JP2005150404A

JP2005150404A - 化合物半導体から構成される多層膜のドライエッチング方法

Info

Publication number: JP2005150404A
Application number: JP2003386033A
Authority: JP
Inventors: Tasuku Kai; 輔甲斐; Tatsuhiro Kurasawa; 辰博倉沢
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2003-11-17
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】
ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等の化合物半導体から構成される多層膜をドライエッチングする際に、それぞれの膜をエッチングガスを切り替えることなく、平滑に一括でドライエッチングでき得る好適なガスを提供することにある。
【解決手段】
Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜を、ヨウ化水素を含む混合ガスを用いてドライエッチングする。
【選択図】図1

Description

本発明は、ドライエッチング方法に関する。更に詳しくは、ヨウ化水素を含む混合ガスを用いて、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等の層から構成される多層膜を平滑性よく一括でエッチング除去する方法に関する。

ＧａＮ、ＧａＡｓならびにＩｎＰ等の化合物半導体は、近年紫外から可視までの発光領域をもつ発光デバイスや超高速デバイスとして注目されており、素子の作製プロセス中のエッチングには、均一性、再現性の良いドライエッチング技術が必要となっている。

ドライエッチングガスとしては、一般に塩素系のガスやＣ_ｎＨ_２ｎ+２(ｎ=１〜３)から選ばれる炭化水素系ガスが用いられる。例えば特許文献１には、塩素、四塩化炭素、四塩化ケイ素、三塩化ホウ素で窒化ガリウム系化合物半導体をエッチングすることが記述されており、また、非特許文献１にはＩｎＰをヨウ化水素とＨｅの混合ガスならびにメタン・エタン系のガスでエッチングすることが記述されている。

ヨウ化水素ガスを用いたドライエッチング法としては、特許文献２にインジウムとスズとの酸化物（ＩＴＯ）からなる薄膜、特許文献３にＩｎＰをエッチングする記述があり、また非特許文献２にはヨウ化水素と塩素の混合ガスを用いてＩｎＰをエッチングすることが記述されている。

即ち、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＡｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜をエッチングしようとする際には、塩素系のガスやＣ_ｎＨ_２ｎ+２(ｎ=１〜３)から選ばれる炭化水素系ガスを用いて、各層をそれぞれエッチングする技術は存在するが、一括で、かつ平滑性よくエッチングできる技術についての検討は不十分であり、この技術の開発が望まれている。
特開２００３−２２９４１３号公報特開２０００−１５０４６６号公報特開２０００−２００７７０号公報２００３年春季応用物理学会講演予稿集２８ｐ−Ｐ９−５２００３年秋季応用物理学会講演予稿集３０ｐ−Ｃ−１０

本発明の目的は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＡｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜を、一括で且つ平滑性に優れたドライエッチング方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明者らが鋭意検討した結果、上記ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＡｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜を、ヨウ化水素を含む混合ガス用いることにより、平滑性よく、一括でドライエッチングが可能であることを見出し、本発明を完成した。

即ち本発明は、下記で示すものである。
（１）Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜を、ヨウ化水素を含む混合ガスを用いてエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
（２）該Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ、及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物が、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮから選ばれた化合物である（１）に記載のドライエッチング方法。
（３）ヨウ化水素を含む混合ガスが、希ガス、塩素原子をその分子構造に含むガス、又はＣ_ｎＨ_２ｎ+２(ｎ=１〜３の整数)から選ばれる炭化水素系ガスを一種又は二種以上含有するものである（１）又は（２）に記載のドライエッチング方法。
（４）該希ガスが、キセノンである（３）に記載のドライエッチング方法。
（５）該混合ガスに占めるヨウ化水素ガスの割合が、標準状態での体積換算で５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下である（１）乃至（４）に記載のドライエッチング方法。
（６）プラズマの発生とイオンの入射エネルギーとを独立して制御できるエッチング装置を用いるものである（１）乃至（５）に記載のドライエッチング方法。

本発明によって、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等のＡｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜を、ヨウ化水素を含む混合ガスで、平滑性よく一括でエッチングできるため、これまで加工の困難であったＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体多層膜デバイスの製造が容易になり、高歩留まり化を実現することが可能となった。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のドライエッチング方法は、金属薄膜多層膜のドライエッチング加工において、ヨウ化水素を含む混合ガスを用いて行われることを特徴とするものである。この金属薄膜多層膜は、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜であり、例えば、各層はＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＰ等がある。また、多層膜の積層方法は特に限定されないが、例としてＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓ/ＩｎＧａＡｓの３層膜をＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属化学蒸着）法により積層されたものがある。積層数は複数層であれば特に制限はなく、好ましくは２〜５層程度である。各層の膜厚に関しても特に制限があるわけではないが、１００Åから２００００Åが好ましい。より好ましくは１０００から１００００Åである。

