JP3293647B2

JP3293647B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3293647B2
Application number: JP05398892A
Authority: JP
Inventors: 愼一田中
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 2002-06-17
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JPH05259130A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微細加工が困難な高性
能半導体装置の加工を容易にする製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料の選択は、半導体装置の高性
能化を図る上で重要な鍵の一つとなっており、従来の半
導体装置へ新しい異種材料を導入する試みがなされてい
る。シリコン半導体装置へのシリコン・ゲルマニウム混
晶（Ｓｉ_XＧｅ_1-X）の導入や、ガリウム砒素（ＧａＡ
ｓ）半導体装置へのインジウムガリウム砒素混晶（Ｉｎ
_XＧａ_1-XＡｓ）やゲルマニウム（Ｇｅ）の導入など数
多くの例があるが、これら新材料の導入が、キャリア輸
送の改善や寄生抵抗の低減など最近の高性能半導体装置
の性能向上において果す役割はきわめて大きい。一方、
異種材料の導入であるため材料加工特性の変化も考慮に
入れる必要があり、材料の特性を充分活用するために新
たな製造工程を開発する必要がある。その際、なるべく
従来の半導体製造装置を用いることにより製造コストを
抑えることが望ましい。

【０００３】図８から図１０を用いて、上記のような新
材料を導入した半導体装置製造方法の従来例としてヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の製造工程を
説明する。

【０００４】図８（ａ）において、半絶縁性ＧａＡｓ基
板ウエハ１の上に、ＭＢＥによりｎ⁺−ＧａＡｓ（シリ
コン不純物ドーピング濃度：５×１０¹⁸ｃｍ^-3）からな
る厚み５０００オングストロームのサブコレクタ層２、
ｎ^-−ＧａＡｓ（シリコン不純物ドーピング濃度：５×
１０¹⁶ｃｍ^-3）からなる厚み５０００オングストローム
のコレクタ層３、ｐ⁺−ＧａＡｓ（ベリリウム不純物ド
ーピング濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3）からなる厚み１００
０オングストロームのベース層４、Ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ
_0.7Ａｓ（シリコン不純物ドーピング濃度：５×１０¹⁷
ｃｍ^-3）からなる厚み２５００オングストロームのエミ
ッタ層５３、ｎ⁺−ＧａＡｓ（シリコン不純物ドーピン
グ濃度：５×１０¹⁸ｃｍ^-3）からなる厚み１５００オン
グストロームの高濃度エミッタ層５２、さらにｎ⁺−Ｉ
ｎ_XＧａ_1-XＡｓ（シリコン不純物ドーピング濃度：２
×１０¹⁹ｃｍ^-3）からなる厚み１０００オングストロー
ムのエミッタコンタクト層５２を順次成長している。最
後のエミッタコンタクト層５１において、ＩｎＡｓ組成
Ｘは結晶の成長に従い０から０．５に変化している。次
にスパッタ蒸着によりウエハ上に２０００オングストロ
ームの耐熱性電極材ＷＳｉを成膜・加工し、ノンアロイ
型エミッタ電極６ｅを形成する。

【０００５】Ｉｎ_XＧａ_1-XＡｓ混晶（以下ＩｎＧａＡ
ｓと略す）は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴのエミ
ッタ抵抗を低減することを目的として導入され、シリコ
ンなどのｎ型不純物の固溶限界濃度がＧａＡｓよりも高
い上、ショットキー障壁高さがＧａＡｓよりも低いこと
が特徴である。従ってＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト
層導入以前のｎ⁺−ＧａＡｓ高濃度エミッタ層へのアロ
イ型電極と比較して、熱的安定性、接触抵抗とも優れて
いる。

【０００６】次に、図８（ｂ）において、ベース層４を
露出するために、燐酸、過酸化水素水、水からなるエッ
チング液を用い、エミッタ電極６ｅをマスクとしてエミ
ッタの各層５１，５２，５３をエッチングする。しかし
ながら、エッチング液のＩｎＧａＡｓに対するエッチン
グ速度がＧａＡｓやＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ（以下ＡｌＧ
ａＡｓと略す）に対するエッチング速度よりも早いこ
と、エミッタ電極とＩｎＧａＡｓ層との密着性が弱いこ
との理由から、横方向からのエッチングが進み、エミッ
タ電極とＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層との接触面
積が減少しエミッタ抵抗がかえって増大する結果とな
る。そこで図９（ａ）〜（ｃ）において、エミッタ電極
の有効接触面積を減少させないようにドライエッチング
を用いたＨＢＴ製造工程の従来例を示す。

