プラズマエッチング方法
【課題】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。
【解決手段】まず、ワイドギャップ半導体基板Ｋの表面に開口部を有したマスクＭを形成する。そして、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及び保護膜形成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、プラズマ化されたエッチングガスによるワイドギャップ半導体基板Ｋのエッチングと、プラズマ化された保護膜形成ガスによる保護膜の形成とを並行して行い、保護膜によって保護しつつ、炭化ケイ素基板Ｋのエッチングを進行させ、炭化ケイ素基板Ｋにテーパ状の凹部を形成する。
【解決手段】まず、ワイドギャップ半導体基板Ｋの表面に開口部を有したマスクＭを形成する。そして、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及び保護膜形成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、プラズマ化されたエッチングガスによるワイドギャップ半導体基板Ｋのエッチングと、プラズマ化された保護膜形成ガスによる保護膜の形成とを並行して行い、保護膜によって保護しつつ、炭化ケイ素基板Ｋのエッチングを進行させ、炭化ケイ素基板Ｋにテーパ状の凹部を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイドギャップ半導体基板に上部開口幅が広く、底部開口幅が狭いテーパ状のエッチング構造を形成するプラズマエッチング方法に関し、特に、テーパ角度を制御してテーパ状のエッチング構造を形成するプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の材料として、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（Ｓｉ）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ヒ化ガリウム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。
【０００３】
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、即ち、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。
【０００４】
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（ＳｉＯ２）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、六フッ化硫黄（ＳＦ６）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などの反応種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。
【０００５】
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い、言い換えれば、エッチング速度が速い。また、高精度なエッチング加工も可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−０９６７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ワイドギャップ半導体基板から半導体素子を製造する際は、基板表面にエッチング処理を施して溝や穴など（以下、「凹部」という）を形成し、この凹部に金属を充填して回路を形成させているが、この際、凹部に金属が密に充填されないと、回路に欠陥が生じ、導通不良などの問題を生じる。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、開口幅が広く、底部幅が狭いテーパ形状であることが好ましい。
【０００８】
しかしながら、上記従来のプラズマエッチング方法によってワイドギャップ半導体基板にエッチング処理を施した場合、ワイドギャップ半導体基板に形成する凹部はテーパ形状でなく、側壁上部が円弧状にえぐれたボウイング形状となる。このように凹部がボウイング形状となるのは以下の理由によるものと考えられる。
【０００９】
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り、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。
【００１０】
このように凹部がボウイング形状である場合には、例えば、半導体素子の製造工程において、凹部に金属を充填した際に金属が密に充填されず、上述したような問題が生じる。また、この他にも、ＣＶＤ（化学気相蒸着）法によって基板に成膜処理を施す際には、ボウイング形状の凹部には薄膜が形成し難くなるという問題なども生じる。
【００１１】
更に、近年、半導体素子の微細化に伴い、テーパ角度の制御などといったより緻密にエッチング形状を制御することが要求されている。また、パワーデバイス製造工程における金属の埋め込みの容易化を図る上でもテーパ角度を制御することは重要である。
【００１２】
