JPH02299227A

JPH02299227A - 化合物半導体のエッチング方法

Info

Publication number: JPH02299227A
Application number: JP1120714A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Iwano; 岩野　英明
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1989-05-15
Filing date: 1989-05-15
Publication date: 1990-12-11

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、ｎ−ｖｔ族化合物半導体のエッチング方法に
関するものである。

［従来技術］セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｅＳ）など、
およびこれらの混晶より成る■−■族化合物半導体の従
来の微細加工方法は、フォトレジストあるいは二酸化シ
リコンなどの絶縁膜をマスクとするウェットエツチング
技術、ドライエツチング技術がある。ウェットエツチン
グ技術において、エツチング液として主に用いられてい
るのは、水酸化ナトリウム水溶液、塩酸、硝酸−塩酸一
水の混合液が挙げられ、これらのエツチング液は、所望
のエツチング速度を得るために、適当な温度、あるいは
組成で使用されている。

一方ドライエツチング技術は、平行平板電極を用いたＡ
ｒなどの不活性ガスによるイオンエツチング、ＢＣｌ３
などの反応性ガスによる反応性イオンエツチングが挙げ
られる。

〔発明が解決しようとする課題］しかし、前述の従来技術によるＩＩ−ＶＩ族化合物半導
体の加工には、以下の問題がある。

ウェットエツチング技術については、一般的な問題とし
て、再現性にかけることが挙げられる。

温度、エツチング液の組成などをかなり厳密にコントロ
ールしなければ一定したエツチング速度が得られない。

さらに揮発性の物質を含むエツチング液の場合、時間と
共にエツチング液の組成が変化するのでエツチング液を
作製したときと、時間が経過したときとでは、エツチン
グ速度が大きく変わってしまうという問題がある。

さらに、ウェットエツチング技術では、エツチングが等
方的に進行し、サイドエッチが起こるので、マスクの寸
法通りには、パターンを形成することはできない。また
加工断面形状も限られてしまい、例えば、垂直断面の形
成、縦横比の大きい深い溝の形成は、困難である。

ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のウェットエツチングは、他
のｍ−ｖ族化合物半導体などに比べ、問題が多い。例え
ば、Ｚｎ５ｅを塩酸−硝酸系エツチング液でエツチング
を行う場合、エツチング液がＺｎ５ｅ中にしみ込み、長
時間の水洗を行っても完全に除去することは困難であり
、膜質の特性を著しく悪化させる。また、Ｚｎ５ｅ、Ｚ
ｎ５ｘＳｅ＋−ｘを、ＮａＯＨ水溶液でエツチングを行
う場合、表面モホロジーが極端に悪化してしまい、精密
なエツチングに適しているとはいえない。塩酸を用いた
場合は、エツチング速度が非常に遅＜、　　ＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体を用いたデバイス作製には実用的ではな
い。

一方Ａｒなどの不活性ガスを用いたイオンエツチング技
術は、エツチング速度を実用的レベルにするにはプラズ
マ放電のパワーを強くする必要があり、半導体基板に大
きなダメージを与えてしまう。また、ＢＣ１３などの反
応性ガスを用いた反応性イオンエツチングは、イオンエ
ツチングに比べれば、多少基板に与えるダメージは低減
できるが、許容される範囲のものではない。単にダメー
ジを低減するには、低い放電パワーでもガス圧力を高く
すれば良いが、イオンシース幅とイオンと中性粒子の平
均自由行程とがほぼ同程度となり、イオンビームに指向
性がなくなるため、サイドエツチングが大きくなり、微
細加工という点からみれば、大きな欠点を有する。更に
、エツチング速度を再現性良く制御するにはプラズマの
安定が必要であるが、この従来技術では異常放電が起こ
り易くエツチング速度の制御性が悪いという問題点を有
していた。更に、エツチング中に炭素（Ｃ）が半導体表
面に付着し、これによってもエツチング速度が変動する
という問題点を有していた。

このように、従来の方法によるＩＩ−ＶＩ族化合物半導
体のエツチングは、非常にむずかしく、■＝■族化合物
半導体を用いたデバイス作製の大きな障害となっていた
。そこで本発明は、上記問題点を解決するもので、その
目的とするところは、再現性、実用性があり、またエツ
チング後の基板の損傷が極めて小さく、様々な加工形状
を作ることができるＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のエツチ
ング方法を提供するところにある。

