JP2017174939A - Manufacturing method for silicon carbide semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化珪素半導体素子を製造する方法に関し、特に、保護膜形成ガスと反応性エッチングガスとを用いたプラズマにより、炭化珪素基板をエッチングして、炭化珪素半導体素子を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element by etching a silicon carbide substrate with plasma using a protective film forming gas and a reactive etching gas.
炭化珪素基板は、従来から広く用いられているシリコン基板やヒ化ガリウム基板などに比べ、結晶の格子定数が小さくバンドギャップが大きいという特徴を有し、優れた物性を備えていることから、上記シリコン基板やヒ化ガリウム基板ではカバーすることのできない分野への応用が期待されており、当該炭化珪素基板を用いた半導体素子を製造すべく、炭化珪素基板にエッチング加工を施すための方法が種々提案されている。 The silicon carbide substrate has the characteristics that the crystal lattice constant is small and the band gap is large compared to the silicon substrate and gallium arsenide substrate that have been widely used so far, and has excellent physical properties. Applications to fields that cannot be covered by silicon substrates and gallium arsenide substrates are expected, and various methods for etching silicon carbide substrates to manufacture semiconductor elements using the silicon carbide substrates are various. Proposed.
本願出願人も、炭化珪素基板をエッチングする方法として、特開２０１５−７３０８１号公報に開示されたエッチング方法を提案している。 The present applicant has also proposed an etching method disclosed in JP-A-2015-73081 as a method for etching a silicon carbide substrate.
このエッチング方法は、炭化珪素基板の表面に開口部を有するマスクを形成した後、シリコン系ガス及び酸素ガスを含む保護膜形成用原料ガスと反応性エッチングガスとを、保護膜形成用原料ガスの流量と反応性エッチングガスの流量との和に対するシリコン系ガスの流量の比が所定の値となるように、処理チャンバ内に供給してプラズマ化し、この生成されたプラズマによって炭化珪素基板をエッチングして、当該炭化珪素基板に所望のテーパ角度を有するテーパ状のエッチング構造を形成する方法である。 In this etching method, after forming a mask having an opening on the surface of a silicon carbide substrate, a protective film forming raw material gas containing a silicon-based gas and an oxygen gas and a reactive etching gas are mixed with the protective film forming raw material gas. The silicon-based gas is supplied into the processing chamber so that the ratio of the flow rate of the silicon-based gas to the sum of the flow rate and the flow rate of the reactive etching gas becomes a predetermined value. Thus, a tapered etching structure having a desired taper angle is formed on the silicon carbide substrate.
このエッチング方法においては、形成すべきエッチング構造のテーパ角度に応じて、前記シリコン系ガスの流量の比を設定することで、サブトレンチの発生を抑えた上で、所望のテーパ角度を有するテーパ状のエッチング構造を形成することができる。 In this etching method, the ratio of the flow rate of the silicon-based gas is set in accordance with the taper angle of the etching structure to be formed, thereby suppressing the generation of sub-trench and the taper shape having a desired taper angle. The etching structure can be formed.
ところで、従来から、所謂スーパージャンクション構造を有し、高耐圧性と低オン抵抗性とを兼ね備えた半導体素子の開発は盛んに行われているが、近年、更なるオン抵抗の低減等を図るべく、スーパージャンクション構造を有する炭化珪素半導体素子の開発に注目が集まっている。 By the way, a semiconductor element having a so-called super junction structure and having both high withstand voltage and low on-resistance has been actively developed. However, in order to further reduce on-resistance in recent years. Attention has been focused on the development of silicon carbide semiconductor elements having a super junction structure.
上記スーパージャンクション構造とは、ｎ導電型の部分とｐ導電型の部分とが横方向に交互に配列した構造であり、この構造は、例えば、基板上にｎ導電型の層を形成した後、このｎ導電型の層にトレンチ（エッチング構造）を形成し、このトレンチ内にｐ導電型の層を形成することによって形成される。尚、ｎ導電型の部分とｐ導電型の部分とのピッチ間隔を狭くするために、ｎ導電型の層に形成するトレンチは、一般的にアスペクト比を高くすることが好ましいことから、スーパージャンクション構造を有する炭化珪素半導体素子を製造するためには、炭化珪素基板に高アスペクト比（例えば１４程度）のトレンチを形成することが重要である。 The super junction structure is a structure in which n-conducting parts and p-conducting parts are alternately arranged in the lateral direction. For example, after forming an n-conducting layer on a substrate, A trench (etching structure) is formed in the n conductivity type layer, and a p conductivity type layer is formed in the trench. In order to narrow the pitch interval between the n conductivity type portion and the p conductivity type portion, the trench formed in the n conductivity type layer generally preferably has a high aspect ratio. In order to manufacture a silicon carbide semiconductor device having a structure, it is important to form a trench having a high aspect ratio (for example, about 14) in a silicon carbide substrate.
ここで、炭化珪素基板にトレンチを形成する場合、マスクのエッチングレートに対する炭化珪素基板のエッチングレートの比（以下、「マスク選択比」という）が低いと、エッチング処理時にマスクが後退して、当該マスクの開口部の幅が徐々に広がり、形成されるエッチング構造の開口部もこれに合わせて幅が広くなるため、アスペクト比の高いエッチング構造を形成することができない。したがって、炭化珪素基板に高アスペクト比のトレンチを形成するためには、マスク選択比を可能な限り高くすることが肝要である。 Here, when forming a trench in a silicon carbide substrate, if the ratio of the etching rate of the silicon carbide substrate to the etching rate of the mask (hereinafter referred to as “mask selection ratio”) is low, the mask moves backward during the etching process, Since the width of the opening of the mask gradually increases and the opening of the etching structure to be formed becomes wider accordingly, an etching structure with a high aspect ratio cannot be formed. Therefore, in order to form a high aspect ratio trench in a silicon carbide substrate, it is important to make the mask selection ratio as high as possible.
また、高性能な半導体素子を実現するためには、基板に形成されるエッチング構造にサブトレンチが形成されないようにするだけでなく、エッチング構造の底部をラウンド化することも重要である。 In order to realize a high-performance semiconductor device, it is important not only to prevent the sub-trench from being formed in the etching structure formed on the substrate, but also to round the bottom of the etching structure.
上記従来のエッチング方法は、サブトレンチの発生を抑えつつ、底部がラウンド化されたエッチング構造を精度良く形成でき、また、マスク選択比も良好な値であるものの、高アスペクト比のエッチング構造を形成するという観点からすると、マスク選択比をより高くできることが望ましい。 The above conventional etching method can accurately form an etching structure with a rounded bottom while suppressing the occurrence of sub-trench, and forms an etching structure with a high aspect ratio, although the mask selectivity is good. From the viewpoint of achieving this, it is desirable that the mask selection ratio can be made higher.
そこで、本願発明者は、より高いマスク選択比で炭化珪素基板をエッチング可能な条件について鋭意研究を重ねた結果、シリコン系ガス及び酸素ガスを含む保護膜形成ガス及び反応性エッチングガスを用い、これらのガスの総流量に対するシリコン系ガスの添加割合を所定範囲内の値に設定するとともに、炭化珪素基板を所定範囲内の温度に調整した状態で、当該炭化珪素基板をプラズマエッチングした場合に、形成されるエッチング構造の形状が、底部がラウンド化し、サブトレンチの発生していない形状になるだけでなく、マスク選択比が従来よりも格段に高くなることを見出した。 Therefore, as a result of intensive research on the conditions under which a silicon carbide substrate can be etched with a higher mask selection ratio, the inventor of the present application uses a protective film forming gas containing a silicon-based gas and an oxygen gas and a reactive etching gas. When the silicon carbide substrate is plasma-etched while the silicon carbide substrate is adjusted to a temperature within the predetermined range while the addition ratio of the silicon-based gas to the total flow rate of the gas is set to a value within the predetermined range. It has been found that the shape of the etched structure is not only rounded at the bottom and has no sub-trench, but also has a much higher mask selectivity than in the prior art.
本発明は上記本願発明者らが見出した知見に基づきなされたものであり、サブトレンチがなく、底部がラウンド化したエッチング構造を形成でき、更に、従来よりも高いマスク選択比で炭化珪素基板をエッチングすることできる炭化珪素半導体素子の製造方法の提供を、その目的とする。 The present invention has been made on the basis of the knowledge found by the inventors of the present invention, and can form an etching structure having no sub-trench and a round bottom, and a silicon carbide substrate with a higher mask selection ratio than the conventional one. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element that can be etched.
上記目的を達成するための本発明は、
少なくともシリコン系ガス及び酸素ガスを含む保護膜形成ガスと、反応性エッチングガスとを用いたプラズマにより、二酸化珪素マスクが形成された炭化珪素基板をエッチングする炭化珪素半導体素子の製造方法であって、
前記保護膜形成ガスと前記反応性エッチングガスとの総流量に対する前記シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、
前記炭化珪素基板の温度を４０℃以上１８０℃以下に調整してエッチングする炭化珪素半導体素子の製造方法に係る。
To achieve the above object, the present invention provides:
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, wherein a silicon carbide substrate on which a silicon dioxide mask is formed is etched by plasma using a protective film forming gas containing at least a silicon-based gas and an oxygen gas, and a reactive etching gas,
The addition ratio of the silicon-based gas with respect to the total flow rate of the protective film forming gas and the reactive etching gas is 30% or more and 50% or less,
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, wherein etching is performed by adjusting the temperature of the silicon carbide substrate to 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower.
ここで、上記のように、保護膜形成ガスと反応性エッチングガスとの総流量に対するシリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、炭化珪素基板の温度を４０℃以上１８０℃以下の範囲内に調整することは、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果見出した新たな知見によるものである。 Here, as described above, the addition ratio of the silicon-based gas to the total flow rate of the protective film forming gas and the reactive etching gas is set to 30% to 50%, and the temperature of the silicon carbide substrate is set to 40 ° C. or more and 180 ° C. or less. The adjustment within the range is based on new knowledge found as a result of repeated studies by the inventors of the present application.
即ち、本願発明者らは、鋭意実験を重ねた結果、上記シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下として炭化珪素基板をエッチングする場合、炭化珪素基板の温度を４０℃以上１８０℃以下に調整することにより、以下に述べるような特徴があるという新たな知見を見出した。具体的に言うと、上記条件下で炭化珪素基板をエッチングした場合、形成されるエッチング構造は、その底部がラウンド化し、サブトレンチのない形状となり、更に、炭化珪素基板の温度と、二酸化珪素マスクのエッチングレートに対する炭化珪素基板のエッチングレートの比（マスク選択比）との間には、当該温度範囲内においてマスク選択比の極大値が存在する非線形の関係があるという新たな知見を見出した。 That is, as a result of repeated experiments, the inventors of the present application have made the silicon carbide substrate temperature 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower when etching the silicon carbide substrate with the silicon-based gas addition ratio being 30% or more and 50% or less. As a result, the inventors have found a new finding that there are the following characteristics. Specifically, when a silicon carbide substrate is etched under the above conditions, the formed etching structure is rounded at the bottom and has a shape without a sub-trench. Furthermore, the temperature of the silicon carbide substrate and the silicon dioxide mask A new finding has been found that there is a non-linear relationship between the etching rate of the silicon carbide substrate and the ratio of the etching rate of the silicon carbide substrate (mask selection ratio) within which the maximum value of the mask selection ratio exists within the temperature range.
