(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉウェハー基板表面にＡｌ層を形成し、さらに、該Ａｌ層表面にＳｉアモルファス層を形成した後、該Ｓｉアモルファス層表面にイオンビームを任意の形状に選択吸収できるマスクを通して金属イオンを所要の形状に注入し、前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に強制酸化膜ＳｉxＯyに置換又は生成させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記強制酸化膜ＳｉxＯyからのＯイオンの伝播及び前記Ｓｉアモルファス層のスパッタリングにより前記Ａｌ層の一部にＡｌxＯyを生成させた後、前記Ｓｉウェハー基板表面を反応性エッチングガスにより一原子層単位でドライエッチングし、前記強制酸化膜ＳｉxＯy及びＡｌxＯyに置換した部分以外の前記表面自然酸化膜、Ｓｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を除去する無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法。
【請求項２】
前記マスクを介して金属イオンを注入した後に、前記マスクを取り除き、任意のイオンビーム径、イオン電流密度に制御した金属イオンの集束イオンビームを前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に強制酸化膜ＳｉxＯyに置換又は生成させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記強制酸化膜ＳｉxＯyからのＯイオンの伝播及び前記Ｓｉアモルファス層のスパッタリングにより前記Ａｌ層の一部にＡｌxＯyを生成させた後、Ｓｉウェハー基板表面を反応性エッチングガスにより一原子層単位でドライエッチングし、前記強制酸化膜ＳｉxＯy及びＡｌxＯyに置換した部分以外の前記表面自然酸化膜、Ｓｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を除去する請求項１に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法。
【請求項３】
前記マスクを取り除いた後に表面自然酸化膜に打ち込む任意のイオンビーム径とイオン電流密度に制御した金属イオンの注入量を制御することによって、前記ＡｌxＯy層の一部をスパッタリングし、該ＡｌxＯyパターンを任意の形状に微細加工して、全体と局部両方のパターンを自在に制御することによって、ナノオーダーサイズの微細構造体及び／又は電子回路をＳｉウェハー基板全面に効率よく形成することができる請求項２に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法。
【請求項４】
前記Ｓｉアモルファス層の厚みを制御することによって、前記Ａｌ層表面に形成されるＡｌxＯyの大きさを制御できる請求項１乃至３のいずれかに記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法。
【請求項５】
前記ＳｉxＯy及びＡｌxＯyに置換される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによる除去量を制御することによって前記Ｓｉウェハー基板表面を、ナノオーダーサイズのネガ型、ポジ型のいずれにも加工することができる請求項１乃至４のいずれかに記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法。
【請求項６】
前記反応性エッチングガスに、ＢｉＦ3又はＸｅＦ2を用いる請求項５に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｓｉ半導体基板表面の微細加工方法、特に、無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の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】
本発明者は、Ｓｉ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特開平８−３２１４８３号公報で開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来、Ｓｉ半導体の製法においては、前述のドライエッチング法は殆ど採用されておらず依然として有機感光剤のウェットレジストによる光学リソグラフィー法が採用されている。しかしながら、この光学リソグラフィー法で精度よく回路パターンの微細化、複雑化に対応するにはマスクそのものの作製も困難になり、さらには有機感光剤のウェットレジスト工程のダストフリーのクリーン度を保つ為に膨大な設備コストが必要である。
【０００６】
