JPH02183530A - 半導体素子の作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体素子の作製方法に関し、特にエツチング
方法の改良に関する。

［従来の技術］ 現在、ｓｉやＧａＡｓを始めとする半導体素子はあらゆ
る分野において広く応用されており、その多くは半導体
素子作製において何らかのパターン形成のための工程を
経ている。そして、半導体素子の高機能化に伴い、形成
されるパターンの大きさはより小さくなる傾向にある。

パターン形成の主な方法としては、高分子材料からなる
レジストをマスクとして用いるレジスト法と、レジスト
を用いないで直接半導体ウェハー表面に加工を施してい
（直接加工法とがある。

はじめにレジスト法の場合を考える。

第３図にレジスト法の代表的な工程の概略を示す。まず
、パターンを形成されるべき半導体ウェハ　（ＧａＡｓ
基板）３０１上にレジスト３０２を２００　ｎｉ厚でス
ピンコーティングする（第３図（ａ））。続いて、通常
のマスクを用いた紫外光によるレジスト露光および現像
を実施する。この工程により、半導体ウェハー上にエツ
チングされるべき部分のみに穴のあいたレジストパター
ン３０３が形成される（第３図（ｂ））。本例における
パターンの最小線幅は１．２μｍである。次に、このレ
ジスト付きの半導体ウェハーを平行平板型のプラズマエ
ツチング装置にセットし、ＣＣ１４ガスを導入する。ガ
スの圧力は約３Ｐａとし、この状態でプラズマを発生さ
せＧａＡｓ基板のエツチングを行う。エツチング深さは
０．５μｍである。この半導体ウェハーを取り出してレ
ジストを剥離することにより、所望のパターン部分３０
４をエツチングされたＧａＡｓ基板が得られる（第３図
（Ｃ））。

このようなパターンの形成方法はＧａＡｓに限らすＳｔ
素子においても広く応用されている。しかしレジスト法
を用いた場合、スピンコーティングしたレジストの基板
面内における厚さのばらつきが原因で半導体ウェハー全
体において同一の大きさのパターンを形成することが困
難であるという問題点がある。今後、種々の半導体素子
において線幅１μｌ以下のパターンを必要とされる場合
、この問題は半導体素子の歩留りの低下につながる。

また、より小さなパターン（１００ｎｍ以下）を指向し
た場合、レジスト法ではレジストを構成している分子が
比較的大きく、その大きさ程度以下の狭小なパターンを
形成することはできないという本質的な問題点も残され
ている。

一方、上記例のように半導体素子作製のエツチング工程
に際してプラズマエツチングを採用する場合が多い。こ
れは、プラズマエツチングではマスク下部のサイドエツ
チングがほとんどないために、パターンの線幅がレジス
トの線幅と同じになるという利点があるからである。し
かし、プラズマエツチングは被エツチング物の表面近傍
に損傷を導入することが知られている。これはプラズマ
中に存在するイオンが原因で生ずるものである。

ところが、上述のサイドエツチングが小さい現象もこの
イオンの存在によるものであり、被エツチング物の損傷
を無くすこととサイドエツチングを小さくすることとを
両立させるのは非常に困難である。このように、レジス
ト法は種々の問題点を有しており、今後の精細パターン
形成方法として必ずしも最適であるとはいえない。

次に、直接加工法の場合を考える。

直接加工法では、所望のパターンを半導体ウェハー表面
に形成するために、荷電粒子ビームを用いる。荷電粒子
ビームは電界や磁界により約１１００ｎ程度まで集束さ
せることが可能であり、これからの微細パターンの形成
には欠くことができない。一般に、荷電粒子ビームと反
応性ガスとの組合せにより、両者で照射された部分がエ
ツチングされるように構成されているものが多い。荷電
粒子ビームとしては、種々のイオンビームと電子ビーム
とが盛んに実験されているが、イオンを用いたものでは
プラズマエツチングの場合と同様に被エツチング物に損
傷を導入するという大きな欠点がある。しかし、現在の
ところ電子ビームを用いた直接加工法により実用上十分
なエツチング速度を得ることはできていない。

［発明が解決しようとする課題］ 上述のように、従来のエツチング技術は種々の問題を有
している。ここで、それらの問題点をまとめる。まず、
レジスト法では以下のような問題点がある。