ヨウ化水素を含む混合ガスとしては、ヨウ化水素に、希ガス、塩素原子をその分子構造に含むガス、又はＣ_ｎＨ_２ｎ+２(ｎ=１〜３)から選ばれる炭化水素系ガスを一種以上含有するものが好ましい。希ガスとしては、例としてＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等が挙げられ、好ましくは、ヨウ化水素と分子量が近いＸｅである。

塩素原子をその分子構造に含むガスの例としては塩素Ｃｌ_２、塩化水素ＨＣｌ、四塩化炭素ＣＣｌ_４、四塩化珪素ＳｉＣｌ_４、三塩化ホウ素ＢＣｌ_３等が挙げられ、好ましくはＣｌ_２である。

Ｃ_ｎＨ_２ｎ+２(ｎ=１〜３)から選ばれる炭化水素系ガスの例としてはメタンＣＨ_４、エタンＣ_２Ｈ_６、プロパンＣ_３Ｈ_８が挙げられ、好ましくはＣＨ_４である。

これら三者のガスはヨウ化水素ガスと単独で混合して使用することもできるが、数種を混合して使用することもできる。好ましくはヨウ化水素と塩素原子をその分子構造に含むガスの混合ガス、ヨウ化水素と希ガスを含む混合ガスであり、より好ましくはヨウ化水素と希ガスを含む混合ガスである。

これらのヨウ化水素ガスを含む混合ガスの全流量は１０ｓｃｃｍ以下が好ましく、より好ましくは１ｓｃｃｍ以下である。また、混合ガスに占めるヨウ化水素ガスの割合が、標準状態での体積換算で５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。より好ましくは１０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％である。この範囲にある場合、エッチング速度が過度に減少することがなく、またレジストダメージが起きにくく好ましい。

本発明のドライエッチング方法の具体的な態様の一例を示すと、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜が積層された基板を反応室のカソード電極上に導入し、カソード電極に電圧を印加することにより、ヨウ化水素を含む混合ガスを用いてプラズマガスを発生させ、ドライエッチングをおこなう方法を挙げることができる。

本発明のドライエッチング方法において、基板温度としては好ましくは５０℃〜１３０℃であり、より好ましくはレジスト剥離することなく、かつ高速エッチング可能な７０℃〜１００℃である。エッチングの際の圧力には特に制限があるわけではないが、好ましくは低圧であり、さらに好ましくは５Ｐａ以下である。また、印加電力に関しても同様に特に制限があるわけではないが、好ましくは３０Ｗ〜２５０Ｗであり、さらに好ましくは５０Ｗ〜１５０Ｗである。また、周波数は１ＭＨｚ以上、１５０ＭＨｚ以下であることが好ましい。さらに好ましくは、５ＭＨｚ以上、８０ＭＨｚ以下であり、より更に好ましくは１３．５６ＭＨｚ以上、５０ＭＨｚ以下である。

化合物半導体を堆積させる基板に関しては特に制限はないが、好ましくはサファイア、炭化珪素、Ａｌ、Ｓｉ等であり、さらに好ましくはサファイアである。電極間距離に関しても特に制限はないが、好ましくは４０〜１２０ｍｍである。

ドライエッチング装置としては特に制限されるわけでなく、例えばバレルタイプ、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ；反応性イオンエッチング）、ＭＥＲＩＥ（ＭａｇｎｅｔｒｏｎＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ；マグネトロン反応性イオンエッチング）、ＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ；誘導結合プラズマ）、ＮＬＤ（ＮｅｕｔｒａｌＬｏｏｐＤｉｓｃｈａｒｇｅ；中性線放電）、またはＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ；電子サイクロトロン共鳴）等の各種方式を応用した装置が用いられるが、好ましくはプラズマの発生とイオンの入射エネルギーとを独立して制御できるエッチング装置であるＩＣＰ方式もしくはＥＣＲ方式である。

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
尚、エッチング面の底面荒れについては、１０μｍ×１０μｍのエッチング面を、日立建機ファインテック社製の原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；以下、ＡＦＭと省略）ＷＡ−１３００で観察し、ＡＦＭ像から求めた、表面荒れを表す値である自乗平均面荒さ（Ｒｏｏｔ−Ｍｅａｎ−Ｓｑｕａｒｅ；以下、ＲＭＳと省略）値で比較した。

また、エッチングの進行を確認するために、あらかじめエッチングを行う前にレジストであるＯＦＴＲ５０００にて多層膜上にパターンを描き、エッチング多層膜薄膜部分と残存させる多層膜薄膜部分とに区分けした。エッチング終了後、レジスト剥離液でレジストを除去した後、断面ＳＥＭで観察することによりエッチング深さを測定して、一括エッチングができたかどうかを確認した。

