JP2522067B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP2522067B2 JP1244216A JP24421689A JP2522067B2 JP 2522067 B2 JP2522067 B2 JP 2522067B2 JP 1244216 A JP1244216 A JP 1244216A JP 24421689 A JP24421689 A JP 24421689A JP 2522067 B2 JP2522067 B2 JP 2522067B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にヘテロ
構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a hetero structure.

(従来の技術) 近年、特にヘテロ接合材料を用いた化合物半導体装置
の研究開発が盛んになっている。一般に、ヘテロ接合を
含む化合物半導体装置の製造方法においては、高選択
性、高均一性及び低損傷の結晶ドライエッチング技術が
重要である。従来、例えばAlGaAsとGaAsからなる半導体
結晶において、GaAsを選択的にエッチングする方法とし
て「信学技報」、第88巻、354号(1989)23頁に示され
ているようにCCl2F2とHeからなる反応性ガスによる反応
性イオンエッチングを用いた方法がある。
(Prior Art) In recent years, research and development of a compound semiconductor device using a heterojunction material has been particularly active. Generally, in a method of manufacturing a compound semiconductor device including a heterojunction, a crystal dry etching technique having high selectivity, high uniformity and low damage is important. Conventionally, as a method of selectively etching GaAs in a semiconductor crystal composed of AlGaAs and GaAs, for example, as shown in “Technical Review of Japan”, Vol. 88, No. 354 (1989), page 23, CCl 2 F 2 There is a method using reactive ion etching with a reactive gas consisting of He and He.

(発明が解決しようとする課題) 化合物半導体では、例えば、GaAs結晶の表面は不安定
であり、結晶表面が大気に触れると結晶表面に自然酸化
膜を生成する。従来の製造方法で用いられている反応性
ガスでは、前記自然酸化膜のエッチング速度が小さく、
自然酸化膜を除去するまでの時間がウエハー面内でばら
つく問題が生じ、エッチングの均一性を低下させる一つ
の大きな原因となっている。そこで均一性を向上させる
ためエッチングの時間を長くして、ばらつきを低減して
きた。しかし、この場合、基板面に対して垂直方向のエ
ッチングはGaAsとAlGaAsのエッチング速度比が大きいた
めにAlGaAsでエッチングが停止するので制御性は高い
が、基板面に対して水平方向のエッチングはGaAs結晶が
塩素の反応子と反応しエッチングが進行するためサイド
エッチングが生じ制御性に欠ける問題が残る。
(Problems to be Solved by the Invention) In a compound semiconductor, for example, the surface of a GaAs crystal is unstable, and a natural oxide film is formed on the crystal surface when the crystal surface comes into contact with the atmosphere. With the reactive gas used in the conventional manufacturing method, the etching rate of the natural oxide film is small,
The time until the natural oxide film is removed varies on the wafer surface, which is one of the major causes of deterioration of etching uniformity. Therefore, in order to improve the uniformity, the etching time is lengthened to reduce the variation. However, in this case, etching in the direction vertical to the substrate surface is high in controllability because etching is stopped in AlGaAs because the etching rate ratio between GaAs and AlGaAs is large, but etching in the horizontal direction relative to the substrate surface is GaAs. Since the crystal reacts with the chlorine reactant and etching progresses, side etching occurs and the problem of lack of control remains.

本発明の目的は、このような問題を解決し、特に基板
面に対し水平方向の制御性を向上させ、サイドエッチン
グを抑制し、高均一、かつ低損傷のドライエッチング工
程を含む半導体装置の製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above problems, particularly to improve the controllability in the horizontal direction with respect to the substrate surface, suppress side etching, and manufacture a semiconductor device including a highly uniform and low damage dry etching process. To provide a method.

