JPH04223329A - 微細パタ−ン形成方法および形成装置 - 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】本発明は電子ビ―ム表面励起反応
を用いた原子オ−ダ−での結晶成長ならびにエッチング
による微細パタ−ン形成方法および形成装置に関するも
のであり、次世代の半導体製造工程ならびに超微細構造
を要する新機能デバイスの作製に関する技術である。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】ＬＳＩの高集積化ならび
に新機能デバイスの研究開発に伴い、電気的光学的に優
れた超微細構造を実現する成膜および加工方法が必要と
されている。以下、従来の成膜技術と加工技術の課題に
ついて示す。現在、結晶薄膜の作成法として重要な方法
に、ＭＢＥ法およびＭＯＶＰＥ法がある。これらは良質
の超薄膜の作成が可能であるが、結晶成長を原子層オ−
ダ−で行うには成長条件を厳密に制御する必要がある。 従って、この問題を解決する成膜技術として、近年、原
子層エピタキシ―法（ＡＬＥ）が提案されている。ＡＬ
Ｅ法は化合物の成長に際して基板表面に原料ガスを交互
に供給することによって、原子層ごとの結晶成長を実現
するものである。表面での原料ガスの解離反応は基板か
らの熱により促進され、大面積にわたって均質な結晶薄
膜が形成される。またレ−ザ−照射により、原料ガスの
解離反応を部分的に促進し、パタ−ン形成を行うＬａｓ
ｅｒ−ＡＬＥ法があるが、レ―ザ―光によりナノメ―タ
オ−ダ−の超微細パタ−ンを形成することは困難である
。

【０００３】一方、現在ＬＳＩ製造工程の微細加工にお
いては、レジストパタ−ンを反応ガスのプラズマを用い
た反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって転写する
ことでハ−フミクロン幅程度の微細構造を形成している
（図４）。しかしこの方法では、図４（ｂ）に示すよう
に、被加工物１４である半導体基板をプラズマまたはプ
ラズマ内で生成された荷電粒子１１に曝すため、イオン
衝撃による損傷１５を生じることが問題となっている。 従って、これらの荷電粒子のエネルギ−を下げる必要が
あるが、その場合、粒子の直進性が損なわれるため、微
細構造の形成が困難になる。また原子層ごとの結晶成長
（ＡＬＥ）技術に関する研究が進められているのに対し
て、原子層ごとの加工方法に関する研究例は少なく、表
面反応の励起源としてレ−ザ―（　Ｐ．　Ａ．　Ｍａｋ
ｉ　ａｎｄ　Ｄ．　Ｊ．　Ｅｈｒｌｉｃｈ　：　Ａｐｐ
ｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．５５（１９８９）９１．
）またはイオンビ−ム（　Ｔ．　Ｍｅｇｕｒｏ，　Ｍ．
　Ｈａｍａｇａｋｉ，　Ｓ．　Ｍｏｄａｒｅｓｓｉ，　
Ｔ．　Ｈａｒａ　ａｎｄ　Ｙ．　Ａｏｙａｇｉ：　Ａｐ
ｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．５６（１９９０）１５
５２．）の場合が報告されているだけであり、電子線を
用いた原子層ごとの超微細加工法に関する研究は未だ着
手されていない。本発明はこのような従来の事情に対処
してなされたもので、原子層オ−ダ−での超微細３次元
構造を形成するための方法およびその装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、真空雰囲気中
に原料ガスを導入し、基板表面にガス吸着層を形成した
後、原料ガスの排気を行い、次いで該吸着層にビ―ム径
を細く絞った電子線を照射することにより微小領域での
原料ガスの解離反応を励起し、原材料の堆積層を形成し
て微細パタ−ンでの結晶成長を単原子層毎に行うことを
特徴とする微細パタ−ン形成方法および真空雰囲気中に
反応ガスを導入し、被加工物表面にガス吸着層を形成し
た後、反応ガスの排気を行い、次いで該吸着層にビ―ム
径を細く絞った電子線を照射することにより微小領域で
の反応ガスと基板材料との化学反応を起こさせ、その後
、反応生成物を揮発性物質として取り除くことで被加工
物表面に原子層毎の微細パタ−ンのエッチング加工を行
うことを特徴とする微細パタ−ン形成方法である。また
、上記の方法を実施するための微細パタ−ン形成装置は
、集束用のレンズ系およびビ―ム走査用の偏向系を備え
た励起用電子銃と、基板加熱装置と、基板表面上に吸着
層を形成するガス導入システムとを具備した超高真空槽
、ならびにこれらの制御系を備えてなることを特徴とす
る。

