JP5813400B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ガリウム層を処理対象とするドライエッチング方法に関する。

化合物半導体の中で、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、ＬＥＤのような発光素子等の材料として用いられている。ＧａＮ層をドライエッチングする際、Ｃｌ_２、ＢＣｌ_３、ＳｉＣｌ_４、ＣＨＣｌ_３等といった塩素系ガス、又はそれら塩素系ガスを希ガス等で希釈したガスのみをエッチングガスとして用いることが一般的であった。例えば、特許文献１では、ＲＩＥ（反応性エッチング装置）、又はＩＣＰ（誘導結合プラズマ）装置等により、エッチングガスとして塩素系ガスを用いて、ＧａＮ層のエッチングを行っている。

特開２００７−２３４９１２号公報、第５頁

ところが、上記した塩素系ガスのみをエッチングガスとして用いた場合、有機材料や無機有機ハイブリット材料からなるフォトレジストマスクのエッチングレートは、ＧａＮ層に対するエッチングレートと同程度であった。このため、フォトレジストマスクに対するＧａＮ層の選択比（ＧａＮ層のエッチングレート／フォトレジストマスクのエッチングレート）としては、約０．５以上１．５以下といった低い値しか得られなかった。従って、従来のように塩素系ガスを用いてエッチングする場合には、フォトレジストマスクの膜厚を大きくする必要があるが、フォトレジストマスクの膜厚を大きくすると、フォトリソグラフィ工程の際に用いられるレジストの膜厚が大きくなるため、フォトレジストマスクを高精度にパターニングすることが難しくなる。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォトレジストマスクに対する窒化ガリウム層の選択比を向上することができるドライエッチング方法を提供することにある。

上記問題点を解決するドライエッチング方法は、フォトレジストマスクが積層された窒化ガリウム層のドライエッチング方法であって、ヨウ化水素ガス及びＢＣｌ_３ガスを含むエッチングガスのプラズマを生成し、該プラズマによって前記窒化ガリウム層をエッチングするとともに、前記エッチングガスのうち前記ヨウ化水素ガスの体積比率は、６０％以上８０％以下であって、前記エッチングガスのプラズマは、その密度が１×１０ ^１０ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^１１ ｃｍ ^−３ 以下であることを要旨とする。

上記方法によれば、窒化ガリウム層のエッチングガスとして、体積比率６０％以上８０％以下を占めるヨウ化水素ガスと、ＢＣｌ_３ガスとを含むエッチングガスを用いるので、塩素系ガスのみをエッチングガスとして用いるよりも、フォトレジストマスクのエッチングレートに対する窒化ガリウム層のエッチングレートの比である選択比を向上することができる。

また、上記方法によれば、密度が１×１０^１０ｃｍ^−３以上２×１０^１１ｃｍ^−３以下のプラズマによって窒化ガリウム層のエッチングを行う。即ち、上記範囲を超えた高密度なプラズマである場合には、窒化ガリウム層のエッチングレートも向上するが、フォトレジストマスクのエッチングレートも大きくなる。従って、プラズマ密度を上記範囲にすることにより、フォトレジストマスクに対する窒化ガリウム層の選択比を向上することができる。

本発明のドライエッチング方法に係る誘導結合型エッチング装置の概略図。 ＧａＮ層及びフォトレジストマスク層の断面図であって、（ａ）はエッチング前、（ｂ）はエッチング後の状態を示す。 ヨウ化水素の比率を変更した際の窒化ガリウム層及びフォトレジストマスク層のエッチングレートと、選択比を示すグラフ。 プラズマ密度を変更した際の窒化ガリウム層及びフォトレジストマスク層のエッチングレートと、選択比を示すグラフ。

以下、本発明のドライエッチング方法を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、本実施形態ではドライエッチング装置として、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）源を有する装置を用いる。このドライエッチング装置は、略筒状に形成された真空槽１１を有している。真空槽１１はアルミニウム等の金属製であって、その内部に基板Ｓｂを収容する処理室１２を有している。処理室１２は、エッチングガスのプラズマが生成される空間であって、その上部開口は、石英、サファイア等の誘電体から形成された誘電体窓１３によって密閉されている。

