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JP6291849B2 - 半導体装置の製造方法、半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法、半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、例えば光ファイバ通信の光源に用いられる半導体装置の製造方法、その製造方法で製造された半導体装置、及びその半導体装置の製造システムに関する。
特許文献１には、活性層を有するレーザ部と、光吸収層を有する光変調器部とがモノリシックに形成された半導体装置が開示されている。この半導体装置は、例えば、光変調器部の光導波路を先に形成し、後にバットジョイント法によりレーザ部の光導波路を形成して製造される。
特開２００１−９１９１３号公報
良好な電流-光出力特性と高周波特性を得るために、光変調器部のフォトルミネッセンス波長とレーザ部の発振波長の差分値は予め定められた値とすることが好ましい。理想的な差分値は諸特性を考慮して定められる。
特許文献１に開示のように、レーザ部よりも先に光変調器部を形成することで、平坦な面に光変調器部を形成できる。そのため、光吸収層の組成を均一化し光変調器部のフォトルミネッセンス波長を安定化させる効果がある。しかしながら、理想的な差分値から、例えば±２ｎｍのばらつきしか許容されない場合がある。この場合、特許文献１に開示の方法のみでは、差分値のばらつき低減が不十分であった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、差分値のばらつきを十分に低減できる半導体装置の製造方法、半導体装置、及び半導体装置の製造システムを提供することを目的とする。
本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、基板に、下部光閉じ込め層、該下部光閉じ
込め層の上の光吸収層、及び該光吸収層の上の上部光閉じ込め層を形成し、該下部光閉じ
込め層、該光吸収層、及び該上部光閉じ込め層の一部を除去することで、光変調器部を形
成する第１工程と、該基板の該光変調器部が形成されていない部分に、回折格子を有する
レーザ部を形成する第２工程と、該上部光閉じ込め層の上にドーパントの拡散を抑制する
拡散抑制層を形成する工程と、該レーザ部と該拡散抑制層の上にコンタクト層を形成する
第３工程と、を備え、該コンタクト層のドーパントの種類と、該上部光閉じ込め層のドー
パントの種類を一致させ、該拡散抑制層のドーパント濃度は１Ｅ＋１６ｃｍ −３ 以下であることを特徴とする。
本願の発明に係る半導体装置は、基板と、該基板の上に形成された下部光閉じ込め層、該下部光閉じ込め層の上に形成された光吸収層、及び該光吸収層の上に形成された上部光閉じ込め層を有する光変調器部と、該上部光閉じ込め層の上に形成された、ドーパントの拡散を抑制する拡散抑制層と、該基板の上に該光変調器部と接するように形成されたレーザ部と、該レーザ部と該拡散抑制層の上に形成されたコンタクト層と、を備え、該光吸収層は全体が均一な組成であり、該コンタクト層のドーパントと該上部光閉じ込め層のドーパントの種類を一致させ、該拡散抑制層のドーパント濃度は１Ｅ＋１６ｃｍ −３ 以下であることを特徴とする。
本発明によれば、光吸収層へのドーパントの拡散を抑制したり、回折格子の密度を最適化したりすることで、差分値のばらつきを低減できる。
実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。 第１工程後の半導体装置の断面図である。 第２工程後の半導体装置の断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造システムを示す図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法、半導体装置、半導体装置の製造システムについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置１０の断面図である。半導体装置１０は、例えばｎ型ＩｎＰで形成された基板１２を備えている。基板１２の上にはレーザ部１４が形成されている。レーザ部１４について説明する。レーザ部１４は、基板１２の上に形成されたｎ型クラッド層１６を備えている。ｎ型クラッド層１６の上には例えばＩｎＧａＡｓＰを材料とするＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）で活性層１８が形成されている。活性層１８の上にはｐ型クラッド層２０が形成されている。ｐ型クラッド層２０には回折格子２２が形成されている。ｐ型クラッド層２０の上にはｐ型埋め込み層２４が形成されている。
