JP2010219144A - エッチング装置及びエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集束イオンビームによりエッチングする際に精度良くエッチング深さを制御する。
【解決手段】ステージ１２に電気的に導通させて固定した試料２を集束イオンビームによりエッチングする際に、グランドとステージ１２の間に設置した微小電流計１３によりエッチング電流を測定する。これにより、測定した電流の大きさ、変化に基づいて試料２の層毎の違いを検出できる。その結果、任意の深さでエッチングを止めて、エッチング深さを制御することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板をエッチングする技術に関し、特に、半導体ヘテロエピタキシャル基板の任意の層においてエッチングを止める技術に関する。

分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いることで、原子層レベルにおいて組成や化学量比を変えた化合物半導体をエピタキシャル成長させて、それぞれのヘテロ構造特性に応じて異なる電気伝導・光学応答特性を持つ化合物半導体ヘテロエピタキシャル基板の作製が可能である。このように形成された化合物半導体ヘテロエピタキシャル基板を用いて高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）や半導体レーザなどのデバイスが作製されている。

化合物半導体ヘテロエピタキシャル基板を用いて、上記のような電子・光デバイスを作製するための重要な技術が、化合物半導体ヘテロエピタキシャル基板の任意のヘテロ構造層においてエッチングを止める選択エッチング法である。

半導体材料をエッチングする方法としては、エッチング液（etchant）を用いるウェットエッチング、気体をイオン化してエッチングを行うドライエッチング、イオンソースを加速して物理的に削り取るミリング等の方法がある。ウェットエッチングは、エッチャントと半導体材料とが化学反応を起こすためにエッチングが進行するものであり、このため一般的に等方的なエッチングであり、かつエッチング速度はかなり速い。また、異方的エッチングが可能な場合も結晶方位に従ってエッチングは進行する（非特許文献１参照）。これに対してドライエッチングは、イオン化したガスを用いて化学的並びに物理的にエッチングを行う手法であり、エッチングは一般的に異方的に進み、かつエッチングの深さ方向の制御が容易である。また、ミリングは分子をイオン化し電場により加速して半導体材料に照射することで物理的に表面を削っていく手法である。ドライエッチングと同様に異方性が大きいがエッチング深さの制御性に関してはドライエッチングほどは高くない。

ウェットエッチングは、旧来から使われてきた一般的なエッチング方法ではあるが、エッチングが急速に進行すること、溶液を用いるためにレジストの膨潤による設計寸法との違いが生じること、あるいは、レジスト自体がエッチャントに対する耐性が低い場合が起こる等の問題点がある。このために、ドライエッチングやミリングのような原子・分子の活性種やイオンを用いたエッチング方法が１９８０年代から主流となった。しかしながら、シリコン並びのシリコン系材料に対しては大きな問題ではないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるヘテロエピタキシャル基板に対しては大きな損傷を与えるため、加工前の基板よりも電気的・光学的特性が劣化することが報告されている（非特許文献２，３参照）。このために、特性に大きく左右される部位、例えば、二次元電子ガス層のエッチング等には、未だに損傷の少ないウェットエッチングが用いられている。

ナノ領域におけるウェットエッチングでは、エッチャントの温度や均一性のゆらぎや被エッチング表面の酸化膜や不純物分布による表面状態の違いがあるために、エッチング速度はかなりばらつく。したがって、ウェットエッチングの制御には、エッチングを何度も中断し、深さ方向を計測しながら、複数回にわたるトライアンドエラーにより適切なエッチング深さを決定する。このため工業的なプロセス確立が難しい。この難点を克服するためにエッチングストップ層をヘテロ構造に挿入する方法もとられているが（非特許文献４参照）、そのようなエッチングストップ層の挿入の難しいヘテロエピタキシャル基板も多い。

従来のドライエッチングやミリングは、かなり広い面積における均一なエッチング手法であり、ナノ領域のような非常に限られた狭い領域でのエッチングでは、マイクロ（ナノ）ローディングと呼ばれるエッチング速度の低下が起こる。このために新しく登場してきたのが、ガリウムイオンを用いた集束ビームエッチング（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）である（非特許文献５参照）。絞り（アパーチャ）や光学レンズによりガリウムイオンソースのビーム量を絞ることで数ナノメートルという非常に細いイオンビームを形成し、それによりエッチングを行う方法である。通常のミリングに比べて質量の大きなガリウムを用いることで効率的にエッチングを行うことができる。

