JP2000349067A

JP2000349067A - 半導体のドライエッチング方法

Info

Publication number: JP2000349067A
Application number: JP11154086A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Saito; 正齋藤; Yukihiko Maeda; 就彦前田; Tetsuya Akasaka; 哲也赤坂; Naoki Kobayashi; 小林　　直樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化物半導体のドライエッチングを低損傷で
実現でき、窒化物半導体を用いたデバイスの良好な特性
が引きだせるだけでなく、デバイス製造の歩留まり向上
にも寄与し得る半導体のドライエッチング方法を提供す
ること。【解決手段】窒素元素を含むガスを有する反応ガスを
エッチングガスとして窒化物半導体のドライエッチング
を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体のドライエッチン
グ方法に係り、より詳細には窒化物半導体のドライエッ
チングに関する。

【０００２】

【従来の技術】青色発光デバイスや高温用電子デバイス
の実現を目指して、窒化物半導体の研究が進められてい
る。一般的に窒化物半導体は、原子間の結合力が強いた
めに湿式エッチングによる加工が難しく、ドライエッチ
ング技術の研究が進められている。たとえば、Ｊｏｕｒ
ｎａｌｏｆＶａｃｕｕｍＳｃｉｅｎｃｅａ
ｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡ，Ｖｏｌ．１
４．，Ｎ０．１１（１９９６），ｐｐ．１０１１〜１０
１４にまとめられているように、これまで、ドライエッ
チングに使用されてきたエッチングガスは、ハロゲン系
ガス単体または炭化水素系ガス単体、またはこれらと水
素、アルゴンまたはフッ素系ガスの混合ガスが用いられ
てきた。

【０００３】しかし、上記従来のドライエッチング方法
には以下の問題点がある。すなわち、上記方法で窒化物
半導体のエッチング工程を経て作成された半導体デバイ
スはデバイス特性の良好ではないという問題点である。
例えば、上記方法によるメサエッチング工程を経て作成
した半導体デバイスは、そのような工程を経ないで作成
した半導体デバイスに比べてリーク電流が増加してしま
うという問題点がある。

【０００４】また、リーク電流が大きい場合には製品価
値を失い歩留まりの低下を招いているという問題点があ
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体特性
の劣化（例えばリーク電流の増加）を招くことのない半
導体のドライエッチング方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体のドライ
エッチング方法は、窒素元素を含むガスを有する反応ガ
スをエッチングガスとして窒化物半導体のドライエッチ
ングを行うことを特徴とする。

【０００７】本発明は窒化物半導体を対象とするが、特
に窒素の化合物半導体（IIIｂ族元素と窒素との化合物
半導体）に対してより顕著な効果を発揮する。より具体
的には、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧ
ａＮなどを対象とした場合により一層の効果を示す。

【０００８】窒素元素を含むガスを有する反応ガスとし
ては、第１に、窒素元素と反応性活性種生成元素（例え
ば、ハロゲン元素、より具体的には塩素、臭素、ヨウ
素、フッ素）との化合物からなるガスがあげられる。こ
のガスはそれ自体が反応性活性種を生成するガスであ
り、具体的には例えば窒素元素とハロゲン元素の化合物
からなるガスである。より具体的には塩化ニトロシルガ
スが好適に用いられる。

【０００９】窒素元素を含むガスを有する反応ガスとし
ては、第２に、窒素元素を含む非反応ガスと反応性活性
種を生成するガスとの混合ガスがあげられる。

【００１０】窒素元素を含む非反応ガス（それ自体は反
応性活性種を生成しないガス）としては、例えば、窒素
ガス、アンモニアガスなどがあげられる。

【００１１】また、反応性活性種を生成するガスとして
は、例えば、塩素ガス、臭素ガス、ヨウ素ガス、フッ素
ガスを一種以上含むガスがあげられる。なお、反応ガス
として混合ガスを用いる場合であって、非反応ガスが窒
素ガスの場合においては、窒素ガスの比率は１０〜２０
％が好ましい。１０％以上とすることにより窒化物半導
体中の窒素空孔の発生をより有効に押さえることがで
き、リーク電流をより一層低減することができる。た
だ、２０％を超えると窒素が多すぎることとなりエッチ
ングの進行が妨げられてエッチング速度が遅くなる。従
って、かかる観点からは２０％以下が好ましい。なお、
ここで窒素ガスの比率は、窒素ガスと塩素ガスとの混合
ガスを例に取ると、（窒素ガス量／（塩素ガス量＋窒素
ガス量）で表される。