(課題を解決するための手段) 本発明は、半導体基板上にAlまたはInの少なくとも一
方を含む第1の化合物半導体層を形成し、その上にAlも
Inも含まない第2の化合物半導体層を積層する工程と、
少なくとも水素ガスと他の元素ガスを含む混合ガスを用
いてプラズマ処理をする工程と、前記プラズマ処理後連
続的に塩素または臭素のうち少なくともいずれか一方と
弗素とを主な構成元素とするハロゲンガスを少なくとも
含む反応性ガスを用いて反応性イオンエッチング法によ
り前記第2の化合物半導体層を選択的にエッチングする
工程を含み、前記水素ガスは前記他の元素ガスの分圧比
率よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法で
ある。
(Means for Solving the Problems) In the present invention, a first compound semiconductor layer containing at least one of Al and In is formed on a semiconductor substrate, and Al is also formed thereon.
Stacking a second compound semiconductor layer not containing In,
A step of performing plasma treatment using a mixed gas containing at least hydrogen gas and another element gas, and a halogen gas whose main constituent elements are at least one of chlorine and bromine and fluorine continuously after the plasma treatment. A step of selectively etching the second compound semiconductor layer by a reactive ion etching method using a reactive gas containing at least hydrogen, the hydrogen gas being higher than a partial pressure ratio of the other element gas. A method for manufacturing a characteristic semiconductor device.

(作用) 第3図に本発明のプラズマ処理におけるGaAsのエッチ
ング速度のCCl2F2とH2の分圧比依存性を示す。また、本
発明のプラズマ処理を10分行い、連続的にCCl2F2とHeを
用いた反応性イオンエッチングを行ったときの500ÅのG
aAsのエッチング及びAlGaAsでエッチングが停止する経
過を第4図に示す。エッチングの高周波エネルギーは、
0.1W/cm2であり、ガス圧力は前記プラズマ処理の場合5P
a、前記反応性イオンエッチングの場合10Paである。本
発明の半導体装置の製造方法によれば、例えば、GaAsの
反応性イオンエッチングを行う前に、CCl2F2とH2の混合
ガスを用いたプラズマ処理を行うことによりGaAs表面に
存在する自然酸化膜は除去されるため、第2の半導体層
をエッチングするCCl2F2とHeを用いた反応性イオンエッ
チングでは、エッチング開始時間が短縮される。そのた
めに、従来生じていたエッチングの開始時間の遅れを短
縮でき、短時間で所望のエッチングが可能となる。ま
た、本発明はエッチングの開始時間のばらつきもないた
め、均一なエッチングができる。また、選択的にエッチ
ングを行うための弗素の反応子の供給量は従来技術と同
程度であるため、制御性は、基板面に対して垂直方向は
もとより、基板面に対して水平方向のエッチング制御性
も向上する。特に基板面に対して水平方向のエッチング
制御性が向上し、微細加工、高制御で且つ、低損傷な微
細加工技術を提供でき、信頼性の高い半導体装置が再現
性よく高歩留りで実現できる。
(Operation) FIG. 3 shows the dependence of the etching rate of GaAs in the plasma treatment of the present invention on the partial pressure ratio of CCl 2 F 2 and H 2 . Further, the plasma treatment of the present invention is performed for 10 minutes, and 500 Å G when continuously performing reactive ion etching using CCl 2 F 2 and He
FIG. 4 shows the progress of etching of aAs and of AlGaAs. The high frequency energy of etching is
0.1 W / cm 2 , gas pressure is 5P in the case of plasma treatment
a, 10 Pa in the case of the reactive ion etching. According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, for example, before performing reactive ion etching of GaAs, plasma treatment using a mixed gas of CCl 2 F 2 and H 2 is performed, so that the natural state existing on the GaAs surface is Since the oxide film is removed, the etching start time is shortened in the reactive ion etching using CCl 2 F 2 and He for etching the second semiconductor layer. Therefore, it is possible to reduce the delay of the etching start time that has conventionally occurred, and it is possible to perform desired etching in a short time. Further, in the present invention, since there is no variation in etching start time, uniform etching can be performed. Further, since the supply amount of the fluorine reactant for performing the selective etching is about the same as that in the conventional technique, the controllability is controlled not only in the direction vertical to the substrate surface but also in the horizontal direction to the substrate surface. Controllability is also improved. In particular, the etching controllability in the horizontal direction with respect to the substrate surface is improved, and it is possible to provide a fine processing technology with fine processing, high control, and low damage, and a highly reliable semiconductor device can be realized with high reproducibility and high yield.

