特開 2015-192102 反応性イオンエッチング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-192102(P2015-192102A)

(43)【公開日】2015年11月2日

(54)【発明の名称】反応性イオンエッチング装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20151006BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-69893(P2014-69893)

(22)【出願日】2014年3月28日

(71)【出願人】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】特許業務法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】中村 敏幸

(72)【発明者】

【氏名】上村 隆一郎

(72)【発明者】

【氏名】長田 大和

【テーマコード（参考）】

5F004

【Ｆターム（参考）】

5F004BA09

5F004BA20

5F004DA04

5F004DB19

(57)【要約】

【課題】処理対象物に対する真空紫外光の照射を抑制しつつ、ステージへの投入電力が小さくてもエッチングレートの著しい低下を抑制することができる反応性イオンエッチング装置を提供する。
【解決手段】真空処理室１ａと、真空処理室に設けられて処理対象物Ｗを保持するステージ２と、真空処理室にエッチングガスを導入するガス導入手段４と、エッチングガスを電離するプラズマを真空処理室内に発生させるプラズマ発生手段５，Ｅ２と、ステージにバイアス電力を投入する電源Ｅ１とを備える。真空処理室内にステージの外形と同等以上の外形を持ち、複数の透孔６１が開設された遮蔽板６をステージに対向配置し、真空処理室内の遮蔽板の上方空間をプラズマ発生空間ＳＰとし、ステージの遮蔽板への投影面の面積に対する、ステージ側からプラズマ発生空間を臨む遮蔽板下面６０における各透孔の部分の面積の総和の比率を１０〜８０％の範囲内に設定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空処理室と、真空処理室に設けられて処理対象物を保持するステージと、真空処理室にエッチングガスを導入するガス導入手段と、エッチングガスを電離するプラズマを真空処理室内に発生させるプラズマ発生手段と、ステージにバイアス電力を投入する電源とを備える反応性イオンエッチング装置において、
真空処理室内にステージの外形と同等以上の外形を持ち、複数の透孔が開設された遮蔽板をステージに対向配置し、ステージから遮蔽板に向かう方向を上として、真空処理室内の遮蔽板の上方空間をプラズマ発生空間とし、
ステージの遮蔽板への投影面の面積に対する、ステージ側からプラズマ発生空間を臨む遮蔽板下面における各透孔の部分の面積の総和の比率を１０〜８０％の範囲内に設定することを特徴とする反応性イオンエッチング装置。

【請求項2】

前記透孔の各々は、前記遮蔽板の中心を中心とする同心円上に周方向の長さが同等となるように開設されていることを特徴とする請求項１記載の反応性イオンエッチング装置。

【請求項3】

前記透孔の各々は、平面視円形または矩形であることを特徴とする請求項１記載の反応性イオンエッチング装置。

【請求項4】

前記遮蔽板から処理対象物までの距離を３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の反応性イオンエッチング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、反応性イオンエッチング装置に関し、より詳しくは、窒化ガリウム膜のエッチングに適したものに関する。

【背景技術】

【0002】

窒化ガリウム膜は、大きなバンドギャップを有するため、例えば、パワーデバイスの材料として用いられている。パワーデバイスの製造工程において、窒化ガリウム膜は例えば反応性イオンエッチング装置を用いてエッチングされる。反応性イオンエッチング装置としては、真空処理室に設けられて処理対象物を保持するステージと、真空処理室にエッチングガスを導入するガス導入手段と、エッチングガスを電離するプラズマを真空処理室内に発生させるプラズマ発生手段と、ステージにバイアス電力を投入する電源とを備えるものが知られている。ここで、窒化ガリウム膜はプラズマによるダメージを受けやすいため、バイアス電力を小さく（例えば５Ｗ以下）設定することが一般であるが、プラズマからの真空紫外光が窒化ガリウム膜に照射されると、窒化ガリウム膜がダメージを受けることが知られている。

【0003】

処理対象物への真空紫外光の照射を抑制できるものとして、真空処理室内でステージに対向配置した遮蔽板を備えるマイクロ波プラズマエッチング装置が例えば特許文献１で知られている。このものでは、遮蔽板を真空紫外光を透過しない材料で作製し、この遮蔽板にステージ側から遮蔽板上方のプラズマ発生空間が見えないように斜めにのびる透孔を複数開設することで、プラズマからの真空紫外光が処理対象物に照射されないようにしている。

