JPH02288333A - 化合物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］ 本発明は、化合物半導体ウェハーにパターンを形成する
方法に係り、特に、７ヒ子ビームによるパターン形成が
可能な吸着分子層をマスクとして利用するパターン形成
方法に関する。

［従来の技術］ 現在、ＧａＡｓやＩｎＰを始めとするｍ−ｖ族生導体素
子は光通信やコンパクトディスクプレーヤなどの分野に
おいて広く応用されており、その多くは素子作製におい
て何らかのパターン形成のための工程を含んでいる。そ
して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。このようなより小さな
パターンを形成するため荷電粒子を用いた露光やエツチ
ングが精力的に開発されている。中でも電子ビームを用
いたパターン形成方法は基板に与える損傷が非常に小さ
いため実用上最も望ましい方法の一つである。■−■族
半導体の電子ビームによるパターン化が可能なエツチン
グ方法として２本発明の発明者らはＧａＡｓを対照とし
た電子ビームエツチングを示した（Ｊａｐａｎｅｓｅ　
　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ、２８（３）　、　　Ｌ５１５−Ｌ５１７（１９８
９）参照）。この場合のパターンエツチングの方法につ
いて第４図を参照して以下に簡単に説明する。

第４図に示す方法の特徴的な点は半導体基板上の吸石原
子をエツチングのマスクとして利用する点である。

第４図（ａ）を参照してまず、大気中より真空チャンバ
ーにＧａＡｓ基板４１を導入する。このときＧａＡｓ基
板４１上には酸素と炭素よりなる吸着分子層４２を存在
させておく。この吸着分子層４２付きのＧａＡｓ基板４
１に塩素ガス４３と電子ビーム４４を同時に照射する。

このとき電子ビーム４４はエツチングすべきパターンを
描くように基板上を走査させる。なお、基板温度は１０
０℃とした。

表面の吸着分子層４２は電子ビーム４４と塩素ガス４３
の相互作用により第４図（ｂ）に示すように電子ビーム
４４を走査させた領域のみにおいて選択的に除去される
。すなわち電子ビーム４４の照射された部分４５におい
てＧａＡｓ基板４１が塩素ガス４３と直接接触すること
となる。このように１００℃に昇温されたＧａＡｓ基板
４］と塩素ガス４３が直接接触する部分においては、純
粋な化学反応によりエツチングが進行する。結果として
電子ビームにより走査された領域のみにおいてＧａＡｓ
基板４１がエツチングされ、パターンを形成することが
できるわけである。

この方法によりエツチングされたＧａＡｓは加工表面は
鏡面であり、かつ結晶に誘起される欠陥も非常に少ない
など多くの利点を有していることがわかった。また、こ
の方法はパターンエツチングの後に熱によるクリーニン
グを施すことにより吸着分子層４２を基板全面から除去
することが可能なため、Ｒ空チャンバーから基板を取り
出すことなく結晶成長のプロセスを実施することが可能
である。

この従来の方法における電子ビーム４４及び塩素ガス４
３のＧａＡｓ基板４１に対する照射時間とＧａＡｓのエ
ツチング深さの関係を第５図に示す。この図には第４図
（ａ）　、（ｂ）　、（ｃ）に示した各状態を（ａ）　
、　（ｂ）　、（ｃ）として表しである。約２０分間で
０゜６μｍの深さのエツチングが達成されていることが
わかる。またこの図より１本エツチング方法では表面吸
着分子層４２を除去するためにある程度の時間（ここで
は約５分間）が必要であり。

実際のエツチングはその後、進行していることが理解で
きる。このエツチング遅れ時間はエツチングに用いる電
子ビームの密度及び塩素ガスの供給量に正の相関がある
。本従来例での電子ビーム平均密度は約１０１２電子／
Ｃ−・Ｓ、塩素ガスの供給量はｌＸｌ０”分子／Ｃ−・
Ｓである。

上記方法を用いて実際に半導体素子を作製するときは、
一つのウェハーに複数のパターンを作製することが必要
となる。例えば、第６図（ａ）〜（ｄ）に示すよう１表
面に吸む分子層６２を堆積させたｃａＡｓ基板６１に塩
素ガス６３を照射しながら、第６図（ａ）、第６図（ｂ
）、第６図（ｃ）　−・・第６図（ｄ）といった具合に
順番に電子ビーム６４を走査させて所定範囲の吸着分子
層６２を除去してエツチングを行なっている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のようにウェハーと反応し。

