JP3240159B2

JP3240159B2 - パターン形成方法および半導体素子の製造方法

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Publication number: JP3240159B2
Application number: JP20573791A
Authority: JP
Inventors: 茂樹高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1991-08-16
Publication date: 2001-12-17
Anticipated expiration: 2016-12-17
Also published as: JPH04355909A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はパターン形成方法、およ
び半導体素子の製造方法に係り、特に絶縁体、半導体基
板、またはこの半導体基板上に形成される半導体多層膜
等に段差を有するパターンを形成する方法、および量子
細線レーザ、メソスコピックデバイス等微細構造の半導
体素子の製造方法にかかり、化合物半導体基板上に加工
を施した後に化合物半導体を結晶成長して半導体素子を
製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板等の段差パターンは多くの半
導体素子の一部に用いられており、その簡潔で制御性の
良い形成方法が必要とされている。例えば、Ｈ．Ｍｏｒ
ｉｍｏｔｏｅｔａｌ．：Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅ
ｃｈｎｏｌ．Ｂ５，２１１（１９８７）では、ＧａＡｓ
のＭＥＳＦＥＴのマッシュルームゲート作成のために、
有機ポリマーレジストにＴ型の段差パターンを形成する
技術の例が述べられ、また、Ｏ．Ｗａｄａ；Ｊ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．：Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１３１，２３７３（１９８
４）ではＬＥＤと光ファイバーとの光結合効率を向上さ
せるためにＬＥＤの基板側にモノリシックレンズを形成
する技術の例が述べられている。これらの例について以
下に説明する。

【０００３】まず、上記ＧａＡｓＭＥＳＦＥＴのゲー
ト作成の工程で、レジストにＴ型段差を有するパターン
の形成について図１４（ａ）〜（ｃ）をおよびこれに連
続し図１５（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

【０００４】まず、図１４（ａ）に示すように、ＧａＡ
ｓ基板１０１上に、ｎ型活性層１０２を結晶成長し、ソ
ース電極１０３、ドレイン電極１０４を形成する。次
に、図１４（ｂ）に示すように、ＰＭＭＡレジスト１０
５を１．０５μｍの厚さにコートする。次に、図１４
（ｃ）に示すように、ゲートとなる領域１０５ａを２０
０ｋｅＶのＢｅ⁺⁺を用いて、ゲートの縁となる領域１０
５ｂを１００ｋｅＶのＢｅ⁺を用いて、２．０×１０¹³
ｃｍ^-2のドーズ量で露光を行う。イオンエネルギーが大
きいほどイオンの進入深さが大きくなるために、レジス
トの中で露光される領域の分布がＴ型となるように露光
することができる。次に、図１５（ａ）に示すように、
メチルイソブチルケトンとイソプロピルアルコールの
１：３混合液で現像を行い、さらにＯ₂ ＲＩＥにより
ゲート部のレジストを完全に除去することにより、レジ
ストにＴ型の段差パターンを形成する。次に、図１５
（ｂ）に示すように、リセスエッチングを軽く行った後
にショットキー金属のＴｉ層と電極のＡｕ層１０６を蒸
着する。次に、図１５（ｃ）に示すようにリフトオフを
行うことによリマッシュルーム型ゲート電極１０６ａを
形成しプロセスは完了する。

【０００５】この方法によりＴ型の段差パターンの形成
は可能であるが、有機ポリマーレジストを使用している
ことにより、真空プロセスには向かないものとなってお
り、他のプロセスとの整合性の点で問題があった。ま
た、ＰＭＭＡ等のポジ型有機ポリマーレジストはイオン
照射による主鎖切断を利用したものであるから、完全な
露光を行うためにはレジストの下地に到達するほどのエ
ネルギーでイオンを照射する必要があり、下地への損傷
が問題となる。上記の従来例では、損傷を抑制するため
に、レジスト膜厚を２００ｋｅＶのＢｅ⁺⁺露光で完全に
除去される膜厚より少しだけ大きく形成し、現像後に残
ったレジストをＯ₂ ＲＩＥを用いて除去するという方
法を取っているが、プロセスが複雑になる等の点で問題
があった。

【０００６】次に、上記ＬＥＤの基板側にモノリシック
レンズを形成する技術について図１６（ａ）〜（ｃ）を
参照して説明する。

【０００７】まず、図１６（ａ）に示すように、ＩｎＰ
半導体基板２０１上に、通常のフォトリソグラフィプロ
セスによりポジ型レジスト２０２を球面になるように形
成する。球面形状の制御はパターンの直径、レジストの
膜厚をパラメータとして、ベーキング温度を最適化する
ことによって行う。次に、図１６（ｂ）に示すように、
Ａｒイオンビーム２０３によるスパッタエッチングによ
りレジスト２０２の球面パターンをＩｎＰ半導体基板２
０１に転写する。Ａｒイオンビームエッチングの際に
は、基板を水平面内で回転させ、さらにイオンビームを
基板に垂直な方向から傾けて照射することにより、なめ
らかな球面形状を得る。Ａｒイオンビームエッチングに
よりレジスト２０２がすべて除去された時点で、図１６
（ｃ）に示すように、ＩｎＰ基板にレンズ２０１ａが形
成される。

【０００８】この方法によりＩｎＰ半導体基板上にモノ
リシックなレンズの形成は可能であるが、パターンのサ
イズによってレジストの形成条件を変えなければならな
いため、１つの基板上にパターンサイズの異なるレンズ
の形成が同時には出来ない。また、レジスト材自体も真
空プロセスには向かないものであり、プロセスの整合性
の点で問題があった。