本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、Ｓｉ半導体の微細加工を従来の有機物ウェットレジスト法から無機物ドライレジスト法に変えてＳｉ半導体の微細構造体の加工と微細回路の加工を精度よく安価な設備で製作可能としたものである。
【０００７】
【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請求項１に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、Ｓｉウェハー基板表面にＡｌ層を形成し、さらに、該Ａｌ層表面にＳｉアモルファス層を形成した後、該Ｓｉアモルファス層表面にイオンビームを任意の形状に選択吸収できるマスクを通して金属イオンを所要の形状に注入し、前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に強制酸化膜ＳｉxＯyに置換又は生成させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記強制酸化膜ＳｉxＯyからのＯイオンの伝播及び前記Ｓｉアモルファス層のスパッタリングにより前記Ａｌ層の一部にＡｌxＯyを生成させた後、前記Ｓｉウェハー基板表面を反応性エッチングガスにより一原子層単位でドライエッチングし、前記強制酸化膜ＳｉxＯy及びＡｌxＯyに置換した部分以外の前記表面自然酸化膜、Ｓｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を除去するものである。
【０００８】
Ｓｉウェハー基板表面に、Ａｌ層を、さらにその表面にＳｉアモルファス層を形成する。このＳｉアモルファス層表面に所定のパターンが形成され、必要な部分以外の場所にはイオンビームを透過しないマスクを設置し、このマスクを介して金属イオンを前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとで照射する。すると、マスクに設けられているパターンを通過した金属イオンによって、Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜が選択的に化学的に安定な酸化層ＳｉＯ2に置換される。更にイオンの打ち込み量を増やすと、このＳｉＯ2からのＯイオンの伝播又はＳｉアモルファス層のスパッタリングによって、Ａｌ層表面に化学的に安定なＡｌxＯy、例えば、Ａｌ2Ｏ3が形成される。そして、マスクを除去した後、Ｓｉウェハー基板表面に形成されたＳｉＯ2、及びＡｌxＯy以外の部分のＳｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を１０-8Ｐａ以下程度の減圧下において、ドライエッチングして、化学的に安定なＡｌ2Ｏ3を残すことによって、Ｓｉ基板表面に任意の形状の構造やパターンを自在に形成することができる。なお、ここで、用いられる金属イオンとしては、比較的重い金属であるＧａ等を使用することが好ましい。
【０００９】
ここで、Ｓｉ基板表面に形成されるＡｌ層は、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）（以下、ＭＢＥという。）又は化学気相体積法（Ｃｈｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（以下、ＣＶＤという）によって形成されたものであることが好ましい。ＭＢＥ法又はＣＶＤ法によって形成されることで、原子層単位で厚み制御を行うことが可能となるからである。Ａｌ層の表面に形成されるＳｉアモルファス層も、ＭＢＥ法またはＣＶＤ法によって形成されたものであることが好ましい。原子層単位での厚み制御が可能であるため、第２層のＡｌ層表面へのＯイオンの伝播量の正確な制御が可能となるからである。
【００１０】
また、請求項２に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、請求項１において、前記マスクを介して金属イオンを注入した後に、前記マスクを取り除き、任意のイオンビーム径、イオン電流密度に制御した金属イオンの集束イオンビームを前記Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されている表面自然酸化膜の存在又は酸素分子放射のもとでの金属イオン打ち込みにより、前記表面自然酸化膜を選択的に強制酸化膜ＳｉxＯyに置換又は生成させ、更にイオンの打ち込み量を増やし、前記強制酸化膜ＳｉxＯyからのＯイオンの伝播及び前記Ｓｉアモルファス層のスパッタリングにより前記Ａｌ層の一部にＡｌxＯyを生成させた後、Ｓｉウェハー基板表面を反応性エッチングガスにより一原子層単位でドライエッチングし、前記強制酸化膜ＳｉxＯy及びＡｌxＯyに置換した部分以外の前記表面自然酸化膜、Ｓｉアモルファス層、Ａｌ層及びＳｉウェハー基板の一部を除去するものである。
【００１１】