また、本願発明者らは、保護膜形成ガスと反応性エッチングガスとの総流量に対するシリコン系ガスの添加割合を３０％より小さくした場合、保護膜が十分に形成されないためサブトレンチが発生し易くなる一方、上記シリコン系ガスの添加割合を５０％より大きくした場合には、保護膜の形成量が過多となり、保護膜からなる庇によって、二酸化珪素マスクやエッチング構造の開口部が閉塞する、或いは開口幅が極端に狭くなり、エッチング構造内部へのイオンや反応種の進入が阻害されてエッチングが停止するという問題が生じるという知見を得た。 Further, the inventors of the present application tend to easily generate sub-trench because the protective film is not sufficiently formed when the addition ratio of the silicon-based gas to the total flow rate of the protective film forming gas and the reactive etching gas is less than 30%. On the other hand, when the addition ratio of the silicon-based gas is larger than 50%, the amount of the protective film formed becomes excessive, and the silicon dioxide mask or the opening of the etching structure is blocked by the wrinkle made of the protective film, or It has been found that the opening width becomes extremely narrow, and the problem that the etching stops due to the inhibition of the entry of ions and reactive species into the etching structure occurs.
そこで、上記炭化珪素半導体素子の製造方法においては、これらの知見に基づいて、炭化珪素基板をエッチングする際に、サブトレンチの発生を抑えて底部をラウンド化しつつ、マスク選択比が極力高くなるように、シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、炭化珪素基板の温度を４０℃以上１８０℃以下の範囲内に調整するようにしている。 Therefore, in the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element, based on these findings, when etching the silicon carbide substrate, the mask selection ratio is increased as much as possible while suppressing the generation of sub-trench and rounding the bottom. In addition, the addition ratio of the silicon-based gas is set to 30% to 50%, and the temperature of the silicon carbide substrate is adjusted within the range of 40 ° C. to 180 ° C.
また、炭化珪素基板を高温（例えば、１９０℃以上）でエッチングする場合、基板を高温に加熱するための専用設備が必要になることも多く、上記炭化珪素半導体素子の製造方法の実施に必要な装置のコストが増加する。したがって、炭化珪素基板の温度は、エッチング処理に支障の出ない範囲内で、汎用性の高い設備で調整できる程度の温度であることが好ましいが、上記４０℃以上１８０℃以下という炭化珪素基板の温度範囲であれば、汎用性の高い設備での温度調整も可能である。 In addition, when etching a silicon carbide substrate at a high temperature (for example, 190 ° C. or higher), dedicated equipment for heating the substrate to a high temperature is often required, which is necessary for carrying out the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element. The cost of the device increases. Therefore, the temperature of the silicon carbide substrate is preferably a temperature that can be adjusted with highly versatile equipment within a range that does not hinder the etching process. If it is in the temperature range, temperature adjustment with highly versatile equipment is also possible.
そして、上記炭化珪素半導体素子の製造方法によれば、シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とするとともに、炭化珪素基板の温度を４０℃以上１８０℃以下に調整した状態で、当該炭化珪素基板をエッチングすることによって、底部がラウンド化され、サブトレンチの発生していないエッチング構造を形成でき、また、マスク選択比を従来よりも高くすることができる。 And according to the manufacturing method of the said silicon carbide semiconductor element, while the addition rate of silicon-type gas shall be 30% or more and 50% or less, and the temperature of the silicon carbide substrate was adjusted to 40 to 180 degreeC, By etching the silicon carbide substrate, it is possible to form an etching structure in which the bottom portion is rounded and no sub-trench is generated, and the mask selectivity can be increased as compared with the conventional case.
このように、形成されるエッチング構造が、底部がラウンド化され、サブトレンチの発生していないものになるとともに、マスク選択比が従来よりも高くなるのは、保護膜が形成される時間当たりの量と、保護膜が除去される時間当たりの量との相関関係によるものだと考えられる。 As described above, the etching structure to be formed is rounded at the bottom and has no sub-trench, and the mask selection ratio is higher than that of the conventional structure because the protective film is formed per time. This is considered to be due to the correlation between the amount and the amount per hour when the protective film is removed.
以下、上記炭化珪素半導体素子の製造方法によって炭化珪素基板をエッチングする際に、サブトレンチがなく、底部がラウンド化されたエッチング構造が形成する過程について、図１を参照して説明する。尚、図１において、炭化珪素基板にはＫ、二酸化珪素マスクにはＭ、保護膜にはＨ、庇にはＨ１、エッチング構造にはＴの符号をそれぞれ付している。 Hereinafter, a process of forming an etching structure having no sub-trench and having a rounded bottom when etching a silicon carbide substrate by the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the silicon carbide substrate is denoted by K, the silicon dioxide mask is denoted by M, the protective film is denoted by H, the ridge is denoted by H1, and the etching structure is denoted by T.
まず、図１（ａ）に示すように、炭化珪素基板Ｋにおける二酸化珪素マスクＭの開口部下に位置する部分が、反応性エッチングガスをプラズマ化することによって生成したイオンによるスパッタリングやラジカルなどの反応性を有するエッチング種（以下、単に「エッチング種」という）との化学反応によってエッチングされる。 First, as shown in FIG. 1 (a), a portion of the silicon carbide substrate K located under the opening of the silicon dioxide mask M has a reaction such as sputtering or radicals caused by ions generated by converting the reactive etching gas into plasma. Etching is performed by a chemical reaction with an etching species having a property (hereinafter, simply referred to as “etching species”).
また、これと同時に、シリコン系ガスに由来するＳｉなどの、反応性を有する保護膜形成種（Ｓｉ）（以下、単に「保護膜形成種」という）と酸素ガスに由来する保護膜形成種（Ｏ）との化学反応や、炭化珪素基板Ｋのエッチングよって生成したシリコン原子を含む反応生成物に由来する保護膜形成種（Ｓｉ）と酸素ガスに由来する保護膜形成種（Ｏ）との化学反応によって、エッチング構造Ｔの側壁や二酸化珪素マスクＭに酸化珪素系の化合物からなる保護膜Ｈが形成される。尚、図１においては、保護膜Ｈが形成され易い二酸化珪素マスクＭの上面及び二酸化珪素マスクＭの側壁上部に形成された保護膜Ｈのみを図示し、エッチング構造Ｔの側壁や二酸化珪素マスクＭの側壁下部に形成された保護膜Ｈについては図示を省略している。 At the same time, reactive protective film forming species (Si) (hereinafter, simply referred to as “protective film forming species”) such as Si derived from silicon-based gas and protective film forming species derived from oxygen gas ( O) and chemical reaction between the protective film forming species (Si) derived from the reaction product containing silicon atoms generated by etching the silicon carbide substrate K and the protective film forming species (O) derived from oxygen gas. By the reaction, a protective film H made of a silicon oxide compound is formed on the sidewall of the etching structure T and the silicon dioxide mask M. In FIG. 1, only the protective film H formed on the upper surface of the silicon dioxide mask M on which the protective film H is easily formed and on the sidewalls of the silicon dioxide mask M is shown, and the sidewall of the etching structure T and the silicon dioxide mask M are illustrated. Illustration of the protective film H formed on the lower portion of the side wall is omitted.
このように、炭化珪素基板Ｋに保護膜が形成されつつ、当該炭化珪素基板Ｋがエッチングされるようにしているため、炭化珪素基板Ｋは深さ方向にエッチングされる。 Thus, since the silicon carbide substrate K is etched while the protective film is formed on the silicon carbide substrate K, the silicon carbide substrate K is etched in the depth direction.
そして、上記炭化珪素半導体素子の製造方法においては、保護膜形成ガスと反応性エッチングガスとの総流量に対するシリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とするとともに、炭化珪素基板の温度を４０℃以上１８０℃以下に調整した状態で、当該炭化珪素基板Ｋをエッチングするようにしていることで、保護膜Ｈが形成され易い二酸化珪素マスクＭの側壁上部に適度な量の保護膜Ｈが形成され、これが庇Ｈ１となり、エッチングに関与するイオンやエッチング種の進入口たる開口部の幅が狭くなる。尚、図１では、二酸化珪素マスクＭの側壁上部に庇Ｈ１が形成された状態を図示したが、二酸化珪素マスクＭの膜厚が薄い場合には、二酸化珪素マスクＭの側壁からエッチング構造Ｔの側壁にかけて庇Ｈ１が形成され得る。 In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element, the silicon-based gas is added at a ratio of 30% to 50% with respect to the total flow rate of the protective film forming gas and the reactive etching gas, and the temperature of the silicon carbide substrate is set. Since the silicon carbide substrate K is etched in a state adjusted to 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, an appropriate amount of the protective film H is formed on the upper side wall of the silicon dioxide mask M on which the protective film H is easily formed. It is formed and becomes H1 and the width of the opening which is an entrance of ions and etching species involved in etching is narrowed. 1 shows a state in which the ridge H1 is formed on the upper side wall of the silicon dioxide mask M. However, when the thickness of the silicon dioxide mask M is thin, the etching structure T is formed from the side wall of the silicon dioxide mask M. A ridge H1 may be formed over the side wall.
これにより、電界が集中し易いエッチング構造Ｔにおける底面と側壁とが交差する部分（以下、「交差部」という）Ｔ１に関しては、イオンなどの進入経路が庇Ｈ１によって遮られているか、庇Ｈ１に電荷がチャージされることによりイオンの進行方向が曲げられて、当該交差部Ｔ１にイオンが当たり難くなっているか、又はその両方の効果により、エッチングが進行し難くなっているものと考えられる。一方、エッチング構造Ｔにおける底面の中央部Ｔ２に関しては、庇Ｈ１の形成による影響を受け難いため、前記交差部Ｔ１と比較してイオンなどが作用し易く、相対的にエッチングが進行し易くなる。したがって、前記交差部Ｔ１より中央部Ｔ２の方が多くエッチングされ、エッチング構造Ｔの底部がラウンド化される。 Thereby, regarding the portion (hereinafter referred to as “intersection”) T1 of the etching structure T where the electric field tends to concentrate, the entry path of ions or the like is blocked by か H1, or the に H1 It is considered that the traveling direction of the ions is bent due to the charge being charged, so that the ions are difficult to hit the intersection T1, or the etching is difficult to proceed due to both effects. On the other hand, since the central portion T2 of the bottom surface in the etching structure T is not easily affected by the formation of the ridge H1, ions and the like are more likely to act than the intersecting portion T1, and the etching proceeds relatively easily. Therefore, the central portion T2 is etched more than the intersecting portion T1, and the bottom of the etching structure T is rounded.
このように、前記交差部Ｔ１のエッチングが抑えられつつ、前記中央部Ｔ２が多くエッチングされることで、徐々にエッチング構造Ｔが深くなり（図１（ｂ）参照）、最終的に、図１（ｃ）に示すような、サブトレンチがなく、高いラウンド度を有したエッチング構造Ｔが形成される。 As described above, etching of the intersection T1 is suppressed, and the central portion T2 is etched much, so that the etching structure T gradually becomes deeper (see FIG. 1B). As shown in (c), an etching structure T having no sub-trench and having a high roundness is formed.
更に、上記炭化珪素半導体素子の製造方法においては、シリコン系ガスの添加割合、及び炭化珪素基板の温度を前記所定の範囲内とした上で、炭化珪素基板Ｋをエッチングするようにしていることにより、マスク選択比が従来よりも高くなる。このように、マスク選択比が高くなる理由について、以下説明する。 Furthermore, in the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element, the silicon carbide substrate K is etched after the addition ratio of the silicon-based gas and the temperature of the silicon carbide substrate are within the predetermined ranges. The mask selection ratio becomes higher than the conventional one. The reason why the mask selection ratio is thus increased will be described below.
