(57)【要約】【課題】化合物半導体をエッチングにより加工して高アスペクト比の微細構造を高精度に形成し得る半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】この製造方法は、インジウムおよびリンを必須の構成元素とする化合物半導体からなる被加工物１０上にエッチングマスク１１ｐを形成する工程と、エッチングマスク１１ｐの形成後、プラズマエッチング装置のチャンバ内に配置された被加工物１０の上に、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分からなる混合ガスを導入しこの混合ガスをプラズマ化する工程と、当該プラズマ化された混合ガスを被加工物１０に入射させて被加工物１０を選択的にエッチングする工程とを含む。ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分の総流量に対するヨウ化水素ガスの流量の配合比が７０％以上である。【選択図】図１
2010040780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウムおよびリンを必須の構成元素とする化合物半導体からなる被加工物上に所定パターンのエッチングマスクを形成する工程と、
前記エッチングマスクの形成後、プラズマエッチング装置のチャンバ内に配置された前記被加工物の上に、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分からなる混合ガスを導入するとともに前記混合ガスをプラズマ化する工程と、
当該プラズマ化された混合ガスを前記被加工物に入射させて前記被加工物を選択的にエッチングする工程と、
を含み、
前記ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分の総流量に対する前記ヨウ化水素ガスの流量の配合比が７０％以上である、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法であって、前記混合ガスの総流量に対する前記塩素ガスの流量の配合比は、１０％以上３０％以下の範囲内である、半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の製造方法であって、前記被加工物を選択的にエッチングする工程では、前記被加工物の温度を１５０℃以上４３０℃以下の範囲内に調整する、半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の製造方法であって、前記混合ガスの総流量は、１０ｓｃｃｍ以上１００ｓｃｃｍ以下の範囲内である、半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の製造方法であって、前記混合ガスの圧力は、０．１Ｐａ以上２Ｐａ以下である、半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の製造方法であって、前記エッチングマスクは無機誘電体材料からなる、半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６記載の製造方法であって、前記無機誘電体材料はケイ素含有化合物である、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の製造方法であって、
前記プラズマエッチング装置は、
前記混合ガスを前記チャンバ内に導入するガス供給源と、
高周波電力の供給に応じて、当該導入された混合ガスをプラズマ化するための誘導電場を生起させる高周波磁場を前記チャンバ内に印加する高周波アンテナと、
前記高周波アンテナに前記高周波電力を供給する高周波発振器と、
前記チャンバ内に磁場を印加して前記混合ガスのプラズマ密度分布を制御する磁石と、
当該プラズマ化された混合ガスを前記被加工物に入射させる電場を形成するバイアス電圧印加手段と、
を備えた誘導結合型プラズマ発生装置である、半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８記載の製造方法であって、前記高周波アンテナはループ状に形成されており、前記磁石は、前記高周波アンテナと同軸状に配置されたループ状永久磁石である、半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載の製造方法であって、
前記プラズマエッチング装置は、
前記チャンバのプラズマ生成領域を画定する誘電体部材と、
前記プラズマ生成領域の外側に配置された前記高周波アンテナと前記誘電体部材との間に設けられた電極と、
前記高周波発振器から高周波電力の供給を受ける可変コンデンサまたは可変チョークと、
を備え、
前記電極は、前記可変コンデンサまたは可変チョークを介して前記高周波発振器と接続されている、半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項８から１０のうちのいずれか１項に記載の製造方法であって、前記高周波発振器は、前記高周波電力として２００ワット以上３００ワット以下の範囲内の電力を前記高周波アンテナに供給する、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１から１１のうちのいずれか１項に記載の製造方法であって、前記被加工物を選択的にエッチングする工程では、１μｍ以下の幅を有する溝が前記被加工物に形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の製造方法であって、前記溝は、４．１以上のアスペクト比を有する、半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１３のうちのいずれか１項に記載の製造方法によって製造された半導体装置。
