JP2015026639A - ＧａＮ層の素子分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的にＧａＮ層を素子分離することができるＧａＮ層の素子分離方法を提供すること。【解決手段】ＧａＮ層の素子分離方法は、基板上に配置されたＧａＮ層にマスクを付けてエッチングすることにより、ＧａＮ層を複数の素子に分離する素子分離方法であって、エッチングガスとして、ＢＣｌ３にＣＨ２Ｆ２を添加した混合ガスを用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に配置されたＧａＮ層にマスクを付けてエッチングすることにより、ＧａＮ層を複数の素子に分離するＧａＮ層の素子分離方法に関する。

従来、基板上のＧａＮ層を基板までエッチングして、複数の素子へと分離する素子分離工程が行われている（例えば、特許文献１）。

特許文献１では、ドライエッチング方法などを用いてＧａＮ層の素子分離工程を行うことが記載されている。

特表２０１０−５３４９４３号公報

しかしながら、昨今では、ＧａＮ層の素子分離工程において、より効率的にＧａＮ層の素子分離を行う方法の開発が望まれている。

従って、本発明の目的は、より効率的にＧａＮ層の素子分離を行う、ＧａＮ層の素子分離方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、基板上に配置されたＧａＮ層にマスクを付けてエッチングすることにより、ＧａＮ層を複数の素子に分離する素子分離方法であって、エッチングガスとして、ＢＣｌ_３が主体のガスにＣＨ_２Ｆ_２を混合した混合ガスを用いるＧａＮ層の素子分離方法を提供する。

本発明の第２態様によれば、エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を７％以上３５．１％以下として、ＧａＮ層に対するエッチングを行い、ＧａＮ層のエッチングレートは３００ｎｍ／ｍｉｎ以上である、第１態様に記載のＧａＮ層の素子分離方法を提供する。

本発明の第３態様によれば、エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を８％以上１３．５％以下として、ＧａＮ層に対するエッチングを行う、第２態様に記載のＧａＮ層の素子分離方法を提供する。

本発明の第４態様によれば、エッチング時に基板に印加されるバイアスを発生させるための電力をＡ（Ｗ）、エッチング時に基板を収容するチャンバ内にプラズマを発生させるための電力をＢ（Ｗ）としたときに、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を０．３７以上０．５５以下としながら、ＧａＮ層に対するエッチングを行い、ＧａＮ層のエッチングレートは３００ｎｍ／ｍｉｎ以上である、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載のＧａＮ層の素子分離方法を提供する。

本発明の第５態様によれば、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を０．４６以上０．５１以下としながら、ＧａＮ層に対するエッチングを行う、第４態様に記載のＧａＮ層の素子分離方法を提供する。

本発明にかかるＧａＮ層の素子分離方法は、より効率的にＧａＮ層の素子分離を行うことができる。

本発明の実施の形態にかかるドライエッチング装置の構成図 本実施の形態にかかるドライエッチング装置が取り扱う基板の概略断面図 本実施の形態にかかるドライエッチング装置を用いたＧａＮ層の素子分離加工のフロー図 （ａ）本実施の形態にかかるドライエッチング装置が取り扱う、マスクパターンが形成された基板の概略断面図 （ｂ）本実施の形態にかかるドライエッチング装置が取り扱う、ＧａＮ層がエッチングされて素子分離された基板の概略断面図 （ｃ）本実施の形態にかかるドライエッチング装置が取り扱う、マスクが除去された基板の概略断面図 実験Ｎｏ．１―５で得られたデータの分布図 実験Ｎｏ．６―１１で得られたデータの分布図 実験Ｎｏ．１２、１３で得られたデータの分布図 実験Ｎｏ．１４−１６で得られたデータの分布図 実験Ｎｏ．１７−２１で得られたデータの分布図 実験Ｎｏ．２２−２６で得られたデータの分布図 実験Ｎｏ．２７−３２で得られたデータの分布図 実験Ｎｏ．１４−３２で得られたデータにおけるバイアス比率とＣＨ_２Ｆ_２の添加割合の関係を示す図

本発明の発明者らは、前記従来技術の課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以
下の知見を得た。

すなわち、本発明者らは、エッチングによるＧａＮ層の素子分離方法をより効率的に行うにあたり、ＧａＮ層のエッチングレートの向上と選択比の向上とを両立させることが有用であるとの知見を見出した。すなわち、ＧａＮ層のエッチングレートを向上させることで、生産性が向上するとともに、選択比を向上させることで、ＧａＮ層のエッチング形状をより安定化させることができる。このような生産性の向上とＧａＮ層のエッチング形状の安定化を図ることにより、結果的として、より効率的なＧａＮ層の素子分離を行うことができる。さらに本発明者らは、ＧａＮ層のエッチングレートの向上と選択比の向上を両立するためには、エッチング用のエッチングガスとして、ＢＣｌ_３とＣＨ_２Ｆ_２を混合した混合ガスを用いることが有用であることを見出した。これらの知見に基づき、本発明の発明者らは本発明を想到するに至った。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本実施の形態にかかる素子分離方法のためのエッチングを実行可能な装置の一例として、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ；Inductively Coupled Plasma）型のドライエッチング装置１を示す。