そこで、本願発明者らは、テーパ状の凹部を形成することができ、且つ、その凹部のテーパ角度を制御することができるプラズマエッチング方法について、鋭意研究を重ねた結果、エッチングガスと保護膜形成ガスとを所定の割合で混合したガスを用いてワイドギャップ半導体基板にエッチング処理を施すことによって、テーパ角度を制御しつつ、良好なテーパ状の凹部が形成できることを知見するに至った。
【００１３】
本発明は、本願発明者らが、鋭意研究を重ねた結果なされたものであり、ワイドギャップ半導体基板にテーパ状凹部を形成させることができるとともに、形成するテーパ状凹部のテーパ角度を制御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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するための本発明は、
プラズマ化した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エッチングし、該ワイドギャップ半導体基板にテーパ状のエッチング構造を形成するプラズマエッチングする方法であって、
前記ワイドギャップ半導体基板の表面に開口部を有するマスクを形成する工程と、
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℃以上に加熱する工程と、
前記エッチングガス及び保護膜形成ガスを前記処理チャンバ内に供給し、該エッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化する工程と、
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、前記ワイドギャップ半導体基板をエッチングする工程とを行うプラズマエッチング方法において、
前記保護膜形成ガスの供給流量を調整することにより、形成されるエッチング構造のテーパ状態を制御することを特徴とするプラズマエッチング方法に係る。
【００１５】
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、ワイドギャップ半導体基板の表面に開口部を有するマスクを形成する。
【００１６】
ついで、表面に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℃以上に加熱する。尚、ワイドギャップ半導体基板の加熱温度は、精度良くエッチング構造を形成するために２００℃〜１０００℃であることが好ましい。
【００１７】
その後、前記エッチングガスを処理チャンバ内に供給するとともに、保護膜形成ガスをその供給流量を調整して処理チャンバ内に供給し、当該エッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化する。しかる後、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、プラズマ化された保護膜形成ガスによってワイドギャップ半導体上に保護膜を形成しつつ、プラズマ化されたエッチングガスによってワイドギャップ半導体基板をエッチングする。
【００１８】
このように、本発明に係る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に対して、エッチングと保護膜の形成とが並行して行われるとともに、保護膜形成ガスの供給流量を調整するようになっている。このようにすることで、炭化ケイ素基板に側壁全体が直線的なテーパ状の凹部を形成することができ、テーパ角度の異なるテーパ状凹部を形成することができる。
【００１９】
これは、プラズマ化された保護膜形成ガスによる凹部側壁への保護膜形成と、プラズマ化されたエッチングガスによる等方性エッチングとのバランスがとれ、マスク直下部やその近傍（側壁上部）の形状が改善することによって、凹部側壁が直線的になり、凹部がテーパ形状になるものと考えられる。以下、図１及び図２を参照しつつ、これについて具体的に説明する。尚、図１及び図２における符号Ｋ、符号Ｍ及び符号Ｈは、それぞれワイドギャップ半導体基板、マスク及び保護膜を表している。
【００２０】
図１は、エッチングガスの供給流量に対する保護膜形成ガスの供給流量が適当であり、上述した保護膜Ｈの形成と等方性エッチングとのバランスがとれた状態における凹部の形成過程を示した図である。ここで、保護膜Ｈはエッチングによりワイドギャップ半導体基板Ｋから解離した反応種と供給された保護膜形成ガス由来の反応種とが化学反応することで生成するため、エッチングされている箇所の近傍で保護膜Ｈの形成が進行する。したがって、エッチング処理が進行するにつれ、凹部の側壁上部（マスク直下部やその近傍）は、イオンによるスパッタリングによってエッチングが行われる箇所（凹部の底部）との距離が離れ、ワイドギャップ半導体基板Ｋから解離した反応種が供給され難くなって保護膜Ｈの形成が進行し難くなる。また、形成した保護膜Ｈもラジカルなどの反応種との化学反応によってエッチングもされていく。このため、図１（ａ）に示すように、凹部の側壁上部は、保護膜Ｈがほとんどなくなる、或いは、形成されているが膜厚が薄くなる。一方、側壁上部以外の部位では、保護膜Ｈが形成される。したがって、側壁上部以外の部位が、保護膜Ｈによって保護されつつエッチングが進行することでテーパ形状になるとともに、側壁上部が、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との化学反応によって、同図中のＡ部位（保護膜Ｈがほとんど形成されていない、或いは、形成されているが膜厚が薄い部位）が選択的に等方性エッチングされて側壁上部の円弧状にえぐれた形状が改善され、図１（ｂ）に示すように、側壁全体が直線的なテーパ状凹部が形成するものと考えられる。また、保護膜Ｈの形成とエッチングとのバランスをとりつつ、保護膜形成ガスの流量を調整することで、保護膜Ｈの形成具合が変化するため、前記Ａ部位のエッチング速度が若干変化し、テーパ角度の異なるテーパ状凹部が形成するものと考えられる。