【請求項１５】
所定パターンのエッチングマスクが形成された化合物半導体からなる被加工物を加工するプラズマエッチング装置であって、
チャンバ内に配置され、かつ前記被加工物を支持するホルダと、
前記被加工物の上に、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分からなる混合ガスを導入するガス供給源と、
高周波電力の供給に応じて、当該導入された混合ガスをプラズマ化するための誘導電場を生起させる高周波磁場を前記チャンバ内に印加する高周波アンテナと、
前記高周波アンテナに前記高周波電力を供給する高周波発振器と、
当該プラズマ化された混合ガスを前記被加工物に入射させる電場を形成するバイアス電圧印加手段と、
を備え、
前記ガス供給源は、前記ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分の総流量に対する前記ヨウ化水素ガスの流量の配合比を７０％以上の範囲内に調整する、プラズマエッチング装置。
【請求項１６】
請求項１５記載のプラズマエッチング装置であって、前記チャンバ内に磁場を印加して前記混合ガスのプラズマ密度分布を制御する磁石を更に備え、前記高周波アンテナはループ状に形成されており、前記磁石は、前記高周波アンテナと同軸状に配置されたループ状永久磁石である、プラズマエッチング装置。
【請求項１７】
請求項１５または１６記載のプラズマエッチング装置であって、
前記チャンバのプラズマ生成領域を画定する誘電体部材と、
前記プラズマ生成領域の外側に配置された前記高周波アンテナと前記誘電体部材との間に設けられた電極と、
前記高周波発振器から高周波電力の供給を受ける可変コンデンサまたは可変チョークと、
を備え、
前記電極は、前記可変コンデンサまたは可変チョークを介して前記高周波発振器と接続されている、プラズマエッチング装置。
【請求項１８】
請求項１５から１７のうちのいずれか１項に記載のプラズマエッチング装置であって、前記混合ガスの総流量に対する前記塩素ガスの流量の配合比は、１０％以上３０％以下の範囲内である、プラズマエッチング装置。
【請求項１９】
請求項１５から１８のうちのいずれか１項に記載のプラズマエッチング装置であって、前記被加工物の温度は１５０℃以上４３０℃以下の範囲内に調整される、プラズマエッチング装置。
【請求項２０】
請求項１５から１９のうちのいずれか１項に記載のプラズマエッチング装置であって、前記混合ガスの総流量は、１０ｓｃｃｍ以上１００ｓｃｃｍ以下の範囲内に調整される、プラズマエッチング装置。
【請求項２１】
請求項２０記載のプラズマエッチング装置であって、前記混合ガスの圧力は、０．１Ｐａ以上２Ｐａ以下の範囲内に調整される、プラズマエッチング装置。
【請求項２２】
請求項１５から２１のうちのいずれか１項に記載のプラズマエッチング装置であって、前記エッチングマスクは無機誘電体材料からなる、プラズマエッチング装置。
【請求項２３】
請求項２２記載のプラズマエッチング装置であって、前記無機誘電体材料はケイ素含有化合物である、プラズマエッチング装置。
【請求項２４】
請求項１５から２３のうちのいずれか１項に記載のプラズマエッチング装置であって、前記高周波発振器は、前記高周波電力として２００ワット以上３００ワット以下の範囲内の電力を前記高周波アンテナに供給する、プラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料からなる被加工物をエッチングにより加工する技術に関し、特に、インジウムおよびリンを必須の構成元素とする化合物半導体からなる被加工物をドライエッチングにより加工する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光能動素子（たとえば、半導体レーザや光増幅器）や光受動素子（たとえば、合分波器や光導波路）といった光デバイスの高機能化および高性能化が要求されている。この種の光デバイスとして、III-Ｖ族化合物半導体などの化合物半導体からなる光集積デバイスが注目されている。光集積デバイスの製造工程では、化合物半導体をエッチングにより高精度に加工する技術が求められる。エッチングにより化合物半導体を加工して溝を形成する場合、その溝の幅、深さおよび形状を精密に制御することが重要である。このため、ウェットエッチングよりも、形成された溝の側壁の垂直性、当該溝の再現性およびエッチング均一性を良好に実現できるドライエッチングが使用される傾向にある。
【０００３】
一般に、ドライエッチングは、所望のエッチング形状を得るために、被加工物の特性に応じたエッチング条件（導入ガス種の種類、導入ガス種の配分、チャンバ内の圧力、基板温度）を適用することが必要である。近年、化合物半導体をドライエッチングにより加工する方法として、プラズマ源を用いたドライエッチングが広く使用されている。プラズマ源としては、たとえば、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）源、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）源、マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）源、および電子サイクロトン共鳴プラズマ（ＥＣＰ：Electron Cyclotron resonance Plasma）源が挙げられる。
