(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰからなる半導体基板の基板面上に塗布型のフォトレジストを用いてレジストパターンを形成するレジストパターン形成段階と、
前記レジストパターンをマスクとして、少なくともヨウ化水素ガスと窒素ガスとヘリウムガスとを含むエッチングガスを用いた誘導結合プラズマエッチングによって、前記レジストパターンが変質しない所定温度で前記半導体基板を貫通エッチングするエッチング段階と、を含み、
全ガス流量に対する前記窒素ガスの流量が５％以上であり、かつ、前記ヨウ化水素ガスの前記ヘリウムガスに対するガス流量比が１未満であることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
第１の基板面と前記第１の基板面に対向する第２の基板面とを有するＩｎＰからなる半導体基板の前記第１の基板面上に電極を形成する電極形成段階と、
前記半導体基板の前記第１の基板面に前記半導体基板の破損を防止するための保護基板を貼り付ける貼り付け段階と、
前記半導体基板を薄化する薄化段階と、
前記半導体基板の前記第２の基板面上に塗布型のフォトレジストを用いてレジストパターンを形成するレジストパターン形成段階と、
前記レジストパターンをマスクとして、エッチングガスを用いた誘導結合プラズマエッチングによって、前記半導体基板の前記第２の基板面側を前記レジストパターンが変質しない所定温度でエッチングし、前記電極の一部を露出するビアホールを形成するエッチング段階と、を含むビアホール形成方法において、
前記エッチングガスがヨウ化水素ガスと窒素ガスとヘリウムガスとを含み、全ガス流量に対する前記窒素ガスの流量が５％以上であり、かつ、前記ヨウ化水素ガスの前記ヘリウムガスに対するガス流量比が１未満であることを特徴とするビアホール形成方法。
【請求項３】
前記保護基板がサファイア基板である請求項２に記載のビアホール形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩｎＰのドライエッチング方法およびビアホール形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信技術の高速・大容量化に対応する高速動作可能なトランジスタなどの半導体素子を有する半導体装置として、従来用いられてきたＧａＡｓ系材料の代わりにＩｎＰ系材料を用いて形成された半導体装置への期待が増大している。
【０００３】
ミリ波帯などの高い周波数帯で半導体素子の性能を十分引き出すためには、グランド強化や半導体素子の放熱性向上や基板への実装容易化などが可能なビア技術が重要になるが、ＩｎＰ基板に対してビアホールを形成することは難しいとされてきた。
【０００４】
例えば、ウエットエッチング法では、エッチングが基板面方向に進んでしまうサイドエッチングの量が多く、かつ、ＩｎＰはＧａＡｓと比較して結晶の面方位によるエッチング速度の異方性が強いため、実用的な寸法のビアホールを形成することは困難である。
【０００５】
一方、エッチング対象の材料と反応しやすい高密度のプラズマ状態のエッチングガスを用いるドライエッチング（プラズマエッチング）において、エッチングガスとして塩素ガスを用いる場合は、ＩｎＰと塩素ガスの反応生成物である塩化インジウムの蒸気圧が低いため、適当なエッチング速度を得るには基板温度を２００度以上に上げることが必要とされる。このような基板温度条件では、フォトレジストをマスクとして用いると、フォトレジストが変質してエッチング終了後に除去することが困難となる。
【０００６】
そこで、ヘリウム（Ｈｅ）ガスとハロゲン元素を含むエッチングガスであるヨウ化水素（ＨＩ）ガスの混合ガスに、さらにシリコン化合物ガスである四塩化シリコン（ＳｉＣｌ4）を加えることによって、低い基板温度（１００度前後）でドライエッチングを行うことが可能なＩｎＰ基板ビアホールの形成方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−８８０６２号公報（［０１２３］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された従来のドライエッチング法においては、フォトレジストとしてドライフィルムレジストと呼ばれる材料が用いられており、専用の貼り付け装置や専用の現像液が必要でコストアップが生じるという課題があった。また、四塩化シリコンガスは毒性ガスであり、取り扱いが難しいだけでなく、専用にガスの無害化（除害）処理装置が必要になり、材料費や管理コストも増えるという課題があった。さらに、ヨウ化水素ガスの使用によるエッチング面の表面荒れという課題があった。