【００２１】
一方、エッチングガスの供給流量に対する保護膜形成ガスの供給流量が多すぎ、保護膜Ｈの形成と等方性エッチングとのバランスがとれておらず、保護膜Ｈの形成が起こり易い状態における凹部の形成過程を示したものが図２である。この場合、図２（ａ）に示すように、エッチング処理が進行しても、側壁上部以外の部位だけでなく、側壁上部でも保護膜Ｈが形成し易く、上記バランスがとれた状態と比較して、側壁上部の大部分が保護膜Ｈに覆われるため、同図中のＢ部位（保護膜Ｈがほとんど形成されていない、或いは、形成されているが膜厚が薄い部分）が図１（ａ）中のＡ部位よりも少なく、側壁上部の等方性エッチングが進行し難くなり、当該側壁上部の形状が改善しきらず、図２（ｂ）に示すように、側壁が直線的でない凹部が形成するものと考えられる。
【００２２】
尚、本願でいう「テーパ形状」とは、凹部における、底部幅よりも開口幅の方が広く、側壁全体が直線であるものをいい、また、水平面と凹部の側壁面とがなす角度をθと称し、これを「テーパ角度」と定義する。
【００２３】
前記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、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所謂ＩＩＩ−Ｖ族化合物などであっても良い。
【００２４】
また、前記エッチングガスは、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く、前記保護膜形成ガスは、酸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、ＳＦ６ガスやＣＦ４（四フッ化炭素）ガスなどが挙げられ、酸素系ガスとしては、Ｏ２（酸素）ガスやＮ２Ｏ（亜酸化窒素）ガスなどが挙げられる。
【００２５】
また、エッチングガスとしてＳＦ６ガスを用い、保護膜形成ガスとしてＯ２ガスを用いる場合は、ＳＦ６ガスを１００〜１０００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給するとともに、Ｏ２ガスは、ＳＦ６ガスの流量に対して５０〜１００％の流量で処理チャンバ内に供給するのが好ましい。因みに、本願発明者らの実験結果によると、エッチングガスとしてＳＦ６ガスを用い、当該ＳＦ６ガスを２００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給するとともに、保護膜形成ガスとしてＯ２ガスを用い、当該Ｏ２ガスを８０〜２２０ｓｃｃｍ内の流量で処理チャンバ内に供給した場合、Ｏ２ガスの流量に応じて、７０〜７５°内の所望のテーパ角度を有するテーパ状凹部を形成できる。また、この場合、炭化ケイ素基板を加熱し、その温度を２００℃以上にしているため、３〜４μｍ／ｍｉｎ程度の比較的早いエッチング速度で凹部の形成が進行する。
【００２６】
更に、マスクの構成成分はニッケル、或いは、二酸化ケイ素であることが好ましい。この場合、マスクのエッチングが抑えられ、マスク幅の後退が起こり難くなるため、マスク幅通りの底部幅を有する凹部を形成することができる。また、本願発明者らによれば、エッチングガスとしてＳＦ６ガス、保護膜形成ガスとしてＯ２ガスを用い、高温下で炭化ケイ素基板にエッチング処理を行う場合には、イオンによるスパッタリング主体のエッチングよりも、反応種との化学反応が主体のエッチングの方が起こり易く、イオンによるスパッタリング主体のエッチングの度合いが少なくなり、ニッケルがエッチングされ難くなるため、Ｎｉマスクに対する炭化ケイ素基板のエッチング選択比が２００〜１０００と高い値を示す。
【００２７】
尚、本発明のプラズマエッチング方法は、底部幅が１０〜５００μｍ、深さが１０〜２００μｍの凹部を形成する場合に用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
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、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、更に、テーパ角度を制御した凹部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ワイドギャップ半導体基板にテーパ状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。
【図２】ワイドギャップ半導体基板にテーパ状でない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。
【図３】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。
【図４】Ｏ２ガスの供給流量と炭化ケイ素基板に形成する凹部の形状及び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。
