JP3217844B2 - エッチングダメージ防止方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エッチャントガスを基
板の所要部分に吸着させたのち、エッチャントガスがパ
ージされた超高真空下でイオンを照射して１分子層のエ
ッチングを行う分子層エッチング（以下ではデジタルエ
ッチングと記す）方法に係り、特に、エッチング面がプ
ラズマ室から漏れ出るイオンやプラズマからの発光に影
響されないようにするエッチングダメージ防止方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、原子スケールで制御された材料加
工技術が重要性を増している。例えば、分子線エピタキ
シャル成長法や有機金属エピタキシャル成長法は、既に
広範囲に亘って使用されている。また、原子層エピタキ
シャル成長技術は、一分子層で成長が自動的に停止する
ので利用価値が高い。

【０００３】一方、エッチングの技術に関しては、原子
層で制御される技術は、まだ研究成果の報告が殆どな
い。

【０００４】こうしたなかで、先に本出願人等は、ドラ
イエッチングにおいて、ＧａＡｓのデジタルエッチン
グ、即ち塩素ラジカルエッチャントとアルゴンビームの
交互供給を行うことにより、１サイクル当たり１分子層
のエッチングが達成されたことを報告している。このデ
ジタルエッチングに使用される装置概要は、図５に示さ
れる。デジタルエッチング装置５１は、主にエッチング
される試料５２、アルゴンビームの加速電圧を与えるた
めの電源５３及びスイッチ５４、高真空下におかれるエ
ッチング室５５、プラズマ発生及び閉込を行うためのプ
ラズマ室５６、塩素ガス供給源５７、アルゴンガス供給
源５８、排気系５９から構成される。

【０００５】図５の装置を用いてデジタルエッチングを
行うためのタイムシーケンスは、図４に示される。図４
には、各タイミングにおける装置の動作が時間（図の左
側から右に向かって進む）に沿って示されており、また
各タイミング中の試料表面及び雰囲気中の分子の様子が
描かれている。図４のタイムシーケンスはアルゴンプラ
ズマ、塩素ガス及びバイアス電圧を供給するタイミング
と、そのタイミングにおける試料表面及び雰囲気中のガ
リウムＧａ、砒素Ａｓ、塩素Ｃｌ、アルゴンＡｒの各原
子或いはイオンの状態の変化を表している。アルゴンプ
ラズマは、常にＯＮ状態４１であり、プラズマ室５６に
はアルゴンガスが供給され、全タイムシーケンスの間、
アルゴンプラズマが立ち上げられていることを示してい
る。タイムシーケンスの最初のエッチャント供給時Ｔ１
には、塩素ガスが供給状態４２となり、プラズマ室５６
のアルゴンプラズマ中に塩素が供給され、そこで発生し
た塩素ラジカルは拡散によってエッチング室５５に移動
し、試料５２表面に吸着する。次のエッチャントパージ
時Ｔ２には、塩素の供給が停止されると共に試料５２に
吸着した以外の塩素は系外に排気４３される。この結
果、試料５２であるＧａＡｓの表面には、図に示したよ
うに１分子層の塩素が吸着されている。次のビーム照射
時Ｔ３には、加速電圧２０Ｖが印加４４され、プラズマ
室５６よりアルゴンイオンビームが試料表面に照射され
る。これにより、塩素ラジカルが吸着されている表面原
子のバックボンドが切断され、雰囲気中に塩素化合物が
発生する。最後のプロダクツパージ時Ｔ４には、アルゴ
ンイオンビームが停止されると共に発生した塩素化合物
が排気される。この結果、１分子層のエッチングが達成
され１サイクルが完了する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＧａＡｓ等
の加工材料には、エッチング過程で格子欠陥等のエッチ
ングダメージが発生することがある。エッチングダメー
ジによるダメージ層が材料中に存在すると、この材料か
ら作られた素子の性能に影響を与える。こうした格子欠
陥の影響は、とりわけ、量子デバイスのように電子のふ
るまいが無視できないサイズの素子において、問題にな
る。

【０００７】本出願人等は、デジタルエッチングにおい
て発生するエッチングダメージが、プラズマ室から漏れ
出るイオンやプラズマからの発光に起因することを、後
述するテストにより発見した。しかしながら、プラズマ
室にプラズマを作ることはドライエッチングに欠くこと
ができない。これに対し、上記タイムシーケンス中ビー
ム照射時Ｔ３のみプラズマを発生させることができれ
ば、他の期間中でのエッチングダメージが防止されるの
であるが、プラズマは安定に発生させるまでに時間を要
するため、ビーム照射時Ｔ３のみプラズマ室を動作させ
ることはできず、全タイムシーケンスの間、動作させな
ければならない。従って、エッチングダメージを防止す
ることができない。

