料の屈折率が基板の材料の屈折率と略等しい場合には、分光エリプソメトリにより半導体層の厚さを正確に測定できない可能性がある。この製造方法では、第２のマスク層の厚さを分光エリプソメトリにより測定している。第２のマスク層の厚さを測定するので、基板の材料の屈折率と略等しい屈折率を有する半導体層のエッチングにおける終点を適切に判断することができる。
【００１４】
本発明に係る半導体素子の製造方法では、第２の基板は前記第２の半導体領域と同じ半導体からなっていてもよい。第２の半導体領域が第２の基板と同じ半導体からなる場合には、第２の半導体領域の屈折率が第２の基板の屈折率と等しくなるので、分光エリプソメトリにより第２の半導体領域の厚さを正確に測定できない場合がある。この製造方法では、第２のマスク層の厚さを分光エリプソメトリにより測定しているので、第２の基板と同じ半導体からなる第２の半導体領域のエッチングにおける終点を適切に判断することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、エッチングの終点を適切に判断することが可能な半導体素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本実施形態に係る製造方法を用いて半導体レーザ素子を製造する方法を説明するための図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る製造方法を用いて半導体レーザ素子を製造する方法を説明するための図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る製造方法を用いて半導体レーザ素子を製造する方法を説明するための図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る製造方法を用いて半導体レーザ素子を製造する方法を説明するための図である。
【図５】図５は、本実施形態に係る製造方法を用いて半導体レーザ素子を製造する方法を説明するための図である。
【図６】図６は、本実施形態に係る製造方法を用いて半導体レーザ素子を製造する方法を説明するための図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る製造方法を用いて作製された半導体レーザ素子を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体素子の製造方法の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付す。
【００１８】
図１〜図６を参照して、本発明による半導体素子の製造方法の一実施形態を説明する。図１〜図６は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法の主要な工程を示す図である。本実施形態では半導体素子として、トレンチ溝を備える半導体レーザ素子を説明する。
【００１９】
図１の（ａ）部を参照すると、工程Ｓ１０１では第１の半導体領域３２を第１の基板３１の上に成長する。第１の基板３１は、例えばシリコンをドープしたｎ型ＩｎＰ基板等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１の半導体領域３２の成長には、例えば、有機金属気相成長法または分子線エピタキシー法等を用いることができる。
【００２０】
第１の半導体領域３２は、半導体層３３，３４，３５，３６を有する。半導体層３４，半導体層３５，および半導体層３６を、半導体層３３上にこの順に成長する。半導体層３３は、例えばｐ型ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。半導体層３４は、例えばｎ型ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。半導体層３５は、例えばｐ型ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。半導体層３６は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００２１】
工程Ｓ１０２では、第１の絶縁層を第１の半導体領域３２の上に成長する。第１の絶縁層の成長には、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いることができる。第１の絶縁層は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の酸化物からなる。第１の絶縁層の初期膜厚を分光エリプソメトリにて測定する。第１の絶縁層の上にレジストマスクを形成する。該レジストマスクを用いた反応性イオンエッチングにより、第１の絶縁層のエッチングを行って、第１のマスク層３７ａを形成する。第１のマスク層３７ａは、開口部３８ａ，３８ｂを有する。
