JPH0628256B2 - 半導体微細加工方法および半導体微細埋込構造形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はナノメータスケールで半導体の微細エッチング
加工を行う方法、および微細エッチング加工後に薄膜堆
積によって微細な埋め込み構造を形成する方法に関す
る。本発明は従来製作が困難であった半導体の量子細線
構造および量子箱構造を形成するために利用することが
できる。

（従来の技術） 近年、半導体量子井戸の物性を利用して、飛躍的に特性
の改善されたデバイスや全く新しい半導体デバイスの開
発を目的とした研究が進み、量子井戸からさらに一歩進
んだ半導体量子細線，量子箱を形成する試みがなされつ
つある。これらの構造を実現するためにはナノメータ
（ｎｍ）スケールの精度で量子井戸構造を有する半導体
をエッチング加工し、さらにその後に半導体薄膜を堆積
させてエッチングされたパタンを完全に埋め込むことが
必要である。そのための最も大きな技術的課題であるｎ
ｍスケールの精度のエッチングの実現を目指し、最近フ
ォトリソグラフィ法に代わり、光や荷電粒子のビームを
直接に半導体に照射して照射部をエッチングする方法が
盛んに研究されている。後者のエッチング方法において
は、通常は半導体表面にエッチングガスを吸着させビー
ム照射によりエッチングを行っている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述のビームの直接照射によるエッチングにおいてはエ
ッチングガスを使用することに加え、次の微細構造の埋
込みプロセスの前に、界面汚染を避けるためエッチング
ガスの吸着層を完全に脱離させるプロセスが必要であ
り、全体としてのプロセスがやや煩雑になるという問題
がある。

ごく最近、レーザ光の照射を利用したエッチングガスを
全く用いない半導体のエッチング加工の試みがなされ
た。この例では、半導体の光誘起脱離を利用しており、
エッチングガスの拡散の問題がないからレーザ光照射の
分解能で決まる加工サイズが実現されている。しかし、
レーザ光を用いているから、最小のエッチングサイズで
も波長程度の数百ｎｍにしかならず量子細線および量子
箱構造を形成するに十分な加工精度が得られない。こ
の、光誘起脱離を利用した半導体のエッチングについて
は、アーノネ（Arnone），ロスシルド（Rothschild）お
よびエーリク（Ehrlich）によるアプライド・フィジク
ス・レターズ（Appl. Phys. Lett.）誌の1986年，第48
巻，11号の736頁から738頁にわたって掲載された論文の
中で述べられている。この論文の例では、10^-3Torrの低
真空中で300℃程度に加熱された単結晶CdTeに数百mWのA
rレーザ光を集光照射することにより約500ｎｍの幅で深
さ約10μｍのエッチングパタンを形成している。

また、実際に量子細線，量子箱を形成するには数ｎｍか
ら数十ｎｍサイズの幅と高さを持つ細線，箱構造をすで
に述べたように界面汚染のないようにして固体中に埋め
込む必要がある。しかし、これまで上記のような微細エ
ッチングパタンを埋め込むための適当な方法については
あまり検討されていなかった。

この発明の目的は、上述した従来法の欠点を除去して数
ｎｍ以下の精度で半導体をエッチング加工し、さらにそ
の後に界面を汚染させることなく薄膜の堆積を行って微
細な埋め込み構造を形成するための簡単化したプロセス
方法を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本願の第１の発明が提供
する半導体微細加工方法は、真空中において200℃以上
に加熱した半導体に集束電子ビームを照射することによ
り照射部を直接エッチングすることを特徴としている。

さらに本願の第２の発明が提供する半導体微細埋込構造
形成方法は、真空中において半導体にに集束電子ビーム
を照射することにより電子誘起脱離を利用して照射部を
直接エッチングした後に、該半導体を一度も大気に触れ
させることなく化学的気相成長法により該半導体上に薄
膜を形成することを特徴としている。