ウェハーのエツチングが可能なガスを照射しながら、所
定範囲の吸着分子層を順番に除去していくと、吸着分子
層が除去されたところからエツチングが開始され、結果
、複数の各パターンはそれぞれのエツチング深さが異な
り、半導体素子としての特性にばらつきが生じるという
問題点がある。

本発明は、エツチング深さを均一にできる電子ビームを
用いるパターン形成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］ 本発明は化合物半導体ウェハー表面に吸６分子層を形成
し、その表面にガスと電子ビームを照射することによっ
て所定のパターンを形成する化合物半導体のパターン形
成方法において、前記化合物ウェハーをエツチングしな
い第１のガスを前記吸む分子層表面に照射すると共に電
子ビームを照射し所定範囲の該吸着分子層を除去して前
記化合物半導体ウェハーを露出させる第１の工程と、前
記吸着分子層を除去できない第２のガスを照射して前記
化合物半導体の露出した部分をエツチングする第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。

まず始めに１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２図の装置は、この装置へのウェハーの出し入れを行
うためのロードロック室２１．エピタキシャル成長を行
うためのＭＢＥ室２２．吸着分子層のパターン形成及び
エツチングを行うためのエツチング室２３を有している
。

これらロードロック室２１．ＭＢＥ室２２．およびエツ
チング室２３はそれぞれ通路によって準備室２５に接続
されている。そして、各通路には、ケートバルブ２４ａ
、２４ｂ、２４ｃが設けられている。また、各室２１，
２２．２３にはそれぞれ真空ポンプ（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ェハーを
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２６ａ、２６ｂを用いて搬送することができる。

エツチング室２３には吸着分子層にパターンを形成する
のに用いられる電子銃２７と第１ガス導入部２８が、ま
た、化合物半導体エツチングに用いられる第２ガス導入
部２９が備えられており。

本発明のパターン形成はこのエツチング室２３にて行わ
れる。

なお、第２のガス導入部２９には電子のサイクロトロン
運動を応用したプラズマ発生部２９ａと３極グリツド２
９ｂとがもうけられておりラジカル状態の分子を含んだ
ガスを照射することができる。

第２図のエツチング室２３は第３図のようのものであっ
ても良い。即ち、マスクにパターンを形成するための電
子銃３１と第１ガス導入部３２とを備えたパターン形成
室３３と、化合物半導体のエツチングを行うための第２
ガス導入部３４を備えたエツチング室３５とを別の室に
しても良い。

なお、この第２ガス導入部は、第２のガスを昇温するた
めのヒータ３６を備えている。

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２図を参照して説明する。

第１の実施例として、第１図（ａ）のウェハー１０にパ
ターンを形成し、その後エピタキシャル成長を行って量
子細線を作製した例を説明する。

ウェハー１０は、ＧａＡｓ基板１１上に、　ＭＢＥ（分
子線エピタキシャル成長）法を用いてＧａＡｓバッファ
層１２を０．３μｍ厚、ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層１３を
１．０μｍ厚、ＧａＡｓ１子井戸層１４を１２０ｎｇ＋
厚、連続的に成長しである。更に１表面層であるＧａＡ
ｓ１ｌｔ子井戸層１４の表面には、炭素および酸素から
なる吸着分子層１５を存在させである。

始めに、このウェハー１０をＭｏ（モリブデン）ブロッ
クに取り付ける。そして、このＭｏブロックに取り付け
られたウェハー１０をロードロック室２１に導入する。

次に、ロードロック室２１をロータリーポンプ及びター
ボ分子ポンプ（図示せず）を用いて、２Ｘ　１０−６Ｔ
ｏｒｒまで排気し、すでにイオンポンプを用いてＩ　Ｘ
　１０−９Ｔｏｒｒ以下の真空度に維持されているエツ
チング室２３にウェハー１０を搬送する。

続いて、このウェハー１０を１００℃に加熱し。

その表面に第１のガスである水素１８と電子ビーム１９
とを照射した。ここでは電子ビーム１つのビーム径を１
５ｎｒａとして、１５Ｏｎｍ幅のライン＆スペースのパ
ターンを描くように走査させた。また、水素ガス１８は
８００℃に昇温し、ウェハー１０の表面全体に均一に照
射した。電子と高温の水素分子と表面吸着分子層との相
互作用により。