基板１２の上には、レーザ部１４と接する光変調器部３０が形成されている。光変調器部３０について説明する。光変調器部３０は、基板１２の上に形成された下部光閉じ込め層３２を備えている。下部光閉じ込め層３２には例えばＳがドーピングされている。下部光閉じ込め層３２の上には光吸収層３４が形成されている。光吸収層３４は全体が均一な組成となっている。光吸収層３４は例えばＩｎＧａＡｓＰを材料とするＭＱＷで形成されている。光吸収層３４にはドーパントがドーピングされていない。光吸収層３４の上には上部光閉じ込め層３６が形成されている。上部光閉じ込め層３６には、Ｂｅがドーピングされている。
上部光閉じ込め層３６の上には拡散抑制層３８が形成されている。拡散抑制層３８は例えばｉ型ＩｎＰで形成されている。レーザ部１４と拡散抑制層３８の上にはコンタクト層４０が形成されている。コンタクト層４０にはＢｅがドープされている。従って、コンタクト層４０のドーパント（Ｂｅ）と上部光閉じ込め層３６のドーパント（Ｂｅ）の種類は一致している。
コンタクト層４０の上には絶縁膜４２が形成されている。絶縁膜４２の上には、レーザ部１４のｐ側電極として用いられる第１ｐ側電極４４と、光変調器部３０のｐ側電極として用いられる第２ｐ側電極４６が形成されている。基板１２の裏面には共通ｎ側電極４８が形成されている。
半導体装置１０は、レーザ部１４と光変調器部３０がモノリシックに形成された装置である。そして、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）駆動するレーザ部１４の出力光をＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）駆動する光変調器部３０の光吸収層３４で吸収する事で、高速応答、大容量伝送、及び長距離通信を実現する。
半導体装置１０の製造方法について説明する。まず光変調器部３０を形成する。光変調器部３０を形成する工程を第１工程と称する。第１工程では、まず、基板１２の全面に、下部光閉じ込め層３２、下部光閉じ込め層３２の上の光吸収層３４、及び光吸収層３４の上の上部光閉じ込め層３６をエピタキシャル成長で形成する。その後、マスクを形成して、ドライエッチング又はウェットエッチングにより下部光閉じ込め層３２、光吸収層３４、及び上部光閉じ込め層３６の一部を除去する。これにより、図２に示す下部光閉じ込め層３２、光吸収層３４、及び上部光閉じ込め層３６を形成する。上部光閉じ込め層３６にはＢｅをドーピングする。その後、上部光閉じ込め層３６の上に、拡散抑制層３８を形成して、図２に示す構造が完成する。なお、下部光閉じ込め層、光吸収層、上部光閉じ込め層、及び拡散抑制層を基板１２の全面に形成しこれらをエッチングして図２に示す構造を完成させても良いし、第２工程の後に拡散抑制層３８を形成しても良い。
次いで、レーザ部１４を形成する。レーザ部１４を形成する工程を第２工程と称する。第２工程では、基板１２の光変調器部３０が形成されていない部分に、回折格子２２を有するレーザ部１４を形成する。回折格子２２は、電子線描画装置によってｐ型クラッド層２０にパターンを形成し、エッチングで周期的な段差を形成後、ｐ型クラッド層２０とは異なった屈折率を持つ結晶を当該段差に埋め込むことによって形成する。図３には第２工程後の半導体装置の断面図が示されている。なお、光変調器部３０、拡散抑制層３８、及びレーザ部１４は、バットジョイント法で形成することが好ましい。
次いで、レーザ部１４と拡散抑制層３８の上にコンタクト層４０を形成する。コンタクト層４０を形成する工程を第３工程と称する。コンタクト層４０にはＢｅをドープする。
本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法では、レーザ部１４よりも先に光変調器部３０を形成し、コンタクト層４０のドーパント（Ｂｅ）と上部光閉じ込め層３６のドーパント（Ｂｅ）の種類を一致させ、拡散抑制層３８を形成した。これらは全て、光変調器部３０のフォトルミネッセンス波長を予め定められた値（第１所定値）とすることを目的とする。
レーザ部を形成した後に光変調器部を形成すると、光吸収層のレーザ部に接する部分の組成は劣化してしまう。そうすると、光変調器部のフォトルミネッセンス波長を第１所定値にすることができない。そこで、本発明の実施の形態１では、レーザ部１４よりも先に光変調器部３０を形成することで、光変調器部３０をレーザ部１４の側面が無い平坦な基板１２の表面に対して形成できるようにした。よって、光変調器部よりも先にレーザ部を形成した場合と比較して光吸収層３４の組成を均一化することができるので、光変調器部３０のフォトルミネッセンス波長を第１所定値とすることができる。
本発明の実施の形態１ではレーザ部１４の形成時、及びコンタクト層４０の形成時の熱が光変調器部３０に及ぼされる。そのため、コンタクト層等のp型ドーパント（例えばＺｎ、Ｂｅ等）が光吸収層３４へ拡散する懸念がある。光吸収層の外部から光吸収層へｐ型ドーパントが拡散すると、光変調器部のフォトルミネッセンス波長が第１所定値からずれてしまう。