【0004】

そこで、上記遮蔽板を反応性イオンエッチング装置に適用し、窒化ガリウム膜をエッチングすることが考えられるが、窒化ガリウム膜のエッチングレートが著しく低下することが判明した。これは、上記遮蔽板の透孔はステージ側からプラズマ発生空間を臨まないように形成されているため、透孔を介して窒化ガリウム膜に対してイオンが殆ど供給されず、窒化ガリウム膜に印加される自己バイアス電圧が著しく低くなるためであると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−１２９６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、上記点に鑑み、処理対象物に対する真空紫外光の照射を抑制しつつ、ステージへの投入電力が小さくてもエッチングレートの著しい低下を抑制することができる反応性イオンエッチング装置を提供することをその課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、真空処理室と、真空処理室に設けられて処理対象物を保持するステージと、真空処理室にエッチングガスを導入するガス導入手段と、エッチングガスを電離するプラズマを真空処理室内に発生させるプラズマ発生手段と、ステージにバイアス電力を投入する電源とを備える本発明の反応性イオンエッチング装置は、真空処理室内にステージの外形と同等以上の外形を持ち、複数の透孔が開設された遮蔽板をステージに対向配置し、ステージから遮蔽板に向かう方向を上として、真空処理室内の遮蔽板の上方空間をプラズマ発生空間とし、ステージの遮蔽板への投影面の面積に対する、ステージ側からプラズマ発生空間を臨む遮蔽板下面における各透孔の部分の面積の総和の比率を１０〜８０％の範囲内に設定することを特徴とする。

【0008】

本発明によれば、遮蔽板にステージ側からプラズマ発生空間を臨むように複数の透孔を開設し、このプラズマ発生空間を臨む遮蔽板下面における各透孔の部分の面積の総和を、ステージの遮蔽板への投影面の面積に対して１０〜８０％の範囲内に設定することで、各透孔を介して処理対象物に対してイオンを効率よく供給できる。このため、バイアス電力が小さくても、処理対象物に印加される自己バイアス電圧が低下せず、エッチングレートの著しい低下を抑制することができる。これと併せて、遮蔽板の透孔以外の部分でプラズマからの真空紫外光を効率よく遮蔽することができる。従って、処理対象物に対する真空紫外光の照射を抑制しつつ、ステージへの投入電力が小さくてもエッチングレートの著しい低下を抑制することができる反応性イオンエッチング装置を得ることができる。尚、透孔を遮蔽板下面に対して斜めにのびるように開設した場合、「ステージ側からプラズマ発生空間を臨む遮蔽板下面における各透孔の部分」とは、遮蔽板下面における各透孔を遮蔽板上面に投影したときに遮蔽板上面における各透孔と互いに重複する部分をいうものとする。

【0009】

本発明において、前記透孔の各々を、前記遮蔽板の中心を中心とする同心円上に周方向の長さが同等となるように開設することができる。また、本発明において、前記透孔の各々を、平面視円形または矩形とすることができる。

【0010】

本発明において、前記遮蔽板から処理対象物までの距離を３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。３０ｍｍよりも短いと、遮蔽板の透孔直下に位置する処理対象物のエッチングレートと遮蔽板の透孔を除く部分の直下に位置する処理対象物のエッチングレートとの差が大きくなり、エッチングレートの面内均一性が悪くなるという問題がある。一方、１００ｍｍよりも長いと、遮蔽板のステージ側に漏れ出るプラズマが多くなり、処理対象物への真空紫外光の照射を効果的に抑制できないという問題がある。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態の反応性イオンエッチング装置を模式的に示す図。

