(57)【要約】【課題】10-3Paオーダーという比較的低い真空度（高い圧力）でも平滑なエッチング面が得られるような窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング方法であって、更にサファイア基板やアルミナ基板といったアルミ酸化物までエッチング可能なドライエッチング方法を提供する。【解決手段】塩素ガスと、x、y及びzが正の整数である化学式CxHyClzで表される化合物（クロロホルム、ジクロルメタン等）のガスとを含む反応ガスから生成したプラズマ２６により、窒化ガリウム系化合物層２２〜２４、サファイア基板２１もしくはアルミナ基板をエッチングする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塩素ガスと、x、y及びzが正の整数である化学式CxHyClzで表される化合物のガスとを含む反応ガスから生成したプラズマによりエッチングすることを特徴とする基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング方法。
【請求項２】
化学式CxHyClzで表される化合物がクロロホルムであることを特徴とする請求項１に記載の基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング方法。
【請求項３】
化学式CxHyClzで表される化合物がジクロルメタンであることを特徴とする請求項１に記載の基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング方法。
【請求項４】
塩素ガスと、x、y及びzが正の整数である化学式CxHyClzで表される化合物のガスとを含む反応ガスから生成したプラズマによりエッチングすることを特徴とする基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
【請求項５】
a)少なくともいずれかに高周波電力が投入される上部電極および下部電極と、
b)電極に高周波電力を投入するための高周波電源と、
c)反応室内に、塩素ガスとx、y及びzが正の整数である化学式CxHyClzで表される化合物のガスとを含む反応ガスとを供給する原料ガス源と
を有することを特徴とする基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザーダイオード等のデバイスに使用される窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング方法に関し、特に、反応性プラズマを用いた被処理物のドライエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III-V族化合物材料をウェットエッチングするには塩酸、硫酸、フッ酸又はこれらの混合液がよく用いられるが、窒化ガリウムはこれらの液にはほとんど溶解しない。従って、窒化ガリウムのエッチングはウェットエッチングではなくドライエッチングで行うのが一般的である。なかでも、反応性プラズマを用いたドライエッチングは、エッチングレートが高く、実用的であるため、盛んに研究・開発が行われている。
【０００３】
反応性プラズマを用いたドライエッチングでは反応ガスの組成がエッチングの速度や品質を決定する重要な要素となる。窒化ガリウム半導体のエッチングに利用可能な反応ガスとしては、CF4ガス（特許文献１）、CCl2F2ガス、CCl4ガス、CF4ガス（以上、特許文献２）、BCl3ガス（特許文献３）、SiCl4/Cl2の混合ガス（特許文献４）、Cl2/H2の混合ガス、BCl3/Arの混合ガス（以上、非特許文献１）、BCl3/SiCl4の混合ガス（非特許文献２）、SiCl4ガス、SiCl4/SiF4の混合ガス（以上、非特許文献３）等が報告されている。
【特許文献１】特開平1-204425号公報
【特許文献２】特開平3-108779号公報
【特許文献３】特開平4-34929号公報
【特許文献４】特開平8-17803号公報
【非特許文献１】「セミコンダクター・サイエンス・アンド・テクノロジー（Semiconductor Science and Technology)」,（英国）, 1993年, 8巻, 2号, pp.310-312
【非特許文献２】「アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letters）」, 64(7),（米国）, 1994年2月14日, pp.887-888
【非特許文献３】「アプライド・フィジックス・レターズ（Applied Physics Letters）」, 63(20),（米国）, 1993年11月15日, pp.2777-2779