【０００５】即ち、本発明は基板上の表面吸着層に集束
した電子ビ―ムを照射することによって化学反応を促進
し、結晶成長ならびに加工を行うものであり、基板に対
してＸＹ方向については電子線のビ―ム径に相当するナ
ノメ―タレベル制御性、Ｚ方向の結晶成長およびエッチ
ング量については原子層オ−ダ−の制御性を有する。結
晶成長の観点から見た場合、従来の原子層エピタキシ−
法（ＡＬＥ）は基板の熱またはレ−ザ−照射によって原
料ガスの解離反応を促進していたのに対して、本方法に
おいては集束した電子ビ―ムを用いているため、微小な
領域の反応を促進することが可能であり、結晶成長を行
いながらの微細構造形成が可能となる。一方、微細加工
の観点から見た場合、電子線による表面励起反応を用い
た原子層ごとのエッチング加工技術は報告されていない
。本発明においては、反応ガスの吸着層を形成した後に
電子線照射してエッチング加工を行う工程を繰り返すも
ので、１工程ごとの加工量は原子層ごとで進行し、高精
度でエッチング量を制御することができる。また表面反
応の励起方法として電子線を用いるため、従来の反応性
イオンエッチングのようにイオン衝撃によって損傷を受
けるということはない。さらに電子線を集束することで
、結晶成長の場合と同様に微細構造の形成が可能である
。

【０００６】本発明による微細パタ−ンの形成に際して
は、集束した電子線を走査することによって行うことが
できる。電子線は光やイオンでは困難なナノメ−タレベ
ルの集束ビ―ムを得ることができ、微細構造を得る手段
として適している。加えてレンズ系による集束およびＸ
Ｙ方向のビ―ム偏向が高精度で制御できるため、原子レ
ベルでの結晶成長ならびに加工を直接描画しながら３次
元の微細パタ−ンを形成することが可能である。

【０００７】

【作用】本発明による微細パタ−ン形成方法では、まず
基板または被加工物を洗浄して真空槽に設置し、排気を
行い、超高真空中での加熱またはイオンシャワ−によっ
て酸化膜のない清浄表面を得る。これを所定の温度に保
持しながら、高純度の原料ガスまたは反応ガスを真空槽
内に導入し、表面に吸着層を形成する。その後、電子ビ
―ムを照射して表面での化学反応を促進して原子層ごと
の結晶成長およびエッチング加工を行う。上記の機構を
図１および図２に示した。原子層成長およびエッチング
加工の１サイクルは、■ガスの導入、■排気、■電子ビ
―ムの照射、■排気の４工程からなる。

【０００８】図１は結晶成長についての工程図で、まず
図１（ａ）に示すように、基板１８上に原料ガス１６を
導入し、図１（ｂ）に示すように、排気して基板１８の
表面に原料ガス吸着層１７を形成する。この工程は、基
板または被加工物の温度を適切に設定することで必要な
吸着層１７が得られる。次いで図１（ｃ）の電子ビ―ム
１９による照射を行い、表面励起反応を促進する。結晶
成長の場合は、原料ガスの解離反応を励起し、基板表面
上に原子層を形成するものである。次いで排気すること
により、図１（ｄ）に示すように、反応生成物２０が除
去され、基板１８上には堆積層２１が形成される。

【０００９】一方、図２はエッチング加工の工程を示し
たもので、図２（ａ）に示すように、被加工物２５に反
応ガス２２を導入し、次いで排気することにより、図２
（ｂ）のような反応ガス吸着層２３を形成する。その後
、図２（ｃ）に示すように、電子ビ―ム２６を照射して
吸着原子と被加工物表面原子との間に化学結合を生じさ
せ、揮発性の反応生成物２７を形成する。この工程の化
学反応によって生じた生成物は自発的に真空中に放出さ
れ、排気することで、図２（ｄ）に示すように揮発性反
応生成物２７が除去されて１サイクルが完了する。

