JP3945195B2 - 電子デバイスの製造方法 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体を用いた電子デバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガリウムやインジウムを用いた化合物半導体デバイスは、シリコン半導体デバイスと比較して高速動作が可能であるため、通信用デバイスとして注目されている。こうしたデバイスを製造するにあたり、古くからウエットエッチングを用いた加工方法が利用されてきたが、近年、加工精度の向上、エッチング速度の配向依存性の低減や、ウエットエッチングにより発生する排液を減らすことによる環境負荷の軽減などを目的として、ドライエッチングを用いた加工方法が導入されつつある。
【０００３】
以下、従来のエッチング方法の一例として、誘導結合型プラズマ源を用いたエッチング加工について、図５を参照して説明する。図５に示すエッチング装置において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、コイル用高周波電源４３により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を誘電体板４４上に設けられたコイル４５に供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極６上に載置された基板７に対してエッチング加工を行うことができる。また、基板電極６に４００ｋＨｚの高周波電力を供給するための基板電極用高周波電源８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御することができるようになっている。
【０００４】
このような構成のエッチング装置において、基板電極温度を５０℃、圧力を０．５Ｐａ、ＡｒとＣｌ2のガス流量をそれぞれ３０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍとし、更にコイルに印加する電力と基板電極に印加するバイアス電力をそれぞれ５００Ｗ、１５０Ｗとすることで窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜や窒化ガリウム基板をエッチング加工することができる。この条件における窒化ガリウムのエッチング速度は、２９０ｎｍ／ｍｉｎであった。
【０００５】
また、基板電極温度を２００℃、圧力＝０．３Ｐａ、ＡｒとＣｌ2のガス流量をそれぞれ１０ｓｃｃｍ、２ｓｃｃｍとし、更にコイルに印加する電力と基板電極に印加するバイアス電力をそれぞれ４００Ｗ、１００Ｗとすることでリン化インジウム（ＩｎＰ）薄膜や、リン化インジウム基板をエッチング加工することができる。この条件におけるリン化インジウムのエッチング速度は、１９０ｎｍ／ｍｉｎであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例で述べた窒化ガリウムのエッチング加工においては、反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ3）の揮発性が悪いため、エッチング側壁に反応生成物が堆積し、加工形状を垂直にすることが困難であるという問題点があった。これは、塩化ガリウムの沸点が２０１．３℃と高いことに起因しているものと考えられる。また、エッチング速度も低く、生産性に劣るという問題点があった。
【０００７】
従来例のインジウムリンのエッチング加工においても同様の問題点がある。これは、反応生成物である塩化インジウム（ＩｎＣｌ3）の沸点が５７０℃と高いことに起因しているものと考えられる。従来例では、基板電極温度を２００℃まで高めることにより、反応生成物の揮発を促す努力を行っているが、装置構成が複雑化する上、加工時の消費電力が大きくなるという問題点もある。
【０００８】
ガリウムやインジウムの化合物の中で、比較的沸点が低い物質として、Ｇａ（ＣＨ3）3やＩｎ（ＣＨ3）3などが知られている。Ｇａ（ＣＨ3）3の沸点は５５．７℃、Ｉｎ（ＣＨ3）3の沸点は１３６℃である。こうした反応生成物を生成することのできるエッチングガスとして、メタン（ＣＨ4）を用いたエッチング加工も研究されているが、プラズマ中に、エッチャントとなるＣＨ3ラジカルの他にＣＨ2ラジカル、ＣＨラジカルなどエッチングに寄与しない活性種が発生するとともに、炭素（Ｃ）原子が多量に生成してしまうため、真空容器内壁に黒色のデポジションが発生し、ダストの原因となってしまうという問題点がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜やガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を精度よく高速に加工する方法、及び、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜やガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を用いた電子デバイスを精度よく高い生産性で製造する方