保護膜Ｈは、保護膜形成種たるＳｉとＯとで形成された酸化珪素系の成分が炭化珪素基板Ｋや二酸化珪素マスクＭに付着することで形成され、酸化珪素系の成分が付着する部分の温度によって、ＳｉとＯとの結合の強さが変化し、その密度が変化する。また、保護膜Ｈの形成量は、シリコン系ガスの添加割合によって変化する。 The protective film H is formed by attaching a silicon oxide based component formed of Si and O as protective film forming species to the silicon carbide substrate K and the silicon dioxide mask M, and a portion to which the silicon oxide based component is attached. Depending on the temperature, the bond strength between Si and O changes, and the density changes. Further, the amount of the protective film H formed varies depending on the addition ratio of the silicon-based gas.
したがって、シリコン系ガスの添加割合を上記所定の範囲内とすることにより、少なくとも二酸化珪素マスクＭの上部には、保護膜Ｈが過不足なく形成されるようになり、更に、炭化珪素基板Ｋの温度を上記所定の範囲内とすることで、形成される保護膜Ｈが適度な密度となる。これにより、二酸化珪素マスクＭのエッチングレートが見かけ上低下する、或いは形成される保護膜Ｈの量と除去される保護膜Ｈの量とがほぼ同量となって二酸化珪素マスクＭのエッチングが見かけ上停止する、場合によっては形成される保護膜Ｈの量が除去される保護膜Ｈの量よりも多くなり、二酸化珪素マスクＭの量が見かけ上増加する。その結果、マスク選択比が従来よりも高くなると考えられる。尚、図１は、二酸化珪素マスクＭに形成された保護膜Ｈが時間の経過とともに増加、言い換えれば、二酸化珪素マスクＭの量が見かけ上増加していく状態を示している。 Therefore, by setting the addition ratio of the silicon-based gas within the predetermined range, the protective film H can be formed at least on the silicon dioxide mask M without excess or deficiency. By setting the temperature within the predetermined range, the formed protective film H has an appropriate density. As a result, the etching rate of the silicon dioxide mask M is apparently reduced, or the amount of the protective film H to be formed and the amount of the protective film H to be removed are almost the same, and the etching of the silicon dioxide mask M is apparently performed. In some cases, the amount of the protective film H to be stopped is larger than the amount of the protective film H to be removed, and the amount of the silicon dioxide mask M is apparently increased. As a result, the mask selection ratio is considered to be higher than the conventional one. FIG. 1 shows a state in which the protective film H formed on the silicon dioxide mask M increases with time, in other words, the amount of the silicon dioxide mask M apparently increases.
尚、上記炭化珪素半導体素子の製造方法において、前記シリコン系ガスとしては、ＳｉＦ４ガスやＳｉＣｌ４ガスを例示することができ、また、前記反応性エッチングガスとしては、ＳＦ６ガスやＮＦ３ガス、Ｆ２ガスを例示することができる。 In the silicon carbide semiconductor device manufacturing method, examples of the silicon-based gas include SiF 4 gas and SiCl 4 gas, and examples of the reactive etching gas include SF 6 gas and NF 3 gas. F 2 gas can be exemplified.
また、上記炭化珪素半導体素子の製造方法においては、前記炭化珪素基板をエッチングする際に、前記炭化珪素基板を載置する基台にバイアス電力を印加するようにしても良い。このようにすれば、反応性エッチングガスに由来するイオンを炭化珪素基板に入射させ、スパッタリングによるエッチングを積極的に起こすことができるため、異方性エッチングによって高アスペクト比のエッチング構造を形成し易くなり、また、エッチング構造の形成に要する時間を短縮することができる。 In the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, bias power may be applied to a base on which the silicon carbide substrate is placed when the silicon carbide substrate is etched. In this way, ions derived from the reactive etching gas can be incident on the silicon carbide substrate, and etching by sputtering can be actively caused. Therefore, an etching structure having a high aspect ratio can be easily formed by anisotropic etching. In addition, the time required for forming the etching structure can be shortened.
尚、上記基台に印加するバイアス電力の大きさは、小さすぎるとスパッタリングによるエッチングが起こり難く、また、大きすぎるとエッチング構造の形状悪化を引き起こし易くなるため、２００Ｗ以上８００Ｗ以下程度であることが好ましい。 It should be noted that if the magnitude of the bias power applied to the base is too small, etching by sputtering is difficult to occur, and if too large, the shape of the etching structure is liable to be deteriorated. preferable.
尚、本願における「マスク選択比」とは、二酸化珪素マスクのエッチングレートに対する炭化珪素基板のエッチングレートの比、即ち、（炭化珪素基板のエッチングレート）／（二酸化珪素マスクのエッチングレート）で定義されるものである。但し、二酸化珪素マスクのエッチングレートは、エッチング処理前の厚さとエッチング処理後の厚さを基に算出するものであるが、二酸化珪素マスク上に保護膜が形成されている場合には、その形成されている保護膜の厚さも含めたものをエッチング処理後の二酸化珪素マスクの厚さとして用いて算出するものとする。また、本願においては、上述したように、二酸化珪素マスクのエッチングが見かけ上停止する、或いは、二酸化珪素マスクの量が見かけ上増加するような場合のマスク選択比を、便宜上、「無限大」と表現する。 The “mask selection ratio” in the present application is defined by the ratio of the etching rate of the silicon carbide substrate to the etching rate of the silicon dioxide mask, that is, (silicon carbide substrate etching rate) / (silicon dioxide mask etching rate). Is. However, the etching rate of the silicon dioxide mask is calculated based on the thickness before the etching process and the thickness after the etching process. If a protective film is formed on the silicon dioxide mask, the etching rate is formed. The calculated value including the thickness of the protective film is used as the thickness of the silicon dioxide mask after the etching process. In the present application, as described above, the mask selection ratio when the etching of the silicon dioxide mask is apparently stopped or the amount of the silicon dioxide mask is apparently increased is, for convenience, “infinity”. Express.
また、本願における「ラウンド度」は、図２に示すように、エッチング構造Ｔの側壁における直線部分の下端を通る基準線ＳＬとエッチング構造底面ＴＢとの間の距離Δｄに相当し、基準線ＳＬよりもエッチング構造底面ＴＢが下方にある場合（図２左図参照）が「＋」、上方にある場合（図２右図参照）が「−」として定義されるものである。尚、ラウンド度が「＋」である場合は、エッチング構造底部がラウンド化していることを意味し、ラウンド度が「−」である場合は、サブトレンチが発生していることを意味する。 Further, as shown in FIG. 2, the “round degree” in the present application corresponds to the distance Δd between the reference line SL passing through the lower end of the straight line portion on the side wall of the etching structure T and the etching structure bottom surface TB, and the reference line SL. If the bottom surface TB of the etching structure is below (see the left figure in FIG. 2), it is defined as “+”, and if it is above (see the right figure in FIG. 2), it is defined as “−”. If the round degree is “+”, it means that the bottom of the etching structure is rounded, and if the round degree is “−”, it means that a sub-trench is generated.
上記炭化珪素半導体素子の製造方法によれば、サブトレンチのない、底部がラウンド化されたエッチング構造を形成できるだけでなく、マスク選択比を従来よりも格段に高くすることができる。 According to the above method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, not only a sub-trench-free etching structure with a rounded bottom can be formed, but also the mask selectivity can be made much higher than before.
以下、本発明の具体的な実施形態について、添付図面に基づき説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図３は、本発明の一実施形態に係る炭化珪素半導体素子の製造方法を実施するのに用いるエッチング装置１の概略構成を示した図である。 FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of etching apparatus 1 used for carrying out the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to one embodiment of the present invention.
前記エッチング装置１は、閉塞空間を有する処理チャンバ１１と、この処理チャンバ１１内に昇降自在に配設され、炭化珪素基板Ｋが載置される基台１５と、この基台１５を昇降させる昇降シリンダ１９と、処理チャンバ１１内にエッチングガス、保護膜形成ガス及び不活性ガスを供給するガス供給装置２０と、処理チャンバ１１内に供給されたエッチングガス、保護膜形成ガス及び不活性ガスをプラズマ化するプラズマ生成装置３０と、基台１５に高周波電力を供給する高周波電源３５と、処理チャンバ１１内の圧力を減圧する排気装置４０と、基台１５及び基台１５に載置された炭化珪素基板Ｋの温度を調整する温度調整装置５０とから構成される。 The etching apparatus 1 includes a processing chamber 11 having a closed space, a base 15 on which the silicon carbide substrate K is placed, and a lift 15 that moves the base 15 up and down. A cylinder 19, a gas supply device 20 for supplying an etching gas, a protective film forming gas, and an inert gas into the processing chamber 11, and an etching gas, a protective film forming gas, and an inert gas supplied into the processing chamber 11 as plasma Plasma generator 30 to be converted, high-frequency power supply 35 for supplying high-frequency power to base 15, exhaust device 40 for reducing the pressure in processing chamber 11, and silicon carbide placed on base 15 and base 15 And a temperature adjusting device 50 for adjusting the temperature of the substrate K.
前記処理チャンバ１１は、相互に連通した内部空間を有する上チャンバ１２及び下チャンバ１３から構成され、上チャンバ１２は、下チャンバ１３よりもその内径が小径となるように形成される。 The processing chamber 11 includes an upper chamber 12 and a lower chamber 13 having internal spaces communicating with each other. The upper chamber 12 is formed so that the inner diameter thereof is smaller than that of the lower chamber 13.
図４に示すように、前記基台１５は、小径部１６ａ及びこの小径部１６ａの下側に設けられ、外周部が外側に張り出した大径部１６ｂからなる円板状の基台本体１６と、当該基台本体１６の小径部１６ａ上に設けられ、上面に炭化珪素基板Ｋを保持する静電チャック１７と、大径部１６ｂの外周部上面に設けられ、環内部に小径部１６ａ及び静電チャック１７が配置される環状部材１８とから構成され、下チャンバ１３内に配置されている。前記基台本体１６は、その下面に昇降シリンダ１９が接続され、当該基台本体１６の内部には、後述する温度調整装置５０によって熱媒体が供給される空間１６ｃが形成されている。また、前記静電チャック１７は、電極板を一対の絶縁層で挟み込んだものであり、電極板に適宜電圧を印加することにより、炭化珪素基板Ｋが静電チャック１７上に吸着保持される。 As shown in FIG. 4, the base 15 is provided with a small-diameter portion 16a and a disk-shaped base body 16 having a large-diameter portion 16b provided on the lower side of the small-diameter portion 16a and having an outer peripheral portion protruding outward. The electrostatic chuck 17 is provided on the small-diameter portion 16a of the base body 16 and holds the silicon carbide substrate K on the upper surface, and is provided on the outer peripheral portion upper surface of the large-diameter portion 16b. It is composed of an annular member 18 on which the electric chuck 17 is disposed, and is disposed in the lower chamber 13. A lift cylinder 19 is connected to the lower surface of the base body 16, and a space 16 c in which a heat medium is supplied by a temperature adjusting device 50 described later is formed inside the base body 16. The electrostatic chuck 17 has an electrode plate sandwiched between a pair of insulating layers, and the silicon carbide substrate K is attracted and held on the electrostatic chuck 17 by appropriately applying a voltage to the electrode plate.
