JPWO2013035510A1 - プラズマエッチング方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の解決課題は、ワイドギャップ半導体基板にテーパ状の凹部を形成することができるプラズマエッチング方法を提供することである。解決手段としては、ワイドギャップ半導体基板Kの表面に、当該ワイドギャップ半導体基板Kよりもエッチング速度の大きな高速エッチング膜Eを形成させ、その上に開口部を有したマスクMを形成する。そして、高速エッチング膜E及びマスクMが形成されたワイドギャップ半導体基板Kを基台に載置し、当該ワイドギャップ半導体基板Kを200℃以上に加熱した後、処理チャンバ内に供給されたエッチングガスをプラズマ化するとともに、基台にバイアス電位を与え、ワイドギャップ半導体基板Kをエッチングする。

Description

本発明は、ワイドギャップ半導体基板をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法に関し、特に、ワイドギャップ半導体基板にテーパ状の溝や穴を形成するプラズマエッチング方法に関する。
近年、半導体の材料として、ワイドギャップ半導体基板が注目を浴びている。このワイドギャップ半導体基板は、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(GaAs)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持っており、優れた物性を有することからシリコン基板やGaAs基板ではカバーすることのできない分野などへの応用が期待されている。ワイドギャップ半導体基板としては、一般的に周期表第2周期に属する炭素(C)や窒素(N)、酸素(O)などの元素を含む化合物からなり、例えば、炭化ケイ素(SiC)や酸化亜鉛(ZnO)、或いは、窒化ガリウム(GaN),窒化アルミニウム(AlN),窒化ホウ素(BN),リン化ホウ素(BP)などの所謂III−V族化合物などが挙げられる。
ところが、上述したように、ワイドギャップ半導体基板として用いられる炭化ケイ素などは、シリコンなどと比較して結晶の格子定数が小さい、すなわち、各原子間が強固に結合しているため、原子間の結合を切断し難く、シリコン基板などと比較して、エッチング加工を行い難いという欠点を有している。そこで、本願出願人らは、このようなワイドギャップ半導体基板をプラズマエッチングする方法として、特開2011−096700号公報に開示されたプラズマエッチング方法を提案している。
このプラズマエッチング方法は、ワイドギャップ半導体基板の1つである炭化ケイ素基板の表面にマスクとして二酸化ケイ素(SiO)膜が形成された基板をエッチング対象とし、Heガスなどの不活性ガスを処理チャンバ内に供給しプラズマ化して不活性ガス由来のイオンなどを生成するとともに、炭化ケイ素基板が載置された基台にバイアス電位を与え、生成されたイオンを炭化ケイ素基板に入射させることで当該炭化ケイ素基板を200℃〜400℃の温度範囲内の所定のエッチング処理温度まで加熱する。ついで、SFなどのエッチングガスを処理チャンバ内に供給しプラズマ化してイオンや反応種などを生成するとともに、基台にバイアス電位を与え、炭化ケイ素基板の温度を前記エッチング処理温度に維持した状態で当該炭化ケイ素基板を生成したイオンによるスパッタリングやラジカルとの化学反応によってエッチングするというものである。
このプラズマエッチング方法によれば、基台に載置された炭化ケイ素基板を所定のエッチング処理温度まで加熱することによって、炭化ケイ素基板を構成するケイ素(Si)や炭素(C)間の結合を切断するのに必要なエネルギーの一部を与えることができ、原子間の結合を切断し易くなるため、エッチング加工が行い易くなり、また、高精度なエッチング加工も可能となる。
特開2011−096700号公報
ところで、半導体基板上にエッチングによって形成した構造である溝や穴など(以下、「凹部」という)には、例えば、後工程で金属が充填されて回路が形成される。この際、凹部の形状が金属を密に充填し難い形状、例えば、ボウイング形状である場合には、凹部の内部に金属が密に充填されないため、回路に欠陥が生じ、導通不良などの問題が発生する。したがって、凹部の形状は金属を密に充填し易い形状、例えば、テーパ形状であることが好ましい。
ところが、上記従来のプラズマエッチング方法によって、炭化ケイ素基板にエッチング処理を施した場合、凹部の形状がボウイング形状になってしまい、テーパ状の凹部を形成することができなかった。これは、以下の理由によるものと考えられる。
上記従来のプラズマエッチング方法によって、炭化ケイ素基板にエッチング処理を施した場合、上述したように、各原子間の結合が切断され易くなるため、ラジカルなどの反応種との化学反応による等方的なエッチングが進行し易くなるが、炭化ケイ素基板のマスク直下部では、炭化ケイ素基板と反応種との接触が希薄であるため、この等方的なエッチングがあまり進行しない。また、マスク直下部の近傍は、前記イオンによってスパッタリングされ難いのに対して、これ以外の部分(特に、凹部側壁の中央部分)は、イオンによるスパッタリングによってエッチングされ易いため、前記直下部近傍は、これ以外の部分に比べ、エッチングの進行が遅くなる。このため、炭化ケイ素基板に形成される凹部の形状は、上述した所謂ボウイング形状になるものと考えられる。
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、エッチング加工を容易且つ高精度に行うことができるとともに、ワイドギャップ半導体基板にテーパ状の凹部を形成することができるプラズマエッチング方法、また、凹部のテーパ角度を所望の角度にすることができるプラズマエッチング方法の提供をその目的とする。
上記目的を達成するための本発明は、
プラズマ化した反応性エッチングガスを用いて、処理チャンバ内に配置された基台上に載置されるワイドギャップ半導体基板をプラズマエッチングする方法であって、