実施例１
図１に示すような多層構造を有する多層膜をドライエッチングした。図１中、１は５ｍｍ角のサファイア基板、２は膜厚０．５μｍのＧａＮ、３は膜厚０．３μｍのＩｎＰ、４は膜厚０．３μｍのＧａＡｓであり、レジスト５はマスクである。サファイア/ＧａＮ/ＩｎＰ/ＧａＡｓ多層膜を容量結合型の高周波電極を備えた装置の印加電極上に設置し、真空引きを行った。１×１０^-２Ｐａ以下の真空度が得られた後に、基板を９０℃に加熱し、ドライエッチングガスとしてヨウ化水素ガス；０．４ｓｃｃｍと塩素ガス０．６ｓｃｃｍ（標準状態での堆積換算で６０％）の混合ガスを用い、この混合ガスを１ｓｃｃｍ流し、１３．５６ＭＨｚの高周波電源より１５０Ｗの電力を基板設置電極に印加してプラズマを発生させ、高周波プラズマ雰囲気中でドライエッチングを５分間行った（装置内圧力１．５Ｐａ）。

化合物半導体多層膜のドライエッチングは完全に進行しており、エッチング面の平滑性は、ＲＭＳ値で３．３であった。尚、９０℃という基板温度では、１８０℃以上の高温エッチング時に問題となるレジスト剥離は発生しなかった。

実施例２
ドライエッチングガスとして、ヨウ化水素ガス；０．４ｓｃｃｍとキセノンガス０．６ｓｃｃｍ（標準状態での体積換算で６０％）の混合ガスを用いた以外は実施例１と同様にして化合物半導体多層膜のエッチングを５分間行った。化合物半導体多層膜のドライエッチングが完全に進行しており、ＲＭＳ値は、１．６であった。尚、９０℃という基板温度では、１８０℃以上の高温エッチング時に問題となるレジスト剥離は発生しなかった。

実施例３
ドライエッチングガスとして、ヨウ化水素ガス；０．４ｓｃｃｍ、ＣＨ_４；０．３ｓｃｃｍならびにＣｌ_２；０．３ｓｃｃｍの３種類のガスを使用した以外は実施例１と同様の方法にてエッチングをおこなった。エッチングは完全に進行しており、ＲＭＳ値は５．４であった。尚、９０℃という基板温度では、１８０℃以上の高温エッチング時に問題となるレジスト剥離は発生しなかった。

比較例１
ドライエッチングガスとして、Ｃｌ_２ガスのみを用いた以外は実施例１と同様の方法にてエッチングをおこなった。エッチング時間５分ではエッチングは完全には進行しなかった。尚、９０℃という基板温度では、１８０℃以上の高温エッチング時に問題となるレジスト剥離は発生しなかった。

比較例２
ドライエッチングガスとして、ＣＨ_４ガスのみを使用した以外は、実施例１と同様の方法にてエッチングをおこなった。比較例１と同様、エッチングは完全には進行しなかった。尚、９０℃という基板温度では、１８０℃以上の高温エッチング時に問題となるレジスト剥離は発生しなかった。

比較例３
ドライエッチングガスとして、ヨウ化水素ガスのみを使用した以外は実施例１と同様の方法にてエッチングをおこなった。エッチングは進行したが、ＲＭＳ値は７．３であった。尚、９０℃という基板温度では、１８０℃以上の高温エッチング時に問題となるレジスト剥離は発生しなかった。

実施例で示したように、本発明のエッチング方法ではＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなどの化合物半導体から構成される多層膜を、ヨウ化水素と添加ガスを含む混合ガスで、極めて平滑性よく、またエッチングガスを変更することなく、一括でエッチングできた。

本発明のドライエッチング方法により、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮの化合物半導体から構成される多層膜を、平滑性よく一括でエッチングでき、半導体レーザーや光導波路などの光デバイス、または超高速デバイスのドライエッチングに有用である。

実施例で用いた多層構造を示す図である。

Claims

Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物（但し、Ａｌは単体の場合もある）よりなる膜で、組成の異なるものが複数形成された金属多層膜を、ヨウ化水素を含む混合ガスを用いてエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
該Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｎ、Ｉｎ、及びＰより選ばれる二種以上の元素からなる化合物が、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮから選ばれた化合物である請求項１に記載のドライエッチング方法。
ヨウ化水素を含む混合ガスが、希ガス、塩素原子をその分子構造に含むガス、及びＣ_ｎＨ_２ｎ+２(ｎ=１〜３の整数)から選ばれる炭化水素系ガスを一種又は二種以上含有するものである請求項１又は２に記載のドライエッチング方法。
該希ガスが、キセノンである請求項３に記載のドライエッチング方法。
該混合ガスに占めるヨウ化水素ガスの割合が、標準状態での体積換算で５ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下である請求項１乃至４に記載のドライエッチング方法。
プラズマの発生とイオンの入射エネルギーとを独立して制御できるエッチング装置を用いるものである請求項１乃至5に記載のドライエッチング方法。