ウェハー上の吸着分子層１５は第１図（ｂ）の様に電子
ビーム１９を走査させたところのみが除去された。

なお、水素分子と電子ビームの照射では、量子井戸層１
４は全くエツチングされていなかった。

即ち、すべてのパターンのエツチングを同時に開始する
ことが可能となっている。

最、後に、第２のガスである塩素ガス２０をウェハー１
０の表面に照射した。このときのウェハーの温度は、第
２のガスとしてラジカル分子を含むガスを用いるときは
２００℃以下、ラジカル分子を含まないガスを用いると
きは３００℃以下にすることが望ましい。ここでは１％
のラジカル分子を含む塩素ガス２０を用い、基板の温度
は８０℃とした。

これにより、第１図（Ｃ）に示すように吸着分子層が除
去された領域はＧａＡｓと塩素ガスとの化学反応により
エツチングが進行する。一方、吸着分子層が存在する部
分ではＧａＡｓ１ｌ子井戸層に塩素ガスが接触しないの
でエツチングは進行しない。　この様に、複数のパター
ンのエツチングが同時に開始されるのでエツチング深さ
はほぼ等しくなる。このときのエツチング深さは、９０
ｎｍ〜１１００ｎの範囲に収まっていた。

こうして得られたパターンのエツチング面が鏡面である
ことを確認するため、引き続いて成長を行った。

まず、エツチングが終了したウェハー１０をエツチング
室２３からＭＢＥ室２２へ搬送し、砒素分子線５３を照
射する。この状態でウェハー１０を６００℃まで加熱す
ると、第１図（ｂ）に示すように、上記パターン形成の
ときに除去されなかったり残りの吸着分子層１５が除去
される。また。

ウェハー１０表面に付むした塩素ガスも蒸発する。

このとき、ＧａＡｓの蒸発は非常に微小であるので、形
成されたパターンが崩れるようなことはない。

次に１分子線がウェハーの表面に均一に照射されるよう
にウェハーを回転させながら、Ａ、ＱＧａＡｓ閉じ込め
層を１．２μ■厚、ＧａＡｓ酸化防止層を１００１厚成
長した。

こうして第１図（ｅ）のようなＧａＡｓ量子細線が得ら
れ、綺麗な成長層が積層されており清浄なエツチング面
が得られることが確認できた。

本発明のパターン形成方法に係る第２の実施例を説明す
る。

第２の実施例では第３図の装置を用いた。なお。

準備室、成長室、及び、ロードロック室については第２
図の装置と同じなので省略しである。

この装置を用いて１分布帰還型半導体レーザを作成した
例を説明する。

Ｍ　Ｂ　Ｅ室でＩｎＰ基板上にＩｎＰ閉じ込め層。

ＩｎＧａＡｓＰ活性層、及び、ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド
層を成長したウェハーを準備室に搬送する。

準備室に搬送されたウェハーを３５０℃に加熱し。

Ｌ＄備玄室内酸素を導入圧内約５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒ
ｒで導入する。こうして、ウェハー表面のＩ　ｎＧａＡ
ｓＰ光ガイド層ニガ４１層上分子層が形成される。

次に酸素吸着分子層が形成されたウェハーをパターン形
成室３３に搬入する。そしてウェハーを４００℃に加熱
し、水素分子と電子ビームとをウェハーの表面に照射す
る。電子ビームは２０　Ｏｎｍ幅のグレーティング（ラ
イン＆スペースパターン）を形成するように走査させた
。これで、電子ビームを照射した範囲の吸着分子層が除
去され所定のパターンが形成された。第１の実施例と同
様に。

この工程でも吸着分子層の下に位置するＩｎＧａＡｓＰ
光ガイド層のエツチングは見られなかった。

次にウェハーをエツチング室３５に移す。ウェハーを１
５０℃に加熱し、ヒータで５００℃に加熱した臭素ガス
をウェハー表面に照射する。臭素ガスは吸着分子層と反
応しないので、吸着分子層が存在しない部分のＩｎＧａ
ＡｓＰ光ガイド層のみがエツチングされる。ここで臭素
ガスの温度を高くするのは、成長方向のエツチング面が
より垂直に近くするためである。

こうして、第１の実施例と同様に深さのほぼ等しいエツ
チングを行うことができた。

この後、第１の実施例と同様に、ＭＢＥ室にウェハーを
移し、残りの吸着分子層を除去してＩｎＧａＡｓＰ活性
層、ＩｎＰ閉じ込め層、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を
成長した。

