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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023064525
(43)【公開日】2023-05-11
(54)【発明の名称】エッチング方法および半導体装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/3065 20060101AFI20230501BHJP
【ＦＩ】
H01L21/302 105A
H01L21/302 101B
H01L21/302 101C
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021174857
(22)【出願日】2021-10-26
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構超先端材料超高速開発基盤技術プロジェクト委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】504174135
【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100197642
【弁理士】
【氏名又は名称】南瀬 透
(74)【代理人】
【識別番号】100099508
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 久
(74)【代理人】
【識別番号】100182567
【弁理士】
【氏名又は名称】遠坂 啓太
(74)【代理人】
【識別番号】100219483
【弁理士】
【氏名又は名称】宇野 智也
(72)【発明者】
【氏名】新海 聡子
(72)【発明者】
【氏名】松本 聡
【テーマコード（参考）】
5F004
【Ｆターム（参考）】
5F004AA16
5F004BA04
5F004BB13
5F004BB18
5F004CA08
5F004DA18
5F004DA22
5F004DA23
5F004EA02
5F004EA04
5F004EA05
5F004EA07
5F004EB04
(57)【要約】
【課題】ｈ－ＢＮ膜を所望とする形状にパターニングを可能とすることで、ｈ－ＢＮ膜の効果が発揮できる半導体装置が得られるエッチング方法および半導体装置を提供する。
【解決手段】エッチング方法は、基板１１０に成膜されたｈ－ＢＮ膜１１１を所定形状にエッチングしてパターニングするためのマスク膜１１２を成膜するステップと、ｈ－ＢＮ膜１１１をエッチングするエッチングガスとしてＦ２ガスを含むガスを導入して反応性イオンエッチングするステップとを含むものである。
【選択図】図４
【解決手段】エッチング方法は、基板１１０に成膜されたｈ－ＢＮ膜１１１を所定形状にエッチングしてパターニングするためのマスク膜１１２を成膜するステップと、ｈ－ＢＮ膜１１１をエッチングするエッチングガスとしてＦ２ガスを含むガスを導入して反応性イオンエッチングするステップとを含むものである。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ｈ－ＢＮ膜をエッチングするエッチング方法であって、前記ｈ－ＢＮ膜をエッチングするエッチングガスとしてＦ２ガスを含むガスを導入して反応性イオンエッチングするステップを含むエッチング方法。
【請求項2】
前記ｈ－ＢＮ膜を所定形状にエッチングしてパターニングするためのマスク膜を成膜するステップを含む請求項１記載のエッチング方法。
【請求項3】
前記ｈ－ＢＮ膜以外に所定形状のマスク膜を成膜するステップを含む請求項１記載のエッチング方法。
【請求項4】
前記エッチングガスは、Ｆ２ガスと希ガスとの混合ガスである請求項１から３のいずれかの項に記載のエッチング方法。
【請求項5】
前記混合ガスの混合比率は、前記Ｆ２ガスより前記希ガスが高い請求項４記載のエッチング方法。
【請求項6】
前記希ガスは、Ｈｅガスである請求項４または５記載のエッチング方法。
【請求項7】
基板と、
前記基板に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に積層されたｈ－ＢＮ膜および前記ｈ－ＢＮ膜に設けられたグラフェン膜を含む積層体により形成され、前記積層体をパターニングにより分割する隙間が形成された複数の半導体素子とを備えた半導体装置。
前記基板に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜上に積層されたｈ－ＢＮ膜および前記ｈ－ＢＮ膜に設けられたグラフェン膜を含む積層体により形成され、前記積層体をパターニングにより分割する隙間が形成された複数の半導体素子とを備えた半導体装置。
【請求項8】
前記半導体素子は、
前記絶縁膜に設けられたゲート膜と、
前記ゲート膜に設けられた、絶縁膜およびｈ－ＢＮ膜による、またはｈ－ＢＮ膜によるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に対応させてパターニングされた前記グラフェン膜と、
前記ゲート膜に設けられたゲート電極と、
前記グラフェン膜に設けられ、ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の電極とを備えた請求項７記載の半導体装置。
前記絶縁膜に設けられたゲート膜と、