【０００４】
前述のプラズマ源の中でも、誘導結合型プラズマ源やマイクロ波励起表面波プラズマ源、電子サイクロトン共鳴プラズマ源を使用すると、放電電力によるプラズマ密度と、バイアス電力によるイオンの入射エネルギーとをそれぞれ独立に制御できるため、高精度な微細加工が可能となる。特に、誘導結合型プラズマを使用した化合物半導体のドライエッチングは、エッチングの高速化と低ダメージとを両立できる手段として広く使用されている。
【０００５】
プラズマ源を用いたドライエッチング（プラズマ・エッチング）は、たとえば、特許文献１（特開２００６−００５３１７号公報）、特許文献２（特開２００５−１５０４０４号公報）、特許文献３（特開２００４−０８８０６２号公報）、特許文献４（特開２００４−０６３６５８号公報）および非特許文献１（松谷晃宏, 大槻秀夫, 小山二三夫, "HI/Cl2 ICPによるInPの低温ドライエッチング," 第64回応用物理学会学術講演会, 福岡, 30p-C-10, 2003年8月）に開示されている。
【０００６】
特許文献１〜４や非特許文献１には、III−Ｖ族化合物半導体などの被加工物をエッチングするために、前述のプラズマ源を使用し、ヨウ化水素ガスなどのハロゲン化合物ガスを含む混合ガスをエッチングガスとして使用するドライエッチング技術が開示されている。たとえば、非特許文献１には、ＩＣＰ源を用い、ヨウ化水素ガスと塩素ガスの混合ガスをエッチングガスとして使用するドライエッチング技術が開示されている。ヨウ化水素（ＨＩ）ガスとインジウムとの反応生成物は、以前より広く使用されてきた塩素系ガスとインジウムとの反応生成物と比較して高い揮発性を有する。このため、低温での高速エッチングが可能である。低温でエッチングできることは、耐熱性に劣るレジストをエッチングマスクとして用いる場合には利点となる（たとえば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−００５３１７号公報（段落「００１６」）
【特許文献２】特開２００５−１５０４０４号公報
【特許文献３】特開２００４−０８８０６２号公報
【特許文献４】特開２００４−０６３６５８号公報
【非特許文献１】松谷晃宏, 大槻秀夫, 小山二三夫, "HI/Cl2 ICPによるInPの低温ドライエッチング," 第64回応用物理学会学術講演会, 福岡, 30p-C-10, 2003年8月.（Akihiro Matsutani, Hideo Ohtsuki, and Fumio Koyama, "Low temperature dry etching of InP by inductively coupled plasma using HI/Cl2," The 64th Autumn Meeting of Japan Society of Applied Physics and Related Societies, Fukuoka, 30p-C-10, Aug. 2003.）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光集積デバイスの半導体材料としてIII−Ｖ族化合物半導体が広く使用されている。一般に、光集積デバイスを製造する際には、被加工物である化合物半導体を高速にエッチングできると、限られた膜厚のエッチングマスクに対する被加工物の選択比の向上が可能となり、高アスペクト比の微細構造を容易に実現することができる。
【０００８】
特許文献１や特許文献３には、レジストをエッチングマスクとして用いたドライエッチング方法が提案されている。特許文献１や特許文献３のドライエッチング方法では、プロセスの簡易化が可能であるが、被加工物に形成された微細構造（たとえば、溝）の加工面の垂直性や平滑性を確保しつつ、高い選択比を得ることが難しい。
【０００９】
そこで、本発明者らは、レジストマスクの代わりに、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などの誘電体からなるハードマスクの使用を試みた。しかしながら、ハードマスクを用いたドライエッチングに従来のプロセス条件を適用したときに、以下に説明する問題に直面した。
【００１０】
モノリシック光集積デバイスの場合、複数種の光機能素子が同一基板上に形成され、光機能素子の形成領域ごとに構造が異なるのが一般的である。それ故、エッチング工程と結晶成長工程とが何度も実行されると、形成領域間のエッチング速度差に起因して被加工物の表面が平坦にならず、当該表面にミクロンオーダーの凹凸が形成される場合がある。当該凹凸を有する被加工物上に薄膜のハードマスクのパターンを形成しエッチングを実行すると、ハードマスクに対する被加工物の選択比が低ければ、ハードマスクの一部分が突き抜けてしまい、光機能素子が劣化するという問題が生じ得る。この問題を回避するためには、ハードマスクを厚膜にすればよい。しかしながら、ハードマスクの厚みが大きければ、ハードマスクのパターン形成のためにフォトリソグラフィ工程で使用されるレジスト膜の厚みを大きくしなければならず、ハードマスク材料を高精度にパターニングすることが難しくなるという別の問題が生じてしまう。
【００１１】
