JP3258853B2 - Method of forming fine pattern and fine periodic pattern - Google Patents

Method of forming fine pattern and fine periodic pattern

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は微細パターンおよび微細
周期的パターンの形成方法に関する。
The present invention relates to a method for forming a fine pattern and a fine periodic pattern.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体装置を高性能化する手法として微
細パターンの形成技術が重要である。たとえば、トラン
ジスタの特性を向上させるために量子細線や量子箱を形
成することが提案されている。
2. Description of the Related Art A technique for forming a fine pattern is important as a technique for improving the performance of a semiconductor device. For example, it has been proposed to form a quantum wire or quantum box in order to improve the characteristics of a transistor.

【0003】図5は従来の微細パターンの形成方法の第
1の例を示す工程図である。この微細パターンの形成方
法は、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.33 (1994) pp.919 -924 Pa
rt 1,No.1B,January 1994に報告されている。
FIG. 5 is a process chart showing a first example of a conventional method for forming a fine pattern. The method of forming this fine pattern is described in Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33 (1994) pp. 919 -924 Pa
rt 1, No. 1B, January 1994.

【0004】まず、図5(a)に示すように、面方位
(100)の結晶成長面を有するInP基板21上にス
ピンコート法によりポジレジストを塗布し、波長488
nmのArイオンレーザを光源として用いる干渉露光法
によってポジレジストを周期的に露光する。それによ
り、〈0 1 -1〉方向に平行なストライプ状のポジレジス
ト22のパターンが形成される。ポジレジスト22のパ
ターンの周期は1μmに設定する。
First, as shown in FIG. 5A, a positive resist is applied by spin coating on an InP substrate 21 having a crystal growth plane of (100) plane orientation, and a wavelength of 488 is applied.
The positive resist is periodically exposed by an interference exposure method using an Ar ion laser of nm as a light source. Thereby, a pattern of the stripe-shaped positive resist 22 parallel to the <01-1> direction is formed. The period of the pattern of the positive resist 22 is set to 1 μm.

【0005】図5(b)に示すように、塩酸、酢酸およ
び過酸化水素の1:2:1の混合液(15℃)を用いて
InP基板21をエッチングし、断面三角形状のV溝2
3を形成する。V溝23の内面は、表面処理法により
(111)面および(211)面の2種類に形成され
る。その後、図5(c)に示すように、選択MBE成長
法(分子線エピタキシャル成長法)によりV溝23中に
InGaAs量子細線を形成する。
[0005] As shown in FIG. 5 (b), the InP substrate 21 is etched using a mixture of hydrochloric acid, acetic acid and hydrogen peroxide (15 ° C.) at a ratio of 1: 2: 1 to form a V-shaped groove 2 having a triangular cross section.
Form 3 The inner surface of the V-groove 23 is formed into two types, a (111) plane and a (211) plane, by a surface treatment method. Thereafter, as shown in FIG. 5C, an InGaAs quantum wire is formed in the V groove 23 by a selective MBE growth method (molecular beam epitaxial growth method).

【0006】図6は従来の微細パターンの形成方法の第
2の例を示す工程断面図である。この微細パターンの形
成方法は、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.32 (1993) pp.6224-62
27 Part 1,No.12B,December 1993に報告されている。
FIG. 6 is a process sectional view showing a second example of the conventional fine pattern forming method. The method of forming this fine pattern is described in Jpn.J.Appl.Phys.Vol.32 (1993) pp.6224-62.
27 Part 1, No. 12B, December 1993.

【0007】まず、図6(a)に示すように、電子線露
光および湿式化学エッチングにより、GaAs基板31
にV形溝32を形成する。V形溝32の幅および深さは
いずれも40〜60nmである。その後、図6(b)に
示すように、MOCVD法(有機金属化学的気相成長
法)により、V形溝32内にAlAs層33を成長させ
る。このとき、(001)面および(110)面と(1
11)面との成長速度の違いにより、断面矩形の溝34
が形成される。この溝34の幅は20nmである。
First, as shown in FIG. 6A, a GaAs substrate 31 is formed by electron beam exposure and wet chemical etching.
A V-shaped groove 32 is formed on the substrate. Each of the width and the depth of the V-shaped groove 32 is 40 to 60 nm. Thereafter, as shown in FIG. 6B, an AlAs layer 33 is grown in the V-shaped groove 32 by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). At this time, the (001) plane, the (110) plane, and the (1) plane
11) Due to the difference in growth rate from the surface, the groove 34 having a rectangular section
Is formed. The width of the groove 34 is 20 nm.

【0008】その後、図6(c)に示すように、溝34
内にGaAs線35を形成し、図6(d)に示すよう
に、AlAs層33上およびGaAs線35上にAlA
sまたはAlGaAsカバー層36を形成する。このよ
うにして、幅20nm程度のGaAs/AlAs溝埋込
み量子細線が形成される。
[0008] Thereafter, as shown in FIG.
A GaAs line 35 is formed in the inside, and an AlA layer is formed on the AlAs layer 33 and the GaAs line 35 as shown in FIG.
An s or AlGaAs cover layer 36 is formed. In this way, a GaAs / AlAs trench buried quantum wire having a width of about 20 nm is formed.