(実施例1) 第1図(a)乃至第1図(d)は、本発明の半導体装
置の製造方法の一実施例を説明するために示した半導体
装置の工程ごとの要部構造断面図である。
(Embodiment 1) FIGS. 1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views of the structure of a main part of each step of a semiconductor device for explaining an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. Is.

まず、第1図(a)に示すように半絶縁性GaAs基板1
上に第1のGaAs層2を5000Å、Siを2×1018cm-3ドーピ
ングしたN型GaAs層3を100Å、第1のAlGaAs層4を200
Å、Siを2×1018cm-3ドーピングした第2のN型GaAs層
12を500Åを連続的にエピタキシャル成長する。次に第
1図(b)に示すようにレジスト13を塗布し、ゲート領
域を開口する。次に第1図(c)に示すように電界効果
トランジスタのゲート領域の前記第2のN型GaAs層12を
CCl2F2とH2の反応性ガスを用いてプラズマ処理を行い連
続的にCCl2F2とHeの混合ガスを用いた反応性イオンエッ
チング法により、選択的にエッチングする。前記プラズ
マ処理では、ガスの分圧の比率は、CCl2F2に対してH2
高くし、ガス圧力は、5Paである。前記反応性イオンエ
ッチング法によるエッチングでは、CCl2F2に対しHeを低
くし、ガス圧力は10Paである。次に第1図(d)に示す
ようにAlを蒸着し、リフトオフ法によりゲート電極8を
形成することにより電界効果トランジスタが形成され
る。
First, as shown in FIG. 1 (a), a semi-insulating GaAs substrate 1
The first GaAs layer 2 is 5000 Å, the N-type GaAs layer 3 doped with Si 2 × 10 18 cm -3 is 100 Å, and the first AlGaAs layer 4 is 200 Å.
Å, 2nd N-type GaAs layer doped with Si 2 × 10 18 cm -3
12 to 500Å continuously epitaxially grow. Next, as shown in FIG. 1B, a resist 13 is applied to open the gate region. Next, as shown in FIG. 1 (c), the second N-type GaAs layer 12 in the gate region of the field effect transistor is removed.
Plasma treatment is performed using a reactive gas of CCl 2 F 2 and H 2 , and selective etching is continuously performed by a reactive ion etching method using a mixed gas of CCl 2 F 2 and He. In the plasma treatment, the partial pressure ratio of gas is H 2 higher than that of CCl 2 F 2 , and the gas pressure is 5 Pa. In the etching by the reactive ion etching method, He is lower than CCl 2 F 2 and the gas pressure is 10 Pa. Next, as shown in FIG. 1D, Al is vapor-deposited and the gate electrode 8 is formed by the lift-off method to form a field effect transistor.

本実施例において、得られた素子のしきい値電圧の標
準偏差は、約11mVと良好であり、反応性イオンエッチン
グに伴う損傷も極めて小さかった。尚、プラズマ処理の
ガス圧力が0.01Pa乃至10Paの範囲において、同様な結果
が得られた。他に2次元電子ガス層高電子移動度トラン
ジスタ、第1の半導体層、絶縁層及び第2の半導体層を
有する積層半導体装置も同様に実現できる。
In this example, the standard deviation of the threshold voltage of the obtained device was as good as about 11 mV, and the damage due to the reactive ion etching was also extremely small. Similar results were obtained when the gas pressure for plasma treatment was in the range of 0.01 Pa to 10 Pa. In addition, a stacked semiconductor device having a two-dimensional electron gas layer high electron mobility transistor, a first semiconductor layer, an insulating layer and a second semiconductor layer can be similarly realized.