真空槽１１には、処理室１２に連通する搬送口が設けられ、該搬送口にはゲートバルブが接続されている（いずれも図示略）。エッチングの処理対象となる基板Ｓｂは、搬送口を介して隣室から処理室１２内へ搬入されるとともに、処理室１２から他の処理室へ搬送される。さらに、真空槽１１には、真空槽１１内のエッチングガスや大気等の流体を排気する排出口１１ａが設けられ、該排出口１１ａには図示しない排気装置が接続されている。また、真空槽１１には、処理室１２に連通するガス供給部１４が設けられている。このガス供給部１４には、処理室１２にエッチングガスを供給するガス供給系１５が接続されている。

ガス供給系１５は、ヨウ化水素（ＨＩ）ガスを供給する第１ガス供給源１６と、ＢＣｌ_３ガスを供給する第２ガス供給源１７とを備えている。ＨＩ及びＢＣｌ_３ガスは、第１ガス供給源１６及び第２ガス供給源１７から各マスフローコントローラ１９によって流量を調節されながら真空槽１１へ送出された後、混合された状態で処理室１２へ供給される。

真空槽１１の下部には、基板電極ステージ２０が設けられている。基板電極ステージ２０は、その上面が平坦に形成され、基板Ｓｂを載置可能となっている。また、基板電極ステージ２０は、マッチングボックス２１を介して、バイアス用高周波電源２２に電気的に接続されている。マッチングボックス２１は、処理室１２内のプラズマ生成領域とバイアス用高周波電源２２から基板Ｓｂまでの伝送路とのインピーダンスの整合を図る整合回路とブロッキングコンデンサとを含んでいる。

基板電極ステージ２０と真空槽１１の底壁部１１ｂとの間には、板状の絶縁板２３が設けられ、基板電極ステージ２０と真空槽１１の底壁部１１ｂとを絶縁するようになっている。また、基板電極ステージ２０の周囲には、筒状に形成された絶縁リング２４が設けられ、基板電極ステージ２０等と真空槽１１の側面とを絶縁するようになっている。

さらに基板電極ステージ２０上には、基板Ｓｂを吸着する静電チャック２５が設けられている。静電チャック２５は、一対のＥＳＣ電極２５ａ，２５ｂと、略円盤状の誘電体からなる静電チャックプレート２５ｃとを備えている。ＥＳＣ電極２５ａ，２５ｂは、静電チャックプレート２５ｃ内に配設されている。これらのＥＳＣ電極２５ａ，２５ｂは、図示しない電源装置に接続されており、一方のＥＳＣ電極２５ａには所定のプラス電圧が印加され、他方のＥＳＣ電極２５ｂには、所定のマイナス電圧が印加される。そして電源装置からＥＳＣ電極２５ａ、２５ｂに所定の電圧が印加されると、静電チャックプレート２５ｃの表面に電荷が誘起され、基板Ｓｂをその表面に静電吸着するようになっている。

また、誘電体窓１３の上方には、誘導結合プラズマ源を構成する高周波アンテナ３０が、異なる面上であって、真空槽１１の中心軸の回りを周回するように積み重ねられている。本実施形態では、高周波アンテナ３０は、平面視において渦巻き形状をなしている。高周波アンテナ３０から突出する入力端子（図示略）には、誘導結合プラズマ源を構成する高周波電源３１とマッチングボックス３２等が、入力側コンデンサ３５を介して並列に接続されている。

高周波電源３１は、処理室１２にプラズマを生成するための高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する。マッチングボックス３２は、負荷となる上記処理室１２内のガスと、高周波アンテナ３０を含む高周波電源３１から真空槽１１までの伝送路とのインピーダンスの整合を図る。入力側コンデンサ３５は、容量の変更が可能ないわゆる可変コンデンサであって、例えば１０ｐＦ〜１００ｐＦの範囲で任意に静電容量を変更する。

図２（ａ）に示すように、基板Ｓｂは、基材Ｓに、ＧａＮ層Ｓｂ１と、ＧａＮ層Ｓｂ１上に積層されたフォトレジストマスクＳｂ２とを備えている。基材Ｓは、サファイヤ基板やＳｉＣ基板、或いはシリコン基板と他の半導体層とからなる多層構造体等であって、その材料や構造は特に限定されない。

フォトレジストマスクＳｂ２は、開口部を有する所定のパターンを有し、有機材料あるいは無機有機ハイブリット材料から形成されている。フォトレジストマスクＳｂ２は、ＧａＮ層Ｓｂ１にフォトレジストを塗布し、所定のパターンを有する光学的マスクを介して露光し、露光したフォトレジストを現像すること等により形成される。ＧａＮ層Ｓｂ１は、このフォトレジストマスクＳｂ２の開口部を介して露出されている。