前記ゲート膜に設けられた、絶縁膜およびｈ－ＢＮ膜による、またはｈ－ＢＮ膜によるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に対応させてパターニングされた前記グラフェン膜と、
前記ゲート膜に設けられたゲート電極と、
前記グラフェン膜に設けられ、ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の電極とを備えた請求項７記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ｈ－ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）を含む半導体装置を製造するときに用いられるエッチング方法およびこのエッチング方法による半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ｈ－ＢＮは、熱伝導性に優れているだけでなく、例えば、非特許文献１には、広いエネルギーバンドギャップ、大きな光吸収、中性子捕獲断面積などの独自の物理的特性により、基本的かつ技術的に重要な材料システムであると記載されている。
この非特許文献１には、ｈ－ＢＮをベースにしたアクティブデバイスを実現するためのデバイス処理技術を確立するために、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いたｈ－ＢＮエピ層に基づくアクティブデバイスのドライエッチング技術について記載されている。
そして、非特許文献１には、ＳＦ６がＲＦプラズマ環境でのｈ－ＢＮエピ層のエッチングに非常に適しており、将来のｈ－ＢＮデバイス処理のガイドとして役立つことを示していると記載されている。
この非特許文献１には、ｈ－ＢＮをベースにしたアクティブデバイスを実現するためのデバイス処理技術を確立するために、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いたｈ－ＢＮエピ層に基づくアクティブデバイスのドライエッチング技術について記載されている。
そして、非特許文献１には、ＳＦ６がＲＦプラズマ環境でのｈ－ＢＮエピ層のエッチングに非常に適しており、将来のｈ－ＢＮデバイス処理のガイドとして役立つことを示していると記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】Samuel Grenadier、外３名、“Dry etching techniques for active devices based on hexagonal boron nitride epilayers”、［online］、２０１３年１０月２２日、Journal of Vacuum Science & Technology A、［令和３年９月３０日検索］、インターネット＜URL：https://avs.scitation.org/doi/pdf/10.1116/1.4826363＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、発明者らの実験では、ＳＦ６はｈ－ＢＮ膜に対し、早いエッチングレートを有するが、パターンの形成には適していないことが判明した。
エッチングモデルとなる図１（Ａ）に示す積層体は、Ｓｉによる基板１０１に成膜したｈ－ＢＮ膜１０２上に、所定形状にパターニングされたアルミニウム製で、膜厚２００ｎｍのマスク膜１０３が成膜され、マスク膜１０３上にマスク膜１０３を所定形状にするためのレジスト膜１０４が成膜されている。このモデルに対して、ＳＦ６ガスをエッチングガスとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）によるドライエッチングを行った。
エッチングモデルとなる図１（Ａ）に示す積層体は、Ｓｉによる基板１０１に成膜したｈ－ＢＮ膜１０２上に、所定形状にパターニングされたアルミニウム製で、膜厚２００ｎｍのマスク膜１０３が成膜され、マスク膜１０３上にマスク膜１０３を所定形状にするためのレジスト膜１０４が成膜されている。このモデルに対して、ＳＦ６ガスをエッチングガスとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）によるドライエッチングを行った。
【0005】
【0006】
このように、エッチングガスをＳＦ６とした場合では、エッチングによりｈ－ＢＮ膜を削ることができても、所望とするパターニングを行うことは難しい。
また、同様に、エッチングガスをＣＨＦ３とした場合には、エッチングによりｈ－ＢＮ膜を削ることができても、エッチング性能が十分ではなく、エッチングされずにｈ－ＢＮ膜が残存する部分が発生してしまう。
また、同様に、エッチングガスをＣＨＦ３とした場合には、エッチングによりｈ－ＢＮ膜を削ることができても、エッチング性能が十分ではなく、エッチングされずにｈ－ＢＮ膜が残存する部分が発生してしまう。
【0007】
そこで本発明は、ｈ－ＢＮ膜を所望とする形状にパターニングを可能とすることで、ｈ－ＢＮ膜の効果が発揮できる半導体装置が得られるエッチング方法および半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明のエッチング方法は、ｈ－ＢＮ膜をエッチングするエッチング方法であって、前記ｈ－ＢＮ膜をエッチングするエッチングガスとしてＦ２ガスを含むガスを導入して反応性イオンエッチングするステップを含む特徴とする。
