(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性ガスを用いて、半導体基板、又は基板上に形成された半導体層表面に凹部を形成するドライエッチング方法において、
前記半導体基板又は前記基板上に形成された半導体層は、Ａｌを含みＳｉを含まなく、
反応性ガスを前記半導体基板又は半導体層の表面に向けて衝突するように直接吹き付けると共に、前記反応性ガスと同一又は異なる反応性ガスをイオン化して前記反応性ガスと同時に前記半導体基板又は半導体層に照射し、
前記直接吹き付けられる反応性ガスと前記イオン化される反応性ガスは共に、塩素を含むガスであることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
前記イオン化される反応性ガスは、塩素、ＣＣｌ4、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＣｌ3Ｆ、ＰＣｌ3、ＢＣｌ3、ＨＣｌから選ばれたものであることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記半導体基板又は半導体層表面上における反応性ガスのイオンに対する比が１０００以上であることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
【請求項４】
反応性ガスを用いて、半導体基板、又は基板上に形成された半導体層表面に凹部を形成するドライエッチング方法において、
反応性ガスを前記半導体基板又は半導体層に直接吹き付けると共に、反応性ガスのイオンもしくは希ガスのイオンを前記半導体基板又は半導体層に照射し、同時に前記半導体基板又は半導体層上全面に電子線を照射してなることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項５】
前記イオンのエネルギーは５００ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１又は４に記載のドライエッチング方法。
【請求項６】
前記イオン化されるガスは、アルゴン、キセノン、ネオン、ヘリウム、塩素、ＣＣｌ4、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＣｌ3Ｆ、ＰＣｌ3、ＢＣｌ3、ＨＣｌから選ばれたものであることを特徴とする請求項４に記載のドライエッチング方法。
【請求項７】
前記直接吹き付ける反応性ガスは、塩素ガスであることを特徴とする請求項４に記載のドライエッチング方法。
【請求項８】
エッチング室内で、反応性ガスを用いて半導体基板、又は基板上に形成された半導体層表面に凹部を形成するドライエッチング装置であって、
少なくとも、
前記半導体基板又は半導体層上に前記反応性ガスを照射するノズルと、
前記半導体基板又は半導体層上全面に電子線を照射するよう配置された電子銃と、
反応性ガスもしくは希ガスをプラズマ化し、その中からイオンをエッチング室内へ取り出すイオン源と、を具備してなることを特徴とするドライエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応性ガスを用いた半導体のドライエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体のドライエッチング方法として、ケミカリー・アシステッド・イオン・ビーム・エッチング（ＣＡＩＢＥ）がよく用いられる。図５はＣＡＩＢＥに用いられる装置の一例で、詳細は、Ｍ．Ｗ．Ｇｅｉｓ他、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー、１９巻４号（１９８１年）、ｐｐ．１３９０〜１３９３に記載されている。この装置では、ノズル９を通して塩素ガス１０を半導体基板、ここではＧａＡｓ基板１に直接照射する。一方で、タングステン・フィラメント７と陽極８で構成されるカウフマン型のイオン源を用いてアルゴンガス６をプラズマ化し、プラズマ中のアルゴンイオンを引き出し電極５によってエッチング室に引き出し、ＧａＡｓ基板１に照射する。ＧａＡｓは室温では塩素ガスによってエッチングされないが、アルゴンイオンを照射することによってＧａＡｓと塩素ガスの反応生成物の脱離が促進され、エッチングが進行する。このエッチング方法では非常に平滑なエッチングが可能であるとともに異方性のエッチングができるため、ＧａＡｓのエッチング方法として広く用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例をＡｌＡｓやＡｌＧａＡｓのエッチングに用いる場合、問題点が生じることが報告されている。