JP2681118B2 - 半導体の微細パターン形成方法 - Google Patents
半導体の微細パターン形成方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜発明の技術分野＞ 本発明は半導体の微細パターン形成方法に関し，特に
半導体基板表面の酸化膜をエッチングのレジストとして
用いるリソグラフィ技術を用い，電子ビームによりレジ
ストを局所的に露光しエッチングを実施する微細パター
ンの形成方法に関する。
半導体基板表面の酸化膜をエッチングのレジストとして
用いるリソグラフィ技術を用い，電子ビームによりレジ
ストを局所的に露光しエッチングを実施する微細パター
ンの形成方法に関する。
＜従来技術＞ 半導体表面に微細パターンを形成する技術は各種半導
体デバイスを作製するためには不可欠の技術である。近
年デバイスの高集積化や高機能化にともない，サブミク
ロンからナノメートルオーダーでの超微細加工技術が必
要となりつつある。特に光電子集積回路等の高機能デバ
イスを作るためには，超高真空一貫プロセスが必要であ
り，これに適したパターン形成方法として，有機レジス
トを使用せずに，イオンビーム，電子ビーム，レーザビ
ーム等の微細化が可能なビームにより直接半導体表面上
にパターンを形成する方法が盛んに研究されている。こ
れらの内，イオンビームを用いた方法はパターン化され
た半導体結晶に多量の結晶欠陥を誘起するという大きな
問題点がある。また，レーザビームの場合にはレーザ光
の波長によりビーム径が制限され,0.1μｍ程度がその微
細化の限界であると考えられる。このため電子ビームを
用いた方法が，結晶欠陥，及び微細化の両面から判断し
て最良であると思われる。
体デバイスを作製するためには不可欠の技術である。近
年デバイスの高集積化や高機能化にともない，サブミク
ロンからナノメートルオーダーでの超微細加工技術が必
要となりつつある。特に光電子集積回路等の高機能デバ
イスを作るためには，超高真空一貫プロセスが必要であ
り，これに適したパターン形成方法として，有機レジス
トを使用せずに，イオンビーム，電子ビーム，レーザビ
ーム等の微細化が可能なビームにより直接半導体表面上
にパターンを形成する方法が盛んに研究されている。こ
れらの内，イオンビームを用いた方法はパターン化され
た半導体結晶に多量の結晶欠陥を誘起するという大きな
問題点がある。また，レーザビームの場合にはレーザ光
の波長によりビーム径が制限され,0.1μｍ程度がその微
細化の限界であると考えられる。このため電子ビームを
用いた方法が，結晶欠陥，及び微細化の両面から判断し
て最良であると思われる。
電子ビームを用いた微細パターンの形成方法の一例と
して電子ビームアシスト塩素ガスエッチングについて以
下に簡単に説明する。まず（001）GaAs基板表面に分子
線エピタキシアル（以下MBEと言う）法などによりGaAS
層を形成した後，ハロゲンランプ光を基板全面に均一に
照射しながら酸素ガスに接触させて,GaAs層表面に非常
に薄い酸化膜を形成する。その後，塩素ガス中で基板を
加熱しながら試料に電子ビームガンを用いて電子ビーム
を照射すると，電子ビーム照射領域のみにおいて酸化膜
が除去されてGaAsと塩素ガスが直接接触することとな
り，この部分においてのみエッチングが進行する。この
とき電子ビーム照射領域外では表面酸化膜がレジストの
働きをするためエッチングは起こらない。結果として電
子ビームにより描画されたパターンがGaAsに転写された
ことになる。
して電子ビームアシスト塩素ガスエッチングについて以
下に簡単に説明する。まず（001）GaAs基板表面に分子
線エピタキシアル（以下MBEと言う）法などによりGaAS
層を形成した後，ハロゲンランプ光を基板全面に均一に
照射しながら酸素ガスに接触させて,GaAs層表面に非常
に薄い酸化膜を形成する。その後，塩素ガス中で基板を
加熱しながら試料に電子ビームガンを用いて電子ビーム
を照射すると，電子ビーム照射領域のみにおいて酸化膜