M. Tong, et al., "Selective Wet Etching Characteristics of Lattice-Matched InGaAs/InAIAs/InP", J. Electrochem. Soc., October 1992, Vol. 139, No. 10, L91 T. Tanimoto, et al., "Dry Etching Damage and Activation Ratio Degradation in δ-Doped AlGaAs/InGaAs High Electron Mobility Transistors", Jpn. J. Appl. Phys., 15 February 1994, Vol. 33, L260 H. Linke, et al., "Damage induced by plasma etching: On the correlation of results from photoluminescence and transport characterization techniques", Appl. Phys. Lett., 13 March 1995, Vol. 66, p.1403 N. J. Sauer and K. B. Chough, "A Selective Etch for InAIAs over InGaAs and for Different InGaAIAs Quaternaries", J. Electrochem. Soc., January 1992, Vol. 139, No. 10, L10 O. Wilhelmi, et al., "Rapid Prototyping of Nanostructured Materials with a Focused Ion Beam", Jpn. J. Appl. Phys., 20 June 2008, Vol. 47, No. 6, p.5010

しかしながら、集束イオンビームでは、エッチング深さに関しては、二次電子像ないしは二次イオン像を観測することで評価するだけであった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、集束イオンビームによりエッチングする際に、精度良くエッチング深さを制御することにある。

第１の本発明に係るエッチング装置は、試料基板に集束イオンビームを照射して加工するエッチング装置であって、試料基板を電気的に導通して固定する、グランドから絶縁された試料ステージと、試料ステージとグランドに接続された電流測定手段と、を有することを特徴とする。

上記エッチング装置において、試料基板は半導体ヘテロエピタキシャル基板であることを特徴とする。

上記エッチング装置において、電流測定手段はピコアンペアレベルの微小電流を測定可能な電流計であることを特徴とする。

第２の本発明に係るエッチング方法は、試料基板に集束イオンビームを照射して加工するエッチング方法であって、グランドから絶縁された試料ステージに電気的に導通して固定した試料基板の所定の領域を所定の速度でエッチングするステップと、エッチング中に試料ステージとグランドの間に流れる電流を測定するステップと、を有することを特徴とする。

上記エッチング方法において、試料基板は半導体ヘテロエピタキシャル基板であって、測定した電流の大きさに基づいてエッチングしている層を同定することを特徴とする。

上記エッチング方法において、測定した電流の大きさが最大となる層を二次元電子ガス層として同定することを特徴とする。

上記エッチング方法において、所定の領域は一辺が数ミクロンから数十ミクロンであることを特徴とする。

上記エッチング方法において、所定の速度は秒速数オングストロームないしはそれ以下の0.5オングストローム毎秒であることを特徴とする。

本発明によれば、試料基板に集束イオンビームを照射してエッチングする際に、電流測定手段により試料ステージからグランドに流れる電流を測定することで、測定した電流の大きさ、変化に基づいて試料基板の層毎の違いを検出することができるので、任意の深さでエッチングを止めて、エッチング深さを制御することが可能となり、精度良くエッチング深さを制御することができる。

一実施の形態におけるエッチング装置の構成を示す模式図である。 エッチング電流とエッチング深さとの関係を示すグラフである。 ハイブリッド超伝導量子干渉素子の構成を示す図であり、図３（ａ）はその平面図であり、図３（ｂ）はその断面図である。 オーミット電極付き縦型量子ドットの構成を示す図であり、図４（ａ）はその平面図であり、図４（ｂ）はその断面図である。 オーミット電極付き縦型量子ドットの作製の流れを示す工程表である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態におけるエッチング装置の構成を示す模式図である。同図に示すエッチング装置１は、イオンビームを照射するガリウムイオンソース１１、試料２を固定するステージ１２、およびピコアンペアレベルの微小電流が測定可能な微小電流計１３を備える。ステージ１２は、グランドから電気的に良好に絶縁されており、微小電流計１３は、グランドとステージ１２に接続される。試料２は、銀ペーストなどの電気伝導性を持つ材料によりステージ１２に固定される。このような構成のエッチング装置１により、集束イオンビームで試料２をエッチングする過程で発生する数十ピコアンペアの微小電流の測定を行い、測定した電流の大きさ、変化に基づいてエッチングを停止する。