ドライエッチング装置１は、基板２を収容するチャンバ（真空チャンバ）３を備える。チャンバ３は図示しない出入口を備え、当該出入口を通ってチャンバ３内に基板２が搬入出される。

チャンバ３の側壁には、ガス導入口３ａおよび排気口３ｂが設けられている。チャンバ３は、ガス導入口３ａを介して、エッチングガスを保有するエッチングガス源４に接続されている。これにより、エッチングガス源４からチャンバ３内へエッチングガスが供給可能である。本実施の形態におけるエッチングガス源４は、少なくともＣＨ_２Ｆ_２（ジフルオロメタン）、ＢＣｌ_３（三塩化ホウ素）、Ｃｌ_２（塩素）、及びＡｒ（アルゴン）を保有している。

またチャンバ３は、排気口３ｂを介して、図示しない減圧機構に接続されている。チャンバ３内の空気は排気口３ｂを介して外部に排気されるとともに、減圧機構により所望の圧力に調整可能である。

チャンバ３の頂部は、石英などで形成された誘電体壁５により閉鎖されている。誘電体壁５の上方には、上部電極としてのアンテナ（プラズマ源）６が配置されている。アンテナ６は第１の高周波電源７Ａに電気的に接続されている。

一方、チャンバ３内の下部側には、基板２を載置して保持するステージ８が配置されている。ステージ８は第２の高周波電源部７Ｂに電気的に接続されており、下部電極として機能する。

ステージ８の内部には、静電吸着用電極と冷却装置（ともに図示せず）とが内蔵されている。静電吸着用電極は、基板２をステージ８上に静電吸着する機能を有する。冷却装置は、ステージ８上の基板２を冷却する機能を有する。本実施の形態では、基板２の冷却用ガスとして例えばＨｅ（ヘリウム）が用いられる。

コントローラ９は、上述したドライエッチング装置１が備えるそれぞれの構成部の動作を統括的に制御する。また、コントローラ９の制御によって、エッチングガス源４に保有されている複数種類のガスがチャンバ３内に供給される流量やそれぞれの混合比を調整することができる。

次に、ドライエッチング装置１が取り扱う基板２を図２に示す。本実施の形態における基板２は、サファイアから形成される。図２に示すように、基板２上には、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）から形成されるＧａＮ層１０が配置される。

基板２の厚みは、例えば３５０−１３００μｍとしても良く、ＧａＮ層１０の厚みは、例えば５−１０μｍとしても良い。

このようなＧａＮ層１０が配置された基板２に対するドライエッチング装置１を用いたエッチング処理の概要を以下で説明する。

図１に示すように、まず、基板２をチャンバ３内に搬入してステージ８の上面に載置する。次に、ステージ８内の静電吸着用電極に対して直流電圧を印加して、基板２をステージ８に静電吸着して固定する。続いて、エッチングガス源４からエッチングガスを供給するとともに、第１の高周波電源７Ａから上部電極としてのアンテナ６に高周波電圧を印加することで、チャンバ３内にプラズマ（ＩＣＰ）を発生させる。このプラズマによってエッチングガスがプラズマ化され、イオン成分とラジカル成分が発生する。一方で、アンテナ６への高周波電圧の印加と共に、第２の高周波電源７Ｂから下部電極としてのステージ８に高周波電圧（バイアス電圧）を印加する。これにより、ステージ８にバイアスが印加され、チャンバ３内のプラズマ化されたエッチングガスのイオン成分がステージ８上の基板２に吸い寄せられる（イオン入射）。吸い寄せられたプラズマ状のイオン成分と、プラズマ状のラジカル成分とによってステージ８上の基板２に対するエッチングが行われる。エッチング中は、減圧機構を用いてチャンバ３内の圧力を所定の圧力に保つとともに、冷却装置を用いて基板２を冷却している。

以上、ドライエッチング装置１を用いた基板２に対するエッチング処理の概要について説明したが、本実施の形態のドライエッチング装置１は、基板２に対するエッチング処理として、基板２上のＧａＮ層１０をエッチングして複数の素子へと分離する素子分離加工を実施することができる。

この素子分離方法のフローの一例を図３に示す。図３のフロー図に沿って実行される素子分離方法について、図４に示す基板２の断面図を用いて、以下で詳細に説明する。

最初に、ドライエッチング装置１のステージ８上の基板２に対して、マスクの塗布・形成を行う（ステップＳ１）。具体的には、図４（ａ）に示されるように、基板２上に配置されたＧａＮ層１０上に、有機系のレジストマスクなどから形成されるマスク１１を塗布し、フォトリソグラフィー等により所望のパターン状に形成する。マスク１１により、ＧａＮ層１０が部分的に保護される。マスク１１の厚みは、例えば５−１０μｍとしても良い。