【0009】一方、単一波長での発振を目的として活性
層近傍に回折格子を設けた分布帰還型半導体レーザ装置
が開発されている。この分布帰還型半導体レーザ装置に
おいては、回折格子でのブラッグ反射を利用して発振光
の単色性を向上させている。
On the other hand, a distributed feedback semiconductor laser device having a diffraction grating provided near an active layer for the purpose of oscillating at a single wavelength has been developed. In this distributed feedback semiconductor laser device, the monochromaticity of the oscillating light is improved by utilizing the Bragg reflection on the diffraction grating.

【0010】このような回折格子では、ブラッグ反射を
起こすために発振波長λと回折格子の周期Λとの間に次
式の関係が必要となる。 Λ=m・λ/(2・ne ) …(1) ここで、mは正の整数、ne は半導体レーザ装置内部の
等価屈折率である。上式(1)において、m=1の場合
を1次の回折格子と呼び、m=2の場合を2次の回折格
子と呼び、2次の回折格子の周期は1次の回折格子の2
倍となる。このように、1次から高次の回折格子が存在
するが、ブラッグ反射率は回折格子の次数が低いほど高
くなる。したがって、1次の回折格子を形成することが
最も望ましい。
In such a diffraction grating, the following relationship is required between the oscillation wavelength λ and the period の of the diffraction grating to cause Bragg reflection. Λ = m · λ / (2 · ne ) (1) where m is a positive integer, and ne is an equivalent refractive index inside the semiconductor laser device. In the above equation (1), the case where m = 1 is called a first-order diffraction grating, and the case where m = 2 is called a second-order diffraction grating, and the period of the second-order diffraction grating is 2 times that of the first-order diffraction grating.
Double. As described above, there are first to higher order diffraction gratings, but the Bragg reflectance increases as the order of the diffraction grating decreases. Therefore, it is most desirable to form a first-order diffraction grating.

【0011】図7は分布帰還型半導体レーザ装置におけ
る従来の回折格子の形成方法を示す工程断面図である。
この回折格子の形成方法は、ELECTRONICS LETTERS 7th
July1988 Vol.24,No.14,pp.842-843 に報告されてい
る。
FIG. 7 is a process sectional view showing a conventional method of forming a diffraction grating in a distributed feedback semiconductor laser device.
The method of forming this diffraction grating is ELECTRONICS LETTERS 7th
July1988 Vol.24, No.14, pp.842-843.

【0012】図7(a)に示すように、GaAs基板4
1上にスピンコート法によりフォトレジスト膜を塗布
し、波長325nmのHe−Cdレーザを用いた干渉露
光法によりフォトレジスト膜を周期的に露光する。それ
により、フォトレジスト42からなる回折格子が形成さ
れる。この回折格子の周期は、分布帰還型半導体レーザ
装置における2次の回折格子の周期240nmとする。
As shown in FIG. 7A, a GaAs substrate 4
A photoresist film is applied on the substrate 1 by a spin coating method, and the photoresist film is periodically exposed by an interference exposure method using a 325 nm wavelength He-Cd laser. Thus, a diffraction grating made of the photoresist 42 is formed. The period of the diffraction grating is 240 nm, which is the period of the secondary diffraction grating in the distributed feedback semiconductor laser device.

【0013】次に、図7(b)に示すように、ECR−
CVD法(電子サイクロトロン共鳴化学的気相成長法)
により、GaAs基板41上にシリコン窒化膜(SiN
X 膜)43を形成する。
Next, as shown in FIG.
CVD (Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition)
To form a silicon nitride film (SiN) on the GaAs substrate 41
X film) 43 is formed.

【0014】その後、図7(c)に示すように、緩衝フ
ッ酸を用いてフォトレジスト42の上部および近傍のシ
リコン窒化膜43を選択的にエッチングする。それによ
り、フォトレジスト42およびシリコン窒化膜43から
なる周期的なマスクが形成される。そのマスクの周期
は、図7(a)の工程で形成されたフォトレジスト42
からなる回折格子の周期の2分の1である。
Thereafter, as shown in FIG. 7C, the silicon nitride film 43 on and near the photoresist 42 is selectively etched using buffered hydrofluoric acid. Thus, a periodic mask including the photoresist 42 and the silicon nitride film 43 is formed. The period of the mask is the same as that of the photoresist 42 formed in the process of FIG.
周期 of the period of the diffraction grating composed of

【0015】最後に、図7(d)に示すように、フォト
レジスト42およびシリコン窒化膜43をマスクとして
GaAs基板41をエッチングして溝44を形成した
後、フォトレジスト42およびシリコン窒化膜43を除
去する。それにより、GaAs基板41上に周期120
nmの1次の回折格子が作製される。
Finally, as shown in FIG. 7D, after the GaAs substrate 41 is etched using the photoresist 42 and the silicon nitride film 43 as a mask to form a groove 44, the photoresist 42 and the silicon nitride film 43 are removed. Remove. As a result, the period 120 on the GaAs substrate 41 is obtained.
A first order diffraction grating of nm is produced.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】図5に示した従来の微
細パターンの形成方法では、干渉露光法を用いてInP
基板21上に周期1μmのV溝23を形成している。干
渉露光法を用いた場合、最小パターン寸法に限界があ
る。
In the conventional method for forming a fine pattern shown in FIG. 5, an InP is formed by using an interference exposure method.
A V groove 23 having a period of 1 μm is formed on a substrate 21. When the interference exposure method is used, there is a limit to the minimum pattern size.

