TW200303051A - Dry etching method of gallium nitride based compound semiconductor - Google Patents

Description

200303051 玖、發明說明 ：口 - 八 〔發明所屬之技術領域〕 本發明係關於發光一極體、雷射二極體等元件所使用 之氮化鎵系化合物料體2_刻方法，特別是關於使用 反應性電漿之被處理物的乾蝕刻方法。 〔先前技術〕 爲了對III- V族化合物材料實施濕蝕刻，一般是使用 鹽酸、硫酸、S氟酸或其等的混合》夜，但氮化!家幾乎不溶 解於這些液體中。因此，氮化鎵之蝕刻，一般是採用乾飩 刻而不是濕蝕刻來進行。其中，使用反應性電漿之乾蝕刻 ，由於蝕刻速度高、實用性佳，與其有關的硏究開發相當 熱門。 在使用反應性電漿之乾蝕刻方面，反應氣體的組成乃 決定蝕刻速度及品質之重要因素。可應用於氮化鎵半導體 蝕刻之反應氣體，已被報告的有cf4氣體（日本專利特開平 1 - 204425號公報）、CC12F2氣體、CC14氣體、CF4氣體（日 本專利特開平3 - 108779號公報）、BC13氣體（日本專利特開 平4 - 34929號公報）、SiCl4/Cl2的混合氣體（日本專利特開 平8 - 17803號公報）、Cl2/H2的混合氣體、BCl3/Ar的混合 氣體（Semiconductor Science and Technology,英國，1983 年，8 卷，2 號，pp.310-312)、：8(：13他(：14的混合氣體（Applied Physics Letters,64(7)(美國），1994 年 2 月 14 日，pp.887-888)、SiCl4 氣 體、SiCl4/SiF4 的混合氣體（Applied Physics Letters,63(20)(美 國）,1993 年 11 月 15 日，pp.2777-2779)。 200303051 〔發明內容〕 發朋所要解決之課題 上述習知方法所使用之反應氣體中，有些容易發生蝕 刻殘渣、蝕刻凹坑而無法獲得平滑的蝕刻面。另一方面， 依據特開平8 - 17803號公報，藉由使用8丨(：14/012的混合氣 體可解決上述問題而獲得平滑蝕刻面。但，一般使用氯氣 電漿來進行氮化鎵系化合物半導體之乾蝕刻時，當反應室 內的真空度不足的情形，起因於殘留氧、殘留水分或氮化 鎵之結晶缺陷而容易發生蝕刻面之粗糙、蝕刻凹坑。爲止 該現象，在電漿處理前必須使反應室內形成10_4Pa級的空 真空。 又氮化鎵系化合物半導體，通常是將氮化鎵系化合物 積層在藍寶石基板或氧化鋁基板上來進行蝕刻加工。這時 ’不僅是氮化鎵系化合物層，有時甚至須加工至基板爲止 ’ 一般而言要蝕刻藍寶石基板或氧化鋁基板般的鋁氧化物 很困難。 本發明係爲解決上述課題而構成者，其目的係提供出 被處理物之乾蝕刻方法，能以低電力面密度的高頻電力進 行蝕刻，不受氮化鎵之結晶缺陷量的影響，能以10-3級之 較低真空度（高壓）獲得平滑蝕刻面，且連藍寶石基板或氧化 鋁基板般之鋁氧化物也能蝕刻。 里以解決課顆之丰段 爲了解決上述課題之本發明的被處理物乾蝕刻方法， 其特徵在於，係藉由反應氣體所產生之電漿來進行蝕刻， 200303051 該反應氣體含有氯氣與化學式CxHyClz(x、y、z爲正整數）所 代表的化合物氣體。 發明之實施形態及效罢 本案發明人等發現出，在產生電漿來進行氮化鎵系化 合物半導體的乾蝕刻時，藉由使用氯氣與化學式CxHyClz(x 、y、z爲正整數）所代表的化合物氣體所混合成之反應氣體 ，能以低電力面密度的高頻電力高效率地進行蝕刻，在10 _3Pa級之較低真空度（高壓）下，仍能獲得無粗糙、無殘渣 、無蝕凹坑等之平滑蝕刻面。 如此般，依本發明的方法具備能以低電力面密度的高 頻電力高效率地進行蝕刻之好處。 上述化學式所代表的化合物，可列舉如氯仿（CHC13)、 二氯甲烷（CH2C12)等。其中之氯仿，針對氮化鎵系化合物半 導體之InGaN的蝕刻特別有利。以往藉由與C1反應來除去 In時，由於InCl的昇華溫度爲18(TC，故必須以更高溫（例 如200°C左右）來進行蝕刻。相對於此，使用氯仿時，氯仿 的CH基會和In反應，即使在低溫仍能效率良好地進行蝕 刻。又，使用氯仿時，必須考慮所謂氟氯碳化物限制。另 一方面，二氯甲烷則不受氟氯碳化物限制的拘束，而有容 易處理的好處。 