【０００７】図９（ａ）において、図８に示した従来例
と同様にＧａＡｓ基板上に成長したＨＢＴの結晶層の上
にタングステンシリサイド（ＷＳｉ）からなるエミッタ
電極６ｅを形成する。次に図９（ｂ）において、エミッ
タ電極６ｅをマスクとしてアルゴン（Ａｒ）ガス・イオ
ンミリング装置でＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層を
エッチング（図中８ｐ）する。次に図９（ｃ）におい
て、電子サイクロトン共鳴（ＥＣＲ）によりプラズマ室
で発生した塩素（Ｃｌ₂）の活性化イオン（ラジカル）
を４００ボルトの引出し電圧で加速して半導体基板に照
射する反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）装置
を用い、残るＧａＡｓ高濃度エミッタ層５２とＡｌＧａ
Ａｓエミッタ層５３を連続エッチング（図中８ｃ）して
ベース層４を露出する。以上のようにドライエッチング
を用いることにより、電極に対する横方向エッチングの
殆どない精度の高い微細加工が可能になり、従ってＩｎ
ＧａＡｓエミッタコンタクト層の有効性が失われない。

【０００８】上記の従来例において、ＩｎＧａＡｓエミ
ッタコンタクト層５１をエッチングにイオンミリングを
用いたのは、ＲＩＢＥのようにラジカルによる化学反応
的なエッチングを主要なエッチング機構とするエッチン
グではＩｎＧａＡｓ層がエッチングされないためであ
る。すなわち、上記の例では塩素のラジカルがＩｎＧａ
Ａｓと反応生成する物質の中でＩｎＣｌ_Xは、ＧａＣｌ
_Xなどと比較して高い沸点を有するため表面堆積したＩ
ｎＣｌ_Xがエッチングの進行を妨げることが知られてい
る。一方、イオンミリングは構成元素を物理的にスパッ
タリングする物理的エッチングであるので、ＩｎＧａＡ
ｓのようなインジウム化合物もエッチングが可能であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、イオン
ミリングのような物理的エッチングには、化学反応エッ
チングにはないエッチング特性があるために、上記のよ
うな適用の仕方は必ずしも半導体装置の微細加工には適
していない。図１０を用いて物理的エッチングに見られ
るマスク周辺の異常エッチング効果を説明する。図にお
いて、図９と同様の半導体基板の上に電極６ｅを設け
て、イオンミリング法によりアルゴンイオンビーム（図
中８ｐ）を基板に対して垂直に照射する。現実のエッチ
ングマスク（この場合電極６ｅ）は、マスク側面がマス
ク面との間になす角度θ（図中１０）はθ＝９０°では
なくθ＜９０°であるために、イオンビームの中でマス
ク側面に入射した成分（図中８ｒ）はマスク側面で反射
されエッチングマスク近傍の半導体基板に衝突する。そ
の結果、エッチングマスク周囲には側面から反射された
イオンビームと直接入射したイオンビームの両成分が照
射され、マスクから離れた場所よりもエッチング速度が
速くなる。その結果マスク周囲に溝（図中９）の生じる
現象が、物理的エッチングに特有の異常エッチング効果
である。

【００１０】図９に示した上記従来例では、始めにイオ
ンミリングを用いているために、その後異常エッチング
効果のない化学反応エッチングを用いたとしてもマスク
周囲の溝はそのまま残ってしまう。図９（ｃ）におい
て、化学反応エッチングでベース層露出を完了した段階
では、エミッタ周囲のベース層が薄くなり、ベース抵抗
の増大、あるいはベース層切断という事態を来たす（図
中の９）。