【図５】Ｏ２ガスの供給流量と炭化ケイ素基板に形成する凹部の形状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。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
まず、図３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、保護膜形成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、保護膜形成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。
【００３２】
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。
【００３３】
前記ガス供給装置２０は、エッチングガスとして、例えば、ＳＦ６ガスなどを供給するエッチングガス供給部２１と、保護膜形成ガスとして、例えば、Ｏ２ガスなどを供給する保護膜形成ガス供給部２２と、不活性ガスとして、例えば、Ｈｅガスなどを供給する不活性ガス供給部２３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、保護膜形成ガス供給部２２及び不活性ガス供給部２３にそれぞれ接続した供給管２４とを備え、エッチングガス供給部２１、保護膜形成ガス供給部２２及び不活性ガス供給部２３から供給管２４を介して処理チャンバ１１内にそれぞれエッチングガス、保護膜形成ガス及び不活性ガスを供給する。
【００３４】
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、保護膜形成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、保護膜形成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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
まず、炭化ケイ素基板Ｋをプラズマエッチングするに当たり、炭化ケイ素基板Ｋにマスク形成処理を施す。
【００３８】
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、例えば、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、二酸化ケイ素のようにエッチングされ難い成分から構成されていれば良い。
【００３９】
次に、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。
【００４０】
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の温度を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２３から処理チャンバ１１内に不活性ガスを供給するとともに、高周波電源２７，３０によってコイル２６及び基台１５に高周波電力を印加する。これにより、処理チャンバ１１内に供給した不活性ガスはプラズマ化され、このプラズマ化により生成したイオンが、基台１５に高周波電力を印加することで生じたバイアス電位によって、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。そして、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。
【００４１】
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、当該炭化ケイ素基板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内にエッチングガスを供給するとともに、保護膜形成ガス供給部２２から処理チャンバ１１内に保護膜形成ガスを供給し、高周波電源２７，３０によってコイル２６及び基台１５に高周波電力を印加する。これにより、処理チャンバ１１内に供給したエッチングガス及び保護膜形成ガスはプラズマ化される。そして、エッチングガスのプラズマ化により生成したイオンや反応種によって炭化ケイ素基板Ｋがエッチングされるとともに、保護膜形成ガスのプラズマ化により生成したイオンや反応種が炭化ケイ素基板Ｋ中のケイ素原子と化学反応して炭化ケイ素基板Ｋの表面に保護膜が形成される。このようにして、炭化ケイ素基板Ｋのエッチングと、保護膜の形成とが並行して行われ、保護膜によって保護されつつ、炭化ケイ素基板Ｋのエッチングが進行し、炭化ケイ素基板Ｋにテーパ状の凹部が形成する。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。
【００４２】