【０００９】次に、微細構造の半導体素子は、その量子
サイズ効果等を用いて量子細線レーザ等の高性能半導体
素子への応用が試みられている。量子細線レーザの製造
方法の一例として、Ｍ．Ｃａｏｅｔａｌ．：Ｔｒａ
ｎｓ．ＩＥＩＣＥ，Ｅ７３，１，ｐｐ．６３−７０（Ｊ
ａｎ．１９９０）には以下のように述べられている。

【００１０】まず図１７（ａ）に示すように、減圧ＯＭ
ＶＰＥ（ＯｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃＶＰＥ）法に
よりＩｎＰ基板３０１上に５層からなるＧａＩｎＡｓ／
ＧａＩｎＡｓＰ系単一量子井戸構造（ｎ−ＩｎＰバッフ
ァー層３０２、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層３０３、Ｇ
ａＩｎＡｓ活性層３０４、ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層
３０５、ＧａＩｎＡｓ保護層３０６）を形成する。次に
図１７（ｂ）に示すように、ＧａＩｎＡｓ保護層を除去
後、ポリメチルメタアクリレートレジスト（ＰＭＭＡレ
ジストと略記）を塗布し、電子ビーム描画装置による露
光と通常の現像プロセスにより周期７０ｎｍの回折格子
レジストパターン３０７を形成する。微細なパターンの
形成のために、レジストは２５ｎｍの膜厚に非常に薄く
塗布する。次に図１７（ｃ）に示すように、上記のレジ
ストパターン３０７をエッチングマスクとしてＨＢｒ：
ＨＮＯ₃：Ｈ₂Ｏ溶液を用いて活性層３０４の下の光閉
じ込め層３０３迄ウェットエッチングを行い、周期７０
ｎｍ、深さ１７ｎｍの波状構造を形成する。次に図１７
（ｄ）に示すように、レジストパターンを除去後、減圧
ＯＭＶＰＥ法により上記の波状構造の上に、ＧａＩｎＡ
ｓＰ光閉じ込め層３０８、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０
９、Ｐ⁺−ＧａＩｎＡｓキャップ層３１０の再成長を行
い、幅３０ｎｍの量子細線を形成する。その後に、量子
細線と垂直方向にストライプ電極を形成して量子細線レ
ーザは完成する。

【００１１】以上のように、電子ビーム描画装置で露光
し、通常の現像を行って形成したＰＭＭＡレジストパタ
ーンをエッチングマスクとして用い、ウェットエッチン
グにより微細構造を形成することも可能であるが、上記
の方法にはいくつかの問題点が挙げられる。まず第１
に、量子細線レーザでは、活性層の横方向構造の微細化
により、通常の埋め込みレーザでは無視できていた再成
長界面の劣化の領域が活性層幅と同程度になり、発光効
率などに与える影響が顕著となる。そこで、活性層の微
細加工を行う際に酸化や不純物汚染を極力抑えて、再成
長界面の劣化領域を減少させなければならない。上記の
方法は、有機レジストを用いた大気中でのリソグラフィ
プロセスによるパターニングを行っているために、酸化
は避けられず、不純物汚染の要因も多い。そのため、再
成長の際には前処理工程による界面の清浄化を必要とす
ると共に、再成長の条件にも劣化界面に対応した特殊な
ものを必要とする。第２に、ＰＭＭＡに電子ビーム露光
を行って微細パターンを形成する場合には、レジスト中
での電子の散乱によるパターンの広がりを抑えるため
に、レジスト膜厚を非常に薄く形成する必要がある。し
かし、そうして形成されたレジストパターンは異方性の
あるドライエッチングに対しては十分な耐性が得られな
い。そのため、上記のようにウェットエッチングによる
活性層の加工を行うことになるが、ウェットエッチング
では微細加工における形状制御性や均一性が悪く、垂直
エッチングのためには特殊な結晶方位を用いなければな
らない等の制限がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】叙上の如く従来の有機
ポリマーレジストを用いて段面Ｔ字型段差を有するパタ
ーン形成方法では、真空プロセスには向かない材料であ
るためプロセスの整合性の点で問題があり、イオンビー
ム露光時の損傷低減のために複雑なプロセスを必要とす
るというように生産性の点にも問題があった。

【００１３】また、上述の従来のレジストマスクを用い
たＬＥＤのレンズ形成方法では、パターンサイズの異な
る傾斜パターンは同時に形成できないために生産性の点
で問題があり、また真空プロセスには向かない材料であ
るためプロセスの整合性に問題があった。

【００１４】次に従来の半導体素子の製造方法におい
て、微細パターン形成に多く用いられているＰＭＭＡレ
ジストと電子ビーム露光、さらにウェットエッチングを
組み合わせての微細加工方法には、上述したように、再
成長界面の酸化や不純物汚染による製造プロセスの複雑
化、さらには素子特性の劣化が避け難い。また、レジス
トパターンには十分なドライエッチング耐性がないため
に、ウェットエッチングを用いることによる微細加工性
の制限があった。

【００１５】本発明のパターン形成方法は、上記の欠点
を除去し、半導体基板上に種々のパターンサイズの傾斜
パターンが形成出来、かつ真空一貫プロセスとしての複
合化が可能な傾斜パターン形成方法を提供する。