【0017】たとえば、2光束干渉露光法を用いて周期
的な溝を形成する場合、溝の周期Λ 0 は次式の関係を満
足する。 Λ0 =λ0 /2n・sinθ …(2) ここで、λ0 はレーザ光源の波長、θは2光束の交差
角、nは試料面(レジスト膜)の上方空間媒質の屈折率
である。
For example, a cycle using a two-beam interference exposure method
When forming a typical groove, the groove period Λ 0Satisfies the relationship
Add. Λ0= Λ0/ 2n · sin θ (2) where λ0Is the wavelength of the laser light source, θ is the intersection of the two light beams
Angle, n is the refractive index of the space medium above the sample surface (resist film)
It is.

【0018】上式(2)から溝の周期Λ0 はレーザ光源
の波長λ0 の1/2が限界となる。したがって、レーザ
光源として波長488nmのArレーザを用いた場合に
は、溝の周期Λ0 は244nmが限界となる。したがっ
て、通常のエッジング方法では、V溝23の幅を量子細
線等に用いられる数十nm程度以下に形成することは困
難である。
From the above equation (2), the groove period Λ 0 is limited to が of the wavelength λ 0 of the laser light source. Therefore, when an Ar laser having a wavelength of 488 nm is used as the laser light source, the groove period Λ 0 is limited to 244 nm. Therefore, it is difficult to form the V-groove 23 to a width of about several tens nm or less used for a quantum wire or the like by a normal edging method.

【0019】また、図6に示した従来の微細パターンの
形成方法では、MOCVD法により面方位による成長速
度の違いを利用して幅20nmの断面矩形の溝34を形
成している。そのため、この方法では、溝34の形成の
ために複雑な結晶成長の制御が必要となる。
In the conventional method for forming a fine pattern shown in FIG. 6, a groove 34 having a rectangular cross section with a width of 20 nm is formed by MOCVD utilizing the difference in growth rate depending on the plane orientation. Therefore, in this method, complicated crystal growth control is required for forming the groove 34.

【0020】このように、従来のフォトリソグラフィ技
術では、数十nm程度以下の微細パターンを精度良く形
成することは困難である。さらに、図7に示した従来の
回折格子の形成方法では、図7(c)の工程でフォトレ
ジスト42の上部および近傍のシリコン窒化膜43を選
択的にエッチングすることにより、図7(c)の工程で
形成されたフォトレジスト42の回折格子の半分の周期
を有するマスクを形成している。しかしながら、フォト
レジスト42の上部に堆積されたシリコン窒化膜43と
GaAs基板11上に堆積されたシリコン窒化膜43の
組成の相違および緩衝フッ酸を用いたエッチング速度の
相違が明らかでない。
As described above, it is difficult to form a fine pattern of about several tens of nm or less with high accuracy by the conventional photolithography technique. Further, in the conventional method of forming a diffraction grating shown in FIG. 7, by selectively etching the silicon nitride film 43 above and near the photoresist 42 in the step of FIG. A mask having a half period of the diffraction grating of the photoresist 42 formed in the step is formed. However, the difference between the composition of the silicon nitride film 43 deposited on the photoresist 42 and the silicon nitride film 43 deposited on the GaAs substrate 11 and the difference in the etching rate using buffered hydrofluoric acid are not clear.

【0021】そのため、図7(c)の工程で、GaAs
基板41上のフォトレジスト42とシリコン窒化膜43
との間隔を一定に保つことは困難である。その結果、G
aAs基板41に半分の周期を有する回折格子を均一に
形成することは容易ではない。
Therefore, GaAs is used in the step of FIG.
Photoresist 42 on substrate 41 and silicon nitride film 43
It is difficult to keep the distance between them constant. As a result, G
It is not easy to uniformly form a diffraction grating having a half period on the aAs substrate 41.

【0022】したがって、半導体レーザ装置内に周期2
40nm程度の2次の回折格子を形成することは比較的
容易であるが、周期120nm程度の1次の回折格子を
形成することは困難である。
Therefore, in the semiconductor laser device, the period 2
It is relatively easy to form a secondary diffraction grating of about 40 nm, but it is difficult to form a primary diffraction grating of about 120 nm period.

【0023】本発明の目的は、微細パターンを精度良く
かつ簡単に形成する方法を提供することである。本発明
の他の目的は、微細周期的パターンを均一にかつ簡単に
形成する方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a method for forming a fine pattern accurately and easily. Another object of the present invention is to provide a method for forming a fine periodic pattern uniformly and easily.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】本発明に係る微細パター
ンの形成方法は、下地層に上面、下面および傾斜した側
面からなる段差を形成し、段差の上面を除いて少なくと
も段差の下面にマスク材を形成した後、下地層に形成さ
れた段差の上面をエッチングすることにより下地層にマ
スク材の縁部に沿ったパターンを形成するものである。
According to a method of forming a fine pattern according to the present invention, a step having an upper surface, a lower surface and an inclined side surface is formed in an underlayer, and a mask material is formed on at least the lower surface of the step except for the upper surface of the step. after forming the, is formed in the underlying layer
The upper surface of the step is etched to form a pattern along the edge of the mask material on the underlying layer.

【0025】エッチングは、段差の上面と段差の下面と
が面一になるように行うことが好ましい。段差の下面上
にマスク材を形成した後、下地層に形成された段差の上
面及び側面をエッチングすることにより下地層にマスク
材の縁部に沿った溝を形成してもよい。
The etching is preferably performed such that the upper surface of the step and the lower surface of the step are flush. After the mask material is formed on the lower surface of the step, the upper surface of the step
A groove may be formed along the edge of the mask material in the underlayer by etching the surface and the side surface .