【００２２】
図１の（ｂ）部を参照すると、工程Ｓ１０３では、エッチング装置において、第１のマスク層３７ａを用いた反応性イオンエッチングにより、第１の半導体領域３２をエッチングする。この反応性イオンエッチングのためのエッチングガスには、例えば塩素系ガスを用いることができる。
【００２３】
工程Ｓ１０４では、第１のマスク層３７ａのエッチング量Ｔ１と、第１の半導体領域３２のエッチング量Ｔ２とを測定する。第１のマスク層３７ａのエッチング量Ｔ１は、エッチング後の第１マスク層３７ａの膜厚を分光エリプソメトリで測定し、前記の測定した初期膜厚との差から算出する。第１の半導体領域３２のエッチング量Ｔ２は、第１のマスク層３７ａをバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去した後、段差計を用いて測定する。第１のマスク層３７ａのエッチング量Ｔ１の測定値と第１の半導体領域３２のエッチング量Ｔ２の測定値とを用いて、選択比Ｋを算出する。選択比Ｋは以下に示す式（１）により算出される。
Ｋ＝Ｔ２／Ｔ１…（１）
【００２４】
図２の（ａ）部を参照すると、工程Ｓ１０５では、第２の半導体領域２４をメサ部２１を形成した第２の基板１１の上に成長する。第２の基板１１は、例えばシリコンをドープしたｎ型ＩｎＰ基板等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第２の半導体領域２４は、メサ部２１、第１の埋め込み層１９、第２の埋め込み層２０、上部クラッド層１５、およびコンタクト層１６を有する。メサ部２１は、下部クラッド層１２、活性層１３、および上部クラッド層１４を有する。
【００２５】
図２の（ｂ）部を参照すると、工程Ｓ１０６では、第２の絶縁層２５を第２の半導体領域２４の上に成長する。第２の絶縁層２５の成長には、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いることができる。第２の絶縁層２５は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の酸化物からなる。レジスト層２６を第２の絶縁層２５の上に形成する。レジスト層２６の形成には、例えばスピン塗布法を用いることができる。
【００２６】
図３の（ａ）部を参照すると、工程Ｓ１０７では、フォトリソグラフィーを用いてレジスト層２６を加工して、レジストマスク２６ａを第２の絶縁層２５の上に形成する。レジストマスク２６ａは、開口部２７ａ〜２７ｃを有する。ここで図４を参照して、マスク領域５１を説明する。マスク領域５１は、第２のマスク層の厚さを測定する測定領域を形成するために用いられる。レジストマスク２６ａは、マスク領域５１を有する。マスク領域５１は、ウェハ５０の外周部に形成することができる。マスク領域５１は、例えば一辺が５ｍｍ程度の四角形の形状を有する。
【００２７】
図３の（ｂ）部を参照すると、工程Ｓ１０８では、エッチング装置において、レジストマスク２６ａを用いた反応性イオンエッチングにより、第２の絶縁層２５のエッチングを行って、第２のマスク層２５ａを形成する。第２のマスク層２５ａは、第２のマスク層２５ａの厚さを測定するための測定領域５２と開口部２８ａ〜２８ｃとを有する。エッチングガスは、例えばＣＦ４を用いることができる。エッチングの終了後に、例えば酸素アッシング等によりレジストマスク２６ａを除去する。
【００２８】
図５を参照すると、工程Ｓ１０９では、エッチング装置において、反応性イオンエッチングにより第２のマスク層２５ａを用いて第２の半導体領域２４をエッチングして、トレンチ溝２２ａ〜２２ｃを形成する。この反応性イオンエッチングの実施条件は、例えば第１の半導体領域３２をエッチングした条件と同じように設定される。
【００２９】
このエッチング期間中に、分光エリプソメトリにより測定領域５２における第２のマスク層２５ａの厚さＦを測定する。検出器４２により検出した反射光Ｌ２の偏光状態を光源４１から照射された入射光Ｌ１の偏光状態と比較することにより、第２のマスク層２５ａの厚さＦを測定できる。エッチング開始前における第２のマスク層２５ａの厚さをＢとすると、例えば第２のマスク層２５ａのエッチング量Ｄは、以下の式（２）により算出される。
Ｄ＝Ｂ−Ｆ…（２）