(実施例2) 次に本発明の他の実施例について図面を参照して説明
する。
Second Embodiment Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第2図(a)乃至第2図(e)は、本発明の半導体集
積装置の製造方法の一実施例を説明するために示した半
導体集積装置の工程ごとの要部構造断面図である。
2 (a) to 2 (e) are cross-sectional views of a main part structure of each step of the semiconductor integrated device, which are shown for explaining one embodiment of the method for manufacturing the semiconductor integrated device of the present invention.

まず、第2図(a)に示すように半絶縁性GaAs基板1
上に第1のGaAs層2を5000Å、Siを2×1018cm-3ドーピ
ングしたN型GaAs層3を100Å、第1のAlGaAs層4を200
Å、第2のGaAs層5を50Å、第2のAlGaAs層6を50Å、
第3のGaAs層7を200Åを連続的にエピタキシャル成長
する。次に第2図(b)に示すように、一部の領域の前
記第3のGaAs層7をCCl2F2とH2の反応性ガスを用いてプ
ラズマ処理を行い連続的にCCl2F2とHeの混合ガスを用い
た反応性イオンエッチング法により、選択的にエッチン
グする。前記プラズマ処理は、ガスの分圧の比率は、CC
l2F2に対してH2を高くし、ガス圧力は、5Paである。前
記反応性イオンエッチング法によるエッチングは、CCl2
F2に対しHeを低くし、ガス圧力は10Paである。次に第2
図(c)に示すようにゲート電極8をWSiを用いて形成
し、第2図(d)に示すように前記ゲート電極8をマス
クとしてSiを150KeV、1×1014cm-2で注入し、その後80
0℃で熱処理を行いコンタクト領域9を形成し、続いて
第2図(e)に示すようにオーミック電極10をAuGe/Ni
を用いて形成する。
First, as shown in FIG. 2 (a), a semi-insulating GaAs substrate 1
The first GaAs layer 2 is 5000 Å, the N-type GaAs layer 3 doped with Si 2 × 10 18 cm -3 is 100 Å, and the first AlGaAs layer 4 is 200 Å.
Å, the second GaAs layer 5 is 50 Å, the second AlGaAs layer 6 is 50 Å,
The third GaAs layer 7 is continuously epitaxially grown to 200 Å. Next, as shown in FIG. 2 (b), the third GaAs layer 7 in a partial region is subjected to a plasma treatment using a reactive gas of CCl 2 F 2 and H 2 to continuously perform CCl 2 F. Selective etching is performed by the reactive ion etching method using a mixed gas of 2 and He. In the plasma treatment, the gas partial pressure ratio is CC
high of H 2 with respect to l 2 F 2, the gas pressure is 5 Pa. The etching by the reactive ion etching method is CCl 2
He is lower than F 2 and the gas pressure is 10 Pa. Second
The gate electrode 8 is formed using WSi as shown in FIG. 2C, and Si is implanted at 150 KeV and 1 × 10 14 cm -2 using the gate electrode 8 as a mask as shown in FIG. 2D. , Then 80
Heat treatment is performed at 0 ° C. to form a contact region 9, and then, as shown in FIG. 2 (e), an ohmic electrode 10 is formed on AuGe / Ni.
Are formed by using.

本実施例において、得られた素子のしきい値電圧の標
準偏差は、約12mVと良好であり、反応性イオンエッチン
グに伴う損傷も極めて小さかった。尚、ガス圧力が0.01
Pa乃至10Paの範囲において、同様な結果が得られた。他
に、2次元電子ガス層を有する高電子移動度トランジス
タ、第1の半導体層、絶縁層及び第2の半導体層を有す
る積層半導体集積装置も同様に実現できる。
In this example, the standard deviation of the threshold voltage of the obtained device was as good as about 12 mV, and the damage due to the reactive ion etching was also extremely small. The gas pressure is 0.01
Similar results were obtained in the range of Pa to 10 Pa. Besides, a stacked semiconductor integrated device having a high electron mobility transistor having a two-dimensional electron gas layer, a first semiconductor layer, an insulating layer and a second semiconductor layer can be similarly realized.

