(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素半導体基板上に選択的なエッチングマスクを形成後、露出する前記半導体基板部分にプラズマを用いてトレンチを形成するドライエッチング方法において、前記エッチングマスクが酸化シリコンと酸化スズとがこの順に成膜された積層膜からなることを特徴とする炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法。
【請求項２】
前記エッチングマスクは前記炭化珪素半導体基板上に０．１μｍ乃至０．５μｍの厚さの酸化シリコンと０．５μｍ乃至１μｍの厚さの酸化スズとがこの順に成膜された積層膜であることを特徴とする請求項１記載の炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記ドライエッチングに用いられるプラズマはフッ化物を含むガスを電離して得られる誘導結合プラズマであることを特徴とする請求項１または２記載の炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐圧、大電流用炭化珪素（以下、ＳｉＣ）半導体装置を製造する際の半導体基板へのトレンチ形成のためのドライエッチング方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
インバータや電力制御などに用いられるシリコン（以下Ｓｉ）半導体パワーデバイスとしてはパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどが周知であり、広く用いられている。しかしながら、半導体材料としてのＳｉはパワーデバイスではその半導体特性の面からは、もはやその物性値的な限界に近いと思われる使われ方がされるようになってきた。そこで、半導体Ｓｉよりはその物性的限界の高い材料である半導体ＳｉＣが着目されるようになってきた。この半導体ＳｉＣ（４Ｈ−ＳｉＣの結晶形態）材料はその絶縁破壊電界が半導体Ｓｉに比べ一桁高く、さらにバンドギャップは２．９倍、熱伝導率は３．２倍、真性半導体となる温度が３〜４倍とそれぞれＳｉより高く、特にパワーデバイス材料として用いる場合に、その物性的限界に優れた半導体特性の特長が大いに発揮される。従って、この半導体ＳｉＣ材料を用いたパワーデバイスは高耐圧と低オン抵抗を併有するデバイスとして期待され、近年製品化へのアプローチが多く試みられるようになった。しかし、パワーデバイスとして製品化するための製造プロセスには、まだまだ解決すべき課題も多い。
【０００３】
一方、近年、半導体Ｓｉを用いたパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのオン抵抗を低減するためにトレンチゲートが採用されている。トレンチ型ＭＯＳＦＥＴの製造方法においては、このトレンチ形状を精密に形成することが欠かせないので、そのエッチング工程は非常に重要である。トレンチゲート構造を形成する際には、トレンチの深さは耐圧等によって異なるが数百Ｖの耐圧で数μｍ必要である。このような所望の深さの制御と精密な形状のトレンチを得るためのエッチングプロセス技術は半導体Ｓｉ基板では可能になっている。
【０００４】
しかしながら、半導体ＳｉＣを用いたＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴの場合は、ウエットエッチングを可能とする実用的なエッチング溶液すら未だ発見されず、通常は精密な形状のトレンチの形成プロセスとしてはドライエッチングが用いられる。しかし、現状の公知のドライエッチング技術では半導体ＳｉＣのエッチングレートが低い上にマスクとなる材料とのエッチング選択性も小さいため、特に深さの点が問題であり、深いトレンチを形成することが容易ではない。たとえば、数μｍ程度の深さのトレンチでさえ形成するのは容易とはいえないレベルである。通常、エッチングレートを稼ぐためには公知のＩＣＰ（誘導結合プラズマ）方式などによる高密度プラズマを用いてドライエッチングが行なわれるが、それでも前述の深い（数μｍ）トレンチを形成するには長時間を要する。このため、エッチングマスクに用いられる材料が化学的および物理的にも、半導体ＳｉＣとのエッチング選択比が十分高くないと、半導体ＳｉＣ基板に形成されるトレンチが目標とするエッチング深さに到達する前にマスクがエッチングされて無くなるという問題が起きる。たとえば、厚さが２μｍのＳｉＯ２膜をマスクとしてＳｉＣ基板をエッチングすると選択比は３程度であるので、ＳｉＣが６μｍ程度エッチングされたところでマスクのＳｉＯ２膜が消失し、それ以上のトレンチ形成ができなくなる。マスクの膜厚を厚くすると、成膜に時間がかかる上に、厚くなったマスク材に対する良好な精度のパターニングが難しくなるという問題が新たに生じ、前記問題の解消とはとても言い難い。
【０００５】
また、ＧａＮ系半導体基板やＳｉＣ基板のドライエッチングにおけるエッチング選択比の高いマスク材料としてはＴｉ膜とＮｉとＡｇ、Ｓｎ、Ｐ、Ｂなどとの合金膜との積層膜が知られており、そのエッチング選択比は３０以上であるという記述もある（特許文献１−実施例１）。