前記ガス供給装置２０は、エッチングガスとして、ＳＦ６ガスを供給するＳＦ６ガス供給部２１と、保護膜形成ガスとして、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスをそれぞれ供給するＳｉＦ４ガス供給部２２及びＯ２ガス供給部２３と、不活性ガスとして、例えば、Ａｒガスなどを供給する不活性ガス供給部２４と、一端が上チャンバ１２の上面に接続し、他端が分岐して前記ＳＦ６ガス供給部２１、ＳｉＦ４ガス供給部２２、Ｏ２ガス供給部２３及び不活性ガス供給部２４にそれぞれ接続した供給管２５とを備えており、ＳＦ６ガス供給部２１、ＳｉＦ４ガス供給部２２、Ｏ２ガス供給部２３及び不活性ガス供給部２４から供給管２５を介して、処理チャンバ１１内にＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス及び不活性ガスを供給する。 The gas supply apparatus 20, as the etching gas, SF 6 and SF 6 gas supply unit 21 for supplying a gas, as a protective film forming gas, SiF 4 gas and O 2 gas SiF supplies respective fourth gas supply unit 22 and the O a second gas supply unit 23, as the inert gas, for example, an inert gas supply unit 24 supplies such as Ar gas, one end is connected to the upper surface of the upper chamber 12, the SF 6 gas supply and the other end branches Unit 21, SiF 4 gas supply unit 22, O 2 gas supply unit 23 and supply pipe 25 connected to inert gas supply unit 24. SF 6 gas supply unit 21, SiF 4 gas supply unit 22, SF 6 gas, SiF 4 gas, O 2 gas, and inert gas are supplied into the processing chamber 11 from the O 2 gas supply unit 23 and the inert gas supply unit 24 through the supply pipe 25.
前記プラズマ生成装置３０は、所謂誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を生成する装置であって、上チャンバ１２に配設された環状のコイル３１と、当該コイル３１に高周波電力を供給する高周波電源３２とから構成され、高周波電源３２によってコイル３１に高周波電力を供給することで、上チャンバ１２内に供給されたＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス及び不活性ガスをプラズマ化する。 The plasma generation device 30 is a device that generates so-called inductively coupled plasma (ICP), and includes an annular coil 31 disposed in the upper chamber 12 and a high-frequency power source 32 that supplies high-frequency power to the coil 31. The SF 6 gas, the SiF 4 gas, the O 2 gas, and the inert gas supplied into the upper chamber 12 are turned into plasma by supplying high frequency power to the coil 31 by the high frequency power source 32.
また、前記高周波電源３５は、前記基台１５に高周波電力を供給することで、基台１５とプラズマとの間にバイアス電位を与え、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス及び不活性ガスのプラズマ化により生成されたイオンを、基台１５上に載置された炭化珪素基板Ｋに入射させる。尚、基台１５に供給する高周波電力の大きさは、２００Ｗ以上８００Ｗ以下程度であることが好ましい。 The high-frequency power source 35 supplies high-frequency power to the base 15 to give a bias potential between the base 15 and the plasma, and SF 6 gas, SiF 4 gas, O 2 gas, and inert gas. The ions generated by the plasma generation are made incident on the silicon carbide substrate K placed on the base 15. In addition, it is preferable that the magnitude | size of the high frequency electric power supplied to the base 15 is about 200W or more and 800W or less.
前記排気装置４０は、気体を排気する真空ポンプ４１と、一端が前記真空ポンプ４１に接続し、他端が下チャンバ１３の側面に接続した排気管４２とからなり、この排気管４２を介して、真空ポンプ４１が前記処理チャンバ１１内の気体を排気し、処理チャンバ１１内部を所定圧力に維持する。 The exhaust device 40 includes a vacuum pump 41 for exhausting gas, and an exhaust pipe 42 having one end connected to the vacuum pump 41 and the other end connected to a side surface of the lower chamber 13. The vacuum pump 41 exhausts the gas in the processing chamber 11 and maintains the inside of the processing chamber 11 at a predetermined pressure.
前記温度調整装置５０は、熱媒体を利用して、基台１５及び炭化珪素基板Ｋの温度を調整する装置であり、図４に示すように、一端が分岐し、その分岐した各端部が、載置される炭化珪素基板Ｋの裏面と対向するように基台１５に接続した第１供給管５１と、一端が前記基台本体１６に形成された空間１６ｃに接続した２本の第２供給管５２と、前記第１供給管５１の他端に接続した第１媒体供給部５３と、前記第２供給管５２の他端に接続した第２媒体供給部５４とから構成されている。尚、本例においては、第１媒体供給部５３から供給された熱媒体が前記第１供給管５１を介して、前記静電チャック１７の上面と炭化珪素基板Ｋの裏面との間に供給されるようにしている。また、第２媒体供給部５４から供給された熱媒体が前記第２供給管５２の一方を介して前記空間１６ｃ内に供給され、空間１６ｃに供給された熱媒体が他方の第２供給管５２を介して第２媒体供給部５４に戻る構成とし、温度管理された熱媒体が図４に図示した矢印方向に循環するようにしている。 The temperature adjusting device 50 is a device that adjusts the temperature of the base 15 and the silicon carbide substrate K using a heat medium. As shown in FIG. 4, one end is branched, and each branched end is The first supply pipe 51 connected to the base 15 so as to face the back surface of the silicon carbide substrate K to be placed, and two second ones connected at one end to the space 16c formed in the base body 16. A supply pipe 52, a first medium supply part 53 connected to the other end of the first supply pipe 51, and a second medium supply part 54 connected to the other end of the second supply pipe 52 are configured. In this example, the heat medium supplied from the first medium supply unit 53 is supplied between the upper surface of the electrostatic chuck 17 and the back surface of the silicon carbide substrate K via the first supply pipe 51. I try to do it. Further, the heat medium supplied from the second medium supply unit 54 is supplied into the space 16 c via one of the second supply pipes 52, and the heat medium supplied to the space 16 c is the other second supply pipe 52. The heat medium whose temperature is controlled is circulated in the direction of the arrow shown in FIG.
この温度調整装置５０によれば、前記第１媒体供給部５３及び第２媒体供給部５４から炭化珪素基板Ｋを所望の温度に調整するために必要な熱媒体を適宜供給することで、炭化珪素基板Ｋを所定の温度に調整することができる。尚、第１媒体供給部５３及び第２媒体供給部５４から供給する熱媒体の種類は特に限定されるものではなく、また、各媒体供給部５３，５４から異なる熱媒体を供給するように構成しても良い。また、図示しないが、基台本体１６をヒータで加熱するようにしても良い。尚、この場合、ヒータは、基台本体１６の内部又は表面に取り付ければ良い。 According to this temperature adjustment device 50, silicon carbide is appropriately supplied by supplying a heat medium necessary for adjusting the silicon carbide substrate K to a desired temperature from the first medium supply unit 53 and the second medium supply unit 54. The substrate K can be adjusted to a predetermined temperature. The type of heat medium supplied from the first medium supply unit 53 and the second medium supply unit 54 is not particularly limited, and is configured to supply different heat media from the medium supply units 53 and 54. You may do it. Although not shown, the base body 16 may be heated with a heater. In this case, the heater may be attached to the inside or the surface of the base body 16.
例えば、第１媒体供給源５３から熱媒体たる冷却ガスとしてＨｅガスを供給するとともに、第２媒体供給部５４からフッ素系不活性流体や純水などを供給する。 For example, He gas is supplied from the first medium supply source 53 as a cooling gas as a heat medium, and a fluorine-based inert fluid, pure water, or the like is supplied from the second medium supply unit 54.
次に、以上のように構成されたエッチング装置１を用いて、炭化珪素基板Ｋに対してエッチング処理を施し、当該炭化珪素基板Ｋにエッチング構造Ｔを形成する過程を説明する。 Next, a process of performing an etching process on silicon carbide substrate K using etching apparatus 1 configured as described above and forming etching structure T on silicon carbide substrate K will be described.
尚、エッチング処理に先立って、炭化珪素基板Ｋの表面には、任意の方法で二酸化珪素マスクＭを形成した後、所定の幅の開口部を備えたマスクパターンを形成する。二酸化珪素マスクＭを形成する方法としては、例えば、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）や物理気相蒸着法（ＰＶＤ）などの蒸着法を例示することができる。 Prior to the etching process, a silicon dioxide mask M is formed on the surface of the silicon carbide substrate K by an arbitrary method, and then a mask pattern having an opening with a predetermined width is formed. Examples of the method for forming the silicon dioxide mask M include vapor deposition methods such as chemical vapor deposition (CVD) and physical vapor deposition (PVD).
炭化珪素基板Ｋに対するエッチング処理においては、まず、炭化珪素基板Ｋを処理チャンバ１１内に搬入して基台１５上に載置し、前記温度調整装置５０によって、炭化珪素基板Ｋの温度を４０℃以上１８０℃以下の範囲内の所定温度となるように調整し、炭化珪素基板Ｋの温度が平衡状態になるまで待機する。 In the etching process for silicon carbide substrate K, first, silicon carbide substrate K is carried into processing chamber 11 and placed on base 15, and temperature of silicon carbide substrate K is set to 40 ° C. by temperature adjusting device 50. It adjusts so that it may become the predetermined temperature in the range below 180 degreeC, and waits until the temperature of the silicon carbide substrate K will be in an equilibrium state.
ついで、上記所定の温度で平衡状態に達した炭化珪素基板Ｋをエッチングする。具体的には、前記各ガス供給部２１，２２，２３，２４から処理チャンバ１１内にＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス、Ｏ２ガス及びＡｒガスをそれぞれ供給し、高周波電源３２によってコイル３１に高周波電力を印加し、処理チャンバ１１内に供給した各ガスをプラズマ化する。また、高周波電源３５によって基台１５に高周波電力を印加する。 Next, the silicon carbide substrate K that has reached an equilibrium state at the predetermined temperature is etched. Specifically, SF 6 gas, SiF 4 gas, O 2 gas, and Ar gas are respectively supplied from the gas supply units 21, 22, 23, and 24 into the processing chamber 11, and a high frequency power source 32 supplies high frequency to the coil 31. Electric power is applied to plasma each gas supplied into the processing chamber 11. Further, high frequency power is applied to the base 15 by the high frequency power source 35.
本実施形態においては、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスの総流量に対するＳｉＦ４ガスの添加割合、具体的に言えば、ＳＦ６ガスの供給流量、ＳｉＦ４ガスの供給流量及びＯ２ガスの供給流量を合計した総流量に占めるＳｉＦ４ガスの供給流量の割合が３０％以上５０％以下となるように、各ガスの供給流量を設定した上で、各ガスを処理チャンバ１１内に供給するようにしている。 In the present embodiment, the ratio of addition of SiF 4 gas to the total flow rate of SF 6 gas, SiF 4 gas and O 2 gas, specifically speaking, the supply flow rate of SF 6 gas, the supply flow rate of SiF 4 gas, and O 2 After setting the supply flow rate of each gas so that the ratio of the supply flow rate of the SiF 4 gas to the total flow rate of the total gas supply flow rate is 30% or more and 50% or less, each gas is put into the processing chamber 11. I am trying to supply.
