JP2003229413A - ドライエッチング方法 - Google Patents
ドライエッチング方法Info
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Abstract
ングにおけるエッチングストップ層の開発が切望されて
いる。また、ドライエッチング工程ではエッチングされ
た面にダメージが入ることがあり、これが素子の特性を
劣化させる原因となっていることがあり、ダメージの無
いあるいは少ないドライエッチング方法の開発が望まれ
ている。 【解決手段】 窒化物半導体においてInを含む層をエ
ッチングストップ層として用い、塩素系のガスを含むエ
ッチングガスによりドライエッチングを行う。
Description
体素子とその製造に用いられるドライエッチング方法に
関する。
AlGaN、GaInNAs、GaInNAsPなどの
窒化ガリウム系化合物半導体は、高い絶縁耐圧、高い熱
伝導度、高い飽和電子速度を有していることから、高周
波のパワートランジスタ用材料として有望である。Al
GaN/GaNのヘテロ構造を用いたHEMT構造にお
いては、GaN膜中のヘテロ界面近傍に高い濃度の2次
元電子ガス(2DEG)が蓄積される。この2次元電子
ガスはAlGaN膜にドーピングされたドナー不純物と
空間的に分離され蓄積されるため高い電子移動度を示す
ことから、低いソース抵抗が得られる。またこの2次元
電子ガスは高電界領域においても高い飽和電子速度を有
しているので、高い遮断周波数などの高周波特性が期待
されている。
直接遷移型のバンド構造を有しており、GaInNAs
を用いれば長波長では赤外まで、AlGaNを用いれば
短波長では紫外までの発光が得られる広い範囲のバンド
ギャップエネルギを取ることが可能であり、窒化ガリウ
ム系化合物半導体を用いた発光素子や半導体レーザに関
する研究も盛んに行われている。
ファイア基板上に積層した高輝度青色LEDが実用化さ
れており、また同様に青紫色半導体レーザも発表等での
寿命は5000時間を越え実用化に近いところまで来て
いる。青紫色窒化物半導体レーザが実用化されれば、光
ディスクの記録容量を片面単層25GB以上に高めるこ
とができることから実用化と高信頼化が求められてい
る。また、紫外の発光をする素子も、蛍光体の励起用と
して紫外LEDを用いた白色光源等が提案されているこ
とから、潜在的な需要は大きく活発な研究が行われてい
る。光通信用である波長1.55μmの発光をする窒化
ガリウム系化合物半導体レーザは、閾値電流の温度依存
性を表す特性温度が現在実用化されているInP系のも
のにくらべて向上すると言われており学会等で精力的に
発表されている。
光デバイス、電子デバイスどちらから見ても有用な材料
系であり、窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャ
ル成長、プロセス、評価等の技術の開発が強く望まれて
いる。プロセス技術の点では窒化ガリウム系化合物半導
体は化学的に安定であり、ウェットエッチングが困難で
ある事が知られている。よって、窒化ガリウム系化合物
半導体を用いた素子の作成プロセス中のエッチングには
主にドライエッチングが用いられる。ドライエッチング
の際にはエッチングガスとして一般に塩素系のガス、例
えば塩素Cl2、四塩化炭素CCl4、四塩化珪素SiC
l4、三塩化ホウ素BCl3等が用いられる。
半導体におけるドライエッチングでは、現在まで有効な
エッチングストッパー層が見出されていない。そのた
め、ドライエッチング工程でのエッチング厚みの制御は
時間制御が用いられてきた。時間制御ではÅ単位の制御
性のあるエッチングができず、そのため作成される素子
の性能も不安定になる。
リッジストライプの形成の際にはp型クラッド層を10
00Å残す様にエッチングする必要があり、その際には
高精度のエッチング厚み制御が求められる。しかし、現
状の技術では時間制御の為にエッチング厚みに設計との
差異またはロット間でのばらつきが生じ、これが原因と
なって閾値電流の増大や電流−電圧特性の劣化と言った
弊害をもたらす。
ガスの気流や試料の異方性などによっても、試料の面内
でのエッチング厚みのばらつきが生じる。この試料面内
のエッチング厚みのばらつきも、おなじく閾値の増大や
電流−電圧特性の劣化を引き起こし素子の歩留まりを下
げることになる。
ために窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング
におけるエッチングストップ層の開発が切望されてい
る。また、ドライエッチング工程ではエッチングされた
面にダメージが入ることがあり、これが素子の特性を劣
化させる原因となっていることがあり、ダメージの無い
あるいは少ないドライエッチング方法の開発が望まれて
いる。
エッチングストップ層とダメージの少ないエッチング方
法と、それらにより実現される半導体素子を提供するも
のである。
ッチング方法は、上記問題点を克服するものである。I
nを含む層をエッチングストップ層として用い、塩素系