【0009】
本発明のエッチング方法によれば、エッチングガスとしてのＦ２ガスはＳＦ６ガスと同様に、ｈ－ＢＮ膜のエッチングを行うことが可能だが、ＳＦ６ガスのような等方性ではなく、垂直異方性を有しているため、パターニング形状を変化させることなくｈ－ＢＮ膜をエッチングすることができる。
【0010】
前記ｈ－ＢＮ膜を所定形状にエッチングしてパターニングするためのマスク膜を成膜するステップを含むことができる。そうすることで、ｈ－ＢＮ膜を所定形状にパターニングすることができる。
【0011】
前記ｈ－ＢＮ膜以外に所定形状のマスク膜を成膜するステップを含むことができる。そうすることで、ｈ－ＢＮ膜のみをエッチングして除去することができる。
【0012】
前記エッチングガスは、Ｆ２ガスと希ガスとの混合ガスとすることができる。エッチングガスを希ガスとの混合ガスとすることで、ｈ－ＢＮ膜や基板への希ガスによる影響を抑えつつ、Ｆ２ガスによるエッチングを行うことができる。
【0013】
前記混合ガスの混合比率は、前記Ｆ２ガスより前記希ガスが高いものとすることできる。また、前記希ガスは、Ｈｅガスとすることできる。Ａｒガスと比較して物理エッチング性が弱いＨｅガスとすることで、Ｆ２ガスの効果をより正確に把握することができる。
【0014】
本発明の半導体装置は、基板と、前記基板に設けられた絶縁膜と、前記絶縁膜上に積層されたｈ－ＢＮ膜および前記ｈ－ＢＮ膜に設けられたグラフェン膜を含む積層体により形成され、前記積層体をパターニングにより分割する隙間が形成された複数の半導体素子とを備えたことを特徴とする。
【0015】
本発明の半導体装置によれば、基板に設けられた絶縁膜の上に、ｈ－ＢＮ膜およびグラフェン膜を含む積層体をパターニングにより分割する隙間が形成されることで複数の半導体素子が形成されている。従って、グラフェン膜における移動度を高める半導体素子を基板上に複数形成できるため、集積度を高めることができる。
【0016】
前記半導体素子は、前記半導体素子は、前記絶縁膜に設けられたゲート膜と、前記ゲート膜に設けられた、絶縁膜およびｈ－ＢＮ膜による、またはｈ－ＢＮ膜によるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜に対応させてパターニングされた前記グラフェン膜と、前記ゲート膜に設けられたゲート電極と、前記グラフェン膜に設けられ、ソース電極およびドレイン電極として機能する一対の電極とを備えたものとすることできる。
このように構成することで、ＦＥＴとして機能する半導体素子を基板上に多数形成することができる。
このように構成することで、ＦＥＴとして機能する半導体素子を基板上に多数形成することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明は、ｈ－ＢＮ膜を所望とする形状にパターニングを可能とすることで、ｈ－ＢＮ膜の効果が発揮できる半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】従来のエッチング方法を説明するための図であり、（Ａ）は基板上にｈ―ＢＮ膜にマスクとレジストが成膜され、ＳＦ６によりエッチングする状態を示す図、（Ｂ）はＳＦ６によりエッチングが進行して、基板が削れた状態を示す図、（Ｃ）はエッチングが更に進行してマスクとｈ－ＢＮ膜とが除去され、基板が更に削れた状態の図である。
【図2】エッチングを行うエッチング装置の一例を示す図である。
【図3】本発明の実施の形態に係るエッチング方法の各工程を示す図であり、（Ａ）は、基板にｈ―ＢＮ膜が成膜された状態の図、（Ｂ）はｈ―ＢＮ膜にマスク膜が成膜された状態の図、（Ｃ）はマスク膜にレジスト膜が成膜された状態の図、（Ｄ）はマスク膜をパターニングしてマスク膜をエッチングした状態の図である。
【図4】図３から続く、本実施の形態に係るエッチング方法の各工程を示す図であり、（Ａ）はマスク膜によりｈ―ＢＮ膜をエッチングする状態を示す図、（Ｂ）はｈ―ＢＮ膜がエッチングされた状態の図、（Ｃ）はｈ―ＢＮ膜のエッチングが完了した状態の図、（Ｄ）は、ｈ―ＢＮ膜に残留したマスク膜を除去した状態の図である。
【図5】本実施例によるエッチング方法でエッチングされた状態を示す図であり、（Ａ）はエッチングされた状態を説明するための図、（Ｂ）は（Ａ）の走査電子顕微鏡写真、（Ｃ）は（Ｂ）を拡大した走査電子顕微鏡写真、（Ｄ）は（Ｃ）を更に拡大した電子顕微鏡写真である。
【図6】従来の半導体装置を説明するための図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。
【図7】本発明の実施の形態に係る半導体装置を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ－Ａ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
（実施の形態）
本発明の実施の形態に係る半導体装置のエッチング方法について、図面に基づいて説明する。まず、本発明の実施の形態に係るエッチング方法によるエッチングを行うためのエッチング装置の構成を、図面に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係る半導体装置のエッチング方法について、図面に基づいて説明する。まず、本発明の実施の形態に係るエッチング方法によるエッチングを行うためのエッチング装置の構成を、図面に基づいて説明する。
【0020】