【特許文献１】特開２００５−３２２８１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の特許文献１に記載のＴｉ膜およびＮｉ合金膜を用いたエッチングマスクは、真空蒸着やスパッタリング法により形成される金属膜であるため、トレンチエッチング中に前記金属マスク表面から金属粒子がエッチング面に飛散して、または溶解した金属のエッチング面への再付着によりマイクロマスクを形成し易く、エッチング面の全面を平滑面とし難いという問題がある。
【０００７】
本発明はそのような問題点に鑑みてなされたものであり、ＳｉＣ半導体基板への、フッ化物を含むガスを電離させて生成したプラズマを用いるドライエッチングに対するエッチング耐性が高いエッチングマスクを容易に作成でき、ドライエッチング後に容易に前記エッチングマスクを剥離することができるＳｉＣ半導体基板のドライエッチング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
特許請求の範囲の請求項１記載の本発明によれば、炭化珪素半導体基板上に選択的なエッチングマスクを形成後、露出する前記半導体基板部分にプラズマを用いてトレンチを形成するドライエッチング方法において、前記エッチングマスクが酸化シリコンと酸化スズとがこの順に成膜された積層膜からなる炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法とすることにより、前記本発明の目的は達成される。
【０００９】
特許請求の範囲の請求項２記載の本発明によれば、前記エッチングマスクは前記炭化珪素半導体基板上に０．１μｍ乃至０．５μｍの厚さの酸化シリコンと０．５μｍ乃至１μｍの厚さの酸化スズとがこの順に成膜された積層膜である請求項１記載の炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法とすることが好ましい。
【００１０】
特許請求の範囲の請求項３記載の本発明によれば、前記ドライエッチングに用いられるプラズマはフッ化物を含むガスを電離して得られる誘導結合プラズマである請求項１または２記載の炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法とすることがより好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＳｉＣ半導体基板への、フッ化物を含むガスを電離させて生成したプラズマを用いるドライエッチングに対するエッチング耐性が高いエッチングマスクを容易に作成でき、ドライエッチング後に容易に前記エッチングマスクを剥離するＳｉＣ半導体基板のドライエッチング方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施の形態）
以下、本発明にかかる炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法について、図面を参照して詳細に説明する。本発明はその要旨を超えない限り、以下に説明する実施例の記載に限定されるものではない。
【００１３】
図１は本発明の炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法にかかる炭化珪素半導体基板上にエッチングマスクを形成した段階の半導体基板の要部断面図である。図２は本発明にかかるエッチングマスクを形成する前にフォトレジストパターンを形成した段階の半導体基板の要部断面図である。図３は本発明の炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法にかかる炭化珪素半導体基板上にエッチングマスクを形成した段階の半導体基板の要部断面図である。図４は本発明にかかるドライエッチングのエッチング時間とエッチング量との関係図である。
【００１４】
図１に本発明にかかるＳｉＣ基板１をドライエッチングする際に用いるエッチングマスクの積層構造２、３を示す。ＳｉＣ基板１上にＳｉＯ２膜２を形成し、さらにその上にＳｎＯ２膜３を形成する。ＳｉＯ２膜２およびＳｎＯ２膜３はフォトリソグラフィにより所望のパターンを形成する。以下、そのプロセスについて図２、図３を参照して詳細に説明する。ＳｉＣ基板１をよく洗浄した後にフォトレジストをスピンコート法により全面塗布する。その後、クリーンオーブンに８５℃で３０分投入し、フォトレジストをベークした。ベーク後、紫外線を用いた露光装置で所望のパターンを有するフォトマスクを用いて初期露光を行なった。初期露光後、１１５℃で１５分のベークを行ない、その後、マスクを用いないで基板全体を全面露光した。全面露光後、現像を行ない、所望のパターン以外の不要なフォトレジストを除去し、図２のようなフォトレジストパターン４を形成した。このときのフォトレジスト４の膜厚は約２μｍである。
【００１５】
