JP2003303809A - 窒化ガリウム系化合物半導体等のドライエッチング方法 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体等のドライエッチング方法

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愼二 仲上
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Abstract

(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２２〜２
４、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。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】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。
【０００２】
【従来の技術】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。
【０００４】
【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 Tech
nology)」,（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）, 1
994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
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】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。
【０００６】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。
【０００７】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、
被処理物のドライエッチング方法を提供することにあ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る被処理物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C
xHyClz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。
【０００９】
【発明の実施の形態及び効果】本願発明者らは、プラズ
マを生成し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。
【００１０】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（CH2C
l2）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。
【００１１】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。
【００１２】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。
【００１３】
【実施例】（実施例１）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２
０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。
【００１７】（実施例２）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263n
m/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２
０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】
【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】
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 仲上 愼二 京都市伏見区竹田藁屋町36番地 株式会社 サムコインターナショナル研究所内 (72)発明者 扇谷 浩通 京都市伏見区竹田藁屋町36番地 株式会社 サムコインターナショナル研究所内 Ｆターム(参考） 5F004 AA05 AA06 BA20 CA02 DA00 DA04 DA14 DA23 DB00 DB13 DB14 DB19 EA06

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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
    特徴とする被処理物のドライエッチング方法。
  2. 【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に記載の被処
    理物のドライエッチング方法。
  3. 【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に記載の被
    処理物のドライエッチング方法。
  4. 【請求項４】 被処理物が窒化ガリウム系化合物半導体
    もしくはアルミ酸化物であることを特徴とする、請求項
    １〜３のいずれかに記載のドライエッチング方法。
  5. 【請求項５】 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
    特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
  6. 【請求項６】 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
    ドライエッチング装置。
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