（エッチング装置の説明）
図２に示すエッチング装置１０は、プラズマエッチングを行う反応室１１を備えている。反応室１１には、処理ガスである導入ガス（エッチングガス）を導入するための導入口１２が形成されている。また、反応室１１には、室内を排気するための排気口１３が形成されている。排気口１３には、反応室１１内を吸引するためのポンプ１４が接続されている。
図２に示すエッチング装置１０は、プラズマエッチングを行う反応室１１を備えている。反応室１１には、処理ガスである導入ガス（エッチングガス）を導入するための導入口１２が形成されている。また、反応室１１には、室内を排気するための排気口１３が形成されている。排気口１３には、反応室１１内を吸引するためのポンプ１４が接続されている。
【0021】
反応室１１の上部と下部とに、ターゲット（試料）を間に挟むように、アノード１５およびカソード１６が配置されている。アノード１５はアースされており、カソード１６には高周波電源１７が接続されている。また、反応室１１には、図示していないが、導入ガスをマイクロ波等の電磁波を照射することによりプラズマ化する電極および電源が設けられている。
【0022】
（エッチング方法の説明）
次に、このようなエッチング装置１０を用いて行われる半導体装置のエッチング方法について、図面に基づいて説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、ｈ－ＢＮ膜１１１が転写された基板１１０を準備する。基板１１０は、Ｓｉ基板とすることができる。
次に、図３（Ｂ）に示すように、ｈ－ＢＮ膜１１１上に所定の手順によりマスク膜１１２を成膜する。
このマスク膜１１２は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属膜とする以外に、ＳｉＮによる窒化膜やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の酸化膜とすることができる。なお、マスク膜１１２は、単層でもよいが、例えば、異なる金属材料でできた金属膜を積層して形成してもよいし、金属膜と酸化膜を積層して構成してもよい。
次に、このようなエッチング装置１０を用いて行われる半導体装置のエッチング方法について、図面に基づいて説明する。
まず、図３（Ａ）に示すように、ｈ－ＢＮ膜１１１が転写された基板１１０を準備する。基板１１０は、Ｓｉ基板とすることができる。
次に、図３（Ｂ）に示すように、ｈ－ＢＮ膜１１１上に所定の手順によりマスク膜１１２を成膜する。
このマスク膜１１２は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒなどの金属膜とする以外に、ＳｉＮによる窒化膜やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の酸化膜とすることができる。なお、マスク膜１１２は、単層でもよいが、例えば、異なる金属材料でできた金属膜を積層して形成してもよいし、金属膜と酸化膜を積層して構成してもよい。
【0023】
次に、図３（Ｃ）に示すように、マスク膜１１２上にレジスト膜１１３を成膜する。
次に、図３（Ｄ）に示すように、レジスト膜１１３を所定形状にパターニングした後に、マスク膜１１２をレジスト膜１１３の形状にエッチングする。
次に、図３（Ｄ）に示すように、レジスト膜１１３を所定形状にパターニングした後に、マスク膜１１２をレジスト膜１１３の形状にエッチングする。
【0024】
次に、図４（Ａ）に示すように、試料（ターゲット）をエッチング装置１０（図２参照）に配置して、反応性イオンエッチングを行う。エッチングガスは、Ｆ２ガスを含む。本実施の形態では、希ガスとの混合ガスとすることができる。この希ガスは、ヘリウムガス（Ｈｅ），ネオンガス（Ｎｅ），アルゴンガス（Ａｒ），クリプトンガス（Ｋｒ），キセノンガス（Ｘｅ），ラドンガス（Ｒｎ）あるいは、これら２以上の希ガスの混合物とすることができるが、本実施の形態では、希ガスの中で最も軽いＨｅガスを採用している。
【0025】
例えば、希ガスとして、Ａｒガスを採用することもできる。しかし、Ａｒガスは物理エッチング性が強いので、Ｆ２ガスの効果を正確に把握するために、Ｈｅガスを採用した。これにより試作段階にて、Ｆ２ガスとＨｅガスとによる混合ガスをコントロールしながらＦ２ガスによるエッチング効果を把握することで、正確にエッチングできることが確認できるので、スムーズに量産段階へ移行することができる。
【0026】
また、混合ガスの混合比率は、Ｆ２ガスより希ガスが高ければ、Ｆ２ガスを拡散させつつ、Ｆ２ガスを希釈することができる。本実施の形態では、Ｆ２ガス＋Ｈｅガスの混合比率を１：９の割合とした混合ガスとすることができる。Ｆ２ガスは特殊なガスであり、１００％ではボンベ供給が不可である。そのため、１：９の割合とすることで、ボンベでの供給が可能となるため、調達を容易とすることができる。なお、基本的にＦ２ガス＋Ｈｅガス（希ガス）混合比は、希ガスの割合を多くすることで、調達性を向上させることが考えられ、Ｆ２ガス＋Ｈｅガスの混合比は、４：６～１：９としてもよく、更には、０．５：９．５でもよいと思われる。
【0027】
このように反応性イオンエッチングすることにより、図４（Ｂ）に示すように、マスク膜１１２の形状にｈ－ＢＮ膜１１１がエッチングされる。