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明の電子デバイスの製造方法は、真空容器内の基板電極にガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を載置し、真空容器内に１価ハロゲン化メタンガスを含むガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内にプラズマを発生させ、基板表面をエッチングして凹部を形成する工程と、前記凹部に対向する基板裏面から基板をほぼ均等にエッチングまたは研磨することにより貫通穴を形成する工程と、貫通穴内壁に絶縁膜を形成する工程と、貫通穴内に金属配線を埋め込む工程と、金属配線によって基板の表面に形成された電極と基板の裏面に形成された電極とを接続させる工程を備えることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の参考例について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１２】
図１に、本発明の第１実施形態において用いた、パッチアンテナ方式プラズマ源を搭載したエッチング装置の断面図を示す。図１において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源４により周波数１００ＭＨｚの高周波電力をアンテナ５に供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極６上に載置された基板７に対してエッチング処理を行うことができる。また、基板電極６に４００ｋＨｚの高周波電力を供給するための基板電極用高周波電源８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御することができるようになっている。アンテナ５へ供給される高周波電圧は、給電棒９により、アンテナ５の中心付近へ給電される。また、アンテナ５の中心とも周辺とも異なる複数の部位と真空容器１の基板７に対向する面４６とが、ショートピン１０により短絡されている。アンテナ５と真空容器１との間に誘電板１１が挟まれ、給電棒９及びショートピン１０は、誘電板１１に設けられた貫通穴を貫いている。また、アンテナ５の表面は、カバー１２により覆われている。また、誘電板１１と誘電板１１の周辺部に設けられた誘電体リング１３との間の溝状の空間と、アンテナ５とアンテナ５の周辺部に設けられた導体リング１４との間の溝状の空間からなるスリット１５が設けられている。
【００１３】
アンテナ５の平面図を図２に示す。図２において、ショートピン１０は３ヶ所に設けられており、それぞれのショートピン１０がアンテナ５の中心に対して等配置されている。
【００１４】
このような構成のエッチング装置において、基板電極温度を５０℃、圧力を０．５Ｐａ、ＡｒとＣＨ3Ｉのガス流量をそれぞれ３０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍとし、更にアンテナに印加する電力と基板電極に印加する電力をそれぞれ５００Ｗ、１５０Ｗとすることで、基板上に堆積させた窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜や窒化ガリウム基板をエッチング加工することができた。窒化ガリウムのエッチング速度は、５１０ｎｍ／ｍｉｎと高かった。また、反応生成物であるＧａ（ＣＨ3）3の揮発性が良好であるため、エッチング側壁に反応生成物がほとんど付着せず、垂直な加工形状を得ることができた。また、真空容器内壁面に黒色のデポジションが発生することもなく、５００枚連続エッチングを行っても、生産に影響を与えるダストの発生は無かった。
【００１５】
また、基板電極温度を５０℃、圧力を０．３Ｐａ、ＡｒとＣＨ3Ｉのガス流量をそれぞれ１０ｓｃｃｍ、２ｓｃｃｍとし、更にアンテナに印加する電力と基板電極に印加する電力をそれぞれ４００Ｗ、１００Ｗとすることで、基板上に堆積させたリン化インジウム（ＩｎＰ）薄膜や、リン化インジウム基板をエッチング加工することができた。リン化インジウムのエッチング速度は、２９０ｎｍ／ｍｉｎと高かった。また、反応生成物であるＩｎ（ＣＨ3）3の揮発性が良好であるため、エッチング側壁に反応生成物がほとんど付着せず、垂直な加工形状を得ることができた。また、真空容器内壁面に黒色のデポジションが発生することもなく、４００枚連続エッチングを行っても、生産に影響を与えるダストの発生は無かった。
【００１６】