（１）レジストを塗布する工程が必要であり、これは半
導体ウェハー表面の汚染につながる場合もある。

（２）レジストを除去する工程が必要である。

（３）半導体ウェハー面内におけるレジスト厚のばらつ
きのため、線幅１μｍ以下のパターンを形成するときに
歩留りが低下する。

（４）レジストは比較的大きな分子により構成されてい
るために、原理的にその大きさ以下のパターンの形成は
不可能である。

（５）レジストの使用温度範囲が決まっており、高温で
のエツチングが必要なときは、金属や誘電体膜などのよ
うに耐熱性の物質にパターンを転写した後にエツチング
を実施するような工程を必要とする。

また、従来の直接加工法によるエツチングも問題点を有
しており、それらは以下のようにまとめられる。

（１）イオンを使った工程では、半導体ウェハーにイオ
ンの照射欠陥を誘起し、半導体素子の特性劣化をまねく
。

（２）電子を用いた工程では、電子の有する運動エネル
ギーが小さいために、実用化に十分なエツチング速度を
得ることができない。

本発明は上記問題点を解決し、レジストをマスクとして
用いることなく、かつ半導体ウェハーに損傷を誘起しな
いで十分に速いエツチング速度を得ることができる半導
体素子作製方法を提供することを課題としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による半導体素子の作製方法は、大気中より真空
中に導入された半導体ウェハーに荷電粒子を照射すると
共に、この荷電粒子が照射された半導体ウェハーの表面
に反応性のガス状物質を接触させることにより、荷電粒
子の照射域をエツチングする工程を含む。なお、エツチ
ング工程は、上記荷電粒子をビーム状にしたり、荷電粒
子ビームを半導体ウェハー表面にエツチングされるべき
パターンを描くように照射したり、更には周期的に照射
することも含む。

［実施例］ 以下に、本発明を半導体素子作製用のエツチング工程に
適用した例を挙げて説明する。

第１図にエツチング方法の概略図、第２図に使用したエ
ツチング装置を示す。

まず、あるパターンをエツチングされるべき半導体基板
１０１（ここでは■−Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓ
基板）をクリーン大気中より導入チャンバー１０に入れ
、３　ｘ　１０−’Ｐａまでロータリーポンプとターボ
分子ポンプ（いずれも図示せず）を用いて排気する。次
に、移送手段３０により半導体基＆１０１を導入チャン
バー１０からエツチングチャンバー２０に搬送する。こ
の時のエツチングチャンバー２０の真空度は１　ｘ　１
０−６Ｐａ以下になっていることが望ましい。続いて、
半導体基板１０１の温度を、基板ホルダ−４０下部に取
り付けられたヒーター７０により約１３０℃にし、電、
子ビーム照射部６０により電子ビーム１１０を半導体基
板１０１に照射する。電子ビーム１１０は、そのビーム
径が２００　ｎｍに調整されており、エツチングされる
べきパターンを描（ように、半導体基板１０１上を走査
させる（第１図（ｂ））。

なお、半導体基板全面に照射するのに約２０秒要した。

さて、この時点における半導体基板１０１表面の状態を
考える。一般に、大気中より導入された半導体基板１０
１表面には酸素や炭素の原子あるいは分子による吸着物
１０２が多数吸着している。

このことはオージェ電子分光等の方法により検知するこ
とができる。しかし、このように表面に多数の吸着物を
有する半導体基板に対して、エツチングチャンバーのよ
うな高真空中で電子ビームを照射した場合、半導体基板
表面の半導体分子が励起され吸着物とのボンド１０３が
切れやすくなる。

そのため、電子ビーム１１０を照射された第１図（ｂ）
に示す領域１５０では半導体基板表面が比較的きれいな
状態で真空と接していることになる。

次に、塩素ガス１２０を半導体基板１０１に照射する。

塩素ガス１２０は半導体基板１０１近傍に設置された塩
素ガス導入ノズル５０より照射され、半導体基板全面に
おいてほぼ均一な照射濃度が得られるように調整されて
いる。（塩素ガスは熱平衡状態でＧａＡｓ基板をエツチ
ングすることが可能であり、基板温度１−３０℃でのエ
ツチング速度は１分間に約３０ｎｍである。）この状態
で電子ビームを照射された領域１５０の半導体基板表面
では表面吸着物がほとんど無いため塩素ガスとＧａＡｓ
の通常の反応が進行し、エツチングが起こる。しかし、
電子ビームを照射されなかった領域１５１の半導体基板
表面には依然として吸着物１０２が多数存在する。（こ
の酸素や炭素の吸着は基板温度を３００℃まで上昇させ
ても安定に存在することを確かめた。）そのため塩素ガ
スとＧａＡｓ表面の接触が阻まれ、エツチング反応は進
行しない。すなわち、表面吸着物１０２が原子層程度の
厚さを持つマスクとして働いているわけである。従って
、エツチングは電子ビーム１１０を照射された領域１５
０、言い替えればエツチングされるべきパターン内にお
いてのみ進行することになる。１０分間塩素ガスを照射
することにより３００　ｔ＋ｍの深さを有するパターン
を形成することができた。