【０００８】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、エッチング面がプラズマ室から漏れ出るイオンやプ
ラズマからの発光に影響されないようにするエッチング
ダメージ防止方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、この発見に鑑
みてなされたもので、エッチング室内にエッチャントガ
スを供給して基板の所要部分に吸着させた後、上記エッ
チャントガスをパージして上記エッチング室内を超高真
空にし、上記エッチング室内に接続したプラズマ室から
上記基板にイオンを照射するサイクルにより、１サイク
ルあたり１分子層のエッチングを行う分子層エッチング
の方法において、上記イオンを照射するとき以外は上記
プラズマ室から漏れ出るイオンやプラズマからの発光に
対し上記基板のエッチング面が暴露しないように、上記
基板を上記プラズマ室から隔離するようにしたものであ
る。

【００１０】

【作用】上記構成により、イオンを照射するとき以外は
基板のエッチング面がプラズマ室から隔離されるので、
エッチング面がプラズマ室から漏れ出るイオンやプラズ
マからの発光に暴露されない。よって、エッチング面が
エッチングダメージを受けることがなくなる。

【００１１】ここで、エッチングダメージのテスト内容
について説明する。テストは、ＧａＡｓ試料に図４のタ
イムシーケンスのデジタルエッチングを施すに際して、
いくつかの試みを行い、それぞれの結果のＧａＡｓ試料
をＤＬＴＳ法により調べた。その結果が図３に示されて
いる。図３は、横軸に温度（Ｋ）、縦軸に容量の変化比
（ｄＣ／Ｃ）をとってプロットされている。

【００１２】図３（ａ）、図３（ｂ）には、素材のまま
のＧａＡｓ試料及びこのＧａＡｓ試料にデジタルエッチ
ングを施した後の格子欠陥をＤＬＴＳ法で測定した結果
が示されている。図３（ａ）に示されるようにＧａＡｓ
試料には、もともと約２００Ｋ及び４００Ｋ近傍に格子
欠陥を示すピークＥＬ−６、ＥＬ−２がある。これに対
し、デジタルエッチング後には、約３００ＫのピークＬ
−３が現われており、この格子欠陥はデジタルエッチン
グに起因するエッチングダメージと考えられる。この格
子欠陥とイオンビームの照射との関連性を調べるため
に、イオンビームの照射過程を省略する。図３（ｃ）に
は、図４のタイムシーケンスから、ビーム照射時Ｔ３を
省いたときの測定結果を示す。ここでも、図３（ｂ）の
デジタルエッチングを施したときと同様に、約３００Ｋ
のピークＥＬ−２が現われており、イオンビームの照射
が直接の原因ではないと考えられる。次に、ＧａＡｓ試
料をプラズマ室に対して横向きに設置し、エッチング面
がプラズマ室に対向しないようにして、同様のタイムシ
ーケンスを施した。この結果は、図３（ｄ）に示され
る。図３（ｄ）には、図３（ｂ）、図３（ｃ）に見られ
た約３００Ｋのピークは存在せず、図３（ａ）の素材の
ままのＧａＡｓ試料と同様ピークＥＬ−６、ＥＬ−２が
ある。

【００１３】テスト結果をまとめると、まず、図４のタ
イムシーケンスからビーム照射時Ｔ３を省いても、他の
期間中、エッチングダメージが発生することがわかる。
また、ＧａＡｓ試料をプラズマ室に対して横向きに設置
するとエッチングダメージが無いことから、プラズマ室
から何等かの影響を受けてエッチングダメージが発生す
ることがわかる。この原因について考察すると、第一に
プラズマから発生する紫外線等の発光がＧａＡｓ試料に
照射されることが考えられる。第二には、加速電圧が印
加されないときにもプラズマ電位とＧａＡｓ試料の電位
との間に若干の差があるために、望まないイオン照射が
起こっていることが考えられる。従って、ビーム照射時
Ｔ３を除いて、他の期間中はエッチング面がプラズマ室
から漏れ出るイオンやプラズマからの発光に晒されない
ようにすれば、エッチングダメージの発生を抑制するこ
とができることになる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。

