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1. (WO2018163931) ETCHING DEVICE
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明 細 書

発明の名称 エッチング装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007   0008  

発明の効果

0009  

図面の簡単な説明

0010  

発明を実施するための形態

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038  

実施例

0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049  

符号の説明

0050  

請求の範囲

1   2   3  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8  

明 細 書

発明の名称 : エッチング装置

技術分野

[0001]
 本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体をエッチングするエッチング装置に関する。

背景技術

[0002]
 GaNに代表されるIII 族窒化物半導体は、例えば、LEDに応用されている。また、III 族窒化物半導体は、高い絶縁破壊強度と、高い耐熱性と、高速動作性と、を備えている。そのため、パワーデバイスとしての応用が期待されている。
[0003]
 III 族窒化物半導体をパワーデバイスに応用する際には、III 族窒化物半導体をエッチングすることがある。その一例として例えば、III 族窒化物半導体にトレンチを形成する場合が挙げられる。そのため、III 族窒化物半導体をエッチングする技術が開発されてきている。例えば、特許文献1には、基板温度を200℃以上600℃以下としてCl 2 を含むガスを用いてドライエッチングを行う技術が開示されている。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開2014-45049号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 しかし、特許文献1の技術では、III 族窒化物半導体がオーバーエッチングするおそれがある。つまり、マスクの下層のIII 族窒化物半導体がやせ細ってしまう。この場合には、その細い箇所の機械的強度は弱い。また、その細い箇所に電界が集中するおそれもある。したがって、III 族窒化物半導体のオーバーエッチングを抑制することが好ましい。
[0006]
 本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、III 族窒化物半導体のオーバーエッチングを抑制することを図ったエッチング装置を提供することである。

課題を解決するための手段

[0007]
 第1の態様におけるエッチング装置は、III 族窒化物半導体をエッチングする処理室と、III 族窒化物半導体を保持する基板保持部と、処理室の内部に第1のガスを供給するガス供給部と、第1のガスをプラズマ化するプラズマ発生部と、基板保持部に高周波電位を付与する第1の電位付与部と、を有する。第1のガスは、Cl 2 とBCl 3 とを含む塩素系混合ガスである。第1の電位付与部は、第1のガスに占めるBCl 3 の体積比が大きいほど、絶対値が小さいバイアスを基板保持部に付与するものである。第1の電位付与部は、
   Vpp ≦ -1200・X + 480
   Vpp ≧ -1200・X + 290
   0.01 ≦ X ≦ 0.4
      Vpp:バイアス(V)
      X  :第1のガスに占めるBCl 3 の体積比
を満たすようにバイアスを基板保持部に付与する。
[0008]
 このエッチング装置においては、第1の電位付与部は、第1のガスに占めるBCl 3 の体積比が大きいほど、絶対値が小さいバイアスを基板保持部に付与する。そのため、マスク直下のIII 族窒化物半導体をオーバーエッチングするおそれがほとんどない。つまり、マスク直下のIII 族窒化物半導体の幅は、マスクの幅とほとんど同じである。

発明の効果

[0009]
 本明細書では、III 族窒化物半導体のオーバーエッチングを抑制することを図ったエッチング装置が提供されている。

図面の簡単な説明

[0010]
[図1] 第1の実施形態のエッチング装置の概略構成を示す図である。
[図2] Cl- イオンの振る舞いを模式的に示す図である。
[図3] Clラジカルの振る舞いを模式的に示す図である。
[図4] エッチングしたGaN基板の断面を示す走査型顕微鏡写真(その1)である。
[図5] エッチングしたGaN基板の断面を示す走査型顕微鏡写真(その2)である。
[図6] 第1のガスに占めるBCl 3 の体積比に対するGaN基板の表面粗さを示すグラフである。
[図7] 第1のガスに占めるBCl 3 の体積比に対するフォトルミネッセンス強度を示すグラフである。
[図8] 第1のガスに占めるBCl 3 の体積比とバイアスVppとの間の関係を示すグラフである。