【0026】あるいは、段差の下面上および傾斜した側
面上にマスク材を形成した後、下地層に形成された段差
の上面をエッチングすることにより下地層にマスク材の
縁部に沿った突状を形成してもよい。
Alternatively, after a mask material is formed on the lower surface and the inclined side surface of the step, the step formed on the underlayer is formed.
May be formed on the underlayer by etching the upper surface of the mask material.

【0027】下地層は基板であってもよく、あるいは基
板上に形成されたマスク膜であってもよい。本発明に係
る微細周期的パターンの形成方法は、下地層に断面台形
状の複数の凸部が周期的に配列されてなる凹凸パターン
を形成し、複数の凸部の上面を除いて少なくとも凸部間
の凹部の底面上にマスク材を形成した後、複数の凸部を
エッチングすることにより下地層にマスク材の縁部に沿
った周期的パターンを形成するものである。
The underlayer may be a substrate or a mask film formed on the substrate. The method for forming a fine periodic pattern according to the present invention includes forming a concave / convex pattern in which a plurality of convex portions having a trapezoidal cross section are periodically arranged on an underlayer, and forming at least the convex portions except for the upper surfaces of the plurality of convex portions. After a mask material is formed on the bottom surface of the intervening concave portion, a plurality of convex portions are etched to form a periodic pattern along the edge portion of the mask material on the underlying layer.

【0028】エッチングは、複数の凸部の上面が凹部の
底面と面一になるように行うことが好ましい。
The etching is preferably performed such that the upper surfaces of the plurality of convex portions are flush with the bottom surfaces of the concave portions.

【0029】[0029]

【作用】本発明に係る微細パターンの形成方法において
は、段差の上面を除いて少なくとも段差の下面上にマス
ク材を形成した後、下地層を上面からエッチングする。
このとき、傾斜した側面上にマスク材を形成しない場合
には、同時に、傾斜した側面がエッチングされる。それ
により、下地層の段差の下面の領域と上面の領域との間
に、側面とほぼ同じ角度で傾斜した内面を有する溝が形
成される。
In the method for forming a fine pattern according to the present invention, after forming a mask material on at least the lower surface of the step except for the upper surface of the step, the underlying layer is etched from the upper surface.
At this time, when the mask material is not formed on the inclined side surface, the inclined side surface is simultaneously etched. Thereby, a groove having an inner surface inclined at substantially the same angle as the side surface is formed between the lower surface region and the upper surface region of the step of the underlayer.

【0030】また、段差の下面上および傾斜した側面上
にマスク材を形成した場合には、傾斜した側面の下部の
領域はエッチングされずに残る。それにより、下地層の
段差の下面の領域と上面の領域との間に、側面とほぼ同
じ角度で傾斜した外面を有する突状が形成される。
When a mask material is formed on the lower surface of the step and on the inclined side surface, a region below the inclined side surface remains without being etched. As a result, a protrusion having an outer surface inclined at substantially the same angle as the side surface is formed between the lower surface region and the upper surface region of the step of the underlayer.

【0031】本発明に係る微細周期的パターンの形成方
法においては、複数の凸部の上面を除いて少なくとも凸
部間の凹部の底面上にマスク材を形成した後、複数の凸
部をエッチングすることにより、下地層にマスク材の縁
部に沿った周期的なパターンが形成される。この周期的
パターンは凸部と凹部の間に形成されるので、周期的パ
ターンの周期は凹凸パターンの周期の半分となる。
In the method of forming a fine periodic pattern according to the present invention, after forming a mask material on at least the bottom surface of the concave portion between the convex portions except for the upper surface of the plural convex portions, the plural convex portions are etched. Thus, a periodic pattern is formed on the underlayer along the edge of the mask material. Since this periodic pattern is formed between the projections and the depressions, the period of the periodic pattern is half the period of the uneven pattern.

【0032】凹部と凸部の間の傾斜した側面上にマスク
材を形成しない場合には、複数の溝からなる周期的パタ
ーンが形成される。また、凹部と凸部の間の傾斜した側
面上にマスク材を形成した場合には、複数の突状からな
る周期的パターンが形成される。
When the mask material is not formed on the inclined side surface between the concave portion and the convex portion, a periodic pattern including a plurality of grooves is formed. When the mask material is formed on the inclined side surface between the concave portion and the convex portion, a periodic pattern having a plurality of protrusions is formed.

【0033】[0033]

【実施例】図1は本発明の第1の実施例における微細周
期的パターンの形成方法を示す工程断面図である。
FIG. 1 is a process sectional view showing a method of forming a fine periodic pattern according to a first embodiment of the present invention.

【0034】まず、図1(a)に示すように、面方位
(100)の結晶成長面を有するGaAs基板1上にフ
ォトレジスト膜を塗布および焼成した後、2光束干渉露
光法によりフォトレジスト膜を周期的に露光する。それ
により、〈0 1 -1〉方向に沿ったフォトレジスト2のス
トライプ状の周期的パターンを形成する。この周期的パ
ターンの周期Lは300nmとする。
First, as shown in FIG. 1A, a photoresist film is applied and baked on a GaAs substrate 1 having a crystal growth surface of (100) plane orientation, and then the photoresist film is formed by a two-beam interference exposure method. Is periodically exposed. As a result, a stripe-shaped periodic pattern of the photoresist 2 along the <01-1> direction is formed. The period L of this periodic pattern is 300 nm.