【００１５】図１に示されるように、本発明に係るデジ
タルエッチング装置１には、エッチング室２及びこれに
隣接するプラズマ室３が設けられ、これらエッチング室
２、プラズマ室３はエッチングを始める前に超高真空に
排気されている。エッチング室２とプラズマ室３との境
界には、格子状に形成された引出電極４が設けられ、引
出電極４は、プラズマ室３内のイオンをプラズマ室３か
らエッチング室２に引き出すことができる。プラズマ室
３には、アルゴンを導入するためのアルゴン供給源５及
び塩素ラジカルを導入するためのエッチャントガス供給
源６が接続されている。プラズマ室３は、供給されたア
ルゴンをプラズマ化して閉じ込めるための発生閉込機構
７を備えている。閉込めたアルゴンプラズマに加速電位
を与えるための引出装置８は、ここでは簡略化して描か
れている。即ち、引出装置８は、接点９と加速用電源１
０とを有しており、接点９はプラズマ室３に接続されて
いる。接点９を閉じることにより引出電極４にイオン引
き出しに必要な電位を与えることができる。

【００１６】エッチング室２には、エッチング前に超高
真空に排気し、エッチング中の圧力を約４×１０^-4Ｔｏ
ｒｒに保ち、また余剰のエッチャントガスを排気すると
共にイオン照射による生成物を排気するための排気装置
１１が接続されている。この排気装置１１とエッチング
室２との間には、ゲート弁１２が介設され、そして、上
記アルゴン供給源５、エッチャントガス供給源６とプラ
ズマ室３との間には、それぞれ供給、供給停止等を行う
ための制御弁１３，１４が介設されている。また、制御
弁１４と上記引出装置８の接点９とを図４のタイムシー
ケンスに沿って制御するための制御部（図示せず）はコ
ンピュータ等で構成される。

【００１７】エッチング試料となるガリウム砒素の基板
１６は、エッチング面１７が開放され、その反対面がエ
ッチング室２内に設けられた基板保持装置１８に取り付
けられている。基板保持装置１８は、本実施例では接地
されている。図１（ａ）では、基板１６はエッチング室
２とプラズマ室３との境界をなす引出電極４の正面に位
置され、エッチング面１７が引出電極４に直角になるよ
うに配置されている。デジタルエッチング装置１には、
基板保持装置１８の角度を制御して基板１６の配置を変
えるための方向転換器（図示されない）が設けられ、方
向転換器は制御部により制御され、図１（ｂ）に示すよ
うにエッチング面１７が引出電極４に正対するように基
板１６の配置を変えることができる。

【００１８】デジタルエッチング装置１の動作は、図４
のタイムシーケンスに基づいて行われる。アルゴンプラ
ズマは、常にＯＮ状態４１であり、プラズマ室３にはア
ルゴンガスが供給され、全タイムシーケンスＴ１〜Ｔ４
の間、アルゴンプラズマが立ち上げられている。まず最
初のエッチャント供給時Ｔ１には、エッチング面１７が
引出電極４に直角になるように配置されると共にアルゴ
ンプラズマ中にエッチャントとなる塩素ガスが供給４２
され、そこで発生した塩素ラジカルは拡散によってエッ
チング室２に移動しエッチング面１７に吸着する。次の
エッチャントパージ時Ｔ２には、塩素ガスの供給が停止
されると共にエッチング面１７に吸着した以外の雰囲気
中の塩素は、排気装置１１によって系外に排気４３され
る。この結果、エッチング面１７には、図に示したよう
に１分子層の塩素の吸着が達成されている。また、方向
転換器の働きにより、上記エッチャント供給時Ｔ１とエ
ッチャントパージ時Ｔ２とを通じてエッチング面１７が
引出電極４に直角になるように基板１６が配置され、エ
ッチング面１７がプラズマ室３に対し暴露しない。ここ
で、方向転換器が制御部により制御され、図１（ｂ）に
示すようにエッチング面１７が引出電極４に正対するよ
うに基板１６の配置が変えられる。

【００１９】次のビーム照射時Ｔ３には、接点９が閉じ
られることにより、プラズマ室３と基板保持装置１８と
の間には、加速用電源１０からの加速電圧２０Ｖが印加
４４される。アルゴンプラズマより加速電圧の傾斜に沿
ってアルゴンイオンが引き出され、エッチング面１７に
照射される。これにより、塩素ラジカルが吸着されてい
るエッチング面１７の原子のバックボンドが切断され、
雰囲気中に塩素化合物が発生する。最後のプロダクツパ
ージ時Ｔ４には、接点９が開放されアルゴンイオンビー
ムが停止されると共に方向転換器が制御部により制御さ
れ、エッチング面１７が引出電極４に直角になるように
基板１６の配置が戻される。そして、排気装置１１の働
きによりビーム照射時Ｔ３に発生した塩素化合物等が排
気される。このプロダクツパージ時Ｔ４には、エッチン
グ面１７が引出電極４に直角になるように基板１６が配
置されているので、エッチング面１７がプラズマ室３に
対し暴露しない。以上のようにして、１分子層のエッチ
ングが達成され１サイクルが完了する。