このように、従来例で見られた加工形状の不良、エッチング速度不足、ダストの発生が解決するとともに、リン化インジウムのエッチングを常温で行えた理由は、エッチングガスとしてヨウ化メタンガス（ＣＨ3Ｉ）を用いたためであると考えられる。ヨウ化メタンにおけるＣ−Ｉ結合の結合エネルギーは２．２０ｅＶであるのに対し、Ｃ−Ｈ結合の結合エネルギーは約４ｅＶである（正確な値は明らかではないが、メタンにおけるＣ−Ｈ結合の結合エネルギー４．２６ｅＶと大差無いものと考えられる）。したがって、プラズマ中で起きる解離性衝突においては、Ｃ−Ｉ結合が切れやすいため、ＣＨ3ラジカルとＩラジカルが多量に発生する一方、ＣＨ2ラジカル、ＣＨラジカルなどエッチングに寄与しない活性種や炭素（Ｃ）ラジカルの発生が抑制される。したがって、従来例と比較して、ガリウムやインジウムとの反応性に富むＣＨ3ラジカルが豊富に供給されるため、高速なエッチングが行えたものと考えられる。また、黒色のデポジションを発生させる元となる炭素ラジカルが少なくなったため、ダストの発生が抑制されたものと考えられる。さらに、本実施形態においては、低電子温度プラズマを発生させることのできる１００ＭＨｚ励起のアンテナ式プラズマ源を用いているため、Ｃ−Ｈ結合を切ることのできる高いエネルギーをもった電子の数が少ないことも、良好な加工結果を得ることに貢献している。
【００１７】
以上説明した加工方法を利用することにより、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜を堆積する工程と、基板上に形成されたガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜をエッチングする工程とを含む電子デバイスの製造工程を高い生産性で行うことができる。
【００１８】
次に、本発明の実施形態について、図３を参照して説明する。
【００１９】
図３（ａ）に、窒化ガリウムトランジスタを形成した基板の断面図を示す。金属電極１６、リセス１７から成るゲート、ソース電極１８、ドレイン電極１９、ＧａＮ層２０、ＡｌＧａＮ層２１、ＧａＮバッファー層２２、ＧａＮ基板２３から構成されている。図３（ａ）では、次のエッチング工程のためのフォトレジスト２４も形成されている。この基板を、図１に示したエッチング装置を用いて、基板電極温度を５０℃、圧力を０．４Ｐａ、ＡｒとＣＨ3Ｉのガス流量をそれぞれ４０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍとし、更にアンテナに印加する電力と基板電極に印加する電力をそれぞれ１０００Ｗ、３００Ｗとすることでエッチングし、図３（ｂ）のように貫通穴２５を形成する。次に、貫通穴内壁に絶縁膜２６を堆積した後、貫通穴内に金属配線２７を埋め込み、金属配線２７によって基板の表面に形成されたソース電極１９と、基板の裏面に形成された電極２８とを接続させる。このように工程を組み合わせることにより、窒化ガリウムパワーデバイスを形成することができたが、とくに、貫通穴の形成工程においてヨウ化メタンガスを用いたことにより、高速な穴形成が可能となり、生産性の高い加工を実現できた。なお、貫通穴の形成工程におけるエッチング速度は、１１００ｎｍ／ｍｉｎであった。
【００２０】
なお、基板表面をエッチングして深穴を形成する工程と、深穴の底よりも基板表面に近いところまで基板裏面から基板をほぼ均等にエッチングまたは研磨することにより貫通穴を形成する工程と、貫通穴内壁に絶縁膜を形成する工程と、貫通穴内に金属配線を埋め込む工程と、金属配線によって基板の表面に形成された電極と基板の裏面に形成された電極とを接続させる工程とを含む製造方法を用いる場合においても、深穴の形成工程において上記のようなヨウ化メタンガスを用いたエッチング加工を採用することで、生産性の高い加工を実現できる。
【００２１】
次に、本発明の第２の参考例について、図４を参照して説明する。
【００２２】
図４に、サファイア基板を用いた窒化ガリウム半導体レーザーの製造工程を示す。サファイア基板上に、ガリウムまたはインジウムを含み、かつ、組成の異なる複数の化合物半導体薄膜を堆積した後、フォトレジストを露光・現像したものの断面図が、図４（ａ）である。サファイア基板２９、窒化ガリウムバッファー層３０、ｎ−ＧａＮ層３１、ｎ−ＩｎＧａＮ層３２、ｎ−ＡｌＧａＮ層３３、ｎ−ＧａＮ層３４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸層３５、ｐ−ＡｌＧａＮ層３６、ｐ−ＧａＮ層３７、ｐ−ＡｌＧａＮ層３８、ｐ−ＧａＮ層３９、ｐ電極４０、フォトレジスト４１から構成されている。この基板を、図１に示したエッチング装置を用いて、基板電極温度を５０℃、圧力を０．３Ｐａ、ＡｒとＣＨ3Ｉのガス流量をそれぞれ３０ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃｍとし、アンテナに印加する電力と基板電極に印加する電力をそれぞれ３００Ｗ、１００Ｗとすることでエッチングし、メサ構造を形成した。このとき、基板上に形成された組成の異なる複数の化合物半導体薄膜を一括してエッチングする。その後、ｎ電極４２を形成することにより、図４（ｂ）のように窒化ガリウムレーザーデバイスを形成することができた。とくに、メサ構造の形成工程において、ヨウ化メタンガスを用いたことにより、垂直なメサ構造形成が可能となった。
【００２３】
以上述べた本発明の実施形態においては、本発明の適用範囲のうち、化合物半導体薄膜の組成、電子デバイスの構造、真空容器の形状、プラズマ源の構造及び配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、いうまでもない。
【００２４】