のエッチングガスを用いることを特徴とする窒化物半導
体のドライエッチング方法である。以下、本発明を詳細
に説明する。
ップ層が有効に機能する場合の原理としては、エッチン
グ進行中にエッチングストップ層と主にエッチングガス
との反応において生成される反応生成物がエッチングス
トップ層以外とエッチングガスとの反応生成物よりも安
定な物質であることを利用する場合、もしくはエッチン
グストップ層のエッチングに対するエネルギ的なしきい
値の高さを利用する場合の2つが良く利用される。本発
明では前者の反応生成物が安定であることを利用する。
炭素CCl4、四塩化珪素SiCl4、三塩化ホウ素BC
l3等による窒化物半導体のエッチング中の反応式は以
下のように表せる。
時の条件により変化するが、簡便のためにただClとだ
け表記した。M*はIII族の金属、この場合は主にAl、
Ga、Inのいずれかを表す。
III族元素の塩化物が生成され、気化してエッチング表
面から脱離することをあらわしている。Inと塩素の化
合物であり、塩素系のガスを用いたドライエッチング中
に生成されるInCl3はAlやGaの塩素化合物Al
Cl3、GaCl3と比べて高い沸点を有している。具体
的にはInCl3が583℃、AlCl3が180℃、G
aCl3が201℃である。
いうことであり、よってエッチング中に生成されるIn
の塩化物であるInCl3は蒸気圧が低いことから、上
記の塩素との反応そして気化脱離という化学的なエッチ
ング機構中においての気化の部分が起こりにくく、イオ
ンによるアシストや物理的なスパッタリングの効果を利
用しなければ他のAlとGaの塩素化物と比べて本来エ
ッチングされにくい。したがってInを含む層において
塩素系のガスを用いたエッチング中に表面に形成される
Inの塩素化合物は他のエッチング生成物に比べてエッ
チングに対して安定な層を形成することができる。
通常のエッチング条件ではInを含む層も問題無くエッ
チングされる。これは窒化物半導体に対して行われてい
る通常のエッチング条件ではInCl3の気化脱離が容
易に行われていることを示している。またInを含む層
のエッチングレートがInを含まない層のエッチングレ
ートよりも大きいとする本発明と逆の結果も報告されて
いる。これらは窒化物半導体のIII族と窒素の結合エネ
ルギが高いことから、通常のドライエッチングプロセス
ではまずこのIII族と窒素の結合を切るために低い圧力
や試料への高いバイアスといった厳しいエッチング条件
が設定されているために生じる結果である。
含む層をエッチングストップ層として用いることを両立
させることが可能であることを見出したので、これを用
いて高い膜厚制御性を有したドライエッチング方法を提
供する。
ができ、InCl3が気化脱離しにくい条件でエッチン
グを行えば良い。そのような条件とは反応生成物の気化
脱離を防ぐという観点から圧力は高いほうが望ましく、
試料は冷却することが望ましい。また試料に印加するバ
イアスは低い方がよい。図1にエッチングガスの圧力に
対するGaNとGaInNのエッチングレート依存性を
示した。図1中においてある圧力を境にGaNとGaI
nNのエッチングレートが入れ替わっている、この点よ
り圧力の高い部分においてはGaNよりもGaInNの
エッチングレートの方が小さく、選択比が1より大きく
なりGaNに対してGaInN層をエッチングストップ
層として利用することが可能である。このエッチングレ
ートの差は試料を冷却することにより大きくなるので、
より大きな選択比を得ることができるため試料は冷却し
た方が良い。また印加するバイアスが低い方が、物理的
なスパッタリングの効果が抑制されるので選択比が大き
くなる。
レートが減少するので、エッチングストップ層から離れ
た部分では通常の条件でエッチングを行い、エッチング
ストップ層の近傍のみでこれらの条件を採用したエッチ
ングを行うことでエッチング時間を現実的な範囲に収め
ることができ、スループットと制御性や素子の性能の両
方を満足することができる。
すくする為にエッチングガス中に塩素に加えて希ガス
(He、Ar、Xe、Ne)を添加する事があるが、本
発明においては物理的なスパッタリング効果を抑制する
という観点から望ましくない。
ッチングストップ層として用いることが出来る。
を取り上げたが、III族とP、Asとの結合エネルギは
Nとの結合エネルギに比べて低く、エッチングは問題な
く進行するためNに加えてP、Asを含有する系におい
ても本発明は問題無く適応できる。
は高いほうが良く出来れば20%以上が望ましい、しか
しInの組成の高いGaInNではGaN上あるいは、
AlGaN上の格子整合条件から外れてしまい格子の不
整合を生じ、欠陥やクラックの要因となり好ましくな
い。そのため、エッチングストップ層をInGaNでは
なく格子不整合を小さくするようにAlをくわえAlG
aInN層とすることにより欠陥やクラックの発生を抑
制することもできる。
れば、通常のドライエッチングに比べて緩やかな条件で
エッチングを行っているため、ドライエッチングによる