（作用） 本願の第１及び第２の発明によるエッチングは、半導体
への電子ビームの照射によって半導体を構成する元素の
脱離現象が引き起こされることを利用している。AgBr，
CdS，CdTe等を始めとする多くの半導体では、適当な条
件を選んで光や電子線の照射を行うと非熱的な作用によ
り構成元素の脱離が生じることが報告されている。通
常、照射される電子のエネルギーは光子のエネルギーよ
り数百倍から数十万倍も大きいので、前者と後者とでは
照射による脱離のメカニズムが異なるとされている。脱
離のメカニズムにはまだ不明な点が多いが、オージェ過
程，複数の正孔の単一ボンドへの局在等のいくつかのモ
デルが提案されている。いずれにしても、これまでの電
子誘起脱離の実験は現象確認，メカニズム把握が目的で
あり、実用的レベルでの高速度のエッチング加工の可否
については検討されていなかった。本願発明は、半導体
基板を適当な温度に加熱することにより電子誘起脱離が
顕著に増強されて高速度エッチング加工を可能にしたこ
とに大きな特徴がある。

光誘起脱離現象を利用した半導体のエッチング加工につ
いてはすでに述べた通りであるが、本願発明による電子
誘起脱離を利用したエッチングでは集束した電子ビーム
径の数倍の精度での加工が可能となり、数ｎｍサイズの
微細パタンを形成することができる。従って本願発明に
よれば、従来では極めて困難であった半導体量子細線構
造および量子箱構造を形成するに十分な微細エッチング
加工が可能となる。

また、実際に量子細線および量子箱構造を形成するに
は、上述のエッチングによって得られた微細パタン上に
半導体薄膜や場合によっては誘電体膜を堆積させ、微細
パタンを完全に埋め込むことが必要である。その場合に
は、微細パタンとその上に堆積させる薄膜との界面の汚
染を極力抑えなければならない。なぜなら単に界面汚染
だけの問題でなく埋め込もうとする対象がｎｍスケール
の微細パタンであるので、数原子層程度の汚染物質層で
も微細パタンの形状そのものに変更をきたしてしまうか
らである。従って、当然ながら一度大気にさらした後
に、被加工半導体全体を数原子層分エッチングするよう
な方法は用いることができない。そこで、本願の第２の
発明では界面汚染の防止のため、エッチング後に試料を
大気にさらすことなくエッチングを行うのと同一容器内
において、またはエッチングを行う容器内からロードロ
ック機構により他の容器に移して薄膜堆積を行う。ま
た、エッチングによる微細パタンの埋め込みを均一かつ
完全にするため薄膜堆積には化学的気相堆積（ＣＶＤ）
法を用いる。

（実施例） 次に、本願発明の実施例について図面を参照しながら詳
細な説明を行う。

第１図は、本願の第１および第２の発明においてエッチ
ング加工およびＣＶＤを行う装置の構成を模式的に示す
図である。本願の第１の発明は本願の第２の発明に用い
られるから、以下では本願の両発明の実施例を併せて説
明する。加工が施される半導体11（以下では半導体試料
と称する）はヒータ21の上に固定されチャンバ31の中に
配置される。電子ビーム41は電子銃42によって発生させ
られるが、その際はバルブ51を閉じた状態で排気ポンプ
32によりチャンバ31内を高真空に引く。シーケンサ43は
電子ビーム41のエネルギー，強度および走査を制御し、
また２次電子検出器44からの信号を処理して走査電子顕
微鏡像をモニタ45で観測するための機能を有する。電子
ビーム41の照射による半導体試料11の電子誘起脱離エッ
チングは、ヒータ21で半導体試料11を適当な温度に加熱
することによって生じる。エッチングによって微細パタ
ンを形成するには、先ず半導体試料11を加熱しない状態
で走査電子顕微鏡像を観測し、エッチングを行いたい場
所を決め、エッチング時の電子ビーム41の走査場所，エ
ネルギー，ビーム径，ビーム強度および走査速度をシー
ケンサ43によって設定する。続いて、半導体試料11を指
定する温度に加熱して設定した条件で電子ビーム41の照
射を行う。

次に、微細エッチング加工の終了した半導体試料11上に
ＣＶＤによって薄膜を堆積させるためには、電子ビーム
41の発生を停止させた状態で半導体試料11を適当な温度
に加熱し、バルブ51を開けて反応性ガス導入口52から薄
膜の原料となる反応性ガスをチャンバ31内に導入する。
この際、排気ポンプ32を動作させ、また反応性ガスの供
給量を制御することで、チャンバ31の内圧および薄膜の
堆積速度を制御することができる。