マスクを使用して金属イオンを照射した後に、マスクを取り除き、マスクを通過した金属イオンによって、形成された化学的に安定なＳｉＯ2、及びＡｌxＯyに対して金属イオンをさらに注入することによって、これらに注入されるイオンドーズ量を増加させ、形成されるＡｌxＯyの大きさを制御することが可能となる。これによって、Ｓｉウェハー基板表面に部分的に集束イオンビームによる描画を効率よく行うことが可能となり、Ｓｉウェハー基板表面の全体に所定の微細加工を施すとともに、部分的にも微細加工を行うことができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、請求項２において、前記マスクを取り除いた後に表面自然酸化膜に打ち込む任意のイオンビーム径とイオン電流密度に制御した金属イオンの注入量を制御することによって、前記ＡｌxＯy層の一部をスパッタリングし、該ＡｌxＯyパターンを任意の形状に微細加工して、全体と局部両方のパターンを自在に制御することによって、ナノオーダーサイズの微細構造体及び／又は電子回路をＳｉウェハー基板全面に効率よく形成することができるものである。
【００１３】
マスクを取り除いた後に、注入するイオンビームのビーム径及びイオン電流密度を制御する。そして、注入されるイオンが所定の濃度以上となるように、例えば、金属イオンビームをそのイオンビーム密度が、例えば６×１０16（個／ｃｍ2）以上で注入する。これによって、マスクを用いた金属イオン注入で得られた形状に追加して微細加工形状を任意に形成することができる。このため、Ｓｉウェハー基板表面の全体と局部両方をミリオーダーからナノオーダーサイズの所定のパターンを有した微細構造体及び／又は電子回路を加工することが可能となる。
【００１４】
また、請求項４に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記Ｓｉアモルファス層の厚みを制御することによって、前記Ａｌ層表面に形成されるＡｌxＯyの大きさを制御できるものである。
【００１５】
ＭＢＥ法又はＣＶＤ法により、表面に形成されるＳｉアモルファス層の厚みを原子層単位で制御することで、第２層のＡｌ層へのＯイオンの伝播量を制御することができ、Ａｌ層表面に形成されるＡｌxＯy層の大きさを制御することが可能となる。また、イオンビーム密度を例えば６×１０16（個／ｃｍ2）以上に増やすとスパッタリングを起こす。そして、ＡｌxＯy層とＳｉ基板の一部を削り取りマスクを用いたＧａイオン注入で得られた形状に追加して微細加工形状を任意に形成することができるので、ミリオーダーからナノオーダーの広範囲の形状を自由に形成することができる。
【００１６】
また、請求項５に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記ＳｉxＯy及びＡｌxＯyに置換される部分の大きさ及び前記ドライエッチングによる除去量を制御することによって前記Ｓｉウェハー基板表面を、ナノオーダーサイズのネガ型、ポジ型のいずれにも加工することができるものである。
【００１７】
化学的に安定なＳｉxＯy及びＡｌxＯyの形成される大きさを制御するとともに、エッチング量を制御することによって、Ｓｉウェハー基板表面に形成される微細加工面積を自在に制御することが可能であり、Ｓｉウェハー基板表面を、ネガ型、ポジ型のいずれにも自在に加工することができる。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。
【００１８】
また、請求項６に記載の無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、請求項５において、前記反応性エッチングガスに、ＢｉＦ3又はＸｅＦ2を用いるものである。
原子層単位でのエッチングが可能となり、Ｓｉウェハー基板表面に任意の回路パターンを自在に形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法の実施形態の一例を説明する。図１は、マスクを使ってイオンをシャワー状に打ち込んだ状態の断面模式図であり、図２は引き続いてマスクを外してイオンを細く集束させて場所により注入量を変えて打ち込んだ状態の断面模式図であり、図３は原子層単位でドライエッチングをした場合の断面模式図である。図４は図３よりエッチング量の多いものを示している。ここで、用いられるイオンとしては、比較的重い金属のイオンであれば特に限定されるものではなく、一般に、よく使用されているＧａイオンが、既存の設備をそのまま利用できることなどから好ましい。
【００２１】
図１において、１はＳｉウェハー基板であり、２はＳｉウェハー基板１表面にＭＢＥ法またはＣＶＤ法により形成されたＡｌ層を示し、３はＡｌ層２の表面にＭＢＥ法またはＣＶＤ法により形成されたＳｉアモルファス層であり、４はＳｉアモルファス層３の表面に自然に形成されているＳｉＯ2等の表面自然酸化膜であり、５はマスクを示し、６は金属イオンとして使用するＧａイオンを示す。ここで、マスク５としては、金等の金属が例示できるが、照射するイオンによって適宜選択することが好ましい。また、マスク５は、一枚のマスク上に任意のパターンが加工されたものや、複数のマスクを組み合わせて所定のパターンが形成できるようにしたもの及び複数のマスクでイオン照射を繰り返して所定のパターンを形成できるようにしたものであってもよい。