発明を実施するための形態

[0011]
 以下、具体的な実施形態について、エッチング装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。
[0012]
(第1の実施形態)
1.エッチング装置
 図1は、第1の実施形態のエッチング装置1000の概略構成を示す図である。エッチング装置1000は、処理室1001と、サセプター1100と、サセプター支持部1110と、加熱部1120と、SiCプレート1130と、第1の電位付与部1200と、第1の整合器1210と、プラズマ発生部1300と、第2の電位付与部1400と、第2の整合器1410と、ガス供給部1500と、ガス供給管1510と、シャワープレート1600と、排気口1700と、予備室1800と、を有する。
[0013]
 処理室1001は、基板S1のIII 族窒化物半導体をエッチングするための反応室である。基板S1は、III 族窒化物半導体を有する。処理室1001は、基板S1を支持するサセプター1100と、サセプター支持部1110と、SiCプレート1130と、プラズマ発生部1300と、シャワープレート1600と、排気口1700と、を有する。
[0014]
 サセプター1100は、III 族窒化物半導体を有する基板S1を支持するための基板保持部である。サセプター1100の材質は、例えばSiCである。また、炭素材料にSiCのコーティングを施したものであってもよい。サセプター支持部1110は、サセプター1100を支持するための支持台である。加熱部1120は、サセプター1100を加熱するためのものである。加熱部1120は、サセプター1100を介して基板S1を加熱することとなる。
[0015]
 第1の電位付与部1200は、サセプター1100に高周波電位を付与するためのものである。そのため、第1の電位付与部1200は、サセプター1100を介して基板S1に電位を付与することができる。第1の電位付与部1200における高周波電位の周波数は、例えば、13.56MHzである。もちろん、これ以外の周波数であってもよい。第1の整合器1210は、第1の電位付与部1200とサセプター1100との間に配置されている。つまり、第1の電位付与部1200は、第1の整合器1210を介してサセプター1100に接続されている。
[0016]
 プラズマ発生部1300は、処理室1001の内部であってサセプター1100と対面する位置にプラズマを発生させるためのものである。プラズマ発生部1300は、後述する第1のガスをプラズマ化する。プラズマ発生部1300は、誘導結合プラズマ(ICP)を発生させるICPユニットである。
[0017]
 第2の電位付与部1400は、プラズマ発生部1300に高周波電位を付与するためのものである。第2の電位付与部1400における高周波電位の周波数は、例えば、27.12MHzである。もちろん、これ以外の周波数であってもよい。第2の整合器1410は、第2の電位付与部1400とプラズマ発生部1300との間に配置されている。つまり、第2の電位付与部1400は、第2の整合器1410を介してプラズマ発生部1300に接続されている。
[0018]
 ガス供給部1500は、処理室1001の内部に第1のガスを供給するためのものである。ここで、第1のガスは、Cl 2 とBCl 3 との混合ガスである。ガス供給管1510は、ガス供給部1500と処理室1001とを連結するための流路である。ガス供給部1500は、第1のガスを予備室1800に供給する。その後、第1のガスは、予備室1800からシャワープレート1600を通過してプラズマ発生部1300の箇所に到達する。シャワープレート1600は、第1のガスを整流する整流板である。排気口1700は、処理室1001からガスを排出するためのものである。
[0019]
2.エッチング方法
 第1の実施形態のエッチング装置1000を用いる。まず、エッチング装置1000のサセプター1100に基板S1を配置する。次に、エッチング装置1000を真空引きする。そして、ガス供給部1500が、Cl 2 とBCl 3 との混合ガスである第1のガスを処理室1001の内部に供給する。そして、第1の電位付与部1200が、サセプター1100に高周波のバイアスVppを付与する。第2の電位付与部1400が、プラズマ発生部1300に高周波電位を付与する。これにより、プラズマ発生部1300が処理室1001の内部にプラズマを発生させる。そして、第1のガスはプラズマ化され、プラズマ生成領域からプラズマ生成物が発生する。プラズマ生成物とは、BおよびClに由来するイオンおよびラジカルと、紫外線とを含む。そして、このようなイオンおよびラジカルが基板S1のIII 族窒化物半導体をエッチングする。
[0020]
2-1.エッチング条件1
 エッチング条件を表1に示す。ガス供給部1500は、第1のガスを処理室1001の内部に供給する。ここで、第1のガスは、塩素系混合ガスである。より具体的には、第1のガスは、Cl 2 とBCl 3 との混合ガスである。この第1のガスに占めるBCl 3 の体積比は、0.01以上0.4以下である。ここで、第1のガスに占めるBCl 3 の体積比は、処理室1001に導入する第1のガスに占めるBCl 3 の流量比と同じである。処理室1001の内圧は1Pa以上10Pa以下である。処理室1001の内圧がこの範囲内のときには、プラズマ発生部1300により発生されるプラズマは誘導結合プラズマである。バイアスVppは、0V以上468V以下である。バイアスVppの周波数は、1MHz以上100MHz以下の程度である。プラズマ発生部1300の出力は、200W以上800W以下の程度である。基板温度は、300℃以上500℃以下である。