前記反応性エッチングガスをプラズマ化して生成される反応種により、前記ワイドギャップ半導体基板の構成成分よりも速い速度でエッチングされる成分からなる高速エッチング膜を、前記ワイドギャップ半導体基板の表面に形成する成膜工程と、
前記ワイドギャップ半導体基板の表面に形成した高速エッチング膜上に、開口部を有するマスクを形成するマスク形成工程と、
前記ワイドギャップ半導体基板を前記処理チャンバ内の基台上に載置して、該ワイドギャップ半導体基板を200℃以上に加熱し、前記反応性エッチングガスを前記処理チャンバ内に供給してプラズマ化するとともに、前記ワイドギャップ半導体基板が載置された基台にバイアス電位を印加して、前記プラズマ化した反応性エッチングガスによって、前記開口部を通して前記高速エッチング膜及び前記ワイドギャップ半導体基板をエッチングするエッチング工程とを行うようにしたことを特徴とするプラズマエッチング方法に係る。
この発明によれば、まず、ワイドギャップ半導体基板をプラズマエッチングするに当たり、当該ワイドギャップ半導体基板の表面に、反応種との化学反応により、ワイドギャップ半導体基板の構成成分よりも速い速度でエッチングされる成分で構成された高速エッチング膜を形成する。尚、反応性エッチングガスとしては、フッ素系ガスや塩素系ガスが挙げられる。
ついで、ワイドギャップ半導体基板の表面に形成された高速エッチング膜の上に開口部を有するマスクを形成する。
そして、この高速エッチング膜及びマスクが形成されたワイドギャップ半導体基板を前記基台上に載置して200℃以上に加熱し、反応性エッチングガスを処理チャンバ内に供給してプラズマ化するとともに、ワイドギャップ半導体基板が載置された基台にバイアス電位を与え、プラズマ化された反応性エッチングガスによってワイドギャップ半導体基板及び高速エッチング膜をエッチングする。尚、ワイドギャップ半導体基板の加熱温度は、200℃〜1000℃であることが好ましい。
以下、図1を参照しつつ、ワイドギャップ半導体基板にテーパ状の凹部が形成する過程について説明する。尚、図1において、ワイドギャップ半導体基板にはK、高速エッチング膜にはE、マスクにはMの符号を付した。
まず、図1(a)に示すように、高速エッチング膜EのE1部位が反応性エッチングガスをプラズマ化することで生成したイオンによるスパッタリングや反応種との化学反応によってエッチングされるとともに、高速エッチング膜EのE2部位が反応種との化学反応によってエッチングされる。これにより、ワイドギャップ半導体基板KのK1部位が露出するとともに、マスクの下に位置するK2部位も露出する。
ついで、図1(b)に示すように、高速エッチング膜EのE1部位がエッチングされることで露出したワイドギャップ半導体基板KのK1部位がエッチングされる。また、高速エッチング膜Eのエッチング速度がワイドギャップ半導体基板Kよりも速いため、ワイドギャップ半導体基板Kの側壁であるK3部位よりもE2部位の方が速くエッチングされる。これにより、ワイドギャップ半導体基板KのK2部位が更に露出し、当該K2部位とマスクMとの間に前記反応種が入り込み、K2部位の等方性エッチングが進行する。
図1(c)に示すように、その後も同様に、ワイドギャップ半導体基板KのK1部位のエッチングが進行する。また、高速エッチング膜EのE2部位のエッチングが進行することで、高速エッチング膜Eに覆われていたワイドギャップ半導体基板KのK2部位が徐々に露出していき、当該K2部位も徐々に等方的にエッチングされる。
そして、ワイドギャップ半導体基板KのK2部位がエッチングされていくとともに、K1部位もエッチングされていき、最終的に、図1(d)に示すようにテーパ状の凹部(エッチング構造)が形成される。
斯くして、本発明のプラズマエッチング方法においては、ワイドギャップ半導体基板とマスクとの間に、ワイドギャップ半導体基板よりもエッチングされ易くエッチング速度の速い高速エッチング膜を形成させたことにより、高速エッチング膜がエッチングされ、ワイドギャップ半導体基板とマスクとの間に間隙が生じ、当該間隙に反応性エッチングガスをプラズマ化することで生成した反応種が入り込み、ワイドギャップ半導体基板のマスクの下に位置する部位がエッチングされることで、テーパ状の凹部を形成することができる。尚、本願でいう「テーパ状」とは、凹部における、底面の幅よりも開口部の幅の方が大きく、側壁が直線に近いものをいうものとする。また、本願では、図1(d)に示すように、凹部底面と側壁面とがなす角度θを「テーパ角度」と定義する。
尚、ワイドギャップ半導体基板としては、炭化ケイ素基板が一例として挙げられるが、これに限られるものではなく、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、或いは、窒化ガリウム(GaN),窒化アルミニウム(AlN),窒化ホウ素(BN),リン化ホウ素(BP)などの所謂III−V族化合物などであっても良い。
また、前記反応性エッチングガスは、ワイドギャップ半導体基板が炭化ケイ素である場合にはフッ素系ガスであることが好ましい。尚、フッ素系ガスとしては、SFガスやCFガスなどが挙げられる。
また、ワイドギャップ半導体基板が炭化ケイ素であり、当該ワイドギャップ半導体基板をフッ素系ガスを用いてエッチングする場合、高速エッチング膜は、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)といったチタン系材料や、タングステンシリサイド(WSi),アモルファスシリコン(α−Si),ポリシリコン(p−Si),窒化シリコン(SixNy)といったシリコン系材料のうちの、少なくとも一つから構成されるのが好ましく、これらから選択される1層若しくは多層の膜とすることができる。
この場合、チタンや窒化チタン、タングステンシリサイド、アモルファスシリコン、ポリシリコン、窒化シリコンのエッチング速度がそれぞれ異なることから、高速エッチング膜の材料選択によってワイドギャップ半導体基板(炭化ケイ素基板)のエッチング速度と高速エッチング膜のエッチング速度との比を変えることができる。これにより、ワイドギャップ半導体基板に形成される凹部の形状を変化させることができる。
