(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板材料と化学的に反応し反応生成物を形成する特性を有する反応性ガスである第１のガスを、それ自身と基板材料とは自発的に化学反応を生起しない状態で、且つプラズマ室を介して基板表面近傍に輸送供給するとともに、前記第１のガスとは異なる第２のガスより生成される原子ビームまたは分子ビームを基板表面に入射せしめて、前記第１のガスと基板材料とを化学的に反応せしめるドライエッチング方法において、前記第１のガスが臭素からなり、且つ前記第１のガスを前記プラズマ室に輸送供給する方法として、前記第２のガス供給経路と同じ経路を用い、混合された第１のガスと第２のガスとのそれぞれの供給量を制御することにより、前記第２のガスのみが放電プラズマに寄与するが前記第１のガスは放電プラズマには寄与しないようにせしめ、前記基板に入射せしめる原子ビーム又は分子ビームを第２のガスのみからなる状態とすることを特徴とするドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ，ＩｎＡｓ、およびこれらの化合物であるＩｎＧａＡｓＰなどの化合物半導体材料、Ｓｉ，Ｇｅなどの単体半導体材料、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，Ａｌ2 Ｏ3 などの絶縁性材料のドライエッチング方法に関し、特に反応性ドライエッチングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＩｎＰ，ＧａＡｓやＳｉに代表される半導体材料、およびＳｉＯ2 やＳｉ3 Ｎ4 ，Ａｌ2 Ｏ3 といった絶縁性材料を含む基板を所望のパタン形状に加工するに際しては、これらの材料と化学的に反応する性質を有する１種類もしくは複数種類の反応性ガスをあらかじめ真空排気された容器に導入し、放電等の手法により反応性ガスのプラズマを生成し、このプラズマで生じた活性反応種を基板表面に入射せしめることにより行ってきた。
【０００３】
この時、プラズマを生成するための放電形態として、平行平板状に配置された２枚の電極間に１3.５６ＭＨｚの高周波電力を供給し、この電極間でグロー放電を生起せしめる方法が反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）と称される方法であり、広く用いられている。
【０００４】
このＲＩＥでは加工せんとする基板材料は一方の電極上に配置される。また活性反応種を生成するプラズマ室と基板材料を配置する試料室とを別の空間とし、プラズマ室から活性反応種を引き出して試料室の基板材料に入射させる方法が反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）と呼ばれる方法であり、半導体基板材料の加工に用いられている。
【０００５】
これらの方法においては、プラズマ中で生じた活性反応種は荷電状態にあるところのイオン性活性反応種と荷電状態にはない中性活性反応種の両者が混在した状態でエッチングに関与することとなる。
イオン性活性反応種は基板表面に形成されるところのイオンシース電界により指向性を有することとなり、これが半導体加工技術で重要となるところの異方性を呈するエッチングをもたらしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した中性活性種は電界による影響を受けないため、その運動方向は等方的になる。このため中性活性種が引き起こすエッチングは等方的であり、加工形状にアンダーカットをもたらす等の現象となって現れ、異方性に富むエッチングを得ようとする際の大きな問題となっていた。
また中性活性反応種は化学的に非常に活性な状態にあり、それ自身と基板材料とは自発的な化学反応を生じてしまう。
このため、加工形状を人為的に操作せんとする際の大きな障害となっていた。
【０００７】
上記したように、従来の技術においては反応性ガスの放電プラズマをイオン性活性種の供給源として用いているため、異方性エッチングに必要なイオン性活性反応種とともに、異方性エッチングを損なう性質を有する中性活性反応種も必然的にプラズマ内で生成されてしまい、このため良好な異方性エッチングを実現することは困難であった。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところはアンダーカット等の現象として現れる等方性エッチングの原因である中性活性反応種の発生を防止し、異方性に優れたドライエッチング方法を提供するところにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る第１の発明の構成は、基板材料と化学的に反応し反応生成物を形成する特性を有する反応性ガスである第１のガスを、それ自身と基板材料とは自発的に化学反応を生起しない状態で、且つプラズマ室を介して基板表面近傍に輸送供給するとともに、前記第１のガスとは異なる第２のガスより生成される原子ビームまたは分子ビームを基板表面に入射せしめて、前記第１のガスと基板材料とを化学的に反応せしめるドライエッチング方法において、前記第１のガスが臭素からなり、且つ前記第１のガスを前記プラズマ室に輸送供給する方法として、前記第２のガス供給経路と同じ経路を用い、混合された第１のガスと第２のガスとのそれぞれの供給量を制御することにより、前記第２のガスのみが放電プラズマに寄与するが前記第１のガスは放電プラズマには寄与しないようにせしめ、前記基板に入射せしめる原子ビーム又は分子ビームを第２のガスのみからなる状態とすることを特徴とする。