エッチング時に発生するエッチング電流は、エッチングにより発生する二次電子、ガリウムイオンに起因するイオンなど様々な要因から起因した電流の寄与をすべて含むものである。しかしながら、基本的にエッチングされている材料に固有の電流値を示す。特に、二次元電子ガス層は他の層に比べてキャリア濃度が高いために常に電流の大きさが最大となるので、二次元電子ガス層を容易に同定することができる。二次元電子ガス層の同定が出来れば、そこからの類推により他の層の同定も可能となる。

これまでのウェットエッチングで精確なエッチング深さ制御を行うためには、何度もエッチングを途中で止めて深さを段差計で測るという煩雑な作業を必要とした。しかしながら、本発明では、エッチング時に発生するエッチング電流を測定することにより、エッチングしている層を同定することができるので、任意の深さでエッチングを止めることが可能となる。

図２は、エッチング電流とエッチング深さとの関係を示すグラフであり、横軸にエッチング時間を示し、縦軸にエッチング電流の大きさを示している。ヘテロエピタキシャル基板の各層の厚さをグラフ中に記載した。図２のグラフから、二次元電子ガス層で電流の大きさが最大となっていることが分かる。この電流の大きさは、ヘテロ基板構造をシミュレーションした結果と良い一致を示す。

エッチング速度が速い場合には、このような電流を測定することができないので、エッチング速度としては、１秒間に数オングストローム（１オングストローム＝１０^-10メートル）進む程度にする。エッチング速度を更に遅くした場合、たとえば、1秒間に0.5オングストロームでも電流の観測は可能であるが、エッチングの制御性は若干悪くなる。最適な範囲として、３〜０．５オングストローム毎秒程度と考えられる。

エッチングを行う領域が１０ミクロン（１ミクロン＝１０^-6メートル）角程度よりも大きな場合は、明瞭な電流が観測しにくいので、エッチング装置１は比較的小さな領域での加工に適している。集束イオンビーム加工法自体が大面積の加工には時間がかかり適していないことから、エッチング装置１における欠点とはならない。集束イオンビーム加工が適切である面積においては問題なく利用できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ステージ１２に電気的に導通させて固定した試料２を集束イオンビームによりエッチングする際に、微小電流計１３によりステージ１２とグランドの間に流れる電流を測定することで、測定した電流の大きさ、変化に基づいて試料２の層毎の違いを検出し、エッチングしている層を同定することができる。その結果、任意の深さでエッチングを止めて、エッチング深さを制御することが可能となる。

本発明により、化合物半導体ヘテロエピタキシャル基板のエッチング深さを精密に制御することができる。特に二次元電子ガス層のようにキャリア濃度の高い部位の同定には大きな力を発揮する。このため、二次元電子ガス層の加工が重要となる超伝導−半導体ジョセフソン接合や量子ドットデバイスなどの作製に適している。以下にその応用例を示す。

＜応用例１＞
図３は、超伝導体並びに半導体ヘテロエピタキシャル基板を用いたハイブリッド超伝導量子干渉素子の構造を示す図である。同図に示すハイブリッド超伝導量子干渉素子は、超伝導体３１，３２が半導体ヘテロ構造の二次元電子ガス３３に接続された超伝導体−二次元電子ガス−超伝導体ジョセフソン接合を用いた超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting QUantum Interference Device）である。二次元電子ガス３３の中央部分が取り除かれて、磁束捕捉領域３５が形成され、ヘテロ構造体の上に絶縁膜３６を介してゲート電極３４が形成されている。