次に、マスク１１が形成された基板２上のＧａＮ層１０に対するエッチングを行う（ステップＳ２）。具体的には、エッチングガス源４からチャンバ３内へ、所定のエッチングガス（例えば、ＢＣｌ_３にＣＨ_２Ｆ_２を添加した混合ガス）を供給して、ＧａＮ層１０のエッチングを行う。エッチングガスによるエッチングを行うと、図４（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１０のうちマスク１１により保護されていない部分がエッチングされ、基板２上から除去される。これにより、ＧａＮ層１０が複数の素子へと分離される。また、ＧａＮ層１０だけでなくマスク１１も同時にエッチングされるため、エッチング後のマスク１１の高さはエッチング前（図４（ａ））に比べて低くなっている。

次に、ＧａＮ層１０上のマスク１１を除去する（ステップＳ３）。具体的には、エッチング後の基板２に対して所定のマスク除去工程を実施することにより、基板２上のＧａＮ層１０からマスク１１のみを除去する。これにより、図４（ｃ）に示すように、複数の素子に分離されたＧａＮ層１０が配置された基板２が完成する。

以上のように、図３のフロー図に沿ってドライエッチング装置１による素子分離加工を行うことで、基板２上のＧａＮ層１０を複数の素子へと分離することができる。

（実施例）
次に、上述したドライエッチング装置１を用いたＧａＮ層１０の素子分離方法に関する実施例および比較例について説明する。

以下の表１に示すように、ドライエッチング装置１を用いて、実験Ｎｏ．１−５で示す種々のエッチング条件で基板２上のＧａＮ層１０を素子分離するエッチングを実行した。

実験Ｎｏ．１−５では、Ｃｌ_２とＡｒを混合した混合ガスをエッチングガスとして用いるとともに、エッチングガス中におけるＣｌ_２の添加割合を変化させながら、基板２上のＧａＮ層１０に対するエッチングを行った。

実験Ｎｏ．１−５は比較例に相当する。実験Ｎｏ．１−５の具体的なエッチング条件は以下の通りである。

エッチングガス中におけるＣｌ_２の添加量は、実験Ｎｏ．１が２５ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．２が４０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．３が５０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．４が７５ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．５が１００ｓｃｃｍである。

エッチングガス中におけるＡｒの添加量は、実験Ｎｏ．１が１７５ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．２が１６０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．３が１５０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．４が１２５ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．５が１００ｓｃｃｍである。

エッチングガス中におけるＣｌ_２の添加割合は、実験Ｎｏ．１が１２．５％、実験Ｎｏ．２が２０．０％、実験Ｎｏ．３が２５．０％、実験Ｎｏ．４が３７．５％、実験Ｎｏ．５が５０．０％である。

チャンバ３内の圧力は実験Ｎｏ．１−５で１Ｐａである。

チャンバ３内にプラズマ（ＩＣＰ）を発生させるためのパワーであるＩＣＰパワーの電力密度（ＩＣＰパワー／チャンバ３の体積）は、実験Ｎｏ．１−５で０．０２４１０７（Ｗ／ｃｍ３）である。なお、ここでのＩＣＰパワーとは、ドライエッチング装置１における第１の高周波電源７Ａからアンテナ６に印加される電力（Ｗ）のことであり、実験Ｎｏ．１−５では１３５０Ｗである。また、チャンバ３の体積は実験Ｎｏ．１−５で５６０００ｃｍ３である。

チャンバ３内でバイアスを発生させるためのパワーであるバイアスパワーの電力密度（バイアスパワー／ステージ８内の電極の電極面積）は、実験Ｎｏ．１−５で１．４０３１６２Ｗ／ｃｍ２である。なお、ここでのバイアスパワーとは、ドライエッチング装置１における第２の高周波電源７Ｂからステージ８内の電極に印加される電力（Ｗ）のことであり、実験Ｎｏ．１−５では１３５０Ｗである。また、ステージ８内の電極の電極面積は実験Ｎｏ．１−５で約９６２ｃｍ２である（電極は直径３５０ｍｍの正円）。

ＩＣＰパワー（Ｗ）とバイアスパワー（Ｗ）の合計に対するバイアスパワーの比率であるバイアス比率は、実験Ｎｏ．１−５で０．５である。

チャンバ３内の温度は実験Ｎｏ．１−５で１５℃である。

実験Ｎｏ．１―５について、ＧａＮ層１０のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）、マスク１１のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）、及びこれらの選択比を測定した。それぞれの測定結果は表１に記載の通りである。

選択比は、マスク１１のエッチングレートに対するＧａＮ層１０のエッチングレートの比である。選択比を高くする、あるいはＧａＮ層１０のエッチングレートを高くすることにより、ＧａＮ層１０のエッチング形状をより安定化することができる。ここでのエッチング形状の安定化とは、ＧａＮ層１０がより垂直な方向に向かってエッチングされることや、エッチング後のＧａＮ層１０の形状がより均一になることなどを意味する。