［課題を解決するための手段］本発明の化合物半導体のエツチング方法は、エツチング
マスクを形成する工程と、反応性ガスを放電室分離型の
マイクロ波励起・ＥＣＲプラズマ室で活性化させ、被処
理材料に一様な方向を持ったイオンビームを照射するこ
とによりドライエツチングを行う工程を含むＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体の加工手段において、前記イオンビーム
が希ガス及びハロゲンガスの混合気体より形成されるこ
とを特徴としている。

更に、前記希ガス及びハロゲンガスの混合気体の希ガス
混合比が、１％乃至７５％であることを特徴としている
。

更に、前記希ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）アルゴン（Ａｒ
）ネオン（Ｎｅ）のうち少なくとも一つを含むことを特
徴としている。

更に、前記ハロゲンガスが塩素（ＣＩ２）であることを
特徴としている。

更に、前記混合ガスの圧力は、５Ｘ１０−３Ｐａから１
Ｐａの範囲であることを特徴としている。

更に、マイクロ波入射出力は、１Ｗ以上１ｋＷ以下の範
囲であることを特徴としている。

更に、前記イオンビームを放電室より被処理材料に引き
出すための電圧は、０７以上１ｋＶ以下の範囲であるこ
とを特徴としている。

［実　施　例］以下本発明の方法によりｎ−ｖｒ族化合物半導体にエツ
チング加工を施した実施例を示す。

まず、第９図には本発明の実施例におけるエツチング装
置の構成概略断面図を示す。反応性の強いハロゲン元素
を含むガスをエツチングガスとして用いるため、試料準
備室６とエツチング室７とがゲートバルブ１９により分
離された構造となっており、エツチング室７は常に高真
空状態に保たれている。８は電子・サイクロトロン共鳴
（ＥＣＲ）プラズマ室であり、磁場発生用円筒ドーナッ
ツ型コイル９で囲まれ、マイクロ波導波管ｌＯとの接続
部には、マイクロ波導入石英窓がある。マイクロ波で電
離・発生した電子は、軸対称磁場によりサイクロトロン
運動を行いながらガスと衝突を繰り返す。この回転周期
は、磁場強度が、例えば８７５ガウスのときマイクロ波
の周波数、例えば２．４５ＧＨｚと一致し、電子系は共
鳴的にマイクロ波のエネルギーを吸収する。このため低
いガス圧でも放電が持続し、高いプラズマ密度が得られ
、反応性ガスが長寿命で使用できる。さらに中心部での
高い電界分布により、電子・イオンが中心部に集束する
ので、イオンによるプラズマ室側壁のスパッタ効果が小
さく、高清浄なプラズマが得られる。ＥＣＲプラズマ室
８で発生したイオンは、メツシュ状の引出し電極部１１
で加速され、試料１２に照射される。サンプルホルダー
１３は、マニピュレータ１４により鉛直方向を軸として
３６０°回転させることができ、試料に入射するイオン
ビームの方向を変えることができる。