そして、ＳＦ６ガス及びＳｉＦ４ガスのプラズマ化により生成したフッ素イオンやエッチング種（例えば、フッ素ラジカル）によって炭化珪素基板Ｋがエッチングされる。また、Ｏ２ガスのプラズマ化により生成した保護膜形成種（Ｏ）が、炭化珪素基板Ｋがイオンによってスパッタリングされることで生じた保護膜形成種（Ｓｉ）、炭化珪素基板Ｋのエッチングによって生成したシリコン原子を含む反応生成物（ＳｉＦ４）に由来する保護膜形成種（Ｓｉ）、及びＳｉＦ４ガスに由来する保護膜形成種（Ｓｉ）と反応して、炭化珪素基板Ｋ及び二酸化珪素マスクＭに保護膜Ｈが形成される。このとき、エッチング構造Ｔの開口部に保護膜Ｈからなる庇Ｈ１が形成されつつ、炭化珪素基板Ｋの異方性エッチングが進行するため、図１（ｃ）に示すようなサブトレンチのない高ラウンド度を有したエッチング構造Ｔが当該炭化珪素基板Ｋに形成される。 Then, silicon carbide substrate K is etched by fluorine ions or etching species (for example, fluorine radicals) generated by converting SF 6 gas and SiF 4 gas into plasma. In addition, the protective film forming species (O) generated by converting the O 2 gas into plasma is generated by etching the silicon carbide substrate K and the protective film forming species (Si) generated by sputtering the silicon carbide substrate K with ions. The silicon carbide substrate K and the silicon dioxide mask react with the protective film forming species (Si) derived from the reaction product (SiF 4 ) containing silicon atoms and the protective film forming species (Si) derived from the SiF 4 gas. A protective film H is formed on M. At this time, the anisotropic etching of the silicon carbide substrate K proceeds while the ridge H1 made of the protective film H is formed in the opening of the etching structure T, so that a high height without a sub-trench as shown in FIG. Etching structure T having a round degree is formed in silicon carbide substrate K.
また、上記のようにして炭化珪素基板Ｋにエッチング処理を施す場合、マスク選択比の極めて高いエッチング処理ができるため、高アスペクト比のエッチング構造Ｔを形成することが可能である。 Further, when the silicon carbide substrate K is subjected to the etching process as described above, an etching process having an extremely high mask selectivity can be performed, so that an etching structure T having a high aspect ratio can be formed.
このように、炭化珪素基板Ｋに形成されるエッチング構造Ｔの形状がサブトレンチのない高ラウンド度を有した形状となり、且つマスク選択比が極めて高くなる理由について以下説明する。 The reason why the shape of the etching structure T formed in the silicon carbide substrate K has a high roundness without a sub-trench and the mask selectivity is extremely high will be described below.
本例の炭化珪素半導体素子の製造方法においては、炭化珪素基板Ｋをエッチングする際に、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスを同時に供給して各ガスをプラズマ化するようにしている。これにより、炭化珪素基板Ｋからスパッタリングによって物理的に解離した保護膜形成種（Ｓｉ）や炭化珪素基板Ｋのエッチングによって生成したシリコン原子を含む反応生成物（ＳｉＦ４）に由来する保護膜形成種（Ｓｉ）と、Ｏ２ガスに由来する保護膜形成種（Ｏ）との化学反応だけでなく、ＳｉＦ４ガスに由来する保護膜形成種（Ｓｉ）とＯ２ガスに由来する保護膜形成種（Ｏ）との化学反応によっても保護膜Ｈが形成される。 In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element of this example, when the silicon carbide substrate K is etched, SF 6 gas, SiF 4 gas and O 2 gas are simultaneously supplied to turn each gas into plasma. Thus, a protective film forming species (Si) physically dissociated from the silicon carbide substrate K by sputtering or a protective film forming species derived from a reaction product (SiF 4 ) containing silicon atoms generated by etching the silicon carbide substrate K. and (Si), not only the chemical reaction with the protective film forming species derived from the O 2 gas (O), the protective film forming species derived protective film forming species derived from SiF 4 gas (Si) to the O 2 gas The protective film H is also formed by a chemical reaction with (O).
そして、本例の炭化珪素半導体素子の製造方法においては、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下にするとともに、炭化珪素基板Ｋを４０℃以上１８０℃以下に調整するようにしているため、二酸化珪素マスクＭの上部に適度な量の保護膜Ｈが形成され、これが庇Ｈ１となり、二酸化珪素マスクＭに形成された開口部の幅が狭くなる。 And in the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor element of this example, while adding the SiF 4 gas addition ratio to 30% or more and 50% or less, the silicon carbide substrate K is adjusted to 40 ° C. or more and 180 ° C. or less. Therefore, an appropriate amount of the protective film H is formed on the upper portion of the silicon dioxide mask M, which becomes the ridge H1, and the width of the opening formed in the silicon dioxide mask M is narrowed.
これにより、庇Ｈ１によってエッチング構造Ｔ内へのイオンなどの進入が物理的に阻害されているか、庇Ｈ１がチャージされることによりイオンの進行方向が曲げられることで、電界が集中し易いエッチング構造Ｔの交差部Ｔ１に対してはイオンなどが作用し難くなっているか、又はその両方の効果が生じ、当該交差部Ｔ１のエッチングが抑えられると考えられる。一方、エッチング構造Ｔにおける底面の中央部Ｔ２は、交差部Ｔ１と比較してイオンなどが作用し易くなるため、相対的にエッチングされ易くなる。したがって、交差部Ｔ１よりも中央部Ｔ２の方が多くエッチングされ、その結果、底部がラウンド化され、サブトレンチの発生していないエッチング構造Ｔが形成する（図１参照）。 Thereby, the entry of ions or the like into the etching structure T is physically hindered by 庇 H1, or the traveling direction of ions is bent by charging 庇 H1, so that the electric field tends to concentrate. It is considered that ions or the like do not easily act on the intersection T1 of T, or the effects of both occur, and the etching of the intersection T1 is suppressed. On the other hand, the center portion T2 of the bottom surface in the etching structure T is more easily etched because ions and the like are more likely to act than the intersection portion T1. Therefore, the central portion T2 is etched more than the intersecting portion T1, and as a result, the bottom portion is rounded to form an etching structure T in which no sub-trench is generated (see FIG. 1).
また、ＳｉＦ４ガスの添加割合、及び炭化珪素基板Ｋの温度を上記所定の範囲内としたことで、マスク選択比が従来よりも極めて高くなっている。これは、以下に述べる理由によるものと考えられる。 In addition, the mask selection ratio is much higher than before because the addition ratio of the SiF 4 gas and the temperature of the silicon carbide substrate K are within the predetermined ranges. This is considered to be due to the reason described below.
即ち、保護膜Ｈは、保護膜形成種たるＳｉとＯとで形成された酸化珪素系の成分が炭化珪素基板Ｋや二酸化珪素マスクＭに付着することで形成されるが、酸化珪素系の成分が付着する炭化珪素基板Ｋや二酸化珪素マスクＭの温度によって、ＳｉとＯとの結合の強さが変化し、形成される保護膜Ｈの密度が変化する。また、保護膜Ｈの形成量は、ＳｉＦ４ガスの添加割合によって変化する。 That is, the protective film H is formed by attaching a silicon oxide based component formed of Si and O, which are protective film forming species, to the silicon carbide substrate K and the silicon dioxide mask M. Depending on the temperature of the silicon carbide substrate K and the silicon dioxide mask M to which the silicon adheres, the strength of the bond between Si and O changes, and the density of the formed protective film H changes. Further, the amount of the protective film H formed varies depending on the addition ratio of the SiF 4 gas.
したがって、ＳｉＦ４ガスの添加割合を上記所定の範囲内とすることで、保護膜Ｈが過不足なく形成されるようになり、炭化珪素基板Ｋの温度を上記所定の範囲内とすることで、保護膜Ｈが適度な密度となる。その結果、二酸化珪素マスクＭのエッチングレートが低下する、或いは形成される保護膜Ｈの量とエッチングにより除去される保護膜Ｈの量とがほぼ同量となって、二酸化珪素マスクＭのエッチングが見かけ上停止する、場合によっては、形成される保護膜Ｈの量が除去される保護膜Ｈの量よりも多くなり、二酸化珪素マスクＭの量が見かけ上増加するため、マスク選択比が従来よりも極めて高くなっていると考えられる。 Therefore, by setting the addition ratio of the SiF 4 gas within the predetermined range, the protective film H can be formed without excess and deficiency, and by setting the temperature of the silicon carbide substrate K within the predetermined range, The protective film H has an appropriate density. As a result, the etching rate of the silicon dioxide mask M decreases, or the amount of the protective film H to be formed and the amount of the protective film H removed by the etching become substantially the same, and the etching of the silicon dioxide mask M is performed. In some cases, the amount of the protective film H to be formed is larger than the amount of the protective film H to be removed, and the amount of the silicon dioxide mask M is apparently increased. Is considered to be extremely high.
そして、上記のように、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下にするとともに、炭化珪素基板Ｋを４０℃以上１８０℃以下に調整するようにしているのは、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果見出した新たな知見に基づいている。 Then, as described above, with the addition rate of SiF 4 gas to 50% or less than 30% of the silicon carbide substrate K is to be adjusted to below 180 ° C. 40 ° C. or higher, the present inventors This is based on new knowledge found as a result of extensive research.
即ち、本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とした場合、炭化珪素基板Ｋの温度とマスク選択比との間に、炭化珪素基板Ｋの温度が４０℃以上１８０℃以下の範囲内においてマスク選択比の極大値が存在する非線形の関係があるという新たな知見を見出した。そこで、本願発明者らは、この知見を基にして、マスク選択比の極大値を含むように、炭化珪素基板Ｋの温度を４０℃以上１８０℃以下に調整するようにしている。つまり、ＳｉＦ４ガスの添加割合と炭化珪素基板Ｋの温度とを上記所定の範囲内にすることは、上記知見を得て初めてなし得ることであると考えられる。 That is, as a result of intensive research, the inventors of the present application have determined that a silicon carbide substrate between the temperature of the silicon carbide substrate K and the mask selection ratio when the SiF 4 gas addition ratio is 30% or more and 50% or less. A new finding has been found that there is a non-linear relationship in which the maximum value of the mask selection ratio exists within a temperature range of 40 ° C. to 180 ° C. Therefore, the inventors of the present application adjust the temperature of the silicon carbide substrate K to 40 ° C. or more and 180 ° C. or less so as to include the maximum value of the mask selection ratio based on this knowledge. That is, it is considered that the addition of the SiF 4 gas and the temperature of the silicon carbide substrate K can be achieved only after obtaining the above knowledge.
次に、本願発明者らが行った実験について説明する。具体的に言うと、本願発明者らは、ＳｉＦ４ガスの添加割合及び炭化珪素基板Ｋの温度を変えて、二酸化珪素マスクＭが形成された炭化珪素基板Ｋにエッチング処理を施す実験を行った。尚、各実験においては、コイルの印加電力を２０００Ｗ、基台に印加するバイアス電力を４００Ｗ、処理チャンバ１１内の圧力を１．０Ｐａとし、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスと同時に、不活性ガスたるＡｒガスを１５０ｓｃｃｍの流量で供給するようにした。 Next, experiments conducted by the inventors will be described. Specifically, the inventors of the present application conducted an experiment in which the silicon carbide substrate K on which the silicon dioxide mask M was formed was subjected to an etching process by changing the SiF 4 gas addition ratio and the temperature of the silicon carbide substrate K. . In each experiment, the applied power of the coil is 2000 W, the bias power applied to the base is 400 W, the pressure in the processing chamber 11 is 1.0 Pa, and simultaneously with the SF 6 gas, SiF 4 gas, and O 2 gas, Ar gas as an inert gas was supplied at a flow rate of 150 sccm.