また、窒化ガリウム、インジウムリンをはじめ、いくつかの化合物半導体薄膜または化合物半導体基板をエッチング加工する場合を例示したが、加工対象はこれらに限定されるものではなく、本発明は、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜または化合物半導体基板の加工、または、これらの材料を用いた電子デバイスの製造に適用できる。
【００２５】
また、エッチング加工に際してアルゴンとヨウ化メタンガスの混合ガスを用いる場合を例示したが、ガスはこれに限定されるものではない。ヨウ化メタンガスの他に、フッ化メタンガス（ＣＨ3Ｆ）などの１価ハロゲン化メタンガスを用いることで、本発明の実施形態において述べたと同様の効果を得ることができると考えられる。また、加工条件の微調整を行うために、種々の添加ガスを用いることもできる。
【００２６】
また、真空容器内にプラズマを発生させるために、アンテナ式プラズマ源を用いた場合を例示したが、基板電極のみに高周波電力を供給してプラズマを発生させる方式においても、本発明は有効である。しかし、高速で高精度なエッチングを行うためには、高密度プラズマ源を用いることが望ましい。
【００２７】
また、アンテナ式プラズマ源に供給する高周波電力の周波数が１００ＭＨｚである場合について例示したが、アンテナに供給する高周波電力の周波数が５０ＭＨｚ乃至３ＧＨｚであると、プラズマの電子温度が低くなる（約２ｅＶ）ため、１価ハロゲン化メタンにおけるＣ−Ｈ結合を切ることなく、Ｃ−Ｉなどの炭素−ハロゲン間の結合を切る確率が高まるため、プラズマ中により効率的にＣＨ3ラジカルを生成できるという利点がある。
【００２８】
また、プラズマ源に供給する高周波電力がパルス変調されていると、プラズマの電子温度をさらに低くすることができる（＜２ｅＶ）ため、より効率的にプラズマ中にＣＨ3ラジカルを生成できるという利点がある。
【００２９】
プラズマ源に供給する高周波電力の周波数が低い（典型的には１３．５６ＭＨｚを利用する）誘導結合型プラズマ源においても、高周波電力がパルス変調されていると、プラズマの電子温度を低くすることができる（＜２ｅＶ）ため、より効率的にプラズマ中にＣＨ3ラジカルを生成できるという利点がある。
【００３０】
また、基板電極に供給する高周波電力の周波数が、４００ｋＨｚである場合について説明したが、基板へ到達するイオンエネルギーを制御するにあたり、他の周波数、たとえば、１００ｋＨｚ乃至１００ＭＨｚの高周波電力を用いることができることは、いうまでもない。あるいは、基板電極に高周波電力を供給しなくとも、プラズマ電位と基板電位とのわずかな差を利用して、弱いイオンエネルギーによるエッチング加工を行うこともできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願発明の電子デバイスの製造方法によれば、真空容器内の基板電極にガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を載置し、真空容器内に１価ハロゲン化メタンガスを含むガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内にプラズマを発生させ、基板表面をエッチングして凹部を形成する工程と、前記凹部に対向する基板裏面から基板をほぼ均等にエッチングまたは研磨することにより貫通穴を形成する工程と、貫通穴内壁に絶縁膜を形成する工程と、貫通穴内に金属配線を埋め込む工程と、金属配線によって基板の表面に形成された電極と基板の裏面に形成された電極とを接続させる工程を備えることを含むため、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜やガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を用いた電子デバイスを精度よく高い生産性で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態で用いたエッチング装置の構成を示す断面図
【図２】 本発明の実施形態で用いたエッチング装置におけるアンテナの平面図
【図３】 本発明の実施形態における窒化ガリウムパワーデバイスの製造工程を示す図
【図４】 本発明の第２の参考例における窒化ガリウム半導体レーザーの製造工程を示す図
【図５】 従来例で用いたエッチング装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
１ 真空容器
２ ガス供給装置
３ ターボ分子ポンプ
４ アンテナ用高周波電源
５ アンテナ
６ 基板電極
７ 基板
８ 基板電極用高周波電源
９ 給電棒
１０ ショートピン
１１ 誘電板
１２ カバー
１３ 誘電体リング
１４ 導体リング
１５ スリット
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体を用いた電子デバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガリウムやインジウムを用いた化合物半導体デバイスは、シリコン半導体デバイスと比較して高速動作が可能であるため、通信用デバイスとして注目されている。こうしたデバイスを製造するにあたり、古くからウエットエッチングを用いた加工方法が利用されてきたが、近年、加工精度の向上、エッチング速度の配向依存性の低減や、ウエットエッチングにより発生する排液を減らすことによる環境負荷の軽減などを目的として、ドライエッチングを用いた加工方法が導入されつつある。