【００１２】また、アンモニアガスの場合は５〜１０％
が好ましい。これは窒素ガスよりもアンモニアガスの方
が分解しやすいためにプラズマ中の窒素イオンやラジカ
ルのも濃度を効率良く高めることができるため、窒素ガ
スの場合と好ましい範囲が異なるものと考えられる。

【００１３】

【作用】以下に本発明の作用を本発明をなすに際して得
た知見とともに説明する。本発明者は、従来の方法でド
ライエッチングを行った場合にデバイスの特性の劣化
（例えばリーク電流の増加）を招く原因を鋭意探求し
た。

【００１４】その際、従来の方法でドライエッチングを
行ったデバイスのエッチング表面を観察したところ、エ
ッチング表面では組成の変化が生じており、そこには窒
素空孔が形成されていることを見いだし、この窒素空孔
がデバイス特性の劣化を招いている要因であるとの知見
を得た。なお、窒化物半導体ではドライエッチング時に
ＩＩＩ族元素から生成される反応生成物の蒸気圧が小さ
く、Ｖ族元素である窒素の蒸気圧が大きいため、エッチ
ング後の表面の組成比が大きく変化してしまう。例えば
ＩＩＩ族元素の反応生成物であるＧａＣｌ₃の常圧下で
の沸点は２０１℃、ＡｌＣｌ₃では１８３℃、ＩｎＣｌ₂
では５６０℃であるのに対し、Ｖ族元素である窒素は室
温でも容易に蒸発してしまう。すなわち、エッチング表
面に窒素空孔を含む層が形成されるため、エッチング表
面が導電性となる。このため各種デバイスのメサエッチ
ング加工によりリーク電流が増加してしまうものと考え
られる。

【００１５】そこで、この窒素空孔の形成を防止する手
段を探求したところ、ドライエッチング時に窒素分圧を
高くすれば窒素空孔の発生を防止し得ることを見い出し
本発明をなすに至ったものである。

【００１６】すなわち、窒素元素を含むガスを有する反
応ガスにより、窒化物半導体エッチング表面における反
応ガスの窒素分圧を高め、前記エッチング表面からの前
記窒化物半導体の構成要素である窒素元素の蒸発・離脱
を抑圧することにより窒素空孔の発生を防止でき、ひい
てはデバイスの特性の劣化を防止するものである。

【００１７】本発明ではエッチングガスとして窒素原子
を含むガスを有する反応ガスを用いる。かからうガスが
プラズマ空間に導入され放電解離することにより、窒素
系活性種と反応に寄与する反応性活性種とを生成する。

【００１８】窒素元素を含む反応ガス、（例えば塩化ニ
トロシル（ＮＯＣｌ））をもちいることにより、放電解
離した塩素系活性種と窒素系活性種が供給源され、ある
いは、放電解離したハロゲン系活性種（塩素系活性種、
臭素系活性種、ヨウ素系活性種など）に加えて、たとえ
ば、窒素ガス（Ｎ₂）、アンモニア（ＮＨ₃）などから窒
素系活性種を供給してもよい。

【００１９】結局、本発明のポイントは、窒化物半導体
のドライエッチングにおいて、反応ガスに窒素を含むガ
スを用いるあるいは反応ガスとは別に窒素を含むガス
を添加することにより、エッチング表面の窒素空孔の形
成を抑制することである。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２１】（実施例１）本実施例は本発明をメサエッ
チング加工に適用したものである。このデバイスの構造
を図１に示す。このデバイスの作製に用いたウエハは図
１に示すように、ＳｉＣ基板１上にアンドープＧａＮ
層２とＳｉドープｎ⁺−ＡｌＧａＮ層３をエピタキシャ
ル成長したものである。