図５は、炭化珪素基板Ｋの温度を１３０℃とし、ＳｉＦ４ガスの添加割合が１６．７％から５０．０％となるようにＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスの供給流量を設定した場合の実験結果をまとめた表であり、ＳｉＦ４ガスの添加割合が１６．７％の場合が比較例１、２８．６％の場合が比較例２、４０．０％の場合が実施例１、４５．５％の場合が実施例２、５０．０％の場合が実施例３である。 FIG. 5 shows the supply flow rates of SF 6 gas, SiF 4 gas, and O 2 gas so that the temperature of the silicon carbide substrate K is 130 ° C., and the addition ratio of SiF 4 gas is 16.7% to 50.0%. a table summarizing the experimental results of setting, when the case when the addition ratio of SiF 4 gas is 16.7% of Comparative example 1,28.6% of Comparative example 2,40.0% is carried The case of Example 1, 45.5% is Example 2, and the case of 50.0% is Example 3.
同図から分かるように、炭化珪素基板Ｋの温度が１３０℃、即ち、炭化珪素基板Ｋの温度が４０℃以上１８０℃以下の範囲内である場合、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％より小さいと、形成されるエッチング構造Ｔにサブトレンチが発生する。一方、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％以上の場合には、サブトレンチのない高ラウンド度を有したエッチング構造Ｔが形成される。尚、ＳｉＦ４ガスの添加割合を５０％より大きくした場合には、エッチングが正常に進行しなくなったが、これは保護膜Ｈが過剰に形成されたためだと考えられる。また、同図に示すように、ＳｉＦ４ガスの添加割合が多くなると、ＳｉＣのエッチングレートはやや低くなる傾向にあるが、ＳｉＦ４ガスの添加割合の違いにより生じるエッチングレートの差は僅かであり、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％以上５０％以下においても、そのエッチングレートは十分に実用的な値となっている。 As can be seen from the figure, when the temperature of the silicon carbide substrate K is 130 ° C., that is, when the temperature of the silicon carbide substrate K is in the range of 40 ° C. or more and 180 ° C. or less, the addition ratio of SiF 4 gas is less than 30%. Then, a sub-trench is generated in the etching structure T to be formed. On the other hand, when the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or more, an etching structure T having a high roundness without a sub-trench is formed. In addition, when the addition ratio of SiF 4 gas was larger than 50%, the etching did not proceed normally. This is considered to be because the protective film H was formed excessively. Also, as shown in the figure, as the SiF 4 gas addition ratio increases, the SiC etching rate tends to be slightly lower, but the difference in the etching rate caused by the difference in the SiF 4 gas addition ratio is slight. Even when the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or more and 50% or less, the etching rate is a sufficiently practical value.
図６は実施例１、図７は比較例２で実際に形成された各エッチング構造Ｔを示す写真である。図６から分かるように、実施例１では二酸化珪素マスクＭに庇Ｈ１が形成されており、エッチング構造Ｔがサブトレンチのない高ラウンド度を有した形状となっている。これに対して、比較例２では二酸化珪素マスクＭに庇Ｈ１が形成されておらず、エッチング構造Ｔには大きなサブトレンチが形成されている（図７参照）。このように、ＳｉＦ４ガスの添加割合によって、形成されるエッチング構造Ｔの形状に差異が生じるのは、上述したように、庇Ｈ１の形成の有無がエッチング構造Ｔ底部のラウンド化に影響与えるためである。 FIG. 6 is a photograph showing each etching structure T actually formed in Example 1, and FIG. 7 is Comparative Example 2. As can be seen from FIG. 6, in Example 1, the ridge H1 is formed on the silicon dioxide mask M, and the etching structure T has a shape having a high roundness without a sub-trench. On the other hand, in Comparative Example 2, the ridge H1 is not formed in the silicon dioxide mask M, and a large sub-trench is formed in the etching structure T (see FIG. 7). As described above, the difference in the shape of the etching structure T to be formed depends on the addition ratio of the SiF 4 gas because the presence or absence of the ridge H1 affects the rounding of the bottom of the etching structure T as described above. It is.
図８は、炭化珪素基板Ｋの温度を１９０℃とし、ＳｉＦ４ガスの添加割合が２８．６％から５０．０％となるようにＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスの供給流量を設定した場合の実験結果をまとめた表である。尚、ＳｉＦ４ガスの添加割合が２８．６％の場合が比較例３、４０．０％の場合が比較例４、４５．５％の場合が比較例５、５０．０％の場合が比較例６である。 In FIG. 8, the temperature of the silicon carbide substrate K is 190 ° C., and the supply flow rates of SF 6 gas, SiF 4 gas, and O 2 gas are set so that the addition ratio of SiF 4 gas is 28.6% to 50.0%. It is the table | surface which put together the experimental result at the time of setting. In addition, the case where the addition ratio of SiF 4 gas is 28.6% is Comparative Example 3, the case of 40.0% is Comparative Example 4, the case of 45.5% is the case of Comparative Example 5, and the case of 50.0% is a comparison. Example 6.
同図から分かるように、炭化珪素基板Ｋの温度が４０℃以上１８０℃以下の範囲外であっても、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％以上であると、サブトレンチの発生が抑えられている。 As can be seen from the figure, even when the temperature of the silicon carbide substrate K is outside the range of 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, the generation of sub-trench is suppressed when the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or higher. Yes.
しかしながら、図５に示した実施例１〜３と、図８に示した比較例４〜６とを比較すると、両者はともに、サブトレンチの発生が抑えられているものの、炭化珪素基板Ｋの温度が異なることによって、マスク選択比の値に大きな差が生じていることが分かる。即ち、実施例１〜３では、いずれもマスク選択比が無限大となるのに対し、比較例４〜６では、それぞれ２７．０、３７．９、６１．２となっており、ＳｉＦ４ガスの添加割合が同じである場合、炭化珪素基板Ｋの温度が低い方でマスク選択比が高くなっている。 However, when Examples 1 to 3 shown in FIG. 5 and Comparative Examples 4 to 6 shown in FIG. 8 are compared with each other, the occurrence of sub-trench is suppressed, but the temperature of silicon carbide substrate K is reduced. It can be seen that there is a large difference in the value of the mask selection ratio due to the difference in. That is, in Examples 1 to 3, the mask selection ratio is infinite, whereas in Comparative Examples 4 to 6, they are 27.0, 37.9, and 61.2, respectively, and SiF 4 gas. When the addition ratio is the same, the mask selection ratio is higher when the temperature of the silicon carbide substrate K is lower.
図９は、比較例４で形成されたエッチング構造Ｔを示す写真であるが、同図に示した比較例４と図６に示した実施例１とを比較すると、両者ともにＳｉＦ４ガスの添加割合が４０％であるにもかかわらず、マスク選択比の違いが、保護膜Ｈからなる庇Ｈ１の大きさ及び形状の違いとして現れている。 FIG. 9 is a photograph showing the etching structure T formed in Comparative Example 4. When Comparative Example 4 shown in FIG. 6 is compared with Example 1 shown in FIG. 6, the addition of SiF 4 gas in both cases is shown. Even though the ratio is 40%, the difference in the mask selection ratio appears as a difference in the size and shape of the ridge H1 made of the protective film H.
そこで、本願発明者らは、炭化珪素基板Ｋの温度とマスク選択比との関係をより詳細に検討するために、ＳｉＦ４ガスの添加割合を４０．０％とした場合と、２８．６％とした場合とについて、それぞれ炭化珪素基板Ｋの温度を変化させて炭化珪素基板Ｋにエッチング処理を施す実験を行った。尚、コイルの印加電力、基台に印加するバイアス電力、処理チャンバ１１内の圧力、Ａｒガスの供給流量については、上記と同じ条件で行った。 Therefore, in order to examine the relationship between the temperature of the silicon carbide substrate K and the mask selection ratio in more detail, the inventors of the present application set the SiF 4 gas addition ratio to 40.0% and 28.6%. In each case, an experiment was performed in which the temperature of the silicon carbide substrate K was changed and the silicon carbide substrate K was etched. The coil application power, the bias power applied to the base, the pressure in the processing chamber 11 and the Ar gas supply flow rate were the same as described above.
図１０は、ＳｉＦ４ガスの添加割合が２８．６％である場合の結果をまとめた表であり、炭化珪素基板Ｋの温度が１５５℃の場合が比較例７であり、比較例２及び３は上記と同一である。また、図１１は、ＳｉＦ４ガスの添加割合が４０．０％である場合の結果をまとめた表であり、炭化珪素基板Ｋの温度が１００℃の場合が実施例４、１５５℃の場合が実施例５であり、実施例１及び比較例４は上記と同一である。 FIG. 10 is a table summarizing the results when the addition ratio of SiF 4 gas is 28.6%. Comparative Example 7 shows the case where the temperature of the silicon carbide substrate K is 155 ° C. Comparative Examples 2 and 3 Is the same as above. FIG. 11 is a table summarizing the results when the addition ratio of SiF 4 gas is 40.0%. The case where the temperature of the silicon carbide substrate K is 100 ° C. is the case of Example 4, 155 ° C. Example 5 and Example 1 and Comparative Example 4 are the same as described above.
図１０から分かるように、ＳｉＦ４ガスの添加割合が２８．６％である場合には、炭化珪素基板Ｋの温度が高くなるにつれて、マスク選択比は緩やかに高くなっており、炭化珪素基板Ｋの温度とマスク選択比とは線形関係にある。 As can be seen from FIG. 10, when the addition ratio of SiF 4 gas is 28.6%, the mask selection ratio increases gradually as the temperature of silicon carbide substrate K increases, and silicon carbide substrate K The temperature and the mask selection ratio have a linear relationship.
これに対して、ＳｉＦ４ガスの添加割合が４０．０％である場合には、図１１に示すように、実施例４よりも実施例１の方がマスク選択比は高くなっているが、実施例１よりも実施例５の方が、マスク選択比は低くなっており、炭化珪素基板Ｋの温度とマスク選択比との間には、炭化珪素基板Ｋの温度がおよそ１３０℃付近でマスク選択比が極大値となる非線形関係がある。 On the other hand, when the SiF 4 gas addition ratio is 40.0%, as shown in FIG. 11, the mask selection ratio in Example 1 is higher than that in Example 4, In the fifth embodiment, the mask selection ratio is lower than in the first embodiment, and the temperature of the silicon carbide substrate K is approximately 130 ° C. between the temperature of the silicon carbide substrate K and the mask selection ratio. There is a non-linear relationship in which the selection ratio becomes a maximum value.
つまり、本願発明者らの実験によって、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％より小さい場合と、３０％以上の場合とでは、炭化珪素基板Ｋの温度とマスク選択比との間に全く異なる関係があることが明らかとなった。 That is, according to the experiments by the present inventors, there is a completely different relationship between the temperature of the silicon carbide substrate K and the mask selection ratio when the addition ratio of SiF 4 gas is smaller than 30% and when it is 30% or more. It became clear that there was.
また、図５，８，１０及び１１から分かるように、エッチング処理時にＳｉＦ４ガスを保護膜形成ガスとして用いているため、各実施例及び各比較例におけるエッチングの面内均一性は良好なものとなっている。しかしながら、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、且つ、炭化珪素基板Ｋの温度を４０℃以上１８０℃以下に調整している場合には、他の場合と比較して面内均一性が高くなり易い傾向にあることが分かる。特に、図１１に示した実験結果に着目すると、面内均一性は、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％以上５０％以下である場合、炭化珪素基板Ｋの温度が低い方が高くなっている。 Also, as can be seen from FIGS. 5, 8, 10 and 11, since SiF 4 gas is used as a protective film forming gas during the etching process, the in-plane uniformity of etching in each example and each comparative example is good. It has become. However, in the case where the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or more and 50% or less and the temperature of the silicon carbide substrate K is adjusted to 40 ° C. or more and 180 ° C. or less, in-plane compared with other cases. It can be seen that the uniformity tends to be high. In particular, focusing on the experimental results shown in FIG. 11, the in-plane uniformity is higher when the temperature of the silicon carbide substrate K is lower when the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or more and 50% or less. .