フォトレジストパターン４を形成後、スパッタ法によりＳｉＯ２膜２を室温で形成する。成膜圧力を１ＰａとしてＡｒ＋１０％Ｏ２ガス中でＲＦにてＳｉＯ２ターゲットをスパッタする成膜条件により、ＳｉＯ２膜２を０．５μｍの厚さに形成した。続いて真空を切らずに、スパッタ法によりＳｎＯ２膜３を室温で形成した。成膜圧力を１ＰａとしてＡｒ＋１０％Ｏ２ガス中でＲＦにてＳｎＯ２ターゲットをスパッタする成膜条件によりＳｎＯ２膜３を０．５μｍの厚さに形成した。このように形成されたＳｉＯ２膜２とＳｎＯ２膜３のうち、特には表面側のＳｎＯ２膜３はトレンチエッチングの際にも、ほとんどエッチングされないので、溶解してトレンチエッチング予定面に再付着し平滑なトレンチエッチングを妨げる現象はほとんど起きない。トータル膜厚１μｍのＳｉＯ２およびＳｎＯ２の積層膜（以下ＳｉＯ２／ＳｎＯ２と記述）が載置されたＳｉＣ基板をフォトレジスト剥離液につけてフォトレジストを除去するいわゆるリフトオフ法でＳｉＯ２／ＳｎＯ２積層膜のパターニングを行なった。パターニングされた線幅は本実施例では２μｍ幅である。図３はこのリフトオフ法によりパターニングされたＳｉＣ基板１上の積層マスク構造２、３の断面を示す。ＳｉＯ２膜は、ＳｎＯ２膜のエッチングが困難なため、ＳｎＯ２膜単独膜とするとパターニングができないことから設けられる膜である。ＳｎＯ２膜の下側にＳｉＯ２膜を形成することにより、リフトオフ法によるＳｎＯ２膜のパターニングを可能にするのである。従って、ＳｉＯ２膜の厚さは厚くする必要はなく、０．１μｍ以上あればよく、上限は積層膜の熱膨張係数の関係から０．５μｍ以下が好ましい。ＳｎＯ２膜は厚い方が深いトレンチエッチングを可能にするので、０．５μｍ以上が好ましい。また、積層膜の熱膨張係数の関係から厚すぎると、ウエハのそりの発生によるプロセス上に問題が生じるので、１μｍ以下の厚さが好ましい。
【００１６】
リフトオフ法を用いるのはＳｎＯ２膜３についても、ドライエッチングでもウエットエッチングでも極めてエッチングが難しいため、リフトオフ法でのパターニングが適しているからである。次に、得られたＳｉＯ２／ＳｎＯ２積層膜２、３をＳｉＣ基板１のドライエッチングのマスクとして用い、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置（図示せず）でドライエッチングを行なった。このときの条件はＩＣＰ電力２００Ｗ、バイアス電力２５ＷでＳＦ６＋５０％Ｏ２ガスを用い１Ｐａの圧力でトレンチエッチングを行なった。このＩＣＰ−ＲＩＥ装置によれば、誘導結合コイルによる大電力のプラズマ励起により形成される高密度プラズマをＳｉＣ基板のエッチングに利用できる。所定時間エッチングを行ない、所望の深さのトレンチを形成した後、前記ＩＣＰ−ＲＩＥ装置から取り出し、バッファードフッ酸にＳｉＣ基板をつけてマスク材のＳｉＯ２膜部分を溶解させ、ＳｉＯ２／ＳｎＯ２マスクを除去した。ＳｎＯ２膜は溶解されないが、ＳｉＯ２膜の剥離と共に除去される。
図４に、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて形成される高密度プラズマを用いてＳｉＣ基板をエッチングした場合のエッチング時間に対するＳｉＯ２／ＳｎＯ２積層膜マスクのエッチング量とＳｉＣ基板のエッチング量とを示す。ＳｉＯ２／ＳｎＯ２積層膜のマスクに対するエッチングは、１ｎｍ／分程度のエッチング量のため、１時間エッチングしても０．０６μｍ以下のエッチング量であり、実質的にマスクはほとんどエッチングされないことが分かる。若干エッチングされているのは物理的（スパッタ）要因によるものであり、化学的には極めてエッチング耐性が高いのがわかる。このときのＳｉＣ基板のエッチング量は５０ｎｍ／分程度あり、マスクのエッチング量／ＳｉＣのエッチング量＝１／５０程度有り、極めて選択性が高いことが分かる。エッチングマスク材にＮｉやＡｌなどの金属または合金膜を使った場合、エッチング条件によっては金属粒子が飛散しマイクロマスクの発生原因になりエッチングに支障をきたす場合があるが、酸化物であるＳｎＯ２はフッ素系ガスによるドライエッチングでも酸・アルカリによるウエットエッチングでもほとんどエッチングできない。このためマイクロマスクの発生がなく、ドライエッチングやウエットエッチングのマスクとして用いることに優れている。このようにマスクの最表面がＳｎＯ２になっていることで、マスクがほとんどエッチングされずＳｉＣを深くドライエッチングすることができる。
【００１７】
この条件で４時間のエッチングを行なったが、マスクは表面のＳｎＯ２が０．２５μｍ程度エッチングされたがＳｉＣは約１２μｍエッチングでき、深いトレンチが形成できることが確認できた。確認はしていないがマスクはこのエッチング時間ではまだ半分残っているので２０μｍ以上のエッチングが可能と考えられる。このトレンチ形成技術を用いることにより、ＳｉＣ基板を用いたＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワーデバイスの耐圧を飛躍的に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法にかかる炭化珪素半導体基板上にエッチングマスクを形成した段階の半導体基板の要部断面図である。
【図２】本発明にかかるエッチングマスクを形成する前にフォトレジストパターンを形成した段階の半導体基板の要部断面図である。
【図３】本発明の炭化珪素半導体基板のドライエッチング方法にかかる炭化珪素半導体基板上にエッチングマスクを形成した段階の半導体基板の要部断面図である。
【図４】本発明にかかるドライエッチングのエッチング時間とエッチング量との関係図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  炭化珪素（ＳｉＣ）基板
２  ＳｉＯ２膜（マスク）
３  ＳｎＯ２膜（マスク）
４  フォトレジスト膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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