特開 2024-178659 炭化ケイ素基板へのトレンチ形成方法

(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】P2024178659

(43)【公開日】2024-12-25

(54)【発明の名称】炭化ケイ素基板へのトレンチ形成方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20241218BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 105A

H01L21/302 101C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023096968

(22)【出願日】2023-06-13

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ＳＡＭＣＯ ＮＯＷ、ＶＯＬ．１２０、サムコ株式会社、令和５年１月１日 ［刊行物等］ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓａｍｃｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｃｏｍｐａｎｙ／ｓａｍｃｏｎｏｗ／ｕｐｌｏａｄｓ／７ｃａｆ４１ｃ６ｄｅ９３ｂ３ａ７６ｃｂｅ３６７５１７ｆ９０３ｄ９ａ６ｄｅｆｄａ７．ｐｄｆ、令和５年２月３日

(71)【出願人】

【識別番号】392022570

【氏名又は名称】サムコ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】弁理士法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】柴田 駿

(72)【発明者】

【氏名】中村 昌幸

(72)【発明者】

【氏名】西宮 智靖

【テーマコード（参考）】

5F004

【Ｆターム（参考）】

5F004BA20

5F004BB25

5F004BD03

5F004CA04

5F004DA00

5F004DA01

5F004DA02

5F004DA16

5F004DA18

5F004DB00

5F004EB08

(57)【要約】

【課題】炭化ケイ素基板に、簡単な方法で底部周辺の急峻形状を改善したトレンチ構造を形成することのできるプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る、炭化ケイ素基板にトレンチを形成するためのプラズマ処理方法は、エッチング対象である炭化ケイ素基板を-20℃以下の温度に保持しつつプラズマによる反応性イオンエッチング処理を行い、該炭化ケイ素基板にトレンチを形成する。プラズマ処理時の炭化ケイ素基板の温度は、好ましくは-100℃以下、-196℃以上とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エッチング対象である炭化ケイ素基板を-20℃以下の温度に保持しつつプラズマによる反応性イオンエッチング処理を行い、該炭化ケイ素基板にトレンチを形成するプラズマ処理方法。

【請求項2】

前記プラズマによる反応性イオンエッチング処理におけるエッチングガスがフッ化炭素系ガスを含む請求項１に記載のプラズマ処理方法。

【請求項3】

前記フッ化炭素系ガスがCHF₃、CF₄、C₂F₆またはC₄F₈ガスである請求項２に記載のプラズマ処理方法。

【請求項4】

前記プラズマによる反応性イオンエッチング処理におけるエッチングガスがフッ化硫黄系ガスを含む請求項１に記載のプラズマ処理方法。

【請求項5】

前記フッ化硫黄系ガスがSF₆ガスである請求項４に記載のプラズマ処理方法。

【請求項6】

前記炭化ケイ素基板の温度を、エッチングガスあるいは反応性イオンエッチング処理で生じた反応生成物がトレンチ側壁で液化する温度以下とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化ケイ素基板にトレンチ（溝）を形成するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

パワートランジスタとして用いられるトレンチ型MOSFETでは、ゲートは、基板に掘ったトレンチの内部に絶縁膜を介して設けた電極により構成される。このトレンチの形状に急峻な部分があると、ゲート電極に電圧を印加した際、その急峻な部分に電界集中が生じ、トレンチ内面の絶縁膜が破壊される。そこで、デバイスの耐圧を高めるためにトレンチの底部をU字状に形成することが望ましい。

【0003】

このような方法の一つとして、特許文献１には、異方性エッチングを行うことにより半導体基板上にトレンチを形成する第１の工程と、この第１の工程の後、順テーパエッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工する第２の工程と、この第２の工程の後、等方性エッチングを行うことにより前記トレンチの底部のコーナー部を丸める第３の工程とを有する方法が開示されている。このトレンチの底部のコーナー部を順テーパ形状に加工する第２の工程として、具体的には、エッチング槽内の酸素濃度を上げることによりトレンチの側壁に保護膜（シリコン酸化膜）を堆積しながらエッチングする方法と、エッチング槽内の圧力を上げると共に、投入する高周波出力（パワー）を下げることにより、イオンの入射方向の垂直成分を低下させる方法が記載されている。