が除去されてGaAsと塩素ガスが直接接触することとな
り，この部分においてのみエッチングが進行する。この
とき電子ビーム照射領域外では表面酸化膜がレジストの
働きをするためエッチングは起こらない。結果として電
子ビームにより描画されたパターンがGaAsに転写された
ことになる。
第３図に上記の方式において用いられた電子ビームガ
ンを示す。電子ビームガンはエミッタ31,電子引出し電
極32,電子加速電極33,静電形コンデンサレンズ34,アラ
イメント用電極35,ブランキング用電極36,可動制限絞り
37,ビーム走査用電極38,非点補正用電極39,静電型対物
レンズ40からなっており，試料41がその真下に位置され
ている。このような電子ビームガンは一般の電子ビーム
を用いた分析装置（走査型電子顕微鏡，透過型電子顕微
鏡，オージェ分析装置など）に広く応用されており，現
在実現されている最小ビーム径は5nmと非常に微細であ
る。
ンを示す。電子ビームガンはエミッタ31,電子引出し電
極32,電子加速電極33,静電形コンデンサレンズ34,アラ
イメント用電極35,ブランキング用電極36,可動制限絞り
37,ビーム走査用電極38,非点補正用電極39,静電型対物
レンズ40からなっており，試料41がその真下に位置され
ている。このような電子ビームガンは一般の電子ビーム
を用いた分析装置（走査型電子顕微鏡，透過型電子顕微
鏡，オージェ分析装置など）に広く応用されており，現
在実現されている最小ビーム径は5nmと非常に微細であ
る。
＜発明が解決すべき課題＞ しかし，このような構成の電子ビームガンでは，ナノ
メートルオーダのビームを得るための構成及びその調整
は甚だ複雑であるうえに，ビームのパスが比較的長いた
め，外部磁界や外部電界の微少な揺らぎによりビーム
径，ビーム位置の長期の安定性が損なわれるという欠点
がある。このように従来の電子ビームエッチングにおい
ては，ナノメートルオーダの加工に必要な極微細なビー
ムを安定性良く得ることが困難であり，所望のパターン
を形成することが不可能であった。
メートルオーダのビームを得るための構成及びその調整
は甚だ複雑であるうえに，ビームのパスが比較的長いた
め，外部磁界や外部電界の微少な揺らぎによりビーム
径，ビーム位置の長期の安定性が損なわれるという欠点
がある。このように従来の電子ビームエッチングにおい
ては，ナノメートルオーダの加工に必要な極微細なビー
ムを安定性良く得ることが困難であり，所望のパターン
を形成することが不可能であった。
本発明は，上記問題点を解決し，簡易な構成の装置で
かつ安定した電子ビームでエッチングを行い，ナノメー
トルオーダのパターンを半導体上に再現性良く形成でき
る半導体の微細パターン形成方式を提供しようとするも
のである。
かつ安定した電子ビームでエッチングを行い，ナノメー
トルオーダのパターンを半導体上に再現性良く形成でき
る半導体の微細パターン形成方式を提供しようとするも
のである。
＜課題を解決するための手段＞ 本発明によれば，半導体の表面を酸素及び酸素化合物
の少なくとも一方を含む第１のガス状物質に接触させて
酸化膜を全面に形成する第１の工程と，この形成された
酸化膜を電子ビームにより所望の微細パターンでエッチ
ングする第２の工程と，前記半導体を化学反応によりエ
ッチングし得る第２のガス状物質を，前記酸化膜のエッ
チングされえた部分を通して該半導体に接触させて該半
導体を前記パターンの転写されたパターンでエッチング
する第３の工程とを有する微細パターン形成方法におい
て，前記第２の工程が，前記形成された酸化膜を，前記
表面に近接して設けられ前記半導体とは電位の異なる針
状電極を用いて得られる電子ビームにより，所望の微細
パターンでエッチングする工程であることを特徴とす
る，半導体の微細パターン形成方法が得られる。なお，
第２の工程と第３の工程は同時に行ってもよいものであ
る。
の少なくとも一方を含む第１のガス状物質に接触させて
酸化膜を全面に形成する第１の工程と，この形成された
