JP6179937B2

JP6179937B2 - プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法

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Publication number: JP6179937B2
Application number: JP2013104017A
Authority: JP
Inventors: 浩通扇谷; 敦紀丸野
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP2014225561A

Description

本発明は、プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法に関する。特に、後述のリセス構造等の微細構造を形成する際に、高精度でエッチング深さを制御することができるプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法に関する。

従来、電力変換器の電力制御用半導体（パワーデバイス）の材料として、結晶シリコン(Si)やアモルファスシリコン(Si)が用いられてきたが、最近では、これらに代わる次世代の半導体材料として、結晶窒化ガリウム(GaN)やアモルファス窒化ガリウム(GaN)等の窒化物系化合物が注目されている。これらの材料は、結晶SiやアモルファスSiよりも光学バンドギャップが大きく、絶縁破壊電界強度が高いという特長を有する。そのため、これらを用いることにより、従来よりも小型で、耐電圧性等に優れたパワーデバイスを実現することが可能になる。

パワーデバイスに必要とされる特性の一つにノーマリオフ特性がある。ノーマリオフ特性とは、ゲートに電圧が印加されていない間はソースとドレインの間に電流が流れない特性をいい、何らかの障害でゲートに電圧が印加されなくなった場合に安全サイドとなることから、パワーデバイスではこの特性が求められる。

ノーマリオフ特性を得るための方法の１つとして、ゲート電極直下の半導体層をエッチングすることによりソース及びドレイン直下の半導体層よりも薄くした、いわゆるリセス構造を形成する方法がある。例えば、図１に示すように、厚さ30nm程度の表層のAlGaN半導体層のうち、ゲート電極を形成する部分において25nm以上エッチングして5nm以下の半導体層を残存させる。

国際公開WO2011/045967号公報特開2006-073801号公報

上述のように、数nm単位でエッチング深さを制御してリセス構造等の微細構造を形成するためには、エッチング深さを高精度でリアルタイム測定するモニタリング技術と、エッチング速度を高精度で制御するエッチング技術の両方が必要となる。

数nmレベルの薄膜の厚さを高精度でリアルタイム測定するモニタリング技術として、例えば特許文献１に記載の膜厚測定方法を用いることができる。特許文献１に記載の方法では、測定光を対象物に照射し、対象物（例えば基板上に半導体層が積層された被処理基板）の第１面（例えば表層である半導体層の表面）と第２面（例えば前記半導体層とその下層の界面）からそれぞれ反射された光を干渉させ、その干渉光からスペクトルを取得する。そして、該スペクトルのピーク波長の時間的変化から、膜厚の変化を決定する。この方法を用いると、干渉光スペクトルの１周期以下の膜厚の変化をモニタリングすることができる。

特許文献１に記載の方法は、厚さを測定する対象である膜が単一であることを前提とした理論式に基づいている。しかし、半導体層の表面には通常、自然酸化膜が形成されており、この自然酸化膜と半導体層の両方をエッチングしてリセス構造を形成する。従って、自然酸化膜と半導体層の両方の膜厚を高精度にモニタリングする必要があるが、上記の方法ではそれが困難である。

自然酸化膜と半導体層の両方をエッチングすることは、エッチング速度の制御の点でも難しい。例えば、従来、窒化物系化合物の１種であるAlGaN半導体層のエッチングには、Cl₂プラズマが用いられている。AlGaN半導体層と、その表面に形成される自然酸化膜であるAl₂O₃やGa₂O₃に対するCl₂プラズマのエッチング速度は大きく異なり、自然酸化膜のエッチング速度は非常に遅い。そのため、AlGaN半導体層のエッチングに至る前に、これら自然酸化膜をエッチングで除去するために長い時間（これを「デッドタイム」と言う。）を必要とする。このデッドタイムを短縮するために、バイアス電圧を高くして自然酸化膜のエッチング速度を上げることは可能であるが、その場合、自然酸化膜がエッチングされた後はAlGaN半導体層のエッチングが急激に進行し、数nmレベルでエッチング速度を制御することが不可能になってしまう。