これは、エッチングガスであるＦ２ガスが垂直異方性を有するものであり、Ｆ２ガス＋Ｈｅガスは、同じ垂直異方性を有するＣＨＦ３ガスと比較して、エッチングの速さが、ｈ－ＢＮ膜１１１に対しては早く、Ｓｉの基板１１０に対しては遅い。そのため、マスク膜１１２から露出したｈ－ＢＮ膜１１１をエッチングした後に、過度に基板１１０がエッチングされることが抑止できる。
これは、エッチングガスであるＦ２ガスが垂直異方性を有するものであり、Ｆ２ガス＋Ｈｅガスは、同じ垂直異方性を有するＣＨＦ３ガスと比較して、エッチングの速さが、ｈ－ＢＮ膜１１１に対しては早く、Ｓｉの基板１１０に対しては遅い。そのため、マスク膜１１２から露出したｈ－ＢＮ膜１１１をエッチングした後に、過度に基板１１０がエッチングされることが抑止できる。
【0028】
また、ＳＦ６ガスでは、強い等方性により、図１（Ｂ）および同図（Ｃ）に示すように基板１０１が側部から大きくエッチングされるが、図４（Ｃ）に示すように、Ｆ２ガスを用いることにより、基板１１０が大きくエッチングされる前に、マスク膜１１２から露出したｈ－ＢＮ膜１１１がエッチングされる。
そのため、基板１１０上のｈ－ＢＮ膜１１１を所望とする形状にパターニングすることができる。よって、本実施の形態に係るエッチング方法は、ｈ－ＢＮの効果が発揮できる半導体装置を製造することができる。
そのため、基板１１０上のｈ－ＢＮ膜１１１を所望とする形状にパターニングすることができる。よって、本実施の形態に係るエッチング方法は、ｈ－ＢＮの効果が発揮できる半導体装置を製造することができる。
【0029】
ｈ－ＢＮ膜１１１がパターンニングできれば、次に、ｈ－ＢＮ膜１１１上に残留したマスク膜１１２を従来の方法により除去することで、図４（Ｄ）に示すように、基板１１０上にパターンニングされたｈ－ＢＮ膜１１１が残る。
【0030】
なお、本実施の形態では、ｈ－ＢＮ膜１１１を所定の形状とするために、マスク膜１１２上にレジスト膜１１３を形成するなどの手法を用いたが、マスク膜１１２やレジスト膜１１３の代わりに、薄い基板に孔を設けたマスクパターンなどを用いてもよい。更に、ｈ－ＢＮ膜１１１を所定の形状に加工するのではなく、単にｈ－ＢＮ膜１１１を所定の薄さに加工したりする場合には、マスク膜１１２やレジスト膜１１３を設けず、基板上に一面に形成されたｈ－ＢＮ膜１１１を上記方法（Ｆ２ガス＋Ｈｅガスを用いた方法）でエッチングすることも可能である。更に、この様に所定の厚みに加工されたｈ－ＢＮ膜１１１を更にマスク膜１１２やレジスト膜１１３を用いて、所定のパターンに加工してもよい。
【0031】
更に、上記説明では、ｈ－ＢＮ膜１１１を所定の形状とするために、ｈ－ＢＮ膜１１１上に所定の形状のマスク膜１１２やレジスト膜１１３を成膜していたが、Ｆ２ガスであればｈ－ＢＮ膜１１１をエッチングして除去することができるので、ｈ－ＢＮ膜以外にマスク膜を成膜してｈ－ＢＮ膜１１１をエッチングして除去するようにしてもよい。
【0032】
（実施例）
図３および図４に示す本実施の形態に係るエッチング方法を行った。
まず、図３（Ａ）に示すｈ－ＢＮ膜１１１が転写された基板１１０を洗浄した。
この洗浄は、有機ドラフトチャンバーとしてＵＮＩＯＮ社製のＨＳＳ－２００を使用した。洗浄は超音波を印加した純水で１分間行った。
次に、図３（Ｂ）に示すように、マスク膜１１２としてアルミニウム膜を成膜した。このアルミニウム膜は、キヤノンアネルバ社製のスパッタリング装置Ｅ－２００Ｓを使用して、２００ｎｍの膜厚とした。
図３および図４に示す本実施の形態に係るエッチング方法を行った。
まず、図３（Ａ）に示すｈ－ＢＮ膜１１１が転写された基板１１０を洗浄した。
この洗浄は、有機ドラフトチャンバーとしてＵＮＩＯＮ社製のＨＳＳ－２００を使用した。洗浄は超音波を印加した純水で１分間行った。
次に、図３（Ｂ）に示すように、マスク膜１１２としてアルミニウム膜を成膜した。このアルミニウム膜は、キヤノンアネルバ社製のスパッタリング装置Ｅ－２００Ｓを使用して、２００ｎｍの膜厚とした。
【0033】
次に、成膜されたマスク膜１１２を洗浄した。この洗浄は、ＵＮＩＯＮ社製のＨＳＳ－２００を使用した。洗浄は、超音波を印加したアセトンで１分間と、超音波を印加したエタノールで１分間行った。
【0034】
次に、図３（Ｄ）に示すように、成膜されたレジスト膜１１３をマスクレス露光装置によりパターンニングする。
レジスト塗布処理では、レジスト膜を形成する感光性樹脂液として、東京応化工業社製のＯＦＰＲ－８６００を使用した。プリベーク処理は、９０℃にて９０秒の加熱を行った。露光処理を行うマスクレス露光装置は、ハイデルベルグ・インストルメンツ社製のＭＬＡ１００を使用した。露光はＤｏｓｅ１５００ｍＪ／ｃｍ２、Ｄｅｆｏｒｃｅｓ０で行った。現像処理では、ＴＭＡＨアルカリ現像液として、東京応化工業社製のＮＭＤ－Ｗを使用した。リンス処理では、純水によりオーバーフロー状態で洗浄した。ポストベーク処理では、１３０℃にて５分の加熱を行った。
レジスト塗布処理では、レジスト膜を形成する感光性樹脂液として、東京応化工業社製のＯＦＰＲ－８６００を使用した。プリベーク処理は、９０℃にて９０秒の加熱を行った。露光処理を行うマスクレス露光装置は、ハイデルベルグ・インストルメンツ社製のＭＬＡ１００を使用した。露光はＤｏｓｅ１５００ｍＪ／ｃｍ２、Ｄｅｆｏｒｃｅｓ０で行った。現像処理では、ＴＭＡＨアルカリ現像液として、東京応化工業社製のＮＭＤ－Ｗを使用した。リンス処理では、純水によりオーバーフロー状態で洗浄した。ポストベーク処理では、１３０℃にて５分の加熱を行った。
【0035】