尚、高速エッチング膜は、チタンや窒化チタン、タングステンシリサイド、アモルファスシリコン、ポリシリコン、窒化シリコンに限られず、ワイドギャップ半導体基板が酸化亜鉛、或いは、窒化ガリウム,窒化アルミニウム,窒化ホウ素,リン化ホウ素などのIII−V族化合物などからなる場合や、反応性エッチングガスとして塩素系ガスを用いる場合には、ワイドギャップ半導体基板よりもエッチング速度が速くなるように、高速エッチング膜の構成成分を適宜選択すれば良い。
また、上記成膜工程は、所謂蒸着法によるのが好ましい。この蒸着法には、公知の化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition)や物理気相成長法(Physical Vapor Deposition)が含まれる。
そして、本発明では、前記高速エッチング膜を、前記エッチング工程で形成すべきエッチング構造側壁面の底面に対する角度(テーパ角度)に応じて設定された成膜条件で成膜することができる。
本発明者等の知見によると、前記高速エッチング膜は、これが同じ材料からなる場合であっても、その成膜条件、例えば処理チャンバ内への成膜用原料ガスの供給流量、処理チャンバ内へのキャリアガスの供給流量、処理チャンバ内の圧力、電極への印加電力等の諸条件によって、成膜された高速エッチング膜の膜質が異なり、前記反応種によるエッチング速度が異なったものとなる。それゆえ、これら成膜条件を調整することにより、例えば高速エッチング膜の結合状態を変化させ、そのエッチングされ易さやエッチング速度を異なったものとすることができ、これに応じて前記凹部側壁面のテーパ角度を異なったものとすることができる。
したがって、前記エッチング工程で形成すべき側壁面のテーパ角度に応じた成膜条件を設定することができ、成膜工程において、このような成膜条件で前記高速エッチング膜を成膜することで、エッチング工程で形成される側壁面のテーパ角度を所望の角度にすることができる。
尚、成膜条件の調整にあたっては、上記のうち、原料ガスの供給流量、キャリアガスの供給流量、処理チャンバ内の圧力、電極への印加電力のうち、少なくとも一つを調整することが好ましい。
また、本発明者等の知見によると、前記高速エッチング膜が、アモルファスシリコン、ポリシリコン、タングステンシリサイド、窒化シリコンのうちの、少なくとも一つから構成される場合、この高速エッチング膜は透光性があり、前記膜質の相違を屈折率の相違として捉えることができる。
したがって、前記エッチング工程で形成すべき側壁面のテーパ角度に応じた膜質、言い換えれば、屈折率を有するような前記高速エッチング膜を成膜し得る成膜条件を設定することができ、成膜工程において、このような成膜条件で前記高速エッチング膜を成膜することで、所望の屈折率を有する高速エッチング膜を成膜することができ、これに応じて、エッチング工程で形成される側壁面のテーパ角度を所望の角度にすることができる。
また、本発明者等の別の知見では、前記エッチング工程で形成される側壁面のテーパ角度は、前記高速エッチング膜の膜厚にも依存する。即ち、高速エッチング膜の膜厚が厚くなればなるほど、当該高速エッチング膜をエッチングすることによって形成される前記ワイドギャップ半導体基板上面と前記マスクとの間の空間が広くなり、このため前記反応種がこの空間内に進入し易くなって、ワイドギャップ半導体基板の同部における等方性エッチングがより進行し、側壁面のテーパ角度がより小さくなるのである。
したがって、前記高速エッチング膜を、前記エッチング工程で形成すべき側壁面のテーパ角度に応じて設定した膜厚とすることで、エッチング工程で形成される側壁面のテーパ角度を所望の角度とすることができる。
以上のように、本発明のプラズマエッチング方法によれば、エッチング加工の容易さを損なうことなく、ワイドギャップ半導体基板に形成される凹部の形状がボウイング形状になるのを防止できるとともに、その形状をテーパ形状にすることができる。また、凹部側壁面のテーパ角度を所望の角度に形成することができる。
ワイドギャップ半導体基板にテーパ状の凹部が形成する過程を説明するためのワイドギャップ半導体基板の断面図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施するためのエッチング装置の概略構成を示した断面図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法によって、チタンから構成される高速エッチング膜を形成させた炭化ケイ素基板をエッチングした際の断面図である。 高速エッチング膜のエッチング速度と炭化ケイ素基板に形成されるテーパ状凹部のテーパ角度との関係を説明するための炭化ケイ素基板の断面図である。 炭化ケイ素基板及び高速エッチング膜のエッチング速度と炭化ケイ素基板に形成される凹部の形状との関係を説明するためのワイドギャップ半導体基板の断面図である。 成膜条件を変化させたときの窒化シリコン膜の屈折率と、同窒化シリコン膜を高速エッチング膜としてテーパ形状をエッチングしたときのテーパ側壁角度とを示す表である。 膜厚を0〜0.5μmまで変化させながらアモルファスシリコン(a−Si)膜を成膜し、同アモルファスシリコン膜を高速エッチング膜としてテーパ形状をエッチングしたときのテーパ側壁角度を示す表である。
(第1の実施形態)
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。尚、本実施形態においては、エッチング装置1によって、ワイドギャップ半導体基板の1つである炭化ケイ素基板Kをプラズマエッチングする場合を一例に挙げて説明する。また、この炭化ケイ素基板Kは、例えば、4H−SiCの結晶構造を持つものであるものとする。
