(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単体のＧａＡｓ及びＩｎＰ基板を含む、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ、ｙ≦１）層表面に、任意のイオンビーム径、イオン電流密度に制御したＧａイオンを注入し、前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に形成されている表面酸化膜の存在又は酸素分子照射のもとでのＧａイオン打ち込みにより酸化層を選択的にＧａ2Ｏ3に置換又は生成させた後、前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面を臭素化物により一原子層単位でドライエッチングし、前記Ｇａ2Ｏ3に置換した部分以外の前記表面酸化膜及びＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y基板を除去するネガ型リソグラフィを可能にするイオンビーム微細加工方法。
【請求項２】
単体のＧａＡｓ及びＩｎＰ基板を含む、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ、ｙ≦１）層表面に、任意のイオンビーム径、イオン電流密度に制御したＧａイオンを注入し、前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に形成されている表面酸化膜の存在又は酸素分子照射のもとでのＧａイオン打ち込みにより酸化層を選択的にＧａ2Ｏ3に置換又は生成させ、前記Ｇａイオンにより前記Ｇａ2Ｏ3の一部をスパッタリングし、前記Ｇａ2Ｏ3のスパッタリングされた部分から該Ｇａイオンを前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層に注入して前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層を非晶質化させた後、臭素化物により一原子層単位でドライエッチングし、前記Ｇａ2Ｏ3に置換した部分以外の前記表面酸化膜及びその部分のＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層とＧａイオン注入で非晶質化されたＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層を除去するポジ型リソグラフィを可能にするイオンビーム微細加工方法。
【請求項３】
前記臭素化物に、ＡｓＢｒ3、ＰＢｒ3を用いる請求項１又は２に記載のイオンビーム微細加工方法。
【請求項４】
前記Ｇａイオンの注入量を制御することによって前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面を、ナノ・オーダー単位でエッチング深さ、及び加工領域の側面形状をその場で制御することが可能な請求項１〜３のいずれかに記載のイオンビーム微細加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体基板、特にＧａＡｓ及びＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長された、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面のイオンビーム微細加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロエレクトロニクスの中核をなすＵＬＳＩの集積度の向上とともに、これら量子デバイスにおける回路パターンは微細化の一途をたどっている。従来、半導体デバイスの作製プロセスでは、絶縁膜や金属薄膜の不要部分を、レジストパターン通りに高精度で取り除くための基礎技術として、半導体結晶のエッチング法が広く採用されている。このエッチング法のための手段として、ハロゲンガスを用いたドライエッチングの検討も進められている。このドライエッチングは、超高真空中の比較的清浄な雰囲気でエッチングを行うため、微細な量子デバイスの加工が可能なものとして期待されている。
【０００３】
例えば、デバイス材料として代表的なＳｉについては、フッ素および塩素系のハロゲンガスによるドライエッチングプロセスが検討されてきている。しかしながら、これまでのところ、このシリコンの場合についても、より微細な量子素子を作製するためのドライエッチングプロセスはいまだ完成していないのが実情である。そして、ＧａＡｓを含むＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y等の化合物半導体についてもドライエッチングプロセスに関する報告は多いが、量子素子の作製を可能とする技術的手段についてはいまだＳｉ同様に、完成していないのが実情である。
【０００４】
例えば、ＧａＡｓはＳｉに比べ電子の移動度が大きく、Ｓｉより高周波、高速の動作が可能な材料であって、資源の豊かさ、結晶の完全性等の点から工業規模の大きさで発展し、Ｓｉに代わり、その限界を克服する化合物半導体の１種としてその優れた性質と多様性で注目されているものである。またこのＧａＡｓ等の化合物半導体のエピタキシャル結晶技術として、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）法や、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法等の技術が進歩し、一様な結晶成長が可能になってきており、化合物半導体のデバイス材料としての重要度は増してきている。
【０００５】