【図2】（ａ）〜（ｃ）は、遮蔽板の例を夫々示す平面図。

【図3】本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

【図4】本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

【図5】本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の反応性イオンエッチング装置（以下「エッチング装置」という）を説明する。図１を参照して、ＥＭは、エッチング装置であり、エッチング装置ＥＭは、真空処理室を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の上部開口は、石英等の誘電体で形成される天板１１で塞がれている。真空チャンバ１の側壁上部にはフランジ１ａが設けられ、フランジ上面に形成された凹溝１ｂに嵌め込まれたＯリング１２により、フランジ１ａと天板１１との間がシールされている。

【0013】

真空チャンバ１内の底部には、絶縁体Ｉを介して基板ステージ２が設けられ、図示省略の公知の静電チャック等により、処理対象物Ｗをその処理面を上側にして位置決め保持できるようになっている。基板ステージ２には、真空チャンバ１の下部開口を介して高周波電源Ｅ１からの出力が接続されており、処理対象物Ｗにバイアス電位を印加できるようになっている。尚、基板ステージ２には図示省略の温媒流路が形成され、温媒流路に温度制御された温媒を流すことで、処理対象物Ｗを所定温度に加熱できるようになっている。

【0014】

真空チャンバ１の底部には、図示省略の真空ポンプなどの真空排気手段に通じる排気管３が接続され、真空チャンバ１内を真空引きできるようになっている。また、真空チャンバ１の側壁には、図示省略の流量制御手段（マスフローコントローラ）を介してガス源に通じるガス管４が接続され、真空チャンバ１内にエッチングガスを所定流量で導入できるようになっている。

【0015】

天板１１の外側には、複数段（本実施形態では２段）のループ状のアンテナコイル５が設けられ、このアンテナコイル５には高周波電源Ｅ２からの出力が接続され、プラズマ発生用の高周波電力を投入できるようになっている。これらのアンテナコイル５及び高周波電源Ｅ２は、本発明の「プラズマ発生手段」を構成し、後述する遮蔽板６の上方空間（以下「プラズマ発生空間」という）ＳＰにプラズマを発生させることができる。

【0016】

ここで、プラズマからの真空紫外光が処理対象物Ｗに照射されると、処理対象物Ｗがダメージを受ける。このような真空紫外光の照射を抑制するために、上記エッチング装置ＥＭは、ステージ２の外形と同等以上の外形を持つ遮蔽板６をステージ２に対向配置した。遮蔽板６は、ステージ２の外側で真空チャンバ１底部に立設した支持部７の上部で支持されている。遮蔽板６及び支持部７の材料としては、石英、アルミナ、アルミニウム、チタンのような、真空紫外光を遮蔽する材料を用いることができる。また、遮蔽板６として、アルミニウムやチタンなどの金属製の母材表面をアルミナ膜で覆ってなるものを用いることができる。

【0017】

図２（ａ）も参照して、遮蔽板６には、平面視円形の透孔６１が複数開設されている。これらの透孔６１は、ステージ２からプラズマ発生空間ＳＰを臨むように、即ち、遮蔽板６０下面に対して直交する方向にのびるように形成されている。ステージ２の遮蔽板６への投影面の面積に対する、ステージ２側からプラズマ発生空間ＳＰを臨む遮蔽板下面６０における各透孔６１の部分の面積の総和の比率（以下「開口率」という）が１０〜８０％の範囲内、好ましくは２０〜５０％の範囲内に設定されている。開口率が１０％未満だと、遮蔽板６のステージ側に漏れ出るプラズマが少なくなり、エッチング処理が困難になるという問題がある。生産効率（生産性）を鑑みると、開口率を２０％以上に設定することが好ましい。一方で、開口率が８０％よりも高いと、処理対象物Ｗへの真空紫外光の照射を効果的に抑制できないという問題がある。尚、処理対象物Ｗのダメージの指標である後述のＰＬシフト量は１．０に近い数値であることが好ましいため、開口率を５０％以下に設定することが好ましい。透孔６１の直径は、３〜４０ｍｍの範囲内に設定することができる。また、遮蔽板６の厚さは、その材質に応じて例えば、２〜１５ｍｍの範囲内で適宜設定することができる。遮蔽板６から処理対象物Ｗまでの距離は３０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。３０ｍｍよりも短いと、遮蔽板６の透孔６１直下に位置する処理対象物Ｗのエッチングレートと遮蔽板６の透孔６１を除く部分の直下に位置する処理対象物Ｗのエッチングレートとの差が大きくなり、エッチングレートの面内均一性が悪くなるという問題がある。一方、１００ｍｍよりも長いと、遮蔽板６のステージ側に漏れ出るプラズマが多くなり、処理対象物Ｗへの真空紫外光の照射を効果的に抑制できないという問題がある。