このハイブリッド超伝導量子干渉素子は、（１）光露光法を用いて接合の中心となるメサ構造のパターンを形成し、（２）ウェットエッチングによりメサ構造を作製し、（３）電子線露光法を用いて接合の二次元電子ガス３３を含む半導体部分のパターンを形成し、（４）ウェットエッチング後、界面処理を行い、超伝導体３１，３２を斜め蒸着により作製し、（５）保護層（レジスト並びに金属膜）で覆い、損傷を少なくした後に、本発明のエッチング装置により、磁束捕捉領域３５の形成を行うことで完成となる。ハイブリッド超伝導量子干渉素子の作製にあたり、磁束捕捉領域３５のエッチング深さは素子の特性に大きな影響を与える。これまでのウェットエッチングでは、この深さの制御が非常に難しかったが、本発明を用いればこの制御が非常に簡単になり、特性の揃った素子を製作することが可能となる。

＜応用例２＞
図４は、オーミット電極付き縦型量子ドットの構成を示す図である。同図に示すオーミット電極付き縦型量子ドットは、半導体エピタキシャル基板４２に、量子ドット４１と、量子ドット４１中に形成された二次元電子ガス層４３と、二次元電子ガス層４３にオーミット接触した電極４４とを形成したものである。これまで縦型量子ドット中に形成された二次元電子ガスに直接オーミット接触を取ることは難しかった。これは、これまで述べてきたようにウェットエッチングにおいては、エッチング深さを調節することが難しかったためである。しかしながら、本発明では、エッチング電流の大きさをリアルタイムに測定することで、二次元電子ガス層４３の下層にある半絶縁層４５において正確にエッチングを止めることができるため、真空を破らずに電極４４を形成することが可能となり、オーミット接触が取れる。

図５は、オーミット電極付き縦型量子ドットの作製の流れを示す工程表である。

まず、電子線レジストを塗布し（ステップＳ５０１）、電子線露光機により量子ドット４１部位のパターンを形成する（ステップＳ５０２）。現像して量子ドット４１部位上にマスクを形成する（ステップＳ５０３）。

続いて、エッチング保護層（タングステン）を蒸着する（ステップＳ５０４）。量子ドット４１への損傷を防ぐために金属を蒸着し保護層とする過程は重要である。

続いて、本発明のエッチング装置により、エッチングをする（ステップＳ５０５）。このとき、本発明のエッチング装置は、測定される電流の大きさに基づいて二次元電子ガス層４３を同定し、二次元電子ガス層４３の下層にある半絶縁層４５においてエッチングを停止する。

その後、二次元ガスコンタクト層を蒸着して電極４４を形成し（ステップＳ５０６）、レジストをリフトオフし（ステップＳ５０７）、オーミック電極付き量子ドットが完成する。

１…エッチング装置
１１…ガリウムイオンソース
１２…ステージ
１３…微小電流計
２…試料
３１，３２…超伝導体
３３…二次元電子ガス
３４…ゲート電極
３５…磁束捕捉領域
３６…絶縁膜
４１…量子ドット
４２…半導体エピタキシャル基板
４３…二次元電子ガス層
４４…電極
４５…半絶縁層

Claims (8)

1. 試料基板に集束イオンビームを照射して加工するエッチング装置であって、
   前記試料基板を電気的に導通して固定する、グランドから絶縁された試料ステージと、
   前記試料ステージとグランドに接続された電流測定手段と、
   を有することを特徴とするエッチング装置。
2. 前記試料基板は半導体ヘテロエピタキシャル基板であることを特徴とする請求項１記載のエッチング装置。
3. 前記電流測定手段はピコアンペアレベルの微小電流を測定可能な電流計であることを特徴とする請求項１又は２記載のエッチング装置。
4. 試料基板に集束イオンビームを照射して加工するエッチング方法であって、
   グランドから絶縁された試料ステージに電気的に導通して固定した前記試料基板の所定の領域を所定の速度でエッチングするステップと、
   エッチング中に前記試料ステージとグランドの間に流れる電流を測定するステップと、
   を有することを特徴とするエッチング方法。
5. 前記試料基板は半導体ヘテロエピタキシャル基板であって、
   測定した電流の大きさに基づいてエッチングしている層を同定することを特徴とする請求項４記載のエッチング方法。
6. 測定した電流の大きさが最大となる層を二次元電子ガス層として同定することを特徴とする請求項５記載のエッチング方法。
7. 前記所定の領域は一辺が数ミクロンから数十ミクロンであることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のエッチング方法。
8. 前記所定の速度は秒速数オングストロームから0.5オングストロームであることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載のエッチング方法。

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