【0004】

特許文献１は半導体基板としてシリコン基板を対象としているが、より高電圧の用途には、より高耐圧である炭化ケイ素（SiC）を基板として用いた炭化ケイ素トレンチ型MOSFETが用いられる。炭化ケイ素はシリコンと比較して結晶の格子定数が小さく、原子間が強固に結合しているため、炭化ケイ素基板はシリコン基板と比較してエッチング加工しにくいという特性がある。そのため、シリコン基板と同様の方法では炭化ケイ素基板のエッチング加工を行うことは容易ではない。

【0005】

炭化ケイ素トレンチ型MOSFETにおいて、トレンチの底部を丸くする方法が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示される方法では、まず、フッ素を含有するエッチングガスと保護膜形成ガスの混合ガスをプラズマ化し、さらに、基板を置く基台の表面から炭化ケイ素基板の裏面に向かって不活性ガスを流しながら、炭化ケイ素基板をエッチングしてトレンチを形成する。トレンチを形成した後、次の（Ａ）～（Ｃ）の少なくも１つを実施して前記トレンチの底をエッチングする。（Ａ）トレンチを形成する工程よりも前記エッチングガスの流量を低減する。（Ｂ）トレンチを形成する工程よりも前記保護膜形成ガスの流量を増大する。（Ｃ）トレンチを形成する工程よりも前記不活性ガスの圧力を低減する。（Ａ）では、エッチングガスによるエッチング能力が低下する結果、トレンチ底の周縁が削られにくくなり、トレンチ底の中央部の方が周縁部よりもエッチングされやすくなってトレンチ底がラウンド化されやすくなる、とされている。（Ｂ）では、トレンチの側壁に厚い保護膜が形成され、エッチングガスのプラズマイオンがトレンチ底部の周縁部に当たりにくくなる結果、トレンチ底がラウンド化されやすくなる、とされている。（Ｃ）では、炭化ケイ素基板の温度が低下しにくくなるため、トレンチ底部が等方エッチングされやすくなり、トレンチ底部がラウンド化されやすくなる、とされている。

【0006】

特許文献２に記載の方法のいずれの方法でも、エッチングガスはトレンチ底の中央部に集中して入射するため、トレンチ底の中央部は掘られるものの、トレンチ底の周辺部はトレンチ形成工程で形成されたままの状態となる可能性が高く、トレンチ底周辺部の急峻な形状は十分に改善されない可能性があることから、本件出願人は特許文献３に記載の技術を提案した。

【0007】

特許文献３に記載の方法は、プラズマによる反応性イオンエッチング処理を行うことにより前記炭化ケイ素基板にトレンチを形成する第１工程と、等方性プラズマにより前記トレンチの内面に保護膜を形成する第２工程と、前記トレンチの深さ方向に強くエッチングする異方性エッチング処理を行うことにより前記トレンチの底部を掘る第３工程とを有することを特徴とする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開2001-044216号公報

【特許文献2】特開2015-162630号公報

【特許文献3】特許第7220455号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献３に記載の方法では、複数の工程を行う必要があることから、時間と手間が掛かる。

【0010】

本発明が目的とするところは、炭化ケイ素基板に、簡単な方法で底部周辺の急峻形状を改善したトレンチ構造を形成することのできるプラズマ処理方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために成された本発明は、エッチング対象である炭化ケイ素基板を-20℃以下の温度に保持しつつプラズマによる反応性イオンエッチング処理を行い、該炭化ケイ素基板にトレンチを形成するプラズマ処理方法である。