図５に、実験Ｎｏ．１―５で得られたデータの分布図を示す。図５では、横軸にＣｌ_２の添加割合を、縦軸に２種類のエッチングレート（ＧａＮ層１０のエッチングレート及びマスク１１のエッチングレート）並びに選択比（ＧａＮ層１０のエッチングレート／マスク１１のエッチングレート）を示す。

図５に示すように、Ｃｌ_２とＡｒを混合した混合ガスをエッチングガスとして用いた場合には、Ｃｌ_２の添加割合を２０％前後に設定することにより、選択比が最も高くなることが分かる。一方で、Ｃｌ_２の添加割合がいずれの値であっても選択比は２．０以上に達していない。また、Ｃｌ_２の添加割合を上げるほど、ＧａＮ層１０およびマスク１１のエッチングレートが向上することが分かる。

次に、以下の表２に示すように、ドライエッチング装置１を用いて、実験Ｎｏ．６−１１で示す種々のエッチング条件で基板２上のＧａＮ層１０を素子分離するエッチングを実行した。

実験Ｎｏ．６−１１では、ＢＣｌ_３とＣｌ_２とを混合した混合ガスをエッチングガスとして用いるとともに、混合ガス中におけるＢＣｌ_３の添加割合を変化させながら、基板２上のＧａＮ層１０に対するエッチングを行った。

実験Ｎｏ．６−１１は比較例に相当する。実験Ｎｏ．６−１１の具体的なエッチング条件は以下の通りである。

エッチングガス中におけるＢＣｌ_３の添加量は、実験Ｎｏ．６が０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．７が２４ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．８が６０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．９が１００ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．１０が１４０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．１１が２００ｓｃｃｍである。

エッチングガス中におけるＣｌ_２の添加量は、実験Ｎｏ．６が２００ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．７が１７６ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．８が１４０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．９が１００ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．１０が６０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．１１が０ｓｃｃｍである。

エッチングガス中におけるＢＣｌ_３の添加割合は、実験Ｎｏ．６が０．０％、実験Ｎｏ．７が１２．０％、実験Ｎｏ．８が３０．０％、実験Ｎｏ．９が５０．０％、実験Ｎｏ．１０が７０．０％、実験Ｎｏ．１１が１００．０％である。

実験Ｎｏ．６−１１におけるチャン３内の圧力、ＩＣＰパワーの電力密度、バイアスパワーの電力密度、バイアス比率およびチャンバ３内の温度（並びにＩＣＰパワー、バイアスパワー、チャンバ３の体積およびステージ８内の電極の電極面積）は、前述した実験Ｎｏ．１−５と同様である。

実験Ｎｏ．６―１１について、ＧａＮ層１０のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）、マスク１１のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）、及びこれらの選択比を測定した。それぞれの測定結果は表２に記載の通りである。

図６に、実験Ｎｏ．６―１１で得られたデータの分布図を示す。図６では、横軸にＢＣｌ_３の添加割合を、縦軸に２種類のエッチングレート並びに選択比（ＧａＮ層１０のエッチングレート／マスク１１のエッチングレート）を示す。

図６に示すように、ＢＣｌ_３とＣｌ_２とを混合した混合ガスをエッチングガスとして用いた場合には、ＢＣｌ_３の添加割合が大きいほど高い選択比が得られるということが分かる。一方で、ＢＣｌ_３の添加割合がいずれの値であっても選択比は２．０以上に達していない。また、ＢＣｌ_３の添加割合が小さいほど、ＧａＮ層１０およびマスク１１のエッチングレートが向上することが分かる。

次に、以下の表３に示すように、ドライエッチング装置１を用いて、実験Ｎｏ．１２、１３で示す種々のエッチング条件で基板２上のＧａＮ層１０を素子分離するエッチングを実行した。

実験Ｎｏ．１２、１３では、ＣＨ_２Ｆ_２にＣｌ_２を混合した混合ガス（実験Ｎｏ．１２）あるいはＣＨ_２Ｆ_２にＢＣｌ_３を混合した混合ガス（実験Ｎｏ．１３）をエッチングガスとして用いて基板２上のＧａＮ層１０に対するエッチングを行った。

実験Ｎｏ．１２は比較例に相当し、実験Ｎｏ．１３は実施例に相当する。実験Ｎｏ．１２、１３の具体的なエッチング条件は以下の通りである。

エッチングガス中におけるＢＣｌ_３の添加量は、実験Ｎｏ．１２が０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．１３が１４０ｓｃｃｍである。

エッチングガス中におけるＣｌ_２の添加量は、実験Ｎｏ．１２が１４０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．１３が０ｓｃｃｍである。

エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加量は、実験Ｎｏ．１２、１３でともに４５ｓｃｃｍである。