そこで、本発明の実施の形態１では、コンタクト層４０のドーパント（Ｂｅ）と上部光閉じ込め層３６のドーパント（Ｂｅ）の種類を一致させた。従って、コンタクト層４０のドーパントが光吸収層３４へ拡散することを抑制できる。さらに、ｐ型クラッド層２０とｐ型埋め込み層２４のドーパントと、上部光閉じ込め層３６のドーパントの種類を一致させて、ｐ型クラッド層２０とｐ型埋め込み層２４のドーパントが光吸収層３４へ拡散しづらくすることが好ましい。
拡散抑制層３８により、コンタクト層４０から光変調器部３０へのドーパントの拡散を抑制することができる。拡散抑制層３８が薄すぎるとｐ型ドーパントの拡散を抑制できず、拡散抑制層３８が厚すぎると光変調器部３０の駆動のための電界を印加できなくなる。そのため、拡散抑制層３８の厚さは、ｐ型ドーパントの拡散を抑制でき、かつ光変調器部３０に十分な電界を印加できる最適厚とすることが望ましい。例えば、拡散抑制層３８の厚さを１００〜４００ｎｍの範囲とし、かつ拡散抑制層のドーパント濃度は≦１Ｅ＋１６ｃｍ−３とすることが好ましい。
コンタクト層４０と上部光閉じ込め層３６のドーパントの種類を一致させることと、拡散抑制層３８を形成することは、光変調器部３０のフォトルミネッセンス波長の安定化にも寄与するが、主として光吸収量を一定にすることに寄与する。従って、半導体装置１０によれば、光変調器部３０のフォトルミネッセンス波長を第１所定値に安定化させつつ、光吸収量を一定にすることができる。
ところで、レーザ部１４の発振波長は回折格子２２の間隔で決まる。回折格子２２は電子線描画装置で形成するので、レーザ部１４の発振波長を予め定められた値（第２所定値）にするのは容易である。
このように、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法によれば、光変調器部３０のフォトルミネッセンス波長を第１所定値として、レーザ部１４の発振波長を第２所定値とすることができる。これにより、当該フォトルミネッセンス波長と当該発振波長の差分値のばらつきを十分低減できる。
光吸収層３４にＩｎＧａＡｓＰなどのＩｎＰ系材料を用いる場合は、コンタクト層４０と上部光閉じ込め層３６にＢｅをドープすることが好ましい。光吸収層にＡｌＧａＩｎＡｓなどのＡｌ系材料を用いる場合は、コンタクト層と上部光閉じ込め層３６にＺｎをドープすることが好ましい。また、回折格子２２はｎ型クラッド層１６に形成しても良い。なお、これらの変形は、以下の実施の形態に係る半導体装置の製造方法等に対して応用できる。
実施の形態２．
実施の形態２については実施の形態１との相違点を中心に説明する。実施の形態２は、１枚のウエハに複数の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法と半導体装置の製造システムに関する。図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造システム１００を示す図である。半導体装置の製造システム１００（以後、単にシステム１００という）はＰＬ評価装置１０２を備えている。ＰＬ評価装置１０２には演算部１２０が接続されている。演算部１２０には電子線描画装置１３０が接続されている。電子線描画装置１３０は、複数の光変調器部のそれぞれと接して設けられるレーザ部の回折格子を形成する装置である。
実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、ウエハ１０４に、下部光閉じ込め層、光吸収層、及び上部光閉じ込め層を形成し、これらの一部を除去することで、複数の光変調器部を形成する。この工程は第１工程である。
第１工程の後に、ＰＬ評価装置１０２を用いて、ウエハ１０４に形成された複数の光変調器部の個々の光変調器部のフォトルミネッセンス波長を評価する。この工程を評価工程と称する。評価工程では、ウエハ１０４をＰＬ評価装置１０２へ移動し、ウエハに形成された３６個の光変調器部のフォトルミネッセンス波長を測定する。なお、３６個の光変調器部は、破線で囲まれた領域に１つずつ形成されている。
ＰＬ評価装置１０２の上のウエハ１０４には、ウエハ面内のフォトルミネッセンス波長の分布が示されている。ウエハ外周部１０６でのフォトルミネッセンス波長はλ１である。外周部１０６の内側の中間部１０８でのフォトルミネッセンス波長はλ１より大きいλ２である。中間部１０８の内側の中央部１１０でのフォトルミネッセンス波長はλ２より大きいλ３である。つまり、ウエハ１０４の外周側ほどフォトルミネッセンス波長が小さくなっている。フォトルミネッセンス波長のデータは演算部１２０へ伝送される。
評価工程後に第２工程に処理を進める。第２工程では、複数の光変調器部のそれぞれに回折格子を有するレーザ部が接続するように、ウエハに複数のレーザ部を形成する。複数のレーザ部の個々の回折格子は、評価工程で得られたフォトルミネッセンス波長とレーザ部の発振波長の差分値が予め定められた値になるように形成する。