【0012】

本発明に係る低温プラズマ処理装置は、誘導結合型、容量結合型のいずれのタイプのものであっても構わない。

【0013】

本発明に係る方法において、プラズマによる反応性イオンエッチング処理を行う際の炭化ケイ素基板の温度は、-100℃以下とすることが好ましい。また、より好ましくは-150℃以下とする。

【0014】

本発明に係る方法において、プラズマによる反応性イオンエッチング処理を行う際の炭化ケイ素基板の温度は、-196℃以上とするのが好ましい。

【0015】

本発明に係るプラズマ処理方法の反応性イオンエッチング処理において用いるエッチングガスとしては、炭素（C）、硫黄（S）、フッ素（F）、塩素（Cl）のいずれかを含む常温で気体であるものを用いることができる。

【0016】

具体的には、フッ化炭素系（CF系）ガス、又は、フッ化硫黄系（SF系）ガスが好ましい。フッ化炭素系（CF系）ガスとしては、例えば、C₄F₈（沸点-5.8℃）、CHF₃（沸点-82℃）、C₂F₆（沸点-78℃）または CF₄（沸点-128℃）等を用いることができる。フッ化硫黄系（SF系）ガスとしては、例えば、SF₆（沸点-63.9℃）等を用いることができる。

【0017】

これらのエッチングガスが処理室内でプラズマ化された際、炭化ケイ素基板は前記温度に冷却されているので、その一部がトレンチ（溝）の側壁で液化（凝縮）したり、あるいは、被エッチング材である炭化ケイ素基板や表面のマスク材と反応して生じた反応生成物（例えば、SiF₄（沸点-94.8℃）、CF₄（沸点-128℃）、CHF₃（沸点-82℃）、C₂F₆（沸点-78℃）、C₃F₆（沸点-31℃）、C₃F₈（沸点-36℃）、C₄F₈（沸点-5.8℃））がトレンチ（溝）の側壁で液化（凝縮）して、入射イオンを遮るマスク（保護膜）として機能するようになる。そうすると、トレンチ底面の外周部のエッチングが抑えられ、トレンチ底面の中心部のエッチングが進行しやすくなり、トレンチ（溝）の底部がラウンド形状となる。マスク（保護膜）として機能する反応生成物の付着量（保護膜の厚さ）はトレンチ側壁の温度に依存するので、炭化ケイ素基板の温度が低いほど遮られる入射イオンが多くなり、曲率の大きいラウンド形状が得られる傾向がある。したがって、本発明における炭化ケイ素基板の温度は反応生成物の沸点以下の温度であることが必要であり、その温度は-20℃以下であり、好ましくは-100℃以下であり、より好ましくは-150℃以下である。なお、上記反応生成物の沸点は常圧下の値であり、反応性イオンエッチング処理を減圧下で行う場合はそれよりも若干低い温度で液化することになる。

【0018】

本発明のプラズマ処理方法は、反応性イオンエッチング処理で生じた反応生成物が炭化ケイ素基板のトレンチ側壁で液化する温度以下でトレンチを形成できるのであれば、反応性イオンエッチング処理のその他の条件は特に限定されず、例えば、低温プラズマ処理装置が誘導結合型の場合であれば、ICP高周波電力は1000 W以下であればよく、バイアス出力は1000 W以下であればよく、処理室内圧力は0.1～10 Paであればよい。

【発明の効果】

【0019】

本発明に係るプラズマ処理方法により炭化ケイ素基板にトレンチを形成すると、底部周辺の急峻形状が改善される。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の効果を確認するために用いた低温プラズマ処理装置の概略構成図。