本発明が解決しようとする課題は、プラズマエッチングによりリセス構造等の微細構造を形成する際に、エッチング深さを高精度で制御することができるプラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、半導体層を有する被処理基板をプラズマエッチングする装置であって、
a) 処理室と、
b) 前記処理室内に配置され、前記被処理基板が載置されるとともに高周波電圧が印加される下部電極と、
c) 前記処理室内に還元性ガスを導入する還元性ガス導入手段と、
d) 前記処理室内にハロゲン系ガスを導入するハロゲン系ガス導入手段と、
e) 前記還元性ガス導入手段及び前記ハロゲン系ガス導入手段を動作させ、前記還元性ガスと前記ハロゲン系ガスを含む混合ガスのプラズマにより前記被処理基板のエッチングを実行するエッチング実行手段と、
f) 前記半導体層に該層を透過する波長を有する光を照射し、該半導体層の表面及び下面においてそれぞれ反射した光を干渉させて干渉光スペクトルを取得する干渉光スペクトル取得手段と、
g) 前記干渉光スペクトルの時間的な変化に基づいて前記半導体層の厚さの変化をリアルタイムでモニタリングする膜厚モニタリング手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係るプラズマエッチング装置は、特に、上記半導体層が窒化物系化合物からなる層である被処理基板をエッチングする際に好適に用いることができる。窒化物系化合物としては、例えば、AlGaN、GaN、AlN、InNが挙げられる。
上記還元性ガスとしては、例えば、BCl₃ガス、NH₃ガス、H₂Sガス、H₂ガスが挙げられる。上記ハロゲン系ガスは、従来、半導体層を有する被処理基板のエッチングに用いられているガスであり、例えば、Cl₂ガス、SiCl₄ガス、BCl₃ガス、CH₂Cl₂ガス、HClガス、HBrガス、HIガスが挙げられる。
なお、前記混合ガスには、還元性ガス及びハロゲン系ガス以外にXeガス等の不活性ガスなどを含んでもよい。

本発明に係るプラズマエッチング装置では、還元性ガスとハロゲン系ガスを含む混合ガスを処理室内に導入し、それらをプラズマ化してエッチングを行う。還元性ガスを含む混合ガスのプラズマを用いることにより、半導体層の表面に形成された自然酸化膜を還元しつつエッチングすることができるため、半導体層の表面に自然酸化膜が形成されていてもエッチング速度が低下しない。従って、従来のように、自然酸化膜のエッチングに時間がかかって長いデッドタイムが生じたり、バイアス電圧が大きすぎて数nmレベルでエッチング速度を制御することが不可能になるといった問題を解消できる。
また、本発明に係るプラズマエッチング装置では、干渉光スペクトルの時間的な変化に基づいて半導体層の膜厚の変化をリアルタイムモニタリングする。従って、リセス構造等の微細構造を形成する際に、エッチング深さを高精度で制御することができる。

本発明に係るプラズマエッチング装置は、さらに
h) 前記エッチング実行手段により前記被処理基板のエッチングを実行する前に、前記還元性ガス導入手段を動作させて前記処理室内に還元性ガスを流通させる前処理実行手段
を備えることが望ましい。

被処理基板の表面に水分が付着した状態ではエッチング速度が低下してしまう。この態様のプラズマエッチング装置では、エッチング実行前に還元性ガスを処理室内に導入して、被処理基板の表面を還元性ガスに曝して水分を除去する。これによりエッチング速度の低下を防止して、より高精度でプラズマエッチングを行うことができる。

上記課題を解決するために成された本発明の別の態様は、半導体層を有する被処理基板をプラズマエッチングする方法であって、
前記半導体層に該層を透過する波長を有する光を照射し、該半導体層の表面及び下面においてそれぞれ反射した光を干渉させて取得した干渉光スペクトルの時間的な変化に基づいて前記半導体層の厚さの変化をリアルタイムでモニタリングしつつ、還元性ガスとハロゲン系ガスを含む混合ガスのプラズマにより前記被処理基板をエッチングすることを特徴とする。
好ましくは、前記混合ガスのプラズマによるエッチングを行う前に、前記被処理基板を前記還元性ガスに曝す。

本発明に係るプラズマエッチング装置では、還元性ガスとハロゲン系ガスを含む混合ガスを処理室内に導入し、それらをプラズマ化してエッチングを行う。還元性ガスを含む混合ガスのプラズマを用いることにより、半導体層の表面に形成された自然酸化膜を還元しつつエッチングするため、半導体層の表面に自然酸化膜が形成されていてもエッチング速度が低下することがない。従って、従来のように、自然酸化膜のエッチングに時間がかかって長いデッドタイムが生じたり、バイアス電圧が大きすぎて数nmレベルでエッチング速度を制御することが不可能になるといった問題が生じない。また、本発明に係るプラズマエッチング装置では、干渉光スペクトルの時間的な変化に基づいて前記半導体層の膜厚の変化をリアルタイムモニタリングする。従って、被処理基板にリセス構造等の微細構造を形成する際に、エッチング深さを高精度で制御することができる。
本発明に係るプラズマエッチング方法によっても、上記同様の効果を得ることができる。