Ａ．Ｓｃｈｅｒｅ他、アプライド・フィジックス・レターズ、５５巻２６号（１９８９年）ｐｐ．２７２４〜２７２６によれば、ＡｌＡｓを含む多層構造のエッチングには上記従来例のエッチング方法を用いた場合、エッチング室内部の残留酸素と活性なアルミニウムを含むＡｌＡｓが反応し、ＡｌＡｓ表面にＡｌ2Ｏ3が形成される。Ａｌ2Ｏ3はエッチングマスクとして作用するため、エッチングが阻害され、所望の形状のエッチングができないという問題が発生するわけである。表面にＡｌ2Ｏ3が形成されないようにするためにはエッチング室を超高真空雰囲気にすればよいが、その場合、エッチング装置は大変高価な装置となるだけでなく、その操作についても繁雑性が増し、作業効率も低下する、これを解決するためにＳｃｈｅｒｅらはアルゴンイオンを引き出すときの引き出し電圧を増加させ、アルゴンイオンのエネルギーを５００ｅＶ以上に上げることにより、物理的なスパッタリング作用で表面のＡｌ2Ｏ3を除去している。ところがイオンのエネルギーを増加されるとそのエネルギーによって半導体基板に強い衝撃が加わり、結晶欠陥を発生させるという問題が新たに発生する。従って、本発明の主たる目的は半導体基板に結晶欠陥を発生させることなく、ＡｌＧａＡｓ、またはＡｌＡｓを含む構造のエッチングを簡便に行う方法を提供することにある。
【０００４】
我々は、従来のＣＡＩＢＥを用いてイオンのエネルギーをパラメータとしてエッチング実験を行った。実験に用いた試料の構造を図６に、エッチング時間に対するエッチング深さのデータを図７に示す。ここで、試料はＧａＡｓ基板２１上に１．５μｍのＡｌＧａＡｓ層２２、１．５μｍのＧａＡｓ層２３を有機金属熱分解（ＭＯＣＶＤ）法によって作製した。ＡｌＧａＡｓ層２２のＡｌ混晶比は０．５とした。エッチング実験は図５に示した装置を用いて室温で行い、ノズル９からの塩素ガス照射は流量１０ＳＣＣＭ、アルゴンガスは流量７ＳＣＣＭでイオン化室４に導入し、イオンの引き出し電圧を２００、４００、５００、７００Ｖと変化させて実験した。図よりわかるように、引き出し電圧が５００Ｖ以上ではエッチングは等速で進行するが、引き出し電圧が４００Ｖ以下の場合、表面から１．５μｍエッチングが進行した時点、即ち、ＡｌＧａＡｓ層２２に達した時点でエッチングは停止し、それ以上のエッチングは不可能であった。このことは、引き出し電圧が４００Ｖ以下の場合、多層膜のエッチングにおいてＡｌＧａＡｓ層がエッチング停止層として用いることができるということを示しているが、この層をエッチングしたいという場合にはＣＡＩＢＥが適用できないことを示している。低ダメージのドライエッチングを実現したい場合、例えば半導体レーザの光出射端面の形成等に用いる場合、信頼性まで考慮するとこの方法は適当とはいえない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のドライエッチング方法は、反応性ガスを用いて、半導体基板、又は基板上に形成された半導体層表面に凹部を形成するドライエッチング方法において、前記半導体基板又は前記基板上に形成された半導体層は、Ａｌを含みＳｉを含まなく、反応性ガスを前記半導体基板又は半導体層の表面に向けて衝突するように直接吹き付けると共に、前記反応性ガスと同一又は異なる反応性ガスをイオン化して前記反応性ガスと同時に前記半導体基板又は半導体層に照射し、前記直接吹き付けられる反応性ガスと前記イオン化される反応性ガスは共に、塩素を含むガスであることを特徴とするものである。
【０００６】
請求項２に記載のドライエッチング方法は、前記イオン化される反応性ガスは、塩素、ＣＣｌ４、ＣＣｌ２Ｆ２、ＣＣｌ３Ｆ、ＰＣｌ３、ＢＣｌ３、ＨＣｌから選ばれたものであることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項３に記載のドライエッチング方法は、前記半導体基板又は半導体層表面上における反応性ガスのイオンに対する比が１０００以上であることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項４に記載のドライエッチング方法は、反応性ガスを用いて、半導体基板、又は基板上に形成された半導体層表面に凹部を形成するドライエッチング方法において、反応性ガスを前記半導体基板又は半導体層に直接吹き付けると共に、反応性ガスのイオンもしくは希ガスのイオンを前記半導体基板又は半導体層に照射し、同時に前記半導体基板又は半導体層上全面に電子線を照射してなることを特徴とするものである。