【0035】次に、図1(b)に示すように、面方位依
存性を有するエッチング液を用いてGaAs基板1を3
0nmの深さまでエッチングする。これにより、GaA
s基板1に断面逆台形の複数の凹部3が周期的に形成さ
れる。エッチング液として燐酸、過酸化水素および水の
混合液を用いる場合には、燐酸と過酸化水素の混合割合
を2:1から1:8の範囲内に設定し、過酸化水素と水
の混合割合を1:100程度に設定する。なお、エッチ
ング液として、水酸化アンモニウム、過酸化水素および
水の混合液またはブロムおよびメタノールの混合液を用
いてもよい。
Next, as shown in FIG. 1B, the GaAs substrate 1 is etched using an etchant having a plane orientation dependency.
Etch to a depth of 0 nm. Thereby, GaA
A plurality of concave portions 3 having an inverted trapezoidal cross section are periodically formed in the s substrate 1. When a mixed solution of phosphoric acid, hydrogen peroxide and water is used as an etching solution, the mixing ratio of phosphoric acid and hydrogen peroxide is set in the range of 2: 1 to 1: 8, and the mixing ratio of hydrogen peroxide and water is set. Is set to about 1: 100. Note that a mixed solution of ammonium hydroxide, hydrogen peroxide, and water or a mixed solution of bromo and methanol may be used as the etching solution.

【0036】その後、図1(c)に示すように、ECR
−CVD法により、GaAs基板1およびフォトレジス
ト2の全面にマスク材として膜厚10nmのシリコン窒
化膜(SiNX 膜)4を堆積する。ここで、段差部にお
ける傾斜した側面上のシリコン窒化膜4の被覆性は堆積
時の基板温度を調整することにより制御される。
Thereafter, as shown in FIG.
A 10 nm-thick silicon nitride film (SiN x film) 4 is deposited as a mask material on the entire surface of the GaAs substrate 1 and the photoresist 2 by the CVD method. Here, the coverage of the silicon nitride film 4 on the inclined side surface at the step portion is controlled by adjusting the substrate temperature during deposition.

【0037】たとえば、基板温度を25°Cに設定した
場合には、図1(c)に示すように、シリコン窒化膜4
は段差部の傾斜した側面上には堆積されない。堆積条件
としては、高周波出力を400Wとし、真空度を10-3
torrとし、SiH4 とN 2 の流量比を1とする。
For example, the substrate temperature was set to 25 ° C.
In this case, as shown in FIG.
Is not deposited on the inclined side surface of the step. Deposition conditions
The high frequency output is 400 W and the degree of vacuum is 10-3
Torr and SiHFourAnd N TwoIs assumed to be 1.

【0038】次に、図1(d)に示すように、GaAs
基板1をアセトンおよびレジスト剥離液に浸し、リフト
オフ工程によりフォトレジスト2およびその上のシリコ
ン窒化膜4を除去する。それにより、GaAs基板1の
凸部1aの上面が露出する。
Next, as shown in FIG.
The substrate 1 is immersed in acetone and a resist stripper, and the photoresist 2 and the silicon nitride film 4 thereon are removed by a lift-off process. Thereby, the upper surface of the convex portion 1a of the GaAs substrate 1 is exposed.

【0039】最後に、図1(e)に示すように、GaA
s基板1の露出している凸部1aを厚さ30nmエッチ
ングし、凸部1aの両方の側面の下部領域にフォトレジ
スト2の縁部に沿ったV字形状の溝5を形成する。エッ
チング液としては、上記と同様の混合割合の燐酸、過酸
化水素および水の混合液を用いる。エッチング後、シリ
コン窒化膜4を緩衝フッ酸を用いて除去する。
Finally, as shown in FIG.
The exposed convex portion 1a of the s-substrate 1 is etched to a thickness of 30 nm to form a V-shaped groove 5 along the edge of the photoresist 2 in a lower region on both side surfaces of the convex portion 1a. As the etchant, a mixture of phosphoric acid, hydrogen peroxide and water having the same mixing ratio as described above is used. After the etching, the silicon nitride film 4 is removed using buffered hydrofluoric acid.

【0040】この場合、図2に示すように、凸部1aの
両側の傾斜した側面上にシリコン窒化膜4が形成されて
いないので、凸部1aの上面および傾斜した側面が矢印
Aの方向にエッチングされる。凸部1aの上面が凹部3
の底面と同一平面になるまで厚さtだけエッチングが進
行すると、シリコン窒化膜4の縁部の下部にV字形状の
溝5が形成される。このエッチングの際には、凸部1a
の露出部が広いため、エッチング液またはエッチングガ
スの滞留の影響が少ない。したがって、溝5が均一に形
成される。
In this case, as shown in FIG. 2, since the silicon nitride film 4 is not formed on the inclined side surfaces on both sides of the convex portion 1a, the upper surface and the inclined side surface of the convex portion 1a move in the direction of arrow A. Etched. The upper surface of the convex portion 1a is the concave portion 3
When the etching proceeds by the thickness t until it becomes flush with the bottom surface of the silicon nitride film 4, a V-shaped groove 5 is formed below the edge of the silicon nitride film 4. At the time of this etching, the convex portion 1a
Has a large exposed portion, so that the influence of the stagnation of the etching solution or etching gas is small. Therefore, the groove 5 is formed uniformly.