【0018】

また、天板１１とアンテナコイル５との間には、天板１１に沿って電極７が配置されている。電極７には、高周波電源Ｅ２からの出力が可変容量コンデンサ（例えば、１００ｐＦ〜２００ｐＦ）８を介して接続されており、真空チャンバ１内にプラズマが発生した状態で電極７に電圧印加すると、電極７に対向する天板１１の下面１１ａにイオンが引き込まれて、下面１１ａに付着した反応副生成物を除去できるようになっている。

【0019】

上記エッチング装置ＥＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段により上記各電源Ｅ１，Ｅ２の稼働、マスフローコントローラの稼働や真空排気手段の稼働等を統括管理するようになっている。以下、処理対象物Ｗを窒化ガリウム膜が形成されたサファイア基板とし、上記エッチング装置ＥＭを用いて窒化ガリウム膜をエッチングするエッチング方法について説明する。

【0020】

先ず、真空排気手段を作動させて真空チャンバ１内を所望の真空度まで真空引きした状態で、図外の搬送ロボットを用いて処理対象物Ｗを搬送して基板ステージ２上に載置する。そして、ガス管４から真空チャンバ１内に、塩素含有ガスを２０〜５０ｓｃｃｍの流量で導入し、この状態で、高周波電源Ｅ２からアンテナコイル５に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１００Ｗ〜５００Ｗ投入することで、真空チャンバ１内にプラズマＰが発生する。これと併せて、ステージ２に例えば４００ｋＨｚの高周波電力を１〜５Ｗ投入する。ここで、図２（ａ）に示すように直径３０ｍｍの透孔６１が複数個（開口率５０％）形成された遮蔽板６をステージ２に対向配置したため、プラズマＰが透孔６１を介してステージ２側に適度に漏れ出す。このため、塩素イオンが処理対象物Ｗに引き込まれて窒化ガリウム膜がエッチングされる。

【0021】

以上説明したように、遮蔽板６の透孔６１を介して処理対象物ＷがプラズマＰを臨むため、透孔６１を介して遮蔽板６のステージ２側に適度にプラズマを漏れ出させることができる。このため、処理対象物Ｗに印加するバイアス電位が低くても（例えば、２Ｗ）、処理対象物Ｗに塩素イオンを効率よく引き込むことができる。また、遮蔽板６の透孔６１以外の部分により、プラズマＰからの真空紫外光を遮蔽することができる。従って、処理対象物Ｗに対する真空紫外光の照射を抑制しつつ、窒化ガリウム膜を確実にエッチングすることができる反応性イオンエッチング装置を得ることができる。

【0022】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、平面視円形の透孔６０が開設された遮蔽板６を例に説明したが、透孔の形状はこれに限定されず、例えば、図２（ｂ）に示す遮蔽板６ａのように、平面視矩形の透孔６１ａを開設してもよい。この場合、遮蔽板６ａを格子状にパターニングすることにより、複数の透孔６１ａを開設することができる。また、図２（ｃ）に示す遮蔽板６ｂのように、透孔６１ｂ（透孔６１ｃ，６１ｄ）の各々を、遮蔽板６ｂの中心を中心とする同心円上に周方向の長さが同等となるように開設されてもよい。この場合、径方向に等間隔で透孔６１ｂ，６１ｃ，６１ｄが開設されてもよい。この場合、遮蔽板６ｂは、円形の基部６３ａと、この基部６３ａから径方向にのびる複数本（本実施形態では８本）の主枝部６３ｂと、互いに隣接する主枝部６３ｂで区画される空間を複数個の透孔に分割する円弧状の従枝部６３ｃとで構成することができる。