因みに、本例のプラズマエッチング方法を適用してエッチングガスであるＳＦ６ガスを２００ｓｃｃｍ、保護膜形成ガスであるＯ２ガスを８０〜２２０ｓｃｃｍ内の所定の流量で処理チャンバ内に供給し、コイル印加電力２０００Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、処理チャンバ内圧力１０Ｐａの条件にて、ＮｉマスクＭが形成された炭化ケイ素基板Ｋをエッチングしたところ、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、側壁全体が直線的なテーパ状の凹部が形成した。具体的には、図４（ａ）は、Ｏ２ガスを１００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給した場合（実施例１）に炭化ケイ素基板Ｋに形成した凹部の形状を示した図であり、図４（ｂ）は、Ｏ２ガスを１７７ｓｃｃｍの流量で供給した場合（実施例２）に形成した凹部の形状を示した図である。実施例１においては、テーパ角度θ１が７０．８°、底部幅が２１５．８μｍ、深さが６２μｍのテーパ状凹部が形成し、実施例２においては、テーパ角度θ２が７３．４°、底部幅が２１５．８、深さが７３．９μｍのテーパ状凹部が形成した。
【００４３】
ここで、実施例１と実施例２のテーパ角度θを比較すると、Ｏ２ガスの流量が多い実施例２の方がテーパ角度θが大きくなっており、Ｏ２ガスの流量を増加させることによってテーパ角度θは大きくなる傾向を示している。尚、本願発明者らによれば、Ｏ２ガスの流量を調整することで、７０〜７５°の間でテーパ角度を制御することができる。
【００４４】
また、形成する凹部の寸法は、上記各実施例で形成した凹部の寸法に限られるものではなく、底部幅が１０〜５００μｍ、深さが１０〜２００μｍの凹部を形成することができる。
【００４５】
また、上記実施例において、ＮｉマスクＭに対する炭化ケイ素基板Ｋのエッチング選択比は２００〜１０００という高い値を示す。これは、高温化でＳＦ６ガス及びＯ２ガスを用いることで、イオンによるスパッタリングが主体のエッチングではなく、ラジカルなどの反応種との化学反応が主体のエッチングとなり、スパッタリングが主体のエッチングの度合いが少ないため、化学反応が主体のエッチングが起こらないＮｉマスクＭはエッチングされ難いの対して、化学反応が主体のエッチングが起こる炭化ケイ素基板Ｋはエッチングされ易くなり、選択比が高くなるものと考えられる。また、ＮｉマスクＭがエッチングされ難いため、マスクとしての役割を果たすために必要なＮｉマスクＭの成膜量が少なくても済む。また、スパッタリング主体のエッチングの度合いが少ないため、Ｎｉ以外の材料に対する選択比も高く、例えば、Ｎｉより成膜及びエッチング後の除去が容易なＳｉＯ２をマスクとして使用できる。更に、Ｎｉマスクがエッチングされ難いことにより、マスク幅の後退が起き難いため、マスク幅通りの底部幅を有する凹部を形成することができる。
【００４６】
このように、凹部がテーパ形状となるのは、以下の理由によるものだと考えられる。上例においては、プラズマ化されたＯ２ガスによる凹部側壁への保護膜の形成と、プラズマ化されたＳＦ６ガスによる等方性エッチングとのバランスがとれた状態で、凹部を形成するようにしており、凹部の側壁上部には、ほとんど保護膜が形成していない、或いは、形成しているが膜厚が薄い。したがって、側壁上部とそれ以外の部位とでは、前者の方が選択的に等方性エッチングされ易く、側壁上部の形状が改善され、凹部側壁が直線的になるとともに、側壁上部以外の部位は、保護膜によって保護されつつエッチングされテーパ状になり、凹部は側壁全体が直線的なテーパ形状となる。
【００４７】
また、Ｏ２ガスの供給流量が多い方が、テーパ角度θが大きくなる傾向を示しているが、これは、以下の理由によるものだと考えられる。Ｏ２ガスの供給流量が多い方が保護膜の形成が進行し易く、側壁上部へも保護膜の形成が進行し易いため、側壁上部における等方性エッチングが進行し難くなる。したがって、側壁上部のエッチング速度が若干変化し、テーパ角度の異なるテーパ状凹部を形成することができる。
【００４８】
尚、図４（ａ）及び（ｂ）においては、エッチング処理前とエッチング処理後とでマスク幅に大きな変化が見られず、凹部の底部幅がマスク幅通りにエッチングされている。
【００４９】
一方、エッチングガスであるＳＦ６ガスを２００ｓｃｃｍの流量で供給し、保護膜形成ガスであるＯ２ガスを８０〜２２０ｓｃｃｍ外の所定の流量で処理チャンバ内に供給し、コイル印加電力２０００Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、処理チャンバ内圧力１０Ｐａの条件にて炭化ケイ素基板Ｋをエッチングしたところ、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、側壁が直線的なテーパ状の凹部は形成しなかった。具体的には、図５（ａ）は、２０ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給した場合に炭化ケイ素基板Ｋに形成した凹部の形状を示したものであり、同図から見て取れるように、マスク直下部やその近傍がえぐれたボウイング形状になっている。また、図５（ｂ）は、ＳＦ６ガスを２００ｓｃｃｍ、Ｏ２ガスを４００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給した場合に形成した凹部の形状を示したものであり、同図より、側壁が丸みを帯びた凹部が形成する。
【００５０】
Ｏ２ガスの供給流量を２０ｓｃｃｍとした場合に、炭化ケイ素基板Ｋにボウイング形状の凹部が形成した理由としては、Ｏ２ガスの供給流量が少なすぎるため、側壁全体に対して保護膜の形成が進行し難くなるため、マスク直下部やその近傍である側壁上部を選択的に等方性エッチングすることができなくなり、側壁が全体的に等方性エッチングされたためだと考えられる。