ＩＣＰパワーの電力密度は実験Ｎｏ．１２、１３で０．０２８５７１Ｗ／ｃｍ３である。なお、実験Ｎｏ．１２、１３ではＩＣＰパワーは１６００Ｗである。

バイアスパワーの電力密度は実験Ｎｏ．１２、１３で０．６７５５９６Ｗ／ｃｍ２である。なお、実験Ｎｏ．１２、１３では、バイアスパワーは６５０Ｗである。

バイアス比率は実験Ｎｏ．１２、１３で０．２８８８８９である。

実験Ｎｏ．１２、１３におけるチャン３内の圧力およびチャンバ３内の温度（並びにチャンバ３の体積およびステージ８内の電極の電極面積）は、前述した実験Ｎｏ．１−１１と同様である。

実験Ｎｏ．１２、１３について、ＧａＮ層１０のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）、マスク１１のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）、及びこれらの選択比を測定した。それぞれの測定結果は表３に記載の通りである。

図７に、実験Ｎｏ．１２、１３で得られたデータの分布図を示す。図７では、横軸にＣＨ_２Ｆ_２に添加するガスの種類（Ｃｌ_２又はＢＣｌ_３）を、縦軸に２種類のエッチングレート並びに選択比（ＧａＮ層１０のエッチングレート／マスク１１のエッチングレート）を示す。

図７に示すように、ＣＨ_２Ｆ_２にＣｌ_２を混合した混合ガスをエッチングガスとして用いた場合には、２．０という選択比が得られないのに対し、ＣＨ_２Ｆ_２にＢＣｌ_３を混合した混合ガスをエッチングガスとして用いた場合には、２．０以上という選択比が得ることができた。また、Ｃｌ_２あるいはＢＣｌ_３のいずれを混合する場合であっても、ＧａＮ層１０のエッチングレートは概ね３００ｎｍ／ｍｉｎとなっている。

エッチングガスにＣＨ_２Ｆ_２を添加すると、レジストであるマスク１１上にカーボンの重合膜が堆積することで、マスク１１のエッチングが抑制される。これにより、マスク１１のエッチングレートが下がり、選択比が向上するものと考えられる。一方で、今回の実験結果（特に、実験Ｎｏ．１２、１３）からは、Ｃｌ_２にＣＨ_２Ｆ_２を添加しても選択比を良好に向上させることができなかったのに対して、ＢＣｌ_３にＣＨ_２Ｆ_２を添加した場合には選択比を良好に向上させることができた。

これには、エッチングガスにＣｌ_２を添加した場合の方がＢＣｌ_３を添加した場合よりも、Ｃｌラジカルの発生量が多くなるという点が関係しているものと考えられる。

ＧａＮ層１０のエッチングは、Ｃｌラジカルとイオン入射により促進される。Ｃｌ_２を添加した場合にはＣｌラジカルの発生が増加することにより、ＧａＮ層１０を良好にエッチングできるが、その一方でマスク１１も速い速度でエッチングされてしまう。カーボンの重合膜が付着する土台であるマスク１１が速い速度で後退するため、ＣＨ_２Ｆ_２を添加してもカーボンの重合膜を効果的に堆積させることができない。結果として、カーボンの重合膜による十分なエッチング抑制効果が得られず、マスク１１のエッチングレートを十分下げることができない。このような原理により選択比を良好に向上させることができないと推測される。

それに対して、エッチングガスにＢＣｌ_３を添加した場合には、Ｃｌラジカルの発生が少なくなるため、マスク１１はそれほど速い速度でエッチングされず、マスク１１のエッチングレートは低下する。これにより、マスク１１上に効果的にカーボンの重合膜を堆積させることができるため、マスク１１のエッチングレートはさらに低くなる。一方で、Ｃｌ_２を添加した場合に比べてＣｌラジカルの発生が少ないものの、ＢＣｌ_３を添加することによるその他の要因によりＧａＮ層１０を良好にエッチングすることができるため、ＧａＮ層１０のエッチングレートはそれほど低下しない。すなわち、ＢＣｌ_３を添加した場合はＣｌ_２を添加した場合に比べて、マスク１１のエッチングレートが低下する割合の方がＧａＮ層１０のエッチングレートが低下する割合よりも大きくなり、これにより選択比を良好に向上させることができるものと考えられる。

以上、実験Ｎｏ．１―１３の結果を考察した結果、本発明者らは、ＧａＮ層１０の素子分離方法において、ＢＣｌ_３にＣＨ_２Ｆ_２を添加した混合ガスを用いてＧａＮ層１０をエッチングすることで、ＧａＮ層１０における高エッチングレートと高選択比とを両立できることを見出した。高エッチングレートを実現できれば生産性が向上し、高選択比を実現できればＧａＮ層１０のエッチング形状をより安定化することができる。結果的に、ＧａＮ層１０の素子分離をより効率的に行うことができる。