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の方法で用いられる反応ガスの中には、エッチング残渣やエッチピットが発生しやすいため平滑なエッチング面が得られないものがある。一方、特許文献４によれば、SiCl4/Cl2の混合ガスを用いることにより上記問題が解決され、平滑なエッチング面が得られるとされている。しかし、一般に塩素ガスのプラズマによって窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチングを行う際に、反応室内の真空引きが不十分な場合、残留酸素や残留水分または窒化ガリウムの結晶欠陥に起因するエッチング面の荒れやエッチピットが発生しやすい。これを防止するため、プラズマ処理前に反応室内を10-4Paオーダーの高真空にする必要があった。
【０００５】
また窒化ガリウム系化合物半導体は、通常サファイア基板やアルミナ基板の上に窒化ガリウム系化合物を積層してエッチングを行い加工される。その際、窒化ガリウム系化合物層だけでなく、基板まで加工を行う場合があるが、一般的にサファイア基板やアルミナ基板のアルミ酸化物はエッチングが困難である。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、低い電力面密度の高周波電力であってもエッチング可能であって、窒化ガリウムの結晶欠陥量に依存することなく、10-3Paオーダーという比較的低い真空度（高い圧力）でも平滑なエッチング面が得られ、かつサファイア基板やアルミナ基板といったアルミ酸化物もエッチング可能な、窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために成された本発明に係る基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング方法は、塩素ガスと、x、y及びzが正の整数である化学式CxHyClzで表される化合物のガスとを含む反応ガスから生成したプラズマによりエッチングすることを特徴とする。
また、本発明に係る基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法は、塩素ガスと、x、y及びzが正の整数である化学式CxHyClzで表される化合物のガスとを含む反応ガスから生成したプラズマによりエッチングすることを特徴とする。
さらに、本発明に係る基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング装置は、
a)少なくともいずれかに高周波電力が投入される上部電極および下部電極と、
b)電極に高周波電力を投入するための高周波電源と、
c)反応室内に、塩素ガスとx、y及びzが正の整数である化学式CxHyClzで表される化合物のガスとを含む反応ガスとを供給する原料ガス源と
を有することを特徴とする。  
【発明の効果】
【０００８】
本願発明者らは、プラズマを生成して基板上にｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層及びｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチングを行うに際し、塩素ガスおよびx、y及びzが正の整数である化学式CxHyClzで表される化合物のガスを混合した反応ガスを用いることにより、低い電力面密度の高周波電力であってもエッチングを効率的に行うことが可能であって、かつ10-3Paオーダーの比較的低い真空度（高い圧力）下でも、荒れ、残渣、エッチピット等のない平滑なエッチング面が得られることを見出した。
このように、本発明に係る方法では低い電力面密度の高周波電力であってもエッチングを効率的に行えるという利点がある。
【０００９】
上記化学式で表される化合物の例としては、クロロホルム（CHCl3）、ジクロルメタン（CH2Cl2）が挙げられる。このうちクロロホルムは、窒化ガリウム系化合物半導体の一種であるInGaNのエッチングに特に有利である。Inを従来のようにClと反応させて除去する場合、InClの昇華温度が180℃であるため、それより高温（例えば200℃程度）でエッチングを行わなければならなかった。これに対し、クロロホルムを用いる場合は、クロロホルムのCH基がInと反応して、低温でも効率よくエッチングが進行する。なお、クロロホルムを用いる場合は、いわゆるフロン規制を考慮する必要がある。一方、ジクロルメタンはフロン規制に拘束されないため取り扱いやすいという利点がある。
【００１０】
また、上記反応ガスを用いたエッチング方法は、基板として通常使用されているサファイア基板やアルミナ基板といったアルミ酸化物に対しても適用できる。当該方法により、サファイア基板およびアルミナ基板においても、荒れ、残渣、エッチピット等のない平滑なエッチング面が得られる。また、窒化ガリウム系化合物層をエッチング後、同じ反応ガスを用いて更にサファイア基板やアルミナ基板までエッチングすることができるため、基板まで加工を要する用途に好適なドライエッチング方法である。
【００１１】
該方法を実施するための装置としては、平行平板電極型や誘導結合型等を含むあらゆるタイプのプラズマエッチング装置を用いることができる。平行平板電極型の場合、上部電極を接地し、下部電極に高周波電源を接続してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の具体的な実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１３】