【００２２】本実施例ではＣｌ₂／Ｎ₂混合ガスを用いて
メサエッチングしたのち電極４、５を形成したものであ
る。メサ加工に用いたりアクティプイオンエッチングの
条件の一例を以下に示す。Ｃｌ₂流量８ｓｃｃｍＮ₂ ２ｓｃｃｍガス圧０．２７ＰａＲＦ周波数９２ＭＨｚＲＦパワー３０Ｗ基板バイアス −４０Ｖ

【００２３】上記エッチング条件下において、ＧａＮお
よびＡｌＧａＮのメサ６の側壁はほぼ垂直な形状に加工
できた。このデバイスの電極４−５間の電流対電圧特性
を図２に示す。

【００２４】エッチング加工したメサ部分に損傷があれ
ば、この電流対電圧特性でリーク電流が見られるはずで
ある。実際比較のために故意にアルゴンイオンを照射し
て損傷を起こさせた試料では、１０Ｖのバイアスにおい
てｍＡ台のリーク電流が流れた。これに対し、本デバイ
スではバイアスを１０Ｖにしても電流が２０ｐＡ程度し
か流れなかった。これはメサエッチングに用いたドライ
エッチングによってメサ表面部分に窒素空孔などによる
損傷が形成されていないことを証明するものである。

【００２５】（実施例２）本実施例は、本発明の光学的
損傷を調べるための試験である。用いた基板はサファイ
ア上にエピタキシャル成長したアンドープのＧａＮであ
る。

【００２６】図３は室温で波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄ
イオンレーザで励起したときのフォトルミネッセンス発
光スぺクトルである。リアクティブイオンエッチングの
条件は、実施例１と同じである。ドライエッチング処理
した部分からの発光スぺクトル８と処理していない部分
からの発光スぺクトル９の強度はほとんど同じとなり、
エッチングによる非発光再結合中心の発生がないことが
わかる。

【００２７】（実施例３）本例では、実施例１のＧａＮ
（図１の２）のかわりにＩｎＧａＮ、およびＩｎＮを用
いた。

【００２８】他の点は実施例１と同様とした。本例で
は、実施例１の場合と同様にリーク電流の無い良好な結
果を得た。

【００２９】（実施例４）本例では、実施例１のＡｌＧ
ａＮ（図１の３）のかわりにＡｌＮを用いた。他の点は
実施例１と同様とした。本例では、実施例１の場合と同
様にリーク電流の無い良好な結果を得た。

【００３０】（実施例５）本例では、窒素ガスの割合を
変化させて実験を行った。他の点は実施例１と同様とし
た。窒素ガスが１０％を超えた場合に、優れた結果が得
られた。ただ、２０％を超えるとエッチング速度の減少
が見られた。

【００３１】（実施例６）本例では、実施例１における
窒素ガスに代えアンモニアガスを用いて実験を行った。

【００３２】塩素／アンモニアの場合でも実施例１と同
様に低損傷なエッチングが実現した。

【００３３】また、アンモニアガスの場合についてもア
ンモニアガスの比率を代えて実験を行ったところ、塩素
／窒素の場合には窒素の比率が１０〜２０％が良好であ
ったが、この塩素／アンモニアの場合ではアンモニアの
比率は５〜１０％程度の方が良好な結果が得られた。こ
れは窒素ガスよりもアンモニアガスの方が分解しやすい
ためにプラズマ中の窒素イオンやラジカルのも濃度を効
率良く高めることができるためである。

【００３４】（実施例７）本例では、エッチングガスと
して、実施例１における塩素と窒素の混合ガスのかわり
に塩化ニトロシル（ＮＯＣｌ）を使用した。他の点は実
施例１と同様とした。

【００３５】本例においても実施例１と同様に低損傷な
エッチングが実現できた。この場合にはプラズマ中に塩
素と窒素のイオンやラジカルが発生するために、混合ガ
スと同様な効果でエッチングが進行するものと考えられ
る。塩素／窒素プラズマや塩素／アンモニアプラズマに
比べて窒素イオンやラジカルの組成が多く塩素イオンや
ラジカルが少なくなるので、エッチング速度は遅くなっ
た。また、この場合には酸素が含まれているので、Ａｌ
Ｎに対してはエッチング速度が低くなった。