リセス構造について説明する図。本発明に係るプラズマエッチング装置の一実施形態の要部構成図。従来の条件で半導体層をエッチングした結果を示すグラフ。実施例と比較例１及び２における処理条件を示す表。実施例と比較例１及び２の条件で半導体層をエッチングした結果を示すグラフ。変形例１及び２における処理条件を示す表。変形例１及び２の条件で半導体層をエッチングした結果を示すグラフ。

本発明に係るプラズマエッチング装置の一実施形態について、以下、図面を参照して説明する。本実施形態のプラズマエッチング装置は、基板表面の半導体層をエッチングしてリセス構造を形成する装置である。図２にその要部構成を示す。

本実施形態のプラズマエッチング装置は、反応室１０を有する。反応室１０の底部には、基板１１を載置する平板状の下部電極（カソード）１２が備えられており、該下部電極１２はブロッキングコンデンサ１６、第１整合器１７を介して第１高周波電源１８に接続されている。下部電極１２には、ヘリウムガスを流通させる冷却ガス流路（図示なし）が設けられている。また、反応室１０の側壁には、還元性ガス導入部１９やハロゲン系ガス導入部２０からガスを導入するガス導入口１４、及び真空ポンプ１５により反応室１０内を排気するガス排気口が設けられている。反応室１０の上部には、誘電体窓１３を介して渦巻状のICPコイル２１が備えられている。渦巻状のICPコイル２１の片端は第２整合器２２を介して第２高周波電源２３に接続されており、他端は直接、第２高周波電源２３に接続されている。これらの各構成要素は、図示しない制御部（本発明におけるエッチング実行手段に相当）からの制御信号を受けて動作する。

また、本発明に係るプラズマエッチング装置は、干渉光スペクトル取得部３０と膜厚モニタリング部４０を備えている。干渉光スペクトル取得部３０は、所定帯域の波長成分を有する光を供給する光源３１、半導体層の表面及び下面においてそれぞれ反射した光を干渉させ波長分離する干渉光学系３２、及び波長分離された干渉光を波長ごとに検出する光検出器３３を備えている。膜厚モニタリング部４０は、干渉光スペクトル取得部３０により得られた干渉光スペクトルの時間的な変化に基づいて半導体層の厚さの変化をリアルタイムでモニタリングする。干渉光の時間的な変化としては、干渉光スペクトルのピーク波長の時間的変化、干渉光スペクトル波形をフーリエ変換して得られるフーリエ変換波形から得られる、単位波長あたりの干渉光スペクトル波形の繰り返し数の時間的変化、あるいは、前記フーリエ変換波形の横軸を位相換算したグラフにおける位相の時間的変化、などが挙げられる（特許文献１参照）。

はじめに、下部電極に印加するバイアス電圧の大きさが異なる３つの条件（20W, 30W, 50W）で、Cl₂プラズマによりAlGaN層をエッチングした場合（つまり、従来の方法によりエッチングを行った場合）の結果を図３に示す。
AlGaN層と、その表面に形成される自然酸化膜であるAl₂O₃やGa₂O₃に対するCl₂プラズマのエッチング速度は大きく異なり、自然酸化膜のエッチング速度は非常に遅い。そのため、AlGaN層のエッチングに至る前に、これら自然酸化膜をエッチングで除去するためのデッドタイムが生じている。

本実施例では、還元性ガスであるBCl ₃ガスとハロゲン系ガスであるCl ₂ガスの混合ガスのプラズマにより、AlGaN層のエッチングを行った。被処理基板は、シリコン基板上にAlNバッファ層、GaN層、AlGaN層を順に積層した直径8インチのウェハであり、30nmの厚さを有するAlGaN層にエッチング用の窓を有する1μmのフォトレジストを形成して、AlGaN層を5nmだけ残存させる（即ち、25nmエッチングする）リセスエッチングを行った。
また、実施例の条件に加え、比較例１及び２の条件で、それぞれリセスエッチングを行い、その結果を比較した。

