JP2998336B2 - 化合物半導体のエッチング方法および半導体構造の形成方法 - Google Patents

化合物半導体のエッチング方法および半導体構造の形成方法

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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、化合物半導体基板のエ
ッチング並びに化合物半導体基板の表面にパターンを有
する半導体構造の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、化合物半導体を用いた素子は、成
長およびエッチングを数回繰り返し、さらに場合によっ
ては不純物を拡散させるなどの工程を経て製作されてい
る。この従来技術を用いて、例えば、埋め込み半導体レ
ーザのチップを製作するのに、次のような工程がとられ
る。
【0003】第1に、GaAs基板に液相エピタキシャ
ル法などにより、GaAsバッファ層,AlGaAsク
ラッド層,GaAs活性層,AlGaAsクラッド層,
GaAs電極層を必要な不純物添加を同時に行い成長さ
せる。
【0004】第2に、該半導体表面にSiO2膜などの
保護膜を形成し、その表面にレジストを塗布する。次に
レーザのストライプに相当するパターンを露光し、続い
て現像してレジストのパターンを形成する。
【0005】第3に、フッ化水素酸(HF)に該半導体
を接触させることにより、レジストパターンのない部分
のSiO2膜などを除去する。また、続いて有機溶剤等
により、パターン状に残っているレジストを除去してお
く。
【0006】第4に、硫酸等を含むエッチング液(これ
はSiO2等をエッチしない)に該半導体を接触させ、
該エピタキシャル層のGaAsバッファ層に到る深さま
でエッチする。
【0007】第5に、液相エピタキシャル法などによ
り、AlGaAs層を成長し、エッチングで除去した部
分を埋め込む。
【0008】第6に、表面に残っているSiO2膜を除
去する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
半導体構造の形成方法は多くの工程を必要とし、その結
果、長い時間が必要である。また、ストライプ状にエッ
チングでパターンを形成するときなどは、半導体表面を
大気に曝さなくてはならず、表面が汚染されるという問
題がある。また、ドライエッチングを行うとイオンの照
射により半導体に損傷が発生するという問題もある。
【0010】本発明の目的は、化合物半導体基板を空気
に曝すことなく、真空容器から真空容器に移動させると
共に、少なくとも電子ビームを照射することによるパタ
ーン形成並びにパターン形成後の結晶成長を連結した該
真空容器内で連続して行うことにより、汚染や損傷が少
ない半導体構造の形成方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明による化合物半導体のエッチング方法におい
ては、真空に排気できる容器内に化合物半導体を設置す
る第1の工程と、該化合物半導体の基板表面にマスク層
としてアルミニウムを含む層を単原子層ないし数原子層
エピタキシャル成長させる第2の工程と、該化合物半導
体表面に塩化水素あるいは塩化水素を含むガスを照射又
は接触させると同時に電子ビームを基板表面に照射する
第3の工程と、電子ビーム停止後塩化水素雰囲気で光を
照射する第4の工程とを該真空容器内で行うものであ
る。
【0012】また、前記電子ビームを基板表面に照射す
る第3の工程において、微小寸法に絞った電子ビームを
基板表面で走査することにより、その走査領域で選択的
にガスと反応させて前記マスク層を除去し、パターンを
形成するものである。
【0013】また、前記塩化水素雰囲気で光を照射する
第4の工程において、照射する光として水銀ランプを用
い、前記化合物半導体基板を加熱しながら行うものであ
る。
【0014】また、半導体構造の形成方法においては、
真空に排気できる容器内に化合物半導体を設置する第1
の工程と、該化合物半導体の基板表面にマスク層として
アルミニウムを含む層を単原子層ないし数原子層エピタ
キシャル成長させる第2の工程と、該化合物半導体表面
に塩化水素あるいは塩化水素を含むガスを照射又は接触
させると同時に電子ビームを基板表面に照射する第3の
工程と、電子ビーム停止後塩化水素雰囲気で光を照射す
る第4の工程とに引き続いて該化合物半導体を大気に曝
すことなく同一容器内で、あるいは通路を介して別の容
器内に移動して該化合物半導体の表面にエピタキシャル
層を成長するものである。
【0015】
【作用】本発明により、真空に排気できる容器内に、化
合物半導体基板を設置し、その化合物半導体の表面にア
ルミニウムを含む層を数原子層以下エピタキシャル成長
してマスク層を形成し、その化合物半導体表面に塩化水
素を接触させると共に電子ビームを照射して、その電子
ビームを照射した部分のみを選択的にエッチングするこ
とにより基板表面にパターンを形成することができる。
【0016】このパターン化されたマスク層をマスクと
して下地の化合物半導体を光照射下で塩化水素によりエ
ッチングする。またパターンを形成したマスク層表面を
大気に曝すことなく連続して、該表面にエピタキシャル