【０００８】
本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであって、通常の塗布型のフォトレジストを使用し、安全性の高いガスを使用しながら、低コストでＩｎＰ基板にビアホールを形成するＩｎＰのドライエッチング方法およびビアホール形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のＩｎＰのドライエッチング方法は、ＩｎＰからなる半導体基板の基板面上に塗布型のフォトレジストを用いてレジストパターンを形成するレジストパターン形成段階と、前記レジストパターンをマスクとして、少なくともヨウ化水素ガスと窒素ガスとヘリウムガスとを含むエッチングガスを用いた誘導結合プラズマエッチングによって、前記レジストパターンが変質しない所定温度で前記半導体基板を貫通エッチングするエッチング段階と、を含み、全ガス流量に対する前記窒素ガスの流量が５％以上であり、かつ、前記ヨウ化水素ガスの前記ヘリウムガスに対するガス流量比が１未満である構成を有している。
【００１０】
この方法により、通常の塗布型のフォトレジストを使用し、安全性の高いガスを使用しながら、ＩｎＰ半導体基板を低コストでエッチングすることができる。また、この方法により、ＩｎＰ半導体基板のエッチング底面及び側面の表面荒れを抑制することができる。
【００１５】
また、本発明のＩｎＰのドライエッチング方法は、第１の基板面と前記第１の基板面に対向する第２の基板面とを有するＩｎＰからなる半導体基板の前記第１の基板面上に電極を形成する電極形成段階と、前記半導体基板の前記第１の基板面に前記半導体基板の破損を防止するための保護基板を貼り付ける貼り付け段階と、前記半導体基板を薄化する薄化段階と、前記半導体基板の前記第２の基板面上に塗布型のフォトレジストを用いてレジストパターンを形成するレジストパターン形成段階と、前記レジストパターンをマスクとして、エッチングガスを用いた誘導結合プラズマエッチングによって、前記半導体基板の前記第２の基板面側を前記レジストパターンが変質しない所定温度でエッチングし、前記電極の一部を露出するビアホールを形成するエッチング段階と、を含むビアホール形成方法において、前記エッチングガスがヨウ化水素ガスと窒素ガスとヘリウムガスとを含み、全ガス流量に対する前記窒素ガスの流量が５％以上であり、かつ、前記ヨウ化水素ガスの前記ヘリウムガスに対するガス流量比が１未満であることを特徴とする構成を有している。
【００１６】
この方法により、エッチングによって形成されたビアホールの底面および側面の表面荒れを抑制することができる。
【００１７】
また、本発明のビアホール形成方法は、前記保護基板がサファイア基板である構成を有している。
【００１８】
この方法により、ＩｎＰ半導体基板の割れを防止するとともに、エッチング中に発生する熱をＩｎＰ半導体基板から放出することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、エッチングガスに窒素ガスを添加することにより、通常の塗布型のフォトレジストを使用し、安全性の高いガスを使用しながら、低コストでＩｎＰ基板にビアホールを形成することができるという効果を有するＩｎＰのドライエッチング方法およびビアホール形成方法を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係るＩｎＰのドライエッチング方法およびビアホール形成方法の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２１】