【0041】このようにして、GaAs基板1の同一平
面上に複数の微細な溝5が周期的に形成される。溝5の
幅Wは20nmであり、深さhは15nmである。ま
た、溝5の周期L2は、図1(a)の工程で形成された
フォトレジスト2の周期的パターンの周期Lの1/2と
なり、150nmとなる。
Thus, a plurality of fine grooves 5 are periodically formed on the same plane of the GaAs substrate 1. The width W of the groove 5 is 20 nm, and the depth h is 15 nm. The period L2 of the groove 5 is 1/2 of the period L of the periodic pattern of the photoresist 2 formed in the step of FIG.

【0042】この溝5の周期的パターンを1次の回折格
子として用いることができる。このように、2次の回折
格子から1次の回折格子が形成されることになる。な
お、図1(c)の工程で、基板温度を100℃とする
と、図3に示すように、凸部1aの両側の傾斜した側面
上にもシリコン窒化膜4が形成される。この場合、図1
(e)の工程でエッチングを行うと、図3に示すよう
に、凸部1aの上面が矢印Bの方向にエッチングされ
る。このとき、凸部1aの傾斜した側面はエッチングさ
れないので、凸部1aの上面が凹部の底面と同一平面に
なるまで厚さtだけエッチングが進行すると、傾斜した
側面上のシリコン窒化膜4の下部に逆V字形状の突状7
が形成される。
The periodic pattern of the grooves 5 can be used as a primary diffraction grating. Thus, a first-order diffraction grating is formed from a second-order diffraction grating. When the substrate temperature is set to 100 ° C. in the step of FIG. 1C, as shown in FIG. 3, the silicon nitride film 4 is also formed on the inclined side surfaces on both sides of the projection 1a. In this case, FIG.
When the etching is performed in the step (e), the upper surface of the projection 1a is etched in the direction of arrow B as shown in FIG. At this time, since the inclined side surface of the convex portion 1a is not etched, the etching proceeds by the thickness t until the upper surface of the convex portion 1a becomes flush with the bottom surface of the concave portion. Inverted V-shaped projection 7
Is formed.

【0043】このようにして、GaAs基板1の同一平
面上に微細な突状7が周期的に形成される。突状7の周
期は、図1(a)の工程で形成されたフォトレジスト2
のパターンの周期Lの1/2となり、150nmとな
る。
In this way, fine projections 7 are periodically formed on the same plane of the GaAs substrate 1. The period of the protrusion 7 is the same as that of the photoresist 2 formed in the process of FIG.
Becomes 1/2 of the period L of the pattern, and becomes 150 nm.

【0044】図4は本発明の第2の実施例における微細
周期的パターンの形成方法を示す工程断面図である。ま
ず、図4(a)に示すように、面方位(100)の結晶
成長面を有するGaAs基板11上に、電子ビーム蒸着
法により膜厚40nmのSiO2 膜12を形成する。そ
して、SiO2 膜12上にフォトレジスト膜を塗布およ
び焼成した後、干渉露光法によりフォトレジスト膜をス
トライプ状の周期的に露光する。それにより、〈01 -
1 〉方向に沿ったフォトレジスト13の周期的パターン
が形成される。現像後のフォトレジスト13の膜厚は7
0nm程度である。フォトレジスト13の周期的パター
ンの周期Lは300nmとする。
FIG. 4 is a process sectional view showing a method of forming a fine periodic pattern according to the second embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 4A, a SiO 2 film 12 having a thickness of 40 nm is formed on a GaAs substrate 11 having a crystal growth surface of a plane orientation (100) by an electron beam evaporation method. Then, after coating and baking a photoresist film on the SiO 2 film 12, the photoresist film is periodically exposed in a stripe shape by an interference exposure method. Thereby, <01-
1> A periodic pattern of the photoresist 13 along the direction is formed. The thickness of the photoresist 13 after development is 7
It is about 0 nm. The period L of the periodic pattern of the photoresist 13 is 300 nm.

【0045】次に、図4(b)に示すように、CF4
主体としたエッチングガスを用いてRIE法(反応性イ
オンエッチング法)により、SiO2 膜12を深さ30
nmまでエッチングする。これにより、SiO2 膜12
に断面逆台形の複数の凹部14が周期的に形成される。
エッチング条件としては、圧力を5×1012torrと
し、高周波出力を80Wとし、エッチング速度を35n
m/分とする。
Next, as shown in FIG. 4B, the SiO 2 film 12 is formed to a depth of 30 by RIE (reactive ion etching) using an etching gas mainly composed of CF 4.
Etch to nm. Thereby, the SiO 2 film 12
A plurality of concave portions 14 having an inverted trapezoidal cross section are formed periodically.
The etching conditions were a pressure of 5 × 10 12 torr, a high frequency output of 80 W, and an etching rate of 35 n.
m / min.

【0046】次に、図4(c)に示すように、ECR−
CVD法により、SiO2 膜12およびフォトレジスト
13の全面に膜厚10nmのシリコン窒化膜(SiNX
膜)15を堆積する。堆積条件は、第1の実施例におけ
る図1(c)の工程の堆積条件と同様である。
Next, as shown in FIG.
By a CVD method, a 10-nm-thick silicon nitride film (SiN x) is formed on the entire surface of the SiO 2 film 12 and the photoresist 13.
A film 15 is deposited. The deposition conditions are the same as the deposition conditions in the step of FIG. 1C in the first embodiment.

【0047】その後、図4(d)に示すように、GaA
s基板11をアセトンおよびレジスト剥離液に浸し、リ
フトオフ工程によりフォトレジスト13およびその上の
シリコン窒化膜15を除去する。これにより、SiO2
膜12の凸部12aの上面が露出する。
Thereafter, as shown in FIG.
The substrate 11 is immersed in acetone and a resist stripper, and the photoresist 13 and the silicon nitride film 15 thereon are removed by a lift-off process. Thereby, SiO 2
The upper surface of the projection 12a of the film 12 is exposed.