ダメージを低減することができる。
トップ層として酸化物膜を形成するようなドライエッチ
ング方法もあるが、その場合酸化物膜が強固であるため
にドライエッチング後の酸化物膜の除去が困難であった
り、新たなダメージ源となったりすることがある。本発
明におけるエッチング方法では生成されるInCl3は
酸化物と比べると格段に除去しやすい、例えば真空中で
加熱処理を施すことにより除去することが可能である、
このためドライエッチング工程でのダメージを極力低減
することができる。
デバイスに対する適応の1実施例である、AlGaN/
GaNへテロ構造を用いたHEMT構造の電界効果トラ
ンジスタの断面図である。図2に示すように、炭化珪素
またはサファイアからなる基板201上に、50nm厚
のAlNバッファ層202を介して、1500nm厚の
GaNチャンネル層203、15nm厚のn型AlGa
N電子供給層205、n型GaInNエッチングストッ
プ層220、n型GaNキャップ層206が順次形成さ
れている。AlGaN電子供給層205のAl組成は例
えば0.2であり、n型GaInNエッチングストップ
層220のIn組成は0.2である。このAlGaN電
子供給層205におけるSiのn型不純物濃度は例えば
2×1018cm-3程度添加されている。AlGaN電子
供給層205上のn型GaNキャップ層206における
Siのn型不純物濃度は例えば5×1018cm-3程度添
加されている。またn型GaNキャップ層206の所定
の領域にエッチングを施し凹部を形成し、その凹部内に
ゲート電極207が形成されている。またn型GaNキ
ャップ層206上のゲート電極207両側にソース電極
208およびドレイン電極209が形成されている。
層206をエッチングするがキャップ層の膜厚が薄いの
で、エッチングレートは遅いが制御性を優先しInを含
む層がエッチングストップ層として働く条件でエッチン
グを行う。
グラフィー手法を用いてマスクを形成し、ICPエッチ
ング装置にてドライエッチングを行う。エッチングチャ
ンバは試料導入前に本番と同条件でプリエッチングして
おき、不純物の混入を避けるために2×10-4[Pa]
以下まで真空に引いてからエッチングチャンバ内に試料
を導入する。エッチングガスとして塩素を用い全流量は
100sccmとし、エッチング中のチャンバ内圧力は
3[Pa]とした。チャンバ内に導入した試料はエッチ
ングストップ層に対する選択比を高める為に−30〜2
0℃程度に冷却した。エッチング時間は通常のエッチン
グレートで計算されるよりも長めに行った。塩素による
エッチング終了後、エッチングにより生成されたInC
l3を除去するためにArとN2の混合ガスによりドライ
エッチングを行った。
よってn型GaNキャップ層206に対してエッチング
を行って、n型AlGaN電子供給層205とn型Ga
InNエッチングストップ層220のヘテロ界面までゲ
ート領域となる凹部をFETのゲート長が0.5μm程
度となるよう形成した。この凹部にニッケルと金とを積
層し、リフトオフ法を用いてゲート電極207を形成し
た。
203とn型AlGaN電子供給層205とのヘテロ界
面近傍に高濃度の2次元電子ガス(2DEG)204が
形成される。したがってゲート電極207に電圧を印加
することにより2次元電子ガス204の濃度を制御する
ことによってFETのスイッチング動作が実現できる。
このときゲート電極207と2次元電子ガス204が形
成されるヘテロ界面との距離は、その2次元電子ガスの
濃度を決め、その結果FETの閾値電圧Vthおよび一定
のゲートバイアス下におけるドレイン電流を決定する。
しかし、本発明のドライエッチングにおいては、エッチ
ングがn型AlGaN電子供給層205上のn型GaI
nNエッチングストップ層220において制御性よく停
止することができるため、上述のヘテロ界面とゲート電
極207との距離がばらつくことなく良好に深さを制御
できる、よってウエハ面内またはロット間の閾値電圧V
thおよびFETのドレイン電流のばらつきを小さくする
ことが可能となる。
る半導体レーザ素子の断面をあらわしている。以下詳細
に説明する。サファイアC面基板上301に、MOCV
D(有機金属気相成長法)をもちいて以下の構造を順次
積層する。なおMBE(分子線エピタキシー)やHVP
E(ハイドライド気相成長法)等の他の結晶成長方法を
用いて以下の構造を積層しても問題はない。また、基板
は本実施例ではサファイアC面基板を使用したが、選択
成長基板、炭化珪素基板、GaN基板、もしくはAlG
aN基板等他の基板を使用しても何ら問題はない。
02、n型GaN層303、n型Ga0.8In0.2Nエッ
チングストップ層351、n型Al0.07Ga0.93Nクラ
ッド層304、n型GaN光ガイド層305、GaIn
N/GaN多重量子井戸活性層306、p型GaN光ガ
イド層307、第一p型Al0.07Ga0.93Nクラッド層
352、p型Ga0.8In0.2Nエッチングストップ層3
53、第二p型Al0. 07Ga0.93Nクラッド層354、
