JPH03136327A - 半導体のパターン形成方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は半導体のパターン形成方法に関し、特に電子照
射による励起反応を応用して形成された半導体基板表面
の酸化膜をエツチングマスクとして利用するパターン形
成方法に関するものである。

・［従来の技術］ 半導体基板表面にパターンを形成する技術は各種半導体
デバイスを作製するためには不可欠の技術である。

近年デバイスの高集積化や高機能化にともないサブミク
ロンからナノメートルオーダーの超微細加工技術が必要
となりつつある。特に光電子集積回路等の高機能デバイ
スを作るためには、超高真空−貫ブロゼスが必要である
。

この超高真空−貫プロセスに適したパターン形成方法と
して１．有機レジストを使用せずに、イオンビーム、電
子ビーム、レーザー光等に゛よって直接半導・体表面上
にパターンを形成する方法が盛んに研究されている。゛
これらのパターン形成方法のうち、電子ビームや光を利
用した方法は、イオンビームの場合と異なり、結晶欠陥
を誘起することなく半導体表面にパターンを形成できる
ので、将来のデバイス作製まで考えた場合、有利である
と考えられる。以下、電子ビームと光とを利用した２つ
の半導体パターン形成方法について、簡単に説明する。

第１の方法では、まず（００１）ＧａＡｓ基板表面に、
ＭＢＥ法等によりＧａＡｓエピタキシャル成長層（以下
、エビ層）を形成し、その後、ハロゲンランプからの光
を基板表面全面に均一に照射しながらその表面を酸素ガ
スに接触させて。

ＧａＡｓエビ層に表面酸化膜を形成させる。この後、塩
素・水素混合ガス雰囲気中で、基板を加熱しながら試料
に電子ビームを照射すると、電子ビームを照射した部分
だけ表面酸化膜が除去され。

塩素ガスによってＧａＡｓ層がエツチングされる。

このとき電子ビームを所望のパターンを描くように走査
させることにより、所望のパターンが形成できる。

第２の方法では、酸素ガス雰囲気中で基板表面にレーザ
ー光等を局所的に照射するとそのレーザー光等が照射さ
れた場所にだけ表面酸化膜が形成される。次に、塩素・
水素混合ガスを基板表面に接触させると表面酸化膜の形
成された部分はエツチングされずパターンが形成される
。

このようにして半導体基板表面に電子ビームや光を利用
して、パターンを形成することが可能である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら第１の方法は、電子ビームを利用してパタ
ーンを形成するので、微細なパターンの形成が可能であ
るが、プロセスが複雑で、また。

装置が大型化するという問題点がある。

また第２の方法は、酸化膜形成後直ちにエツチングがで
き、プロセスが簡単であるが、レーザ光等の光を利用し
てパターンを形成するためザブミクロン以下の微細なパ
ターンを形成するのが難しいという問題点がある。

このように、従来の方法では簡単なプロセスでサブミク
ロン以下の微細なパターンを形成することは困難である
。

本発明は、簡単なプロセスでサブミクロン以下の微細な
パターンを半導体表面上に形成する方法を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は半導体基板表面に酸素及び酸素化合物のうち少
なくとも１種類のガスを含む第１のガスを接触させると
ともに、所望のパターンを描くように電子を照射する第
１の工程と、前記半導体基板表面に該半導体基板をエツ
チングすることが可能な第２のガスを接触させる第２の
工程とを含むことを特徴とする。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明のパターン形成方法の第１の実施例の工
程図を示す。

第１図に示す工程は、第２図に示す超高真空システムを
用いて実行される。従って、まず、この超高真空システ
ムを簡単に説明しておく。

この超高真空システムは、ロードロック室２１゜ＭＢＥ
（分子線エピタキシ）室２２．エツチング室２３．及び
交換室２４を有している。室２２゜２３、及び２４はそ
れぞれ真空ポンプ（図示せず）を備えており、各室独立
して内部を真空にすることができる。またこれらロード
ロック室２１１ＭＢＥ室２２及びエツチング室２３の各
室はそれぞれゲートバルブを有するトンネル２５ａ、２
５ｂ。