【0023】

また、上記実施形態では、遮蔽板表面に対して直交方向にのびる透孔を開設する場合について説明したが、遮蔽板表面に対して斜めにのびる透孔を開設してもよい。この場合、ステージ側からプラズマ発生空間を臨む遮蔽板下面における各透孔の部分」とは、遮蔽板下面における各透孔を遮蔽板上面に投影したときに遮蔽板上面における各透孔と互いに重複する部分をいうものとする。上記従来例のものでは、このような部分はない。

【0024】

また、上記実施形態では、支持部７により遮蔽板６を支持しているが、真空チャンバ１の側壁に遮蔽板６を固定するようにしてもよい。また、プラズマを発生させる方法は、アンテナコイルに高周波電力を投入する方法に限らず、他の公知の方法を用いることができる。

【0025】

次に、上記効果を確認するために、上記エッチング装置ＥＭを用いて次の実験を行った。本実験では、処理対象物Ｗとしてサファイア基板上に窒化ガリウム膜をスパッタ法により約３０ｎｍの厚さで成膜したものとし、この窒化ガリウム膜をエッチングした。エッチング条件は以下の通りである。即ち、遮蔽板６としてアルミナに開口率５０％でφ３０ｍｍの透孔を複数開設したものを用い、遮蔽板６と処理対象物Ｗとの間の距離を６０ｍｍに設定し、塩素含有ガスの流量を３０ｓｃｃｍとした（このときの真空チャンバ１内の圧力は約０．５Ｐａ）、ステージ２への投入電力を４００ｋＨｚ、２Ｗに設定すると共に、アンテナコイル５への投入電力を１３．５６ＭＨｚ、１５０Ｗに設定した。エッチング前後の窒化ガリウム膜のバンド端強度及びバンド内強度を夫々測定した結果、エッチング前（イニシャル）のバンド端強度は４３（ａ．ｕ）、バンド内強度が３７９７（ａ．ｕ）であったのに対し、エッチング後のバンド端強度は４１（ａ．ｕ）、バンド内強度が３７６５（ａ．ｕ）であった。これより、エッチング前後のバンド端強度に対するバンド内強度の比（バンド内強度／バンド端強度）を求めたところ、エッチング前の８８．３からエッチング後の９１．８へと１．０４倍に変化することが確認された。以下、エッチング前後の上記比（バンド内強度／バンド端強度）の変化を「ＰＬシフト量」といい、ダメージの指標として用いる。尚、本実験でのエッチングレートを求めたところ、８ｎｍ／ｍｉｎであった。

【0026】

【表1】

【0027】

さらに、透孔６１の開口率を１０％，２０％，４０％，７０％，８０％，９０％，１００％（遮蔽板無し）と変化させた点を除き、上記と同様にエッチングを夫々行い、ＰＬシフト量を求めた結果を図３に示す。この開口率が１０％，２０％，８０％，１００％のときのエッチングレートを併せて測定し、その測定結果を図４に示す。図３及び図４に示す結果から、透孔６１の開口率を１０％〜８０％の範囲内に設定すれば、ＰＬシフト量を抑制しつつ、窒化ガリウム膜をエッチングできることが判った。さらに、開口率を２０〜５０％の範囲内に設定すれば、生産効率を高めることができると共にＰＬシフト量をより一層抑制できることが判った。

【0028】

また、遮蔽板６の材料を石英、アルミニウムに変えた点を除き、上記と同様にエッチングを行い（開口率５０％）、ＰＬシフト量を求めた結果を図５に示す。これによれば、遮蔽板６の材料はアルミナが好ましい。但し、アルミナ製の遮蔽板に透孔を開設するには加工性が難しいため、アルミニウムやチタンなどの金属製の遮蔽板の少なくともプラズマ側の面にアルミナ膜を形成することが好ましく、アルミナ膜の形成方法としては溶射法を用いることができる。

【符号の説明】

【0029】

ＥＭ…反応性イオンエッチング装置、Ｗ…基板（処理対象物）、１ａ…真空処理室、２…ステージ、４…ガス管（ガス導入手段）、５…アンテナコイル（プラズマ発生手段）、Ｅ１…電源、Ｅ２…高周波電源（プラズマ発生手段）、６…遮蔽板、６０…遮蔽板下面、６１…透孔。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】