また、アスペクト比が増大するとエッチング速度が低下または停止する現象（マイクロローディング効果）が生ずるという問題がある。たとえば、微細な溝や孔を被加工物に形成する場合、溝や孔の底面に反応生成物が堆積し、溝や孔の底面に到達し得る活性種の量が減少することでマイクロローディング効果が発生すると考えられる。これにより、選択比が低下し、十分に高いアスペクト比を持つ微細構造を形成することが難しくなる。
【００１２】
上記に鑑みて本発明の目的は、化合物半導体をエッチングにより加工して高アスペクト比の微細構造を高精度に形成し得る半導体装置の製造方法およびプラズマエッチング装置を提供することである。本発明の他の目的は、この製造方法によって製造された半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、インジウムおよびリンを必須の構成元素とする化合物半導体からなる被加工物上に所定パターンのエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクの形成後、プラズマエッチング装置のチャンバ内に配置された前記被加工物の上に、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分からなる混合ガスを導入するとともに前記混合ガスをプラズマ化する工程と、当該プラズマ化された混合ガスを前記被加工物に入射させて前記被加工物を選択的にエッチングする工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。この製造方法では、前記ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分の総流量に対する前記ヨウ化水素ガスの流量の配合比が７０％以上である。
【００１４】
本発明によれば、前記製造方法によって製造された半導体装置が提供される。
【００１５】
本発明によれば、所定パターンのエッチングマスクが形成された化合物半導体からなる被加工物を加工するプラズマエッチング装置が提供される。このプラズマエッチング装置は、チャンバ内に配置され、かつ前記被加工物を支持するホルダと、前記被加工物の上に、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分からなる混合ガスを導入するガス供給源と、高周波電力の供給に応じて、当該導入された混合ガスをプラズマ化するための誘導電場を生起させる高周波磁場を前記チャンバ内に印加する高周波アンテナと、前記高周波アンテナに前記高周波電力を供給する高周波発振器と、当該プラズマ化された混合ガスを前記被加工物に入射させる電場を形成するバイアス電圧印加手段と、を備えており、前記ガス供給源は、前記ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分の総流量に対する前記ヨウ化水素ガスの流量の配合比を７０％以上の範囲内に調整する。
【発明の効果】
【００１６】
上記の通り、本発明による製造方法およびプラズマエッチング装置は、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分からなる混合ガスをプラズマ化し、この混合ガスのプラズマを、インジウムおよびリンを必須の構成元素とする化合物半導体からなる被加工物に入射させて被加工物を選択的にエッチングする。これにより、高選択比とマイクロローディング効果の抑制とが実現可能となり、高アスペクト比の微細構造を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る種々の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に係る一実施形態である半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。この製造方法では、図１（Ａ）に示されるように、化合物半導体からなる被加工物１０の上にマスク層１１が形成され、このマスク層１１上にレジスト膜１２が塗布される。次に、リソグラフィ工程によりレジスト膜１２をパターニングして、図１（Ｂ）に示すレジストパターン１２ｐが形成される。このレジストパターン１２ｐをマスクとしてマスク層１１をエッチングすることで、図１（Ｃ）に示されるマスクパターン（エッチングマスク）１１ｐが形成される。このマスクパターン１１ｐの形成後、被加工物１０は、プラズマエッチング装置のチャンバ内に配置される。
【００１９】
ここで、マスクパターン１１ｐには、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などのケイ素含有化合物の無機誘電体からなるハードマスクを使用すればよい。このハードマスクの使用により、選択比（＝被加工物１０のエッチング速度／マスクパターン１１ｐのエッチング速度）の向上が可能となる。
【００２０】
被加工物１０は、インジウム（Ｉｎ）およびリン（Ｐ）を必須の構成元素とする化合物半導体で構成すればよい。被加工物１０を構成する化合物半導体層としては、たとえば、ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＧａＡｌＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＳｂ層、またはＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ層、が挙げられる。