酸化膜を電子ビームにより所望の微細パターンでエッチ
ングする第２の工程と，前記半導体を化学反応によりエ
ッチングし得る第２のガス状物質を，前記酸化膜のエッ
チングされえた部分を通して該半導体に接触させて該半
導体を前記パターンの転写されたパターンでエッチング
する第３の工程とを有する微細パターン形成方法におい
て，前記第２の工程が，前記形成された酸化膜を，前記
表面に近接して設けられ前記半導体とは電位の異なる針
状電極を用いて得られる電子ビームにより，所望の微細
パターンでエッチングする工程であることを特徴とす
る，半導体の微細パターン形成方法が得られる。なお，
第２の工程と第３の工程は同時に行ってもよいものであ
る。
上記の構成により，針状導電体物質からの電子ビーム
はその径を極めて細くすることができ，又その位置を正
確に制御することができる。
はその径を極めて細くすることができ，又その位置を正
確に制御することができる。
＜実施例＞ 以下に本発明の実施例を挙げて説明を加える。第１図
はその工程の該略を，第２図はプロセス実施のために用
いられた超高真空装置の構成図を示す。この超高真空装
置は種々のポンプ（図示せず）によりその背圧が１×10
-9Torr以下に保たれている。まず（001）GaAs基板11を
ロードロック室21に導入し、ターボ分子ポンプとイオン
ポンプ（共に図示せず）により１×10-7Torr程度まで排
気する。次にこのGaAs基板11をマグネットフィードスル
ーを用いて準備室22を介してMBE室20に搬送する。MBE室
ではこの搬送された基板11上に厚さ0.5μｍのGaAs層12
を成長させる。続いてこの試料を準備室20に搬送し，こ
こでその表面を純粋な酸素に接触させると同時に，ハロ
ゲンランプ（図示せず）の光を均一に照射する。この工
程によりGaAs層12の表面に非常に薄い酸化膜13が形成さ
れる［第１図（ａ）］。MBE室20,準備室22は非常に高真
空に保たれているため酸化工程の前の試料表面は清浄で
あり，形成された酸化膜13には不純物はほとんど認めら
れなかった。
はその工程の該略を，第２図はプロセス実施のために用
いられた超高真空装置の構成図を示す。この超高真空装
置は種々のポンプ（図示せず）によりその背圧が１×10
-9Torr以下に保たれている。まず（001）GaAs基板11を
ロードロック室21に導入し、ターボ分子ポンプとイオン
ポンプ（共に図示せず）により１×10-7Torr程度まで排
気する。次にこのGaAs基板11をマグネットフィードスル
ーを用いて準備室22を介してMBE室20に搬送する。MBE室
ではこの搬送された基板11上に厚さ0.5μｍのGaAs層12
を成長させる。続いてこの試料を準備室20に搬送し，こ
こでその表面を純粋な酸素に接触させると同時に，ハロ
ゲンランプ（図示せず）の光を均一に照射する。この工
程によりGaAs層12の表面に非常に薄い酸化膜13が形成さ
れる［第１図（ａ）］。MBE室20,準備室22は非常に高真
空に保たれているため酸化工程の前の試料表面は清浄で
あり，形成された酸化膜13には不純物はほとんど認めら
れなかった。
次にこの酸化膜13付きのウエハーをエッング室23に搬
送した。このエッチング室23にはエッチング用ガス導入
装置を走査トンネル顕微鏡と同様の構成をもつ電子ビー
ム発生装置25が具備されている。試料ホルダー26上で約
70℃に加熱されたウェハーに，ガス導入装置24より塩素
ガス14を照射すると同時に，試料に対して負に電位を与
えたプラチナ製の針15を近接機構（図示せず）を用いて
試料表面に近接させてトンネル電流16が流れる距離まで
近づけた。ここでは塩素ガス圧を２×10-5Torr,針15の
電圧を−2Vとし，針15と試料表面の間に約20nAのトンネ
ル電流16を流した。この工程により，電子ビームの照射
領域にある表面酸化膜13は除去された［第１図
（ｂ）］。実際には針15を試料面内方向に走査させるこ
とにより，幅10nmの線状のパターンを描いた。