(発明の効果) 以上説明したように本発明は、高均一、低損傷且つ高
精度な微細加工が可能な化合物半導体結晶の選択的な反
応性イオンエッチングが実現できるため、制御性及び信
頼性に優れた半導体装置を歩留りよく実現できる効果を
有する。
(Effects of the Invention) As described above, the present invention can realize selective reactive ion etching of a compound semiconductor crystal capable of highly uniform, low damage and highly precise microfabrication. It has an effect that an excellent semiconductor device can be realized with high yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(a)乃至第1図(d)は、本発明の一実施例を
説明するために示した半導体装置の工程ごとの要部構造
断面図である。第2図(a)乃至第2図(e)は、本発
明の他の実施例を説明するために示した半導体集積装置
の工程ごとの要部構造断面図である。第3図は本発明の
プラズマ処理におけるCCl2F2とH2の混合比のGaAsのエッ
チング速度依存性を示す図である。第4図は本発明にお
けるGaAsエッングの時間依存性を示す図である。 1……半絶縁性GaAs基板、2……第1のGaAs層、3……
第1のN型GaAs層、4……第1のAlGaAs層、5……第2
のGaAs層、6……第2のAlGaAs層、7……第3のGaAs
層、8……ゲート電極、9……コンタクト領域、10……
オーミック電極、11……第3のAlGaAs層、12……第2の
N型GaAs層、13……レジスト
1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views showing the structure of a main part of each step of the semiconductor device shown for explaining one embodiment of the present invention. 2 (a) to 2 (e) are cross-sectional views showing the structure of a main part of each step of the semiconductor integrated device shown for explaining another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the GaAs etching rate dependence of the mixing ratio of CCl 2 F 2 and H 2 in the plasma treatment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the time dependence of GaAs etching in the present invention. 1 ... Semi-insulating GaAs substrate, 2 ... First GaAs layer, 3 ...
First N-type GaAs layer, 4 ... First AlGaAs layer, 5 ... Second
GaAs layer, 6 ... second AlGaAs layer, 7 ... third GaAs
Layer, 8 ... Gate electrode, 9 ... Contact area, 10 ...
Ohmic electrode, 11 ... third AlGaAs layer, 12 ... second N-type GaAs layer, 13 ... resist

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上のAlまたはInの少なくとも一
方を含む第1の化合物半導体層を形成し、その上にAlも
Inも含まない第2の化合物半導体層を積層する工程と、
少なくとも水素ガスと他の元素ガスを含む混合ガスを用
いてプラズマ処理をすることにより前記第2の化合物半
導体層表面の自然酸化膜を除去する工程と、前記プラズ
マ処理後連続的に塩素または臭素のうち少なくともいず
れか一方と弗素とを主な構成元素とするハロゲンガスを
含む反応性ガスを用いて反応性イオンエッチング法によ
り前記第2の化合物半導体層を選択的にエッチングする
工程を含み、前記水素ガスは前記他の元素ガスの分圧比
率よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
1. A first compound semiconductor layer containing at least one of Al and In is formed on a semiconductor substrate, and Al is also formed on the first compound semiconductor layer.
Stacking a second compound semiconductor layer not containing In,
A step of removing a natural oxide film on the surface of the second compound semiconductor layer by performing plasma treatment using a mixed gas containing at least hydrogen gas and another element gas; and continuously removing chlorine or bromine after the plasma treatment. A step of selectively etching the second compound semiconductor layer by a reactive ion etching method using a reactive gas containing a halogen gas containing at least one of them and fluorine as a main constituent element; The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the gas is higher than the partial pressure ratio of the other elemental gas.
【請求項2】第1の化合物半導体層がAlGaAs層であり、
第2の化合物半導体層がGaAs層であることを特徴とする
請求項1記載の半導体装置の製造方法。
2. The first compound semiconductor layer is an AlGaAs layer,
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second compound semiconductor layer is a GaAs layer.
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