【０００３】
以下、従来のエッチング方法の一例として、誘導結合型プラズマ源を用いたエッチング加工について、図５を参照して説明する。図５に示すエッチング装置において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、コイル用高周波電源４３により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を誘電体板４４上に設けられたコイル４５に供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極６上に載置された基板７に対してエッチング加工を行うことができる。また、基板電極６に４００ｋＨｚの高周波電力を供給するための基板電極用高周波電源８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御することができるようになっている。
【０００４】
このような構成のエッチング装置において、基板電極温度を５０℃、圧力を０．５Ｐａ、ＡｒとＣｌ2のガス流量をそれぞれ３０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍとし、更にコイルに印加する電力と基板電極に印加するバイアス電力をそれぞれ５００Ｗ、１５０Ｗとすることで窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜や窒化ガリウム基板をエッチング加工することができる。この条件における窒化ガリウムのエッチング速度は、２９０ｎｍ／ｍｉｎであった。
【０００５】
また、基板電極温度を２００℃、圧力＝０．３Ｐａ、ＡｒとＣｌ2のガス流量をそれぞれ１０ｓｃｃｍ、２ｓｃｃｍとし、更にコイルに印加する電力と基板電極に印加するバイアス電力をそれぞれ４００Ｗ、１００Ｗとすることでリン化インジウム（ＩｎＰ）薄膜や、リン化インジウム基板をエッチング加工することができる。この条件におけるリン化インジウムのエッチング速度は、１９０ｎｍ／ｍｉｎであった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例で述べた窒化ガリウムのエッチング加工においては、反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ3）の揮発性が悪いため、エッチング側壁に反応生成物が堆積し、加工形状を垂直にすることが困難であるという問題点があった。これは、塩化ガリウムの沸点が２０１．３℃と高いことに起因しているものと考えられる。また、エッチング速度も低く、生産性に劣るという問題点があった。
【０００７】
従来例のインジウムリンのエッチング加工においても同様の問題点がある。これは、反応生成物である塩化インジウム（ＩｎＣｌ3）の沸点が５７０℃と高いことに起因しているものと考えられる。従来例では、基板電極温度を２００℃まで高めることにより、反応生成物の揮発を促す努力を行っているが、装置構成が複雑化する上、加工時の消費電力が大きくなるという問題点もある。
【０００８】
ガリウムやインジウムの化合物の中で、比較的沸点が低い物質として、Ｇａ（ＣＨ3）3やＩｎ（ＣＨ3）3などが知られている。Ｇａ（ＣＨ3）3の沸点は５５．７℃、Ｉｎ（ＣＨ3）3の沸点は１３６℃である。こうした反応生成物を生成することのできるエッチングガスとして、メタン（ＣＨ4）を用いたエッチング加工も研究されているが、プラズマ中に、エッチャントとなるＣＨ3ラジカルの他にＣＨ2ラジカル、ＣＨラジカルなどエッチングに寄与しない活性種が発生するとともに、炭素（Ｃ）原子が多量に生成してしまうため、真空容器内壁に黒色のデポジションが発生し、ダストの原因となってしまうという問題点がある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜やガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を精度よく高速に加工する方法、及び、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜やガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を用いた電子デバイスを精度よく高い生産性で製造する方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願の第１発明の電子デバイスの製造方法は、真空容器内の基板電極にガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を載置し、真空容器内に１価ハロゲン化メタンガスを含むガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内にプラズマを発生させ、基板表面をエッチングして凹部を形成する工程と、前記凹部に対向する基板裏面から基板をほぼ均等にエッチングまたは研磨することにより貫通穴を形成する工程と、貫通穴内壁に絶縁膜を形成する工程と、貫通穴内に金属配線を埋め込む工程と、金属配線によって基板の表面に形成された電極と基板の裏面に形成された電極とを接続させる工程を備えることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の参考例について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１２】