法により半導体層を成長させることができる。
【0017】本発明は、塩化水素と電子ビームなどを同
時に照射することで半導体マスク層のパターンを形成す
るものであり、基板表面にあらかじめレジスト膜等を用
いてパターンを形成しておく必要はない。
【0018】また、イオンビームを使用していないの
で、著しく損傷を減少させることができる。また、マス
クの除去が真空中で可能であるから、引き続いて表面に
エピタキシャル層を形成することもできる。
【0019】
【実施例】以下に図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。
【0020】まず、本発明のパターン作成方法に用いら
れる装置について簡単に説明する。
【0021】図2の装置は、この装置へのウエハーの出
し入れを行うための試料導入室21、エピタキシャル成
長を行うためのMBE室23、電子ビームを照射して半
導体を選択的にエッチングしパターンを形成するパター
ン形成室24および光照射してエッチングを行うエッチ
ング室25を有している。
【0022】これら導入室21,MBE室23,パター
ン形成室24およびエッチング室25は、それぞれ通路
を介して試料搬送室26に接続されている。また、各室
21,23,24,25および26には、それぞれター
ボ分子ポンプ,イオンポンプなど真空ポンプ(図示せ
ず)が設けられている。これにより、装置内に導入した
ウエハーを大気に曝すことなく、どの室にでもマグネッ
トフィードスルー22a,22bおよび22cを用いて
搬送することができる。
【0023】さらに、パターン形成室24には、電子ビ
ーム発生装置241の他に、エッチングに用いるガス導
入装置242が備えられている。パターン形成室24を
具体的に図示したのが図3である。
【0024】図3において、エッチング室の上部に電子
ビーム発生装置301が設置され、鏡筒304内にある
集束レンズ303によって集束された電子ビーム302
が試料ステージ306上の試料305に照射される。こ
の試料305は試料ステージ306に内蔵されている、
ヒータ(図示せず)を通電することにより、加熱するこ
とができる。試料表面には、ガスノズル307からエッ
チングガス308を照射することができる。
【0025】以下、本発明のパターン形成方法に係わる
実施例を図1および図2を参照して説明する。
【0026】まず、導入室21より導入されたGaAs
基板101をマグネットフィードスルー22aによって
MBE室23に搬送する。MBE室23に搬送されたG
aAs基板101上に図1(a)に示すようにAlX
1-XAsクラッド層102(0<x<1)を1.2μ
m,GaAsガイド層103を0.2μm,AlGaA
sマスク層104を1nm連続的に成長させる。
【0027】このウエハー100をMBE室23と超高
真空の通路により結合された試料搬送室26を経てパタ
ーン形成室24へ搬送する。パターン形成室24には、
エッチングガス導入装置242があり、ウエハーホルダ
ー(図示せず)には基板加熱用のヒータが具備されてい
る。
【0028】パターン形成室24に搬送されたウエハー
100の温度を80℃とし、パターン形成室24のガス
ノズル(図3の307)を通して塩化水素ガス106を
導入する。そのときチャンバ内の圧力は8×10-5To
rrに上昇する。
【0029】ガスと同時に電子ビーム105を照射す
る。電子ビーム105は、その径が50nmとし、かつ
100pAの電流として、150nm幅のラインアンド
スペースのパターンを描くように走査させる。最表面の
AlGaAsマスク層は、塩化水素ガスと電子ビームの
両方が照射された部分のみ、エッチングが進行する。
【0030】塩化水素ガスは、AlGaAsマスク表面
上で直径数mmの範囲に亘ってブロードに照射される
が、電子ビームは前述のように非常に狭いラインアンド
スペースのパターンを描く。従って、電子ビームの走査
に従い、ラインアンドスペースのパターンが形成される
(図1(b))。
【0031】この塩化水素によるエッチングは、電子ビ
ームが照射されていない領域ではAlGaAsマスク層
を全くエッチングせず、1nm程度の原子層レベルの厚
さのマスクでも十分有効であることがわかる。
【0032】次に、ウエハー100を試料搬送室26を
通してエッチング室25に移動させる。このエッチング
室25には、光照射装置251、光導入窓252、ガス
導入装置253が設けられている。塩化水素106の雰
囲気下で水銀ランプ光107を照射することでGaAs
ガイド層103をエッチングする。このとき、AlGa
As層は全くエッチングされず、パターン転写のマスク
層として有効に働く(図1(c))。
【0033】さらに塩素ガス108を導入して表面の極
薄いAlGaAsマスク層を除去することが可能である
(図1(d))。
【0034】続いて、このようにして表面にGaAsガ
イド層103にパターンを有するウエハー100を再度
MBE室23に搬送する。MBE室23に搬送されたウ
エハー100をその表面に砒素分子線を照射しながら5
50℃以上に加熱し、約1時間表面クリーニングを行っ
た。
【0035】この表面クリーニングにより、エッチング
中にGaAs103やAlGaAs102の表面に付着