そこで、本発明者は、化合物半導体等に対する従来のハロゲンガスによるドライエッチング方法の技術的限界を克服するドライエッチング方法として、半導体結晶表面を臭素化物により一原子層単位でドライエッチングする方法を開発し、特開平８−３２１４８３号公報で開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＡｓ層表面に精度良く回路パターンを形成するためには、前述の一原子層単位でドライエッチングする場合であっても、ドライエッチング用マスクを形成する必要があった。近年の、量子デバイスにおける回路パターンは微細化、複雑化に伴い、このドライエッチング用マスクそのものの作製も困難となり、形状、寸法の再現性が悪くなるという問題があった。
【０００７】
また、ＧａＡｓ層表面には、自然にＡｓ2Ｏ3等の表面酸化膜が形成されており、ドライエッチング用マスクを形成するにあたり、この表面酸化膜を除去する必要もあった。
【０００８】
本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、ＧａＡｓを含むＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に、自然に形成されているＡｓ2Ｏ3等の表面酸化膜を予め除去する必要性がなく、また、複雑で微細化された回路パターンを形成するためのドライエッチング用マスクを形成することなく、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に、量子デバイスに用いられる微細な回路パターンをその場で形成するイオンビーム微細加工方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明のイオンビーム微細加工方法は、単体のＧａＡｓ及びＩｎＰ基板を含む、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に、任意のイオンビーム径、イオン電流密度に制御したＧａイオンを注入し、前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に形成されている表面酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでのＧａイオン打ち込みにより酸化層を選択的にＧａ2Ｏ3に置換又は生成させた後、前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面を臭素化物により一原子層単位でドライエッチングし、前記Ｇａ2Ｏ3に置換した部分以外の前記表面酸化膜及びＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-yを除去するものである。また、前記臭素化物に、ＡｓＢｒ3、ＰＢｒ3を用いるものである。また、前記Ｇａイオンの注入量を制御することによって前記ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面を、ネガ型、ポジ型のいずれにも加工することができるものである。
【００１０】
本発明は、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に、直接、任意のイオンビーム径及びイオン電流密度に調整したＧａイオンを注入し、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に自然に形成されているＡｓ2Ｏ3等の酸化物を選択的に化学的に安定なＧａ2Ｏ3に置換する。そして、それ以外のＡｓ2Ｏ3等の酸化物を１０-8Ｐａ以下程度の減圧環境下において選択的に熱脱離させる。このとき、安定な酸化膜（Ｇａ2Ｏ3）に置換された酸化膜が従来のリソグラフィ法に用いられていたマスクと同等の役割を果たし、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層母材を、ＡｓＢｒ3等の臭素化物の雰囲気で一原子層毎にエッチングすると、化学的に安定な酸化膜であるＧａ2Ｏ3がＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に残り、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に回路パターンを形成できるものである。したがって、Ｇａイオン注入時にイオンビームによって、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に回路パターン等を描くことによって、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面のＧａイオン注入部には、化学的に安定なＧａ2Ｏ3が形成され、このＧａ2Ｏ3が臭素化物によるドライエッチング時にエッチングされずに残り、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層に任意のパターンの回路パターンを加工することが可能となる。また、Ｇａイオン注入時のＧａイオン注入量によって、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面をポジ型、ネガ型のいずれにも加工することが可能となる。このように、本発明のイオンビーム微細加工方法は、ドライエッチングの際に用いていたドライエッチング用マスクを作製して使用する必要もなく、Ｇａイオンの注入量を制御することによって、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に形成されるパターンを自在に調整することが可能となる。このため、近年の量子デバイスに用いられる回路パターンのように、複雑化し、微細化した回路パターンにも対応が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るイオンビーム微細加工方法の実施の形態の一例を説明する。図１において、１はＧａＡｓ層であり、２はＧａＡｓ層１表面に自然に形成されているＡｓ2Ｏ3等の表面の表面酸化膜を示している。また、図１において、紙面左から右にかけて、即ち、図１（ａ）〜（ｄ）に移るにしたがってＧａイオンの注入量が増加していることを示している。