したがって、面内均一性を高くするという観点からすれば、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とした上で、炭化珪素基板Ｋの温度を４０℃以上１８０℃以下の範囲内において、より低い温度とすることが好ましいと考えられる。 Therefore, from the viewpoint of increasing the in-plane uniformity, the SiF 4 gas addition ratio is set to 30% or more and 50% or less, and the temperature of the silicon carbide substrate K is set within the range of 40 ° C. or more and 180 ° C. or less. It is considered that a lower temperature is preferable.
尚、図５，８，１０及び１１中の「選択比（肩部）」とは、二酸化珪素マスクＭの肩部におけるエッチングレートに対する炭化珪素基板Ｋのエッチングレートの比である。 5, 8, 10, and 11, “selection ratio (shoulder portion)” is the ratio of the etching rate of silicon carbide substrate K to the etching rate at the shoulder portion of silicon dioxide mask M.
また、同図中における「面内均一性」とは、基板上の任意のｎカ所で測定した炭化珪素基板Ｋのエッチングレートの中の最大エッチングレート（ＥＲＭａｘ）及び最小エッチングレート（ＥＲＭｉｎ）と、ｎカ所のエッチングレートから算出した平均エッチングレート（ＥＲＡｖｅ）とを基にして、以下の数式１によって算出したものであり、算出した数値が小さいほど均一性が高いことを意味する。尚、上記各実施例及び各比較例における面内均一性は、炭化珪素基板の中心部及び周縁部の２カ所で測定したエッチングレートを基に算出した。 Further, “in-plane uniformity” in the figure means the maximum etching rate (ER Max ) and the minimum etching rate (ER Min ) among the etching rates of the silicon carbide substrate K measured at arbitrary n positions on the substrate. Based on the average etching rate (ER Ave ) calculated from the n etching rates, the following formula 1 is calculated. The smaller the calculated value, the higher the uniformity. The in-plane uniformity in each of the above examples and comparative examples was calculated based on the etching rates measured at two locations, the central portion and the peripheral portion of the silicon carbide substrate.
（数式１）
面内均一性＝（ＥＲＭａｘ−ＥＲＭｉｎ）／（２×ＥＲＡｖｅ）×１００
(Formula 1)
In-plane uniformity = (ER Max −ER Min ) / (2 × ER Ave ) × 100
以上のように、本実施形態に係る炭化珪素半導体素子の製造方法においては、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスの総流量に対するＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下となるように、上記各ガスを供給するとともに、温度が４０℃以上１８０℃以下となるように炭化珪素基板の温度を調整して、当該炭化珪素基板をエッチングするようにしていることで、サブトレンチのない高ラウンド度を有したエッチング構造を形成することができるだけでなく、マスク選択比を高くすることができ、また、面内均一性も高くすることができる。 As described above, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to this embodiment, the addition ratio of SiF 4 gas to the total flow rate of SF 6 gas, SiF 4 gas, and O 2 gas is 30% or more and 50% or less. As described above, by supplying each gas and adjusting the temperature of the silicon carbide substrate so that the temperature is 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower and etching the silicon carbide substrate, In addition to forming an etching structure having a high degree of roundness, the mask selectivity can be increased, and the in-plane uniformity can be increased.
したがって、本実施形態に係る炭化珪素半導体素子の製造方法によれば、サブトレンチがなく、底部がラウンド化されたエッチング構造を炭化珪素基板全体に均一に形成することが可能であり、例えば、処理時間を長くすると、マスクの後退が抑えられた状態で深さ方向へのエッチングが進行するため、形成されるエッチング構造のアスペクト比が１４以上と極めて高くすることも可能である。 Therefore, according to the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present embodiment, it is possible to uniformly form an etching structure having no sub-trench and having a rounded bottom on the entire silicon carbide substrate. When the time is lengthened, the etching proceeds in the depth direction while the mask retreat is suppressed. Therefore, the aspect ratio of the formed etching structure can be extremely high as 14 or more.
以上、本発明の具体的な実施の形態について説明したが、本発明の採り得る態様は何らこれに限定されるものではない。 While specific embodiments of the present invention have been described above, the aspects that the present invention can take are not limited thereto.
例えば、上例においては、エッチングガスとして、ＳＦ６ガスを用いたが、これに代えて、ＮＦ３ガスやＦ２ガスを用いるようにしても良い。 For example, in the above example, SF 6 gas is used as the etching gas, but NF 3 gas or F 2 gas may be used instead.
また、上例では、シリコン系ガスとしてＳｉＦ４ガスを用いたが、例えば、珪素と、フッ素の同族元素である塩素との化合物であるＳｉＣｌ４ガスを用いるようにしても良い。このようにしても、ＳｉＦ４ガスを用いた場合と同様に、ＳｉＣｌ４ガスをプラズマ化することにより生成する保護膜形成種（Ｓｉ）が保護膜の形成に関与するとともに、塩化物イオンや塩素ラジカルが炭化珪素基板のエッチングに関与するため、相応の効果が得られる。 In the above example, SiF 4 gas is used as the silicon-based gas. However, for example, SiCl 4 gas that is a compound of silicon and chlorine, which is a group element of fluorine, may be used. Even in this case, as in the case of using SiF 4 gas, the protective film forming species (Si) generated by converting SiCl 4 gas into plasma are involved in the formation of the protective film, and chloride ions and chlorine are used. Since radicals are involved in the etching of the silicon carbide substrate, a corresponding effect can be obtained.
更に、上例においては、エッチング処理時に基台１５にバイアス電力を印加するようにしているが、基台１５にバイアス電力を印加せずにエッチング処理を行うようにしても良い。 Furthermore, in the above example, the bias power is applied to the base 15 during the etching process, but the etching process may be performed without applying the bias power to the base 15.
また、上例のプラズマ生成装置３０は、コイル３１が上チャンバ１２に配設された構成となっているが、例えば、上チャンバ１２の天板上方にコイルを配設した構成としても良い。 In addition, the plasma generating apparatus 30 of the above example has a configuration in which the coil 31 is disposed in the upper chamber 12, but may be configured to have a coil disposed above the top plate of the upper chamber 12, for example.
１ エッチング装置
１１ 処理チャンバ
１５ 基台
２０ ガス供給装置
２１ ＳＦ６ガス供給部
２２ ＳｉＦ４ガス供給部
２３ Ｏ２ガス供給部
２４ 不活性ガス供給部
３０ プラズマ生成装置
３１ コイル
３２ 高周波電源
３５ 高周波電源
４０ 排気装置
５０ 温度調整装置
1 etching apparatus 11 processing chamber 15 base plate 20 a gas supply device 21 SF 6 gas supply unit 22 SiF 4 gas supply portion 23 O 2 gas supply unit 24 inert gas supply unit 30 plasma generating apparatus 31 coil 32 high-frequency power source 35 a high frequency power source 40 Exhaust device 50 Temperature control device
上記目的を達成するための本発明は、
少なくともシリコン系ガス及び酸素ガスを含む保護膜形成ガスと、反応性エッチングガスとを用いたプラズマにより、二酸化珪素マスクが形成された炭化珪素基板をエッチングする炭化珪素半導体素子の製造方法であって、
前記保護膜形成ガスと前記反応性エッチングガスとの総流量に対する前記シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、
前記炭化珪素基板の温度を１００℃以上１８０℃以下に調整してエッチングする炭化珪素半導体素子の製造方法に係る。
To achieve the above object, the present invention provides:
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, wherein a silicon carbide substrate on which a silicon dioxide mask is formed is etched by plasma using a protective film forming gas containing at least a silicon-based gas and an oxygen gas, and a reactive etching gas,
The addition ratio of the silicon-based gas with respect to the total flow rate of the protective film forming gas and the reactive etching gas is 30% or more and 50% or less,
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, wherein the temperature of the silicon carbide substrate is adjusted to 100 ° C. or higher and 180 ° C. or lower for etching.
ここで、上記のように、保護膜形成ガスと反応性エッチングガスとの総流量に対するシリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、炭化珪素基板の温度を１００℃以上１８０℃以下の範囲内に調整することは、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果見出した新たな知見によるものである。 Here, as described above, the addition ratio of the silicon-based gas to the total flow rate of the protective film forming gas and the reactive etching gas is set to 30% to 50%, and the temperature of the silicon carbide substrate is set to 100 ° C. or more and 180 ° C. or less. The adjustment within the range is based on new knowledge found as a result of repeated studies by the inventors of the present application.
即ち、本願発明者らは、鋭意実験を重ねた結果、上記シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下として炭化珪素基板をエッチングする場合、炭化珪素基板の温度を１００℃以上１８０℃以下に調整することにより、以下に述べるような特徴があるという新たな知見を見出した。具体的に言うと、上記条件下で炭化珪素基板をエッチングした場合、形成されるエッチング構造は、その底部がラウンド化し、サブトレンチのない形状となり、更に、炭化珪素基板の温度と、二酸化珪素マスクのエッチングレートに対する炭化珪素基板のエッチングレートの比（マスク選択比）との間には、当該温度範囲内においてマスク選択比の極大値が存在する非線形の関係があるという新たな知見を見出した。 That is, as a result of repeated experiments, the inventors of the present invention have made the silicon carbide substrate temperature 100 ° C. or higher and 180 ° C. or lower when etching the silicon carbide substrate with the silicon-based gas addition ratio being 30% or more and 50% or less. As a result, the inventors have found a new finding that there are the following characteristics. Specifically, when a silicon carbide substrate is etched under the above conditions, the formed etching structure is rounded at the bottom and has a shape without a sub-trench. Furthermore, the temperature of the silicon carbide substrate and the silicon dioxide mask A new finding has been found that there is a non-linear relationship between the etching rate of the silicon carbide substrate and the ratio of the etching rate of the silicon carbide substrate (mask selection ratio) within which the maximum value of the mask selection ratio exists within the temperature range.
そこで、上記炭化珪素半導体素子の製造方法においては、これらの知見に基づいて、炭化珪素基板をエッチングする際に、サブトレンチの発生を抑えて底部をラウンド化しつつ、マスク選択比が極力高くなるように、シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、炭化珪素基板の温度を１００℃以上１８０℃以下の範囲内に調整するようにしている。 Therefore, in the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element, based on these findings, when etching the silicon carbide substrate, the mask selection ratio is increased as much as possible while suppressing the generation of sub-trench and rounding the bottom. In addition, the addition ratio of the silicon-based gas is set to 30% to 50%, and the temperature of the silicon carbide substrate is adjusted within a range of 100 ° C. to 180 ° C.
また、炭化珪素基板を高温（例えば、１９０℃以上）でエッチングする場合、基板を高温に加熱するための専用設備が必要になることも多く、上記炭化珪素半導体素子の製造方法の実施に必要な装置のコストが増加する。したがって、炭化珪素基板の温度は、エッチング処理に支障の出ない範囲内で、汎用性の高い設備で調整できる程度の温度であることが好ましいが、上記１００℃以上１８０℃以下という炭化珪素基板の温度範囲であれば、汎用性の高い設備での温度調整も可能である。 In addition, when etching a silicon carbide substrate at a high temperature (for example, 190 ° C. or higher), dedicated equipment for heating the substrate to a high temperature is often required, which is necessary for carrying out the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element. The cost of the device increases. Accordingly, the temperature of the silicon carbide substrate is within a range not out of trouble in an etching process is preferably a temperature that can be adjusted in a versatile equipment, the silicon carbide substrate that the 100 ° C. or higher 180 ° C. or less If it is in the temperature range, temperature adjustment with highly versatile equipment is also possible.