【図2】前記低温プラズマ処理装置の下部電極の断面図。

【図3】前記下部電極内のセパレータ部材の上面の加熱流路パターンを示す図。

【図4】前記下部電極内のセパレータ部材の下面の冷却流路パターンを示す図。

【図5】炭化ケイ素基板の室温（20℃）、-100℃、-150℃、-170℃におけるエッチングレート測定結果のグラフ。

【図6】炭化ケイ素基板に20℃、-100℃、-150℃、-170℃各温度においてプラズマ処理によりトレンチを形成した後の炭化ケイ素基板の断面写真。

【図7】前記基板のトレンチ底部の拡大断面写真。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の効果を確認するために、市販されている低温プラズマ処理装置を用いてトレンチを形成する試験を行った結果を説明する。

【0022】

まず、試験で用いた低温プラズマ処理装置である誘導結合型低温反応性イオンエッチング装置（製品名：RIE-800iPLN。サムコ株式会社製）について説明する。図１はその低温プラズマ処理装置１の概略構成図である。低温プラズマ処理装置１はプラズマエッチングを行う処理室１０を有し、その底部に、処理対象物である基板（以下、これをワークと言う）Ｗを載置する下部電極１１が設けられている。この下部電極１１には、プラズマ処理中にワークＷを固定するための静電吸着機構ないしメカチャック機構（図示せず）、及び、ワークＷを室温以下に冷却し、そして室温以下の所定の温度に制御するための温度制御機構が設けられている。また、下部電極１１にはプラズマ中のイオンをワークＷに引き込むための高周波電源１０１が設けられている。

【0023】

処理室１０の側壁には、エッチングガスを導入するガス導入口１２と、処理室１０内を排気するガス排気口１３が設けられている。ガス導入口１２にはプラズマガスを供給するガス供給部１２１及びその流量を調整する流量制御部（MFC）１２２が接続され、ガス排気口１３には真空ポンプ１３１が接続される。

【0024】

処理室１０の上部には、誘電体窓１４を介して上部電極である渦巻状の高周波コイル１４１が設けられ、高周波コイル１４１には高周波電源１４２からプラズマガスをプラズマ化するための高周波電力が供給される。

【0025】

本低温プラズマ処理装置１にはコンピュータにより構成される制御部１５が設けられており、操作者は、本低温プラズマ処理装置１による各種処理を制御部１５を通じて行う。制御部１５は、ワークＷに対する所定のプラズマ処理を行うため、操作者により指定された条件及び予め設定された条件等に基づいて、真空ポンプ１３１、流量制御部１２２、高周波電源１４２等を適宜動作させると共に、処理時のワークＷの温度を制御するため、下部電極１１内に設けられた温度調節機構の各部を制御する。

【0026】

下部電極１１の詳しい構造を図２に示す。下部電極１１は、ワークＷが載置される上面から下方側に空洞を有するベース部１１１、該空洞に収納されたセパレータ部材１１２、セパレータ部材１１２を該空洞内に密閉するための内部隔壁１１３、そして内部隔壁１１３よりも下に真空空間１１４を形成するための下部隔壁１１５等から構成される。ベース部１１１の上面、すなわち、ワークＷと接する面には浅い凹部１１６が設けられており、処理時にはここにヘリウムガスを導入および封止することにより、ベース部１１１、すなわち下部電極１１、とワークＷの間の熱伝達を良好にする。真空空間１１４は、液体窒素による下部電極１１の結露を防止するために設けられている。

【0027】

セパレータ部材１１２は、ベース部１１１と内部隔壁１１３により形成される前記空洞を上下に気密・液密に分離し、セパレータ部材１１２の上面はベース部１１１の下面に密に接し、セパレータ部材１１２の下面は内部隔壁１１３の上面に密に接している。セパレータ部材１１２の上面には図３に示すようなパターンを有する加熱流路１１７が形成され、セパレータ部材１１２の下面には図４に示すようなパターンを有する冷却流路１１８が形成されている。上面の加熱流路１１７には加熱制御部１５１より窒素ガス（G-N2）が供給され、下面の冷却流路１１８には液体窒素供給部１５２より液体窒素（L-N2。-196℃）が供給される。加熱制御部１５１においては、窒素ガス（G-N2）はヒーター１５３により加熱され、その温度が制御される。