【００１０】以上の工程に際して原料ガスならびに反応
ガスの供給は表面吸着層から行われるため、１サイクル
ごとに進行する成長および加工量は制限され、結果的に
原子層オ−ダ−での制御が可能である。微細パタ−ンの
形成は電子線を細く絞り、これを走査することで微小領
域の化学反応を誘起し、パタ−ン形成を行うことができ
る。この際、反応に寄与する吸着層は原子レベルで薄く
、かつ加速された電子ビ―ムは直進性に優れていること
から、基板に対して垂直に切り立ったナノメ−タ―レベ
ルの３次元微細構造を有する結晶成長ならびに加工が可
能である。また本発明の方法においては、加工に際して
、被加工物構成原子を物理的に除去するのではなく、電
子線のアシストによる化学反応を用いているため、電気
的光学的にも優れた低損傷の微細構造を実現できる。

【００１１】結晶成長における原料ガスとしては、結晶
構成元素を含む有機化合物、塩化物および水素化合物が
挙げられる。これらの原料ガスを選択することによって
、種々の結晶薄膜を作成することが可能である。また化
合物の成長に際しては、各々の構成元素を含む原料ガス
を基板表面に交互に供給し、これを解離させることで実
現できる。一方、エッチング加工に際しては、被加工物
の構成元素と反応して、揮発性化合物を形成するものを
用いればよく、化合物に応じて反応ガスを選択すれば多
種の材料についての応用が可能である。

【００１２】本発明では、数種の材料の結晶成長ならび
にエッチング加工が、同一の真空槽内で、導入ガスの種
類をかえるだけで連続して行うことができる。このこと
は結晶成長面や加工面さらには異種材料の接合界面の高
品質化につながり、次世代のＬＳＩ製造工程および新機
能デバイスの作製に重要な方法となり得る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。本実施例では、ジエチルゲルマン（Ｇｅ
Ｅｔ２Ｈ２）を用いたＧｅ薄膜の成長、ならびにＣｌ２
ガスを用いたＳｉのエッチング加工例について詳細に説
明する。本発明の実施に際しては図３に示した装置を用
いて行った。この装置は超高真空槽２８と反応励起用電
子銃３４およびガス導入システムからなる。真空排気系
２９にはイオンポンプ、タ−ボ分子ポンプならびにロ−
タリ−ポンプを用い、１０−８Ｐａ台の超高真空を得る
ことができる。また真空槽２８内には加熱ヒ−タ３０を
備えた試料台３１が設置されており、試料のクリ−ニン
グならびに結晶成長や加工時の試料温度設定ができる。 反応励起用電子銃３４は、電子ビ―ムの集束用レンズ系
３５と走査用の偏向系３６を備えている。ガス導入シス
テムはガス導入弁３７とバルブ制御系３８からなり、ガ
スの導入ならびに排気は真空槽に取り付けた真空計３９
によってモニタ―する。本実施例において、これらの周
辺装置は電気制御系４４によって統括されており、図１
および図２に示した１サイクルを自動的に繰り返して行
う。

【００１４】成膜用の基板３２または被加工物３３を洗
浄して試料台３１にセットし、排気を行う。真空度が５
×１０−８Ｐａ以下になった後、試料加熱を開始して１
０−７Ｐａ以下の高真空を保ちながら１０００℃に保持
し、試料表面の自然酸化膜を取り除き、清浄表面を得る
。その後、試料温度を所定の値（〜３５０℃）に設定し
、以下の操作を繰り返して行う。