まず、図2を参照しつつ、前記エッチング装置1について説明する。このエッチング装置1は、閉塞空間を有する処理チャンバ11と、処理チャンバ11内に昇降自在に配設され、前記炭化ケイ素基板Kが載置される基台15と、当該基台15を昇降させる昇降シリンダ18と、処理チャンバ11内にエッチング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及び不活性ガスをプラズマ化するプラズマ生成装置25と、基台15に高周波電力を供給する高周波電源30と、処理チャンバ11内の圧力を減圧する排気装置35とを備える。
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よりも小さく形成される。また、前記基台15は、炭化ケイ素基板Kが載置される上部材16と、昇降シリンダ18が接続される下部材17とから構成され、下チャンバ13内に配置されている。
前記ガス供給装置20は、反応性エッチングガスとして、例えば、SFガス、又はSFガスとOガスとの混合ガスを供給するエッチングガス供給部21と、キャリアガスとしての不活性ガス、例えば、Heガスなどを供給する不活性ガス供給部22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エッチングガス供給部21と不活性ガス供給部22とにそれぞれ接続した供給管23とを備え、エッチングガス供給部21から供給管23を介して処理チャンバ11内にエッチングガスを供給し、不活性ガス供給部22から供給管23を介して処理チャンバ11内に不活性ガスを供給する。
前記プラズマ生成装置25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の外周部に上下に並設される、複数の環状をしたコイル26と、当該各コイル26に高周波電力を供給する高周波電源27とから構成され、高周波電源27によってコイル26に高周波電力を供給することで、上チャンバ12内に供給されたエッチングガス及び不活性ガスをプラズマ化する。また、前記高周波電源30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、エッチング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ケイ素基板Kに入射させる。
前記排気装置35は、気体を排気する真空ポンプ36と、一端が前記真空ポンプ36に接続し、他端が下チャンバ13の側面に接続した排気管37とからなり、当該排気管37を介して真空ポンプ36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。
次に、以上のように構成されたエッチング装置1を用いて炭化ケイ素基板Kをプラズマエッチングする方法について説明する。
前記エッチング装置1を用いて炭化ケイ素基板Kをプラズマエッチングする前に、まず、図示しない適宜装置を用いて、炭化ケイ素基板Kに対して高速エッチング膜形成処理と、マスク形成処理とを行う。
最初に、炭化ケイ素基板Kに対して高速エッチング膜形成処理を行う。この高速エッチング膜形成処理によって、炭化ケイ素基板Kの表面に、当該炭化ケイ素基板よりもエッチング速度が速い高速エッチング膜Eを蒸着法(化学気相成長法(CVD)や物理気相成長法(PVD))などによって形成する。尚、高速エッチング膜Eとしては、チタンや窒化チタンといったチタン系材料が一例として挙げられるが、これに限られるものではなく、タングステンシリサイドやアモルファスシリコン、ポリシリコン、窒化シリコンなどといったシリコン系材料であっても良く、これらから選択される1層若しくは多層の膜とすることができる。また、後に詳述するように、高速エッチング膜の材料選択により炭化ケイ素基板Kと高速エッチング膜Eとのエッチング速度比を変化させることよって、炭化ケイ素基板Kに形成する凹部の形状を変化させることが可能である。また、ワイドギャップ半導体基板Kが他の成分、例えば、窒化ガリウムや窒化アルミニウムなどであっても、その基板よりもエッチング速度が速くなるように高速エッチング膜Eの構成成分を適宜選択すれば良い。
ついで、高速エッチング膜Eが形成された炭化ケイ素基板Kに対して、マスク形成処理を行う。このマスク形成処理によって、炭化ケイ素基板Kの表面に形成された高速エッチング膜E上に、例えば、前記蒸着法などを用いてマスクMを形成させた後、当該マスクMに開口部を備えた所定のマスクパターンを形成する。尚、本実施形態においては、マスクMはニッケル(Ni)から構成されるものとするが、これに限られるものではなく、例えば、他のメタルマスクや二酸化ケイ素から構成されていても良い。
次に、このようにして高速エッチング膜E及びマスクMを形成させた炭化ケイ素基板Kに対してプラズマエッチング処理を行う。
まず、炭化ケイ素基板Kをエッチング装置1内に搬入して基台15上に載置し、この炭化ケイ素基板Kの温度が200℃〜1000℃の温度範囲内の所定のエッチング温度にまで加熱する。具体的には、不活性ガス供給部22から処理チャンバ11内に不活性ガスが供給されるとともに、高周波電源27,30によりコイル26及び基台15に高周波電力が印加される。そして、処理チャンバ11内に供給された不活性ガスは、コイル26に高周波電力が印加されたことによってプラズマ化され、このプラズマ化により生成されたイオンは、基台15に高周波電力を印加したことによって生じたバイアス電位により、基台15上に載置された炭化ケイ素基板Kに入射、衝突する。これにより、炭化ケイ素基板Kは衝突したイオンのエネルギーを吸収して温度が上昇し、やがてエッチング処理温度で平衡状態に達する。尚、処理チャンバ11内の圧力は、排気装置35によって所定の圧力に維持される。