【００２２】
本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、Ｓｉウェハー基板１表面にＭＢＥ法またはＣＶＤ法により任意の厚みにＡｌ層２を形成し、このＡｌ層２の表面にＳｉアモルファス層３を積層する。そして、その表面に自然に形成されているＳｉＯ2等の表面自然酸化膜４を除去することなく、この表面自然酸化膜４上に所定のパターンが形成されたマスク５を設置し、真空中でＧａイオンビーム６をマスク５を介して照射する。このとき、Ｇａイオンビーム６は、シャワー状に表面全体に照射するようにしてもよいし、あるいは、集束させたＧａイオンビームを一定速度で走査させて表面全体を照射するようにしてもよい。
【００２３】
Ｇａイオン６の注入により表面自然酸化膜４には、化学的に安定な酸化物であるＳｉＯ2７が生成される。そして、ＳｉＯ2７のＯイオンがＳｉアモルファス層３内を伝播しＳｉアモルファス層３にイオン侵入領域１２が形成される。さらに、Ｇａイオン６の注入量を増加させると、ＳｉＯ2７のＯイオンの伝播、又はＳｉＯ2７及びＳｉアモルファス層３のスパッタリングによりこのイオン侵入領域１２のＯイオンがＡｌ層２表面に到達し、Ａｌ層２表面にＡｌ2Ｏ3層８が形成される。この化学的に安定なＳｉＯ2層７及びＡｌ2Ｏ3層８がドライエッチング時のマスクの役割を果たす。
【００２４】
図２は図1のマスク５を使ったＧａイオン６の注入の後にマスク５を取り除き、真空中でＧａイオンの集束イオンビーム９を注入した状態を示す。この時Ｇａイオンビーム９は、（ａ）はイオン注入量が６×１０13（個／ｃｍ2）、（ｂ）は６×１０15（個／ｃｍ2）、（ｃ）は６×１０16（個／ｃｍ2）、（ｄ）と（ｅ）は６×１０17（個／ｃｍ2）である。ここで、図２（ｅ）は、マスク５を通過して既にＧａイオン６の照射を受けた場所に追加してＧａイオンビーム９を照射した例を示している。
【００２５】
ここで、Ｇａイオンビーム９は、径を０．５μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下、更に好ましくは０．１μｍ以下に絞っていることが好ましい。また、このイオンビーム９はビーム先端が円形をしている。このため、表面自然酸化膜４上を一定速度で走査すると、各部分で、イオンビームが重なり合う部分が形成される。このため、表面自然酸化膜４に注入されるイオン注入量は、イオンビーム９の中心部付近ほどその量が多くなる。すなわち、表面自然酸化膜４に及ぼすイオン領域は、実際のイオンビーム９の径よりも小さくなり、その領域は、照射するイオンビーム径の２／３〜１／２の大きさとできる。このため、表面自然酸化膜４表面には、イオンビーム９のイオンビーム径の２／３〜１／２の太さの線のパターンを加工することが可能となる。
【００２６】
Ｇａイオンビーム９を真空中で照射して、表面自然酸化膜４に注入すると、表面自然酸化膜４はある注入量以上では化学的に安定した強制酸化物ＳｉＯ2７に置換される（図２参照）。そして、Ｇａイオンビーム９の注入量とＳｉアモルファス層３の厚みによって、ＳｉＯ2７からのＯイオンのＡｌ層２への伝搬量、又はＳｉアモルファス層３のスパッタリング量が制御でき、Ａｌ層２に形成されるＡｌ2Ｏ3８の大きさが制御される（図２参照）。この化学的に安定なＳｉＯ2７とＡｌ2Ｏ3８は、ドライエッチング時のマスクの役割を果たす。また、Ａｌ2Ｏ3８のサイズはＳｉＯ2７の約１／１０の大きさであるため、細かいパターニングが可能となる。このため表面を反応性エッチングガスにより原子層一層単位でドライエッチングしＳｉＯ2７とＡｌ2Ｏ3８に置換された部分以外を除去する（図３参照）と、Ｓｉウェハー基板１の表面を所定のナノオーダーのサイズの回路パターンとなるように加工することが可能となる。ここで、使用できる反応性エッチングガスとしては、ＢｉＦ3又はＸｅＦ2を用いることができる。
【００２７】
ここで、本実施形態例に係る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、反応性エッチングガス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の原子であって、表面の凹凸を構成しているステップ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、ＳｉやＡｌ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が可能となる。
【００２８】
このドライエッチングにおいては、反応性エッチング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は、ＢｉＦ3又はＸｅＦ2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。
【００２９】