及び２５ｃによって交換室２４に接続されている。

従って、この超高真空システム内に導入された半導体基
板は１表面を大気に曝すことなく交換室２４を通ってＭ
ＢＥ室２２とエツチング室２３との間を移動することが
できる。

また、エツチング室２３には、電子ビーム銃２３１、マ
スク形成用ガス導入口２３２．エツチングガス導入口２
３３．及びヒータを有する基板ホルダ２３４を備えてい
る。

次に、この超高真空システムを用いた半導体基板のパタ
ーン形成方法を第１図及び第２図を参照して説明する。

まず、ロードロック室２１より超高真空システム内に導
入されたＧａＡｓ（１００）基板１０をＭＢＥ室２２に
搬送する。そして５第１図（ａ）に示すように基板１０
の上にＧａＡｓ層１１を厚さ２μ口となるようエピタキ
シャル成長させる。

次に、ＧａＡｓ層１１をエピタキシャル成長させた基板
１０を交換室２４を介してエツチング室２３へ搬送する
。そして、第２図（ｂ）に示すようにエツチング室２３
内にマスク形成用ガス導入口２３２から酸素ガス１２を
分圧Ｉ　Ｘ　１０−６ｔｏｒｒ以上で導入するとともに
、電子ビーム１３（加速電圧１０ｋＶ、　　ビーム径、
１μ■を照射し、ピッチ、３μｍで走査させた。このと
き電子ビームのドーズ量は１０′５〜１０”ｃｄ程度で
ある。この操作を行うことによって、ＧａＡｓ層１１上
の電子ビームを照射した領域には表面酸化膜１４が形成
された。この表面酸化膜１４の密度及び厚さは、電子ビ
ームのドーズ量、酸素分圧等により制御可能である。

こうしてエツチング用酸化層マスク１４を形成した後、
真空ポンプ（図示せず）によってエツチング室２３内の
圧力をＩ　Ｘ　１０−’ｔｏｒｒ以下まで排気する。排
気後、第１図（Ｃ）に示すように、エツチングガス導入
口２３３から塩素・水素混合ガス１５を導入し、その圧
力を３　Ｘ　１０−’ｔｏｒｒとした。

同時に基板加熱機構によって基板温度を７０℃とし、第
１図（ｄ）に示すようにＧａＡｓ層１１のエツチングを
１５分間行なった。このとき、エツチング深さは、３μ
■、エツチング速度は２０　ｎｍ／ｓ＋ｉｎであった。

こうして電子ビームにより形成された酸化層１４をマス
クとしてＧａＡｓ層１１を塩素・水素ガス１５によって
エツチングし、０，３μ層周期のグレーティングを形成
することができた。

この後、基板１０を再びＭＢＥＢ２Ｏ３３送す−る。そ
して搬送された基板１０の表面にひ素分子線を照射しな
がら、基板１０を５００℃以上に加熱して、約２時間１
表面クリーニングを行なった。

このクリーニングによって表面酸化膜１４やエツチング
中にＧａＡｓ基板１０の表面に付着した塩素化合物等は
除去され、第１図（ｅ）に示すようにきれいなＧａＡｓ
結晶面を得ることができた。

このようにして、超高真空システムから基板を取り出す
ことなく、ＧａＡｓ表面上に、３μ膳周期のグレーティ
ングパターンを形成することができた。

次に本発明の第２の実施例について述べる。

第２の実施例においても第１の実施例と同様に第２図に
示す超高真空システムを用いる。但し。

エツチング室２３には電子ビーム銃２３１の替わりに走
査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）が設けられている。