【００１５】Ｇｅ薄膜の成長においては、原料ガスとし
てＧｅＥｔ２Ｈ２を、Ｓｉのエッチングにおいては反応
ガスとしてＣｌ２を真空槽２８内に導入し、試料をガス
に曝す（１０−３〜１０−１Ｐａ）。この状態で一定時
間保持した後、ガス導入弁３７を閉じ、排気を行い、試
料の清浄表面にガス吸着層を形成する。排気が完了し真
空度が回復した後、真空槽２８上部に設けた電子銃３４
から所定の時間電子線を照射する。この操作によりＧｅ
Ｅｔ２Ｈ２は解離し、基板表面上にＧｅ原子層を形成す
る。またＣｌ２は被加工物のＳｉと揮発性の反応生成物
を形成する。この際、電子ビ―ムによって直接パタ−ン
を描く場合には、レンズ系３５を通じてビ−ムを集束し
、これを偏向系３６によってＸＹ方向に走査させ、微細
パタ−ンを直接描画すればよい。一方、一様な原子層エ
ッチングまたはマスクパタ−ンの転写を行う場合には、
大口径かつ電流密度の高い電子銃によって加工面全面に
電子線を照射する。電子線照射後、一定時間排気を行い
、上記の表面励起反応によって形成された反応生成物を
取り除くことで、原子層ごとの結晶成長およびエッチン
グ加工の１サイクルが完了する。

【００１６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、用いる
ガスを選択して同一装置内で原子層ごとの結晶成長なら
びにエッチング加工を行うことができる。この際、吸着
層に対して電子線を照射し、表面反応を励起することで
成長と加工を進行させるため、電気的光学的に優れた良
質の薄膜および加工面が得られる。また、結晶成長なら
びに加工量を原子層オ−ダ−で制御できることに加えて
、集束した電子ビ―ムの走査またはマスクパタ−ンによ
ってＸＹ方向のパタ−ン形成が可能である。電子ビ―ム
による直接描画の場合、結晶成長と加工パタ−ンの線幅
は電子ビ―ムによる反応励起領域によって決まるので、
原理的にナノメ―タ―オ−ダ−の制御性を持つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法による結晶成長機構を工程順に示
した図である。

【図２】本発明の方法によるエッチング加工の機構を工
程順に示した図である。

【図３】本発明の方法に用いられる装置の一例の構成図
である。

【図４】従来の反応性イオンエッチングによる加工の機
構を示す説明図である。

【符号の説明】

１１　　荷電粒子　　　　　　　　　　　　　　１２　
　活性種１３　　マスク材　　　　　　　　　　　　　
　１４，２５，３３　　被加工物 １５　　損傷　　　　　　　　　　　　　　　　　　１
６，４０　　原料ガス１７　　原料ガス吸着層　　　　
　　　　１８，３２　　基板１９，２６　　電子ビ―ム
　　　　　　２０　　反応生成物２１　　堆積層　　　
　　　　　　　　　　　　　２２，４１　　反応ガス２
３　　反応ガス吸着層　　　　　　　　２４　　清浄表
面２７　　揮発性反応生成物　　　　　　２８　　真空
槽２９　　排気系　　　　　　　　　　　　　　　　３
０　　基板加熱ヒ−タ３１　　試料台　　　　　　　　
　　　　　　　　３４　　電子銃３５　　電子ビ―ムレ
ンズ系　　　　３６　　電子ビ―ム走査用偏向系

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空雰囲気中に原料ガスを導入し、基
   板表面にガス吸着層を形成した後、原料ガスの排気を行
   い、次いで該吸着層にビ―ム径を細く絞った電子線を照
   射することにより微小領域での原料ガスの解離反応を励
   起し、原材料の堆積層を形成して微細パタ−ンでの結晶
   成長を単原子層毎に行うことを特徴とする微細パタ−ン
   形成方法。
2. 【請求項２】　　真空雰囲気中に反応ガスを導入し、被
   加工物表面にガス吸着層を形成した後、反応ガスの排気
   を行い、次いで該吸着層にビ―ム径を細く絞った電子線
   を照射することにより微小領域での反応ガスと基板材料
   との化学反応を起こさせ、その後、反応生成物を揮発性
   物質として取り除くことで被加工物表面に原子層毎の微
   細パタ−ンのエッチング加工を行うことを特徴とする微
   細パタ−ン形成方法。
3. 【請求項３】　　集束用のレンズ系およびビ―ム走査用
   の偏向系を備えた励起用電子銃と、基板加熱装置と、基
   板表面上に吸着層を形成するガス導入システムとを具備
   した超高真空槽、ならびにこれらの制御系を備えてなる
   ことを特徴とする微細パタ−ン形成装置。