請求項５に記載のドライエッチング方法は、前記イオンのエネルギーは５００ｅＶ以下であることを特徴とするものである。
請求項６に記載のドライエッチング方法は、前記イオン化されるガスは、アルゴン、キセノン、ネオン、ヘリウム、塩素、ＣＣｌ4、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＣｌ3Ｆ、ＰＣｌ3、ＢＣｌ3、ＨＣｌから選ばれたものであることを特徴とするものである。
請求項７に記載のドライエッチング方法は、前記直接吹き付ける反応性ガスは、塩素ガスであることを特徴とするものである。
請求項８に記載のドライエッチング装置は、エッチング室内で、反応性ガスを用いて半導体基板、又は基板上に形成された半導体層表面に凹部を形成するドライエッチング装置であって、
少なくとも、
前記半導体基板又は半導体層上に前記反応性ガスを照射するノズルと、
前記半導体基板又は半導体層上全面に電子線を照射するよう配置された電子銃と、
反応性ガスもしくは希ガスをプラズマ化し、その中からイオンをエッチング室内へ取り出すイオン源と、を具備してなることを特徴とするものである。
【０００９】
以下、本発明の作用を記載する。
【００１０】
上述のように、反応性ガスを直接半導体基板又は基板上に形成された半導体層（以下、半導体層等）表面に照射すると共に、反応性ガス、特に塩素を含むガスをイオン化して半導体層等に照射すると、そのエネルギーが低い場合であっても半導体層等表面上の酸化膜は有効に除去され、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓを含む場合においてもエッチングは阻害されることなく進行する。また、反応性ガスを直接半導体層等の表面に照射すると共に、イオンと電子線を該半導体層等に照射すると、やはり半導体層等表面上の酸化膜は有効に除去され、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＡｓを含む場合においてもエッチングは進行する。この場合、イオンのエネルギーは低く、また電子線照射に起因する結晶欠陥もほとんど発生しないため、理想的なエッチングが実現される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例のドライエッチング方法を示している。
【００１３】
本実施例では、ノズル９を通して塩素ガス１０を半導体基板、ここではＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ基板に直接照射する。一方でタングステン・フィラメント７と陽極８で構成されるカウフマン型のイオン源を用いて塩素ガス１６をプラズマ化し、プラズマ中の塩素イオンを引き出し電極５によってエッチング室に引き出し、ＧａＡｓ基板に照射する。塩素イオンとアルゴンイオンの質量はそれほど変わらない（３５．５と４０）から、従来例の場合と同じように、室温で塩素ガスによってエッチングされないＧａＡｓは、塩素イオンを、照射することによってエッチングされると予想される。
【００１４】
塩素イオンを用いたＡｌＧａＡｓのエッチングに関しては浅川他による実験結果がある。詳細はＫ．Ａｓａｋａｗａ他ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジーズ、Ｂ３巻１号（１９８５年）ｐｐ．４０２―４０５に記載されている。それによるとＡｌＧａＡｓを塩素イオンを用いてエッチングした場合、Ａｌ混晶比が０．３と低い場合であってもそのエッチレートはＧａＡｓの場合と比較して低下することが明らかになっている。具体的には、イオンの引き出し電圧が３００Ｖの場合、エッチング装置の真空度を３×ｌ０-8Ｔｏｒｒ以下にまで高くしないとその低下は改善されていない。
【００１５】
我々は、実際に従来例と同じ図６に示す層構造をもつ試料を作製してエッチング実験を行なった。図２にエッチング時間に対するエッチング深さのデータを示す。ここで、ノズル９からの塩素ガス照射は流量１０ＳＣＣＭ、塩素ガスは流量７ＳＣＣＭでイオン化室４に導入し、イオンの引き出し電圧を１００、２００、４００、５００Ｖと変化させて実験した。我々のエッチング装置の場合、基板付近の真空度は７×１０-6Ｔｏｒｒであり、従来の浅川らの報告によると塩素ガスを用いてＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの等速エッチングは不可能な真空度である。それにもかかわらず、われわれの実験では、イオンの引き出し電圧を１００Ｖまで下げた場合においてもＡｌＧａＡｓに達したときのエッチレートの低下は観察されず、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓが等速でエッチングされていることを示している。この理由については従来の実験結果からは予想されず。現状では理解されていない。