第１の実施例と同様に、ＧａＡｓ　（１００）基板１０
上にＧａＡｓ層１１を形成する。このＧａＡｓ基板１０
をエツチング室２３に搬送する。エツチング室２３内に
Ｉ　Ｘ　１０−’ｔｏｒｒ以上の酸素ガス１２を導入し
、ＳＴＭの探針１６をＧａＡｓ層１１の表面に接近させ
てトンネル電流を流す。ＳＴＭの探針１６は鋭利な先端
を有しているので第１の実施例の電子ビーム銃より狭い
範囲に電子を照射できる。即ち、狭い範囲に酸化膜１４
を形成することができる。

本実施例ではＳＴＭの探針１６にバイアス電圧を約２ｖ
印加して、５ｎＡのトンネル電流が流れるようにし、Ｇ
ａＡｓ層１１上を例えば１μｍ×１　μｍの範囲で走査
させる。このとき探針１６を走査させながら、５０ｎ量
周期毎にトンネル電流が１０〜１００ｎＡになるように
、トンネル電流を一定に保つためのサーボ回路をオフし
た上で、バイアス電圧を増加させた。この結果、第３図
（ａ）に示すように大きなトンネル電流を流した領域で
は表面酸化が促進され、酸化膜パターンが形成された。

ＳＴＭによる観察の結果表面酸化層の幅は約１Ｏｎ−で
あった。

以下、第１の実施例と同様、第３図（ｂ）に示すエツチ
ングガス１５によるエツチングを行い１ＭＢＥ室２２に
搬送してクリーニングを行なって第３図（Ｃ）に示すよ
うなグレーティングパターンが得られた。

以上、ＧａＡｓ基板に、酸素ガス及び塩素・水素混合ガ
スを用いた実施例について説明したが。

本発明はこれにとられれるものではなく、以下の場合に
も適用できる。

■半導体が他の材料の場合（ＩｎＧａＡｓ系。

Ｓｉ、Ｇｅ等） ■マスク形成用ガスが酸素以外の場合（Ｈ，０゜Ｃｏ、
０２．Ｎｏ２等） ■エツチングガスが塩素・水素混合ガス以外の場合（Ｈ
（１，ＳＦ６．ＣＦ４等） ■エツチングガスが熱的非平衡状態にあるものを使う場
合（ラジカル、イオンを一部含む場合。

但しイオンを含む場合はそのエネルギーは５０ｅＶ以下
が望ましい。） ［発明の効果］ 本発明によれば、半導体基板表面に酸素及び酸素化合物
のうち少なくとも１種類のガスを含む第１のガスを接触
させるとともに、所望のパターンを描くように電子を照
射して酸化膜を形成し、この酸化膜をマスクとしてエツ
チングガスによるエツチングを行うようにしたことで、
サブミクロン以下の微細なパターンを簡単に形成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のエツチングプロセスの
工程図、第２図は第１及び第２の実施例で用いた超高真
空システムの概略図、第３図は第２の実施例のエツチン
グプロセスの工程図である。 １０−−−　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、１ｌ−ＧａＡｓエビ
層。 １２・・・酸素ガス、１３・・・電子ビーム、１４・・
・表面酸化膜、１５・・・エツチングガス、１６・・・
探針。 ２１・・・ロードロック室、２２−ＭＢＥ室、２３−・
・エツチング室、２４・・・交換室、２５ａ、２５ｂ。 ２５ｃ・・・トンネル、２３１・・・電子銃、２３２・
・・マスク形成用ガス導入口、２３３・・・エツチング
ガス導入口、２３４・・・基板ホルダ。 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板表面に酸素及び酸素化合物のうち少なく
   とも１種類のガスを含む第１のガスを接触させるととも
   に、所望のパターンを描くように電子を照射する第１の
   工程と、前記半導体基板表面に該半導体基板をエッチン
   グすることが可能な第２のガスを接触させる第２の工程
   とを含むことを特徴とする半導体のパターン形成方法。 ２、前記第１の工程と前記第２の工程とは真空装置内で
   連続して行われることを特徴とする請求項１記載の半導
   体のパターン形成方法。