【0048】次に、図4(e)に示すように、CF4
よびO2 を主体としたエッチングガスを用いてSiO2
膜12およびシリコン窒化膜15の全面エッチングを行
う。この場合、SiO2 膜12およびシリコン窒化膜1
5のエッチング速度の比が3:1程度となる条件でエッ
チングを行う。それにより、SiO2 膜12の凸部12
aの側面の下部の領域に溝16が形成される。
Next, as shown in FIG. 4 (e), SiO 2 by using an etching gas mainly composed of CF 4 and O 2
The entire surface of the film 12 and the silicon nitride film 15 are etched. In this case, the SiO 2 film 12 and the silicon nitride film 1
Etching is performed under the condition that the ratio of the etching rates of No. 5 is about 3: 1. Thereby, the protrusions 12 of the SiO 2 film 12 are formed.
A groove 16 is formed in a lower region of the side surface of FIG.

【0049】次に、図4(f)に示すように、SiO2
膜12に形成された溝16を通してGaAs基板11を
エッチングする。これにより、GaAs基板11にV字
形状の溝17が形成されている。形成される。エッチン
グ液としては、第1の実施例と同様の混合割合の燐酸、
過酸化水素および水の混合液を用い、30nmエッチン
グする。エッチング後、SiO2 膜12およびシリコン
窒化膜15を緩衝フッ酸を用いて除去する。
Next, as shown in FIG. 4 (f), SiO 2
The GaAs substrate 11 is etched through the grooves 16 formed in the film 12. Thus, a V-shaped groove 17 is formed in the GaAs substrate 11. It is formed. As the etchant, phosphoric acid having the same mixing ratio as in the first embodiment,
30 nm is etched using a mixed solution of hydrogen peroxide and water. After the etching, the SiO 2 film 12 and the silicon nitride film 15 are removed using buffered hydrofluoric acid.

【0050】このようにして、GaAs基板11の同一
平面上に微細な溝17が周期的に形成される。溝17の
幅Wは20nmであり、深さhは15nmである。ま
た、溝17の周期L2は、図4(a)の工程で形成され
たフォトレジスト13の周期的パターンの周期Lの1/
2となり、150nmとなる。
Thus, fine grooves 17 are periodically formed on the same plane of the GaAs substrate 11. The width W of the groove 17 is 20 nm, and the depth h is 15 nm. The period L2 of the groove 17 is 1/1/3 of the period L of the periodic pattern of the photoresist 13 formed in the step of FIG.
2, which is 150 nm.

【0051】この溝17の周期的パターンを1次の回折
格子として用いることができる。このように、2次の回
折格子から1次の回折格子が形成されることになる。第
1および第2の実施例の微細周期的パターンの形成方法
によれば、フォトリソグラフィ技術の最小パターン寸法
の限界以下の微細なパターンを形成することが可能とな
る。したがって、量子細線や量子箱に要求される数十n
m程度以下の微細なパターンを精度良くかつ簡単に形成
することができる。
The periodic pattern of the grooves 17 can be used as a first-order diffraction grating. Thus, a first-order diffraction grating is formed from a second-order diffraction grating. According to the method of forming a fine periodic pattern according to the first and second embodiments, it is possible to form a fine pattern having a size equal to or smaller than a limit of a minimum pattern size of the photolithography technique. Therefore, several tens n required for quantum wires and quantum boxes
A fine pattern of about m or less can be accurately and easily formed.

【0052】また、第1および第2の実施例の微細周期
的パターンの形成方法によれば、2次の回折格子に基づ
いて1次の回折格子を均一にかつ簡単に形成することが
できる。したがって、この微細周期的パターンの形成方
法を分布帰還型半導体レーザ装置や分布反射型半導体レ
ーザ装置に応用することにより、しきい値電流、外部微
分効率等の特性の向上を図ることができる。
Further, according to the method for forming a fine periodic pattern of the first and second embodiments, the primary diffraction grating can be formed uniformly and easily based on the secondary diffraction grating. Therefore, by applying this method of forming a fine periodic pattern to a distributed feedback semiconductor laser device or a distributed reflection semiconductor laser device, characteristics such as threshold current and external differential efficiency can be improved.

【0053】第1および第2の実施例によれば、GaA
s基板上の各凸部の両側に幅20nm程度の微細なパタ
ーンが得られるので、周期100nm程度の1次の回折
格子を形成することも十分可能になる。
According to the first and second embodiments, GaAs
Since a fine pattern with a width of about 20 nm can be obtained on both sides of each convex portion on the s substrate, it is possible to form a primary diffraction grating with a period of about 100 nm.

【0054】なお、第1および第2の実施例ではGaA
s基板を用いているが、GaAs基板の代わりに、Al
GaAs、InP、Si、Ge等の他の半導体結晶から
なる基板、あるいはLiNbO3 等の誘電体結晶からな
る基板を用いることもできる。
In the first and second embodiments, GaAs is used.
s substrate is used, but instead of the GaAs substrate, Al
A substrate made of another semiconductor crystal such as GaAs, InP, Si, Ge or a substrate made of a dielectric crystal such as LiNbO 3 can also be used.