【００１６】
Ｋ．Ａｓａｋａｗａ他、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジーズ、８３巻１号（１９８５年）ｐｐ．４０２―４０５には、Ａｌ2Ｏ3のスパッタ率が示されている。それによれば、塩素イオンを用いたエッチング、（リアクティブ・イオン・ビーム・エッチング）の場合、同じ条件で比較すると、ＧａＡｓのスパッタ率が１３であるのに対してＡｌ2Ｏ3のスパッタ率は０．２である。また、彼らも塩素イオンはＡｌ2Ｏ3に対して非常に不活性であることを報告している。以上のことを考え併せると、本発明の効果は塩素ガスと塩素イオンの何らかの相乗作用によるものと考えられる。
【００１７】
リアクティブ・イオン・ビーム・エッチングの場合、プラズマ中での塩素ガスのイオン化率は約１％程度と言われている。とすれば、塩素ガス／塩素イオンの比はイオン化室内で１００程度である。そのうち、塩素イオンは引き出し電圧よって効率良くエッチング室に引き出され、基板に照射される。一方、塩素ガスは装置内を拡散してその一部が基板に到達する。したがって、基板上での塩素ガス／塩素イオンの比はたかだか１００であり、その場合には本特許で示すようなＡｌ2Ｏ3の除去効果は見られていないわけである。本特許の場合、塩素ガスは直接基板表面に照射されており、われわれの実験によれば塩素ガス／塩素イオンの比は１０００以上と見積もられた。従って、本特許がＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの等速エッチングに有効に使えるのは塩素ガス／塩素イオンの比が１０００以上の領域であることがわかる。そのような条件下で、本特許の有効性が実証された。
【００１８】
（実施例２）
次に、実施例１でイオン化室に導入した塩素ガスをＣＣｌ4、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＣｌ3Ｆ、ＰＣｌ3、ＢＣｌ3、ＨＣｌと取り替えて実施した。そのほかのエッチング条件は実施例１と同じである。その結果を図３に示す。用いるガスを変えるとエッチレートはガスによって変化するが、どのガスを用いた場合でもＡｌＧａＡｓ層に到達した後も等速エッチングを続けている。即ち、塩素ガスだけでなく、これら塩素系ガスの場合でもそれをイオン化し、塩素ガス照射と同時に用いることにより、ＡｌＧａＡｓ表面に形成される酸化膜を効率よく除去し、等速エッチングを実現できることを確認した。
【００１９】
（実施例３）
図４は、本発明の第３の実施例のドライエッチング方法を示している。本実施例では、ノズル９を通して塩素ガス１０をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ基板に直接照射する。この例ではマグネット３１によって発生させた磁場とマイクロ波３０とでイオン化室３４に導入されたアルゴンガス６をプラズマ化する電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用したイオン源を用いてイオンを作りだしている。プラズマ中のアルゴンイオンは、実施例１と同様に引き出し電極５によりてエッチング室に引き出し、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ基板に照射する。それに加えて、エッチング室に配置された電子銃３２から基板に向けて電子線を照射した。この電子銃は電子ビームを収束しないで照射するタイプの電子銃で、基板全面に均一に電子線を照射できるように設計されている。
【００２０】
この場合にも、従来例と同じ図６に示す層構造をもつ試料を作製してエッチング実験を行った。その結果、実施例１と同様にＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの等速エッチングが実現できた（この時のデータは実施例とほぼ同様である。）。この理由についても現時点では明らかではないが、電子線とイオンと塩素ガスの相乗作用がＡｌ2Ｏ3の除去効果を有するものと考えられる。この場合、イオンとしてはアルゴンを用いているため、実施例１や実施例２とは異なったメカニズムが存在しているようであるが、本特許がＧａＡｓとＡｌＧａＡｓの等速エッチングに有効であることが実証された。
【００２１】