図１に、本発明の第１実施形態において用いた、パッチアンテナ方式プラズマ源を搭載したエッチング装置の断面図を示す。図１において、真空容器１内に、ガス供給装置２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ３により排気を行い、真空容器１内を所定の圧力に保ちながら、アンテナ用高周波電源４により周波数１００ＭＨｚの高周波電力をアンテナ５に供給することにより、真空容器１内にプラズマが発生し、基板電極６上に載置された基板７に対してエッチング処理を行うことができる。また、基板電極６に４００ｋＨｚの高周波電力を供給するための基板電極用高周波電源８が設けられており、基板７に到達するイオンエネルギーを制御することができるようになっている。アンテナ５へ供給される高周波電圧は、給電棒９により、アンテナ５の中心付近へ給電される。また、アンテナ５の中心とも周辺とも異なる複数の部位と真空容器１の基板７に対向する面４６とが、ショートピン１０により短絡されている。アンテナ５と真空容器１との間に誘電板１１が挟まれ、給電棒９及びショートピン１０は、誘電板１１に設けられた貫通穴を貫いている。また、アンテナ５の表面は、カバー１２により覆われている。また、誘電板１１と誘電板１１の周辺部に設けられた誘電体リング１３との間の溝状の空間と、アンテナ５とアンテナ５の周辺部に設けられた導体リング１４との間の溝状の空間からなるスリット１５が設けられている。
【００１３】
アンテナ５の平面図を図２に示す。図２において、ショートピン１０は３ヶ所に設けられており、それぞれのショートピン１０がアンテナ５の中心に対して等配置されている。
【００１４】
このような構成のエッチング装置において、基板電極温度を５０℃、圧力を０．５Ｐａ、ＡｒとＣＨ3Ｉのガス流量をそれぞれ３０ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍとし、更にアンテナに印加する電力と基板電極に印加する電力をそれぞれ５００Ｗ、１５０Ｗとすることで、基板上に堆積させた窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜や窒化ガリウム基板をエッチング加工することができた。窒化ガリウムのエッチング速度は、５１０ｎｍ／ｍｉｎと高かった。また、反応生成物であるＧａ（ＣＨ3）3の揮発性が良好であるため、エッチング側壁に反応生成物がほとんど付着せず、垂直な加工形状を得ることができた。また、真空容器内壁面に黒色のデポジションが発生することもなく、５００枚連続エッチングを行っても、生産に影響を与えるダストの発生は無かった。
【００１５】
また、基板電極温度を５０℃、圧力を０．３Ｐａ、ＡｒとＣＨ3Ｉのガス流量をそれぞれ１０ｓｃｃｍ、２ｓｃｃｍとし、更にアンテナに印加する電力と基板電極に印加する電力をそれぞれ４００Ｗ、１００Ｗとすることで、基板上に堆積させたリン化インジウム（ＩｎＰ）薄膜や、リン化インジウム基板をエッチング加工することができた。リン化インジウムのエッチング速度は、２９０ｎｍ／ｍｉｎと高かった。また、反応生成物であるＩｎ（ＣＨ3）3の揮発性が良好であるため、エッチング側壁に反応生成物がほとんど付着せず、垂直な加工形状を得ることができた。また、真空容器内壁面に黒色のデポジションが発生することもなく、４００枚連続エッチングを行っても、生産に影響を与えるダストの発生は無かった。
【００１６】
このように、従来例で見られた加工形状の不良、エッチング速度不足、ダストの発生が解決するとともに、リン化インジウムのエッチングを常温で行えた理由は、エッチングガスとしてヨウ化メタンガス（ＣＨ3Ｉ）を用いたためであると考えられる。ヨウ化メタンにおけるＣ−Ｉ結合の結合エネルギーは２．２０ｅＶであるのに対し、Ｃ−Ｈ結合の結合エネルギーは約４ｅＶである（正確な値は明らかではないが、メタンにおけるＣ−Ｈ結合の結合エネルギー４．２６ｅＶと大差無いものと考えられる）。したがって、プラズマ中で起きる解離性衝突においては、Ｃ−Ｉ結合が切れやすいため、ＣＨ3ラジカルとＩラジカルが多量に発生する一方、ＣＨ2ラジカル、ＣＨラジカルなどエッチングに寄与しない活性種や炭素（Ｃ）ラジカルの発生が抑制される。したがって、従来例と比較して、ガリウムやインジウムとの反応性に富むＣＨ3ラジカルが豊富に供給されるため、高速なエッチングが行えたものと考えられる。また、黒色のデポジションを発生させる元となる炭素ラジカルが少なくなったため、ダストの発生が抑制されたものと考えられる。さらに、本実施形態においては、低電子温度プラズマを発生させることのできる１００ＭＨｚ励起のアンテナ式プラズマ源を用いているため、Ｃ−Ｈ結合を切ることのできる高いエネルギーをもった電子の数が少ないことも、良好な加工結果を得ることに貢献している。