実施例では、リセスエッチングを行う前に、反応室内にBCl₃ガスを20sccm導入し、反応室内の圧力を10Paに維持した状態で60秒間、前処理を行った。前処理では、ICPコイル及び下部電極に高周波電力を供給していない。続いて、還元性ガス導入部からBCl₃ガスを20sccm、ハロゲン系ガス導入部からCl₂ガスを20sccm、それぞれ反応室内に導入し、反応室内の圧力を0.6Paに維持した状態で、ICPコイルに150Wの高周波電力を、下部電極に10Wの高周波電力をそれぞれ供給して、この混合ガスのプラズマによりリセスエッチングを行った。

比較例１では、前処理を行わず、ハロゲン系ガス導入部からCl₂ガスを10sccm、図示しないXeガス供給部からXeガスを0.1sccm、それぞれ反応室内に導入し、反応室内の圧力を0.2Paに維持した状態で、ICPコイルに50Wの高周波電力を、下部電極に50Wの高周波電力をそれぞれ供給して、この混合ガスのプラズマによりリセスエッチングを行った。

比較例２では、前処理を行わず、ハロゲン系ガス導入部からCl₂ガスを10sccm、図示しないXeガス供給部からXeガスを0.1sccm、それぞれ反応室内に導入し、反応室内の圧力を0.2Paに維持した状態で、ICPコイルに50Wの高周波電力を、下部電極に30Wの高周波電力をそれぞれ供給して、この混合ガスのプラズマによりリセスエッチングを行った。

実施例と比較例１及び２にいずれにおいても、プラズマエッチング装置として、RIE-200iP（製品名。サムコ株式会社製）に、特許文献２に記載の曇り防止電極を取り付けたものを使用した。また、プラズマエッチング装置に上述した構成の干渉光スペクトル取得部及び膜厚モニタリング部を備え、AlGaN層の膜厚をリアルタイムでモニタリングした。

実施例、比較例１及び２の各条件によりリセスエッチングを行った結果を図５に示す。比較例１及び２（従来法）では、図３と同様に、オフセットタイム（＝デッドタイム）が生じている。これに対し、実施例の条件ではデッドタイムが生じない。つまり、本実施例のように還元性ガスとハロゲン系ガスの混合ガスのプラズマを用いることにより、自然酸化膜が形成された半導体層に対して、デッドタイムを生じさせることなくエッチングできることを確認できた。なお、実施例におけるエッチング速度は9.38nm/minであった。
［変形例］

さらに、以下に示す変形例１及び２の条件において被処理基板（シリコン基板上にGaN層を形成した直径8インチのウエハ）をエッチングした（図６参照）。

変形例１では、BCl₃ガスを20sccm導入し反応室内の圧力を10Paに維持した状態で60秒間、前処理を行った。その後、還元性ガス導入部からBCl₃ガスを20sccm、ハロゲン系ガス導入部からCl₂ガスを20sccm、それぞれ反応室内に導入し、反応室内の圧力を0.6Paに維持した状態で、ICPコイルに150Wの高周波電力を、下部電極に10Wの高周波電力をそれぞれ供給して、この混合ガスのプラズマによりエッチングを行った。

変形例２では、BCl₃ガスを20sccm導入し反応室内の圧力を10Paに維持した状態で60秒間、前処理を行った。その後、還元性ガス導入部からBCl₃ガスを20sccm、ハロゲン系ガス導入部からCl₂ガスを20sccm、それぞれ反応室内に導入し、反応室内の圧力を0.6Paに維持した状態で、ICPコイルに150Wの高周波電力を、下部電極に5Wの高周波電力をそれぞれ供給して、この混合ガスのプラズマによりエッチングを行った。

変形例１及び２の条件で行ったエッチングの結果を図７に示す。変形例１及び２の条件でも、実施例と同様に、自然酸化膜が形成された半導体層に対して、デッドタイムを生じさせることなくエッチングできることを確認できた。変形例１におけるエッチング速度は10.2nm/min、変形例２におけるエッチング速度は0.67nm/minであった。この結果から、下部電極に供給する高周波電力を変化させてバイアス電圧を調整することにより、エッチング速度を自在に調整できることが分かる。