また、高エッチングレートと高選択比とを両立することができれば、エッチングの際に用いるマスク１１の厚みを小さくしながらも、エッチング後のＧａＮ層１０において所望のエッチング形状を得ることができる。よって、エッチングにかかるコストを低減することができる。

ここで、本発明者らは、ＢＣｌ_３にＣＨ_２Ｆ_２を添加した混合ガスをエッチングガスとして用いたＧａＮ層１０の素子分離方法に関して、エッチングガス中におけるＢＣｌ_３とＣＨ_２Ｆ_２の添加割合などを変化させながら、さらなる実験を行った。

すなわち、以下の表４に示すように、ドライエッチング装置１を用いて、実験Ｎｏ．１４−３２で示す種々のエッチング条件でＧａＮ層１０を素子分離するエッチングを実行した。

実験Ｎｏ．１４−３１の具体的なエッチング条件は以下の通りである。

エッチングガス中におけるＢＣｌ_３の添加量は、実験Ｎｏ．１４−１６、２５、３０が１４０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ１７−２１、２３、２８が１７０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．２２、２７が１８５ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．２４、２９が１６０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．２６、３１が１２０ｓｃｃｍである。

エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加量は、実験Ｎｏ．１４−１６、２５、３０が４５ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ１７−２１、２３、２８が１５ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．２２、２７が０ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．２４、２９が２５ｓｃｃｍ、実験Ｎｏ．２６、３１が６５ｓｃｃｍである。

エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加割合は、実験Ｎｏ．１４−１６、２５、３０が２４．３％、実験Ｎｏ１７−２１、２３、２８が８，１％、実験Ｎｏ．２２、２７が０％、実験Ｎｏ．２４、２９が１３．５％、実験Ｎｏ．２６、３１が３５．１％である。

ＩＣＰパワーの電力密度は、実験Ｎｏ．１４−１６、１８、２２−２６で０．０２８５７１Ｗ／ｃｍ３、実験Ｎｏ．１７で０．０３２１４３Ｗ／ｃｍ３、実験Ｎｏ．１９、２７−３１で０．０２５８９３Ｗ／ｃｍ３、実験Ｎｏ．２０で０．０２４１０７Ｗ／ｃｍ３、実験Ｎｏ．２１で０．０１９６４３Ｗ／ｃｍ３である。なお、実験Ｎｏ．１４−１６、１８、２２−２６では、ＩＣＰパワーは１６００Ｗ、実験Ｎｏ．１７では、ＩＣＰパワーは１８００Ｗ、実験Ｎｏ．１９、２７−３１では、ＩＣＰパワーは１４５０Ｗ、実験Ｎｏ．２０では、ＩＣＰパワーは１３５０Ｗ、実験Ｎｏ．２１では、ＩＣＰパワーは１１００Ｗである。

バイアスパワーの電力密度は、実験Ｎｏ．１４で０．４６７７２１Ｗ／ｃｍ２、実験Ｎｏ．１５で０．６７５５９６Ｗ／ｃｍ２、実験Ｎｏ．１６、１８、２２−２６で１．１９５２８６Ｗ／ｃｍ２、実験Ｎｏ．１７で０．９８７４１Ｗ／ｃｍ２、実験Ｎｏ．１９で１．３５１１９３Ｗ／ｃｍ２、実験Ｎｏ．２０で１．４５５１３１Ｗ／ｃｍ２、実験Ｎｏ．２１で１．７１４９７６Ｗ／ｃｍ２である。なお、実験Ｎｏ．１４では、バイアスパワーは４５０Ｗ、実験Ｎｏ．１５では、バイアスパワーは６５０Ｗ、実験Ｎｏ．１６、１８、２２−２６では、バイアスパワーは１１５０Ｗ、実験Ｎｏ．１７では、バイアスパワーは９５０Ｗ、実験Ｎｏ．１９、２７−３１では、バイアスパワーは１３００Ｗ、実験Ｎｏ．２０では、バイアスパワーは１４００Ｗ、実験Ｎｏ．２１では、バイアスパワーは１６５０Ｗである。

バイアス比率は、実験Ｎｏ．１４で０．２２０、実験Ｎｏ．１５で０．２８９、実験Ｎｏ．１６、１８、２２−２６で０．４１８、実験Ｎｏ．１７で０．３４５、実験Ｎｏ．１９、２７−３１で０．４７３、実験Ｎｏ．２０で０．５０９、実験Ｎｏ．２１で０．６００である。

実験Ｎｏ．１４−３１におけるチャン３内の圧力およびチャンバ３内の温度（並びにチャンバ３の体積およびステージ８内の電極の電極面積）は、前述した実験Ｎｏ．１−１３と同様である。

実験Ｎｏ．１４―３１について、ＧａＮ層１０のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）、マスク１１のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）、及びこれらの選択比を測定した。それぞれの測定結果は表４に記載の通りである。