又，使用上述反應氣體之蝕刻方法，針對通常使用之 藍寶石基板或氧化鋁基板般之鋁氧化物也能適用。藉由該 方法，在藍寶石基板或氧化鋁基板上，也能獲得無粗糙、 無殘渣、無蝕凹坑等之平滑蝕刻面。又，在蝕刻氮化鎵系 200303051 化合物層後，由於能使用同樣的反應氣體來進一步蝕刻藍 寶石基板或氧化鋁基板，因此該方法針對必須加工至基板 爲止的用途確實是良好的乾蝕刻方法。 用來實施該方法之裝置，包含平行平板電極型、感應 耦合型等各種型式的電漿蝕刻裝置均可採用。在平行平板 電極型的情形，可將上部電極接地，而使下部電極連接至 高頻電源。 〔實施方式〕 (實施例1) 使用氮化鎵系化合物半導體之元件基板，依本發明之 乾蝕刻方法進行鈾刻實驗。圖1係槪略顯示該實驗所用之 元件基板的截面構成。該元件基板20，係在藍寶石基板21 上，積層η型GaN層22(厚2.4// m)、具有多重量子井構造 (MQM)之 GaN 活性層 23(厚 0.1/zm)、p 型 GaN 層 24(厚 0.2〜0.3 μ m)、Si〇2所形成之遮罩層25而構成。 圖2顯示實驗用的電漿蝕刻裝置之槪略構成。該裝置 屬感應耦合型（ICP)，係在密閉的反應室11中設置平板狀的 下部電極12，在反應室11上部（外部）透過石英板14而設 置激勵線圏15。激勵線圈15爲立體漩渦形（倒龍捲風形）的 線圏，自線圏中央供給高頻電力，使線圏外周之末端接地 。.下部電極12亦連接於高頻電源13。 使用該裝置進行以下實驗。首先，在反應室11之下部 電極12上裝載元件基板20，排出反應室11內的空氣’使 反應室內的壓力成爲2Xl(T3pa。之後，對反應室Π分別 200303051 以 50sccm、5sccm、20sccm 的流量供給 Cl2 氣體、CH2C12 氣 體及Ar氣體，使反應室11內的壓力成爲0.6Pa。接著，對 激勵線圏15供給200W的高頻電力，對下部電極12供給電 力密度爲〇.37W/Cm2之高頻電力，以產生反應氣體之電漿 26。藉由該電漿26進行蝕刻之結果，在GaN層係獲得 181nm/分的蝕刻速度。如此般，藉由使用Cl2氣體與CH2C12 氣體所組成之反應氣體，就算在低電力面密度的高頻電力 下仍能進行高效率的蝕刻。 如上述般，進行蝕刻直到從Si02遮罩層25的下面算起 0.5//m爲止的深度後，從反應室11取出元件基板20，以 掃描型電子顯微鏡（SEM)觀察蝕刻面。圖3顯示蝕刻面的影 像。根據該影像看來，相對於Si02遮罩層25的表面，GaN 層的蝕刻面之壁面呈大致垂直，可知係進行高異向性的蝕 刻。又，在GaN層完全看不到粗糙、殘渣、蝕刻凹坑等， 而獲得極爲平滑的蝕刻面。 又，本實施例雖是採用依據ICP之乾蝕刻，但依據RIE 等其他的乾蝕刻方法也能實施本發明。 (實施例2) 使用和實施例1同樣的裝置，對實施例1所用之元件 基板，進行從8丨02層25至藍寶石基板21爲止之乾蝕刻。 首先，在反應室11之下部電極12上裝載元件基板20 ，排出反應室11內的空氣，使反應室內的壓力成爲2 X 10_ 3Pa。之後，對反應室11分別以50sccm、5sccm的流量供給 Cl2氣體、CH2C12氣體，使反應室11內的壓力成爲0.6Pa。 200303051 接著，對激勵線圏15供給200W的高頻電力，對下部電極 12供給電力密度爲0.74W/cm2之高頻電力，以產生反應氣 體之電漿26。藉由該電漿26進行蝕刻之結果，在Si02遮 罩層獲得36nm/分、在GaN層獲得263nm/分、在藍寶石基 板獲得15nm/分的蝕刻速度。 如上述般，進行蝕刻直到從n- GaN層22的下面算起 0.1// m爲止的深度後，從反應室11取出元件基板20，以 掃描型電子顯微鏡（SEM)觀察蝕刻面。圖4顯示蝕刻面的影 像。圖5顯示圖4之藍寶石基板部的過蝕刻狀態之擴大 SEM影像。根據該影像看來，相對於Si02遮罩層25的表面 ，GaN層的蝕刻面之壁面呈大致垂直，可知係進行高異向 性的蝕刻。又，雖然通常藍寶石基板的加工非常困難，但 本實施例中，不僅是GaN層、甚至連藍寶石基板面也完全 看不到粗糙、殘渣、蝕刻凹坑等，而獲得極爲平滑的蝕刻 面。又，就算是針對氧化鋁基板，也能進行和藍寶石基板 同樣的加工。 〔圖式簡單說明〕 (一）圖式部分 圖1係槪略顯示實驗用的元件基板之截面構成。 圖2係顯示實驗用的電漿蝕刻裝置之槪略構成圖。 圖3係顯示藉由實施例1的處理所得之蝕刻面的SEM 影像。