【００５１】
また、Ｏ２ガスの供給流量を４００ｓｃｃｍとした場合に、側壁が丸みを帯びた凹部が形成した理由としては、Ｏ２ガスの供給流量が多すぎるため、側壁上部の大部分が保護膜に覆われて等方性エッチングが進行し難くなり、側壁上部の一部のみしか等方的にエッチングされず、形状が改善しきらなかったためだと考えられる。
【００５２】
以上のように、本発明に係るプラズマエッチング方法は、エッチングガスとともに保護膜形成ガスを供給するようにし、保護膜形成ガスの供給流量を調整することによって、炭化ケイ素基板に側壁全体が直線的なテーパ状の凹部を形成することができる。また、テーパ状凹部のテーパ角度を制御することもできる。
【００５３】
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。
【００５４】
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）に配設した構成の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発生装置としても良い。
【符号の説明】
【００５５】
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 保護膜形成ガス
２３ 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 Ｎｉマスク（マスク）
Ｈ 保護膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイドギャップ半導体基板に上部開口幅が広く、底部開口幅が狭いテーパ状のエッチング構造を形成するプラズマエッチング方法に関し、特に、テーパ角度を制御してテーパ状のエッチング構造を形成するプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の材料として、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（Ｓｉ）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ヒ化ガリウム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。
【０００３】
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、即ち、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。
【０００４】
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（ＳｉＯ２）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、六フッ化硫黄（ＳＦ６）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などの反応種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。
【０００５】
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い、言い換えれば、エッチング速度が速い。また、高精度なエッチング加工も可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−０９６７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ワイドギャップ半導体基板から半導体素子を製造する際は、基板表面にエッチング処理を施して溝や穴など（以下、「凹部」という）を形成し、この凹部に金属を充填して回路を形成させているが、この際、凹部に金属が密に充填されないと、回路に欠陥が生じ、導通不良などの問題を生じる。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、開口幅が広く、底部幅が狭いテーパ形状であることが好ましい。
【０００８】
しかしながら、上記従来のプラズマエッチング方法によってワイドギャップ半導体基板にエッチング処理を施した場合、ワイドギャップ半導体基板に形成する凹部はテーパ形状でなく、側壁上部が円弧状にえぐれたボウイング形状となる。このように凹部がボウイング形状となるのは以下の理由によるものと考えられる。
【０００９】
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り、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。
【００１０】
このように凹部がボウイング形状である場合には、例えば、半導体素子の製造工程において、凹部に金属を充填した際に金属が密に充填されず、上述したような問題が生じる。また、この他にも、ＣＶＤ（化学気相蒸着）法によって基板に成膜処理を施す際には、ボウイング形状の凹部には薄膜が形成し難くなるという問題なども生じる。
【００１１】
更に、近年、半導体素子の微細化に伴い、テーパ角度の制御などといったより緻密にエッチング形状を制御することが要求されている。また、パワーデバイス製造工程における金属の埋め込みの容易化を図る上でもテーパ角度を制御することは重要である。
【００１２】