送した。このエッチング室23にはエッチング用ガス導入
装置を走査トンネル顕微鏡と同様の構成をもつ電子ビー
ム発生装置25が具備されている。試料ホルダー26上で約
70℃に加熱されたウェハーに，ガス導入装置24より塩素
ガス14を照射すると同時に，試料に対して負に電位を与
えたプラチナ製の針15を近接機構（図示せず）を用いて
試料表面に近接させてトンネル電流16が流れる距離まで
近づけた。ここでは塩素ガス圧を２×10-5Torr,針15の
電圧を−2Vとし，針15と試料表面の間に約20nAのトンネ
ル電流16を流した。この工程により，電子ビームの照射
領域にある表面酸化膜13は除去された［第１図
（ｂ）］。実際には針15を試料面内方向に走査させるこ
とにより，幅10nmの線状のパターンを描いた。
次に針15を遠ざけてトンネル電流16を停止し塩素ガス
14のみ引続きウエハーに接触させた。表面酸化膜13が局
所的に除去された領域（トンネル電流照射領域）におい
てのみ，塩素ガス14とGaAs層12の化学反応が起こってエ
ッチングが進行し，約２分間のエッチングによって，幅
約25nm,深さ約10nmの線状のパターンをGaAs層12上に形
成することができた［第１図（ｃ）］。なお，トンネル
電流照射領域外でのエッチングが進行しないのは従来例
と同様に，表面酸化膜13が塩素ガスエッチングにたいす
るレジストの働きをするからである。
14のみ引続きウエハーに接触させた。表面酸化膜13が局
所的に除去された領域（トンネル電流照射領域）におい
てのみ，塩素ガス14とGaAs層12の化学反応が起こってエ
ッチングが進行し，約２分間のエッチングによって，幅
約25nm,深さ約10nmの線状のパターンをGaAs層12上に形
成することができた［第１図（ｃ）］。なお，トンネル
電流照射領域外でのエッチングが進行しないのは従来例
と同様に，表面酸化膜13が塩素ガスエッチングにたいす
るレジストの働きをするからである。
上記の実施例では，半導体材料のエッチング工程では
トンネル電流を停止し塩素ガスとGaAsの熱平衡状態での
化学反応を利用したが，エッチング工程においてもトン
ネル電流を照射し続けて電子ビームアシストエッチング
を行うことも可能である。
トンネル電流を停止し塩素ガスとGaAsの熱平衡状態での
化学反応を利用したが，エッチング工程においてもトン
ネル電流を照射し続けて電子ビームアシストエッチング
を行うことも可能である。
本方法では，針15と試料表面の距離を非常に短くでき
るので，外部磁界等によるビームの不安定性はほとんど
認められなかった。また，アライメント針15の位置で一
意に決定されるために，従来例のような静電レンズ等を
用いる必要がなく，電子ビーム発生装置25を非常にコン
パクトにすることができた。現在,STMによる表面観察技
術の研究により，針15は0.1nmオーダまたはそれ以下で
の正確さで位置を制御することが可能となっており，ま
た針15と試料の距離をより小さくすることや，トンネル
電流の値をより小さくすることで1nm程度の微細パター
ンの形成を実現することが可能になるものと予想され
る。
るので，外部磁界等によるビームの不安定性はほとんど
認められなかった。また，アライメント針15の位置で一
意に決定されるために，従来例のような静電レンズ等を
用いる必要がなく，電子ビーム発生装置25を非常にコン
パクトにすることができた。現在,STMによる表面観察技
術の研究により，針15は0.1nmオーダまたはそれ以下で
の正確さで位置を制御することが可能となっており，ま
た針15と試料の距離をより小さくすることや，トンネル
電流の値をより小さくすることで1nm程度の微細パター
ンの形成を実現することが可能になるものと予想され
る。
また実験の結果では，レジストとして使用した表面酸
化膜13はエッチング終了後比較的容易に除去され，微細
パターンを表面に有するGaAs層12のみを残すことができ
た。ここでの表面酸化膜13を除去する方法としては，ひ