【００１２】
本実施形態例に係るイオンビーム微細加工方法は、まず、ＧａＡｓ層１表面に自然に形成されているＡｓ2Ｏ3等の表面酸化膜２を除去することなく、この表面酸化膜２の表面に向ってイオンビーム径を０．５μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下、更に好ましくは０．１μｍ以下に絞ったＧａイオン４を真空中で照射して、表面酸化膜２にＧａイオンを注入する。Ｇａイオンの注入により、表面酸化膜２のＡｓ2Ｏ3等の酸化物は、ある注入量以下では化学的に安定した酸化物Ｇａ2Ｏ3に置換される（図１（ａ）上段参照）。図１において、３はＧａ2Ｏ3膜を示している。次に、表面酸化膜２の一部をＧａ2Ｏ3膜３に置換したＧａＡｓ層１を５８０℃に昇温する事によりＧａ2Ｏ3膜３以外の表面酸化膜２が熱脱離し、その後表面を臭素化物で照射する事により原子層一層単位でドライエッチングし、Ｇａ2Ｏ3膜３に置換された部分以外を除去する（図１（ａ）下段参照）。この時、ＧａＡｓ層１の表面を所定の回路パターンとなるように、Ｇａイオンによってパターニングすると、ＧａＡｓ層１表面に任意の回路パターンを加工することが可能となる。
【００１３】
ここで、このドライエッチングによると、平坦性のよい表面を再現性よく得ることを可能としている。具体的には、この臭素化物によるエッチングでは、エッチングされていく原子が表面のステップ位置およびキンク位置の原子であって、表面の凹凸を構成しているステップ・キンクを優先的に取り除くため、原子層を一層単位でエッチングすることができる。このような一層単位でのエッチングの結果得られる表面はきわめて平坦性の高いものである。すなわち原子レベルで平坦な表面を得ることができる。さらにこの方法はへき開面である（１１０）面でも、面指数に関わらない同様なエッチングを可能としている。このため、ＧａＡｓ結晶の表面は（１００）、（１１０）、（１１１）のいずれの面でも面指数によらず一層単位でのエッチング、すなわち、ナノ・オーダー単位でのエッチング深さ、及び加工領域の側面形状をその場で制御することが可能となる。
【００１４】
このドライエッチングにおいては、臭素化物ガスを用いて超高真空中で、たとえば１０-8Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０-6〜１０-5ＰａのＶ族分子ガス分圧下でのエッチャントガスの導入によりエッチングを実施することができる。ここで、エッチャントガスとして用いられる臭素化物としては、好ましくはＡｓとの化合物であるＡｓＢｒ3、又Ｐとの化合物であるＰＢｒ3がその代表的なものとして例示される。もちろん、他種のものであってもよい。
【００１５】
このように、表面原子層一層単位毎にエッチングすることが可能であるため、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に存在する表面酸化膜がＧａイオンの照射によって形成される微細寸法の化学的に安定なＧａ2Ｏ3に置換された以外の部分をナノ・オーダー単位で加工することが可能となり、再現性良く且つ容易に高アスペクト比の微細構造を形成することができ、ネガ型リソグラフィを行う事が可能となる。
【００１６】
Ｇａイオン４を、前述の場合よりも高いイオン電流密度で照射して、その注入量を多くすると、図１（ｂ）に示すように、ある所定の注入量を超えるとＧａ2Ｏ3膜３はスパッタリングされＧａイオンはＧａＡｓ層１に侵入し、ＧａＡｓ層１にＧａイオンが注入される。そして、Ｇａイオンが注入されることによって、ＧａＡｓ層１は、非晶質化されたＧａＡｓ層５となり、表面には溝が形成される（図１（ｂ）上段参照）。次に、表面酸化膜２の一部をＧａ2Ｏ3膜３に置換したＧａＡｓ層１の表面を臭素化物により原子層一層単位でドライエッチングし、Ｇａ2Ｏ3膜３に置換された部分以外、及びＧａ2Ｏ3膜３のＧａイオンに依りスパッタリングされた部分を除去すると、頂点部分に溝が形成された所定のパターンにパターニングされた表面ができる（図１（ｂ）下段参照）。
【００１７】
また、図１（ｃ）に示すように、表面酸化膜２へのＧａイオン４の注入量を多くすると、表面に形成されているＡｓ2Ｏ3等がＧａ2Ｏ3に置換していくが、前述同様、ある所定のＧａイオン注入量を超えると、Ｇａ2Ｏ3がＧａイオンによってスパッタリングされるようになる（図１（ｃ）上段参照）。そして、ＧａＡｓ層１にＧａイオンが注入されることで、ＧａＡｓ層１は非晶質化したＧａＡｓ層５となる。この非晶質化したＧａＡｓ層５は、単結晶ＧａＡｓに比べ大きなエッチング速度を示す。このため、ＧａＡｓ層１の表面を、臭素化物ガスを用いて超高真空中で、たとえば１０-8Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０-6〜１０-5Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入によりドライエッチングを行うと、Ｇａイオン４が注入されていない部分に比べて早くエッチングされ、図１（ｃ）下段に示すように、溝の外側に比べエッチングされる量が多く、内側に深いエッチングのＶ溝が形成される。
【００１８】
さらに、注入するＧａイオン量を増やしていくと、ＧａＡｓ層１の非晶質化の範囲が拡大して、Ｇａイオンによってスパッタリングされる（図１（ｄ）上段参照）。このＧａＡｓ層１の表面を、前述同様に臭素化物ガスを用いて超高真空中で、たとえば１０-8Ｐａレベルへの排気後、５００〜６００℃で１０-6〜１０-5Ｐａのガス分圧でのエッチャントガスの導入によりドライエッチングを行うと、表面に深い溝を加工することができる（図１（ｄ）下段参照）。
【００１９】