次に、レジスト膜１１３から露出したアルミニウム膜であるマスク膜１１２をエッチングする。アルミニウムのエッチングは、ダン産業製のＨＳＳ－２０００ＨＳを使用した。エッチング液は、混酸Ａｌエッチング液を使用し、処理時間は６分間で、変色してから１分間とした。リンス処理では、純水によりオーバーフロー状態で洗浄した。
【0036】
次に、マスク膜１１２から露出したｈ－ＢＮ膜１１１をエッチングする。エッチング処理は、サムコ社製のＩＣＰ－ＲＩＥ（Inductive Coupled Plasma-RIE：誘導結合型反応性イオンエッチング）であるＲＩＥ－１０１ｉＰＨを使用した。
エッチング条件は、エッチングガスとしてＦ２ガス＋Ｈｅガスを１：９の割合とした混合ガスを使用した。そして、ＩＣＰ電力を３００Ｗ、バイアス電力を１００Ｗ、ガス流量を２０ｓｃｃｍ、プロセス圧力を１Ｐａ、エッチング時間を１０分とした。
エッチング条件は、エッチングガスとしてＦ２ガス＋Ｈｅガスを１：９の割合とした混合ガスを使用した。そして、ＩＣＰ電力を３００Ｗ、バイアス電力を１００Ｗ、ガス流量を２０ｓｃｃｍ、プロセス圧力を１Ｐａ、エッチング時間を１０分とした。
【0037】
次に、残留したレジスト膜１１３を除去する。この除去処理は、ＵＮＩＯＮ社製のＨＳＳ－２００を使用して、超音波を印加したアセトンで１分間と、超音波を印加したエタノールで１分間行った。
そして、マスク膜１１２を除去してｈ－ＢＮ膜１１１を露出させる。このマスク膜１１２の除去処理は、ダン産業製のＨＳＳ－２０００ＨＳを使用して、混酸Ａｌエッチング液により６分間行った。リンス処理は、純水によりオーバーフロー状態で洗浄した。
そして、マスク膜１１２を除去してｈ－ＢＮ膜１１１を露出させる。このマスク膜１１２の除去処理は、ダン産業製のＨＳＳ－２０００ＨＳを使用して、混酸Ａｌエッチング液により６分間行った。リンス処理は、純水によりオーバーフロー状態で洗浄した。
【0038】
このようにしてエッチングされたｈ－ＢＮ膜を観察した。観察は、走査電子顕微鏡として日本電子社製のＪＩＢ－４６００Ｆ（複合ビーム加工観察装置）を使用した。
図５（Ａ）から同図（Ｄ）に示すように、Ｓｉによる基板上に、パターニングされたｈ－ＢＮ膜が微細加工されていることがわかる。
図５（Ａ）から同図（Ｄ）に示すように、Ｓｉによる基板上に、パターニングされたｈ－ＢＮ膜が微細加工されていることがわかる。
【0039】
このようにして、ｈ－ＢＮ膜がパターニングできるので、ｈ－ＢＮ膜を用いた半導体装置を構成することができる。
本実施の形態では、ｈ－ＢＮ膜と、１個の炭素原子が六角形の格子状に並んだシート状物質であるグラフェンとを組み合わせた半導体装置を説明する。
本実施の形態では、ｈ－ＢＮ膜と、１個の炭素原子が六角形の格子状に並んだシート状物質であるグラフェンとを組み合わせた半導体装置を説明する。
【0040】
（従来の半導体装置の説明）
まず、ｈ－ＢＮ膜とグラフェンとを組み合わせた、従来の半導体装置を図６に基づいて説明する。
図６（Ａ）および同図（Ｂ）に示す従来の半導体装置１２０は、Ｓｉによる基板１２１（半導体基板）に、酸化膜、例えば、ＳｉＯ２による絶縁膜１２２が設けられている。
絶縁膜１２２上には、ｈ－ＢＮ膜１２３が転写により設けられている。更に、ｈ－ＢＮ膜１２３上には、グラフェン膜１２４が転写により設けられている。グラフェン膜１２４には、一対の電極１２５が形成されている。
まず、ｈ－ＢＮ膜とグラフェンとを組み合わせた、従来の半導体装置を図６に基づいて説明する。
図６（Ａ）および同図（Ｂ）に示す従来の半導体装置１２０は、Ｓｉによる基板１２１（半導体基板）に、酸化膜、例えば、ＳｉＯ２による絶縁膜１２２が設けられている。
絶縁膜１２２上には、ｈ－ＢＮ膜１２３が転写により設けられている。更に、ｈ－ＢＮ膜１２３上には、グラフェン膜１２４が転写により設けられている。グラフェン膜１２４には、一対の電極１２５が形成されている。
【0041】
このように、従来の半導体装置１２０が構成され、ｈ－ＢＮ膜１２３上にグラフェン膜１２４が形成されていることで、Ｓｉによる基板にグラフェン膜が設けられたものと比較して１０倍以上の移動度の電子特性を得ることができる。
【0042】
この従来の半導体装置１２０は、基板１２１をゲートとして機能させ、一対の電極１２５をソース電極とドレイン電極とすることで、ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）として機能するものである。
【0043】
しかし、従来の半導体装置１２０では、ｈ－ＢＮ膜１２３を所定形状にエッチングできなかったことから、基板１２１に成膜された絶縁膜１２２全体に、ｈ－ＢＮ膜１２３およびグラフェン膜１２４が設けられているため、基板１２１ごとに半導体装置を構成するしかない。従って、ｈ－ＢＮ膜１２３およびグラフェン膜１２４を含む半導体装置の集積化が難しい。
【0044】
（本実施の形態に係る半導体装置の説明）
本発明の実施の形態に係る半導体装置では、図４に示すエッチング方法を用いることで、ｈ－ＢＮ膜１２３の他、それぞれの膜を所定形状にパターニングすることができるので、複数の半導体素子を基板上に構成することができる。
本発明の実施の形態に係る半導体装置では、図４に示すエッチング方法を用いることで、ｈ－ＢＮ膜１２３の他、それぞれの膜を所定形状にパターニングすることができるので、複数の半導体素子を基板上に構成することができる。
【0045】
（半導体装置の構成の説明）