素雰囲気（２×10-5Torr）中で試料を熱処理（基板温度
約640℃）する方法を採用した。
化膜13はエッチング終了後比較的容易に除去され，微細
パターンを表面に有するGaAs層12のみを残すことができ
た。ここでの表面酸化膜13を除去する方法としては，ひ
素雰囲気（２×10-5Torr）中で試料を熱処理（基板温度
約640℃）する方法を採用した。
前述の実施例では，半導体材料のエッチング工程では
トンネル電流を停止した塩素ガスとGaAsの熱平衡状態で
の化学反応を利用したが，エッチング工程においてもト
ンネル電流を照射し続けて電子ビームアシストエッチン
グを行うことも可能である。
トンネル電流を停止した塩素ガスとGaAsの熱平衡状態で
の化学反応を利用したが，エッチング工程においてもト
ンネル電流を照射し続けて電子ビームアシストエッチン
グを行うことも可能である。
また本発明は上記実施例に限るものではなく，以下の
ような場合においても同じような効果が期待される。す
なわち、半導体の材料としては,GaAs以外にたとえばA
lGaAs,InGaAsP,InGaAlP,Si,Ge等にも適用でき，表面
酸化膜形成のためのガスとしては、純粋な酸素の代り
に，酸素の化合物のガス例えばH2O,CO,NO2,等を用いる
ことができ，又両者の混合物を用いることができ，エ
ッチングガスは被エッチング材料の種類に従って例えば
F2,I2,HF,NF3,等のハロゲンを含んだガスやH2,CH4,C2H6
などが適当に選択され，酸化膜形成用ガス，エッチン
グ用ガスとしては基板と熱非平衡状態にあるガス（ラジ
カル，イオンを一部に含むガス）を用いてもよく，針
の材料としてプラチナの代りに導電体であり先端を針状
に加工できる材料例えばタングステンカーボン等も用い
られる。
ような場合においても同じような効果が期待される。す
なわち、半導体の材料としては,GaAs以外にたとえばA
lGaAs,InGaAsP,InGaAlP,Si,Ge等にも適用でき，表面
酸化膜形成のためのガスとしては、純粋な酸素の代り
に，酸素の化合物のガス例えばH2O,CO,NO2,等を用いる
ことができ，又両者の混合物を用いることができ，エ
ッチングガスは被エッチング材料の種類に従って例えば
F2,I2,HF,NF3,等のハロゲンを含んだガスやH2,CH4,C2H6
などが適当に選択され，酸化膜形成用ガス，エッチン
グ用ガスとしては基板と熱非平衡状態にあるガス（ラジ
カル，イオンを一部に含むガス）を用いてもよく，針
の材料としてプラチナの代りに導電体であり先端を針状
に加工できる材料例えばタングステンカーボン等も用い
られる。
＜本発明の効果＞ このように針状電極を用いて発生させた電子ビームに
より半導体表面上の酸化膜に所望のパターンの微細な孔
を正確にあけると共に，この孔を通して半導体にエッチ
ングガスを接触させてエッチングを行うことにより，ナ
ノメートルオーダでの半導体の微細パターンが可能とな
った。特に，本方法は電子ビームの径や位置を正確に制
御することができるため，形成したパターンの面内の均
一性や再現性に優れており，高機能・高集積半導体デバ
イスの作製に適したプロセスであるといえる。
より半導体表面上の酸化膜に所望のパターンの微細な孔
を正確にあけると共に，この孔を通して半導体にエッチ
ングガスを接触させてエッチングを行うことにより，ナ
ノメートルオーダでの半導体の微細パターンが可能とな
った。特に，本方法は電子ビームの径や位置を正確に制
御することができるため，形成したパターンの面内の均
一性や再現性に優れており，高機能・高集積半導体デバ
イスの作製に適したプロセスであるといえる。
第１図は本発明を実施したエッチングプロセスの工程
図，第２図は本発明を実施するために使用した超高真空
システムの概念図，第３図は従来の電子ビームエッチン
グに用いられた電子ビームガンの構成図である。 記号の説明:11はGaAs基板,12はGaAs層,13は酸化膜,14は
塩素ガス,15は針,16はトンネル電流,20はMBE室,21はロ
