JP5204138B2

JP5204138B2 - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JP5204138B2
Application number: JP2010030013A
Authority: JP
Inventors: 末広杉谷; 卓也堤; 一巳西村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2030-02-15
Also published as: JP2011166059A

Description

本発明は、ＩｎＰのドライエッチング方法に関するものである。

近年の通信技術の高速化・大容量化に対応し、従来用いられてきたＧａＡｓ系材料の代わりにＩｎＰ系材料を用いて作製された、高速動作可能なトランジスタなどの半導体装置への期待が増大している。

ここで、ミリ波帯などの高い周波数帯で半導体装置の性能を十分引き出すためには、グランド強化，半導体装置の放熱性向上，および基板への実装容易化などを可能とするビア技術が重要になる。このようなビアホールとしては、例えば、深さが５０〜１００μｍ程度となる。しかしながら、高速動作可能な半導体装置の材料として期待されているＩｎＰ基板では、上述したようなビアホールを形成することが難しいとされてきた。

例えば、ウエットエッチング法では、エッチングが基板の平面方向に進んでしまうサイドエッチングの量が多く、かつ、ＩｎＰはＧａＡｓと比較して結晶の面方向によるエッチング速度の異方性が強いため、実用的な寸法のビアホール形成が困難である。

これに対し、ドライエッチング法では、サイドエッチング量の低減が可能であり、また、結晶異方性も問題とならない。しかしながら、ＩｎＰのドライエッチングを可能とする塩素ガスを用いる場合、ＩｎＰと塩素ガスの反応生成物である塩化インジウムの蒸気圧が低いため、適当なエッチング速度を得るためには温度条件を１５０℃以上にすることが必要とされる。このような温度条件では、一般的なフォトレジストをマスクパターンとして用いると、マスクパターンが変形し、所望の形状が得られないという問題がある。また、上述したような高温処理では、フォトレジストが変質し、エッチング終了後に除去することが困難になるという問題がある。

これに対し、エッチングに用いるマスクに、耐熱性に優れたニッケルなどの金属を用いる方法がある。しかしながら、ドライエッチングにおいてはある程度マスクパターンもエッチングされる。このため、気化温度が高い金属材料からなるマスクパターンを用いると、エッチングされた金属の再付着が発生し、この再付着物が微小なマスクパターンとなり、エッチング残りを発生させるなど安定性に欠けるという問題がある。

上述した塩素ガスを用いたドライエッチングの問題に対し、ヨウ化水素ガスもしくはヨウ化水素ガスと塩素ガスとの混合ガスを用い、より低い温度（１００℃程度）でドライエッチングができるようにする技術が提案されている（非特許文献１参照）。

K. Kotani, et. al. ,"High Etch Rate and Low Temperature InP Backside Via Etching Using HI-based Inductively Coupled Plasma", 2004 International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, Conference proceedings, 16th IPRM, pp.717-720, 2004.

しかしながら、ヨウ化水素ガスは、塩素ガスに比べて特殊なガスであり高価であるという問題がある。また、ヨウ化水素ガスを用いると、エッチング処理を行う処理室内部が汚れやすく、安定したエッチングを得るためには、頻繁に処理室内のクリーニングを行う必要があり、生産性が悪くコストの上昇を招くという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コストの上昇を招くことなく、より安定した状態でＩｎＰの層がドライエッチング法によりエッチングできるようにすることを目的とする。

本発明に係るドライエッチング方法は、ＩｎＰからなる半導体層の上に無機絶縁材料からなる第１絶縁層を形成する第１工程と、第１絶縁層の上に有機絶縁材料からなる第２絶縁層を形成する第２工程と、第１絶縁層および第２絶縁層をパターニングして半導体層の表面が露出する開口部を備える第１絶縁層および第２絶縁層から構成されたマスクパターンを形成する第３工程と、塩素ガスを用いたヨウ化水素ガスを用いないドライエッチング法によりマスクパターンをマスクとして半導体層を選択的にエッチングして半導体層に開口パターンを形成する第４工程とを少なくとも備え、有機絶縁材料は、塩素ガスを用いたＩｎＰからなる層のドライエッチング工程における温度条件以上の耐熱温度を有している。

上記ドライエッチング方法において、第４工程は、１５０〜２５０℃の範囲の温度条件で行えばよい。また、無機絶縁材料は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択されたものであればよい。また、有機絶縁材料は、耐熱温度が２５０℃以上である、ポリイミド，ベンゾシクロブテン，アリーレンエーテル系ポリマー，シロキサン系ポリマー，および芳香族炭化水素系ポリマーの中より選択されたものであればよい。