【００１７】
以上説明した加工方法を利用することにより、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜を堆積する工程と、基板上に形成されたガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜をエッチングする工程とを含む電子デバイスの製造工程を高い生産性で行うことができる。
【００１８】
次に、本発明の実施形態について、図３を参照して説明する。
【００１９】
図３（ａ）に、窒化ガリウムトランジスタを形成した基板の断面図を示す。金属電極１６、リセス１７から成るゲート、ソース電極１８、ドレイン電極１９、ＧａＮ層２０、ＡｌＧａＮ層２１、ＧａＮバッファー層２２、ＧａＮ基板２３から構成されている。図３（ａ）では、次のエッチング工程のためのフォトレジスト２４も形成されている。この基板を、図１に示したエッチング装置を用いて、基板電極温度を５０℃、圧力を０．４Ｐａ、ＡｒとＣＨ3Ｉのガス流量をそれぞれ４０ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍとし、更にアンテナに印加する電力と基板電極に印加する電力をそれぞれ１０００Ｗ、３００Ｗとすることでエッチングし、図３（ｂ）のように貫通穴２５を形成する。次に、貫通穴内壁に絶縁膜２６を堆積した後、貫通穴内に金属配線２７を埋め込み、金属配線２７によって基板の表面に形成されたソース電極１９と、基板の裏面に形成された電極２８とを接続させる。このように工程を組み合わせることにより、窒化ガリウムパワーデバイスを形成することができたが、とくに、貫通穴の形成工程においてヨウ化メタンガスを用いたことにより、高速な穴形成が可能となり、生産性の高い加工を実現できた。なお、貫通穴の形成工程におけるエッチング速度は、１１００ｎｍ／ｍｉｎであった。
【００２０】
なお、基板表面をエッチングして深穴を形成する工程と、深穴の底よりも基板表面に近いところまで基板裏面から基板をほぼ均等にエッチングまたは研磨することにより貫通穴を形成する工程と、貫通穴内壁に絶縁膜を形成する工程と、貫通穴内に金属配線を埋め込む工程と、金属配線によって基板の表面に形成された電極と基板の裏面に形成された電極とを接続させる工程とを含む製造方法を用いる場合においても、深穴の形成工程において上記のようなヨウ化メタンガスを用いたエッチング加工を採用することで、生産性の高い加工を実現できる。
【００２１】
次に、本発明の第２の参考例について、図４を参照して説明する。
【００２２】
図４に、サファイア基板を用いた窒化ガリウム半導体レーザーの製造工程を示す。サファイア基板上に、ガリウムまたはインジウムを含み、かつ、組成の異なる複数の化合物半導体薄膜を堆積した後、フォトレジストを露光・現像したものの断面図が、図４（ａ）である。サファイア基板２９、窒化ガリウムバッファー層３０、ｎ−ＧａＮ層３１、ｎ−ＩｎＧａＮ層３２、ｎ−ＡｌＧａＮ層３３、ｎ−ＧａＮ層３４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸層３５、ｐ−ＡｌＧａＮ層３６、ｐ−ＧａＮ層３７、ｐ−ＡｌＧａＮ層３８、ｐ−ＧａＮ層３９、ｐ電極４０、フォトレジスト４１から構成されている。この基板を、図１に示したエッチング装置を用いて、基板電極温度を５０℃、圧力を０．３Ｐａ、ＡｒとＣＨ3Ｉのガス流量をそれぞれ３０ｓｃｃｍ、１５ｓｃｃｍとし、アンテナに印加する電力と基板電極に印加する電力をそれぞれ３００Ｗ、１００Ｗとすることでエッチングし、メサ構造を形成した。このとき、基板上に形成された組成の異なる複数の化合物半導体薄膜を一括してエッチングする。その後、ｎ電極４２を形成することにより、図４（ｂ）のように窒化ガリウムレーザーデバイスを形成することができた。とくに、メサ構造の形成工程において、ヨウ化メタンガスを用いたことにより、垂直なメサ構造形成が可能となった。
【００２３】
以上述べた本発明の実施形態においては、本発明の適用範囲のうち、化合物半導体薄膜の組成、電子デバイスの構造、真空容器の形状、プラズマ源の構造及び配置等に関して様々なバリエーションのうちの一部を例示したに過ぎない。本発明の適用にあたり、ここで例示した以外にも様々なバリエーションが考えられることは、いうまでもない。
【００２４】
また、窒化ガリウム、インジウムリンをはじめ、いくつかの化合物半導体薄膜または化合物半導体基板をエッチング加工する場合を例示したが、加工対象はこれらに限定されるものではなく、本発明は、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜または化合物半導体基板の加工、または、これらの材料を用いた電子デバイスの製造に適用できる。
【００２５】