具体的な処理について説明する。まず、演算部１２０が、ＰＬ評価装置１０２からフォトルミネッセンス波長の情報を受け取り、フォトルミネッセンス波長とレーザ部の発振波長の差分値が予め定められた値となるための回折格子の密度を演算する。つまり、個々の光変調器部に対し、最適な回折格子の密度を演算する。なお、「回折格子の密度」というのは、回折格子パターンの密度を表す。回折格子の密度を大きくすればレーザ素子の発振波長は小さくなり、回折格子の密度を小さくすればレーザ素子の発振波長は大きくなる。
ウエハ中央部１１０では光変調器部のフォトルミネッセンス波長が大きいので、差分値を予め定められた値とするために、回折格子の密度を小さくする。一方、ウエハ外周部１０６では光変調器部のフォトルミネッセンス波長が小さいので、差分値を予め定められた値とするために、回折格子の密度を大きくする。そして、この演算結果を電子線描画装置１３０へ送る。
電子線描画装置１３０では、演算部１２０の演算結果に基づいて、ウエハ１０４に対して回折格子を形成するための電子線照射を行う。つまり、ウエハの外周部１３２では回折格子の密度を大きくし、中間部１３４では外周部１３２よりも回折格子の密度を小さくし、中央部１３６では中間部１３４よりも回折格子の密度を小さくする。
次いで、複数の光変調器部と複数のレーザ部の上に、コンタクト層を形成する。この工程は第３工程である。このようにして、差分値の観点から最適化された回折格子を有する３６個の半導体装置を形成する。
上記のとおり、フォトルミネッセンス波長はウエハ面内で一定のばらつきを有している。そのため、ウエハ面内のすべての半導体装置の回折格子を均一な間隔で形成するとフォトルミネッセンス波長とレーザ部の発振波長の差分値がウエハ面内でばらつく。結果として、予め定められた差分値から乖離した差分値を有する半導体装置が形成されてしまう。
ところが、本発明の実施の形態２に係るシステム１００を用いた半導体装置の製造方法では、評価工程で得られたフォトルミネッセンス波長に基づき、各半導体装置に、差分値を予め定められた値にするための最適な回折格子が形成される。よって、ウエハに形成された３６個の半導体装置すべてについて、差分値を予め定められた値とすることができる。
実施の形態１の特徴と実施の形態２の特徴を適宜に組み合わせてもよい。例えば、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法において、コンタクト層のドーパントと上部光閉じ込め層のドーパントの種類を一致させ、かつ拡散抑制層を形成すると、差分値のばらつきを低減する効果を高めることができる。
１０ 半導体装置、 １２ 基板、 １４ レーザ部、 １６ ｎ型クラッド層、 １８ 活性層、 ２０ ｐ型クラッド層、 ２２ 回折格子、 ２４ 埋め込み層、 ３２,３６ 光閉じ込め層、 ３４ 光吸収層、 ３８ 拡散抑制層、 ４０ コンタクト層、４２ 絶縁膜、 １００ 半導体装置の製造システム、 １０２ ＰＬ評価装置、 １２０ 演算部、 １３０ 電子線描画装置

Claims (4)

  1. 基板に、下部光閉じ込め層、前記下部光閉じ込め層の上の光吸収層、及び前記光吸収層の上の上部光閉じ込め層を形成し、前記下部光閉じ込め層、前記光吸収層、及び前記上部光閉じ込め層の一部を除去することで、光変調器部を形成する第１工程と、
    前記基板の前記光変調器部が形成されていない部分に、回折格子を有するレーザ部を形成する第２工程と、
    前記上部光閉じ込め層の上にドーパントの拡散を抑制する拡散抑制層を形成する工程と、
    前記レーザ部と前記拡散抑制層の上にコンタクト層を形成する第３工程と、を備え、
    前記コンタクト層のドーパントの種類と、前記上部光閉じ込め層のドーパントの種類を一致させ、
    前記拡散抑制層のドーパント濃度は１Ｅ＋１６ｃｍ −３ 以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記拡散抑制層の厚さは１００〜４００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 基板と、
    前記基板の上に形成された下部光閉じ込め層、前記下部光閉じ込め層の上に形成された光吸収層、及び前記光吸収層の上に形成された上部光閉じ込め層を有する光変調器部と、
    前記上部光閉じ込め層の上に形成された、ドーパントの拡散を抑制する拡散抑制層と、
    前記基板の上に前記光変調器部と接するように形成されたレーザ部と、
    前記レーザ部と前記拡散抑制層の上に形成されたコンタクト層と、を備え、
    前記光吸収層は全体が均一な組成であり、
    前記コンタクト層のドーパントと前記上部光閉じ込め層のドーパントの種類を一致させ、
    前記拡散抑制層のドーパント濃度は１Ｅ＋１６ｃｍ −３ 以下であることを特徴とする半導体装置。
  4. 前記拡散抑制層の厚さは１００〜４００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
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