以上説明したように、本発明によれば、無機絶縁材料からなる第１絶縁層および有機絶縁材料からなる第２絶縁層からなるマスクパターンをマスクとし、塩素ガスを用いたドライエッチング法によりＩｎＰからなる半導体層をエッチングするので、コストの上昇を招くことなく、より安定した状態でＩｎＰの層がドライエッチング法によりエッチングできるようになるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態におけるドライエッチング方法の各工程における状態を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるドライエッチング方法の各工程における状態を示す断面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態におけるドライエッチング方法の各工程における状態を示す断面図である。図１Ｄは、本発明の実施の形態におけるドライエッチング方法の各工程における状態を示す断面図である。図１Ｅは、本発明の実施の形態におけるドライエッチング方法の各工程における状態を示す断面図である。図１Ｆは、本発明の実施の形態におけるドライエッチング方法の各工程における状態を示す断面図である。図１Ｇは、本発明の実施の形態におけるドライエッチング方法の各工程における状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。まず図１Ａに示すように、ＩｎＰからなる基板（半導体層）１０１の上に、無機絶縁材料からなる第１絶縁層１０２を形成する。例えば、スパッタ法により基板１０１の上に酸化シリコンを堆積することで、層厚０．１μｍ程度に第１絶縁層１０２を形成すればよい。なお、基板１０１は、板厚５０μｍである。

次に、図１Ｂに示すように、第１絶縁層１０２の上に、有機絶縁材料からなる第２絶縁層１０３を形成する。例えば、有機絶縁材料であるベンゾシクロブテンをスピンコート法により塗布し、この塗布膜を２１０℃・４０分の加熱条件で加熱処理して熱硬化することで、層厚１５μｍの第２絶縁層１０３を形成すればよい。このように、有機絶縁材料を用いることで、１０μｍを超える厚い絶縁層が、容易に形成できるようになる。

また、有機絶縁材料から第２絶縁層１０３を形成しているので、層厚を厚くしても大きな応力が発生することがなく、基板１０１の破損などが抑制できるようになる。よく知られているように、酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機絶縁材料を１０μｍ程度の厚さの層に形成すると、大きな応力が発生し、このような層を形成した基板にクラックなどを発生させる場合がある。これに対し、上述したような有機絶縁材料を用いることで、１５μｍと厚い層を形成しても、基板１０１に損傷を与えることがない。

また、本実施の形態によれば、第２絶縁層１０３と基板１０１との間に第１絶縁層１０２を備えているので、有機絶縁材料からなる第２絶縁層１０３の基板１０１からの剥離が抑制できるようになる。一般に、有機絶縁材料は、ＩｎＰの層との密着性がよくない。これに対し、無機絶縁材料の層は、有機絶縁材料の層およびＩｎＰの層の両者に対して良好な密着性が得られる。従って、第１絶縁層１０２を備えることで、第２絶縁層１０３の剥がれが抑制できるようになる。このように、第１絶縁層１０２は、密着性向上のために形成するので、例えば、一様な膜となる厚さに形成すればよく、前述したように層厚０．１μｍ程度でよい。このため、第１絶縁層１０２の存在により大きな応力が発生することがなく、基板１０１に損傷を与えることがない。

次に、図１Ｃに示すように、第２絶縁層１０３の上に、開口部１０４ａを備えるレジストパターン１０４を形成する。例えば、よく知られたフォトレジストを塗布して膜厚２０μｍ程度のフォトレジスト膜を形成し、形成したフォトレジスト膜を公知のフォトリソグラフィー技術によりパターニングすることで、レジストパターン１０４を形成すればよい。レジストパターン１０４は、厚さ２０μｍ程度に形成される。

次に、図１Ｄに示すように、レジストパターン１０４をマスクとした選択的なエッチングにより第２絶縁層１０３および第１絶縁層１０２をパターニングし、基板１０１の表面が露出する開口部１０５を形成する。例えば、ＣＦ₄および酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などにより、第２絶縁層１０３および第１絶縁層１０２を選択的にエッチングすればよい。

次に、レジストパターン１０４を除去し、図１Ｅに示すように、基板１０１の上に、開口部１０５を備えるマスクパターン１０６が形成された状態とする。マスクパターン１０６は、第１絶縁層１０２および第２絶縁層１０３から構成されて開口部１０５を備える。レジストパターン１０４は、例えば、有機溶剤に溶解させることで除去（剥離）することができる。このとき、ベンゾシクロブテンからなる第２絶縁層１０３は、フォトレジストを溶解する一般的な有機溶剤に溶解することがない。言い換えると、レジストパターン１０４の除去では、第２絶縁層１０３が溶解しない有機溶剤を用いればよい。