本発明に係るＩｎＰのドライエッチング方法およびビアホール形成方法は、図１〜３に示すように、（１）トランジスタ、抵抗体、ＭＩＭなどの素子（図示せず）が予め形成され、第１の基板面と第１の基板面に対向する第２の基板面とを有する半導体基板である半絶縁性ＩｎＰ基板１の第１の基板面上に、絶縁膜２およびレジストパターン３を形成する基板準備段階と、（２）半絶縁性ＩｎＰ基板１の第１の基板面上に電極としての上面電極５を形成する電極形成段階と、（３）半絶縁性ＩｎＰ基板１の第１の基板面に半絶縁性ＩｎＰ基板１の破損を防止するための保護基板であるサファイア基板６をワックス７を用いて貼り付ける貼り付け段階と、（４）半絶縁性ＩｎＰ基板１を薄化する薄化段階と、（５）半絶縁性ＩｎＰ基板１の第２の基板面上にレジストパターン８を形成するレジストパターン形成段階と、（６）レジストパターン８をマスクとして、エッチングガスを用いたプラズマエッチングによって、半絶縁性ＩｎＰ基板１の第２の基板面側をエッチングし、上面電極５の一部を露出させるエッチング段階と、（７）エッチング後の半絶縁性ＩｎＰ基板１からレジストパターン８の剥離を行い、第２の基板面全面にめっき法などにより下面電極９を形成する下面電極形成段階と、（８）ワックス７を溶剤等で溶解することによって半絶縁性ＩｎＰ基板１をサファイア基板６から分離する基板分離段階と、（９）サファイア基板６から分離された半絶縁性ＩｎＰ基板１に対して、劈開、ダイシング等を行うことにより個々の半導体素子に分離する素子分離段階（図示せず）とを含む。
【００２２】
即ち、基板準備段階（１）においては、まず、第１の基板面にトランジスタ、抵抗体、ＭＩＭなどの素子が予め形成された半絶縁性ＩｎＰ基板１を用意する。なお、図１〜３では簡単のため、トランジスタ、抵抗体、ＭＩＭなどの素子が形成された領域を図示していない。
【００２３】
そして、半絶縁性ＩｎＰ基板１の第１の基板面上に、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮx膜（またはＳｉＯ2膜）を積層することにより絶縁膜２を形成する。絶縁膜２の厚さは２５０ナノメートル（ｎｍ）程度である。さらに、絶縁膜２上にフォトレジストをスピンナで回転塗布する。次に、フォトリソグラフィによってフォトレジストに電極形成用フォトマスクを用いてマスクパターンを露光して、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（Tetra-methyl-ammonium-hydroxide）などの有機アルカリ現像液を用いて現像して、レジストパターン３を形成する（図１（１Ａ））。
【００２４】
そして、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングでマスクパターンを絶縁膜２に転写することにより、後述する電極形成段階（２）で上面電極５が形成される箇所の絶縁膜２を除去する（図１（１Ｂ））。
【００２５】
電極形成段階（２）においては、上述の基板準備段階（１）において反応性イオンエッチングによってマスクパターンが絶縁膜２に転写された半絶縁性ＩｎＰ基板１から、レジストパターン３を気相中でオゾンやプラズマにより灰化することにより剥離した後に、第１の基板面上に、Ｔｉ膜（膜厚２０ｎｍ）、Ｐｔ膜（膜厚５０ｎｍ）、Ａｕ膜（膜厚１２００ｎｍ）、Ｔｉ膜（膜厚２０ｎｍ）、Ａｕ膜（膜厚３７００ｎｍ）をこの順に積層することにより上面電極５を形成する（図１（２））。
【００２６】
貼り付け段階（３）においては、ワックス７を用いて、上面電極５が形成された半絶縁性ＩｎＰ基板１の第１の基板面側に第２の基板であるサファイア基板６を貼り付ける（図２（３））。サファイア基板６は、０．５ミリメートル（ｍｍ）程度の厚さを有し、半絶縁性ＩｎＰ基板１の割れを防止するとともに、後述するエッチング段階（６）においてエッチング中に発生する熱を半絶縁性ＩｎＰ基板１から放出する役割を果たす。
【００２７】
薄化段階（４）においては、バックグラインド装置等で半絶縁性ＩｎＰ基板１の第２の基板面を研磨し、基板厚を７０マイクロメートル（μｍ）まで薄化する（図２（４））。このように半絶縁性ＩｎＰ基板１の基板厚を薄化することにより、半絶縁性ＩｎＰ基板１に形成されている素子からの放熱が効率的に行われる。