第１図は、第８図の装置により、Ｚｎ５ｅを工、ノチン
グ加工したときの一実施例の断面図である。

第１図（ａ）は、エツチング前の断面図であり、１はＺ
ｎ５ｅ、２はエツチングマスクである。エツチングマス
ク２は、フォトレジスト（ポジタイプ）を用いており、
通常のフォトリソ工程によりマスク作製を行ったため、
マスクの断面形状はテーバ状となる。反応性ガスとして
純塩素（９９゜９９９％）とアルゴン（９９，９９９９
％）の混合ガスを用い、ガス圧力１．０ＸＩＯ”’Ｐａ
、？イクロ波入射出六入射出力１　Ｗ、　　引出し電圧
５００ｖ、試料温度２５°Ｃ，イオンビームの照射方向
は基板に対し垂直方向でエツチングを行った。この場合
のアルゴンガス混合比は２５％であった。第１図（ｂ）
は、エツチング後の断面図である。Ｚｎ５ｅのエツチン
グ速度は、約７００　Ａ／分、一方フオドレジスト（ポ
ジタイプ）のエツチング速度は、ボストベークの条件を
１２０°Ｃ１３０分間としたとき、約２００Ａ／分であ
る。エツチングマスクの形状がテーパーを持っておりエ
ツチングマスクもスパッタによりエツチングが多少起こ
るため、加工断面形状は、第１図（ｂ）に示す形状とな
り、イオンビームを垂直に入射しても垂直断面とならな
いが、エツチング速度に関していえば、実用上問題ない
。さらにエツチング速度の面内分布は、２０ｍｍｘ２０
ｍｍの基板内で・±５％以下、加工後の表面モホロジー
は、加工前とほとんど変わらないものであった。第２図
（ａ）、　（ｂ）は、エツチング前のＺｎ５ｅ基板と、
上記条件でエツチングを行った後のＺｎＳ　ｅのフォト
ルミネッセンスを比べたものである。　（ａ）はエツチ
ング前の、（ｂ）はエツチング後のフォトルミネッセン
スである。バンド端の発光による相対強度と、深い準位
による発光の相対強度比は、エツチング前後とも約５０
と変化がなく、エツチングによる半導体屑の損傷はほと
んどないことがわかる。

第３図に塩素ガスとアルゴンガスを反応ガスに用いた場
合のアルゴン混合比とエツチングレイトの関係を示す。

アルゴン混合比が２５％に於て最大のエツチングレイト
が得られた。これはアルゴンイオンのスパッター効果に
よりエツチング表面に付着する炭素が除去され反応性エ
ツチングが進むためである。更に、アルゴンガスを混合
した場合の方が異常放電が起こらずエツチング速度の再
現性はバッチ間で±２％となり安定した。

デバイス作製など、実用上有効なエツチング条件は以下
の通りである。

まず、ガス圧については、定性的には、第６図に示すよ
うに、ガス圧が高くなるほど、エツチング速度が速くな
る。しかしあまりガス圧が高くな表　　すると、放電が起こらなくなり、また放電が起こった場合
でも（１Ｐａ以上）イオンシース幅とイオンと中性子の
平均自由行程とがほぼ同程度となり、イオンビームに指
向性がなくなり、微細加工には適していない。ガス圧が
低い（ＩＸＩＯ−３Ｐａ以下）と、エツチング速度が遅
すぎて、実用に適さない。表１には、マイクロ波入射出
力１００Ｗ。

引出し電圧５００Ｖでエツチングガスとして純塩素ガス
とアルゴンガスの混合ガスを用いたときのガス圧力に対
するＺｎ５ｅのエツチング速度の変化を示す。なお、表
中のＰはガス圧力（Ｐａ）、Ｒはエツチング速度（Ａ／
ｍ１ｎ）、Ｓはサイドエツチングの状態である。

マイクロ波の入射出力は、概略は、第７図に示すように
、出力が高いほど励起が激しくなるので、プラズマ密度
が高くなり、エツチング速度は速くなる。しかしあまり
高出力にすると、プラズマ温度が上がって電極の熱変形
が起こったり、基板温度も輻射熱で上がってしまい、温
度制御が困難となる。１Ｗ以上１ｋＷ以下の範囲におい
て良好なエツチング特性が得られた。表２には、エラチ
ン表　　２グ速度のマイクロ波入射出力依存性を示す。エツチング
ガスを塩素ガスとアルゴンガスの混合ガスにし、ガス圧
力Ｉ　Ｘ　１０−’Ｐ　ａ、　　引出し電圧は４００Ｖ
である。なお表中の、Ｍはマイクロ波の入射出力（Ｗ）
、Ｒはエツチング速度（Ａ／ｍ１ｎ）である。

引き出し電圧に関しては、第８図に示すように電圧が高
いほど、エツチング速度は太き（なる。

しかし電圧が高すぎると（１ｋＶ以上）、物理的スパッ
タリングが強くなり、基板結晶に大きな損傷を与え好ま
しくない。

引き出し電圧をかけない場合（Ｏｖ）、基板温度を２０
０　’Ｃ程度に上げれば、ラジカル種によるエツチング
が起こる。この場合エツチングは等方向に進行する。表
３には、エツチングガスを塩素ガスとアルゴンガスの混
合ガス、ガス圧力をＩ×１０−’Ｐａ、マイクロ波入射
出力を２００Ｗとしたときの、エツチング速度の引出し
電圧依存性を示す。なお表中の、Ｈは引出し電圧（ｖ）
、Ｒはエツチング速度（Ａ　／　ｍ　Ｉ　ｎ　）、Ｄは
基板の損傷表　　３状態である。