【００３６】（実施例８）本例では、実施例１における
塩素に代え臭素を用いた。他の点は実施例１と同様とし
た。本例でも実施例１と同様にリーク電流の無い良好な
半導体デバイスが得られた。

【００３７】なお、臭素の場合においても窒素の比率を
代えたところ、１０〜２０％が良好な範囲であった。

【００３８】（実施例９）本例では、実施例１における
塩素に代えヨウ素を用いた。他の点は実施例１と同様と
した。本例でも実施例１と同様にリーク電流の無い良好
な半導体デバイスが得られた。

【００３９】なお、ヨウ素の場合においても窒素の比率
を代えたところ、１０〜２０％が良好な範囲であった。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、窒化物半導体のドライ
エッチングを低損傷で実現できるため、窒化物半導体を
用いたデバイスの良好な特性が引きだせるだけでなく、
デバイス製造の歩留まり向上にも寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するデバイスの構造図で
ある。

【図２】本発明の実施例の効果を説明するデバイスの電
流対電圧特性図である。

【図３】本発明の実施例を説明するＧａＮのフォトルミ
ネッセンススぺクトルである。

【符号の説明】

１ＳｉＣ基板２ノンドープＧａＮ層３Ｓｉドープｎ＋−ＡｌＧａＮ層４電極５電極６メサ部分８リアクティブイオンエッチング処理したＧａＮのフ
ォトルミネッセンススペクトル９リアクティブイオンエッチング処理していないＧａ
Ｎのフォトルミネッセンスペクトル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者赤坂哲也東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内 (72)発明者小林直樹東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5F004 AA06 CA02 CA03 CA06 DA00 DA04 DA25 DB19 5F041 AA31 CA34 CA40 CA74

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒素元素を含むガスを有する反応ガスを
エッチングガスとして窒化物半導体のドライエッチング
を行うことを特徴とする半導体のドライエッチング方
法。
【請求項２】前記窒素化物半導体がＧａＮであること
を特徴とする請求項１記載の半導体のドライエッチング
方法。
【請求項３】前記窒素化物半導体がＡｌＮであること
を特徴とする請求項１記載の半導体ドライエッチング方
法。
【請求項４】前記窒素化物半導体がＩｎＮであること
を特徴とする請求項１記載の半導体のドライエッチング
方法。
【請求項５】前記窒素化物半導体がＡｌＧａＮである
ことを特徴とする請求項１の半導体のドライエッチング
方法。
【請求項６】前記窒素化物半導体がＩｎＧａＮである
ことを特徴とする請求項１の半導体ドライエッチング方
法。
【請求項７】窒素元素を含むガスを有する反応ガス
は、窒素元素と反応性活性種生成元素との化合物からな
るガスであることを特徴とする請求項１ないし６のいず
れか１項記載の半導体のドライエッチング方法。
【請求項８】前記反応活性種生成元素はハロゲン系元
素であることを特徴とする請求項７記載の半導体ドライ
エッチング方法。
【請求項９】前記化合物からなるガスは塩化ニトロシ
ルガスであることを特徴とする請求項７または８記載の
半導体のドライエッチング方法。
【請求項１０】窒素元素を含むガスを有する反応ガ
スは、窒素元素を含む非反応ガスとと反応性活性種生成
元素からなるガスとの混合ガスであることを特徴とする
請求項１ないし６のいずれか１項記載の半導体のドライ
エッチング方法。
【請求項１１】前記反応活性種生成元素はハロゲン系
元素であることを特徴とする請求項１０記載の半導体ド
ライエッチング方法。
【請求項１２】窒素元素を含む非反応ガスは窒素ガス
であることを特徴とする請求項１０または１１記載の半
導体ドライエッチング方法。
【請求項１３】反応ガス中の窒素ガスの比率は１０〜
２０％であることを特徴とする請求項１２記載の半導体
ドライエッチング方法。
【請求項１４】窒素元素を含む非反応ガスはアンモニ
アガスであることを特徴とする請求項１０または１１記
載の半導体ドライエッチング方法。
【請求項１５】反応ガス中のアンモニアガスの比率は
５〜１０％であることを特徴とする請求項１４記載の半
導体ドライエッチング方法。