そこで、本願発明者らは、テーパ状の凹部を形成することができ、且つ、その凹部のテーパ角度を制御することができるプラズマエッチング方法について、鋭意研究を重ねた結果、エッチングガスと保護膜形成ガスとを所定の割合で混合したガスを用いてワイドギャップ半導体基板にエッチング処理を施すことによって、テーパ角度を制御しつつ、良好なテーパ状の凹部が形成できることを知見するに至った。
【００１３】
本発明は、本願発明者らが、鋭意研究を重ねた結果なされたものであり、ワイドギャップ半導体基板にテーパ状凹部を形成させることができるとともに、形成するテーパ状凹部のテーパ角度を制御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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するための本発明は、
プラズマ化した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エッチングし、該ワイドギャップ半導体基板にテーパ状のエッチング構造を形成するプラズマエッチングする方法であって、
前記ワイドギャップ半導体基板の表面に開口部を有するマスクを形成する工程と、
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℃以上に加熱する工程と、
前記エッチングガス及び保護膜形成ガスを前記処理チャンバ内に供給し、該エッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化する工程と、
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、前記ワイドギャップ半導体基板をエッチングする工程とを行うプラズマエッチング方法において、
前記保護膜形成ガスの供給流量を調整することにより、形成されるエッチング構造のテーパ状態を制御することを特徴とするプラズマエッチング方法に係る。
【００１５】
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、ワイドギャップ半導体基板の表面に開口部を有するマスクを形成する。
【００１６】
ついで、表面に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℃以上に加熱する。尚、ワイドギャップ半導体基板の加熱温度は、精度良くエッチング構造を形成するために２００℃〜１０００℃であることが好ましい。
【００１７】
その後、前記エッチングガスを処理チャンバ内に供給するとともに、保護膜形成ガスをその供給流量を調整して処理チャンバ内に供給し、当該エッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化する。しかる後、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、プラズマ化された保護膜形成ガスによってワイドギャップ半導体上に保護膜を形成しつつ、プラズマ化されたエッチングガスによってワイドギャップ半導体基板をエッチングする。
【００１８】
このように、本発明に係る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に対して、エッチングと保護膜の形成とが並行して行われるとともに、保護膜形成ガスの供給流量を調整するようになっている。このようにすることで、炭化ケイ素基板に側壁全体が直線的なテーパ状の凹部を形成することができ、テーパ角度の異なるテーパ状凹部を形成することができる。
【００１９】
これは、プラズマ化された保護膜形成ガスによる凹部側壁への保護膜形成と、プラズマ化されたエッチングガスによる等方性エッチングとのバランスがとれ、マスク直下部やその近傍（側壁上部）の形状が改善することによって、凹部側壁が直線的になり、凹部がテーパ形状になるものと考えられる。以下、図１及び図２を参照しつつ、これについて具体的に説明する。尚、図１及び図２における符号Ｋ、符号Ｍ及び符号Ｈは、それぞれワイドギャップ半導体基板、マスク及び保護膜を表している。
【００２０】
図１は、エッチングガスの供給流量に対する保護膜形成ガスの供給流量が適当であり、上述した保護膜Ｈの形成と等方性エッチングとのバランスがとれた状態における凹部の形成過程を示した図である。ここで、保護膜Ｈはエッチングによりワイドギャップ半導体基板Ｋから解離した反応種と供給された保護膜形成ガス由来の反応種とが化学反応することで生成するため、エッチングされている箇所の近傍で保護膜Ｈの形成が進行する。したがって、エッチング処理が進行するにつれ、凹部の側壁上部（マスク直下部やその近傍）は、イオンによるスパッタリングによってエッチングが行われる箇所（凹部の底部）との距離が離れ、ワイドギャップ半導体基板Ｋから解離した反応種が供給され難くなって保護膜Ｈの形成が進行し難くなる。また、形成した保護膜Ｈもラジカルなどの反応種との化学反応によってエッチングもされていく。このため、図１（ａ）に示すように、凹部の側壁上部は、保護膜Ｈがほとんどなくなる、或いは、形成されているが膜厚が薄くなる。一方、側壁上部以外の部位では、保護膜Ｈが形成される。したがって、側壁上部以外の部位が、保護膜Ｈによって保護されつつエッチングが進行することでテーパ形状になるとともに、側壁上部が、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との化学反応によって、同図中のＡ部位（保護膜Ｈがほとんど形成されていない、或いは、形成されているが膜厚が薄い部位）が選択的に等方性エッチングされて側壁上部の円弧状にえぐれた形状が改善され、図１（ｂ）に示すように、側壁全体が直線的なテーパ状凹部が形成するものと考えられる。また、保護膜Ｈの形成とエッチングとのバランスをとりつつ、保護膜形成ガスの流量を調整することで、保護膜Ｈの形成具合が変化するため、前記Ａ部位のエッチング速度が若干変化し、テーパ角度の異なるテーパ状凹部が形成するものと考えられる。