図３はドライエッチングにより表面自然酸化膜４とＳｉアモルファス層３、Ａｌ層２及びイオン侵入領域１２を取り除いた状態であり、Ｓｉウェハー基板１上の所定の場所にＳｉＯ2層７とＡｌ2Ｏ3層８が形成された状態を示す。図４は図３のドライエッチングを更に進めた状態を示し、この場合はＳｉウェハー基板１の一部がエッチングされてＡｌ2Ｏ3層８とＳｉウェハー基板１が凸状に形成されている状態を示す。
【００３０】
図３において、Ａはマスクを通過したイオンによってＡｌ2Ｏ3層８が形成されたものであり、別途イオンを注入することなく、ドライエッチングを行った部分である。これによって、図３及び図４に示すように、幅広の凸部を設けることが可能となる。また、図３及び図４におけるａ〜ｄ部は、前述したように、イオン注入量が異なるものであり、イオン注入量が多くなるにしたがって、ドライエッチング後における形態の変化を示すものである。また、図３及び図４におけるｅ部は、マスクを通過したイオンによってＡｌ2Ｏ3層８が形成された部分にさらにイオンを注入したものである。
【００３１】
図３において、ａ部はイオン注入量を少なくすることによって、表面自然酸化膜４が強制酸化物ＳｉＯ2７に置換されてドライエッチングで形成された凸状の細線を示している。ｂ部は、Ｓｉアモルファス層３にＧａイオンが注入されたイオン侵入領域１２が形成され、ＯイオンがＡｌ2Ｏ3層８を形成させて、ＳｉＯ2層７の中心部に溝１０ができた凸状の細線を示している。また、ｃ部はイオン注入量が過多となり、イオンによって表面に形成されたＡｌ2Ｏ3層８の中央部がスパッタリングされ、Ｖ字溝１１が形成されるとともに、その中央部分に幅広の溝１０が形成されているものを示している。ｄ部はさらにイオン注入量が多くなり、Ｓｉウェハー基板１の一部をもスパッタリングによって加工され、幅広の溝１３が形成されているものを示す。また、図４は、前述のように、さらにドライエッチングを進めた状態を示しており、ａ部はエッチングにより、ＳｉＯ2７、及びその下のＳｉアモルファス層３とＡｌ層２が溶出し、Ａｌ2Ｏ3層８を表面に有した微細なパターンが形成された。
【００３２】
このように、マスクを使用するとともに、注入するＧａイオン９の量を制御することによって、ミリオーダーサイズからナノオーダーサイズのネガ型、ポジ型の微細加工をＳｉウェハー基板上に自在に施すことが可能となる。
【００３３】
さらに、表面自然酸化膜４やＳｉアモルファス層３、Ａｌ層２を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、イオンの注入によって形成される化学的に安定な酸化物をドライエッチング時のマスクとして、高アスペクト比で微細寸法の構造体を再現性良く且つ容易に形成することが可能となる。
【００３４】
また、Ｓｉ基板表面に、Ａｌ層及びＳｉアモルファス層を積層し、Ｓｉアモルファス層の表面に自然に形成されているＳｉＯ2等の表面自然酸化膜を除去することなく、該表面自然酸化膜にＧａイオンを注入することで、化学的に安定なＳｉＯ2を形成し、さらにはＧａイオン注入量及びＳｉアモルファス層の厚さを調節することによって下部層のＡｌ層表面にＡｌ2Ｏ3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反応性エッチングガスによるドライエッチング後のＳｉウェハー基板表面のドライエッチングマスクをネガ型、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Ｓｉウェハー基板表面をイオンビームでマスキングによる照射とマスク無しでの描画を組み合わせることによって、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、量子ワイヤー等へ応用が可能となる。
【００３５】
また、Ａｌ層とＳｉ層が積層されているため、イオン注入によって形成される化学的に安定な原子サイズの異なるマスクを形成することが可能となり、従来のように２次元的な回路パターンの設計のみならず、設計の自由度が広がり、３次元的に回路パターンを設計することも可能となる。
【００３６】
なお、本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーによるＳｉ半導体微細構造体の加工方法は、前述の実施形態例に限定されるものではなく、Ｓｉウェハー基板表面に形成され、Ｓｉウェハー基板の酸化を防止する役割をするＡｌ層をＧａxＡｌ1-xＡｓyＰ1-y層にすることも可能である。また、Ｓｉアモルファス層に変えてＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y層とすることもできる。また、Ｓｉウェハー基板表面に無機材料を多層に積層するだけでなく、一部を単層とすることによって、より複雑な三次元構造の微細構造体に加工することが可能となる。
【００３７】