図７（Ａ）から同図（Ｃ）に示すように、半導体装置１３０は、図６に示す従来の半導体装置１２０と同様に、Ｓｉによる基板１３１に、ＳｉＯ２による絶縁膜１３２が設けられている。
絶縁膜１３２上には、パターニングにより積層体を分割する隙間Ｓが形成されることで、複数の半導体素子１４０が設けられている。
図７（Ａ）から同図（Ｃ）に示すように、半導体装置１３０は、図６に示す従来の半導体装置１２０と同様に、Ｓｉによる基板１３１に、ＳｉＯ２による絶縁膜１３２が設けられている。
絶縁膜１３２上には、パターニングにより積層体を分割する隙間Ｓが形成されることで、複数の半導体素子１４０が設けられている。
【0046】
半導体素子１４０は、Ｓｉによるゲート膜１４１と、絶縁膜１４２と、ｈ－ＢＮ膜１４３と、グラフェン膜１４４と、一対の電極１４５と、ゲート電極１４６とを備えている。
半導体素子１４０は、一対の電極１４５とゲート電極１４６とを露出させた状態で、絶縁膜１３２、ゲート膜１４１、絶縁膜１４２、ｈ－ＢＮ膜１４３、グラフェン膜１４４が、絶縁膜１３３により覆われている。
半導体素子１４０は、一対の電極１４５とゲート電極１４６とを露出させた状態で、絶縁膜１３２、ゲート膜１４１、絶縁膜１４２、ｈ－ＢＮ膜１４３、グラフェン膜１４４が、絶縁膜１３３により覆われている。
【0047】
図７（Ｃ）に示すように、一対の電極１４５は、Ｔ字状に形成された半導体素子１４０の本体部１４０Ａに形成され、グラフェン膜１４４に接続されている。また、図７（Ｂ）に示すように、ゲート電極１４６は、Ｔ字状に形成された半導体素子１４０の突出部１４０Ｂに形成され、絶縁膜１４２と、ｈ－ＢＮ膜１４３と、グラフェン膜１４４とを貫通してゲート膜１４１に接続されている。また、一対の電極１４５と、ｈ－ＢＮ膜１４３およびグラフェン膜１４４とが、絶縁膜１４２により絶縁されている。
【0048】
（半導体装置の製造方法の説明）
次に、この半導体装置１３０の製造方法について、図面に基づいて説明する。
図８（Ａ）に示すように、まず、基板１３１に成膜された絶縁膜１３２に、導電膜として、例えば、高濃度の単結晶Ｓｉ膜を成膜してゲート膜１４１とする。このゲート膜１４１（導電膜）は、ｈ－ＢＮ膜１４３を形成する際、ｈ－ＢＮ膜とファンデルワール力で接合する必要があり、またグラフェン膜の高移動度を確保するために２ｎｍ以下の平坦度が必要のため、単結晶Ｓｉ膜が最適である。
次に、この半導体装置１３０の製造方法について、図面に基づいて説明する。
図８（Ａ）に示すように、まず、基板１３１に成膜された絶縁膜１３２に、導電膜として、例えば、高濃度の単結晶Ｓｉ膜を成膜してゲート膜１４１とする。このゲート膜１４１（導電膜）は、ｈ－ＢＮ膜１４３を形成する際、ｈ－ＢＮ膜とファンデルワール力で接合する必要があり、またグラフェン膜の高移動度を確保するために２ｎｍ以下の平坦度が必要のため、単結晶Ｓｉ膜が最適である。
【0049】
次に、例えば、熱酸化によりＳｉ酸化膜を形成することで絶縁膜１４２を成膜する。この熱酸化は、絶縁膜１４２に２ｎｍ以下の平坦度が必要のためである。その他の例としては、ＣＶＤ（chemical vapor deposition：化学気相成長）により成膜することができるが、そうした場合には、絶縁膜を堆積後にＣＭＰ（chemical mechanical polishing：化学機械研磨）により平坦度を２ｎｍ以下にする。なお、絶縁膜１４２としてのシリコン酸化膜は必ずとも必要としない。
【0050】
次に、ｈ－ＢＮ膜１４３を転写する。そして、更にアクティブ層となるグラフェン膜１４４を転写する。
次に、ＡＬＤ（Atomic layer deposition：原子層堆積）法により絶縁膜として、例えばＡｌ２Ｏ３を堆積して、図３（Ｄ）に示すマスク膜１１２（図３（Ｃ）参照）を成膜する。なお、ＡＬＤ法により堆積した絶縁膜であれば種類を問わない。
更に、マスク膜１１２のエッチングのマスクとして、前記のＡＬＤ法により堆積した絶縁膜と異なる材質の膜として例えばシリコン酸化膜を堆積して、図３（Ｃ）に示すレジスト膜１１３を成膜する。なお、マスクの堆積は必ずとも必要としない。
次に、ＡＬＤ（Atomic layer deposition：原子層堆積）法により絶縁膜として、例えばＡｌ２Ｏ３を堆積して、図３（Ｄ）に示すマスク膜１１２（図３（Ｃ）参照）を成膜する。なお、ＡＬＤ法により堆積した絶縁膜であれば種類を問わない。
更に、マスク膜１１２のエッチングのマスクとして、前記のＡＬＤ法により堆積した絶縁膜と異なる材質の膜として例えばシリコン酸化膜を堆積して、図３（Ｃ）に示すレジスト膜１１３を成膜する。なお、マスクの堆積は必ずとも必要としない。
【0051】
そして、図４（Ａ）から同図（Ｄ）を用いて説明したように、フォトリソグラフィにより、所定形状にエッチングされたレジスト膜１１３によりマスク膜１１２をパターニングした後に、グラフェン膜１４４、ｈ－ＢＮ膜１４３、絶縁膜１４２およびゲート膜１４１を異方性エッチングとして、例えば、ＲＩＥで除去する。その後、レジスト膜１１３およびマスク膜１１２を除去する（図８（Ｂ）参照）。
【0052】
次に、図９（Ａ）に示すように、段差被覆性が良好な膜としてＡＬＤ法により絶縁膜１３３としてＡｌ２Ｏ３膜を堆積する。
次に、フォトリソグラフィによりゲート電極１４６（図７（Ａ）および同図（Ｂ）参照）以外の領域にパターンを形成した後、図４に示す手順によるＲＩＥにより所望の領域（ゲート電極形成領域Ｇ（図９（Ｂ）参照））のＡｌ２Ｏ３膜、グラフェン膜１４４、ｈ－ＢＮ膜１４３、絶縁膜１４２をエッチングして、ゲート電極１４６のための溝を形成する。その後、フォトレジストを除去する。
