JPH04239725A - 化合物半導体の構造形成方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は化合物半導体の内部にパ
ターンを有する構造を形成する方法に係り、特に、真空
容器の中で　ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板を空気に曝
すことなくその表面にパターンを形成し、その後薄層の
結晶成長を行う埋込み構造の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、化合物半導体を用いた素子は、結
晶成長及びエッチングを数回繰り返し、さらに場合によ
っては不純物を拡散させるなどの工程を経て作成されて
いる。例えば、埋込み型半導体レーザチップを作成する
には、次のような工程がとられる。第１番目に、ＧａＡ
ｓ基板に液相エピタキシャル法などにより、ＧａＡｓバ
ッファ層、ＡｌＧａＡｓクラッド層、ＧａＡｓ活性層、
ＡｌＧａＡｓクラッド層、及びＧａＡｓ電極層を、必要
な不純物の添加を同時に行いながら成長させる。第２番
目に各層を成長させた半導体表面にＳｉＯ２　膜等の保
護膜を形成し、その表面にレジストを塗布する。次にレ
ーザのストライプに相当するパターンを露光、現像して
レジストにパターンを形成する。第３番目に、フッ化水
素酸（ＨＦ）にこの半導体を接触させレジストの無い部
分のＳｉＯ２　膜等の保護膜を除去する。その後有機溶
剤などによりレジストパターンを除去する。第４番目に
、硫酸等を含むエッチング液（保護膜をエッチしない）
に半導体を接触させ、エピタキシャル層のＧａＡｓバッ
ファ層に至る深さにまでエッチする。第５番目に、液層
エピタキシャル法などにより、ＡｌＧａＡｓ層を成長し
、エッチングした部分を埋込む。第６番目に、表面に残
っている保護膜を除去する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
半導体構造の形成方法は多くの工程を必要とし、その結
果、作成に長時間を要するという問題点がある。また、
溶液を用いたエッチングでパターンを形成するときは、
半導体表面が大気に曝されるので、表面が大気に汚染さ
れるという問題点がある。本発明は、パターンの形成と
その後の結晶成長を真空容器内で連続して行う半導体構
造の形成方法を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定の層構造
を有する　ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体ウエハーの表面に
第１のガスを照射して前記ウエハーの表面をマスク層化
する第１の工程と、前記前記マスク層の所定領域に電子
ビームを照射して改質しパターンを形成する第２の工程
と、第２のガスを照射し前記パターンに従って前記ウエ
ハーのエッチングを行う第３の工程とを含み、前記第１
乃至第３の工程はそれぞれ１×１０−５　Ｔｏｒｒ　以
下にできる複数の真空容器内で連続して行われることを
特徴とする　ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構造形成方法
である。

【０００５】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を説明
する。まず、本発明のパターン作成方法に用いられる装
置について簡単に説明しておく。第３図の装置は、この
装置へのウエハーの出し入れを行うためとエッチングマ
スクを形成するための成膜室３１、エピタキシャル成長
を行うためのＭＢＥ室３２、半導体を選択的にエッチン
グしてパターンを形成するエッチング室３３を有してい
る。これら成膜室３１、ＭＢＥ室３２、およびエッチン
グ室３３はそれぞれ通路を介して試料交換室３４に接続
されている。そして、各通路には、ゲートバルブ３５ａ
、３５ｂ及び３５ｃが設けられている。また、各室３１
，３２，３３及び３４にはそれぞれターボ分子ポンプ、
イオンポンプ等の真空ポンプ（図示せず）が設けられて
いる。これにより、装置内に導入したウエハーを大気に
曝すことなくどの室にでもマグネットフィードスルー３
６ａ、３６ｂ及び３６ｃを用いて搬送することができる
。また、試料加熱室３０が試料交換室３４に通路を介し
て取り付けられている。

【０００６】成膜室３１には吸着分子層、あるいはガス
と反応した層を形成するための第１のガスを導入する第
１のガス導入部（図示せず）と、必要に応じて光を導入
するための窓３１１が設けられている。また、窓３１１
の外側には光源、レンズ等よりなる露光ユニット３７が
設置されている。さらに、エッチング室３３には電子ビ
ームを発生する電子ビーム発生装置３３１と、エッチン
グに用いる第２のガスを導入するための第２のガス導入
部３８と、試料位置を調整するマニピュレータ３９とが
備えられている。