上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜に変更することができる。

上記実施例では、リセスエッチングを行う前に前処理を行ったが、前処理は必須ではなく、被処理基板の状態等を勘案して適宜行えばよい。また、還元性ガスとしてBCl₃ガスを、ハロゲン系ガスとしてCl₂ガスを、それぞれ使用したが、同種の特性を有するガスであれば、他の種類のガスを用いても上記同様の効果を得ることができる。上記還元性ガスとしては、例えば、BCl₃ガス、NH₃ガス、H₂Sガス、H₂ガスが挙げられる。上記ハロゲン系ガスとしては、例えば、Cl₂ガス、SiCl₄ガス、BCl₃ガス、CH₂Cl₂ガス、HClガス、HBrガス、HIガスが挙げられる。なお、還元性ガス、ハロゲン系ガスのいずれについても、必ずしも１種類で使用する必要はなく、適宜に混合して使用することができる。また、BCl₃ガスを含むガスを用いることにより、還元性ガス及びハロゲン系ガスの両方の特性を持たせることもできる。

上記実施例では、被処理基板を、シリコン基板上にAlNバッファ層、GaN層、AlGaN層を順に積層した直径8インチのウェハとしたが、被処理基板の種類はこれに限定されない。本発明に係るプラズマエッチング装置及び方法は、窒化物系化合物からなる半導体層を有する被処理基板をエッチングする際に好適に用いることができる。窒化物系化合物としては、例えば、AlGaN、GaN、AlN、InNが挙げられる。
上記実施例では、干渉光スペクトル取得部及び膜厚モニタリング部の構成として特許文献１に記載の構成を用いたが、干渉光スペクトルの時間的変化から膜厚をリアルタイムでモニタリングできるものであれば、実施例の構成に限定されない。
上記実施例では、リセスエッチングを行う場合を例に説明したが、本発明に係るプラズマエッチング装置及び方法は、リセス構造を形成するためのエッチングだけでなく、種々の微細構造を形成するエッチングを行う際に用いることができる。

１０…反応室
１１…基板
１２…下部電極
１３…誘電体窓
１４…ガス導入口
１５…真空ポンプ
１６…ブロッキングコンデンサ
１７…第１整合器
１８…第１高周波電源
１９…還元性ガス導入部
２０…ハロゲン系ガス導入部
２１…ICPコイル
２１…コイル
２２…第２整合器
２３…第２高周波電源
３０…干渉光スペクトル取得部
３１…光源
３２…干渉光学系
３３…光検出器
４０…膜厚モニタリング部

Claims

半導体層を有する被処理基板をプラズマエッチングする装置であって、
a) 処理室と、
b) 前記処理室内に配置され、前記被処理基板が載置されるとともに高周波電圧が印加される下部電極と、
c) 前記処理室内に還元性ガスを導入する還元性ガス導入手段と、
d) 前記処理室内にハロゲン系ガスを導入するハロゲン系ガス導入手段と、
e) 前記還元性ガス導入手段及び前記ハロゲン系ガス導入手段を動作させ、前記還元性ガスと前記ハロゲン系ガスを含む混合ガスのプラズマにより前記被処理基板のエッチングを実行するエッチング実行手段と、
f) 前記半導体層に該層を透過する波長を有する光を照射し、該半導体層の表面及び下面においてそれぞれ反射した光を干渉させて干渉光スペクトルを取得する干渉光スペクトル取得手段と、
g) 前記干渉光スペクトルの時間的な変化に基づいて前記半導体層の厚さの変化をリアルタイムでモニタリングする膜厚モニタリング手段と、
h) 前記エッチング実行手段により前記被処理基板のエッチングを実行する前に、前記還元性ガス導入手段を動作させて前記処理室内に還元性ガスを流通させる前処理実行手段と
を備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
前記半導体層が窒化物系化合物からなる層であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
前記還元性ガスが、BCl₃ガス、NH₃ガス、H₂Sガス、及びH₂ガスのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマエッチング装置。
前記ハロゲン系ガスが、Cl₂ガス、SiCl₄ガス、BCl₃ガス、CH₂Cl₂ガス、HClガス、HBrガス、及びHIガスのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプラズマエッチング装置。
半導体層を有する被処理基板をプラズマエッチングする方法であって、
前記半導体層に該層を透過する波長を有する光を照射し、該半導体層の表面及び下面においてそれぞれ反射した光を干渉させて取得した干渉光スペクトルの時間的な変化に基づいて前記半導体層の厚さの変化をリアルタイムでモニタリングしつつ、還元性ガスとハロゲン系ガスを含む混合ガスのプラズマにより前記被処理基板をエッチングする工程と、
前記混合ガスのプラズマによるエッチングを行う前に、前記被処理基板を前記還元性ガスに曝す工程と
を備えることを特徴とするプラズマエッチング方法。