【００２１】
被加工物１０がチャンバ内に配置された後、プラズマエッチング装置は、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスの２成分からなる混合ガスを導入しつつ、真空ポンプ（図示せず）を用いてチャンバ内を排気する。ここで、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスはそれぞれのガス供給源（図示せず）から同時にチャンバ内に供給されてもよいし、あるいは、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスのうちの一方のガス成分の供給を開始してから一定時間経過後、他方のガス成分の供給が開始されてもよい。
【００２２】
チャンバ内に導入された混合ガスは、誘導結合型プラズマ源、マイクロ波励起表面波プラズマ源あるいは電子サイクロトン共鳴プラズマ源などのプラズマ源を用いてプラズマ化される。このプラズマ源は、プラズマを発生させる高周波電力と、活性種の入射エネルギーを定めるためのＲＦバイアス電力とを独立に制御し得る構成を有するものである。たとえば誘導結合型プラズマ源を使用する場合、プラズマエッチング装置（図示せず）は、コイル状の高周波アンテナ、高周波発振器、バイアス電圧印加手段および磁場印加手段（たとえば、永久磁石や電磁石）を有することが好ましい。高周波発振器が高周波アンテナに高周波電力を供給すると、高周波アンテナは、この高周波電力の供給に応じて高周波磁場をチャンバ内に印加し、これにより誘導電場を生起させて混合ガスをプラズマ化する。バイアス電圧印加手段は、整合器（マッチング回路）を介して被加工物１０にＲＦバイアス電力を供給することにより活性種を被加工物１０に入射させる構成を有する。磁場印加手段は、チャンバ内に外部磁場（静磁場）を印加してプラズマ密度分布を制御する機能を有する。
【００２３】
混合ガスのプラズマ化により生じた活性種は被加工物１０に入射し、これにより、図１（Ｄ）に示すように被加工物１０ｅが選択的にエッチングされる（エッチング工程）。このエッチング工程では、ヨウ化水素ガスの流量（＝R(HI)）と塩素ガスの流量（＝R(Cl2)）との総流量に対するヨウ化水素ガスの流量の配合比Ｒ１（＝R(HI)/[R(HI)+R(Cl2)]）は、７０％以上の範囲に調整される。これにより、高い選択比とマイクロローディング効果の抑制との両立が可能になる。なお、配合比Ｒ１の上限を９０％にすることが、高密度プラズマを安定的に生成させる点で望ましい。
【００２４】
被加工物１０の温度範囲は、１５０℃以上４３０℃以下とすることができる。被加工物１０の温度範囲を、好ましくは１５０℃以上４３０℃以下、特に好ましくは１６０℃以上２２０℃以下とすることで、活性種が被加工物１０と反応することにより生成された反応生成物の離脱が促進されて加工面の平滑性を向上させることができる。
【００２５】
エッチング工程でのチャンバ内の圧力（エッチング圧力）は、高密度プラズマを安定的に生成させ、かつ、物理的エッチングと化学的エッチングとをバランス良く進行させるため、約０．１Ｐａ以上２Ｐａ以下の範囲内、特に０．５Ｐａ以上０．７Ｐａ以下の範囲内に調整されるのが好ましい。
【００２６】
以下、本実施形態の好適なプロセス条件について説明する。
【００２７】
先ず、被加工物１０を用意する。被加工物１０は、ＩｎＰ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＡｌＡｓ層、ＩｎＧａＡｌＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＳｂ層、またはＩｎＧａＡｌＡｓＳｂ層よりなる群から選択された少なくとも１つの化合物半導体層を含む。被加工物１０は、単一の化合物半導体基板でもよいし、あるいは、単結晶基板上にエピタキシャル成長された単層または複数層の成長層構造を有する基板でもよい。あるいは、単一の単結晶基板上に異なる組成を持つ複数の成長層構造が並列に形成されたものを被加工物１０としてもよい。異なる組成を持つ複数の成長層構造は、複数の光機能素子（たとえば、光能動素子や受光素子、光導波路）が単一の単結晶基板上にモノリシックに集積された光集積デバイスを製造するために使用される。
【００２８】
次に、被加工物１０上に、スパッタ法やＣＶＤ（化学気相堆積：Chemical Vapor Deposition）法により酸化ケイ素や窒化ケイ素などの無機誘電体材料を堆積して図１（Ａ）のマスク層１１を形成する。更に、マスク層１１上にフォトレジストを塗布して図１（Ａ）のレジスト膜１２を形成し、このレジスト膜１２を露光し現像することにより図１（Ｂ）のレジストパターン１２ｐを形成する。このレジストパターン１２ｐを用い、ＣＦ４などのガスを用いたドライエッチングをマスク層１１に施すことにより、図１（Ｃ）のマスクパターン１１ｐが形成される。その後、レジストパターン１２ｐは除去される。ここで、マスクパターン１１ｐを高精度に形成するために、マスク層１１の厚みは、選択比を考慮してできる限り薄くなるように、５０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内に制御されることが好ましい。
【００２９】