【０００７】第４図を参照すると電子ビーム発生装置３
３１はエッチング室３３の上部に設置されており、電子
ビーム４１を試料４２の表面に照射するようになってい
る。また、第２のガス導入部３８のノズル４３も試料４
２の表面にガスを照射できるように設けられている。さ
らに、試料４２の下部にはヒータ４４が設けられており
、電流導入端子４５からの通電により試料４２を加熱す
ることができる。

【０００８】以下、本発明のパターン形成方法に係る第
１の実施例を第１図、第３図、及び第４図を参照して説
明する。まず、成膜室３１に導入されたＧａＡｓ基板１
０をマグネットフィードスルー３６ａ及び３６ｂを用い
て試料加熱室３０に搬送した。試料加熱室３０を１×１
０−８　Ｔｏｒｒ　以下に減圧し、試料加熱室３０に搬
送したＧａＡｓ基板１０を、内部に設置されている加熱
装置により約２００℃に加熱し、１０分間その状態を保
持した。 この処理により、基板１０表面に吸着している水分子を
除去できた。

【０００９】次に、基板１０をマグネットフィードスル
ー３６ｂによってＭＢＥ室３２に搬送した。ＭＢＥ室３
２に搬送されたＧａＡｓ基板１０上に第１図（ａ）に示
すようにＧａＡｓバッファ層１１を０．２　μｍ　、Ａ
ｌｘＧａ１−ｘ　Ａｓクラッド層１２（０＜ｘ＜１）を
１．２　μｍ　、及びＧａＡｓガイド層１３を０．２　
μｍ　連続的に成長させた。このウエハー１４をＭＢＥ
室３２と超高真空の通路により結合された試料交換室３
４へマグネットフィードスルー３６ｂ等を用いて成膜室
３１へ搬送した。

【００１０】成膜室３１はターボ分子ポンプまたはイオ
ンポンプ等の真空ポンプ（図示せず）により排気されて
おり、残留ガス圧は１×１０−８　Ｔｏｒｒ　以下に保
たれている。次に、この成膜室３１に第１のガスである
高純度酸素ガス５１を分圧１０　Ｔｏｒｒ　以上で導入
すると共に、第１図（ｂ）に示すようにハロゲンランプ
光５２をウエハー１４表面上に照射した。このときウエ
ハー１４上での光照射エネルギー密度は５０Ｊ／ｃｍ２
　とした。このハロゲンランプ光５２は第２図の露光ユ
ニット３７により、ウエハー１４表面上に集光させた。 この操作によりＧａＡｓガイド層１３上にはＧａＡｓ酸
化膜１５が形成された。この表面のＧａＡｓ酸化膜１５
の密度および厚さは光の照射エネルギー密度、酸素圧力
で制御することが可能であった。

【００１１】続いて、真空ポンプにより成膜室３１の圧
力を１×１０−７　Ｔｏｒｒ　以下に排気した後、この
、表面にＧａＡｓ酸化膜１５を付けたウエハー１４をエ
ッチング室３３へ搬送した。エッチング室３３に搬送さ
れたウエハー１４をウエハーホルダー（図示せず）に取
り付け、電子ビーム４１をウエハー１４表面に照射した
。電子ビーム４１は、その径を５０ｎｍとし、かつ１０
ｐＡの電流として１５０ｎｍ幅のライン・アンド・スペ
ースのパターンを描くように走査させた。ＧａＡｓ酸化
膜１５は電子ビームが照射されると層厚が薄くなり、か
つＧａＡｓ層との結合が弱まり、改質される。即ち、電
子ビームの走査に従って、ＧａＡｓ酸化膜１５にライン
・アンド・スペースのパターンが形成された。

【００１２】電子ビームの照射を停止した後、エッチン
グ室３３内にノズル４３から第２のガスである塩素ガス
５３を導入した。ここで、ウエハー１４はヒータ４４に
よって７０℃に昇温しておいた。塩素ガス５３の導入は
ウエハー１４の表面上で直径数ｍｍの範囲にわたって照
射された。このときのエッチング室３３の室内の圧力は
１×１０−５　Ｔｏｒｒ　に上昇した。ウエハー１４は
、第１図（ｃ）に示すように酸化膜１５の改質された部
分のみ塩素ガスによってエッチングされた。この塩素ガ
スによるエッチングは、最上部のＧａＡｓガイド層１３
のみならず、その下のＡｌＧａＡｓクラッド層１２にも
及び、そのエッチング速度はＧａＡｓ層１３に対しても
、ＡｌＧａＡｓ層１２に対してもほぼ同じであった。

