JPH02267937A - 化合物半導体のエッチング方法 - 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、ＩＩ−Ｖｌ族化合物半導体のエツチング［従
来の技術］ 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
方向に進行し、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エットエツチングは、他
のｍ−ｖ族化合物半導体などに比べ、問題が多い。例え
ば、ｚｎｓｅ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、Ｚｎ５ｅＳ　
Ｚｎ５ｘＳｅ＋−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く、［−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（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、ＢＣＩｓ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、許容される範匣のものではない。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。

このように、従来の方法による■−■族化合物半導体の
エツチングは、非常に困難であり、特にエツチング深さ
の再現性に乏しいので、■−■族化合物半導体を用いた
デバイスの量産技術において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つ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、該イオンビームに
よりドライエ・ツチングを行う前に、該ＩＩ−Ｖｌ族化
合物半導体の表面に希ガスのイオンビームを照射する工
程を含むことを特徴とする。

［実　施　例］ 以下本発明の方法によりＩｆ−ＶＩ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５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ツ
ツ型コイル９で囲まれ、マイクロ波導波管１０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。さらに小７と、Ｍ
でめ寓ｔ＼僧解ハ市１と１ら、彎−７−ｉ斗しあ２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。ＥＣ
Ｒ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５図の装置により、Ｚｎ５ｅをエツチング
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、ｌ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パ状となる。基板をサンプルホ
ルダー１３に設置した後、エツチングを行う前に希ガス
のイオンビームによる基板表面のクリーニングを次のよ
うに行った。純アルゴン（９９，９９９９％）ヲ用いヘ
　ガｗ！ｕ力、０Ｍｌ０−’Ｉ）ａ−ｑｌ／）！！？ｔ
ｅ人射出力１００Ｗ、　　引出し電圧４００Ｖ、試料悪
文２５℃で基板に対し垂直にアルゴンイオンビームを照
射スる。アルゴンイオンビームにより基板表面の残留不
純物がスパッタされ清浄な基板表面が得られる。しかる
のち、反応性ガスとして純塩素（９９，９９９％）を用
い、ガス圧力、０Ｘ１０−’Ｐａ、マイクロ波入射出力
１００Ｗ、引出し電圧５００Ｖ、試料温度２５°Ｃ１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。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６００Ａ／分、
一方フオドレジスト（ポジタイプ）のエツチング速度は
、ポストベークの条件を１２０℃、３０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。またエツチング前のアルゴンイ
オンビームのクリーニングにより、これを行わない時よ
りもエツチング速度の安定化及び再現性が向上する。さ
らにエツチング速度の面内分布は、２０ｍｍＸ２０ｍｍ
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Ｚｎ５ｅ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層の損傷はほとんどな
いことがわがる。

第３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３図（ａ）に示すようにＺｎ５ｅｌ上
にフォトレジスト３（ポジタイプ）をスピンコードし、
２００℃で３０〜１２０分ベークし、Ｔｉ４を約１００
０　ＡＳ　　電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３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３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３図（
ｄ）に示すように、Ｔ１４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、基板表面のアルゴンイオ
ンビームによるクリーニング及び純塩素ガスによるＺｎ
５ｅのエツチングを行えば第３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３図の方法は有効
な手段といえる。また基板表面のアルゴンイオンビーム
によるクリーニングはサイドエッチの抑制に効果があっ
た。

第４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４図（ａ）はエツチング前の
状態、第４図（ｂ）は（ａ）の基板に対し、矢印で示す
方向よりイオンビームを入射させ、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間に優先的
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＋−
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、５ｉＯＸｓＳｉＮＸなどの絶
縁物、　ＭＯｌＮｉなどの金属についても有効である。

また、エツチングガスとして、純塩素ガスを用いている
が、ハロゲン元素を含むガス、例えば　ＢＣｌ３、ある
いはＣＣ１２Ｆ２、などでもよい。また基板表面のクリ
ーニングはアルゴンイオンビームを用いているが、他の
希ガスのイオンビームでもかまわない。

［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。

■−■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。

さらに、エツチング前の希ガスのイオンビームによる基
板表面のクリーニングを行うことにより、基板表面の酸
素、炭素等の不純物がスパッタ作用により取り除かれる
。その結果、■−■族化合物半導体のドライエツチング
に於けるエツチング速度の安定化及びバッチ間の再現性
の向上、垂直断面加工の際のサイドエッチの抑制、また
異なる■−■族化合物半導体の等速エツチング等が可能
となり多様なデバイスの作製が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（１））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工程断面図。 第２図（ａ）、　（ｂ）は、それぞれ本発明の方法の実
施例によるエツチングの前後のＺｎ５ｅ層のフォトルミ
ネッセンスを示す図。 第３図（ａ）〜（ｅ）は、本発明により、ＺｎＳｅの垂
直端面加工を行った一実施例を示す工程断面図。 第４図＜ａ＞、　（ｂ）は、本発明の方法により、Ｚｎ
５ｅの斜め溝の加工を行つた一実施例を示す工程断面図
。 第５図は、本発明の実施例に用いたエツチング装置の構
成概略説明図。 ・Ｚｎ５ｅ基板 ・フォトレジスト ・フォトレジスト ・Ｔｉ ・フォトレジスト ・試料準備室 ・エツチング室 ・ＥＣＲプラズマ発生室 ・電磁石 ・マイクロ波導波管 ・引出し電極 ・試料 （ス） （トン ・・サンプルホルダー 一マニビニレータ ・・ガス導入部 ・搬送線 ・排気系 ・排気系 ・ゲートバルブ 以上 出願人セイコーエプソン株式会社 代理人弁理土鈴木喜三部（他１名） フｆｌ−ンニギｔｗ（−（ευ に） フォトンｆ−茶ルヤ一（Ｃ１） （トン 瑯Ｚ　ｒｆＪ （戊） 第 弘 ド

Claims (1)

【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ったイオンビームを
   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、該イオンビ
   ームによりドライエッチングを行う前に、該II−VI族化
   合物半導体の表面に希ガスのイオンビームを照射する工
   程を含むことを特徴とする化合物半導体のエッチング方
   法。