【0055】また、第1の実施例では、下地層がGaA
s基板1であり、第2の実施例では、下地層がGaAs
基板11上に形成されたSiO2 膜12である場合を説
明したが、下地層が半導体層であってもよい。
In the first embodiment, the underlayer is made of GaAs.
In the second embodiment, the underlayer is made of GaAs.
Although the case where the SiO 2 film 12 is formed on the substrate 11 has been described, the underlying layer may be a semiconductor layer.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、微細パタ
ーンを精度良くかつ簡単に形成することが可能となる。
特に、傾斜した側面上にマスク材を形成しない場合に
は、微細な溝を形成することができる。また、傾斜した
側面上にマスク材を形成した場合には、微細な突状を形
成することができる。
As described above, according to the present invention, a fine pattern can be formed accurately and easily.
In particular, when the mask material is not formed on the inclined side surface, a fine groove can be formed. When a mask material is formed on the inclined side surface, a fine projection can be formed.

【0057】さらに、本発明によれば、周期的な凹凸パ
ターンの半分の周期を有する周期的パターンを均一にか
つ簡単に形成することができる。
Further, according to the present invention, a periodic pattern having a half period of the periodic uneven pattern can be uniformly and easily formed.

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

【図1】本発明の第1の実施例における微細周期的パタ
ーンの形成方法を示す工程断面図である。
FIG. 1 is a process sectional view showing a method for forming a fine periodic pattern according to a first embodiment of the present invention.

【図2】V字形状の溝の形成過程を示す図である。FIG. 2 is a view showing a process of forming a V-shaped groove.

【図3】逆V字形状の突状の形成過程を示す図である。FIG. 3 is a view showing a process of forming an inverted V-shaped protrusion;

【図4】本発明の第2の実施例における微細周期的パタ
ーンの形成方法を示す工程断面図である。
FIG. 4 is a process sectional view showing a method for forming a fine periodic pattern in a second embodiment of the present invention.

【図5】従来の微細パターンの形成方法の第1の例を示
す工程断面図である。
FIG. 5 is a process cross-sectional view showing a first example of a conventional method for forming a fine pattern.

【図6】従来の微細パターンの形成方法の第2の例を示
す工程断面図である。
FIG. 6 is a process cross-sectional view showing a second example of a conventional method for forming a fine pattern.

【図7】従来の回折格子の形成方法を示す工程断面図で
ある。
FIG. 7 is a process sectional view showing a conventional diffraction grating forming method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,11 GaAs基板 1a,12a 凸部 2,13 フォトレジスト 3,14 凹部 4,15 窒化シリコン膜 5,16,17 溝 7 突状 12 SiO2 1,11 GaAs substrate 1a, 12a convex part 2,13 photoresist 3,14 concave part 4,15 silicon nitride film 5,16,17 groove 7 protruding 12 SiO 2 film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−268357(JP,A) 特開 昭60−206138(JP,A) 特開 平2−295122(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) References JP-A-3-268357 (JP, A) JP-A-60-206138 (JP, A) JP-A-2-295122 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/3065

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 下地層に上面、下面および傾斜した側面
からなる段差を形成し、前記段差の上面を除いて少なく
とも前記段差の下面にマスク材を形成した後、前記下地
に形成された前記段差の上面をエッチングすることに
より前記下地層に前記マスク材の縁部に沿ったパターン
を形成することを特徴とする微細パターンの形成方法。
1. A step having an upper surface, a lower surface, and an inclined side surface is formed in an underlayer, and a mask material is formed on at least the lower surface of the step except for the upper surface of the step, and then the mask formed on the underlayer is formed. A method of forming a fine pattern, comprising: forming a pattern along an edge of the mask material on the underlayer by etching an upper surface of a step .
【請求項2】 前記段差の下面上にマスク材を形成した
後、前記下地層に形成された前記段差の上面及び側面
エッチングすることにより前記下地層に前記マスク材の
縁部に沿った溝を形成することを特徴とする請求項1記
載の微細パターンの形成方法。
2. After forming a mask material on the lower surface of the step, the upper surface and the side surface of the step formed on the base layer are etched to form a groove along the edge of the mask material in the base layer. The method for forming a fine pattern according to claim 1, wherein
【請求項3】 前記段差の下面上および前記傾斜した側
面上にマスク材を形成した後、前記下地層に形成された
前記段差の上面をエッチングすることにより前記下地層
に前記マスク材の縁部に沿った突状を形成することを特
徴とする請求項1記載の微細パターンの形成方法。
Forming a mask material on the lower surface of the step and on the inclined side surface, and then forming the mask material on the underlayer ;
2. The method for forming a fine pattern according to claim 1, wherein an upper surface of the step is etched to form a protrusion on the underlayer along an edge of the mask material.
【請求項4】 下地層に断面台形状の複数の凸部が周期
的に配列されてなる凹凸パターンを形成し、前記複数の
凸部の上面を除いて少なくとも凸部間の凹部の底面上に
マスク材を形成した後、前記複数の凸部をエッチングす
ることにより前記下地層に前記マスク材の縁部に沿った
周期的パターンを形成することを特徴とする微細周期的
パターンの形成方法。
4. An uneven pattern in which a plurality of convex portions having a trapezoidal cross section are periodically arranged on an underlayer, and at least on the bottom surface of the concave portion between the convex portions except for the upper surface of the plurality of convex portions. A method for forming a fine periodic pattern, comprising: forming a periodic pattern along an edge of the mask material on the underlayer by etching the plurality of protrusions after forming the mask material.
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