また、本実施例では、イオン源としてアルゴンガスを用いているが、アルゴンガスの代わりにキセノン、ネオン、ヘリウム等を用いてもよく、さらには、塩素ガス、ＣＣｌ4、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＣｌ3Ｆ、ＰＣｌ3、ＢＣｌ3、ＨＣｌを用いる場合にも適用できることはいうまでもない。
【００２２】
以上の実施例においてはカウフマン型、及びＥＣＲ型のプラズマを用いてイオンを発生させたが、その他のイオン源、例えばヘリコン波励起プラズマ、誘導結合型プラズマ等を用いても同じ効果が得られることは自明である。
さらに、以上の実施例においては、半導体基板を直接エッチングする例を用いて説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、基板上に形成された半導体層であってもよい。
【００２３】
また、以上の実施例においては、ＡｌＧａＡｓを含む構造のエッチングに関して説明しているが、ＡｌＧａＡｓの代わりにＡｌＡｓを用いた場合や、そのほかのＡｌを含む半導体、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＳｂ、ＡｌＡｓＰ、ＡｌＡｓＳｂ、ＡｌＳｂＰ又はその混晶を用いた場合にも適用できる。さらに、ＧａＡｓの場合や、その他半導体膜、例えばＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ又はそれらの混晶を用いた場合にも適用できることはいうまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
上記のように、反応性ガスを直接半導体基板、又は基板上に形成された半導体層（以下、半導体層等）表面に照射するとともに、反応性ガス、特に塩素を含むガスをイオン化して半導体層等に照射すると、イオンのエネルギーが低くてすむため、それに起因する結晶欠陥は発生しない。ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＡｓを含む場合においても、そのエネルギーが低い場合であっても半導体層等表面上の酸化膜は有効に除去され、エッチングは阻害されることなく進行する。また、反応性ガスを直接半導体層等の表面に照射するとともにイオンと電子線を基板に照射すると、イオンのエネルギーが低くてすむため、それに起因する欠陥損傷は発生しない。ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＡｓを含む場合においても半導体層等の表面の酸化膜は有効に除去され、エッチングは進行する。また電子線照射に起因する結晶欠陥もほとんど発生しないため、理想的なエッチングが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の半導体基板のエッチング方法を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施例によるエッチングの結果を示し、エッチング時間に対するエッチング深さを示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例によるエッチングの結果を示し、エッチング時間に対するエッチング深さを示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例の半導体基板のエッチング方法を説明するための図である。
【図５】従来例による半導体エッチング方法を説明するための図である。
【図６】従来例、本発明の第１乃至第３の実施例においてエッチングに用いた試料の構造を示す図である。
【図７】従来例によるエッチングの結果を示し、エッチング時間に対するエッチング深さを示す図である。
【符号の説明】
１  ＧａＡｓ基板
２  エッチング室
３  アルゴンイオンビーム
４  イオン化室
５  引き出し電極
６  アルゴンガス
７  タングステン・フィラメント
８  陽極
９  ノズル
１０  塩素ガス
１１  ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ基板
１３  塩素イオンビーム
１６  塩素ガス
３０  マイクロ波
３１  マグネット
３２  電子銃
３３  電子線
３４  イオン化室
【図１】
0003665400.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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