[0021]
[表1]
 内圧          1Pa以上  10Pa以下
 BCl 3 の体積比   0.01以上   0.4以下
 バイアス         0V以上  468V以下
[0022]
2-2.エッチング条件2
 第1のガスに占めるBCl 3 の体積比が大きいほど、第1の電位付与部1200がサセプター1100に付与するバイアスVppの絶対値は小さい。
[0023]
 第1の電位付与部1200は、次式を満たすバイアスVppをサセプター1100に付与する。
   Vpp ≦ -1200・X + 480   ………(1)
   Vpp ≧ -1200・X + 290   ………(2)
   0.01 ≦ X ≦ 0.4
      Vpp:バイアス(V)
      X  :第1のガスに占めるBCl 3 の体積比
[0024]
 この場合に、III 族窒化物半導体は好適にエッチングされる。III 族窒化物半導体がオーバーエッチングされるおそれはほとんどない。
[0025]
2-3.エッチング条件3
 ガス供給部1500は、第1のガスに占めるBCl 3 の体積比を2%以上30%以下とするとなおよい。つまり、ガス供給部1500が供給する第1のガスは次式を満たす。
   0.02 ≦ X ≦ 0.3
[0026]
 この場合に、III 族窒化物半導体はさらに好適にエッチングされる。III 族窒化物半導体がオーバーエッチングされるおそれはほとんどない。
[0027]
3.プラズマ生成物とバイアスとの関係
 ここで、プラズマ生成物とバイアスとの関係について説明する。プラズマ生成物のうち、イオンとラジカルとについて説明する。イオンを代表してCl - について説明する。ラジカルを代表してClラジカルについて説明する。
[0028]
3-1.イオンの振る舞い
 図2は、Cl - イオンの振る舞いを模式的に示す図である。Cl - イオンは、負に帯電している。そのため、バイアスVppにより、Cl - イオンは基板S1に向かって加速される。つまり、Cl - イオンは、図2の矢印K1の向きに移動する。そのため、Cl - イオンは、基板S1のIII 族窒化物半導体を主に縦方向にエッチングする。ここで縦方向とは、基板S1の板面に垂直な方向である。
[0029]
3-2.ラジカルの振る舞い
 図3は、Clラジカルの振る舞いを模式的に示す図である。Clラジカルは、電気的に中性である。そのため、周囲の電界の影響を受けない。したがって、Clラジカルは、バイアスVppによらず放射状に移動する。つまり、Clラジカルは、図3の矢印K2の向きに移動する。そのため、Clラジカルは、基板S1のIII 族窒化物半導体を縦方向のみならず横方向にエッチングする。ここで横方向とは、基板S1の板面に平行な方向である。したがって、このラジカルがIII 族窒化物半導体のオーバーエッチングに関与していると考えられる。
[0030]
3-3.バイアスとエッチング
 本実施形態では、プラズマ生成領域で発生するプラズマ生成物の状態に応じて、バイアスVppを調整する。これにより、基板S1に到達するイオンとラジカルとのバランスを調整する。これにより、マスク直下のIII 族窒化物半導体の幅が狭くなることを抑制する。
[0031]
3-4.BCl 3 の作用
 また、エッチングにおいて、BCl 3 のBがIII 族窒化物半導体の凹部の側面でIII 族窒化物半導体と結合する可能性がある。そして、そのBがIII 族窒化物半導体の表面でオーバーエッチングを抑制している可能性がある。そのため、BCl 3 の流量が多いほど、バイアスVppを小さくしてもよいと考えられる。バイアスVppを小さくしてラジカルの寄与を大きくしても、BCl 3 のBがIII 族窒化物半導体のサイドエッチングを抑制すると考えられるからである。または、BCl 3 の流量が多いほど、Cl - イオンが多く発生すると考えられる。そのため、バイアスVppをそれほど大きくする必要がないと考えられる。
[0032]
4.本実施形態の効果
 本実施形態のエッチング装置1000は、オーバーエッチングを抑制しつつIII 族窒化物半導体をエッチングすることができる。つまり、マスクの幅と、マスクより下層のIII 族窒化物半導体の幅とが、ほとんど等しい。
[0033]
5.変形例
5-1.希ガスまたは窒素ガス
 ガス供給部1500は、塩素系混合ガスである第1のガスを供給する。第1のガスはCl 2 とBCl 3 との混合ガスである。ガス供給部1500は、第1のガスに窒素ガスと希ガスとの少なくとも一方を含むガスを混合した第2のガスを処理室1001の内部に供給してもよい。ただし、BCl 3 が占める体積比Xは、Cl 2 とBCl 3 との合計の体積に占めるBCl 3 の体積である。
[0034]
5-2.プラズマ発生部の位置
 本実施形態では、プラズマ発生部1300は、処理室1001の内部に位置している。プラズマ発生部1300は、処理室1001の外部の別室の内部に配置されていてもよい。ただし、プラズマ発生部1300は、基板S1を配置するサセプター1100からそれほど遠くない位置に配置されていることが好ましい。
[0035]
5-3.プラズマ発生部の種類
 本実施形態では、プラズマ発生部1300はICPユニットである。しかし、プラズマ発生部1300としてその他のプラズマ発生装置を用いてもよい。例えば、プラズマ発生部1300は、容量結合型プラズマ(CCP)と、電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECR)と、ヘリコン波励起プラズマ(HWP)と、マイクロ波励起表面波プラズマ(SWP)と、のいずれかであってもよい。