【００１２】
上記目的を達成するために本発明においては、使用せんとする第１の反応性ガスを、それ自身と基板材料とは自発的な反応を生じない状態にして基板表面に供給することを最大の特徴としている。
その一つの方法としては、放電プラズマを用いたドライエッチング法においては、反応性ガスを放電に関与させないことである。
ここで、反応性ガスを放電に関与させないということは反応性ガスをプラズマ状態にしないことであり、このために異方性エッチングをそこないアンダーカット等の原因となる中性活性反応種の生成を完全に抑制できることとなる。
【００１３】
さらに、中性活性反応種の生成がないため、基板材料の自発的反応の進行が抑制され、これが加工の制御性改善に有効な効果をもたらしている。
この時、基板表面において、第１の反応性ガスと基板材料を相互に反応せしめ、反応生成物を生じせしめる目的で第２の粒子ビームを基板に入射せしめることが特徴となっている。
【００１４】
【作用】
本発明によれば、基板のエッチングを進行させる状況において中性活性反応種が存在しないためエッチングにより得られた形状にアンダーカット等が生じない。また基板材料の自発的反応が進行しない。
従って、非常に高い精度でもって基板材料を加工することが可能となる。
これは、例えば、半導体光導波路を例にとって示すと、導波路の寸法を厳密に決めることが可能であり、非常に性能の良い半導体導波路の作製を可能ならしめるものである。
【００１５】
【実施例】
以下には本発明になる実施例を説明する。
【００１６】
［参考例］
図１は本発明の参考例に使用した装置を示す概略図である。同図中、符号１０は試料室を図示し、この試料室１０は真空排気系１１により真空排気される。上記試料室１０内では、試料台１２上に加工せんとする試料１が配置されている。また、図中の符号１３は第２の粒子ビームを生成させるためのプラズマ室を図示する。このプラズマ室１３には第２の粒子ビーム発生用プラズマの原料ガスを導入するガス導入口１４が装備されている。さらに、上記プラズマ室１３にはマイクロ波発生源１５からマイクロ波が導入されており、マイクロ波放電によるプラズマ生成が可能な構成となっている。また図中、符号１６はこのプラズマから第２の粒子ビームを引き出して試料に入射させるための引き出しグリッドを図示し、このグリッド１６に電圧を印加することにより、電圧に応じたエネルギを有する粒子ビームを得ることができる。図中、符号１７は基板材料と化学的に反応する反応性ガスであるところの第１のガスを基板表面近傍に輸送するためのガス導入機構を図示する。なお、本参考例では試料表面への均一な供給を得るために、試料を取り巻くリング形状の導入機構としたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
本参考例では、試料１としては、代表的化合物半導体であるところのＩｎＰ結晶を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。また、第２の粒子ビームとしてはＡｒガスで生成されるプラズマから取り出される粒子ビームを用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１８】
上記試料１を温度１００℃に保持した状態で、Ａｒガスを流量制御器１８を用いて流量制御した状態で、ガス導入口１４からプラズマ室１３内に導入した。
この時のＡｒガスの圧力は2.０×１０-4torrである。
次に、１００ワットのマイクロ波を、マイクロ波源よりプラズマ室１３に導入した。
グリッド１６への印加電圧は４００ボルトとしたとき、電流値に換算して1.５ｍＡ／ｃｍ2 の第２の粒子ビームが得られた。
この第２の粒子ビームを発生させるのと同時に、試料室１０に設けたガス導入口１７より臭素ガス（Ｂｒ2 ）を、流量制御器１９を経由して導入した。この時のＢｒ2 ガスの分圧は0.９×１０-4torrである。
【００１９】
この状態で２０分間の粒子ビーム照射を行った際に得られた試料１の加工形状の断面観察図を図２に示す。この図は当該試料を走査型電子顕微鏡を用いて観察した観察結果の説明図である。図２中、符号２０はエッチングマスクとして用いたＳｉＯ2 膜を図示し、符号２１は加工した試料１のＩｎＰ結晶を図示する。図２に示すように、本参考例で得られた加工形状は、エッチングマスクのＳｉＯ2 膜２０の端から試料１のＩｎＰ結晶２０表面に対して垂直な側壁２１ａを有するリッジ形状が得られていることがわかる。この時のエッチング量は毎分0.１ミクロンであり、このエッチング量からいって、本方法によれば極めて高精度なエッチングが実現できるわけである。
【００２０】
また第２の粒子ビームの照射がない状態では当該試料１に対するエッチングは進行しないことが確認された。
これは、第１の反応性ガスを導入した状態においては、第１の反応性ガスと基板材料のあいだには自発的反応は生じない状態にあることを意味している。
【００２１】
比較のために、従来行われてきた方法も同じ装置を使用して実施した。