【００１１】本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
半導体装置の特定の半導体層に対して物理的なエッチン
グを行っても半導体装置の性能や信頼性を劣化させるこ
とがなく、またコストの上がらない、半導体装置の製造
方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に少なくとも三層の半導体層が積層された半導体装置で
あり、上層から順に第１の半導体層、第２の半導体層お
よび第３の半導体層の各半導体層を含む半導体装置の製
造工程において、エッチングイオンの運動エネルギーに
より半導体構成元素を脱離させる物理的エッチングを主
要なエッチング機構とする第１のエッチングを用いて、
前記第１の半導体層を除去する工程と、次いでエッチン
グイオンと半導体構成元素との反応生成物を脱離させる
化学反応エッチングが前記第１のエッチングと比較して
主要なエッチング機構であり、かつ前記第３の半導体層
に対して前記第２の半導体層を選択的にエッチングする
第２のエッチングを用いて、前記第３の半導体層を全面
的に露出させる工程とを含むことを特徴とする。

【００１３】また本発明は、半導体基板上に少なくとも
二層の半導体層が積層された半導体装置であり、上層か
ら順に第１の半導体層、第２の半導体層の各半導体層を
含む半導体装置の製造工程において、前記第１の半導体
層にエッチングマスクを設け、エッチングイオンの運動
エネルギーにより半導体構成元素を脱離させる物理的エ
ッチングを主要なエッチング機構とする第１のエッチン
グを用いて前記エッチングマスクを設けた部分以外の第
１の半導体層を厚さ方向に一部除去する工程と、次いで
前記除去して残る第１の半導体層を前記第２の半導体層
に対して選択的に除去する湿式エッチングを用いて、前
記第２の半導体層のうち前記エッチングマスクを設けた
部分以外を全面的に露出する工程とを含むことを特徴と
する。

【００１４】

【作用】物理的なエッチングを行った半導体表面を化学
反応的にエッチングし、エッチングを一定の半導体層で
自動停止させるので、物理的エッチングで生じたマスク
周囲の溝を取り除くことが可能になる。化学反応的なド
ライエッチングが困難な半導体層を含む半導体装置も、
従来の物理的および化学反応的なエッチング装置を組み
合わせて加工できるので安価なコストで、高性能半導体
装置の製造が可能になる。

【００１５】

【実施例】図１，図２を用いて本発明の第１の実施例を
示す。

【００１６】図１（ａ），（ｂ）に関しては図９
（ａ），（ｂ）と全く同じである。本発明の実施例で
は、イオンミリングによりＩｎＧａＡｓエミッタコンタ
クト層５１を物理的にエッチング（図中８ｐ）した後、
図１（ｃ）において高濃度ＧａＡｓエミッタ層５２をＣ
Ｃｌ₂Ｆ₂ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）により化学反応的にエッチングする（図中８ｃ）。
ＡｌＧａＡｓエミッタ層５３が表出するのはエッチング
マスク周辺の溝において最も速いが、ＡｌＧａＡｓの露
出後はＡｌＧａＡｓ表面に生じるアルミニウム弗化物の
蒸気圧が高いためエッチングが停止する。さらにエッチ
ングを続け、全面的にＡｌＧａＡｓが表出するとエミッ
タ周辺の溝は消滅する。

【００１７】次に図２（ｄ）において、エミッタ電極６
ｅとＩｎＧａＡｓエミッタ層５１、高濃度ＧａＡｓエミ
ッタ層５２に酸化硅素膜からなる側壁を形成し、燐酸、
過酸化水素水、水からなるエッチング液によりＡｌＧａ
Ａｓエミッタ層５３をエッチングしてベース層４を露出
する。このとき、エミッタ電極６ｅの周囲には溝がない
ので、ベース層４が薄くなったり、切断されることは起
きない。また、ドライエッチングで加工したＩｎＧａＡ
ｓエミッタコンタクト層は、側壁で保護されるので、ウ
ェットエッチングにより側面からエッチングされること
はない。次にエミッタ電極６ｅの上からチタン５００オ
ングストローム、白金５００オングストローム、金１０
００オングストロームという膜厚構成の金属膜を蒸着
し、ベース電極６ｂをエミッタに対して自己整合的に形
成する。