圖4係顯示藉由實施例2的處理所得之蝕刻面的SEM 影像。 11 200303051

圖5係圖4之藍寶石基板部之過蝕刻狀態的擴大SEM 影像。 (二）元件代表符號 20…元件基板 21…藍寶石基板 22…η型GaN層 23…GaN活性層（多重量子井構造） 24…p型GaN層 25…Si02遮罩層

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Claims (1)

1. 200303051 拾、申請專利範圍 1、 一種被處理物之乾鈾刻方法，其特徵在於：係藉由 反應氣體所產生之電漿來進行蝕刻，該反應氣體含有氯氣 與化學式CxHyClz(x、y、z爲正整數）所代表的化合物氣體。 2、 如申請專利範圍第1項之被處理物之乾蝕刻方法， 其中，化學式CxHyClz所代表的化合物爲氯仿。 3、 如申請專利範圍第1項之被處理物之乾蝕刻方法， 其中，化學式CxHyClzK代表的化合物爲二氯甲烷。 4、 如申請專利範圍第1〜3項中任一項之被處理物之乾 蝕刻方法，其中，該被處理物係氮化鎵系化合物半導體或 鋁氧化物。 5、 一種氮化鎵系化合物半導體之製造方法，其特徵在 於：係藉由反應氣體所產生之電漿來進行蝕刻，該反應氣 體含有氯氣與化學式CxHyClz(x、y、z爲正整數）所代表的化 合物氣體。 6、 一種乾蝕刻裝置，其特徵在於，係具備： a) 至少對任一者輸入高頻電力之上部電極及下部電極； b) 用來將高頻電力輸入電極之高頻電源；以及 c) 在反應室內供給反應氣體之原料氣體源，該反應氣 體含有氯氣與化學式CxHyClz(x、y、z爲正整數）所代表的化 合物氣體。 拾壹、圖式 ::: 如次頁 13