ついで、炭化ケイ素基板Kの温度がエッチング処理温度で平衡状態に達すると、前記マスクMをマスクとして炭化ケイ素基板Kをエッチングする。具体的には、エッチングガス供給部21から処理チャンバ11内に反応性エッチングガスが供給されるとともに、高周波電源27,30によってコイル26及び基台15に高周波電力が印加される。ついで、処理チャンバ11内に供給されたエッチングガスは、コイル26に高周波電力が印加されたことによってプラズマ化され、このプラズマ化により生成されたイオンや反応種によって高速エッチング膜E及び炭化ケイ素基板Kがエッチングされ、炭化ケイ素基板Kにテーパ状の凹部が形成される。尚、処理チャンバ11内の圧力は、排気装置35によって所定の圧力に維持される。
ここで、炭化ケイ素基板Kにテーパ状の凹部を形成する過程について、図1を参照しつつ、以下詳述する。
まず、図1(a)に示すように、高速エッチング膜EのE1部位が反応性エッチングガスをプラズマ化することで生成したイオンによるスパッタリングや反応種との化学反応によってエッチングされるとともに、高速エッチング膜EのE2部位が反応種との化学反応によってエッチングされる。これにより、炭化ケイ素基板KのK1部位が露出するとともに、マスクの下に位置するK2部位も露出する。
ついで、図1(b)に示すように、高速エッチング膜EのE1部位がエッチングされることで露出した炭化ケイ素基板KのK1部位が、前記イオンによるスパッタリングや反応種との化学反応によってエッチングされるとともに、高速エッチング膜Eのエッチング速度が炭化ケイ素基板Kよりも速いため、炭化ケイ素基板の側壁であるK3部位よりもE2部位の方が速くエッチングされる。これにより、炭化ケイ素基板KのK2部位が更に露出し、当該K2部位とマスクMとの間に前記反応種が入り込み、当該反応種と炭化ケイ素とが化学反応することで、K2部位の等方性エッチングが進行する。
図1(c)に示すように、その後も同様に、炭化ケイ素基板KのK1部位は深さ方向にエッチングが進行する。また、高速エッチング膜EのE2部位のエッチングがマスクMに沿って水平方向に進行することで、高速エッチング膜Eに覆われていた炭化ケイ素基板KのK2部位が徐々に露出していくとともに、当該K2とマスクMとの間に間隙が生じ、当該間隙に反応種が入り込みK2部位と接触することで当該K2部位が徐々に反応種との化学反応によって等方的にエッチングされる。
そして、炭化ケイ素基板KのK2部位がエッチングされていくとともに、K1部位もエッチングされていき、最終的に、図1(d)に示すようにテーパ状の凹部(エッチング構造)が形成される。
因みに、図3は、反応性エッチングガスとしてSFガスとOガスとの混合ガスを用い、それぞれの供給流量を200sccm,20sccmとし、コイル26に供給する高周波電力を2000W、基台15に供給する高周波電力を200W、処理チャンバ11内の圧力を12Paとして本実施形態におけるプラズマエッチング方法によってエッチング処理を施した炭化ケイ素基板Kの断面図である。この炭化ケイ素基板Kは、その表面に高速エッチング膜Eとして膜厚0.1μmのチタン膜が形成され、その上にマスクMとして膜厚6μmのニッケル膜が形成されており、エッチング処理が施されたことで、マスクの表面M’としておよそ2μmが変質している。図3に示すように、実際に、本実施形態におけるプラズマエッチング方法によって、エッチング処理を施すことで、炭化ケイ素基板Kにテーパ状の凹部を形成することができる。
このように、本実施形態におけるプラズマエッチング方法においては、炭化ケイ素基板KとマスクMとの間に炭化ケイ素基板Kよりもエッチングされ易くエッチング速度の速い材料から構成される高速エッチング膜Eを形成させたことにより、高速エッチング膜Eがエッチングされることで、炭化ケイ素基板KとマスクMとの間に生じる間隙に、ラジカルなどの反応種が入り込み、エッチングが進行することで、炭化ケイ素基板Kにテーパ状の凹部を形成することができる。
また、図4は、高速エッチング膜Eに異なる材料を用い、炭化ケイ素基板Kと高速エッチング膜Eとのエッチング速度比を変化させた場合における炭化ケイ素基板Kに形成される凹部の形状を模式的に示した図である。図4(a)におけるE1と図4(b)におけるE2とはそれぞれ材料の異なる高速エッチング膜Eであり、そのエッチング速度は、E1よりE2の方が速いものとする。図4に示すように、高速エッチング膜E1が形成された炭化ケイ素基板Kにエッチング処理を施した場合、形成するテーパ状の凹部のテーパ角度はθ1となるのに対し、高速エッチング膜E2が形成されている場合には、形成するテーパ状の凹部のテーパ角度はθ1よりも小さいθ2となる。つまり、高速エッチング膜Eの材料を変化させることで、凹部に形成するテーパ形状のテーパ角度を変化させることできる。
更に、炭化ケイ素基板K及び高速エッチング膜Eのエッチング速度をそれぞれ変化させることで、炭化ケイ素基板Kに形成する凹部の形状を変化させることができ、これを適宜設定することで、所望の形状を得ることができる。この原理について、図5を参照しつつ、以下説明する。図5は、高速エッチング膜Eのエッチング速度と、炭化ケイ素基板Kのエッチング速度とを変化させ、同じ時間エッチング処理を施した場合に形成される凹部の形状を模式的に示した図である。高速エッチング膜Eのエッチング速度は、高速エッチング膜Eの材料を変えることにより変化させることができ、炭化ケイ素基板Kのエッチング速度は、エッチング処理時における炭化ケイ素基板Kの加熱温度を変えることによって変化させることができる。
図5(a)は、エッチング速度がa1である高速エッチング膜E3が形成された炭化ケイ素基板Kに、炭化ケイ素基板Kのエッチング速度がb1となるように当該炭化ケイ素基板Kを加熱してエッチング処理を施した場合の凹部の形状を示した図であり、b1よりもa1の方が速く、速度比であるa1/b1がr1であるものとする。また、図5(b)は、エッチング速度がa1よりも速いa2である高速エッチング膜E4が形成された炭化ケイ素基板Kに、炭化ケイ素基板Kのエッチング速度がb1よりも速いb2となるように当該炭化ケイ素基板Kを加熱してエッチング処理した場合の凹部の形状を示した図であり、b2よりもa2の方が速く、速度比であるa2/b2がr1であるものとする。図5(a)と図5(b)とに示したように、両者とも上部が直線的なテーパ状の凹部が形成するが、そのテーパ角度は、図5(a)においてはθ3であるのに対し、図5(b)においてはθ3よりも小さいθ4であり、高速エッチング膜E及び炭化ケイ素基板Kのエッチング速度が速くなることで、テーパ角度が小さくなる。つまり、速度比を一定に保ちつつ、高速エッチング膜Eのエッチング速度と炭化ケイ素基板Kのエッチング速度とをともに変化させた場合、テーパ角度の異なる直線的なテーパ状凹部を形成することができる。