第４図には、Ｚｎ５ｅの垂直断面加工の一実施例につい
て示す。

まず、第４図＜ａ＞に示すようにＺｎＳ　ｅ　Ｉ上にフ
ォトレジスト３（ポジタイプ）をスピンコードし、２０
０℃で３０〜１２０分ベータし、Ｔｉ４を約１０００Ａ
、ｉ子ビーム蒸着法などでフォトレジスト上に形成する
。次に第４図（ｂ）に示すように、通常のフォトリング
ラフィ工程により、フォトレジスト５のパターン形成を
行う。次に第４図（Ｃ）に示すようにフォトレジスト５
をマスクとしてＴｉ４のエツチングを行う。

エツチング方法は、ウェットエツチングでは、緩衝フッ
酸溶液を用い、ドライエツチングでは、ＣＦ４ガスを用
いた反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）法を用いるが、
精密なパターン転写を行うには、サイドエツチング量の
僅少なドライエツチングの方が望ましい。次に第４図（
ｄ）に示すように、Ｔｉ４をマスクとして、フォトレジ
スト３のエツチングを酸素プラズマを用いたＲＩＥ法に
より行う。このとき注意しなければならないことは、酸
素ガスの圧力である。テーパを持たない垂直な断面形状
のエツチングマスクの作製には、通常の平行平板型のド
ライエツチング装置を用いた場合、酸素ガスの圧力は５
Ｐａ程度が望ましい。

圧力を高くし過ぎると、エツチングが等方向に進行する
ので、この場合適していない。フォトレジスト３のエツ
チングマスクとして用いたＴｉ４はＺｎ５ｅｌのエツチ
ング前に緩衝フッ酸溶液などで除去しておく。

次に、第１図の実施例と同様の条件で、塩素ガスとアル
ゴンガスの混合ガスのイオンビームでＺｎ５ｅのエツチ
ングを行えば、第４図（ｅ）に示すような垂直断面が形
成される。またこのときサイドエッチはほとんど起こら
ない。そのため、多少工程は複雑化するが、異方性エツ
チングに関していえば、第４図の方法は有効な手段とい
える。

第５図は、イオンビームを、Ｚｎ５ｅ基板１の表面に対
して、斜めの方向から入射させ、エツチングを行った実
施例を示すものである。第５図（ａ）はエツチング前の
状態、第５図（ｂ）は（ａ）の基板に対し、矢印で示す
方向よりイオンビ−ムを入射させ、エツチングを行った
ときの断面図である。イオンビームの入射方向に優先的
にエツチングが進行し、斜め方向に溝が形成されている
。

本実施例においては、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体として
Ｚｎ５ｅについて説明を行ったが、Ｚｎ５ｘＳｅ　ｌ−
ｘ　（０＜　ｘ≦１）等、他のＩＩ−ＶＩ族化合物半導
体についても有効である。またエツチングマスクとして
フォトレジストを用いて説明を行ったが、被エツチング
材料に対して、選択比のとれるもの、例えばＺｎ５ｅを
被エツチング材料とした場合、Ｓｉｎ、、ＳｉＮｘなど
の絶縁物、Ｍｏ、Ｎｌなどの金１についても有効である
。

［発明の効果〕以上述べたように、本発明によれば以下の効果が得られ
る。

Ｉ［−ＶＩ族化合物半導体のエツチング方法として、マ
イクロ波励起・ＥＣＲプラズマによる反応性イオンビー
ムを用いることにより、従来のウェットエツチング技術
、あるいは、イオンエツチング、反応性イオンエツチン
グなどのドライエツチング技術と比べ、再現性、制御性
の格段に優れたエツチングを行うことができる。また、
特に従来の■−■族化合物半導体のドライエツチング技
術と比べ、半導体層に与える損傷を大幅に低減すること
ができる。さらに、イオンビーム、エツチングマスクの
形状を制御することにより、テーパ状の溝、垂直断面、
斜めの溝などの加工が可能となり、■−■族化合物半導
体を用いたデバイスを、再現性、信頼性よく、かつ容易
に作製することができる。