次に、フォトリソグラフィによりゲート電極１４６（図７（Ａ）および同図（Ｂ）参照）以外の領域にパターンを形成した後、図４に示す手順によるＲＩＥにより所望の領域（ゲート電極形成領域Ｇ（図９（Ｂ）参照））のＡｌ２Ｏ３膜、グラフェン膜１４４、ｈ－ＢＮ膜１４３、絶縁膜１４２をエッチングして、ゲート電極１４６のための溝を形成する。その後、フォトレジストを除去する。
【0053】
図９（Ａ）に示す状態では、絶縁膜１３３（Ａｌ２Ｏ３膜）を堆積しただけで加工していない。
なお、Ａｌ２Ｏ３膜を堆積後に前記同様にマスク膜を堆積して、マスク膜を加工後にＡｌ２Ｏ３膜を加工するようにしてもよい。
なお、Ａｌ２Ｏ３膜を堆積後に前記同様にマスク膜を堆積して、マスク膜を加工後にＡｌ２Ｏ３膜を加工するようにしてもよい。
【0054】
次に、ゲート電極形成領域Ｇに、段差被覆特性に優れたＡＬＤ法によりＡｌ２Ｏ３膜を堆積し、ＲＩＥにより堆積した底部（平面部）のＡｌ２Ｏ３膜１３３ａを除去し、溝の側壁部のみＡｌ２Ｏ３膜１３３ｂを残す。
【0055】
次に、フォトリソグラフィにより一対の電極１４５（図７参照）の形成領域以外の領域にレジスト膜を形成して、Ａｌ２Ｏ３膜を除去する。そして、Ａｌ２Ｏ３膜が除去された領域にＴｉを堆積させることにより一対の電極１４５を形成することで、図７に示す半導体装置１３０を製造することができる。
【0056】
（半導体装置の機能の説明）
以上のように製造される、図７（Ａ）から同図（Ｃ）に示す半導体装置１３０は、半導体素子１４０が所定間隔を空けて配置されているため、それぞれの半導体素子１４０のゲート膜１４１は絶縁膜１３２により非導通状態である。
以上のように製造される、図７（Ａ）から同図（Ｃ）に示す半導体装置１３０は、半導体素子１４０が所定間隔を空けて配置されているため、それぞれの半導体素子１４０のゲート膜１４１は絶縁膜１３２により非導通状態である。
【0057】
そのため、それぞれの半導体素子１４０は、ゲートとして機能するゲート膜１４１と、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜１４２および絶縁膜１４２に成膜されたｈ－ＢＮ膜１４３と、およびｈ－ＢＮ膜１４３に成膜されたグラフェン膜１４４が形成され、ソース電極およびドレイン電極として機能する金属薄膜による一対の電極１４５と、ゲート膜１４１に接続されたゲート電極１４６とにより、独立したＦＥＴとして機能する。
従って、基板１３１上に多数の半導体素子１４０をパターニングすることで集積度の高い半導体装置１３０とすることができる。
従って、基板１３１上に多数の半導体素子１４０をパターニングすることで集積度の高い半導体装置１３０とすることができる。
【0058】
また、半導体素子１４０は、グラフェン膜１４４にｈ－ＢＮ膜１４３が重ねられているため、グラフェン膜１４４における移動度を高めることができる。
【0059】
なお、本実施の形態では、半導体素子１４０は、ゲート膜１４１に絶縁膜１４３を介してｈ－ＢＮ膜１４４が設けられ、絶縁膜１４３とｈ－ＢＮ膜１４４とをゲート絶縁膜として機能させているが、前述したように、絶縁膜１４３を省略してｈ－ＢＮ膜１４４のみをゲート絶縁膜として機能させるようにしてもよい。
また、半導体素子１４０はＦＥＴとして機能するものであったが、他の素子として機能するものであっても、絶縁膜１３２上に形成されているため、他の素子をそれぞれ独立して動作させることができる。
また、半導体素子１４０はＦＥＴとして機能するものであったが、他の素子として機能するものであっても、絶縁膜１３２上に形成されているため、他の素子をそれぞれ独立して動作させることができる。
【産業上の利用可能性】
【0060】
本発明は、ｈ－ＢＮ膜が含まれる半導体装置の製造に好適である。
【符号の説明】
【0061】
１０ エッチング装置
１１ 反応室
１２ 導入口
１３ 排気口
１４ ポンプ
１５ アノード
１６ カソード
１７ 高周波電源
１０１ 基板
１０２ ｈ－ＢＮ膜
１０３ マスク膜
１０４ レジスト膜
１１０ 基板
１１１ ｈ－ＢＮ膜
１１２ マスク膜
１１３ レジスト膜
１２０ 従来の半導体装置
１２１ 基板
１２２ 絶縁膜
１２３ ｈ－ＢＮ膜
１２４ グラフェン膜
１２５ 電極
１３０ 半導体装置
１３１ 基板
１３２，１３３ 絶縁膜
１３３ａ，１３３ｂ Ａｌ２Ｏ３
１４０ 半導体素子
１４０Ａ 本体部
１４０Ｂ 突出部
１４１ ゲート膜
１４２ 絶縁膜
１４３ ｈ－ＢＮ膜
１４４ グラフェン膜
１４５ 電極
１４６ ゲート電極
Ｓ 隙間
Ｇ ゲート電極形成領域
１１ 反応室
１２ 導入口
１３ 排気口
１４ ポンプ
１５ アノード
１６ カソード
１７ 高周波電源
１０１ 基板
１０２ ｈ－ＢＮ膜
１０３ マスク膜
１０４ レジスト膜
１１０ 基板
１１１ ｈ－ＢＮ膜
１１２ マスク膜
１１３ レジスト膜
１２０ 従来の半導体装置
１２１ 基板
１２２ 絶縁膜
１２３ ｈ－ＢＮ膜
１２４ グラフェン膜
１２５ 電極
１３０ 半導体装置
１３１ 基板
１３２，１３３ 絶縁膜
１３３ａ，１３３ｂ Ａｌ２Ｏ３
１４０ 半導体素子
１４０Ａ 本体部
１４０Ｂ 突出部
１４１ ゲート膜
１４２ 絶縁膜
１４３ ｈ－ＢＮ膜
１４４ グラフェン膜
１４５ 電極
１４６ ゲート電極
Ｓ 隙間
Ｇ ゲート電極形成領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】