実験Ｎｏ．１４−１６で得られたデータの分布図を図８に、実験Ｎｏ．１７−２１で得られたデータの分布図を図９に、実験Ｎｏ．２２−２６で得られたデータの分布図を図１０に、実験Ｎｏ．２７−３１で得られたデータの分布図を図１１に示す。

図８では、横軸にバイアスパワーの電力密度を、縦軸に２種類のエッチングレートと選択比を示す。図９では、横軸にバイアス比率を、縦軸に２種類のエッチングレートと選択比を示す。図１０では、横軸にＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を、縦軸に２種類のエッチングレートと選択比を示す。図１１では、横軸にＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を、縦軸に２種類のエッチングレートと選択比を示す。図８−１１における選択比とは、ＧａＮ層１０のエッチングレート／マスク１１のエッチングレートである。

図９に示される結果より、バイアス比率が概ね０．３７−０．５５の範囲内（図９の領域Ａ１に相当）であれば、ＧａＮ層１０のエッチングレートが３００以上かつ選択比が２以上となり、好ましい範囲にあることがわかる。さらに、バイアス比率が概ね０．４６−０．５１の範囲内（図９の領域Ａ２に相当）であれば、ＧａＮ層１０のエッチングレートが３５０ｎｍ／ｍｉｎ以上かつ選択比が３以上となり、より好ましい範囲にあることがわかる。

図１０に示される結果より、バイアス比率が０．４１８の場合には、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合が概ね４．０％〜３５．１％の範囲内（図１０の領域Ａ３に相当）であれば、ＧａＮ層１０のエッチングレートが３００以上かつ選択比が２以上と、好ましい範囲にあることがわかる。また同様に、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合が概ね１１．０％〜３５．１％の範囲内（図１０の領域Ａ４に相当）であれば、ＧａＮ層１０のエッチングレートが３５０以上かつ選択比が３以上と、より好ましい範囲にあることがわかる。

図１１に示される結果より、バイアス比率が０．４７３の場合には、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合が概ね２．０％〜３５．１％の範囲内（図１１の領域Ａ５に相当）であれば、ＧａＮ層１０のエッチングレートが３００以上かつ選択比が２以上と、好ましい範囲にあることがわかる。また同様に、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合が概ね８．０％〜３５．１％の範囲内（図１１の領域Ａ６に相当）であれば、ＧａＮ層１０のエッチングレートが３５０以上かつ選択比が３以上と、より好ましい範囲にあることがわかる。

以上、図９―１１に示される結果を考察した結果、本発明者らは、ＢＣｌ_３にＣＨ_２Ｆ_２を添加した混合ガスをエッチングガスとして用いたＧａＮ層１０の素子分離方法において、バイアス比率とＣＨ_２Ｆ_２の添加割合、それぞれ２つの値を所定の範囲内に設定することで、ＧａＮ層１０のエッチングレートと選択比をさらに向上させることができることを見出した。

今回の実験結果から、エッチングガスとしてＣＨ_２Ｆ_２にＢＣｌ_３を添加したものを用いることで、ＧａＮ層１０の高エッチングレートを維持したまま高選択比を得られることができたが、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を上げると選択比は高くなる一方で、チャンバ３内部のデポジション（堆積物）も多くなる。デポジションが増えると、チャンバ３の内壁などからデポジションが剥がれることによりパーティクルなどが発生したり、ドライエッチング装置１の排気配管などが詰まる可能性がある。これを防ぐためには、定期的なドライクリーニングを行うかあるいはチャンバ３を大気開放してウェットメンテナンスを行う必要がある。しかしながら、ドライクリーニングおよびウェットメンテナンスのいずれの方法であってもドライエッチング装置１の稼働率が下がってしまう。

これより本発明者らは、メンテナンス性の向上、ＧａＮ層１０の高エッチングレート及び高選択比を全て両立させるという更なる課題を見出し、その課題の解決に関して鋭意検討を行った。その結果、前記課題を解決するためには、ＧａＮ層１０のエッチングレートが下がらない範囲でバイアス比率を高くするとともに、そのバイアス比率において、必要な選択比を上回るようにＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を最低限の割合以上に設定することが有効であることを見出した。なおこの場合には、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を、最低限の割合から少しマージンを保った割合に設定するようにしても良い。

そこで、実験Ｎｏ．１４−３１におけるバイアス比率とＣＨ_２Ｆ_２の添加割合の関係を図１２に示す。

図１２では、横軸にバイアス比率を、縦軸にＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を示す。

図１２に示すように、バイアス比率は概ね０．３７−０．５５の範囲内（図１２の領域Ａ７に相当）が好ましく、概ね０．４６−０．５１の範囲内（図１２の領域Ａ８に相当）がより好ましい。

図１２に示すように、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合が多いと、ＧａＮ層１０のエッチングレートや選択比を向上させやすくなるが、ＣＨ_２Ｆ_２がデポジションとして残存することを考慮すると、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合は所定の上限値以下であることが好ましい。一方で、ＧａＮ層１０の高エッチングレートと高選択比との両立が好ましいことを考慮すると、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合は所定の下限値以上であることが好ましい。