また、図5(c)は、エッチング速度がa2である高速エッチング膜E4が形成された炭化ケイ素基板Kに、炭化ケイ素基板Kのエッチング速度がb1となるように当該炭化ケイ素基板Kを加熱してエッチング処理を施した場合の凹部の形状を示した図あり、b1よりもa2の方が速く、速度比であるa2/b1がr1よりも大きいr2であるものとする。この場合、図5(c)に示したように、形成するテーパ状凹部は、そのテーパ角度がθ5であり、凹部側壁の上端部側が丸みを帯び、上端部が外側へ広がった形状となる。つまり、高速エッチング膜Eと炭化ケイ素基板Kとの速度比がある所定の値より大きい値である場合には、側壁の上端部側が丸みを帯び、上端部が外側へ広がったテーパ状の凹部を形成することができる。
尚、図5(d)は、比較例として、エッチング速度がa1である高速エッチング膜E3が形成された炭化ケイ素基板Kに、炭化ケイ素基板Kのエッチング速度がa1よりも速いb2となるように当該炭化ケイ素基板Kを加熱してエッチング処理した場合の凹部の形状を示した図である。この場合、同図に示すように、形成する凹部の形状は、ボウイング形状になる傾向がある。
以上のように、本実施形態におけるプラズマエッチング方法においては、高速エッチング膜Eのエッチング速度を変化させる、或いは、炭化ケイ素基板K及び高速エッチング膜Eのエッチング速度をそれぞれ変化させることによって、形成する凹部のテーパ角度を約45°〜90°の間で制御することができるとともに、その形状も変化させることができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明の更なる実施形態について説明する。ここでは、高速エッチング膜Eの成膜条件を変化させることによって、エッチング時における側壁のテーパ角度を制御できることを説明する。
本実施形態では、高速エッチング膜Eとして、窒化シリコン膜(SiN)を採用する。高速エッチング膜Eとして窒化シリコン膜を用いる理由は、反応種によるエッチング速度が速すぎず、かつ、成膜条件を変化させることによって、反応種によるエッチング速度を制御し易いからである。
本例では、高速エッチング膜EをCVD法によって成膜したが、これは、例示に過ぎない。CVD装置は、具体的な図示はしないが、例えば、処理チャンバと、この処理チャンバ内に配設され、炭化ケイ素基板Kが載置されるステージと、処置チャンバとステージとを電極としてこれらに高周波電力(例えば、13.56MHz)を印加する第1電源と、前記電極に低周波電力(例えば、380kHz)を供給する第2電源と、成膜用の原料ガスであるSiHガス及びNHガス、並びにキャリアガスであるNガスを処理チャンバ内に供給するガス供給部と、処理チャンバ内の圧力を調整する圧力調整部とを備えている。尚、第1電源、第2電源の一方を備えた装置で差し支えない。
そして、このCVD装置を用い、SiHガス、NHガス及びNガスの供給流量、高周波電力及び低周波電力、並びに処理チャンバ内の圧力を、図6に示した成膜条件1から成膜条件4の状態に設定して、SiC基板K上に窒化シリコン膜を0.5μmの厚さで成膜し、ついで、それぞれのSiC基板Kにマスクを形成した後、図2に示したエッチング装置1を用いて、SiC基板Kの温度を約310℃、SFガスの供給流量を200sccm、Oガスの供給流量20sccm、コイル26に供給する高周波電力を2000W、基台15に供給する高周波電力を200W、処理チャンバ11内の圧力を12PaとしてSiC基板Kをエッチングした。尚、SiC基板Kの温度は、株式会社堀場製作所製の非接触温度センサ(IT−450シリーズ)を用いて測定した。
そのときの、SiC基板Kに形成された高速エッチング膜たる窒化シリコン膜の屈折率と、エッチングによって形成された側壁面のテーパ角度とを図6に示す。同図において、成膜条件1〜4を構成するのは、左欄から順に、SiH流量(sccm)、NH流量(sccm)、N流量(sccm)、処理チャンバ内の圧力(Pa)、高周波電力HF(W)、及び低周波電力LF(W)の諸条件である。尚、成膜条件2から成膜条件4までの成膜条件では、次第に、NH流量に対するSiH流量の割合が増加している。尚、屈折率は、公知のレーザ式屈折率測定装置を用いて測定した。
図6に示す通り、成膜条件1〜4に応じて、窒化シリコン膜(SixNy)の屈折率は、SiとNとの組成比(x:y)により1.882〜2.600のように変化する。他方、理想的なSiN結合(Si)からなる窒化シリコン膜の屈折率は約1.9であることが知られている。したがって、図6のうち、屈折率の値が低く、1.9に近い膜(例えば成膜条件1や成膜条件2の膜)は、理想的なSiN結合(Si)に近い組成となっており、原子同士がしっかりと結合しているものと考えられる。これに対して、屈折率の値が高い膜(例えば成膜条件3や成膜条件4の膜)は、理想的なSiN結合(Si)よりもSiに富んだ構成(Siリッチ)となっており、原子間の結合に不十分な箇所が多くなっているために、エッチングされ易くなると考えられる。
すなわち、屈折率の値が高く、Siリッチであって、よりa−Siに組成が近いと考えられる窒化シリコン膜は、その結合が弱いのでエッチングされ易く、エッチング速度が速くなる。このように、窒化シリコン膜の屈折率は、同膜のエッチングされ易さやエッチング速度の指標となるものである。