第２図に量子井戸構造を有する半導体試料を電子ビーム
41によってエッチング加工する様子を模式的に示した。
矢印104は電子ビーム41の走査方向を示している。本図
（ａ）は適当な間隔で電子ビーム41を直線状に走査させ
ることにより単一の量子井戸層101とそれをはさむバリ
ア層102を細線形にエッチングする様子を表わしてい
る。一回の走査でエッチングされる幅，及び深さは半導
体試料の材質，電子ビーム41のエネルギー，ビーム径，
ビーム強度，および走査速度によって決まる。第２図
（ｂ）は同図（ａ）の細線形エッチングパタン103の垂
直方向に電子ビーム41を走査することによって箱形エッ
チングパタン105が形成される様子を表わしている。

第３図（ａ），（ｂ）はそれぞれ、第２図（ａ），
（ｂ）に示した細線形エッチングパタン103および箱形
エッチングパタン105を、バリア層102と同組成の薄膜を
堆積させて埋め込み、量子細線201と量子箱202構造を形
成した様子を模式的に示している。電子ビームによるエ
ッチングの深さが数十ｎｍのオーダならば、ＣＶＤによ
って数百ｎｍ厚に薄膜を堆積させることでエッチングパ
タンは完全に埋め込まれ、また薄膜堆積終了後の表面も
ほぼ完全に平坦になる。

本実施例では、半導体試料11として無ドーピングの（10
0）面に切り出したβ型硫化亜鉛（ZnS）基板上に、10ｎ
ｍ厚の無ドーピングセレン化亜鉛（ZnSe）量子井戸層と
さらにその上に10ｎｍ厚の無ドーピングZnS層をエピタ
キシャル成長させたものを用いた。エッチング加工を行
う際には、10^-8Torr以下の真空度において電子ビーム41
を、エネルギー25keV，ビーム径10ｎｍ，ビーム電流100
pAとなるようにして、300℃に加熱した半導体試料11上
を10μm/sの速度で走査させた。この条件により、エッ
チング深さエッチング幅とも30ｎｍの加工を行うことが
できた。電子ビーム41を40ｎｍの間隔で平行に走査させ
ることにより10ｎｍ幅，30ｎｍ高の細線形エッチングパ
タン103が得られた。またこの細線形エッチングパタン1
03に垂直方向に電子ビーム41を40ｎｍの間隔で平行に走
査させることによって上面の一辺が10ｎｍ，高さ30ｎｍ
の箱形エッチングパタン105が得られた。これらのエッ
チングは、10μｍ×10μｍの面積にわたって行った。

エッチングパタンの埋め込みは、エッチング加工後の半
導体試料11を400℃に加熱したまま、ZnS薄膜をＣＶＤさ
せることによって行った。電子ビーム41の照射の停止
後、ただちにバルブ51を開けて反応性ガス導入口52から
ジメチル亜鉛（DMZn）と硫化水素（H₂S）をモル比１：1
0でチャンバ31内に供給し、全圧力が10^-2Torrとなるよ
うに流量を制御した。この条件でZnS薄膜の成長速度は3
00ｎｍ/hourであったが、実施例では500ｎｍの厚みまで
成長を行った。

以上の手続きにより製作したサンプル内に期待どおり量
子細線201、または量子箱202が形成されていることを確
認するため、低温フォトルミネッセンスを用いてエキシ
トン発光のピーク位置について調べた。サンプルを6.5k
まで冷却し、Arイオンレーザから得られる360ｎｍ付近
の約100μｗの紫外レーザ光を10μｍ径に集光してサン
プルに照射した。ルミネッセンスは集光した後に、分光
器を通し光電子増倍管によって受光した。測定の結果、
量子細線および量子箱を形成していない量子井戸部分に
おけるエキシトンによるルミネッセンスは、そのピーク
位置が2.75eVにあることが分った。これに対し、細線パ
タンを設けた部分のフォトルミネッセンスのエキシトン
ピークは約2.7eVのエネルギー位置にあり、また細線パ
タンの幅の減少とともにエキシトンピークは低エネルギ
ー側に移動することが分った。また箱形パタンを設けた
部分のフォトルミネッセンスのエキシトンピークは約2.
6eVのエネルギー位置にあり、この場合も箱形のサイズ
の減少とともにエキシトンピークが低エネルギー側に顕
著に移動することが分った。