ードロック室,22は準備室,23はエッチング室,24はエッ
チング用ガス導入装置,25は電子ビーム発生装置,26は試
料ホルダをそれぞれあらわしている。
図，第２図は本発明を実施するために使用した超高真空
システムの概念図，第３図は従来の電子ビームエッチン
グに用いられた電子ビームガンの構成図である。 記号の説明:11はGaAs基板,12はGaAs層,13は酸化膜,14は
塩素ガス,15は針,16はトンネル電流,20はMBE室,21はロ
ードロック室,22は準備室,23はエッチング室,24はエッ
チング用ガス導入装置,25は電子ビーム発生装置,26は試
料ホルダをそれぞれあらわしている。
Claims (2)
- 【請求項１】半導体の表面を酸素及び酸素化合物の少な
くとも一方を含む第１のガス状物質に接触させて酸化膜
を全面に形成する第１の工程と、この形成された酸化膜
を電子ビームにより所望の微細パターンでエッチングす
る第２の工程と、前記半導体を化学反応によりエッチン
グし得る第２のガス状物質を、前記酸化膜のエッチング
された部分を通して該半導体に接触させて該半導体を前
記パターンの転写されたパターンでエッチングする第３
の工程をを有する微細パターン形成方法において、 前記第２の工程が、前記形成された酸化膜を、前記表面
に近接して設けられ前記半導体とは電位の異なる針状電
極を用いて得られる電子ビームにより、所望の微細パタ
ーンでエッチングする工程であることを特徴とする、半
導体の微細パターン形成方法。 - 【請求項２】前記第２の工程及び第３の工程を同時に行
うことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の半導
体の微細パターン形成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32614489A JP2681118B2 (ja) | 1989-12-18 | 1989-12-18 | 半導体の微細パターン形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32614489A JP2681118B2 (ja) | 1989-12-18 | 1989-12-18 | 半導体の微細パターン形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03188629A JPH03188629A (ja) | 1991-08-16 |
| JP2681118B2 true JP2681118B2 (ja) | 1997-11-26 |
Family
ID=18184545
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32614489A Expired - Lifetime JP2681118B2 (ja) | 1989-12-18 | 1989-12-18 | 半導体の微細パターン形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2681118B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05109670A (ja) * | 1991-10-17 | 1993-04-30 | Nec Corp | ドライエツチング方法 |
| JP5152715B2 (ja) * | 2007-09-22 | 2013-02-27 | 学校法人関西学院 | 三次元微細加工方法及び三次元微細構造 |
-
1989
- 1989-12-18 JP JP32614489A patent/JP2681118B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03188629A (ja) | 1991-08-16 |
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