【００１３】本実施例では化合物半導体基板表面に第１
のガスを照射してマスク層を形成し、続いて電子ビーム
を用いてパターンを形成し、第２のガスを用いてエッチ
ングを行うので、化合物半導体表面近傍に結晶欠陥を引
き起こすこと無く微細なパターンを形成することができ
る。

【００１４】次に、このようにして表面にＧａＡｓガイ
ド層１３とＡｌＧａＡｓクラッド層１２とにパターンを
有するウエハー１４をＭＢＥ室３２に搬送した。ＭＢＥ
室３２に搬送されたウエハー１４をその表面にＡｓ分子
線を照射しながら６００℃に昇温し約３０分の表面クリ
ーニングを行った。この表面クリーニングにより、パタ
ーンを有するＧａＡｓ酸化膜１５は除去され、純粋な結
晶表面を得ることができた。（このクリーニングの度合
のモニターには反射電子線回折（ＲＨＥＥＤ）法を用い
た。）本実施例ではこのように清浄な表面が得られるの
でその表面にエピタキシャル成長層を形成できる。

【００１５】続いて、Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ上部ク
ラッド層１６を１．５　μｍ　、ＧａＡｓ酸化防止層１
７を０．１　μｍ　成長させた。このようにして超高真
空装置からウエハーを大気中に取り出すことなく第１図
（ｄ）に示すような所望の埋め込み構造が得られた。

【００１６】上記のように、本実施例では、全ての工程
を真空容器内で行うのでエッチングの均一性、制御性、
再現性の向上が達成できた。なお、本実施例では、化合
物半導体基板の表面にマスクを形成するためのガス（第
１のガス）として酸素を用いた場合について説明したが
、酸素の代わりに、砒素、燐、硫黄、セレン、及びそれ
らを含むガス状化合物、並びにガス状アンモニアのうち
少なくとも１つを含むガスを用いることによっても同様
の効果を得ることができた。また、本実施例では、第２
のガスとして塩素ガスを用いたが、ハロゲン、ハロゲン
化合物、Ｖ族水素化物、水素、及びこれらのラジカルの
うち少なくとも１つのガスを含むガスを用いても同様の
効果が得られた。

【００１７】次に第２図を参照して第２の実施例を説明
する。第２図にその工程の概略図を示す。ここで、使用
した装置は第１の実施例と同様のものである。まずＩｎ
Ｐ基板２１をＭＢＥ室３２に搬入し、その表面上にガス
ソースＭＢＥを用いてＩｎＧａＡｓＰ層２２を０．５　
μｍ　成長させた。このウエハー２３を成膜室３１に搬
送し、第２図（ａ）に示すように第１の実施例と同様、
酸素ガス２４を、導入圧力１０ｍＴｏｒｒ　で導入する
と共に、光ビーム２５を照射して第２図（ｂ）に示すよ
うなＩｎＧａＡｓＰ酸化膜２６を形成した。次にＩｎＧ
ａＡｓＰ酸化膜２６が形成されたＩｎＰウエハー２３を
エッチング室３３に搬送した。そして、ＩｎＧａＡｓＰ
酸化膜２６上に２００ｎｍ幅のグレーティング（ライン
・アンド・スペース・パターン）を形成するように走査
させた。電子ビームの照射を停止した後、基板温度を３
００℃，エッチングガス５４として、臭素：水素＝１：
１０（温度は３５０℃に上昇させた）を用い手エッチン
グを行った。このエッチングにより第２図（ｃ）に示す
ように電子ビームを照射した領域のＩｎＧａＡｓＰ酸化
膜２６が除去され、引き続き酸化膜２６の除去された部
分のＩｎＧａＡｓＰ層２２のエッチングを行うことがで
きた。本実施例においても第１の実施例と同様に結晶欠
陥を引き起こすこと無く微細な加工をすることができる
。