そして、上記炭化珪素半導体素子の製造方法によれば、シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とするとともに、炭化珪素基板の温度を１００℃以上１８０℃以下に調整した状態で、当該炭化珪素基板をエッチングすることによって、底部がラウンド化され、サブトレンチの発生していないエッチング構造を形成でき、また、マスク選択比を従来よりも高くすることができる。 And according to the manufacturing method of the said silicon carbide semiconductor element, while the addition rate of silicon-type gas shall be 30% or more and 50% or less, the temperature of the silicon carbide substrate was adjusted to 100 degreeC or more and 180 degrees C or less, By etching the silicon carbide substrate, it is possible to form an etching structure in which the bottom portion is rounded and no sub-trench is generated, and the mask selectivity can be increased as compared with the conventional case.
そして、上記炭化珪素半導体素子の製造方法においては、保護膜形成ガスと反応性エッチングガスとの総流量に対するシリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とするとともに、炭化珪素基板の温度を１００℃以上１８０℃以下に調整した状態で、当該炭化珪素基板Ｋをエッチングするようにしていることで、保護膜Ｈが形成され易い二酸化珪素マスクＭの側壁上部に適度な量の保護膜Ｈが形成され、これが庇Ｈ１となり、エッチングに関与するイオンやエッチング種の進入口たる開口部の幅が狭くなる。尚、図１では、二酸化珪素マスクＭの側壁上部に庇Ｈ１が形成された状態を図示したが、二酸化珪素マスクＭの膜厚が薄い場合には、二酸化珪素マスクＭの側壁からエッチング構造Ｔの側壁にかけて庇Ｈ１が形成され得る。 In the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor element, the silicon-based gas is added at a ratio of 30% to 50% with respect to the total flow rate of the protective film forming gas and the reactive etching gas, and the temperature of the silicon carbide substrate is set. By etching the silicon carbide substrate K in a state adjusted to 100 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, an appropriate amount of protective film H is formed on the upper side wall of the silicon dioxide mask M on which the protective film H is easily formed. It is formed and becomes H1 and the width of the opening which is an entrance of ions and etching species involved in etching is narrowed. 1 shows a state in which the ridge H1 is formed on the upper side wall of the silicon dioxide mask M. However, when the thickness of the silicon dioxide mask M is thin, the etching structure T is formed from the side wall of the silicon dioxide mask M. A ridge H1 may be formed over the side wall.
炭化珪素基板Ｋに対するエッチング処理においては、まず、炭化珪素基板Ｋを処理チャンバ１１内に搬入して基台１５上に載置し、前記温度調整装置５０によって、炭化珪素基板Ｋの温度を１００℃以上１８０℃以下の範囲内の所定温度となるように調整し、炭化珪素基板Ｋの温度が平衡状態になるまで待機する。 In the etching process for silicon carbide substrate K, first, silicon carbide substrate K is carried into processing chamber 11 and placed on base 15, and temperature of silicon carbide substrate K is set to 100 ° C. by temperature adjusting device 50. It adjusts so that it may become the predetermined temperature in the range below 180 degreeC, and waits until the temperature of the silicon carbide substrate K will be in an equilibrium state.
そして、本例の炭化珪素半導体素子の製造方法においては、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下にするとともに、炭化珪素基板Ｋを１００℃以上１８０℃以下に調整するようにしているため、二酸化珪素マスクＭの上部に適度な量の保護膜Ｈが形成され、これが庇Ｈ１となり、二酸化珪素マスクＭに形成された開口部の幅が狭くなる。 And in the manufacturing method of the silicon carbide semiconductor element of this example, while adding the SiF 4 gas addition ratio to 30% or more and 50% or less, the silicon carbide substrate K is adjusted to 100 ° C. or more and 180 ° C. or less. Therefore, an appropriate amount of the protective film H is formed on the upper portion of the silicon dioxide mask M, which becomes the ridge H1, and the width of the opening formed in the silicon dioxide mask M is narrowed.
そして、上記のように、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下にするとともに、炭化珪素基板Ｋを１００℃以上１８０℃以下に調整するようにしているのは、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果見出した新たな知見に基づいている。 And, as described above, the inventors have made the addition ratio of SiF 4 gas 30% or more and 50% or less, and adjusting the silicon carbide substrate K to 100 ° C. or more and 180 ° C. or less. This is based on new knowledge found as a result of extensive research.
即ち、本願発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とした場合、炭化珪素基板Ｋの温度とマスク選択比との間に、炭化珪素基板Ｋの温度が１００℃以上１８０℃以下の範囲内においてマスク選択比の極大値が存在する非線形の関係があるという新たな知見を見出した。そこで、本願発明者らは、この知見を基にして、マスク選択比の極大値を含むように、炭化珪素基板Ｋの温度を１００℃以上１８０℃以下に調整するようにしている。つまり、ＳｉＦ４ガスの添加割合と炭化珪素基板Ｋの温度とを上記所定の範囲内にすることは、上記知見を得て初めてなし得ることであると考えられる。 That is, as a result of intensive research, the inventors of the present application have determined that a silicon carbide substrate between the temperature of the silicon carbide substrate K and the mask selection ratio when the SiF 4 gas addition ratio is 30% or more and 50% or less. A new finding has been found that there is a non-linear relationship in which the maximum value of the mask selection ratio exists within the range of the temperature of K between 100 ° C. and 180 ° C. Therefore, the inventors of the present application adjust the temperature of the silicon carbide substrate K to 100 ° C. or more and 180 ° C. or less so as to include the maximum value of the mask selection ratio based on this knowledge. That is, it is considered that the addition of the SiF 4 gas and the temperature of the silicon carbide substrate K can be achieved only after obtaining the above knowledge.
同図から分かるように、炭化珪素基板Ｋの温度が１３０℃、即ち、炭化珪素基板Ｋの温度が１００℃以上１８０℃以下の範囲内である場合、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％より小さいと、形成されるエッチング構造Ｔにサブトレンチが発生する。一方、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％以上の場合には、サブトレンチのない高ラウンド度を有したエッチング構造Ｔが形成される。尚、ＳｉＦ４ガスの添加割合を５０％より大きくした場合には、エッチングが正常に進行しなくなったが、これは保護膜Ｈが過剰に形成されたためだと考えられる。また、同図に示すように、ＳｉＦ４ガスの添加割合が多くなると、ＳｉＣのエッチングレートはやや低くなる傾向にあるが、ＳｉＦ４ガスの添加割合の違いにより生じるエッチングレートの差は僅かであり、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％以上５０％以下においても、そのエッチングレートは十分に実用的な値となっている。 As can be seen from the figure, when the temperature of the silicon carbide substrate K is 130 ° C., that is, when the temperature of the silicon carbide substrate K is in the range of 100 ° C. to 180 ° C., the addition ratio of SiF 4 gas is less than 30%. Then, a sub-trench is generated in the etching structure T to be formed. On the other hand, when the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or more, an etching structure T having a high roundness without a sub-trench is formed. In addition, when the addition ratio of SiF 4 gas was larger than 50%, the etching did not proceed normally. This is considered to be because the protective film H was formed excessively. Also, as shown in the figure, as the SiF 4 gas addition ratio increases, the SiC etching rate tends to be slightly lower, but the difference in the etching rate caused by the difference in the SiF 4 gas addition ratio is slight. Even when the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or more and 50% or less, the etching rate is a sufficiently practical value.
同図から分かるように、炭化珪素基板Ｋの温度が１００℃以上１８０℃以下の範囲外であっても、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％以上であると、サブトレンチの発生が抑えられている。 As can be seen from the figure, even when the temperature of the silicon carbide substrate K is outside the range of 100 ° C. or more and 180 ° C. or less, the generation of sub-trench is suppressed when the SiF 4 gas addition ratio is 30% or more. Yes.
また、図５，８，１０及び１１から分かるように、エッチング処理時にＳｉＦ４ガスを保護膜形成ガスとして用いているため、各実施例及び各比較例におけるエッチングの面内均一性は良好なものとなっている。しかしながら、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、且つ、炭化珪素基板Ｋの温度を１００℃以上１８０℃以下に調整している場合には、他の場合と比較して面内均一性が高くなり易い傾向にあることが分かる。特に、図１１に示した実験結果に着目すると、面内均一性は、ＳｉＦ４ガスの添加割合が３０％以上５０％以下である場合、炭化珪素基板Ｋの温度が低い方が高くなっている。 Also, as can be seen from FIGS. 5, 8, 10 and 11, since SiF 4 gas is used as a protective film forming gas during the etching process, the in-plane uniformity of etching in each example and each comparative example is good. It has become. However, in the case where the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or more and 50% or less and the temperature of the silicon carbide substrate K is adjusted to 100 ° C. or more and 180 ° C. or less, in-plane compared with other cases. It can be seen that the uniformity tends to be high. In particular, focusing on the experimental results shown in FIG. 11, the in-plane uniformity is higher when the temperature of the silicon carbide substrate K is lower when the addition ratio of SiF 4 gas is 30% or more and 50% or less. .
したがって、面内均一性を高くするという観点からすれば、ＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とした上で、炭化珪素基板Ｋの温度を１００℃以上１８０℃以下の範囲内において、より低い温度とすることが好ましいと考えられる。 Therefore, from the viewpoint of increasing the in-plane uniformity, the SiF 4 gas addition ratio is set to 30% or more and 50% or less, and the temperature of the silicon carbide substrate K is set within the range of 100 ° C. or more and 180 ° C. or less. It is considered that a lower temperature is preferable.
以上のように、本実施形態に係る炭化珪素半導体素子の製造方法においては、ＳＦ６ガス、ＳｉＦ４ガス及びＯ２ガスの総流量に対するＳｉＦ４ガスの添加割合を３０％以上５０％以下となるように、上記各ガスを供給するとともに、温度が１００℃以上１８０℃以下となるように炭化珪素基板の温度を調整して、当該炭化珪素基板をエッチングするようにしていることで、サブトレンチのない高ラウンド度を有したエッチング構造を形成することができるだけでなく、マスク選択比を高くすることができ、また、面内均一性も高くすることができる。 As described above, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to this embodiment, the addition ratio of SiF 4 gas to the total flow rate of SF 6 gas, SiF 4 gas, and O 2 gas is 30% or more and 50% or less. As described above, each of the above gases is supplied, and the temperature of the silicon carbide substrate is adjusted so that the temperature is 100 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and the silicon carbide substrate is etched. In addition to forming an etching structure having a high degree of roundness, the mask selectivity can be increased, and the in-plane uniformity can be increased.
Claims (5)
前記保護膜形成ガスと前記反応性エッチングガスの総流量に対する前記シリコン系ガスの添加割合を３０％以上５０％以下とし、
前記炭化珪素基板の温度を４０℃以上１８０℃以下に調整してエッチングすることを特徴とする、炭化珪素半導体素子の製造方法。 A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor element, wherein a silicon carbide substrate on which a silicon dioxide mask is formed is etched by plasma using a protective film forming gas containing at least a silicon-based gas and an oxygen gas, and a reactive etching gas,
The addition ratio of the silicon-based gas with respect to the total flow rate of the protective film forming gas and the reactive etching gas is 30% or more and 50% or less,
Etching while adjusting the temperature of the silicon carbide substrate to 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and manufacturing the silicon carbide semiconductor element.
The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 4, wherein the bias power is 200 W or more and 800 W or less.
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