なお、上記例では、ＧａＡｓ、ＩｎＰをエツチングする
例を述べたが、ＡＩ　ＧａＡｓ、Ｉ　ｎＧａＡｓＰ、Ｉ
ｎＧａＡ、１７Ｐ等の化合物半導体であっても良い。

また、吸着分子層には、酸素、炭素以外に窒素。

砒素、リン、硫黄、アンモニア、そして、アルシン等も
用いることができる。

更に、第１のガスは、化合物半導体を全くエツチングし
ないものが望ましいが、電子ビーム照射領域における吸
着分子層のエツチング速度が、電子ビーム照射領域の化
合物半導体及び電子ビーム照射領域外の吸着分子層のエ
ツチング速度より速ければよい。

また、第２のガスは、吸着分子層を全くエツチングしな
いものが望ましいが、吸着分子層のエツチング速度が化
合物半導体のエツチング速度よりも遅ければよい。

［発明の効果］ 本発明によれば、第１の工程では化合物半導体をエツチ
ングし得ないガスを用い、第２の工程では吸着分子層を
除去できないガスを用いるようにしたことで、複数のパ
ターンのエツチング深さを等しくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のパターン形成方法の第一の実施例の工
程を説明するための図、第２図及び第３図は本発明パタ
ーン形成方法に用いられる装置の概略図、第４図は従来
のパターン形成方法の工程を説明するための図、第５図
は電子ビーム及び塩素ガスの照射時間とエツチング深さ
の関係を示すグラフ、第６図は従来のパターン形成方法
を用いた素子作製の工程図である。 １０・・・ウェハー、１１・・・ＧａＡｓ基板、１２・
・・ＧａＡｓバッファ層、　　１３−Ａ　１）　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ閉じ込め層、１４・・・ＧａＡｓ量子井戸層、
１５・・・吸着分子層、１６・・・ＡｊＪＧａＡｓ閉じ
込め層、１７・・・ＧａＡｓ酸化防止層、１８・・・水
素ガス、１９・・・電子ビーム、２０・・・塩素ガス、
２１・・・ロードロック室。 ２２・・・ＭＢＥ室、２３・・・エツチング室、２４ａ
。 ２４ｂ、２４ｃ・・・ゲートバルブ、２５・・・準備室
。 ２６ａ、２６ｂ・・・マグネットフィードスル、２７・
・・電子銃、２８・・・ガス導入部、２つ・・・第２の
ガス導入部、２９ａ・・・プラズマ発生部、２９ｂ・・
・３極グリツド、３１・・・電子銃、３２・・・第１の
ガス導入部、３３・・・パターン形成室、３４・・・第
２のガス導入部、３５・・・エツチング室、３６・・・
ヒータ、４１・・ＧａＡｓ基板、４２・・・吸着分子層
、４３・・・塩素ガス、４４・・・電子ビーム、４５・
・・電子ビーム走査領域、６１・・・ＧａＡｓ基板、６
２・・・吸着分子層。 ６３・・・塩素ガス、６４・・・電子ビーム。 第１図（ｂ） Ｕ 第１図（ｃ） 第 図（ｄ） 第 図（ｅ） 第４図 第５図 電子ビーム及び塩素ガスの唄射時間（分）第６図 弘

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、化合物半導体ウェハー表面に吸着分子層を形成し、
   その表面にガスと電子ビームを照射することによって所
   定のパターンを形成する化合物半導体のパターン形成方
   法において、前記化合物ウェハーをエッチングしない第
   １のガスを前記吸着分子層表面に照射すると共に電子ビ
   ームを照射し所定範囲の該吸着分子層を除去して前記化
   合物半導体ウェハーを露出させる第１の工程と、前記吸
   着分子層を除去できない第２のガスを照射して前記化合
   物半導体の露出した部分をエッチングする第２の工程と
   を含むことを特徴とする化合物半導体のパターン形成方
   法。 ２、請求項１記載の化合物半導体のパターン形成方法に
   おいて、前記第１の工程及び前記第２の工程は導入ガス
   以外の残留ガスの分圧が１×１０＾−＾５Ｔｏｒｒ以下
   の真空容器内で行なわれることを特徴とする化合物半導
   体のパターン形成方法。