次に、マスクパターン１１ｐが形成された被加工物１０を、ＩＣＰ源を含むエッチング装置を用いて加工する。図２は、ＩＣＰ源を含むプラズマエッチング装置２０の概略構成を示す図である。このプラズマエッチング装置２０は、真空チャンバ２１、石英板２２、高周波ループアンテナ２３、マッチング回路２４、高周波電源２５、ループ状永久磁石２６、平面状電極２７、基板ホルダ３０、バイアス用マッチング回路３１、バイアス用高周波電源３２、ガス供給源４０および制御部４１を有している。本発明に係る高周波発振器は、高周波電源２５とマッチング回路２４とで構成され得る。
【００３０】
真空チャンバ２１の内部には、被加工物１０を支持する基板ホルダ３０が配置されている。基板ホルダ３０は、バイアス用マッチング回路３１を介してバイアス用高周波電源３２に接続されており、バイアス用高周波電源３２は、基板ホルダ３０を介して高周波バイアスを被加工物１０に印加することができる。
【００３１】
また、真空チャンバ２１は上部開口部を有している。石英板（誘電体部材）２２は、真空チャンバ２１の反応室を密閉しかつ窓を構成するように真空チャンバ２１の上部開口部に取付けられている。この石英板２２は、真空チャンバ２１のプラズマ生成領域を区画するものである。
【００３２】
プラズマ生成領域の外側では、石英板２２の上方に二巻回のループをなす高周波ループアンテナ２３が配置されている。この高周波ループアンテナ２３は、マッチング回路２４を介して高周波電源２５に接続されている。また、この高周波ループアンテナ２３と同軸状にループ状永久磁石２６が配置されている。このループ状永久磁石２６は、高周波ループアンテナ２３に流れる電流と略直交する方向の静磁場を発生し、かつ石英板２２の表面と平行となるように配置されている。高周波電源２５は、マッチング回路２４を介して、高周波ループアンテナ２３に高周波電力を供給する。高周波ループアンテナ２３は、当該高周波電力の供給に応じて、真空チャンバ２１内に導入された混合ガスをプラズマ化するための誘導電場を生起させる高周波磁場を真空チャンバ２１内に印加する。
【００３３】
平面状電極２７は、石英板２２と高周波ループアンテナ２３との間であって石英板２２の近傍に、当該石英板２２の表面と平行となるように配置されている。この平面状電極２７は、たとえば、線状金属材料で構成すればよい。また、平面状電極２７は、石英板２２で構成される窓の形状に合わせた形状を有し、石英板２２の内表面上に一様な電界を形成する機能を有する。更に、平面状電極２７は、可変コンデンサ２８およびマッチング回路２４を介して高周波電源２５と接続されている。制御部４１は、可変コンデンサ２８の静電容量を１０ｐＦ〜１００ｐＦの範囲内で最適な値に調整して、石英板２２の内表面上における膜の付着を防止することができる。なお、可変コンデンサ２８の代わりに可変チョークを使用してもよい。
【００３４】
マスクパターン１１ｐ（図１（Ｃ））が形成された被加工物１０は、チャンバ２１内の基板ホルダ３０に載置される。その後、ガス供給源４０は、制御部４１の制御を受けて、真空チャンバ２１内に、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスからなる２元系混合ガスを導入しつつ、真空ポンプ（図示せず）は真空チャンバ２１内を排気する。混合ガスの総流量は、たとえば、１０〜１００ｓｃｃｍの範囲内、好ましくは４０〜６０ｓｃｃｍの範囲内に調整すればよい。チャンバ内の圧力は０．５Ｐａ程度に調整される。そして、ヨウ化水素ガスの流量（＝R(HI)）と塩素ガスの流量（＝R(Cl2)）との合計に対するヨウ化水素ガスの流量の配合比Ｒ１（＝R(HI)/[R(HI)+R(Cl2)]）を７０％以上９０％以下の範囲内に調整する。言い換えれば、ヨウ化水素ガスの流量（＝R(HI)）と塩素ガスの流量（＝R(Cl2)）との合計に対する塩素ガスの流量の配合比Ｒ２（＝R(Cl2)/[R(HI)+R(Cl2)]）を１０％以上３０％以下の範囲内に調整する。
【００３５】
同時に、高周波電源２５は、制御部４１の制御を受けて、高周波ループアンテナ２３に、周波数１３．５６ＭＨｚを有する２００Ｗ以上３００Ｗ以下の範囲内の高周波電力を供給する。高周波ループアンテナ２３は、高周波電力の供給に応じて真空チャンバ２１内に高周波磁場を形成し、この高周波磁場により生起された誘導電場が真空チャンバ２１内の２元系混合ガスをプラズマ化して活性種を生成する。また、バイアス用高周波電源３２（バイアス電圧印加手段）は、バイアス用マッチング回路３１および基板ホルダ３０を介して被加工物１０にバイアス電圧を印加して活性種を被加工物１０に入射させる（図１（Ｃ））。時間管理を行って目標のエッチングレートやエッチング深さを制御すればよい。この結果、被加工物１０は、エッチングにより高精度に加工される。
【００３６】
エッチング工程では、被加工物１０の温度は、エッチング中に生ずる反応副生成物（たとえば、Ｉｎ化合物）の蒸気圧を考慮すれば、１５０℃以上４３０℃以下の範囲内、特に１６０℃以上２２０℃以下の範囲内に調整されることが望ましい。
【００３７】
上記実施形態が奏する効果について以下に説明する。上記プロセス条件では、ヨウ化水素ガスおよび塩素ガスからなる２元系ガスがプラズマ化され、その結果生じた活性種を用いて、ＩｎとＰを必須の構成元素とする化合物半導体の被加工物がエッチングされる。この２元系ガスの総流量に対するヨウ化水素ガスの流量の配合比を７０％以上に制限することにより、高選択比とマイクロローディング効果の抑制とを両立させて高アスペクト比の微細構造を形成することができる。たとえば、酸化ケイ素に対するＩｎＰの選択比の値を４０以上にすることが可能である。
【００３８】