また、エッチング加工に際してアルゴンとヨウ化メタンガスの混合ガスを用いる場合を例示したが、ガスはこれに限定されるものではない。ヨウ化メタンガスの他に、フッ化メタンガス（ＣＨ3Ｆ）などの１価ハロゲン化メタンガスを用いることで、本発明の実施形態において述べたと同様の効果を得ることができると考えられる。また、加工条件の微調整を行うために、種々の添加ガスを用いることもできる。
【００２６】
また、真空容器内にプラズマを発生させるために、アンテナ式プラズマ源を用いた場合を例示したが、基板電極のみに高周波電力を供給してプラズマを発生させる方式においても、本発明は有効である。しかし、高速で高精度なエッチングを行うためには、高密度プラズマ源を用いることが望ましい。
【００２７】
また、アンテナ式プラズマ源に供給する高周波電力の周波数が１００ＭＨｚである場合について例示したが、アンテナに供給する高周波電力の周波数が５０ＭＨｚ乃至３ＧＨｚであると、プラズマの電子温度が低くなる（約２ｅＶ）ため、１価ハロゲン化メタンにおけるＣ−Ｈ結合を切ることなく、Ｃ−Ｉなどの炭素−ハロゲン間の結合を切る確率が高まるため、プラズマ中により効率的にＣＨ3ラジカルを生成できるという利点がある。
【００２８】
また、プラズマ源に供給する高周波電力がパルス変調されていると、プラズマの電子温度をさらに低くすることができる（＜２ｅＶ）ため、より効率的にプラズマ中にＣＨ3ラジカルを生成できるという利点がある。
【００２９】
プラズマ源に供給する高周波電力の周波数が低い（典型的には１３．５６ＭＨｚを利用する）誘導結合型プラズマ源においても、高周波電力がパルス変調されていると、プラズマの電子温度を低くすることができる（＜２ｅＶ）ため、より効率的にプラズマ中にＣＨ3ラジカルを生成できるという利点がある。
【００３０】
また、基板電極に供給する高周波電力の周波数が、４００ｋＨｚである場合について説明したが、基板へ到達するイオンエネルギーを制御するにあたり、他の周波数、たとえば、１００ｋＨｚ乃至１００ＭＨｚの高周波電力を用いることができることは、いうまでもない。あるいは、基板電極に高周波電力を供給しなくとも、プラズマ電位と基板電位とのわずかな差を利用して、弱いイオンエネルギーによるエッチング加工を行うこともできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本願発明の電子デバイスの製造方法によれば、真空容器内の基板電極にガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を載置し、真空容器内に１価ハロゲン化メタンガスを含むガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内にプラズマを発生させ、基板表面をエッチングして凹部を形成する工程と、前記凹部に対向する基板裏面から基板をほぼ均等にエッチングまたは研磨することにより貫通穴を形成する工程と、貫通穴内壁に絶縁膜を形成する工程と、貫通穴内に金属配線を埋め込む工程と、金属配線によって基板の表面に形成された電極と基板の裏面に形成された電極とを接続させる工程を備えることを含むため、ガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体薄膜やガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を用いた電子デバイスを精度よく高い生産性で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態で用いたエッチング装置の構成を示す断面図
【図２】 本発明の実施形態で用いたエッチング装置におけるアンテナの平面図
【図３】 本発明の実施形態における窒化ガリウムパワーデバイスの製造工程を示す図
【図４】 本発明の第２の参考例における窒化ガリウム半導体レーザーの製造工程を示す図
【図５】 従来例で用いたエッチング装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
１ 真空容器
２ ガス供給装置
３ ターボ分子ポンプ
４ アンテナ用高周波電源
５ アンテナ
６ 基板電極
７ 基板
８ 基板電極用高周波電源
９ 給電棒
１０ ショートピン
１１ 誘電板
１２ カバー
１３ 誘電体リング
１４ 導体リング
１５ スリット
Claims (1)
- 真空容器内の基板電極にガリウムまたはインジウムを含む化合物半導体基板を載置し、真空容器内に１価ハロゲン化メタンガスを含むガスを供給しつつ真空容器内を排気し、真空容器内を所定の圧力に制御しながら、真空容器内にプラズマを発生させ、基板表面をエッチングして凹部を形成する工程と、前記凹部に対向する基板裏面から基板をほぼ均等にエッチングまたは研磨することにより貫通穴を形成する工程と、貫通穴内壁に絶縁膜を形成する工程と、貫通穴内に金属配線を埋め込む工程と、金属配線によって基板の表面に形成された電極と基板の裏面に形成された電極とを接続させる工程を備えることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
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