[0036]
5-4.サセプター
 サセプター1100は、回転できるようになっていてもよい。
[0037]
5-5.組み合わせ
 上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
[0038]
6.本実施形態のまとめ
 本実施形態のエッチング装置1000は、第1の電位付与部1200がサセプター1100に付与する高周波電位を調整する。プラズマガスとしてCl 2 とBCl 3 との混合ガスである第1のガスを供給する。そして、この第1のガスに占めるBCl 3 の体積比に応じて、第1の電位付与部1200が付与するバイアスを調整する。これにより、エッチング装置1000は、マスクの直下のIII 族窒化物半導体の幅が狭くなることを抑制することができる。
実施例
[0039]
1.実験1(オーバーエッチングがない場合)
 図4は、エッチングしたGaN基板の断面を示す走査型顕微鏡写真(その1)である。基板としてマスクを形成済みのGaN基板を用いた。基板温度は400℃であった。プラズマ発生部の出力は400Wであった。バイアスの周波数は3.2MHzであった。バイアスVppは228Vであった。供給するガスにおけるBCl 3 の体積比は0.1であった。また、処理室1001の内圧は5Paであった。エッチング時間は30秒であった。この場合には、条件式(1)、(2)を満たしている。
[0040]
 図4に示すようにこの場合には、マスクの横幅と、マスクの下層のGaNの横幅と、がほとんど等しい。
[0041]
2.実験2(オーバーエッチングがある場合)
 図5は、エッチングしたGaN基板の断面を示す走査型顕微鏡写真(その2)である。基板としてマスクを形成済みのGaN基板を用いた。基板温度は400℃であった。プラズマ発生部の出力は400Wであった。バイアスの周波数は3.2MHzであった。バイアスVppは228Vであった。供給するガスは、塩素ガスのみであった。また、処理室1001の内圧は5Paであった。エッチング時間は10分であった。この場合には、条件式(1)、(2)を満たしていない。
[0042]
 図5に示すように、この場合には、マスクより下層のGaNがオーバーエッチングされている。つまり、マスクより下層のGaNの一部の幅が、マスクの幅より小さい。
[0043]
3.実験3(表面粗さ)
 図6は、第1のガスに占めるBCl 3 の体積比に対するGaN基板の表面粗さを示すグラフである。図6の横軸は供給するガスに占めるBCl 3 の体積比である。図6の縦軸はGaN基板の表面粗さである。基板としてマスクを形成済みのGaN基板を用いた。基板温度は400℃であった。プラズマ発生部の出力は400Wであった。バイアスの周波数は3.2MHzであった。バイアスVppは230Vであった。また、処理室1001の内圧は5Paであった。エッチング時間は1分であった。
[0044]
 図6に示すように、Cl 2 とBCl 3 との混合ガスを用いた場合の表面粗さは、Cl 2 のみを用いた場合の表面粗さよりも小さい。供給するガスに占めるBCl 3 の体積比が0%の場合に、表面粗さが8nmである。供給するガスに占めるBCl 3 の体積比が10%の場合に、表面粗さが1.5nmと最も小さい。混合ガスに占めるBCl 3 の体積比が20%の場合に、表面粗さが4nmである。そのため、この条件下では、混合ガスに占めるBCl 3 の体積比を10%程度とすることが好ましい。例えば、混合ガスに占めるBCl 3 の体積比を5%以上15%以下とすることが好ましい。
[0045]
4.実験4(フォトルミネッセンス)
 図7は、第1のガスに占めるBCl 3 の体積比に対するフォトルミネッセンス強度を示すグラフである。図7の横軸は供給するガスに占めるBCl 3 の体積比である。図7の縦軸はフォトルミネッセンス強度である。基板としてマスクを形成済みのGaN基板を用いた。基板温度は400℃であった。プラズマ発生部の出力は400Wであった。バイアスの周波数は3.2MHzであった。バイアスVppは230Vであった。また、処理室1001の内圧は5Paであった。エッチング時間は1分であった。
[0046]
 図7に示すように、供給するガスに占めるBCl 3 の体積比によらず、フォトルミネッセンス強度はおよそ0.7程度であった。
[0047]
5.実験5(バイアス)
5-1.5Paの場合
 図8は、第1のガスに占めるBCl 3 の体積比とバイアスVppとの間の関係を示すグラフである。図8の横軸は第1のガスに占めるBCl 3 の体積比である。図8の縦軸はバイアスVppである。このときの処理室1001の内圧は5Paである。
[0048]
 図8において、「○」印は、縦エッチングレートに対する横エッチングレートが-15%以上15%以下である点を示している。「+」印は、縦エッチングレートに対する横エッチングレートが15%より大きい点を示している。ここで、縦エッチングレートに対する横エッチングレートが正の値の場合には、オーバーエッチングが生じている。縦エッチングレートに対する横エッチングレートが負の値の場合には、アンダーエッチングが生じている。図8に示すように、領域R1の内部ではオーバーエッチングはそれほど大きくない。領域R1においては、縦エッチングレートに対する横エッチングレートは、-15%以上15%以下である。領域R1は、式(1)、(2)で表される。
[0049]
 条件式(1)、(2)は、処理室1001の内圧が1Pa以上10Pa以下の場合に適用できると考えられる。