【0028】

下部隔壁１１５には、内部隔壁１１３の下部の真空空間１１４を真空引きするための吸引口１１９が設けられている。真空空間１１４を真空引きするためのポンプとしては、ターボ分子ポンプを用いることが望ましい。また、真空空間１１４と処理室１０等の他の部分との圧力差を気密に保持するためのシールとしては、-60℃まで使用できるシール材を使用することが望ましい。そのようなシール材の例としては、エチレンプロピレンジエンゴム（EPDM）やインジウムを挙げることができる。

【0029】

このような構造を有する下部電極１１を用いてワークＷに対して低温エッチングを行う際、制御部１５は次のような動作をする。まず、液体窒素供給部１５２よりバルブ１６２を備えた配管を通じて液体窒素を冷却流路１１８に供給し、加熱制御部１５１より加熱した窒素ガスを加熱流路１１７に供給する。そして、バルブ１６２の開閉・開度をパルス制御することにより、冷却流路１１８に供給する液体窒素の量及び／又はタイミングを調節してプラズマ処理時のワークＷの温度制御を行うとともに、加熱流路１１７に供給する窒素ガスの温度をヒーター１５３で制御することにより、ワークＷの温度制御性を上げる。加熱窒素ガスは、低温から温度を上げる際に速く昇温させるためにも使用される。本発明によれば、プラズマ処理時にワークＷを低温に均一に温度制御することができるとともに、その制御も迅速に行うことができる。

【0030】

次に、炭化ケイ素基板（ワークＷ）上に所定の開口を有するマスクを形成し、該ワークＷを室温（20℃）、-100℃、-150℃、-170℃の各温度に保持して低温プラズマ処理装置１の処理室１０内にエッチングガスとしてCHF₃/Ar/O₂混合ガスを導入して反応性イオンエッチングを行い、炭化ケイ素基板にトレンチを形成した。

【0031】

各温度における炭化ケイ素のエッチングレートを測定した結果を図５に示す。温度が下がるほどエッチングレートが増大することがわかる。

【0032】

さらに、 炭化ケイ素基板をワークＷとして低温プラズマ処理装置１を用いて、幅1 μm、深さ3 μmのトレンチを形成する反応性イオンエッチング処理を行った。すなわち、該トレンチパターンを有するマスクを表面に形成したワークＷを図１のように下部電極１１の上に載置し、該ワークＷを室温（20℃）、-100℃、-150℃、-170℃の各温度に保持し、処理室１０内にエッチングガスとしてCHF₃/Ar/O₂混合ガスを導入して反応性イオンエッチングを行い、炭化ケイ素基板にトレンチを形成した。なお、処理時間はトレンチ深さが概ね3 μmに達するまでとした。

【0033】

各温度においてトレンチを形成した後の基板の断面の写真を図６に示す。また、トレンチの底部の拡大写真を図７に示す。室温（20℃）ではトレンチ底の角は丸くなっていないが、-100℃で処理したものでは角がやや丸くなっており、-150℃及び-170℃で処理したトレンチの底は全体が丸くなっている。トレンチのこの底部形状により、低温プラズマ処理によりトレンチを形成した炭化ケイ素基板については、大きな耐圧を期待することができる。

【符号の説明】

【0034】

１０…処理室
１１…下部電極
１１１…ベース部
１１２…セパレータ部材
１１３…内部隔壁
１１４…真空空間
１１５…下部隔壁
１１６…ヘリウムガス用凹部
１１７…加熱流路
１１８…冷却流路
１１９…真空吸引口
１２…ガス導入口
１２１…ガス供給部
１２２…流量制御部
１３…ガス排気口
１３１…真空ポンプ
１４…誘電体窓
１４１…高周波コイル
１４２…高周波電源
１５…制御部
１５１…加熱制御部
１５２…液体窒素供給部
１５３…ヒーター

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】