【００３０】
工程Ｓ１１０では、第２のマスク層２５ａのエッチング量Ｄと既に測定されている選択比Ｋとを用いて第２の半導体領域２４のエッチング量Ｅを見積る。第２の半導体領域２４のエッチング量Ｅは、以下の（３）式により見積もられる。
Ｅ＝Ｄ×Ｋ…（３）
【００３１】
エッチング量Ｅを第２の半導体領域２４の目標エッチング量と比較して、所望のエッチング量が達成されたか否かを判断する。所望のエッチング量が達成されたと判断された場合は、エッチングを停止する。所望のエッチング量が達成されたと判断されない場合は、エッチングおよび第２のマスク層２５ａの厚さＦの測定を継続する。
【００３２】
図６を参照すると、工程Ｓ１１１では、保護層１７をコンタクト層１６の上に形成する。保護層１７はコンタクトホール１７ａを有する。第１の電極１８を保護層１７の上に形成すると共に、第２の電極２３を第２の基板１１の裏面の上に形成する。これらの工程により複数の半導体レーザ素子を有するウェハが作製される。該ウェハをへき開し、半導体レーザバーを作製する。それらの２つのへき開面にそれぞれ反射率制御膜を形成し、反射率制御膜の一方を光出射面、反射率制御膜の他方を光反射面とする。該半導体レーザバーを切断してチップを形成する。以上の工程により半導体レーザ素子が作製される。
【００３３】
ここで、図７を参照して、半導体レーザ素子１の説明をする。半導体レーザ素子１は、第２の基板１１と、第２の基板１１の上に設けられたメサ部２１とを有する。メサ部２１は、トレンチ溝２２ａ，２２ｂの間に設けられている。第２の基板１１は、例えばシリコンをドープしたｎ型ＩｎＰ基板等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００３４】
メサ部２１は、下部クラッド層１２、活性層１３、および上部クラッド層１４を有する。下部クラッド層１２、活性層１３、および上部クラッド層１４は、第２の基板１１の上にこの順に設けられている。下部クラッド層１２は、例えばｎ型ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。活性層１３は、例えば多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を含み、交互に積層された複数の井戸層および障壁層を有する。活性層１３は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。上部クラッド層１４は、例えばｐ型ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００３５】
第１の埋め込み層１９はメサ部２１の両側面および第２の基板１１の上に設けられている。第１の埋め込み層１９は、例えばｐ型ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第２の埋め込み層２０はメサ部２１の両側面および第１の埋め込み層１９の上に設けられている。第２の埋め込み層２０は、例えばｎ型ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。上部クラッド層１５は上部クラッド層１４および第２の埋め込み層２０の上に設けられている。上部クラッド層１５は、例えばｐ型ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。コンタクト層１６は上部クラッド層１５の上に設けられている。コンタクト層１６は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。保護層１７はコンタクト層１６の上およびトレンチ溝２２ａ，２２ｂの上に設けられている。保護層１７は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の酸化物からなる。保護層１７は、コンタクトホール１７ａを有する。
【００３６】
半導体レーザ素子１は、第１の電極１８と第２の電極２３とを有する。第１の電極１８はコンタクト層１６の上および保護層１７の上に設けられている。第１の電極１８はコンタクトホール１７ａを通してコンタクト層１６に接触している。第２の電極２３は第２の基板１１の裏面の上に設けられている。
【００３７】