【００２８】
レジストパターン形成段階（５）においては、薄化された半絶縁性ＩｎＰ基板１の第２の基板面に対して、スピンナで３５μｍ厚のフォトレジストを回転塗布する。そして、ビアホール形成用フォトマスクを用いて露光した後、有機アルカリ現像液でレジストパターン８を形成する（図２（５））。
【００２９】
エッチング段階（６）においては、レジストパターン形成段階（５）において形成されたレジストパターン８をマスクとして、エッチングガスを用いたプラズマエッチングによって半絶縁性ＩｎＰ基板１の第２の基板面側をエッチングし、上面電極５の一部を露出するビアホールを形成する（図３（６））。
【００３０】
ここでは、エッチング装置として、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）エッチング装置を用いる。ＩＣＰエッチング装置は、誘導コイルに高周波電力を供給する誘導結合放電方式により、エッチングガスをエッチング対象の材料と反応しやすい高密度のプラズマ状態にすることによって、材料のドライエッチングを行う装置である。
【００３１】
用いるエッチングガスは、ヨウ化水素（ＨＩ）ガス、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、窒素（Ｎ2）ガスである。それぞれのエッチングガスのガス流量は、一例として、ヨウ化水素（ＨＩ）（４８ｓｃｃｍ）、ヘリウム（Ｈｅ）（７２ｓｃｃｍ）、窒素（Ｎ2）（１０ｓｃｃｍ）である。これは、後述する［表１］の試料＃６に対応している。
【００３２】
即ち、全ガス流量に対する窒素ガスの流量は７．７％、ヨウ化水素のヘリウムに対するガス流量比は０．６７である。その他のエッチング条件は、例えば、反応圧力が１Ｐａ、ＩＣＰパワーが４００Ｗ、基板バイアスパワーが１５０Ｗである。
【００３３】
上記エッチング条件での半絶縁性ＩｎＰ基板１のエッチングレートは１．７μｍ／ｍｉｎであり、レジストパターン８のエッチングレートとの選択比（＝ＩｎＰのエッチングレート／レジストパターンのエッチングレート）は５である。したがって、７０μｍ厚の半絶縁性ＩｎＰ基板１を貫通するビアホールをエッチングによって形成するためには、フォトレジストの膜厚が上述した３５μｍ程度であれば、エッチング後にも十分な厚さのフォトレジストが残るため好適である。
【００３４】
そして、オーバーエッチングを含めて５０分間のエッチングを行い、表面荒れのないエッチング面を形成させる。
【００３５】
下面電極形成段階（７）においては、まずドライエッチング後の半絶縁性ＩｎＰ基板１に形成されたレジストパターン８を、電極形成段階（２）と同様に、気相中でオゾンやプラズマにより灰化することにより剥離する。その後、半絶縁性ＩｎＰ基板１の第２の基板面全面に例えばＡｕ膜をめっき法などによって積層して、膜厚が５〜１０μｍ程度の下面電極９を形成する（図３（７））。ここで、下面電極９と上面電極５との間で確実に導通が取れていることが必要である。
【００３６】
基板分離段階（８）においては、半絶縁性ＩｎＰ基板１をサファイア基板６からワックス７を溶剤等で溶解して剥離することにより、半導体ウエハが完成となる（図３（８））。
【００３７】
最後に、素子分離段階（９）（図示せず）において、半導体ウエハに対して、劈開、ダイシング等を行うことにより個々の半導体素子に分離する。これらの工程により、第１の基板面と第２の基板面の電極間で導通を取るためのビアホールが形成された素子が完成する。
【００３８】
次に、本発明の有効性を示すため、エッチングガスのガス流量比を変えて、レジストパターンが形成されていないベアの半絶縁性ＩｎＰ基板１の基板面全面をエッチングした場合の表面荒れと、レジストパターン８をマスクとして５０μｍの深さのビアホールを形成して、ビアホール内部の側面の表面荒れを比較した結果を［表１］に示す。
【表１】
0005091627.tif 000002
【００３９】
表中の「×」は表面荒れが存在することを、「△」は表面荒れが若干存在することを、「○」は表面荒れが存在しないことを示す。また、表中の「Ｎ2／全ガス（％）」とは、全ガス流量に対する窒素ガスの流量を、「ＨＩ／Ｈｅ」とは、ヨウ化水素のヘリウムに対するガス流量比を意味する。