符号の説明

[0050]
1000…エッチング装置
1001…処理室
1100…サセプター
1110…サセプター支持部
1120…加熱部
1130…SiCプレート
1200…第1の電位付与部
1210…第1の整合器
1300…プラズマ発生部
1400…第2の電位付与部
1410…第2の整合器
1500…ガス供給部
1510…ガス供給管
1600…シャワープレート
1700…排気口

                                    

請求の範囲

[請求項1]
III 族窒化物半導体をエッチングする処理室と、
前記III 族窒化物半導体を保持する基板保持部と、
前記処理室の内部に第1のガスを供給するガス供給部と、
前記第1のガスをプラズマ化するプラズマ発生部と、
前記基板保持部に高周波電位を付与する第1の電位付与部と、
を有し、
 前記第1のガスは、
  Cl 2 とBCl 3 とを含む塩素系混合ガスであり、
 前記第1の電位付与部は、
  前記第1のガスに占めるBCl 3 の体積比が大きいほど、
  絶対値が小さいバイアスを前記基板保持部に付与するものであり、
 前記第1の電位付与部は、
   Vpp ≦ -1200・X + 480
   Vpp ≧ -1200・X + 290
   0.01 ≦ X ≦ 0.4
      Vpp:バイアス(V)
      X  :第1のガスに占めるBCl 3 の体積比
を満たすようにバイアスを前記基板保持部に付与すること
を特徴とするエッチング装置。
[請求項2]
請求項1に記載のエッチング装置において、
 前記ガス供給部は、
   0.02 ≦ X ≦ 0.3
を満たすように前記第1のガスを前記処理室の内部に供給すること
を特徴とするエッチング装置。
[請求項3]
請求項1または請求項2に記載のエッチング装置において、
 前記ガス供給部は、
  前記第1のガスにN 2 と希ガスとの少なくとも一方を含むガスを混合した第2のガスを前記処理室の内部に供給すること
を特徴とするエッチング装置。

                                    

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]