そして、前記実施形態において、図5を用いて説明したとおり、直線的なテーパ状の凹部を形成するにあたっては、高速エッチング膜E及び炭化ケイ素基板Kのエッチング速度を速くするほど、エッチング時における側壁のテーパ角度が小さくなる。この理屈に従って、図6では、屈折率の値が高く、エッチング速度の速い窒化シリコン膜を高速エッチング膜Eとして用いた場合には、エッチング時における側壁のテーパ角度が小さくなる傾向が明確にあらわれている。
このように、高速エッチング膜Eとして、窒化シリコン膜を成膜する時の成膜条件を変化させることによって、窒化シリコン膜のエッチング速度を調整し、エッチング時における側壁面のテーパ角度を制御することが可能となる。例えば、前述のように、高速エッチング膜Eが窒化シリコン膜であれば、前記成膜条件をSiリッチにすることによって、窒化シリコン膜をエッチングされ易くし、同膜のエッチング速度を速めて、エッチング時における側壁のテーパ角度を小さくすることができる。
斯くして、このような成膜条件と、この成膜条件によって成膜される窒化シリコン膜(高速エッチング膜)の膜質と、この膜質に依存したエッチング側壁面のテーパ角度との相関関係から、エッチング工程で形成すべき側壁面のテーパ角度に応じた成膜条件を設定することができ、成膜工程において、このような成膜条件で窒化シリコン膜を成膜することで、エッチング工程で形成される側壁面のテーパ角度を所望の角度にすることができる。
また、窒化シリコン膜の膜質は、上述のように、これを屈折率から評価することができる。したがって、エッチング工程で形成すべき側壁面のテーパ角度に応じた膜質、言い換えれば、屈折率を有するような窒化シリコン膜を成膜し得る成膜条件を設定することができ、成膜工程において、このような成膜条件で窒化シリコン膜を成膜することで、所望の屈折率を有する高速エッチング膜を成膜することができ、これに応じて、エッチング工程で形成される側壁面のテーパ角度を所望の角度にすることができる。
尚、成膜条件の変化によって、エッチング速度を調整できる高速エッチング膜Eの材質は、窒化シリコン膜に限られず、a−Si膜、poly−Si膜、WSi膜など各種の膜材料を用いることができる。なお、光を透過しない膜については、前述のように、その屈折率を調べてエッチング速度の指標として参考にすることはできない。
また、図6では、成膜条件1〜4として、SiH流量(sccm)とNH流量(sccm)との流量比を変化させることによって、窒化シリコン膜のエッチング速度を調整しているが、上記成膜条件1〜4に代えて、SiH流量(sccm)とN流量(sccm)との流量比を変化させることによって、窒化シリコン膜のエッチング速度を調整することもできる。
図6に示した例では、成膜条件1〜4に応じて、エッチング時における側壁のテーパ角度は53.7°〜67.2°の間で変化したが、本発明者等は、成膜条件を更に変化させる追加実験において、エッチング時における側壁のテーパ角度を71.9°,73.2°,78.8°,81.1°と大きくしたり、42.1°と小さくしたりすることに成功した。
(第3の実施形態)
次に、本発明の更なる実施形態について説明する。ここでは、高速エッチング膜Eの膜厚条件を変化させることによって、エッチング時における側壁のテーパ角度を制御できることを説明する。
本実施形態では、高速エッチング膜Eとして、アモルファスシリコン(a−Si)膜を採用するが、これは、単なる例示に過ぎないものである。
図7に、膜厚を0〜0.5μmまで変化させながら、SiC基板上にアモルファスシリコン膜を成膜したときの成膜時間と、同アモルファスシリコン膜を高速エッチング膜Eとしてエッチングしたときの側壁面のテーパ角度を示す。
図7のアモルファスシリコン膜を形成したときの成膜条件は一定であり、SiHガスの供給流量は90sccm、Arガスの供給流量は90sccm、Nガスの供給流量は0sccm、処理チャンバ内の圧力は130Pa、高周波電力HFは0W、低周波電力LFは200Wである。同図では、成膜時間を変化させることによって、アモルファスシリコン膜の膜厚を調整している。また、エッチング条件は、第2の実施形態の場合と同じ条件とした。
同図に示すとおり、高速エッチング膜Eとしてのアモルファスシリコン膜の膜厚が大きくなるほど、エッチング時における側壁のテーパ角度は小さくなっている。このことから高速エッチング膜Eの厚さを調整することによっても、エッチング時における側壁のテーパ角度を制御できると考えられる。
これは、高速エッチング膜Eの膜厚が厚くなればなるほど、当該高速エッチング膜Eをエッチングすることによって形成されるSiC基板K上面とマスクとの間の空間が広くなり、このため反応種がこの空間内に進入し易くなって、SiC基板Kの同部における等方性エッチングがより進行するため、側壁面のテーパ角度がより小さくなるものと考えられる。
したがって、高速エッチング膜Eを、エッチング工程で形成すべき側壁面のテーパ角度に応じて設定した膜厚とすることで、エッチング工程で形成される側壁面のテーパ角度を所望の角度とすることができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
上例において、プラズマ発生装置25は、コイル26が上チャンバ12の外周部に上下に並設されているが、これに限られるものではなく、例えば、上チャンバ12の外部(例えば上チャンバ12の天板上方)に配設した構成としても良い。
例えば、上例においては、反応性のエッチングガスとして、SFガス、又はSFガスとOガスとの混合ガスを用いているが、これに限られるものではなく、CFなどの他のフッ素系ガスを用いても良く、また、ClやBClなどの塩素系ガスを用いてエッチングするようにしても良い。尚、塩素系ガスを用いてエッチングする場合、高速エッチング膜としては、上記チタン系材料及びシリコン系材料に加え、純アルミニウム(Al)やアルミニウム−ケイ素(Al−Si)系などのアルミニウム系材料が好ましい。
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 エッチングガス供給部
22 不活性ガス供給部
25 プラズマ生成装置
26 コイル
27 高周波電源