【００２０】上記タイムシーケンス中、ビーム照射時Ｔ
３のようにイオンを照射するとき以外は基板１６のエッ
チング面１７がプラズマ室３に対し暴露しないので、プ
ラズマ室３から漏れ出るイオンやプラズマからの発光に
よって、エッチングダメージを受けることがなくなる。
その結果、図３（ｄ）に示されるテスト結果と同様に、
素材のままのＧａＡｓ試料と同じ欠陥状態が保たれ、デ
ジタルエッチング過程に起因する格子欠陥の発生が防止
されることになる。

【００２１】次に本発明の別の実施例について述べる。

【００２２】図２は、シャッター機構２０を備えて構成
されるデジタルエッチング装置１ａの一部分を示す図で
ある。エッチング試料となるガリウム砒素の基板１６
は、エッチング面１７が開放され、その反対面がエッチ
ング室２内に設けられた基板保持装置１８に取り付けら
れている。基板１６の配置は、エッチング面１７が引出
電極４に正対するような配置で固定されている。エッチ
ング面１７と引出電極４との間には、図２（ａ）に示さ
れるようにシャッター板２１が設けられている。シャッ
ター板２１は、図２（ｂ）に示されるように移動するこ
とができる。その他の構成は、図１に示されるデジタル
エッチング装置１と同様である。この構成では、ビーム
照射時Ｔ３のようにイオンを照射するときは、図２
（ｂ）で示される位置にシャッター板２１を移動させて
おき、加速電圧を加えるとアルゴンイオンがエッチング
面１７に照射される。それ以外のときは、図２（ａ）に
示される位置にシャッター板２１を移動させる。こうす
ることにより、基板のエッチング面１７がプラズマ室３
に対し暴露しないので、プラズマ室３から漏れ出るイオ
ンやプラズマからの発光によって、エッチングダメージ
を受けることがなくなる。

【００２３】なお、上記２つの実施例では、基板１６の
向きを変えてエッチング面１７とプラズマ室３との角度
を直角に変化させるか、又は１枚のシャッター板２１を
移動させてエッチング面１７を覆う構成を示したが、イ
オンを照射するとき以外は基板１６のエッチング面１７
がプラズマ室３に対し暴露しないように、基板１６をプ
ラズマ室３から隔離できる構成であるならばよいことは
勿論である。また、加速電圧を与えた状態でシャッター
機構２０を動作させ、イオンビームを制御するることも
できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００２５】（１）基板のエッチング面をプラズマ室か
ら隔離するだけでよいので、簡単な構成でエッチングダ
メージの発生が防止できる。

【００２６】（２）エッチングダメージの発生が防止さ
れるので、デジタルエッチングを利用した量子デバイス
等の品質が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すドライエッチング装置
の説明図である。

【図２】本発明の別の実施例を示すドライエッチング装
置の部分説明図である。

【図３】ＤＬＴＳ法による格子欠陥の測定のグラフを示
す図である。

【図４】デジタルエッチングのタイムシーケンス図であ
る。

【図５】従来例を示すドライエッチング装置の説明図で
ある。

【符号の説明】

１ デジタルエッチング装置１ ２ エッチング室 ３ プラズマ室 １６ 基板 １７ エッチング面

フロントページの続き (72)発明者 蒲生 健次 大阪府吹田市桃山台３丁目２番13号 (56)参考文献 特開 平３−133128（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−42135（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エッチング室内にエッチャントガスを供
   給して基板の所要部分に吸着させた後、上記エッチャン
   トガスをパージして上記エッチング室内を超高真空に
   し、上記エッチング室内に接続したプラズマ室から上記
   基板にイオンを照射するサイクルにより、１サイクルあ
   たり１分子層のエッチングを行う分子層エッチングの方
   法において、上記イオンを照射するとき以外は上記プラ
   ズマ室から漏れ出るイオンやプラズマからの発光に対し
   上記基板のエッチング面が暴露しないように、上記基板
   を上記プラズマ室から隔離することを特徴とするエッチ
   ングダメージ防止方法。