エッチングガスとして使用されるヨウ化水素ガスは、被加工物１０を構成するインジウムと反応して揮発性の高い反応生成物を生成させるのでエッチング速度を向上させる。また、塩素ガスは、加工面に付着したり堆積したりする反応生成物の量を低減させる作用を発揮するものと考えられる。したがって、ヨウ化水素ガスと塩素ガスを上記配合比で使用することによりプロセス条件が最適化されて、エッチング速度が向上し、高選択比とマイクロローディング効果の抑制とが両立可能になると考えられる。
【００３９】
また、上記プロセス条件により、被加工物１０に形成された高アスペクト比の微細構造（溝や孔）の側面の垂直性および平滑性の向上が可能となる。
【００４０】
たとえば、同一の化合物半導体基板上に複数種の光機能素子をモノリシックに形成する場合、光導波路に交差する溝をエッチングにより形成し、その溝の側面をレーザ共振器用の端面ミラー（ギャップミラー）として使用することができる。溝の幅（ギャップ）を制御することにより端面ミラーの反射率や透過率を調整することができる。ギャップミラーでは、溝の加工精度が高いことが重要である。ギャップミラーは、光導波路のコア層と上下クラッド層とを貫通するように形成される。ギャップミラーを構成する溝の深さは、４μｍ以上であることが望ましい。その理由は、光導波路では、半導体基板の上面から２μｍ程度下方にコア層が位置する場合、このコア層を中心に、当該コア領域の上方および下方に位置する上下クラッド層に染み出しながら光が伝搬するからである。次に、ギャップミラーを構成する溝の幅は約１μｍ以下に制御されることが望ましい。その理由は、溝の幅が大きくなる程に、ギャップミラーにおける光の結合損失が増大するからである。たとえば、１つのギャップミラーにおける光の結合損失を３０％以下に抑制するためには溝の幅を１μｍ以下にしなければならないとする実験結果がある。更に、ギャップミラーを構成する溝の側面が垂直形状であり、光導波路方向に広がりの無い形状であることが望ましい。その理由は、当該溝の側面形状が垂直形状からずれると、光導波路を伝搬する光が散乱し、反射率の低下や結合損失の増大を招くからである。
【００４１】
上記実施形態のプロセス条件を使用すれば、被加工物１０に、１μｍ以下の幅と４μｍ以上の深さと平坦面とを持つ高アスペクト比のギャップミラーの溝を形成することが可能である。しかも、この溝の平坦面と側面との間の角度が８５度以上という高い垂直性を持つ溝の形成が可能である。
【実施例】
【００４２】
次に、本実施形態の実施例について説明する。
【００４３】
先ず、選択比の測定実験が行われた。被加工物１０としてＩｎＰ基板を用意した。熱ＣＶＤ法により、被加工物１０上に約５００ｎｍの厚みのＳｉＯ２マスク層１１を堆積させ、被加工物１０の表面にレジスト膜１２を塗布し、縮小投影露光機（ステッパ）を用いてレジスト膜１２を、約１．５μｍ幅を持つようにストライプ形状に加工してレジストパターン１２ｐを形成した（図１（Ｂ））。次に、ＣＦ４ガスを用いたドライエッチングによりマスクパターン１１ｐを形成した（図１（Ｃ））。
【００４４】
そして、図２に示すプラズマエッチング装置を用いたドライエッチングを実行した（図１（Ｃ），図１（Ｄ））。このドライエッチングのプロセス条件については、被加工物１０の基板温度は２００℃、チャンバ内の圧力は０．７Ｐａ、２元系ガスの総流量は常に５０ｓｃｃｍである。高周波電力Ｐ１とＲＦバイアス電力Ｐ２に関し、条件Ａ（Ｐ１＝２００Ｗ，Ｐ２＝１００Ｗ），条件Ｂ（Ｐ１＝２００Ｗ，Ｐ２＝５０Ｗ）および条件Ｃ（Ｐ１＝３００Ｗ，Ｐ１＝１５０Ｗ）の各々の下で、種々の配合比（６０％，６７％，７０％，７４％，８１％）についてエッチング速度を測定し、この測定結果用いて選択比を計算するという実験が行われた。図３に、この実験結果の表を示す。図４は、条件Ａ，Ｂ，Ｃについての測定結果がプロットされたグラフである。
【００４５】
図３および図４によれば、配合比が７０％付近のときに、配合比に対する選択比の傾きが増大していることが分かる。配合比が７０％以上では、４０以上の高い選択比が得られている。特に、条件Ａと条件Ｂの下で配合比を８１％とした場合の選択比は、約８７以上になり、金属マスクを使用した場合の選択比に迫る値を得ることができた。これに対し、塩素ガス（Ｃｌ２）、メタン（ＣＨ４）ガスおよび水素（Ｈ２）ガスからなる３元系ガスを使用した場合や、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスからなる２元系ガスを使用した場合には、２０未満の選択比しか得られなかった。
【００４６】
次に、マイクロローディング効果の測定実験が行われた。被加工物１０としてＩｎＰ基板を用意した。熱ＣＶＤ法により、被加工物１０上に約５００ｎｍの厚みのＳｉＯ２マスク層１１を堆積させ、被加工物１０の表面にレジスト膜１２を塗布し、ステッパを用いてレジスト膜１２を加工してレジストパターン１２ｐを形成した（図１（Ｂ））。次に、ＣＦ４ガスを用いたドライエッチングによりマスクパターン１１ｐを形成した（図１（Ｃ））。
【００４７】
そして、ＨＩガスとＣｌ２ガスからなる２元系ガス、ＳｉＣｌ４ガスとＡｒガスからなる２元系ガス、およびＣＨ４ガスとＨ２ガスとＣｌ２ガスからなる３元系ガスという３種類のガス種を用い、図２に示すプラズマエッチング装置を用いたドライエッチングを実行して溝（ギャップ部）とメサ構造とを形成した。その結果得られたギャップ部とメサ構造とを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）で観察した。メサ構造は、５００μｍ幅の帯状のＳｉＯ２層をストライプ状に配列したマスクパターン１１ｐを用いて形成された。ＳｉＯ２層とＳｉＯ２層との間隔は１００μｍ以上である。