【００１６】次に本発明の半導体素子の製造方法は、界
面劣化が少なく、かつ微細加工に対し制御性の良い構造
の半導体素子の製造方法を提供する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るパターン形
成方法の第１は、被エッチング材に集束させるイオンビ
ームの注入位置を変えるとともに加速電圧、イオンの原
子種、イオンの価数の少なくとも一つを変えて注入する
イオンビーム注入工程と、前記被エッチング材の前記イ
オンビーム注入部にドライエッチングを施す工程を含む
ことを特徴とするものである。また、その第２は、被エ
ッチング材にイオン注入して前記被エッチング材表面か
らの深さが異なる複数のイオン濃度ピーク領域を形成す
る工程と、前記表面をエッチングしこのイオン濃度ピー
ク領域をエッチング抑制領域として段差パターンを形成
する工程を含むことを特徴とする。

【００１８】次に、本発明に係る半導体素子の製造方法
の第１は、化合物半導体基板上にシリコンまたはその化
合物の薄膜を形成する工程と、集束したＧａまたはＩｎ
からなるイオンビームを前記薄膜に選択的に注入する工
程と、Ｆを含むエッチングガスを用いたドライエッチン
グにより前記薄膜にそのイオン注入された部分をマスク
として選択的にエッチングを施す工程と、前記エッチン
グにより形成されたシリコンまたはその化合物薄膜をマ
スクとして化合物半導体基板にドライエッチングを施す
工程と、前記マスクを選択成長マスクとして化合物半導
体基板上に結晶成長を施す工程を含み、かつ、前記各工
程間の移送を減圧雰囲気中で施すことを特徴とする。ま
た、その第２は、化合物半導体基板上にシリコンまたは
その化合物の薄膜を形成する工程と、集束したＧａまた
はＩｎからなるイオンビームを前記薄膜に選択的に注入
する工程と、Ｆを含むエッチングガスを用いたドライエ
ッチングにより前記薄膜にそのイオン注入された部分を
マスクとして選択的にエッチングを施す工程と、前記エ
ッチングにより形成されたシリコンまたはその化合物薄
膜をマスクとして化合物半導体基板上にドライエッチン
グを施す工程と、前記マスクを除去し化合物半導体基板
上に結晶成長を施す工程を含み、かつ、前記各工程間の
移送を減圧雰囲気中で施すことを特徴とする。

【００１９】

【作用】本発明によれば、まず被エッチング材の任意の
位置を選択して種々の大きさの段差パターニングを簡単
に施すことができ、かつ、プロセスは製造装置における
真空雰囲気部で一貫して達成できる。

【００２０】次には、高性能な微細構造の半導体素子を
容易に、かつ、その素子特性を劣化させることなく製造
することができる。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の実施例１につき図１を参照
して説明する。

【００２２】まず、図１（ａ）に示すように、ＧａＡｓ
基板１１上にプラズマＣＶＤ装置によって厚さ約５００
ｎｍのＳｉＮｘ膜１２を形成し、このＳｉＮｘ膜１２に
ＦＩＢ装置により集束したＧａイオン１３を注入する。
段差パターンを形成するためには、この段階で、注入位
置を移動するとともに、加速電圧を変えてイオン注入を
行う。イオン注入において加速電圧を変化させた場合に
は、図３に示すように、イオン濃度の深さ方向プロファ
イルが、低加速では浅いところにピークを持ち、高加速
では深いところにピークを持つようになる。これにより
ＳｉＮｘ膜１２中の斜線で示すごとく、イオン注入部１
２ａはイオン濃度のピーク位置が段差を持った深さ分布
となる。ＳｉＮｘ膜１２をすべて除去したい領域はイオ
ン注入を行わない。次に、図１（ｂ）に示すケミカルド
ライエッチング（ＣＤＥ）装置を用いてＣＦ₄ガスのラ
ジカル１４によりＳｉＮｘ膜１２をドライエッチングす
る。このとき、図４に示すように、注入されたイオン濃
度がある値よりも大きいときには、エッチング速度は非
常に小さな値となり、つまりある閾値を超えてイオン注
入された領域はエッチング停止層となることを意味す
る。したがって、エッチング停止層がＳｉＮｘ層１２中
に段差を持って分布することにより、この図１（ｂ）に
示すように、ＳｉＮｘ層１２を段差パターン１２ｂに形
成することが出来た。

【００２３】本実施例では、被エッチング材を完全に除
去する領域には、イオンビーム照射を行っていないため
に、イオンビーム照射による下地の損傷を心配する必要
が無くなる。また、イオンビームを照射する領域も、所
望の残留膜厚の上部のみにほとんどのイオンが留まって
エッチング阻止層を形成するため、下地にはほとんど損
傷を与えることはない。つまり、ただ１回のドライエッ
チングによる現像で、損傷の少ないパターニングを行う
ことが出来る。

【００２４】本実施例では、ＳｉＮｘ膜のパターニング
について述べたものであり、このＳｉＮｘ膜をマスクと
みなせば、この後に、電極蒸着とリフトオフ、ドライエ
ッチングによる基板へのパターン転写等のプロセスを行
うことが出来ることは明らかである。特にＧａＡｓやＩ
ｎＰ系半導体基板はＦ系ガスのドライエッチングに対す
る耐性があるため、ＳｉＮｘレジストのパターニングの
際に基板が侵食される心配が少ない。逆に、基板のエッ
チングの際には、Ｃｌ系のガスでエッチングを行えば、
マスクのＳｉＮｘと基板との選択比を大きくとることが
出来、同時に、マスクのＳｉＮｘの上部に混入している
Ｇａを除去することが出来る。その後に、再びＦ系のド
ライエッチングを行えば、マスクのＳｉＮｘ全体をアッ
シング除去することが出来る。このように、本実施例で
形成したＳｉＮｘはエッチングマスクとして自由に用い
ることが出来る。

