(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  エッチング装置１０００は、処理室１００１と、サセプター１１００と、ガス供給部１５００と、プラズマ発生部１３００と、第１の電位付与部１２００と、を有する。プラズマ発生部１３００は、誘導結合プラズマを発生させる。第１のガスは、Ｃｌ2 とＢＣｌ3 とを含む塩素系混合ガスである。第１の電位付与部１２００は、第１のガスに占めるＢＣｌ3 の体積比が大きいほど、絶対値が小さいバイアスをサセプター１１００に付与する。第１の電位付与部１２００は、  −１２００・Ｘ  ＋  ２９０  ≦  Ｖｐｐ  ≦  −１２００・Ｘ  ＋  ４８０  を満たすようにバイアスをサセプター１１００に付与する。【選択図】図１
2018152415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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、
Ｃｌ2 とＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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Ｎ2 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。
【発明の詳細な説明】
【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Ｃｌ2 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、Ｃｌ2 とＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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、Ｃｌ2 とＢＣｌ3 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、Ｃｌ2 とＢＣｌ3 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、Ｃｌ2 とＢＣｌ3 との混合ガスである。この第１のガスに占めるＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 の体積比は、処理室１００１に導入する第１のガスに占めるＢＣｌ3 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
ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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．ＢＣｌ3 の作用
また、エッチングにおいて、ＢＣｌ3 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、ＢＣｌ3 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、ＢＣｌ3 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、ＢＣｌ3 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Ｃｌ2 とＢＣｌ3 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、ＢＣｌ3 が占める体積比Ｘは、Ｃｌ2 とＢＣｌ3 との合計の体積に占めるＢＣｌ3 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Ｃｌ2 とＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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。バイアスのＶｐｐは２２８Ｖであった。供給するガスにおけるＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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、Ｃｌ2 とＢＣｌ3 との混合ガスを用いた場合の表面粗さは、Ｃｌ2 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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ＢＣｌ3 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
【図１】
2018152415.tif 000003
【図２】
2018152415.tif 000004
【図３】
2018152415.tif 000005
【図４】
2018152415.tif 000006
【図５】
2018152415.tif 000007
【図６】
2018152415.tif 000008
【図７】
2018152415.tif 000009
【図８】
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