JP2500443B2 - 化合物半導体のドライエッチング方法 - Google Patents

化合物半導体のドライエッチング方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体の低損傷
ドライエッチング法による微細構造形成技術に関する。
【0002】
【従来の技術】加工により化合物半導体の量子細線とい
ったナノメータサイズの微細構造を形成するには、大気
暴露による表面汚染を避けるために、成長後の化合物半
導体試料を真空中でそのまま加工する、いわゆる真空一
貫プロセスを行うことが重要である。またこの時の加工
においては、微細性と低損傷を兼備した集束電子線を利
用する事が有効である。
【0003】化合物半導体であるヒ化ガリウム(GaA
s)に対しこの様な微細加工を行う方法として、従来、
GaAs酸化膜をエッチング用のマスクとし、集束電子
線と塩素ガスを用いて微細構造を形成する方法があり、
例えば、セミコンダクタ・サイエンス・アンド・テクノ
ロジー(Semicond.Sci.Techno
l.)、Vol.7、(1992)pp.160〜16
3に記載されている様なドライエッチング方法がある。
この方法を図2を用いて説明する。この方法では、次に
述べる工程を真空中で連続して行う。まず、分子線エピ
タキシー法により成長したGaAs成長層21の表面に
酸素ガス22雰囲気中でハロゲンランプによる光照射2
3を行いGaAs酸化膜24を形成する(図2
(a))。次に集束電子線25をGaAs酸化膜24に
照射し、照射部分のGaAs酸化膜を選択的に改質し、
塩素ガスエッチング耐性を劣化させる(図2(b))。
次に改質パターン化されたGaAs酸化膜をマスクとし
て塩素ガス26によりGaAs成長層21のエッチング
を行う。これにより集束電子線25が照射された場所の
GaAs酸化膜が選択的にエッチングされ、従って、こ
の部分のGaAsも選択的にエッチングされる(図2
(c))。
【0004】しかし、この方法では、酸化物という半導
体材料とは異質の物質を用いているため、塩素ガスエッ
チングによる加工表面がこの酸化膜によって汚染される
事が懸念される。
【0005】この問題点を解決するために、最近、半導
体エピタキシャル層をエッチングのマスクとする方法が
提案されている(平成4年秋季 第53回応用物理学会
学術講演会 講演予稿集 第3分冊 p.1149)。
この方法を図3を用いて説明する。この方法では、次に
述べる工程を真空中で連続して行う。まず、分子線エピ
タキシー法により被加工材料であるGaAs層31とエ
ッチングのマスクとなるInGaAs層32を連続的に
成長する(図3(a))。次に集束電子線33と塩素ガ
ス34をInGaAs層表面に同時に照射してInGa
As層32をエッチング除去し、更に照射を続けて被加
工材料であるGaAs層31のエッチング加工を行う
(図3(b))。この時、電子線が照射されていない部
分のInGaAs層32は塩素ガスエッチング耐性があ
るのでマスクとしてはたらく。この方法では、エッチン
グのマスクとして、被加工材料のGaAsと同じ化合物
半導体であるInGaAsを用いているので、前記の酸
化物マスクの場合のような異種物質による汚染はない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、InG
aAsをエッチングのマスクに用いる従来の方法では、
InGaAsを除去できるエッチング条件、すなわち、
高試料温度・高塩素ガス圧という条件では、被加工材料
であるGaAs層が塩素ガスのみによっても非常に早い
速度で表面平行方向・垂直方向にエッチングされる。し
たがって、同一試料上に複数個の隣接する構造を形成す
る場合、第1番目の構造を電子線と塩素ガスの同時照射
により形成した後、電子線の照射位置を移動して第2の
構造を形成している間、第1の構造のGaAs部分は塩
素ガスに晒されているので、エッチングが高速で進行し
てしまう。したがって、これら複数個の構造の深さ・幅
といった加工寸法が大幅にばらついてしまうという問題
点があった。
【0007】本発明の目的は、被加工材料と同じ種類の
化合物半導体を電子線と反応性ガスによるエッチングの
マスクとして用いた真空一貫加工プロセスにおいて、深
さ・幅加工寸法のばらつきの非常に少ない新規なドライ
エッチング方法を提供する事にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、電子線と反応