更に、希ガスのイオンビームがエツチング表面の不純物
を取り除くため反応性エツチングが制御長（行われエツ
チングレイトが向上するという効果を有する。更に、プ
ラズマの異常放電が起こらずエツチングレイトが安定す
るため再現性良くエツチング深さを制御することが出来
るという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の方法により、フォト
レジストをエツチングマスクとしてＺｎ５ｅのエツチン
グを行った一実施例を示す図。第２図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の方法による
エツチングの前後のＺｎＳ　ｅ層のフォトルミネッセン
ス’ｔ　示ｔ　図。第３図は、本発明の一実施例を示す塩素ガスとアルゴン
ガス中のアルゴンガス混合比とエツチングレイトの関係
を示す図。第４図（ａ）〜（ｅ）は、本発明により、Ｚｎ５ｅの垂
直端面加工を行った一実施例を示す図。第５図（ａ）、　（ｂ）は、本発明の方、法により、Ｚ
ｎ５ｅの斜め溝の加工を行った一実施例を示す図。第６図は、エツチング速度とガス圧力の関係を示す図。第７図は、エツチング速度と引出し電圧の関係を示す図
。第８図は、エツチング速度とマイクロ波入射出力の関係
を示す図。第９図は、本発明の実施例に用いたエツチング装置の概
略図。１・・・Ｚｎ５ｅ基板２・・・フォトレジスト３・・・フォトレジスト４・・・Ｔ１５・・・フォトレジスト６・・・試料準備室７・・・エツチング室８・・・ＥＣＲプラズマ発生室９・・・電磁石ｌＯ・・・マイクロ波導波管１１・・・引出し電極１２・・・試料１３・・・サンプルホルダー１４・・・マニピュレータ１５・・・ガス導入部１６・・・搬送棒１７・・・排気系１８・・・排気系１９・・・ゲートバルブ以上出願人　セイコーエプソン株式会社代理人弁理士　鈴木喜三部（他１名）（（Ａ）茶１■ ７オトンエ１−＋レギー（ａ、Ｔ）（α）フズμン工￥ルギゝ（ｄ）＜ｂ＞早Ｚ）因（ｂ）／Ｘ／θ声　　　　／ｆ武〃ゝ゛スβに第ろ所 θ　　　　　　　　　　　藷マイクロ液Ｘ身ｑれ力

Claims

【特許請求の範囲】

（１）エッチングマスクを形成する工程と、反応性ガス
を放電室分離型のマイクロ波励起・ＥＣＲプラズマ室で
活性化させ、被処理材料に一様な方向を持つたイオンビ
ームを照射することによりドライエッチングを行う工程
を含むII−VI族化合物半導体の加工手段において、前記
イオンビームが希ガス及びハロゲンガスの混合気体より
形成されることを特徴とする化合物半導体のエッチング
方法。
（２）前記希ガス及びハロゲンガスの混合気体の希ガス
混合比が、１％乃至７５％であることを特徴とする請求
項１記載の化合物半導体のエッチング方法。
（３）前記希ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）アルゴン（Ａｒ
）ネオン（Ｎｅ）のうち少なくとも一つを含むことを特
徴とする請求項１記載の化合物半導体のエッチング方法
。
（４）前記ハロゲンガスが塩素（Ｃｌ＿２）であること
を特徴とする請求項１記載の化合物半導体のエッチング
方法。
（５）前記混合ガスの圧力は、５×１０＾−＾３Ｐａか
ら１Ｐａの範囲であることを特徴とする請求項１記載の
化合物半導体のエッチング方法。
（６）マイクロ波入射出力は、１Ｗ以上１ｋＷ以下の範
囲であることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体
のエッチング方法。
（７）前記イオンビームを放電室より被処理材料に引き
出すための電圧は、０Ｖ以上１ｋＶ以下の範囲であるこ
とを特徴とする請求項１記載の化合物半導体のエッチン
グ方法。