した塩化水素等は除去され、純粋なGaAs結晶面を得
ることが可能である(このクリーニングの度合いのモニ
ターには反射電子線回折(RHEED)を用いることが
できる)。
【0036】続いてAlXGa1-XAs上部クラッド層1
09を1.5μm、GaAs酸化防止層110を0.1
μm成長させる。このようにして超高真空装置からウエ
ハーを大気中に取り出すことなく図1(e)に示すよう
な所望の埋め込み構造を実現できる。
【0037】上記のように、本実施例では、有機レジス
トやSiO2などを用いたマスクを使用しないでパター
ンを有するエッチングが可能である。従って、連続して
パターンを形成した表面に最成長させることができる。
【0038】この実施例では、細い電子ビームを用い
て、微細な構造の形成について説明する。細い電子ビー
ムの代わりに、ブロードな電子ビームを基板表面の全面
に照射して、その表面をエッチングすることもできる。
【0039】また、パターンを形成した表面には、半導
体薄膜をエピタキシャル成長させることの他、大気に曝
すことなく絶縁薄膜あるいは金属薄膜を形成することが
できる。
【0040】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、化合物半
導体表面にアルミニウムを含む半導体マスク層を形成
し、電子ビームと塩化水素ガスを照射することによっ
て、パターンを形成するようにしたことで、化合物半導
体表面近傍に結晶欠陥を引き起こすことなく、微細なパ
ターンを形成することができる。
【0041】また、パターンを形成した半導体表面をV
族元素又は、V族元素を含む減圧された雰囲気中で加熱
することにより、塩化水素の吸着のない清浄な表面とす
ることができ、その半導体表面にエピタキシャル成長層
を形成できる。
【0042】さらに、一連の基板加工あるいは成長プロ
セスにおいて基板を大気に曝すことなく連続して、制御
された雰囲気中で行うことができ、基板の表面を大気に
曝すことで発生する表面汚染あるいは界面での不純物の
取り込みを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のパターン形成方法のプロセス工程図で
ある。
【図2】図1のプロセスで使用される真空システムの概
略図である。
【図3】パターン形成室の説明図である。
【符号の説明】
21 試料導入室 22a,22b,22c マグネットフィードスルー 23 MBE室 24 パターン形成室 25 エッチング室 26 試料搬送室 100 GaAsウエハー 101 GaAs基板 102 AlGaAsクラッド層 103 GaAsガイド層 104 AlGaAsマスク層 105 電子ビーム 106 塩化水素 107 水銀ランプ照射光 108 塩素ガス 109 AlGaAs上部クラッド層 110 GaAs酸化防止層 241 電子ビーム発生装置 242 ガス導入装置 251 光照射装置 252 光導入窓 253 ガス導入装置

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空に排気できる容器内に化合物半導体
    を設置する第1の工程と、該化合物半導体の基板表面に
    マスク層としてアルミニウムを含む層を単原子層ないし
    数原子層エピタキシャル成長させる第2の工程と、該化
    合物半導体表面に塩化水素あるいは塩化水素を含むガス
    を照射又は接触させると同時に電子ビームを基板表面に
    照射する第3の工程と、電子ビーム停止後塩化水素雰囲
    気で光を照射する第4の工程とを該真空容器内で行うこ
    とを特徴とする化合物半導体のエッチング方法。
  2. 【請求項2】 前記電子ビームを基板表面に照射する第
    3の工程において、微小寸法に絞った電子ビームを基板
    表面で走査することにより、その走査領域で選択的にガ
    スと反応させて前記マスク層を除去し、パターンを形成
    することを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体の
    エッチング方法。
  3. 【請求項3】 前記塩化水素雰囲気で光を照射する第4
    の工程において、照射する光として水銀ランプを用い、
    前記化合物半導体基板を加熱しながら行うことを特徴と
    する請求項1に記載の化合物半導体のエッチング方法。
  4. 【請求項4】 真空に排気できる容器内に化合物半導体
    を設置する第1の工程と、該化合物半導体の基板表面に
    マスク層としてアルミニウムを含む層を単原子層ないし
    数原子層エピタキシャル成長させる第2の工程と、該化
    合物半導体表面に塩化水素あるいは塩化水素を含むガス
    を照射又は接触させると同時に電子ビームを基板表面に
    照射する第3の工程と、電子ビーム停止後塩化水素雰囲
    気で光を照射する第4の工程とに引き続いて該化合物半
    導体を大気に曝すことなく同一容器内で、あるいは通路
    を介して別の容器内に移動して該化合物半導体の表面に
    エピタキシャル層を成長することを特徴とする半導体構
    造の形成方法。
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