性ガスとイオンを利用した化合物半導体の加工方法であ
って、被加工化合物半導体表面上に、反応性ガスの照
射、あるいは電子線と前記反応性ガスとの同時照射によ
ってはエッチングされず、イオンの照射、あるいは前記
イオンと前記反応性ガスとの同時照射により容易にエッ
チングされる化合物半導体から成る第1のマスクを形成
する工程と、前記第1のマスクの上に前記電子線と前記
反応性ガスとの同時照射により容易にエッチングされ、
前記イオンあるいは前記イオンと前記反応性ガスとの同
時照射によっても容易にエッチングされる化合物半導体
から成る第2のマスクを形成する工程と、前記第2のマ
スクの表面に前記電子線と前記反応性ガスの同時照射に
より前記第1のマスクの厚さ以上の深さを有する凹みを
形成する工程と、前記第2のマスクの表面への前記イオ
ンの照射、あるいは前記イオンと前記反応性ガスとの同
時照射により、前記第1のマスクのうち前記凹みの下方
にある部分のみを除去する工程と、前記被加工化合物半
導体表面全体に前記反応性ガスを照射、あるいは前記電
子線と前記反応性ガスとを同時照射する工程とを有する
ことを特徴とする化合物半導体のドライエッチング方法
である。
【0009】
【作用】本発明に於いては、まず、第1のマスク上にあ
る第2のマスクに、所望の構造にしたがった凹部を集束
電子線と反応性ガスとの同時照射によるいわゆるマスク
レスエッチング法で形成しておく。次に、第2のマスク
全面に対してイオン照射あるいはイオンと反応性ガスの
同時照射により第2のマスクをエッチングしていく。す
ると、先に凹形状にした部分では他の部分よりも早く第
1のマスクが露出する。さらにエッチングを続けると、
凹部の深さを予め次のように設定しておけば、凹部以外
の第2のマスクがエッチングされて第1のマスクが露出
する前に、凹部の下の第1のマスクを除去する事ができ
る。
【0010】D2 >d1 ×R2 /R1 ここに、D2 は第1のマスクへのパターン転写に要す
る、第2のマスクに形成する凹部の深さ、d1 は第1の
マスクの厚さ、R1 は第1のマスクのエッチング速度、
2 は第2のマスクのエッチング速度である。
【0011】この後、被加工化合物半導体表面全体に反
応性ガスを照射、あるいは電子線と反応性ガスとを同時
照射すると、第1のマスクのない部分の被加工化合物半
導体はエッチングされるが、その他の部分は、第2のマ
スクによりエッチングされない。結果として、最初に第
2のマスクに形成した凹部パターンが被加工化合物半導
体に転写される。
【0012】ここで、凹部を第1のマスクに転写・エッ
チングする工程はイオン照射あるいはイオと反応性ガス
の同時照射により行うので、R1 〜R2 である。したが
ってD2 >d1 となるので、予め第2のマスク上に形成
しておく凹部の深さは第1のマスクの厚さ程度で良い。
第1のマスクの厚さは、反応性ガスの照射あるいは電子
線と反応性ガスとの同時照射に耐性があれば良いので、
数nmあれば十分であるので凹部の深さも数nm程度で
良く、このエッチングに要する時間は短い。したがっ
て、複数個の凹部を形成する際のパターン幅広がりが非
常に小さい。一方、深さについては、第2のマスクに電
子線と反応性ガスとの同時照射エッチングによる複数個
の凹部を形成する場合、同時照射時間が同じならば、エ
ッチング深さは形成する凹部の順番に依らず一定である
ので問題はない。この深さばらつきが無く、幅ばらつき
の小さいパターンを直進性の良いイオンにより第1のマ
スクに転写し、さらにこれをマスクとして被加工化合物
半導体を全面一括でエッチングするので、深さ・幅ばら
つきの少ない構造が形成できる。
【0013】
【実施例】次に、本発明によるドライエッチング方法
を、図1を用いて説明する。まず、分子線エピタキシー
法により、被加工化合物半導体としてのGaAs11上
に、第1のマスクとしてのIn0.2 Ga0.8 As(以下
InGaAsと記す)12を厚さ5nm、第2のマスク
としてのGaAs13を厚さ10nm、順次連続的にエ
ピタキシャル成長する(図1(a))。次に、試料温度
を65℃に保ち、3×10-6Torrの塩素ガス14雰
囲気中で運動エネルギー5keV、ビーム径50nmの
集束電子線15を電子ドーズ1×1017(電子/c
-2)になるように2分間照射する事でエッチングを行
い、第2のマスクであるGaAs13に深さ7.5n