【００４８】
図５は、０．５μｍから５μｍまでの範囲内のギャップ部の幅（ギャップ幅）とエッチング速度比Ｄｔ／Ｄｍとの関係を示すグラフである。ここで、Ｄｔは、溝のエッチング深さを表し、Ｄｍは、メサ形成領域のエッチング深さを表している。図５のグラフから明らかなように、実施例の２元系ガス（ＨＩ＋Ｃｌ２）を用いた場合のエッチング速度比Ｄｔ／Ｄｍは、比較例の２元系ガス（ＳｉＣｌ４＋Ａｒ）および３元系ガス（ＣＨ４＋Ｈ２＋Ｃｌ２）を用いた場合のそれらと比べて、１の値に近いことが分かる。たとえば、ギャップ幅が１μｍのときの実施例のエッチング速度比Ｄｔ／Ｄｍは０．９３であるのに対し、比較例のエッチング速度比Ｄｔ／Ｄｍは０．８以下である。したがって、実施例のマイクロローディング効果は、比較例と比べて抑制されていることが分かる。
【００４９】
図５のグラフの数値を用いて算出されたアスペクト比（＝溝の深さ／溝の幅）の概算は、以下の通りである。２元系ガス（ＨＩ＋Ｃｌ２）を用いた実施例の場合、（ギャップ幅，アスペクト比）＝（０．５，７．５８）、（１，４．１２）、（２，２．１５）、（３，１．４５）、（５，０．８８）。２元系ガス（ＳｉＣｌ４＋Ａｒ）を用いた比較例の場合、（ギャップ幅，アスペクト比）＝（０．５，５．８９）、（１，３．４９）、（２，１．９７）、（３，１．３７）、（５，０．８５）。３元系ガス（ＣＨ４＋Ｈ２＋Ｃｌ２）を用いた比較例の場合、（ギャップ幅，アスペクト比）＝（１，３．７１）、（２，２．１２）、（３，１．５１）、（４，１．１７）、（５，０．９６）。これらの結果から、実施例のアスペクト比は、比較例のアスペクト比と比べて非常に高い値を示していることが分かる。
【００５０】
図６（Ａ），（Ｂ）は、比較例の３元系ガス（ＣＨ４＋Ｈ２＋Ｃｌ２）を用いた場合に形成された溝の断面ＳＥＭ像を示し、図６（Ａ）は、１μｍの幅の溝を、図６（Ｂ）は、２μｍの幅の溝をそれぞれ示している。一方、図６（Ｃ），（Ｄ）は、実施例の２元系ガス（ＨＩ＋Ｃｌ２）を用いた場合に形成された溝の断面ＳＥＭ像を示し、図６（Ｃ）は、１μｍの幅の溝を、図６（Ｄ）は、２μｍの幅の溝をそれぞれ示している。これら図６（Ａ）〜（Ｄ）から明らかなように、実施例の条件で形成された溝の断面形状はほぼ矩形状であり、溝の側面形状もほぼ垂直形状である。図６（Ｃ），（Ｄ）の断面ＳＥＭ像に示されるように、４μｍ以上の深さと平坦面とを持つ高アスペクト比の溝が形成されており、この溝の平坦面（底面）と側面との間の角度が８５度以上であることが確認された。
【００５１】
以上、本発明に係る実施形態とその実施例について説明した。上記実施形態は本発明の例示であり、上記以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、図１（Ｃ）のマスクパターン１１ｐは無機誘電体からなるハードマスクであることが望ましいが、これに限定されるものではない。マスクパターン１１ｐとして金属マスクを用いたとき、マスクパターン１１ｐがエッチングされると、金属マスクの構成元素が加工面に付着するおそれがあるので、結晶成長の実行前に金属マスクを使用することは難しいが、結晶成長が実行された後の最終工程では、マスクパターン１１ｐとして金属マスクを使用してもよい。この場合、図１（Ａ）のマスク層１１は、スパッタ法や蒸着法により堆積されればよい。金属マスクを使用すると、１００以上の選択比を実現できる。あるいは、最終的にエッチングすべき素子形成領域のみにレジストを塗布し、蒸着法により全面に金属を堆積し、その後、レジストを除去するとともにレジスト上部の金属も除去するという、リフトオフと呼ばれる手法を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に係る一実施形態である半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
【図２】プラズマエッチング装置の概略構成を示す図である。
【図３】選択比の測定条件と測定結果とが記載された表を示す図である。
【図４】条件Ａ，Ｂ，Ｃの下での測定結果がプロットされたグラフである。
【図５】ギャップ部の幅（ギャップ幅）とエッチング速度比との関係を示すグラフである。
【図６】エッチングにより形成された溝の断面ＳＥＭ像を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０  被加工物
１０ｇ  溝
１０ｅ  エッチングされた被加工物
１１  マスク層
１１ｐ  マスクパターン
１２  レジスト膜
１２ｐ  レジストパターン
２０  プラズマエッチング装置
２１  真空チャンバ
２２  石英板
２３  高周波ループアンテナ
２４  マッチング回路
２５  高周波電源
２６  ループ状永久磁石
２７  平面状電極
２８  可変コンデンサ
３０  基板ホルダ
３１  バイアス用マッチング回路
３２  バイアス用高周波電源
４０  ガス供給源
４１  制御部
【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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【図６】
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