窒化ガリウム系化合物半導体の素子基板を本発明に係るドライエッチング方法でエッチングする実験を行った。図１にこの実験に用いた素子基板の断面構成を概略的に示す。この素子基板２０は、サファイア基板２１の上にn型GaN層２２（厚さ2.4μm）、多重量子井戸構造（MQW）を有するGaN活性層２３（厚さ0.1μm）、p型GaN層２４（厚さ0.2〜0.3μm）、SiO2から成るマスク層２５を積層して成る。
【００１４】
実験で用いたプラズマエッチング装置の概略構成を図２に示す。この装置は誘導結合型（ICP）であり、密閉された反応室１１の中には平板状の下部電極１２が、反応室１１の上部（外部）には石英板１４を介して励起コイル１５が、それぞれ設けられている。励起コイル１５は立体渦巻形（インバーテッド・トルネード形）のコイルであり、コイル中央から高周波電力を供給し、コイル外周の末端が接地されている。また、下部電極１２も高周波電源１３に接続されている。
【００１５】
上記装置を用いて次のように実験を行った。まず、反応室１１の下部電極１２の上に素子基板２０を載置し、反応室１１内の空気を排出して、反応室内の圧力を2×10-3Paとした。その後、反応室１１にCl2ガス、CH2Cl2ガス及びArガスをそれぞれ50sccm、5sccm及び20sccmの流量で供給し、反応室１１内のガス圧力を0.6Paとした。そして、励起コイル１５に200Wの高周波電力を供給し、下部電極１２に電力面密度が0.37W/cm2の高周波電力を供給することにより、反応ガスのプラズマ２６を生成させた。このプラズマ２６によりエッチングを行った結果、GaN層については181nm/分のエッチング速度が得られた。このように、Cl2ガスとCH2Cl2ガスから成る反応ガスを使用すれば、低い電力面密度の高周波電力であっても効率的にエッチングを行うことが可能である。
【００１６】
上記のようにして、SiO2マスク層２５の下面から0.5μmの深さまでエッチングを行った後、素子基板２０を反応室１１から取り出し、エッチング面を走査型電子顕微鏡（SEM）で観察した。図３にエッチング面の画像を示す。この画像を見ると、SiO2のマスク層２５の表面に対してGaN層のエッチング面の壁面がほぼ垂直になっており、高い異方性でエッチングが進行したことがわかる。また、GaN層では荒れ、残渣、エッチピット等が全く見られない極めて平滑なエッチング面が得られた。
なお、本実施例ではICPによるドライエッチングを行ったが、RIE等、他のドライエッチングの方法でも本発明を実施することができる。
【実施例２】
【００１７】
実施例１と同様の装置を用いて、実施例１で用いた素子基板において、SiO2マスク層２５からサファイア基板２１までドライエッチングを行った。
まず、反応室１１の下部電極１２の上に素子基板２０を載置し、反応室１１内の空気を排出し、反応室内の圧力を2×10-3Paとした。その後、反応室１１にCl2ガス及びCH2Cl2ガスをそれぞれ50sccm、5sccmの流量で供給し、反応室１１内のガス圧力を0.6Paとした。そして、励起コイル１５に200Wの高周波電力を供給し、下部電極１２に電力面密度が0.74W/cm2の高周波電力を供給することにより、反応ガスのプラズマ２６を生成させた。このプラズマ２６によりエッチングを行った結果、SiO2マスク層については36nm/分、GaN層については263nm/分、サファイア基板については15nm/分のエッチング速度が得られた。
【００１８】
上記のようにして、n-GaN層２２の下面から0.1μmの深さまでエッチングを行った後、素子基板２０を反応室１１から取り出し、エッチング面をSEMで観察した。図４にエッチング面の画像を示す。また、図５に図４におけるサファイア基板部のオーバーエッチング状態の拡大SEM画像を示す。この画像を見ると、SiO2のマスク層２５の表面に対してGaN層のエッチング面の壁面がほぼ垂直になっており、高い異方性でエッチングが進行したことがわかる。また、サファイア基板は一般的に加工が非常に困難であるが、本実施例ではGaN層だけでなく、サファイア基板面においても、荒れ、残渣、エッチピット等が全く見られない極めて平滑なエッチング面が得られた。なお、アルミナ基板についても、サファイア基板と同様に加工を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実験に用いた素子基板の断面構成を概略的に示す図。
【図２】実験で用いたプラズマエッチング装置の概略構成図。
【図３】実施例１の処理により得られたエッチング面のSEM画像。
【図４】実施例２の処理により得られたエッチング面のSEM画像。
【図５】図４におけるサファイア基板部のオーバーエッチング状態の拡大SEM画像。
【符号の説明】
【００２０】
２０…素子基板
２１…サファイア基板
２２…n型GaN層
２３…GaN活性層（多重量子井戸構造）
２４…p型GaN層
２５…SiO2マスク層
【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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