m、幅50nmのパターンを10個形成する(図1
(b)、ただし、この図ではパターンは1個)。深さ
は、エッチング時間が同じならば一定である。この時、
最初にエッチングしたパターンの、雰囲気塩素ガスエッ
チングによる幅広がりは、高々1.3nmと少ない。次
に、試料温度を室温に保ち、塩素ラジカル16を用いた
イオン17の加速電圧30Vの反応性イオンビームエッ
チング法により第2のマスク13に形成した10個のパ
ターンを第1のマスク12に転写する(図1(c))。
この時、第1,第2のマスクではIn0.2 Ga0.8
s、GaAsと材料は異なるが、イオンを用いる反応性
イオンビームエッチング法では、エッチング速度は殆ど
同じであり、また、InGaAs12は5nmと非常に
薄いので、容易にパターン転写が行われる。次に、試料
温度を室温に保ったまま、5×10-5Torrの塩素ガ
ス18雰囲気中で試料全面に運動エネルギー500eV
のシャワー状電子ビーム19を照射する(図1
(c))。この時、被加工材料のGaAs11は容易に
エッチングされるが、第1のマスクであるInGaAs
12は殆どエッチングされないため、被加工材料のGa
As11には、エッチング深さが一定で、幅広がりの非
常に少ない構造が形成できる。
【0014】なお、この被加工材料のGaAsのエッチ
ングにおいては、塩素ガスのみを用いても良い。
【0015】
【発明の効果】本発明に寄れば、深さ・幅加工寸法のば
らつきの非常に少ない化合物半導体の構造を、同種類の
化合物半導体のみをマスクとして形成する事ができるた
め、異物による汚染の無い加工ができる。また、本方法
は、すべて真空中で連続して行う事ができるため、エッ
チングによる構造形成の後、更に、試料を大気に晒す事
無く、加工構造を化合物半導体により埋込成長する事が
できる。こうする事により、加工構造の電気的・光学的
品質の向上が期待できる。また、例えば前述の実施例で
言えば、従来法の様に、InGaAsマスクおよび被加
工材料のGaAsを直接電子線と反応性ガスによりエッ
チングせず、よりエッチングが容易なGaAsを電子線
と反応性ガスによりエッチングすればよく、また、この
エッチングは浅くてよいので、パターニングに要する時
間を大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法による一実施例を説明する図。
【図2】従来のエッチング方法を示す図。
【図3】従来のエッチング方法を示す図。
【符号の説明】
11 GaAs 12 InGaAs(第1のマスク) 13 GaAs(第2のマスク) 14,18,26,34 塩素ガス 15,25,33 集束電子線 16 塩素ラジカル 17 イオン 19 シャワー状電子線 21 GaAs層 22 酸素ガス 23 光照射 24 GaAs酸化膜 31 GaAS 32 InGaAs層(マスク)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被加工化合物半導体表面上に、反応性ガ
    スの照射、あるいは電子線と前記反応性ガスとの同時照
    射によってはエッチングされず、イオンの照射、あるい
    は前記イオンと前記反応性ガスとの同時照射により容易
    にエッチングされる化合物半導体から成る第1のマスク
    を形成する工程と、前記第1のマスクの上に前記電子線
    と前記反応性ガスとの同時照射により容易にエッチング
    され、前記イオンあるいは前記イオンと前記反応性ガス
    との同時照射によっても容易にエッチングされる化合物
    半導体から成る第2のマスクを形成する工程と、前記第
    2のマスクの表面に前記電子線と前記反応性ガスの同時
    照射により前記第1のマスクの厚さ以上の深さを有する
    凹みを形成する工程と、前記第2のマスクの表面への前
    記イオンの照射、あるいは前記イオンと前記反応性ガス
    との同時照射により、前記第1のマスクのうち前記凹み
    の下方にある部分のみを除去する工程と、前記被加工化
    合物半導体表面全体に前記反応性ガスを照射、あるいは
    前記電子線と前記反応性ガスとを同時照射する工程とを
    有することを特徴とする化合物半導体のドライエッチン
    グ方法。
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