以上を踏まえ、本発明者らは各種実験の結果、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合の実用上の好ましい範囲が概ね７％−３５．１％（図１２の領域Ａ９に相当）であることを見出した。また、ＣＨ_２Ｆ_２の添加割合のより好ましい範囲は、図１２に示される結果より概ね８％―１３．５％（図１２の領域Ａ１０に相当）とすることができる。

上述したように、本実施の形態の実施例にかかるＧａＮ層１０の素子分離方法によれば、エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を７％以上３５．１％以下として、ＧａＮ層１０に対するエッチングを行い、ＧａＮ層１０のエッチングレートは３００ｎｍ／ｍｉｎ以上とする。これにより、ＧａＮ層１０のエッチングレートと選択比をより向上させることができる。

また、本実施の形態の実施例にかかるＧａＮ層１０の素子分離方法によれば、エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を８％以上１３．５％以下として、ＧａＮ層１０に対するエッチングを行う。これにより、ＧａＮ層１０のエッチングレートと選択比をより向上させることができる。

また、本実施の形態の実施例にかかるＧａＮ層１０の素子分離方法によれば、エッチング時に基板２に印加されるバイアスを発生させるための電力をＡ（Ｗ）、エッチング時に基板２を収容するチャンバ３内にプラズマを発生させるための電力をＢ（Ｗ）としたときに、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を０．３７以上０．５５以下としながら、ＧａＮ層１０に対するエッチングを行い、ＧａＮ層１０のエッチングレートは３００ｎｍ／ｍｉｎ以上である。これにより、ＧａＮ層１０のエッチングレートと選択比をより向上させることができる。

また、本実施の形態の実施例にかかるＧａＮ層１０の素子分離方法によれば、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を０．４６以上０．５１以下としながら、ＧａＮ層１０に対するエッチングを行う。これにより、ＧａＮ層１０のエッチングレートと選択比をより向上させることができる。

なお、本実施の形態の実施例では、ＢＣｌ_３とＣＨ_２Ｆ_２のみを混合した混合ガスを用いる場合について説明したが、混合ガスにはこれら以外のガスが含まれていても良く、ＢＣｌ_３が主体のガス（例えば、ＢＣｌ_３を含む割合が８０％以上）にＣＨ_２Ｆ_２を混合した混合ガスであれば、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本実施の形態では、基板２がサファイアにより形成される場合について説明したが、このような場合に限らず例えば、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（炭化シリコン）、ＧａＮなど、サファイア以外の材料により基板２が形成されも良い。

また、本実施の形態では、基板２とＧａＮ層１０とを区別する場合について説明したが、このような場合に限らず例えば、ＧａＮ層１０が基板２の一部であるものとして取り扱っても良い。

また、本実施の形態では、基板２上にＧａＮ層１０が直接的に配置される場合について説明したが、このような場合に限らず例えば、基板２とＧａＮ層１０との間に別の層（バッファ層など）が配置されても良い。

なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、ＧａＮ層の素子分離方法に適用することができる。

１ ドライエッチング装置
２ 基板
３ チャンバ
３ａ ガス導入口
３ｂ 排気口
４ エッチングガス源
５ 誘電体壁
６ アンテナ
７Ａ 第１の高周波電源
７Ｂ 第２の高周波電源
８ ステージ
９ コントローラ
１０ ＧａＮ層
１１ マスク

Claims (5)

1. 基板上に配置されたＧａＮ層にマスクを付けてエッチングすることにより、ＧａＮ層を複数の素子に分離する素子分離方法であって、
   エッチングガスとして、ＢＣｌ_３が主体のガスにＣＨ_２Ｆ_２を添加した混合ガスを用いる、ＧａＮ層の素子分離方法。
2. エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を７％以上３５．１％以下として、ＧａＮ層に対するエッチングを行い、ＧａＮ層のエッチングレートは３００ｎｍ／ｍｉｎ以上である、請求項１に記載のＧａＮ層の素子分離方法。
3. エッチングガス中におけるＣＨ_２Ｆ_２の添加割合を８％以上１３．５％以下として、ＧａＮ層に対するエッチングを行う、請求項２に記載のＧａＮ層の素子分離方法。
4. エッチング時に基板に印加されるバイアスを発生させるための電力をＡ（Ｗ）、エッチング時に基板を収容するチャンバ内にプラズマを発生させるための電力をＢ（Ｗ）としたときに、Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を０．３７以上０．５５以下としながら、ＧａＮ層に対するエッチングを行い、ＧａＮ層のエッチングレートは３００ｎｍ／ｍｉｎ以上である、請求項１から３のいずれか１つに記載のＧａＮ層の素子分離方法。
5. Ａ／（Ａ＋Ｂ）の値を０．４６以上０．５１以下としながら、ＧａＮ層に対するエッチングを行う、請求項４に記載のＧａN層の素子分離方法。

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