【００２５】上記実施例で被エッチング材として用いた
ＳｉＮｘは、プラズマＣＶＤだけでなく、熱ＣＶＤ、Ｓ
ｉＮｘをターゲットとして用いたスパッタリング、Ｓｉ
ターゲットとＮ系ガスを用いた反応性スパッタリング、
ＳｉＮｘをソースとして用いたＥガン蒸着、Ｓｉソース
とＮ系ガスを用いた反応性Ｅガン蒸着等の真空プロセス
により形成が可能である。また、ＳｉＯｘも全く同様に
被エッチング材として、真空プロセスで形成が可能であ
り、実施例と同様にＧａイオンまたはＩｎインオンをＦ
ＩＢ注入し、Ｆ系ガスでドライエッチングする事によ
り、段差パターンの形成が可能である。さらに、薄膜だ
けでなく、ＳｉＮｘやＳｉＯｘ等のＳｉ系の結晶基板、
ひいてはＳｉ基板自体にも直接、同様なプロセスにより
加工を行えることは明らかである。つまり、Ｓｉ系ガラ
ス導波路、多層膜反射鏡の窓構造等の形成を容易に行う
ことが出来る。

【００２６】被エッチング材として、Ｃ結晶は、ＣＶＤ
等の真空プロセスで形成が可能であり、イオンのスパッ
タリングにも強いために、同様なプロセスで段差パター
ンの形成が可能である。このときは、注入するイオンと
してはＧａまたはＩｎ、ドライエッチングガスはＯ₂を
主成分としたものを用いればよい。

【００２７】ＦＩＢ注入イオン濃度の深さ方向プロファ
イルを決めるのはイオンの種類およびエネルギーであ
り、単一のイオン種の場合には加速電圧を変えることに
より異なったプロファイルが得られる。しかし、ＦＩＢ
装置は種々の合金イオン源を用いることにより同時に多
種のイオンを引き出すことが可能であり、マスフィルタ
を用いれば、任意のイオン種（原子種、イオン価数）を
選択的に注入することが可能である。その際に、重いイ
オンは進入深さが浅くなるために浅い位置にイオン濃度
のピークを持ち、またイオン価数が２価のイオンは１価
のイオンに比べて２倍のイオンエネルギーを得るために
イオン濃度のピークが深くなる。

【００２８】（実施例２）以下、本発明の次の実施例に
つき図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

【００２９】まず、図２（ａ）に示すように、ＩｎＰ基
板２１上にプラズマＣＶＤ装置によって厚さ約５００ｎ
ｍのＳｉＮｘ膜２２を形成する。次に、このＳｉＮｘ膜
２２にＦＩＢ装置により集束したＧａイオン２３を注入
する。傾斜パターンを形成するためには、この段階で、
徐々に注入位置を移動するとともに、段階的に加速電圧
を変えてイオン注入を行う。イオン注入において加速電
圧を変化させた場合には、図３に示すように、イオン濃
度の深さ方向プロファイルが、低加速では浅いところに
ピークを持ち、高加速では深いところにピークを持つよ
うになる。これにより図２（ａ）のＳｉＮｘ膜２２中の
斜線で示すように、イオン注入部はイオン濃度のピーク
領域２２ａ位置が段階状の深さ分布となる。ＳｉＮｘ膜
２２をすべて除去したい領域はイオン注入を行わない。
次に、図２（ｂ）に示すようにＣＤＥ装置を用いてＣＦ
４ガスのラジカル２４によりＳｉＮｘ膜２２をドライエ
ッチングする。このとき、図４に示すように、注入され
たイオン濃度がある値よりも大きいときには、エッチン
グ速度は非常に小さな値となり、つまりある閾値を超え
てイオン注入された領域はエッチング停止層となること
を意味する。したがって、チング停止層がＳｉＮｘ膜２
２中に段階状に分布することになり、図２（ｂ）に示す
ように、ＳｉＮｘ膜２２は段階状にエッチングされるこ
とになる。最後に、図２（ｃ）に示すように、段階状に
形成されたＳｉＮｘ膜２２ｂをマスクとしてＲＩＥ装置
を用いてＣｌ２ガスのイオン２５によりＩｎＰ基板２１
のドライエッチングを行うことにより、ＩｎＰ基板１１
上に段階状の傾斜パターン２１ａを形成することが出来
た。

【００３０】本実施例では、説明の都合上階段の幅を広
くまた段差も大きく示したが、ＦＩＢのビーム径は容易
に１００ｎｍ以下に絞ることができ、また加速電圧も２
ｋＶの違いによりイオン濃度のピーク位置の深さに約１
ｎｍの違いを生じることができるために、通常の半導体
素子にとっては非常に滑らかな傾斜パターンを形成する
ことができる。また、イオンビーム注入位置の変化量と
加速電圧の変化量を適当に設定することにより、一様な
傾きを持たない凹や凸の球面パターン、回折格子パター
ン等を自由に形成することができる。さらには、ＲＩＥ
装置はエッチングガス圧力、ＲＦパワー、電極間距離等
のパラメータを変えることによりＳｉＮｘ膜２２とＩｎ
Ｐ基板２１との間の選択比を変えることができるため、
ＳｉＮｘ膜２２の微小な段差をＩｎＰ基板２１上に大き
く拡大して転写することができる。つまり、基板へのパ
ターン転写の段階で傾斜パターンの傾きを自由に変える
ことができるため、非常に急峻な傾きを持つ傾斜パター
ンも形成が可能である。