p型GaNコンタクト層309を順次積層する。第一p
型Al0.07Ga0.93Nクラッド層352の膜厚は光の閉
じ込めを考慮し1000Å程度が良い。
エッチングストップ層を形成するのは成長温度が異なる
ためにIn組成を高くするのが比較的難しいため本実施
例ではIn組成を20%とした。
℃で20分間のアニールを行う。続いて窒化物半導体上
にドライエッチング用のマスクを積層する、エッチング
用のマスクとしてはSiO2、SiN、フォトレジスト
等が挙げられる。積層したマスクを通常のフォトリソグ
ラフィー技術によりストライプ状にパタン化しマスクと
して使用する。マスクを形成した後にICPドライエッ
チング装置を用いてエッチングする。エッチングガスと
して塩素を用いる。
て途中までエッチングを行う。第二p型Al0.07Ga
0.93Nクラッド層354の厚みは4000Åとしてお
り、塩素のみによるドライエッチングのエッチングレー
トが1500Å/minの場合、レートのばらつきを考
慮し第二p型Al0.07Ga0.93Nクラッド層354を5
00Å程度残してエッチングしたいため140秒間エッ
チングを行う。140秒経過した時点で試料に加えてい
るRFバイアスを下げ、圧力を上げる、これによりエッ
チングレートは減少するがInを含む層がエッチングス
トップ層として働く条件に変更する。なお、この変化は
段階的もしくは連続的に行っても良い。前述したように
エッチングストップ層に到達した後エッチングされた面
にInCl3が形成されエッチングが停止する。エッチ
ング後にはエッチング表面にエッチング表面全面を覆う
ようにInCl3が形成されている。このInCl3は引
き続きエッチングチャンバ中で加熱を行うことにより除
去して次の工程に影響が出ないようにする。その結果所
望の膜厚を有した第一p型Al0.07Ga0.93Nクラッド
層352上にリッジストライプが形成される。
とn電極312の形成、素子分離等の工程を経て半導体
レーザ素子が完成する。得られた半導体レーザ素子はロ
ット間、あるいはロット内でも第一p型Al0.07Ga
0.93Nクラッド層352の膜厚は均一で設計値通りの厚
みを有しており、光の閉じ込めと電流の狭窄が安定化さ
れていることから、エッチングストップ層を用いない素
子に比べて閾値電流の低下が観察された。またウエハ面
内でのばらつきが押さえられているため歩留まりも向上
していた。
程ではエッチングされた面にダメージが入ることがほと
んどなく(あるいは少なく)、その結果、素子の特性を
劣化させる原因となることがない(あるいは殆どな
い)。
図
を持つFET構造の断面図
を持つレーザ構造の断面図
Claims (7)
- 【請求項1】 窒化物半導体においてInを含む層をエ
ッチングストップ層として用い、塩素系のガスを含むエ
ッチングガスによりドライエッチングを行うことを特徴
とする窒化物半導体のドライエッチング方法。 - 【請求項2】 エッチング後の表面にIn塩化物が形成
されていることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導
体のドライエッチング方法。 - 【請求項3】 エッチング後の表面に形成されたIn塩
化物をウェットエッチングにより除去することを特徴と
する請求項1記載の窒化物半導体のドライエッチング方
法。 - 【請求項4】 エッチング後の表面に形成されたIn塩
化物を真空中あるいは不活性ガス中での処理により除去
することを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体のド
ライエッチング方法。 - 【請求項5】 エッチング後の表面に形成されたIn塩
化物を真空中あるいは不活性ガス中での加熱処理により
除去することを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体
のドライエッチング方法。 - 【請求項6】 エッチング後の表面に形成されたIn塩
化物を真空中あるいは不活性ガス中でのドライエッチン
グ処理により除去することを特徴とする請求項1記載の
窒化物半導体のドライエッチング方法。 - 【請求項7】 III族元素としてAl、Ga、Inのう
ち少なくとも一つを含み、V族元素としてNもしくはN
に加えてP、Asの少なくとも一つを含む窒化物半導体
によりなる半導体素子であって、基板上に少なくとも3
層以上の窒化物半導体層が積層されており、その層の内
の少なくとも一つ以上の層がその前後の層よりも高いI
n組成を有しており、その高いIn組成を有する層がエ
ッチングストップ層として働くことを特徴とする半導体
素子。
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JP2002026280A JP3812452B2 (ja) | 2002-02-04 | 2002-02-04 | ドライエッチング方法 |
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