【００１８】続いて、第１の実施例と同様に、ウエハー
２３をＭＢＥ室３２に移し、Ｐ分子線を照射しながら硫
化物膜２４を除去した。この後、ＩｎＧａＡｓＰ活性層
２７、ＩｎＰ閉じ込め層２８、ＩｎＧａＡｓＰコンタク
ト層２９を結晶成長した。この結果、第２図（ｄ）に示
すように電子ビーム照射領域の部分でメサが形成された
。このときのエッチングでは、電子ビームを照射した部
分の深さは約　０．３μｍであり、エッチング面は鏡面
であった。なお、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、半導体材料としてＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，Ｇａ
Ｐ，ＩｎＧａＡｌＰ，ＡｌＧａＳｂ等の化合物半導体に
適応することができる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、化合物半導体表面に第
１のガスを照射してマスク層を形成する第１の工程と、
電子ビームを照射してマスク層をパターン化する第２の
工程と、第２のガスによってエッチングを行う第３の工
程とを真空容器内で連続して行うことで、化合物半導体
を大気に曝すことなく容易に加工プロセスを実行できる
。また、第３の工程に引き続き、Ｖ族分子線を用いてマ
スク層を取り去る第４の工程と、結晶成長を行う第５の
工程とを真空容器内で連続して行うことで一連の基板加
工プロセス及び結晶成長プロセスにおいて化合物半導体
を大気に曝すこと無く、制御された雰囲気下で行うこと
ができ、化合物半導体の表面汚染、あるいは界面での不
純物の取り込みを押さえることができる。さらに、一つ
の装置内で、化合物半導体基板を大気に曝すこと無く加
工、成長ができるので半導体の表面洗浄等の時間を省略
することができる。さらにまた、ウエットエッチングに
比べ、工程数が少なく加工時間の短縮を計ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパターン形成方法の第１の実施例のプ
ロセス工程図である。

【図２】本発明のパターン形成方法の第２の実施例のプ
ロセス工程図である。

【図３】第１、第２の実施例のプロセスで使用される真
空システムの概略図である。

【図４】第３図のエッチング室の斜視図である。

【符号の説明】

１４　　　　　　ウエハー １５　　　　　　ＧａＡｓ酸化膜 ２３　　　　　　ウエハー ２６　　　　　　ＩｎＧａＡｓＰ酸化膜３０　　　　　
　試料加熱室 ３１　　　　　　成膜室 ３１１　　　　窓 ３２　　　　　　ＭＢＥ室 ３３　　　　　　エッチング室 ３４　　　　　　試料交換室 ３５　　　　　　ゲートバルブ ３６　　　　　　マグネットフィードスルー３７　　　
　　　露光ユニット ３８　　　　　　第２ガス導入部 ３９　　　　　　マニピュレータ ４１　　　　　　電子ビーム ４３　　　　　　ガスノズル ４４　　　　　　ヒーター ４５　　　　　　電流導入端子 ５１　　　　　　酸素ガス ５２　　　　　　ハロゲンランプ光 ５３　　　　　　塩素ガス ５４　　　　　　エッチングガス

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　所定の層構造を有する　ＩＩＩ−Ｖ族
   化合物半導体ウエハーの表面に第１のガスを照射して前
   記ウエハーの表面をマスク層化する第１の工程と、前記
   前記マスク層の所定領域に電子ビームを照射して改質し
   パターンを形成する第２の工程と、第２のガスを照射し
   前記パターンに従って前記ウエハーのエッチングを行う
   第３の工程とを含み、前記第１乃至第３の工程はそれぞ
   れ１×１０−５Ｔｏｒｒ　以下にできる複数の真空容器
   内で連続して行われることを特徴とする　ＩＩＩ−Ｖ族
   化合物半導体の構造形成方法。
2. 【請求項２】　　前記第３の工程に引き続き、前記ウエ
   ハー表面にＶ族分子線を照射し、前記マスク層を除去す
   る第４の工程を含むことを特徴とする請求項１のＩＩＩ
   −Ｖ族化合物半導体の構造形成方法。
3. 【請求項３】　　前記第４の工程に引き続き、前記ウエ
   ハーの表面に　ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体をエピタキシ
   ャル成長させる第５の工程を含むことを特徴とする請求
   項２の　ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構造形成方法。
4. 【請求項４】前記第１のガスとして、砒素、燐、硫黄、
   セレン、酸素、炭化水素、及びそれらを含むガス状化合
   物、並びにガス状アンモニアのうち、少なくとも１つを
   含むガスを用いることを特徴とする請求項１、請求項２
   、または請求項３の　ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構造
   形成方法。
5. 【請求項５】前記第２のガスが、ハロゲン、ハロゲン化
   合物、Ｖ族水素化物、水素、酸素、及びこれらのラジカ
   ルのうち少なくとも１つを含むガスであることを特徴と
   する請求項１、請求項２、または請求項３の　ＩＩＩ−
   Ｖ族化合物半導体の構造形成方法。
6. 【請求項６】前記第３の工程が前記ウエハーを加熱しな
   がら行われることを特徴とする請求項１，２，３，また
   は請求項４記載の　ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の構造形
   成方法。