【００３１】勿論、この傾斜パターン形成方法は、半導
体基板に利用できるだけでなく、半導体多層膜、絶縁
体、金属等にも応用が可能である。特にＭＯＳトランジ
スタの絶縁膜として用いられているＰＳＧのコンタクト
ホールは傾斜パターンであることが望ましいが、これは
図２（ａ）〜（ｂ）に示す３段階のプロセスのみで形成
が可能である。同様に、ＳｉＯ₂を用いたレンズ形成等
の場合にもより簡単な３段階のプロセスで完成する。ま
た、Ｃ結晶もＣＶＤ等の真空プロセスで形成が可能であ
り、イオンスパッタリングにも強いことから、上記実施
例同様に、傾斜パターン形成のマスク材として用いるこ
とができる。この時は、ＦＩＢ注入イオンとしてＧａイ
オンとＩｎイオン、ドライエッチングガスとしてＯ₂主
成分のものを用いればよい。

【００３２】ＦＩＢ注入イオン濃度の深さ方向プロファ
イルを決めるのはイオンの種類およびエネルギーであ
り、単一のイオン種の場合には加速電圧を変えることに
より異なったプロファイルが得られる。しかし、ＦＩＢ
装置は種々の合金イオン源を用いることにより同時に多
種のイオンを引き出すことが可能であり、マスフィルタ
ーを用いれば、任意のイオン種（原子種、イオン価数）
を選択的に注入することが可能である。その際に、重い
イオンは進入深さが浅くなるために浅い位置にイオン濃
度のピークを持ち、またイオン価数が２価のイオンは１
価のイオンに比べて２倍のイオンエネルギーを得るため
にイオン濃度のピークが深くなる。

【００３３】上記実施例では、イオン注入領域のエッチ
ングが抑制される、いわばネガレジストの例を示した
が、イオン種やイオンエネルギー、さらにドライエッチ
ングガス種などを適当に選べば、ポジレジストとしても
用いることができる。例えば、ＧａＡｓ基板に１０ｋＶ
の加速電圧でＧａイオンをＦＩＢ照射した後、Ｃｌ₂ガ
スでエッチングを行うと照射領域は、非照射領域に比べ
て約１０倍のエッチング速度を示す。つまり、イオン照
射領域のみをエッチング除去することが可能であるた
め、ポジレジストとして同様な傾斜パターンを形成する
ことができる。

【００３４】次に、本発明に係る光半導体装置の製造方
法につき図面を参照して説明する。特にここでは、活性
層部分の量子細線構造の作製方法について述べる。

【００３５】（実施例３）図５（ａ）に示すように、ＭＢＥ装置を用いてＧａＡｓ
系半導体多層膜基板５１上にＡｌＧａＡｓ障壁層５２の
結晶成長を行う。次に、真空中での搬送によりプラズマ
ＣＶＤ装置に基板を移動し、図５（ｂ）に示すように、
ＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスとＮ２ガスのプラズマによ
り、膜厚５０ｎｍのＳｉ窒化物レジスト５３を堆積す
る。次に、真空搬送により集束イオンシビーム装置に基
板を移動し、図５（ｃ）に示すように、ビーム径５０ｎ
ｍのＧａイオンビーム５４で周期１００ｎｍの回折格子
状に注入露光し、Ｓｉ窒化物レジスト５３にＧａの注入
された領域５３ａを形成する。収束イオンビーム装置に
おいては、イオンの加速電圧が高いほどビームの収束性
能が高まり、微細なイオンビームが得られるようになる
が、逆に注入したイオンの広がりも大きくなる等の原因
で、微細な領域への注入には必ずしも有利とはならな
い。５０ｎｍ程度のビーム径は８０ｋＶの加速電圧でも
充分に得られ、本実施例の場合には通常の収束イオンビ
ーム装置で問題はない。しかし、より微細なビームを得
るために加速電圧を上げる場合には、試料直前に減速電
界を設けることにより、微細なビームを保ったままイオ
ンエネルギーを下げることが望ましい。次に、真空搬送
によりＲＩＥ装置に基板を移動し、図５（ｄ）に示すよ
うに、ＣＦ４ガスのプラズマイオン５５を用いたドライ
エッチングを行い、Ｓｉ窒化物レジスト５３の現像を行
う。ＣＦ４ガスのプラズマ中に含まれる弗素との反応に
より、Ｇａが注入された領域５３ａでは不揮発性のＧａ
弗化物が形成されるため、ＲＩＥに対するその場マスク
となる。同様に、Ｇａが注入されない領域では揮発性の
Ｓｉ弗化物が形成されるためドライエッチングが進行す
る。その結果、ネガレジストとしてＳｉ窒化物レジスト
５３が回折格子状にパターニングできる。次に、真空搬
送によりＲＩＥ装置に基板を移動し、図６（ａ）に示す
ように、Ｓｉ窒化物レジスト５３の回折格子状パターン
をエッチングマスクとしてＣｌ２ガスとＡｒガスのプラ
ズマイオン５６を用いたドライエッチングを行い、Ａ１
ＧａＡｓ層５２に深さ１００ｎｍの溝を形成する。次
に、真空搬送により再びＲＩＥ装置に基板を移動し、図
６（ｂ）に示すように、Ａ１ＧａＡｓ障壁層５２の溝中
にＡｌＧａＡｓ量子細線層５７を成長する。このとき、
ＭＢＥによる成長条件を選べば、Ｓｉ窒化物レジスト５
３上には結晶成長しない選択成長を行うことが出来る。
次に、真空搬送によりアッシャー装置に基板を移動し、
図６（ｃ）に示すように、ＣＦ４ガスプラズマ５８を用
いてＳｉ窒化物レジスト５３をアッシング除去する。次
に、真空搬送により再びＭＢＥ装置に基板を移動し、図
６（ｄ）に示すように、Ａ１ＧａＡｓ障壁層５９の再成
長を行う。こうして、ＧａＡｓ系半導体量子細線レーザ
の活性層部分が完成する（図６（ｄ））。