以上のように、Ｓｉウェハー基板表面に積層されているＡｌ層及びＳｉアモルファス層の表面に形成されている表面自然酸化膜に金属イオンを注入することによって、反応性エッチングガスによってエッチングされない化学的に安定なマスクとなるＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3の微細なパターンを形成することができる。さらに、金属イオンの注入量を制御することによって、Ｓｉ基板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。また、安定性の異なるマスクを形成することが可能となるため、２次元だけでなく、３次元的な回路パターニングの設計も可能となる。このため、種々の半導体デバイスや、多様な量子デバイス特性を活かした素子、量子細線、量子箱、また、回折格子やマイクロマシーンコンポーネントの製作が可能となる。
【００３８】
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）
Ｓｉ基板表面にＭＢＥ法によって厚さ２０ｎｍのＡｌ層と、厚さ３０ｎｍのＳｉアモルファス層を形成する。そして、Ｓｉアモルファス層表面に自然に形成されているＳｉＯ2等の表面自然酸化膜の表面に向って、開口径１００μｍ厚み５００μｍに所定のパターンにパターニングされたマスクをＬＩＧＡの製法で作製し、ＳｉＣの枠に取り付けて金の薄板状のマスクとしてＳｉ基板上に設置してマスキングを行いＧａイオンを６×１０15（個／ｃｍ2）、加速電圧３０ｋＶでシャワー状に照射して表面酸化層にＧａイオンを注入する。そして、マスクを取り外した後に、イオンビーム径を０．１μｍに絞ったＧａイオンを同じく真空中で６×１０15個／ｃｍ2、加速電圧３０ｋＶで照射して、表面自然酸化膜に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、６００〜７００℃で１０-6〜１０-5Ｐａのガス分圧でのＢｉＦ3ガスを導入してエッチングを行った。
【００３９】
図５にＳｉウェハー基板表面のＡＦＭ像を示す。図５に示すように、マスクを取り除いた後、部分的にイオンビームを注入することで、局所的に溝を形成できるなど、所定形状の高アスペクト比の微細構造物を比較的容易にＳｉウェハー基板表面に形成することが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明により、Ｓｉウェハー基板表面に、Ａｌ層及びＳｉアモルファス層を形成し、その表面に自然に形成されている表面自然酸化膜を除去することなく、その表面自然酸化膜に金属イオンを注入することによって、反応性エッチングガスによってエッチングされない化学的に安定なＳｉＯ2やＡｌxＯyを形成することができ、さらに、金属イオンの注入量を制御することによって、Ｓｉウェハー基板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。また、微細加工にドライエッチングのマスクとして使われるＡｌ2Ｏ3は優れた絶縁性と高い誘電率を持つておりこの性質を利用して集積回路構成の主要部品であるコンデンサーの性能を大幅に高める事が可能となり集積回路におけるメモリー機能を大きく高める事が可能となる。更には、このＡｌ2Ｏ3層はＳｉ基板の上に形成される所謂ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）の絶縁物としての用途に大変適しており、Ａｌ2Ｏ3層の上に単結晶Ｓｉを形成させて寄生容量の軽減を図った高速動作回路を作る事も可能となし得る。加えて、原子サイズの異なるＡｌxＯyやＳｉxＯYを形成することができるため、回路パターンの設計の自由度が広がり、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る無機多層レジストのイオンビーム注入リソグラフィーとドライエッチングによるＳｉ半導体微細構造体加工方法の実施形態の一例のマスクを使用して広い面積の構造体全体にイオン注入する工程を説明するための図である。
【図２】図１に示すマスクを使ったイオン注入の後で、マスクを取り除き、集束イオン描画法でイオンを任意の大きさ、電流密度で注入して全体構造の形の加工や細部の微細加工も行う工程を説明するための図である。
【図３】図１に示すイオン注入後の基板表面をドライエッチングした場合の断面模式図を示しＳｉ基板までは削らない状態を示す図である。
【図４】エッチング量が多い場合の断面模式図を示す図であるエッチング量が多い場合Ｓｉ基板の一部が削られてＡｌ2Ｏ3を乗せた回路と成っている状態を示す図である。
【図５】本実施例によるＳｉウェハー基板上の微細構造体のＡＦＭ像を示す図である。
【符号の説明】
１  Ｓｉウェハー基板
２  Ａｌ層
３  Ｓｉアモルファス層
４  表面自然酸化膜
５  マスク
６  金属イオン（Ｇａイオン）
７  ＳｉＯ2
８  Ａｌ2Ｏ3
９  金属イオン（Ｇａイオン）
１０  溝
１１  Ｖ字溝
１２  イオン侵入領域
１３  溝
【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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