本実施形態によれば、第１の半導体領域３２のエッチング量Ｔ２および第１のマスク層３７ａのエッチング量Ｔ１から選択比Ｋを得る。第２の半導体領域２４の材料は第２のマスク層２５ａの材料と異なっているので、分光エリプソメトリにより第２のマスク層２５ａの厚さＦを測定できる。エッチング装置において、第１の半導体領域３２のエッチング条件が、第２の半導体領域２４のエッチング条件と同じになるように設定したとき、発明者らの知見によれば、第１の半導体領域３２をエッチングしたときの選択比Ｋは第２の半導体領域２４をエッチングしたときの選択比Ｋから大きく変化しない。したがって、第２のマスク層２５ａの厚さＦの測定値と選択比Ｋとを用いて第２の半導体領域２４のエッチング量Ｅを見積もることができる。このため、エッチングの終点を適切に判断することができる。
【００３８】
また、第２の半導体領域２４の厚さは５μｍ以上であってもよい。本実施形態では、第２の半導体領域２４ではなく第２のマスク層２５ａの厚さＦを分光エリプソメトリにより測定するので、厚さ５μｍ以上の第２の半導体領域２４であっても、エッチングにおける終点を適切に判断することができる。
【００３９】
また、第２の半導体領域２４の材料の屈折率は第２の基板１１の材料の屈折率と略等しくてもよい。本実施形態では、第２のマスク層２５ａの厚さＦを分光エリプソメトリにより測定している。第２のマスク層２５ａの厚さＦを測定するので、第２の基板１１の材料の屈折率と略等しい屈折率を有する第２の半導体領域２４であっても、エッチングにおける終点を適切に判断することができる。第２の基板１１の材料の屈折率が第２の半導体領域の材料の屈折率と略等しい範囲とは、例えば第２の基板１１の屈折率と第２の半導体領域２４の屈折率との差の絶対値が０．０１以下の範囲である。
【００４０】
また、第２の基板１１と前記第２の半導体領域２４とは、それぞれ同じ半導体からなっていてもよい。第２の半導体領域２４が第２の基板１１と同じ半導体からなる場合には、第２の半導体領域２４の屈折率が第２の基板１１の屈折率と略等しくなるので、分光エリプソメトリにより第２の半導体領域２４の厚さを正確に測定できない場合がある。この製造方法では、第２のマスク層２５ａの厚さを分光エリプソメトリにより測定している。第２のマスク層２５ａの厚さを測定するので、第２の基板１１と同じ半導体からなる第２の半導体領域２４のエッチングにおける終点をより適切に判断することができる。
【００４１】
なお、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。上述した実施形態では、見積もられた第２の半導体領域２４のエッチング量Ｅを、第２の半導体領域２４の目標エッチング量と比較して、所望のエッチング量が達成されたか否かを判断する。第２の半導体領域２４のエッチング量Ｅは、第２のマスク層２５ａのエッチング量Ｄと選択比Ｋとを用いて見積もることができる。しかし、判断の方法はこれに限定されるものではない。第２のマスク層２５ａのエッチング量Ｄを、第２のマスク層２５ａの目標膜減り量ＤＭと比較して、所望のエッチング量が達成されたか否かを判断してもよい。第２のマスク層２５ａの目標膜減り量ＤＭは、第２の半導体領域２４の目標エッチング量ＥＭと選択比Ｋとを用いて見積もることができる。目標膜減り量ＤＭは、以下に示す式（４）により算出される。
ＤＭ＝（１／Ｋ）×ＥＭ…（４）
【００４２】
また、本実施形態において例示したＩｎＰ等のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体や、酸化シリコンだけではなく、半導体領域とマスク層の材料はこれ以外の材料であってもよい。これ以外の材料であっても、選択比Ｋを得るためのエッチングをしたときのエッチング条件が、半導体領域をエッチングしたときのエッチング条件と同じになるように設定されれば、選択比Ｋは大きく変化しない。例えば、半導体領域には、ＧａＡｓ，ＧａＮ等のＩＩＩ‐Ｖ族化合物半導体、ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＩＶ族化合物半導体、Ｓｉ等の単元素半導体を用いることができる。マスク層には、窒化シリコン（ＳｉＮ）等の窒化物を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、エッチングの終点を適切に判断することが可能な半導体素子の製造方法が提供される。
【符号の説明】
【００４４】
１…半導体レーザ素子、１１…第２の基板、２４…第２の半導体領域、２５ａ…第２のマスク層、３１…第１の基板、３２…第１の半導体領域、３７ａ…第１のマスク層、Ｆ…厚さ、Ｋ…選択比、Ｔ１，Ｔ２…エッチング量。
【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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