【００３６】上記の実施例では、Ｓｉ窒化物の選択成長
マスクとしての特徴を利用したプロセスを行っている
が、前記従来例と同様に活性層を成長した後にパターニ
ングを行うことも可能である。つまり、前記従来例のＰ
ＭＭＡレジスト塗布、電子ビーム露光、ウェット現像、
ウェットエッチングによる活性層のパターニングの各プ
ロセスの代わりに、プラズマＣＶＤによるＳｉ窒化物レ
ジスト堆積、Ｇａ集束イオンビーム注入露光、ＣＦ₄を
用いたＲＩＥによるドライ現像、Ｃｌ₂とＡｒを用いた
ＲＩＢＥによる活性層のパターニングの各プロセスを行
うことにより、前記従来例と同様な構造を持つ量子細線
レーザをよく制御性良くかつ素子特性の劣化を招かずに
製造することができる。このように、活性層を成長した
後にパターニングを行い、さらに埋め込み結晶成長を行
うプロセスが、素子の特性劣化を招くことなく行えるこ
とから、本発明はＩｎＰ系半導体量子細線レーザの製造
にも適用できることは明らかである。また、回折格子状
のパターニングを二次元的に行えば、容易に量子箱レー
ザの製造にも適用できることは明らかである。

【００３７】さらに、本発明のポイントは、Ｓｉ無機化
合物をレジストとして微細なリソグラフィを行い、その
後の半導体基板加工と結晶成長を、再成長界面の酸化や
不純物汚染無しに行うことが出来ることにあるため、本
発明の適用は半導体量子細線レーザに限定されるもので
はなく、微細構造を用いた各種の光素子や電子素子の製
造への適用が可能である。以下に各種の素子の場合の実
施例を簡単に述べる。

【００３８】（実施例４）図７に示したのは、Ｙ．Ｌｕ
ｏｅｔａｌ．：ＡＰＣＴ’８９Ｈ５で述べられて
いる。利得結合型ＤＦＢレーザの製造工程図である。こ
の構造では、安定な単一縦モードを持つ利得結合を達成
するために、活性層自身に周期構造を形成している。そ
れには、図７（ａ）に示すように、基板７１上にバッフ
ァ層７２、クラッド層７３を介して第１の結晶成長で形
成したパターン供給層７４を、図７（ｂ）に示すように
干渉露光法と硫酸系ウェットエッチングを用いて周期２
５０ｎｍの二次回折格子状に加工する。その上に、図７
（ｃ）に示すように第２の結晶成長で活性層７６の成長
を行うことにより、活性層に周期構造を形成している。
本発明を用いれば、再成長界面の劣化無しに同様な構造
を容易に形成できるため、量子効率の低下を招くこと無
く利得結合型ＤＦＢレーザを製造することができる。そ
れだけでなく、活性層自身を回折格子状に加工すること
が、活性層の劣化を伴わずに出来るため、より簡便な工
程で利得結合型ＤＦＢレーザを製造することが出来る。
また利得結合型に限らず、ガイド層のみに周期構造を持
つ屈折率結合型のＤＦＢレーザの製造に適用出来ること
は明らかである。さらに軸方向ホールバーニングの影響
を減らすための、回折格子のλ／４シフト構造や周期変
調構造等も容易に形成することが出来る。また、同様に
微細な周期構造を持つＤＢＲレーザの製造に適用できる
ことも明らかである。これらのＤＦＢレーザやＤＢＲレ
ーザの回折格子の方位も結晶方位に依らずとることが出
来るために、他の素子との集積化が容易になり、将来の
ＯＥＩＣの設計の自由度が広がる。なお、図中７６は活
性層、７７はクラッド層、７８はコンタクト層である。