【００４０】
まず、特許文献１で用いられたヨウ化水素、ヘリウム、四塩化シリコンの混合ガスの代わりに、ヨウ化水素とヘリウム（四塩化シリコン無し）の混合ガスを用いて半絶縁性ＩｎＰ基板１のエッチングを試みたところ、エッチング面の表面荒れが発生した（試料＃１）。
【００４１】
表面荒れが発生すると、半絶縁性ＩｎＰ基板１を貫通するためにエッチング時間を相応に長く設定する必要が生じたり、場合によってはいくらエッチングを行っても貫通できなかったりする場合もある。半絶縁性ＩｎＰ基板１は極めて脆い材料であるため、長時間のエッチングを行うと基板温度が上昇して、薄化した半絶縁性ＩｎＰ基板１にクラックが入る問題が発生した。エッチングガスのプラズマに印加するパワーを増大すれば、表面荒れは改善できるが、エッチング中の基板温度上昇が激しく、半絶縁性ＩｎＰ基板１が破損してしまい、面荒れを抑制する条件を見出すことは難しかった。
【００４２】
即ち、通常の塗布型のフォトレジストを用いたドライエッチングを行う本発明においては、エッチング段階（６）において、四塩化シリコンの代わりに窒素ガスを添加することが重要であることがわかる。
【００４３】
［表１］から明らかなように、窒素ガスをわずかに（５％以上）添加すれば（試料＃２〜７）、基板面全面の表面荒れを抑制できることがわかる。ここで、窒素ガスの添加は、ＩｎＰとエッチングガスの反応生成物の量を増加させ、インジウム（Ｉｎ）とリン（Ｐ）のエッチングの不均一性を緩和する働きがあるものと考えられる。また、ヨウ化水素のヘリウムに対するガス流量比を１未満にすれば（試料＃６、＃７）、ビアホールの側面の表面荒れを抑制できることがわかる。
【００４４】
したがって、全ガス流量に対する窒素ガスの流量を５％以上、かつ、ヨウ化水素ガスのヘリウムガスに対するガス流量比を１未満とすることにより、本発明のＩｎＰのドライエッチング方法およびビアホール形成方法は、エッチング対象の半絶縁性ＩｎＰ基板１の第２の基板面全面、および、エッチングによって形成されたビアホール内部の側面の表面荒れを抑制することができる。
【００４５】
以上説明したように、本発明に係るＩｎＰのドライエッチング方法およびビアホール形成方法を用いると、取り扱いが容易で安価な窒素ガスをわずかに添加することにより、エッチング面の表面荒れを抑制することができ、それに伴ってオーバーエッチング時間を短縮することができる。さらに、オーバーエッチング時間が短縮されることにより、スループットが向上するだけでなく、基板温度上昇によるウエハ割れも抑制することができる。また、低温でエッチングが可能となるため、通常の塗布型のフォトレジストをマスク材として使用することができる。なお、本実施例では、半絶縁性ＩｎＰ基板上にＳｉＮx膜などの絶縁膜を堆積させているものを対象としているが、薄いＩｎＡｌＡｓ混晶層やＩｎＧａＡｓ混晶層などが挿入されている場合も同一の効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、本発明に係るＩｎＰのドライエッチング方法およびビアホール形成方法は、エッチングガスに窒素ガスを添加することにより、通常の塗布型のフォトレジストを使用し、安全性の高いガスを使用しながら、ＩｎＰ基板にビアホールを安価に形成することができるという効果を有し、ＩｎＰを有する半導体装置のエッチング方法として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のＩｎＰのドライエッチング方法の基板準備段階および電極形成段階を示す断面図
【図２】本発明のＩｎＰのドライエッチング方法の貼り付け段階、薄化段階およびレジストパターン形成段階を示す断面図
【図３】本発明のＩｎＰのドライエッチング方法のエッチング段階、下面電極形成段階および基板分離段階を示す断面図
【符号の説明】
【００４８】
１  半絶縁性ＩｎＰ基板
２  絶縁膜
３、８  レジストパターン
５  上面電極
６  サファイア基板
７  ワックス
９  下面電極
【図１】
0005091627.tif 000003
【図２】
0005091627.tif 000004
【図３】
0005091627.tif 000005