次に、このエッチング装置の動作について説明する。
この基板Ｓｂを真空槽１１内であって、基板電極ステージ２０上に載置すると、排出口１１ａから処理室１２内の気体が排気され、真空槽１１内が所定圧力にまで減圧される。また、ガス供給部１４から各種エッチングガスが供給される。

真空槽１１内に供給されるエッチングガスは、上記したようにＨＩガスの体積比率が６０％以上８０％以下となるように調整されている。例えば、ＨＩガスの流量は、２５ｓｃｃｍ以上６０ｓｃｃｍ以下、ＢＣｌ_３ガス及びの流量は、５ｓｃｃｍ以上３０ｓｃｃｍ以下が好ましい。

エッチングガスを真空槽１１内に供給すると、高周波電源３１から、周波数１３．５６Ｍｈｚの高周波電力が高周波アンテナ３０に供給され、真空槽１１内のエッチングガスがプラズマ化される。また、基板電極ステージ２０に高周波電力が供給されることによってプラズマ中の活性種は、基板Ｓｂに引き込まれ、フォトレジストマスクＳｂ２を介して露出されたＧａＮ層Ｓｂ１をエッチングする。

この際、ＨＩガスの活性種は、ＧａＮと反応して、ＧａＩ等の蒸気圧の高いヨウ化物を生成し、ＧａＮ層Ｓｂ１に対するエッチングレートを高める。また、その活性種は、有機系材料あるいは無機有機ハイブリット材料からなるフォトレジストマスクＳｂ２と反応して、ＯＨや、ＣＨ等の炭化水素、ヨウ素（Ｉ_２）を生成する。このうち、炭化水素、ヨウ素といった化合物は、その蒸気圧が低く、いわゆるデポ性を有する。それゆえに、ＨＩガスの活性種とフォトレジストマスクＳｂ２とが反応したとしても、それらの化合物の殆どは、フォトレジストマスクＳｂ２に堆積して保護膜として機能するために、ＧａＮ層Ｓｂ１の選択的なエッチングが実施される。

また、ＢＣｌ_３ガスの活性種は、ＧａＮと反応して、ＧａＣｌ等の蒸気圧の高い塩化物を生成する。さらにＢＣｌ_３ガスの活性種は、フォトレジストマスクＳｂ２と反応して、ＣＣｌ等の塩化炭素系化合物や、ＢＣ等のホウ化炭素化合物を生成する。このうち、ホウ化炭素化合物は、その蒸気圧が低く、いわゆるデポ性を有するため、その殆どは、フォトレジストマスクＳｂ２に堆積して保護膜として機能するが、塩化炭素系化合物は、蒸気圧が高く、保護膜を形成しない。

即ち、ＨＩガスのみを単独でエッチングガスとして用いても、エッチングレート及び選択比を向上することができるものの、エッチング形状、表面荒れ抑制等、実用性を向上するためにＢＣｌ_３ガス等の塩素系ガスを添加することが好ましい。しかし、ＢＣｌ_３ガスの活性種は、フォトレジストマスクＳｂ２との反応によって、上述したように蒸気圧の高い塩化炭素系化合物等を生成し、フォトレジストマスクＳｂ２に対するエッチングレートを高める。それゆえ、こうしたＢＣｌ_３ガスを量を問わず添加するという方法では、フォトレジストマスクＳｂ２に対するＧａＮ層Ｓｂ１の選択比が、結局のところ、ＢＣｌ_３ガスのみを用いたエッチングと同程度になってしまう虞があるため、ＢＣｌ_３ガスの体積比率を制限することが必要となる。

図３中、エッチングレートＬ３は、エッチングガス全体に対するＨＩガスに対する体積比率を変えた場合のフォトレジストマスクＳｂ２に対するエッチングレートを示す。また、エッチングレートＬ１は、ＧａＮ層Ｓｂ１に対するエッチングレートを示し、選択比Ｌ２は、フォトレジストマスクＳｂ２に対するＧａＮ層Ｓｂ１の選択比を示す。フォトレジストマスクＳｂ２に対するエッチングレートＬ３は、ＨＩガスの体積比率が７０％となる付近で極小となり、選択比Ｌ２は、そのＨＩガスの体積比率が７０％となる付近で大きくなる。