【００３９】（実施例５）図８に示したのは、Ｋ．Ｉｇ
ａｅｔａｌ．：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．２
３，１３４（１９８７）で述べられている微小共振器面
発光レーザの製造工程図である。図８（ａ）に示すＳｉ
Ｏ₂層８６をマスクとして、図８（ｂ）に示すようにウ
ェットエッチングにより３０μｍ径の円形メサを形成
後、図８（ｃ）（ｄ）に示すようにＬＰＥを用いた選択
メルトバックにより６μｍ径の埋め込み活性領域８３を
形成する。微小共振器面発光レーザにおいては埋め込み
の再成長界面を劣化させないことが重要であるが、本発
明を用いれば、界面劣化の心配無しに、簡単なプロセス
で微小共振器の形成と埋め込みを行うことが出来る。ま
た、上記の素子では、微細活性領域の形成のために、Ｌ
ＰＥの選択メルトバックを用いているが、その成長方法
のために、図８（ｄ）に示すようにｐ−ｎ−ｐの電流阻
止層８７、８８、８９による埋め込みに限られている
が、本発明を用いた場合には、ＭＢＥやＭＯＣＶＤによ
る高抵抗埋め込みも可能であり、素子性能の向上を望む
ことが出来る。さらに、微小共振器として本来の高性能
を発揮できるサブミクロン径の素子も、容易に形成する
ことが出来ることは明らかである。なお、図８におい
て、８１はＧａＡｓ基板、８２はｎ−クラッド領域、８
４はｐ−クラッド層、８５はキャップ層、８７、８９は
電流阻止層のｐ−ＧａＡｌＡｓ層、８８は電流阻止層の
ｎ−ＧａＡｌＡｓ層を夫々示す。

【００４０】（実施例６）図９にＥ．Ｙａｂｌｏｎｏｖ
ｉｔｃｈ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５８，２０５
９（１９８７）で述べられている三次元の反射鏡構造を
示し、この構造によれば自然放出光の閉じ込めを行い半
導体レーザの高性能化を図ることができる。この構造の
基本単位の大きさは光の波長λと２種類の媒質の屈折率
ｎ₁、ｎ₂を用いて図９（ａ）に示すように、λ／２
（ｎ₁＋ｎ₂）で表される程度であるから、サブミクロ
ンの微細加工が必要である。この構造は図９（ａ）に示
すように、基板に市松模様状に穴を開け、図９（ｂ）に
示すように、その上に屈折率ｎ₁の媒質９１と屈折率ｎ
₂の媒質９２を交互に結晶成長する途中で活性層９３を
挟むことによって得られるが、本発明を用いれば、微細
な市松模様を再成長界面の劣化無しに加工できることか
ら、設計通りの三次元反射鏡構造を作製することができ
る。

【００４１】（実施例７）図１０にＤ．Ｌ．Ｃｒａｗｆ
ｏｒｄｅｔａｌ．：ＣＬＥＯ９０ＣＴＨＱ４で述
べられている高速量子細線受光素子の概念図を示す。こ
の構造によれば、光吸収層３の量子細線３ａ化により吸
収効率と電子移動度の増大が期待されるが、微細加工と
再成長の際に界面の劣化が起きた場合には、逆に吸収効
率や移動度の減少を招き期待通りの性能は得られなくな
る。なお、図中の１は基板、２はｎ−コンタクト層、３
はｐ−コンタクト層を夫々示す。本発明によればこの問
題を回避することが出来、高速量子細線受光素子を作成
することができる。

【００４２】（実施例８）図１１にメソスコピックデバ
イスの一種であるＡ−Ｂ効果素子の概念を示す。この素
子は、ＡｌＧａＡｓ３１中にＧａＡｓ３２のリング状細
線が埋め込まれた構造を持つが、ＡｌＧａＡｓとＧａＡ
ｓの界面に生じる二次元電子ガスの伝導度がリングの片
側の表面にある電極３３にかける電場により変化し、結
果として電子波の干渉を生じる。干渉が生じるために
は、リングの径として１μｍ以下が必要であり、またＡ
ｌＧａＡｓとＧａＡｓの界面に劣化がある場合には十分
な特性を示さない。本発明を用いれば問題なく微細なリ
ング状埋め込み構造を作成することができるため、Ａ−
Ｂ効果素子の特長を十分に引き出すことが出来る。

【００４３】（実施例９）図１２は遠赤外線受光素子の
概念図である。この図において４１はＧａＡｓ量子井戸
層、４２はＡｌＧａＡｓ障壁層、４３は価電子帯を示し
ている。この変調ドープしたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量
子井戸構造は、１０μｍ帯の光波長に対応する伝導帯４
４のサブバンド間遷移４５を持つが、その光吸収は入射
光４６の電場が量子井戸界面に垂直方向である時のみに
起きる。それ故、通常の量子井戸構造ではサブバンド間
遷移を利用した面に垂直な光入射の受光素子を作成する
ことが出来ない。量子細線もしくは量子箱構造を用いる
ことによりその問題は解決するが、加工と再成長に伴う
界面劣化がある場合には、充分な特性が得られなくな
る。本発明によれば、界面劣化の心配無しに量子細線ま
たは量子箱構造を形成できるため、応用範囲の広い遠赤
外線受光素子を作成することが出来る。

【００４４】（実施例１０）図１３にＫ．Ｔｓｕｂａｋ
ｉｅｔａｌ．：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．２
４，１２６７（１９８８）で述べられている量子細線Ｆ
ＥＴの模式図を示す。この図において６１はＧａＡｓ
層、６２はＡｌＡｓ層、６３はＳｉドープＡｌＧａＡｓ
領域、６４はソース電極、６５はゲート電極、６６はド
レイン電極、６７は電子を夫々示す。この構造は縦型超
格子を利用して作成した量子細線を通常のＨＥＭＴに組
み込んだものであるが、一次元閉じ込め効果により従来
のＨＥＭＴより数倍大きい相互コンダクタンスが得られ
ている。本発明を用いれば、結晶の方位に依らない量子
細線構造を容易に形成できるため、同様な量子細線ＦＥ
Ｔを集積化に向いた形で製造することが出来る。