次に、塩素ガスを用いたドライエッチング法によりマスクパターン１０６をマスクとして基板１０１を選択的にエッチングすることで、図１Ｆに示すように、基板１０１にビアホール（開口パターン）１０７を形成する。例えば、温度条件を２００℃程度とし、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法によりエッチングすればよい。

最後に、マスクパターン１０６を除去すれば、図１Ｇに示すように、例えば貫通するビアホール１０７を備える基板１０１が得られる。例えば、ＣＦ₄および酸素の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、第１絶縁層１０２および第２絶縁層１０３から構成されたマスクパターン１０６を選択的に除去できる。

上述した本実施の形態によれば、ＣＦ₄，酸素，および塩素などのガスを用いたドライエッチング、スピン塗布、溶剤による剥離など、一般に用いられている半導体装置の製造工程により、５０μｍを超える厚さのＩｎＰ基板（ＩｎＰの半導体層）に、貫通する開口パターンを形成することができる。このように、本実施の形態によれば、高価なエッチングガス、装置内部を汚染しやすいガス、エッチング残りが発生しやすい金属マスクなどを用いることがないので、コストの上昇を招くことなく、より安定した状態でＩｎＰの層がドライエッチング法によりエッチングできる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、上述では、無機絶縁材料として酸化シリコンを用いたが、これに限るものではなく、例えば、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンなどの無機絶縁材料であってもよい。

また、上述した実施の形態では、塩素ガスを用いたＩｎＰからなる層のドライエッチング工程において、温度条件を２００℃としたが、この温度条件は、１５０〜２５０℃の範囲あればよい。

また、有機絶縁材料として、ベンゾシクロブテンを用いたが、これに限るものではなく、ポリイミド、アリーレンエーテル系ポリマー、シロキサン系ポリマー、または芳香族炭化水素系ポリマーなどの有機絶縁材料を用いることができる。有機絶縁材料は、塩素ガスを用いたＩｎＰからなる層のドライエッチング工程における温度条件以上の耐熱温度を有していればよい。

塩素ガスを用いたドライエッチング工程では、上述したように最大でも２５０℃とすればよいので、有機絶縁材料の耐熱温度としては、２５０℃以上あればよいものと考えられる。従って、有機絶縁材料としては、耐熱温度が２５０℃以上である、ベンゾシクロブテン、ポリイミド、アリーレンエーテル系ポリマー、シロキサン系ポリマー、および芳香族炭化水素系ポリマーのいずれかを用いればよい。これらの材料であれば、１５０〜２５０℃の温度条件によるドライエッチング工程でも、パターン変形や変質などを起こさない。

また、上述では、ＩｎＰからなる層のエッチングにおいて、塩素ガスを用いるようにしたが、このエッチングにおいては、塩素ガスのみに限るものではなく、塩素を主ガスとし、アルゴン、ヘリウム、窒素、または酸素を添加した混合ガスを用いるようにしてもよい。

１０１…基板（半導体層）、１０２…第１絶縁層、１０３…第２絶縁層、１０４…レジストパターン、１０４ａ…開口部、１０５…開口部、１０６…マスクパターン、１０７…ビアホール（開口パターン）。

Claims

ＩｎＰからなる半導体層の上に無機絶縁材料からなる第１絶縁層を形成する第１工程と、
前記第１絶縁層の上に有機絶縁材料からなる第２絶縁層を形成する第２工程と、
前記第１絶縁層および前記第２絶縁層をパターニングして前記半導体層の表面が露出する開口部を備える前記第１絶縁層および前記第２絶縁層から構成されたマスクパターンを形成する第３工程と、
塩素ガスを用いたヨウ化水素ガスを用いないドライエッチング法により前記マスクパターンをマスクとして前記半導体層を選択的にエッチングして前記半導体層に開口パターンを形成する第４工程と
を少なくとも備え、
前記有機絶縁材料は、塩素ガスを用いたＩｎＰからなる層のドライエッチング工程における温度条件以上の耐熱温度を有していることを特徴とするドライエッチング方法。
請求項１記載のドライエッチング方法において、
前記第４工程は、１５０〜２５０℃の範囲の温度条件で行うことを特徴とするドライエッチング方法。
請求項１または２記載のドライエッチング方法において、
前記無機絶縁材料は、酸化シリコン，窒化シリコン，および酸窒化シリコンの中より選択されたものであることを特徴とするドライエッチング方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のドライエッチング方法において、
前記有機絶縁材料は、耐熱温度が２５０℃以上である、ポリイミド，ベンゾシクロブテン，アリーレンエーテル系ポリマー，シロキサン系ポリマー，および芳香族炭化水素系ポリマーの中より選択されたものである
ことを特徴とするドライエッチング方法。