【００１８】最後に図２（ｅ）において、コレクタ層３
をエッチングしサブコレクタ層２を表出してコレクタ電
極６ｃを形成するとＨＢＴが完了する。

【００１９】上記の実施例において、ＩｎＧａＡｓエミ
ッタ層５１をエッチングする手段としてイオンミリング
を用いたが、例えばＲＩＢＥ装置にＣＣｌ₂Ｆ₂／Ａ
ｒ、Ｃｌ₂／Ａｒなど反応性ガスと不活性ガスとの混合
ガスを導入したイオンビーム・アシスト・エッチング
（ＩＢＡＥ）法を用い、ＩｎＧａＡｓ層のエッチングが
終了したら、不活性ガスの導入を停止して通常の化学反
応ドライエッチングに切り替えてもよい。この場合、同
じエッチング室の中で連続してエッチングを行える利点
がある。ＩＢＡＥ法における不活性ガスは、半導体表面
に生じた反応生成物をスパッタして除去する役割をもっ
ており、物理的エッチングに助けられた化学反応エッチ
ングである。しかし、物理的なエッチング機構を持つ以
上、マスク周辺の異常エッチングは無視できないので、
本発明の製造方法が有効になる。ドライエッチング装置
としては、ＲＩＢＥの他のＲＩＥ、マグネトロン・イオ
ン・エッチング（ＭＩＥ）などが考えられる。

【００２０】次に図３，図４を用いて、本発明第２の実
施例を説明する。

【００２１】図３（ａ）において、半絶縁性ＩｎＰ基板
ウエハ１の上に、ＭＢＥによりｎ⁺−Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47
Ａｓ（シリコン不純物ドーピング濃度：１×１０¹⁹ｃｍ
^-3、以下ＩｎＧａＡｓと略す。）からなる厚み５０００
オングストロームのサブコレクタ層２、ｎ^-−ＩｎＧａ
Ａｓ（シリコン不純物ドーピング濃度：５×１０¹⁶ｃｍ
^-3）からなる厚み５０００オングストロームのコレクタ
層３、ｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ（ベリリウム不純物ドーピン
グ濃度：２×１０¹⁹ｃｍ^-3）からなる厚み１０００オン
グストロームのベース層４、Ｎ−Ｉｎ_0.52Ａｌ_0.48Ａｓ
（シリコン不純物ドーピング濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、
以下ＩｎＡｌＡｓと略す。）からなる厚み３０００オン
グストロームのエミッタ層５２、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ
（シリコン不純物ドーピング濃度：１×１０¹⁹ｃｍ^-3）
からなる厚み２０００オングストロームの高濃度エミッ
タコンタクト層５１を順次成長し、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡ
ｓＨＢＴのエピ構造が構成されている。続いてスパッタ
蒸着によりウエハ上に２０００オングストロームの耐熱
性電極材ＷＳｉを成膜・加工し、ノンアロイ型エミッタ
電極６ｅを形成する。

【００２２】次に図３（ｂ）において、エミッタ電極６
ｅをマスクとしてアルゴン（Ａｒ）ガス・イオンミリン
グ装置でＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層５１をエッ
チングし、ＩｎＰエミッタ層５２層を露出する。

【００２３】次に図３（ｃ）において、塩酸と燐酸の混
合液を用いてＩｎＰエミッタ層５２をエッチングする。
このエッチング液はＩｎＧａＡｓをエッチングしないの
で、エミッタコンタクト層５１の側面エッチングの心配
がなく、またベース層４でエッチングは自動停止する。
従ってイオンミリングで生じた溝９はベース層４が完全
に露出した段階で消滅し、溝の影響はベース層４まで及
ばない。

【００２４】次に図４（ｄ）において、エミッタ電極６
ｅの上からチタン５００オングストローム、白金５００
オングストローム、金１０００オングストロームという
膜厚構成の金属膜を蒸着し、ベース電極６ｂをエミッタ
に対して自己整合的に形成する。

【００２５】最後に図４（ｅ）において、コレクタ層３
をエッチングしてサブコレクタ層２を表出してコレクタ
電極６ｃを形成すると、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＨＢＴ
が完了する。

【００２６】次に図５，図６を用いて、本発明第３の実
施例を説明する。図５（ａ）は図３（ａ）と同じであ
る。図５（ｂ）において、エミッタ電極６ｅをマスクと
してアルゴンガス・イオンミリング装置でＩｎＧａＡｓ
エミッタコンタクト層５１を約１５００オングストロー
ムエッチング（図中８ｐ）する。