本方法でのエツチングは、ガスによる熱平衡に近い反応
を応用しているので、半導体基板に対する損傷は無く、
かつ十分なエツチング速度を得ることができている。ま
た、従来技術の問題点であった面内でのパターンのばら
つきもなく、２００ｒｖ以下のパターンをエツチングす
ることが可能になっている。

上記実施例では１０分間のエツチングの場合を説明した
が、より長いエツチングを実行する場合には、電子ビー
ム照射を周期的に行いエツチング反応を妨げる吸着物を
取り除いた。また、イオンを用いても表面吸着物を除去
することは可能である。この場合、イオンが照射された
部分においてガスエツチングが進行するので、損傷が導
入された部分はエツチングにより除去される。すなわち
、イオンを用いてパターンを描いてもエツチング後に損
傷は残らない。

このように、本発明を適用することにより非常に精細な
パターンを歩留まりよく形成することができ、かつレジ
ストを用いた場合のレジストコーティング、露光、現像
、レジスト除去という煩雑な工程を実施する必要がなく
なる。また、本発明は上記実施例に限らず以下のような
場合にも適用可能である。

１）半導体基板表面のクリーニングを目的として、荷電
粒子がビーム状ではなく基板全面に照射される場合。（
但し、この場合はパターンを形成するためには別にレジ
スト等のマスクを必要とする。）２）エツチング用のガ
スが塩素以外の場合。（熱的に基板をエツチング可能な
ものならすべて適用可能である。） ３）エツチング用ガスの温度や基板の温度が実施例と異
なる場合。（エツチング用ガスを１０００℃程度のホッ
トビームにした場合など。）４）エツチング用ガスが熱
的な基底状態ではない場合。（プラズマより引き出され
るラジカル分子または原子である場合など。） ５）荷電粒子がエツチング用ガスと同時に照射される時
が存在する場合。（両者が常に照射されている場合など
。） ６）半導体基板表面への吸着物が酸素や炭素と異なる場
合。（例えば硫黄が過飽和の硫化アンモニウム溶液によ
り表面に硫黄を吸着させた場合など。

７）半導体基板がＧａＡｓでない場合。（Ｓｔ。

ＩｎＰやそれらの上に成長された半導体層等。）８）エ
ツチング深さの異なったパターンを作製するために荷電
粒子ビームの描くパターンをエツチングの途中で変えた
場合。

９）作製装置が実施例と異なる場合。（エツチング用ガ
スの導入部がガスセルのように加熱機構を有していたり
、半導体基板との距離が離れている場合。） し発明の効果］ 本発明を適用することにより、半導体基板上にレジスト
を用いることなく所望のパターンをエツチングすること
ができるようになり、エツチングにより導入される基板
結晶の損傷も無くすことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施してＧａＡｓ基板をエツチングす
る場合の工程を概略的に示した図、第２図は本発明を実
施する半導体作製装置のうちエツチング装置の断面構造
図、 第３図は従来技術によるパターンエツチングの一例の工
程を概略的に示した図。 図中、１０は導入チャンバー　２０はエツチングチャン
バー　４０は基板ホルダー　５０は塩素ガス導入ノズル
、６０は電子ビーム照射部、１０１は半導体基板、１０
２は吸着物、１１０は電子ビーム、１２０は塩素ガス。 第１図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）大気中より真空中に導入された半導体ウェハーに
   荷電粒子を照射すると共に、該荷電粒子が照射された半
   導体ウェハー表面に反応性のガス状物質を接触させるこ
   とにより、上記荷電粒子の照射域を処理する工程を含む
   ことを特徴とする半導体素子の作製方法。
2. 　（２）請求項（１）記載の半導体素子の作製方法にお
   いて、上記荷電粒子が半導体ウェハー表面の面積より小
   さいビーム状に成形されていることを特徴とする半導体
   素子の作製方法。
3. （３）請求項（２）記載の半導体素子の作製方法におい
   て、上記荷電粒子ビームが半導体ウェハー表面にエッチ
   ングされるべきパターンを描くように照射されることを
   特徴とする半導体素子の作製方法。
4. （４）請求項（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体
   素子の作製方法において、上記荷電粒子が周期的に照射
   されることを特徴とする半導体素子の作製方法。