即ち、ＨＩガスの体積比率が７０％よりも小さい範囲では、塩素系化合物の活性種が多くなり、塩素とフォトレジストマスクＳｂ２中の炭素が反応して生成されたＣＣｌといった揮発性の塩化炭素系化合物等が多くなると考えられる。一方、ＨＩガスの体積比率が７０％を超える範囲では、ＧａＩ等の揮発性のヨウ化化合物等が多く生成されると考えられる。そして、ＨＩの体積比率が７０％付近である場合には、揮発性の塩化炭素系化合物及びヨウ化化合物以外にも、Ｉ_２等の不揮発性の化合物が比較的多く生成され、フォトレジストマスクＳｂ２に堆積して保護層として機能すると想定される。このため、ＨＩガスの体積比率が７０％付近では、フォトレジストマスクＳｂ２に対するＧａＮ層Ｓｂ１の選択比が向上される。また、良好な選択比である「５」以上となるＨＩガスの体積比率は、上記した６０％以上８０％以下の範囲である。

また、プラズマ密度は、１×１０^１０ｃｍ^−３以上２×１０^１１ｃｍ^−３以下となるように、基板電極ステージ２０に印加する高周波電圧、真空槽１１内の圧力、ガス流量等を制御することが好ましい。図４に、プラズマ密度を変化させた場合のＧａＮ層Ｓｂ１のエッチングレートＬ１と、フォトレジストマスクＳｂ２のエッチングレートＬ３と、フォトレジストマスクＳｂ２に対するＧａＮ層Ｓｂ１の選択比Ｌ２とを示す。プラズマ密度が２×１０^１１ｃｍ^−３を超える場合では、ＧａＮ層Ｓｂ１のエッチングレートも大きくなるが、フォトレジストマスクＳｂ２のエッチングレートも大きくなるため、選択比が５を下回る。また、図示はしていないが、プラズマ密度が、１×１０^１０ｃｍ^−３未満となる場合には、ＧａＮ層Ｓｂ１のエッチングレートが下がり、生産性が低下する。このため、良好な生産性を維持しつつ、選択比を高めるためには、プラズマ密度を上記範囲とすることが好ましい。

このようにエッチングを実施すると、フォトレジストマスクＳｂ２に対するＧａＮ層Ｓｂ１の選択比が大きくなり、結果として図２（ｂ）に示すように、ＧａＮ層Ｓｂ１には、１００ｎｍ程度の幅を有して、アスペクト比が５〜１０程度のホール３３が形成される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、ＧａＮ層Ｓｂ１をエッチングするエッチングガスを、ＨＩガス及びＢＣｌ_３ガスから構成し、ＨＩガスの体積比率を６０％以上８０％以下とした。この体積比率の範囲内では、エッチングが実施されることにより、フォトレジストマスクＳｂ２の保護膜として機能する生成物の量と、ＧａＮ層Ｓｂ１のエッチングレートとのバランスが取れるため、その選択比を大きくすることができる。

（２）上記実施形態では、エッチングガスのプラズマの密度を１×１０^１０ｃｍ^−３以上２×１０^１１ｃｍ^−３以下とした。即ち、上記範囲を超えた高密度なプラズマである場合には、ＧａＮの選択的なエッチングに寄与するＨＩガスの活性種の割合が少なくなる等の理由で、選択比が低下する。従って、プラズマ密度を上記範囲にすることにより、フォトレジストマスクＳｂ２に対するＧａＮ層Ｓｂ１の選択比を向上することができる。

尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・誘導結合型のドライエッチング装置は、図１に示した平面型以外に、円筒形の真空槽の外周にアンテナが巻回された構成であってもよい。また、誘導結合型以外にも、容量結合型のドライエッチング装置であってもよい。

１１…真空槽、１１ａ…排気口、１２…処理室、１４…ガス供給部、２０…基板電極ステージ、２２…バイアス用高周波電源、３０…高周波アンテナ、３１…高周波電源、Ｓｂ１…ＧａＮ層、Ｓｂ２…フォトレジストマスク。

Claims (1)

1. フォトレジストマスクが積層された窒化ガリウム層のドライエッチング方法であって、
   ヨウ化水素ガス及びＢＣｌ_３ガスを含むエッチングガスのプラズマを生成し、該プラズマによって前記窒化ガリウム層をエッチングするとともに、
   前記エッチングガスのうち前記ヨウ化水素ガスの体積比率は、６０％以上８０％以下であって、前記エッチングガスのプラズマは、その密度が１×１０ ^１０ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^１１ ｃｍ ^−３ 以下であることを特徴とするドライエッチング方法。

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