【００２７】次に図５（ｃ）において、エミッタ電極６
ｅの周囲に酸化硅素膜からなる側壁を形成し、燐酸、過
酸化水素水、水からなるエッチング液を用いて残る約５
００オングストロームのＩｎＧａＡｓ層を除去してＩｎ
Ｐエミッタ層５２を露出する。エッチングはＩｎＰ表面
で自動停止するので、イオンミリングで生じた溝９は消
滅する。

【００２８】以下、図６（ｄ），（ｅ）においては、図
４（ｄ），（ｅ）と同様にしてＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ
ＨＢＴが完了する。

【００２９】この実施例においてＩｎＧａＡｓエミッタ
コンタクト層５１をウェットエッチングするときは、側
壁で保護されているので側面エッチングは全く入らな
い。しかし、図７（ａ）〜（ｃ）にかけて示す第４の実
施例のようにＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層５１の
大部分がドライエッチングでエッチングされる場合は、
側壁を設けないで残るＩｎＧａＡｓエミッタ層５１を短
時間ウェットエッチングしても側面エッチングは無視で
き、図５，図６に示したのと同様にＨＢＴが製造でき
る。

【００３０】上記の実施例では、物理エッチングでエッ
チングする対象はＩｎＧａＡｓであったが、これに限ら
ず、例えばＩｎＰ基板上、あるいはＧａＡｓ基板上のＩ
ｎＡｓ、またＧａＡｓ基板上のゲルマニウム（Ｇｅ）な
どでもよい。また、半導体装置としてＨＢＴを例にとっ
て本発明の実施例を説明したが、電界効果トランジスタ
（ＦＥＴ）系の半導体装置でもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明により、半導体の微細加工に用い
られている化学反応的なドライエッチングではエッチン
グが困難な半導体層を含む半導体装置でも、物理的なド
ライエッチングとエッチング選択性をもつ化学反応的ド
ライエッチングまたはウェットエッチングとを組み合わ
せることにより、精度のよい加工が容易になる。また、
従来の製造装置の組合せで加工できることから安価なコ
ストで製造可能になる。本発明により、従来エッチング
が困難であった異種半導体材料を新たに導入して半導体
装置を高性能化させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図２】第１の実施例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図３】第２の実施例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図４】第２の実施例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図５】第３の実施例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図６】第３の実施例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図７】第４の実施例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図８】従来例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図９】従来例を示すＨＢＴ製造工程図である。

【図１０】物理的エッチングの問題点を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１半導体基板２サブコレクタ層３コレクタ層４ベース層５１第１のエミッタ層５２第２のエミッタ層５３第３のエミッタ層６ｅ，６ｂ，６ｃ電極７側壁８ｐ物理的エッチングイオン８ｃ化学反応エッチングイオン８ｒマスク側面で反射したエッチングイオン９マスク周囲の溝１０エッチングマスク側面と上面のなす角度

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に少なくとも三層の半導体層
が積層された半導体装置であり、上層から順に第１の半
導体層、第２の半導体層および第３の半導体層の各半導
体層を含む半導体装置の製造工程において、エッチングイオンの運動エネルギーにより半導体構成元
素を脱離させる物理的エッチングを主要なエッチング機
構とする第１のエッチングを用いて、前記第１の半導体
層を除去する工程と、次いでエッチングイオンと半導体構成元素との反応生成
物を脱離させる化学反応エッチングが前記第１のエッチ
ングと比較して主要なエッチング機構であり、かつ前記
第３の半導体層に対して前記第２の半導体層を選択的に
エッチングする第２のエッチングを用いて、前記第３の
半導体層を全面的に露出させる工程とを含むことを特徴
とする半導体の製造方法。
【請求項２】半導体基板上に少なくとも二層の半導体層
が積層された半導体装置であり、上層から順に第１の半
導体層、第２の半導体層の各半導体層を含む半導体装置
の製造工程において、前記第１の半導体層にエッチングマスクを設け、エッチ
ングイオンの運動エネルギーにより半導体構成元素を脱
離させる物理的エッチングを主要なエッチング機構とす
る第１のエッチングを用いて前記エッチングマスクを設
けた部分以外の第１の半導体層を厚さ方向に一部除去す
る工程と、次いで前記除去して残る第１の半導体層を前記第２の半
導体層に対して選択的に除去する湿式エッチングを用い
て、前記第２の半導体層のうち前記エッチングマスクを
設けた部分以外を全面的に露出する工程とを含むことを
特徴とする半導体装置の製造方法。