このように、本発明に係るイオンビーム微細加工方法によると、ＧａＡｓ層表面に自然に形成されているＡｓ2Ｏ3等の表面酸化膜を除去することなく、該表面酸化膜にＧａイオンを注入することで、表面に化学的に安定なＧａ2Ｏ3を形成することが可能となる。そして、注入するＧａイオン量を制御することによって臭素化物によるドライエッチング後のＧａＡｓ層表面をネガ型、ポジ型のいずれにも加工することが可能となる。また、Ｇａイオン注入時に所定の回路パターンとなるようにＧａＡｓ層表面をイオンビームで描画することによって、容易に任意の回路パターンを再現性良く加工することができる。これによって、半導体デバイスはもちろんであるが、波長弁別デバイス、マイクロマシニングやマイクロコンポーネント等の微細加工、量子細線・量子箱等へ応用が可能となる。なお、本実施形態例では、ＧａＡｓ層について説明したが、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層であれば、本実施形態例で説明したＧａＡｓ層と同様の効果を奏し、ＧａＡｓ層に限定されるものではない。
【００２０】
以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明する。
（実施例１）
ＧａＡｓ層表面に自然に形成されているＡｓ2Ｏ3等の表面酸化膜の表面に向ってイオンビーム径を０．１μｍに絞ったＧａイオンを真空中で６×１０13個／ｃｍ2、加速電圧３０ｋＶで照射して、表面酸化膜にＧａイオンを注入する。Ｇａイオン注入後、超高真空装置に設置し、１０-8Ｐａレベルへ排気後、５８０℃に昇温し、Ｇａ2Ｏ3以外の酸化膜の除去後に、５００〜６３０℃で１０-6〜１０-5Ｐａのガス分圧でのＡｓＢｒ3ガスを導入してエッチングを行なう。
【００２１】
図２（ａ）に、その表面の原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭという。）像を示す。図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓ層表面には、ＡｓＢｒ3ガスによってエッチングされなかったＧａイオンが注入されて表面酸化膜がＧａ2Ｏ3に置換された部分が凸状に形成されているのが観察できる。
【００２２】
（実施例２）
Ｇａイオンの注入量を６×１０14個／ｃｍ2とした以外、実施例１と同様にして、Ｇａイオンを注入した後、表面をＡｓＢｒ3ガスでドライエッチングをおこなった。
【００２３】
図２（ｂ）に、注入領域中心部分ではドーズ量（注入量）が局部的に増大し安定なＧａ2Ｏ3がスパッタリングされ、頂点部分に溝が形成されたパターンが形成されているのが観察できる。
【００２４】
（実施例３）
Ｇａイオンの注入量を６×１０15個／ｃｍ2とした以外、実施例１と同様にして、Ｇａイオンを注入した後、表面をＡｓＢｒ3ガスでドライエッチングをおこなった。
【００２５】
図２（ｃ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。図２（ｃ）に示すように、ＧａＡｓ層表面には、Ｇａイオンによって、ＧａＡｓ層がアモルファス化することで、ＡｓＢｒ3にエッチングされ易くなり深い溝が形成されているのが観察できる。
【００２６】
（実施例４）
Ｇａイオンの注入量を６×１０17個／ｃｍ2とした以外、実施例１と同様にして、Ｇａイオンを注入した後、表面をＡｓＢｒ3ガスでドライエッチングをおこなった。
【００２７】
図２（ｄ）に、その表面のＡＦＭ像を示す。図２（ｄ）に示すように、ＧａＡｓ層表面には、Ｇａイオンによって、ＧａＡｓ層が非晶質化することで、ＡｓＢｒ3にエッチングされ易くなり深い溝が形成されているのが観察できる。
【００２８】
以上のように、ＧａＡｓ層表面に形成されている表面酸化膜にＧａイオンを注入することによって、臭素化物によってエッチングされない化学的に安定なＧａ2Ｏ3を形成することができ、さらに、Ｇａイオンの注入量を制御することによって、ＧａＡｓ層表面に形成されるパターンをポジ型、ネガ型のいずれにも加工することが可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明により、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層等の化合物半導体を含む半導体結晶表面に自然に形成されている表面酸化膜を除去することなく、その表面酸化膜にＧａイオンを注入することによって、臭素化物によってエッチングされない化学的に安定なＧａ2Ｏ3を形成することができる。このため、従来のようにエッチングの際にエッチング用マスクを使用することなく表面に任意の回路パターンを加工することができる。さらに、Ｇａイオンの注入量を制御することによって、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層表面に形成されるパターンをポジ型、ネガ型のいずれにも加工することが可能となる。これによって、多様な量子デバイス特性を生かした有用な素子例えば量子細線、量子箱、回折格子、マイクロマシンの実現も可能となる。また、一原子層毎にエッチングすることが可能であるため、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層の結晶方位によって、形成される溝の形状を自在に制御可能とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るイオンビーム微細加工方法の実施形態例をイオン・ドーズ量（イオン注入量）の違いによる形成過程の違いを説明するための図である。
【図２】本発明に係るイオンビーム微細加工方法のイオン・ドーズ量（イオン注入量）が異なる基板表面のＡＦＭ像を示す図である。
【符号の説明】
１ ＧａＡｓ層
２ 自然酸化膜
３ Ｇａ2Ｏ3膜
４ Ｇａイオンビーム
５ Ｇａイオンが注入されたＧａＡｓ層
【図１】
0004803513.tif 000002
【図２】
0004803513.tif 000003