【００４５】なお、本発明にいうシリコン化合物として
は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ＳｉＣ、Ｓｉ・
Ｇｅ等が適し、さらに多結晶シリコン、アモルファスシ
リコン等を用いても達成できる。

【００４６】

【発明の効果】叙上の如く本発明のパターンの形成方法
によれば、多種の段差パターンを簡単なプロセスでま
た、多種の傾斜パターンを同時に、形成することができ
る。これによって、半導体素子の多くに必要とされる段
差パターン、または傾斜パターンを真空一貫プロセスに
よって得ることができ、生産性の向上や、半導体素子の
品質向上が図れる顕著な効果がある。

【００４７】次に本発明に係る半導体素子の製造方法
は、微細構造半導体素子の製造プロセスの重要な部分を
全て真空中で行うために、再成長界面の劣化を少なく抑
えることが出来、結果として高性能微細構造の素子を簡
単なプロセスで製造することが出来る。また、ウェット
エッチングに制限されないプロセスが可能であるため
に、微細加工の制御性を高めることが出来、結果として
より高性能の微細構造素子の製造を可能にする顕著な効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例１に係わる
段差パターン形成工程を工程順に示す断面図。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例に係わる傾
斜パターン形成工程を工程順に示す断面図。

【図３】加速電圧の違いによるイオン濃度の深さプロ
ファイルの相違を示す線図。

【図４】イオン注入した領域のイオン濃度に対するエ
ッチング速度を示す線図。

【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例に係わる
量子細線レーザの製造方法の一部を示す断面図。

【図６】（ａ）〜（ｄ）は図５に続き本発明の一実施
例に係わる量子細線レーザの製造方法の一部を示す断面
図。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施例に係わる
利得結合型ＤＦＢレーザの製造方法の一部を示す断面
図。

【図８】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施例に係わる微
小共振器面発光レーザの製造方法の一部を示す断面図。

【図９】（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例に係わる
三次元反射鏡構造の模式図。

【図１０】本発明の一実施例に係わる量子細線受光素
子の模式図。

【図１１】本発明の一実施例に係わるＡ−Ｂ効果素子
の概念を説明するための図。

【図１２】本発明の一実施例に係わる遠赤外線受光素
子の概念を説明するための図。

【図１３】本発明の一実施例に係わる量子細線ＦＥＴ
の模式図。

【図１４】（ａ）〜（ｃ）は従来の段差パターン形成
工程の一部を示す断面図。

【図１５】（ａ）〜（ｃ）は図１４に続き従来の段差
パターン形成工程の一部を示す断面図。

【図１６】（ａ）〜（ｃ）は従来の傾斜パターン形成
工程を示す断面図。

【図１７】（ａ）〜（ｄ）は従来の量子細線レーザの
製造方法を示す断面図。

【符号の説明】

１２ａ、２２ａイオン注入部１３Ｇａイオン１４ＣＦ₄のラジカル２１ａ傾斜パターン基板２５Ｃｌ₂イオン５１ＧａＡｓ系半導体多層膜基板５２、４２ＡｌＧａＡｓ障壁層５４Ｇａイオンビーム５５ＣＦ₄プラズマイオン５６Ｃｌ₂＋Ａｒプラズマイオン５７、３ａＧａＡｓ量子細線層７６、８３、９３活性層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 B23K 15/00 H01L 21/306

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被エッチング材に集束させるイオンビー
ムの注入位置を変えるとともに加速電圧、イオンの原子
種、イオンの価数の少なくとも一つを変えてイオン注入
し前記被エッチング材の深さ方向にイオン濃度ピーク領
域を形成するイオンビーム注入工程と、前記被エッチン
グ材の前記イオン濃度ピーク領域で前記イオンとエッチ
ング抑制領域を形成するエッチングガスにより前記被エ
ッチング材にドライエッチングを施す工程を含むことを
特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】被エッチング材にイオン注入して前記被
エッチング材表面からの深さが異なる複数のイオン濃度
ピーク領域を形成する工程と、前記イオン濃度ピーク領
域でイオンとエッチング抑制領域を形成するエッチング
ガスにより前記被エッチング材をドライエッチングし段
差パターンを形成する工程を含むことを特徴とするパタ
ーン形成方法。
【請求項３】前記被エッチング材が化合物半導体基板
上に形成されたシリコンまたはその化合物の薄膜であ
り、前記注入されるイオンがＧａまたはＩｎであり、前
記エッチングガスがＦを含むガスであることを特徴とす
る請求項１又は２に記載のパターン形成方法。
【請求項４】化合物半導体基板上にシリコンまたはそ
の化合物の薄膜を形成する工程と、集束したＧａまたは
Ｉｎからなるイオンビームを前記薄膜に選択的に注入す
る工程と、イオン注入されたＧａまたはＩｎと反応して
エッチング抑制領域を形成するＦを含むエッチングガス
を用いたドライエッチングにより前記薄膜にそのイオン
注入された部分に生じるエッチング抑制領域をマスクと
して選択的にエッチングを施す工程と、前記エッチング
により形成されたシリコンまたはその化合物薄膜をマス
クとして前記化合物半導体基板にドライエッチングを施
す工程と、前記エッチングされた化合物半導体基板上に
結晶成長を施す工程を具備することを特徴とする半導体
素子の製造方法。
【請求項５】前記各工程間の移送を減圧雰囲気中で施
すことを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の製造
方法。