30 高周波電源
35 排気装置
K 炭化ケイ素基板(ワイドギャップ半導体基板)
M マスク
E 高速エッチング膜
上記目的を達成するための本発明は、
プラズマ化した反応性エッチングガスを用いて、処理チャンバ内に配置された基台上に載置されるワイドギャップ半導体基板をプラズマエッチングする方法であって、
前記反応性エッチングガスをプラズマ化して生成される反応種により、前記ワイドギャップ半導体基板の構成成分よりも速い速度でエッチングされる成分からなる高速エッチング膜を、前記ワイドギャップ半導体基板の表面に蒸着法によって形成する成膜工程と、
前記ワイドギャップ半導体基板の表面に形成した高速エッチング膜上に、開口部を有するマスクを形成するマスク形成工程と、
前記ワイドギャップ半導体基板を前記処理チャンバ内の基台上に載置して、前記反応性エッチングガスを前記処理チャンバ内に供給してプラズマ化するとともに、前記ワイドギャップ半導体基板が載置された基台にバイアス電位を印加して、前記プラズマ化した反応性エッチングガスによって、前記開口部を通して前記高速エッチング膜及び前記ワイドギャップ半導体基板をエッチングするエッチング工程とを行うようにしたことを特徴とするプラズマエッチング方法に係る。
そして、この高速エッチング膜及びマスクが形成されたワイドギャップ半導体基板を前記基台上に載置して、反応性エッチングガスを処理チャンバ内に供給してプラズマ化するとともに、ワイドギャップ半導体基板が載置された基台にバイアス電位を与え、プラズマ化された反応性エッチングガスによってワイドギャップ半導体基板及び高速エッチング膜をエッチングする。尚、基台上に載置したワイドギャップ半導体基板を加熱することが好ましい。また、ワイドギャップ半導体基板の加熱温度は、200℃以上であることが好ましく、200℃〜1000℃であることがより好ましい。
また、上記成膜工程は、所謂蒸着法によって行う。この蒸着法には、公知の化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition)や物理気相成長法(Physical Vapor Deposition)が含まれる。

Claims (9)

  1. プラズマ化した反応性エッチングガスを用いて、処理チャンバ内に配置された基台上に載置されるワイドギャップ半導体基板をプラズマエッチングする方法であって、
    前記反応性エッチングガスをプラズマ化して生成される反応種により、前記ワイドギャップ半導体基板の構成成分よりも速い速度でエッチングされる成分からなる高速エッチング膜を、前記ワイドギャップ半導体基板の表面に形成する成膜工程と、
    前記ワイドギャップ半導体基板の表面に形成した高速エッチング膜上に、開口部を有するマスクを形成するマスク形成工程と、
    前記ワイドギャップ半導体基板を前記処理チャンバ内の基台上に載置して、該ワイドギャップ半導体基板を200℃以上に加熱し、前記反応性エッチングガスを前記処理チャンバ内に供給してプラズマ化するとともに、前記ワイドギャップ半導体基板が載置された基台にバイアス電位を印加して、前記プラズマ化した反応性エッチングガスによって、前記開口部を通して前記高速エッチング膜及び前記ワイドギャップ半導体基板をエッチングするエッチング工程とを行うようにしたことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 前記高速エッチング膜は、チタン、窒化チタン、アモルファスシリコン、ポリシリコン、タングステンシリサイド、窒化シリコンのうちの少なくとも一つから構成されることを特徴とする請求項1記載のプラズマエッチング方法。
  3. 前記ワイドギャップ半導体基板は、炭化ケイ素から構成された基板であることを特徴とする請求項1記載のプラズマエッチング方法。
  4. 前記反応性エッチングガスは、フッ素系ガスであることを特徴とする請求項1記載のプラズマエッチング方法。
  5. 前記成膜工程は蒸着法によって実施され、前記高速エッチング膜は、前記エッチング工程で形成すべきエッチング構造側壁面の底面に対する角度に応じて設定された成膜条件で成膜されることを特徴とする請求項1乃至4に記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
  6. 前記成膜条件は、処理チャンバ内への成膜用原料ガスの供給流量、処理チャンバ内へのキャリアガスの供給流量、処理チャンバ内の圧力、電極への印加電力のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項5記載のプラズマエッチング方法。
  7. 前記高速エッチング膜は、アモルファスシリコン、ポリシリコン、タングステンシリサイド、窒化シリコンのうちの少なくとも一つから構成され、
    前記成膜工程は蒸着法によって実施されるとともに、前記高速エッチング膜は、該高速エッチング膜が予め設定した屈折率を備えたものとなるように設定された成膜条件で成膜されることを特徴とする請求項1、3又は4に記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
  8. 前記成膜条件は、処理チャンバ内への成膜用原料ガスの供給流量、処理チャンバ内へのキャリアガスの供給流量、処理チャンバ内の圧力、電極への印加電力のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項7記載のプラズマエッチング方法。
  9. 前記成膜工程は蒸着法によって実施され、前記高速エッチング膜は、前記エッチング工程で形成すべきエッチング構造側壁面の底面に対する角度に応じて設定された膜厚となるように成膜されることを特徴とする請求項1乃至4に記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
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