すなわち、反応性ガスであるＢｒ2 ガスをプラズマ室にガス導入口１４から導入し、マイクロ波の投入によってプラズマを生成し、グリッド１６へ電圧を印加することで粒子ビームを引き出し試料に入射せしめた。
この方法で得られた加工形状の断面観察結果を図３に示す。
側壁２１ｂはエッチングマスクのＳｉＯ2 膜２０の端から内側に入り込んでおり、アンダーカットが見られた。
導入するガスの圧力、投入するマイクロ波のパワー、印加する電圧を変化させ、さらには導入するガスをＣｌ2 に換えて加工を行ったが、上記アンダーカットを無くすることはできなかった。
これは、反応性ガスを一旦プラズマ状態にすると、必然的に中性活性反応種を生成することとなり、この中性活性反応種の等方的運動と、それが持つ基板材料との自発的反応性がアンダーカットをもたらすためである。
【００２２】
［実施例１］
参考例においては第１の反応性ガスと第２の粒子ビームを生成するためのガスを異なる経路でもって装置に導入したが、本実施例において第１の反応性ガスと第２の粒子ビームを生成するためのガスとを同じ経路で導入した結果について記述する。第１の反応性ガスであるＢｒ2 と第２の粒子ビームを生成するためのガスであるＡｒは、図４に示すように、それぞれの流量制御器１８，１９を経由した後、プラズマ室１３に導入される手前で混合されている。
【００２３】
この状態で、参考例に示した要領で生成せしめたマイクロ波プラズマからビームを引き出して試料に入射せしめた。この時、Ａｒの流量は毎分4.５ｃｍ3 である。反応性ガスであるＢｒ2 の流量が毎分2.０ｃｍ3 以上ではアンダーカットを呈する加工形状であったが、これ以下の流量においては図２に示すような、垂直な側壁を呈する加工形状が得られた。これは、Ｂｒ2 の流量が少ない場合には放電プラズマは実質上第２の粒子ビームを生成するためのＡｒガスで生起しており、反応性ガスであるＢｒ2 は放電プラズマに寄与しない状況となり、これがためにアンダーカットの原因となる中性活性反応種が生じていないためである。本実施例の場合のエッチング量は、ほぼ毎分0.１ミクロンであった。
【００２４】
［実施例２］
参考例、実施例１においては第２の粒子ビームとしてガスの放電プラズマにより得られるところの粒子ビームを用いた実施例を示したが、本実施例では第２の粒子ビームとして電子を用いた場合の結果を述べる。
【００２５】
第２の粒子ビームとして電子を用いる際には、図５に示すように、プラズマ室１３の部分に熱電子放出用フィラメント３０を取り付けた装置を用いた。
このフィラメント３０は電流源３１から加えられる電流により電子を放出するが、電流源３１とフィラメント３０からなる回路をバイアス電源３２を用いることにより、基板電位に対して負にバイアスしておくことで、第２の粒子ビームとしての電子からなるビームを得た。
【００２６】
この方法で前記参考例と同様に第１の反応性ガスとしてのＢｒ2 を導入口１７から0.９×１０-4torrの圧力になるように導入した。第２の粒子ビームである電子からなるビームを４０分間試料に入射したところ、得られた加工形状は参考例で示したところの図２に示す加工形状と同様の、垂直側壁が観察された。
【００２７】
上記した実施例においては加工試料がＩｎＰ結晶である場合について述べたが、ＧａＡｓ等の化合物半導体材料、Ｓｉ等の単体半導体材料、さらにはＳｉＯ2 等の絶縁性材料にも本発明になる方法が適用できることは、その原理からいって明らかである。
【００２８】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明になる方法を用いれば、エッチングを行う際にアンダーカット等の等方的エッチング、および基板材料との自発的化学反応性をもたらすところの中性活性反応種の生成を完全に抑圧できるため、異方性に富むエッチングが可能となる。
この異方性は第２の粒子ビームによってもたらされるため、粒子ビームと基板のなす角度を設定することにより、基板表面に垂直な加工はもちろんのこと、任意の角度を有する加工形状を得ることができる。
さらに本発明においては、基板材料のエッチングが第２の粒子ビームの照射が存在してはじめて進行するため、加工形状の操作性が極めてすぐれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例に使用した装置の概略構成図。
【図２】本発明の参考例により得られたＩｎＰ結晶の加工形状の断面観察結果の図。
【図３】従来の方法でＩｎＰ結晶をエッチングした際の加工形状の断面観察結果の図。
【図４】本発明の実施例１に使用した装置の概略構成図。
【図５】本発明の実施例２に使用した装置の概略構成図。
【符号の説明】
１  試料
１０  試料室
１１  真空排気系
１２  試料台
１３  プラズマ室
１４  ガス導入口
１５  マイクロ波発生源
１６  引き出し用グリッド
１７  ガス導入口
１８  流量制御器
１９  流量制御器
２０  ＳｉＯ2 膜
２１  ＩｎＰ結晶
２１ａ，２１ｂ  側壁
３０  熱電子フィラメント
３１  電源
３２  バイアス電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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