JPS63199429A - 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

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） 本発明はナノメータスケールで半導体の微細エツチング
加工を行う方法、および微細エツ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多こ利用することが
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ク（
ｎｍ）スケールの精度で量子井戸構造を有する半導体を
エツチング加工し、さらにその後に半導体薄膜を堆積き
せてエツ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ｎｍ
スケールの精度のエツ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ツチングする方法が盛
んに研究きれている。後者のエツチング方法においては
、通常は半導体表面にエツチングガスを吸着させビーム
照射によりエツ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ツチングにおいてはエ
ツ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ツチング
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ツチングガスを
全く用いない半導体のエツチング加工の試みがなきれた
。この例では、半導体の光誘起脱離を利用しており、エ
ツチングガスの拡散の問題がないから１−−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、最小のエツチングサイズで
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ツチングについては
、アーノネ（Ａｒｎｏｎｅ）　、ロスシルト（Ｒｏｔｈ
ｓｃｈｉｌｄ　）およびニーリフ（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−
’Ｔｏｒｒの低真空中で３００℃程度に加熱された単結
晶ＣｄＴｅに数百ｍＷのＡｒレーザ光を集光照射するこ
とにより約５００ｎｍの幅で深き約１０−のエツチング
ガスンを形成している。

また、実際に量子細線、量子箱を形成するには数ｎｍか
ら数＋ｎｍサイズの幅と高さを持つ細線９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工
ッチングパク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ツチング加工し、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″Ｃ
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ツ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
直接エツチングした後に、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の発明によるエツチングは、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。ＡｇＢ
ｒ　、　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、複数の正孔の単一ポンドへの局在
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ツ
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ツチング加
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ツチング加工につ
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ツ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
微細バ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ツチング
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
、上述のエツチングによって得られた微細バタン上に半
導体薄膜や場合によっては誘電体膜を堆積させ、微細バ
タンを完全に埋め込むことが必要である。その場合には
、微細バ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
微細バタンであるので、数原子層程度の汚染物質層でも
微細バ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きらした後に、
被加工半導体全体を数原子暦分エツ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、エツチング後に試料を大気
にさらすことなくエツチングを行うのと同一容器内にお
いて、またはエツ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
ツチングによる微細バ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の発明においてエツチ
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
の中に配置きれる。電子ビーム４１は電子銃４２によっ
て発生許せられるが、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
ための機部を有する。電子ビーム４１の照射による半導
体試料１１の電子誘起脱離エツチングは、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。エツチングによって微細バ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、エツチングを行いたい場所を決め、エツチ
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、微細エツ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の発生を停止許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によってエツ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Ｊｉｆｆ　１０１
とそれをはさむバリア層１０２を細線形にエツチングす
る様子を表わしている。−回の走査でエツチングされる
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（’ｏ　）は同図（ａ）の細線形エ
ツチングバタン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ツチングバタン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
）に示した細線形エツチングバタン１０３および箱形エ
ツチングパタン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２０
２構造を形成した様子を模式的に示している。電子ビー
ムによるエツ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
ツチング加工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（
１００）面に切り出したβ型硫化亜鉛（ＺｎＳ　）基板
上に、１０ｎｍ厚の無ドーピングセレン化亜鉛（Ｚｎ５
ｅ　）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きせたものを用い
た。エツチング加工を行う際には、１Ｏ−ＪＩｏｒｒ以
下の真空度において電子ビーム４１を、エネルギー２５
ｋｅＶ　、ビーム径１０ｎｍ、ビーム電流１ＯＯｐＡと
なるようにして、３００℃に力Ｕ熱した半導体試料１１
上を１０７ａｙ＋／ｓの速度で走査させた。この条件に
より、エツチング深さエツチング幅とも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
高の細線形エツチングパタン１０３が得られた。またこ
の細線形エツチングバタン１０３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８３０ｎｍの箱形エツチ
ングパタン１０５が得られた。これらのエツチングは、
１０ｓ＋Ｘ１（ｂａｎの面積にわたって行った。

エツチング加工ンの埋め込みは、エツチング加工後の半
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。１！ｉ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（ＤＭＺｒｉ　）と硫化
水素（Ｈａｓ）をモル比１：１０でチャンバ３１内に供
給し、全圧力が１０−”Ｔｏｒｒ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３００ｎｍ
／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１００Ｐの紫外レーザ光を１０ＰＩ
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、細線バ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。また箱形パク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。

＝１２− 以上のフォトルミネッセンススビ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
解釈きれる。

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、Ｚｎ５ｅ／ＺｎＳの量子細線
、量子箱を形成するために、Ｚｎ５ｅ／ＺｎＳの量子井
戸サンプルをエツチングし、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Ｉ−
ＶＩ族、■−■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ツチ
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。エツチング加
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３０ｎｍ幅のエツチングを行ったが、
電子ビーム径はサブｎｍ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、工・ノチング後の試料の表面汚染を防止す
るため、エツチングとＣＶＤと同一チャンバ内で行った
が、ＣＶＤは、エツチング後にロードロツタ機構によっ
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ツチング加
工を行うことが可能となり、さらにエツチング加工後の
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の発明におけるエツチ
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ツ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
によるエツ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Ｃｖｐ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・・・パルプ、５２・・・反応性ガス
導入口、１０１・・・量子井戸層、１０２・・・バリア
層、１０３・・・細線形エツチングバタン、１０４・・
・電子ビームの走査方向、１０５・・・箱形エツチング
バタン、２０１・・・量子細線、２０２・・・量子箱。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （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. （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。