以上のフォトルミネッセンス スピクトルのエキシトン
ピーク位置変化は量子閉じ込め効果の増加によるエキシ
トン束縛エネルギーの増加によるものであり、量子細線
あるいは量子箱の形成されていることを示す一つの徴候
と解釈される。

また、フォトルミネッセンスのかわりに光吸収スペクト
ルの測定を行ったところ、同様なエキシトンピーク位置
変化の傾向の他に、エキシトンピークの高エネルギー側
の吸収スペクトル形状が、量子井戸構造の場合エネルギ
ーに殆どよらないフラットなスペクトル形状を示すのに
比べ、細線及び箱形構造の場合、高エネルギー側程吸収
が減少し、かつ細線幅や箱のサイズの減少とともにより
顕著な減少を示すことが確認された。この現象も、量子
細線及び量子箱の形成の一つの徴候と解釈される。

上述の実施例においては、ZnSe/ZnSの量子細線，量子箱
を形成するために、ZnSe/ZnSの量子井戸サンプルをエッ
チングし、さらにZnSのＣＶＤを行った。しかし、本願
発明はこの材料系に限定されずII−VI族，Ｉ−VII族の
多くの種類の半導体材料に対して広範に適用することが
できる。各材料ごとに所望のエッチングを行うために
は、電子ビームのエネルギー，強度，ビーム径，走査速
度を適切に選べば良い。エッチング加工のサイズについ
ても、前述の実施例では電子ビーム径を10ｎｍとして30
ｎｍ幅のエッチングを行ったが、電子ビーム径はサブｎ
ｍまで小さくできることから、より微細化が可能なこと
は明らかである。また、ＣＶＤによって堆積させる薄膜
についても、供給するガスの種類を変えることで異なっ
た種類の薄膜を堆積させることができるのは言うまでも
ない。さらに、前に述べた実施例においては、エッチン
グ後の試料の表面汚染を防止するため、エッチングとＣ
ＶＤと同一チャンバ内で行ったが、ＣＶＤは、エッチン
グ後にロードロック機構によって試料を他のチャンバに
移してから行っても良い。

（発明の効果） 以上に述べたように、本願発明を用いれば非常に簡単な
プロセスでｎｍスケールでの半導体の微細エッチング加
工を行うことが可能となり、さらにエッチング加工後の
微細埋め込み構造を形成することが可能となる。これに
より従来に比べ飛躍的に特性の改善されたデバイスや全
く新しい半導体デバイスの提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願の第１および第２の発明におけるエッチ
ング加工およびＣＶＤを行うための装置の構成を模式的
に示す図である。また、第２図は、量子井戸構造を有す
る半導体試料に本願の第１の発明を適用して電子ビーム
によって細線状または箱状にエッチング加工する様子を
模式的に示す図である。さらに、第３図は、電子ビーム
によるエッチング加工後の半導体試料上に本願の第２の
発明におけるＣＶＤによって半導体薄膜を堆積させて形
成した半導体量子細線および量子箱構造を示す模式図で
ある。 11……半導体試料、21……ヒータ、31……チャンバ、32
……排気ポンプ、41……電子ビーム、42……電子銃、43
……シーケンサ、45……モニタ、51……バルブ、52……
反応性ガス導入口、101……量子井戸層、102……バリア
層、103……細線形エッチングパタン、104……電子ビー
ムの走査方向、105……箱形エッチングパタン、201……
量子細線、202……量子箱。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空中において200℃以上に加熱した半導
   体に集束電子ビームを照射することにより照射部を直接
   エッチングすることを特徴とする半導体微細加工方法。
2. 【請求項２】真空中において半導体に集束電子ビームを
   照射することにより電子誘起脱離を利用して照射部を直
   接エッチングした後に、該半導体を一度も大気に触れさ
   せることなく該半導体上に化学的気相堆積法により薄膜
   を形成することを特徴とする半導体微細埋込構造形成方
   法。