【００２１】
一方、エッチングガスの供給流量に対する保護膜形成ガスの供給流量が多すぎ、保護膜Ｈの形成と等方性エッチングとのバランスがとれておらず、保護膜Ｈの形成が起こり易い状態における凹部の形成過程を示したものが図２である。この場合、図２（ａ）に示すように、エッチング処理が進行しても、側壁上部以外の部位だけでなく、側壁上部でも保護膜Ｈが形成し易く、上記バランスがとれた状態と比較して、側壁上部の大部分が保護膜Ｈに覆われるため、同図中のＢ部位（保護膜Ｈがほとんど形成されていない、或いは、形成されているが膜厚が薄い部分）が図１（ａ）中のＡ部位よりも少なく、側壁上部の等方性エッチングが進行し難くなり、当該側壁上部の形状が改善しきらず、図２（ｂ）に示すように、側壁が直線的でない凹部が形成するものと考えられる。
【００２２】
尚、本願でいう「テーパ形状」とは、凹部における、底部幅よりも開口幅の方が広く、側壁全体が直線であるものをいい、また、水平面と凹部の側壁面とがなす角度をθと称し、これを「テーパ角度」と定義する。
【００２３】
前記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、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所謂ＩＩＩ−Ｖ族化合物などであっても良い。
【００２４】
また、前記エッチングガスは、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く、前記保護膜形成ガスは、酸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、ＳＦ６ガスやＣＦ４（四フッ化炭素）ガスなどが挙げられ、酸素系ガスとしては、Ｏ２（酸素）ガスやＮ２Ｏ（亜酸化窒素）ガスなどが挙げられる。
【００２５】
また、エッチングガスとしてＳＦ６ガスを用い、保護膜形成ガスとしてＯ２ガスを用いる場合は、ＳＦ６ガスを１００〜１０００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給するとともに、Ｏ２ガスは、ＳＦ６ガスの流量に対して５０〜１００％の流量で処理チャンバ内に供給するのが好ましい。因みに、本願発明者らの実験結果によると、エッチングガスとしてＳＦ６ガスを用い、当該ＳＦ６ガスを２００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給するとともに、保護膜形成ガスとしてＯ２ガスを用い、当該Ｏ２ガスを８０〜２２０ｓｃｃｍ内の流量で処理チャンバ内に供給した場合、Ｏ２ガスの流量に応じて、７０〜７５°内の所望のテーパ角度を有するテーパ状凹部を形成できる。また、この場合、炭化ケイ素基板を加熱し、その温度を２００℃以上にしているため、３〜４μｍ／ｍｉｎ程度の比較的早いエッチング速度で凹部の形成が進行する。
【００２６】
更に、マスクの構成成分はニッケル、或いは、二酸化ケイ素であることが好ましい。この場合、マスクのエッチングが抑えられ、マスク幅の後退が起こり難くなるため、マスク幅通りの底部幅を有する凹部を形成することができる。また、本願発明者らによれば、エッチングガスとしてＳＦ６ガス、保護膜形成ガスとしてＯ２ガスを用い、高温下で炭化ケイ素基板にエッチング処理を行う場合には、イオンによるスパッタリング主体のエッチングよりも、反応種との化学反応が主体のエッチングの方が起こり易く、イオンによるスパッタリング主体のエッチングの度合いが少なくなり、ニッケルがエッチングされ難くなるため、Ｎｉマスクに対する炭化ケイ素基板のエッチング選択比が２００〜１０００と高い値を示す。
【００２７】
尚、本発明のプラズマエッチング方法は、底部幅が１０〜５００μｍ、深さが１０〜２００μｍの凹部を形成する場合に用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
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、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、更に、テーパ角度を制御した凹部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】ワイドギャップ半導体基板にテーパ状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。
【図２】ワイドギャップ半導体基板にテーパ状でない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。
【図３】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。
【図４】Ｏ２ガスの供給流量と炭化ケイ素基板に形成する凹部の形状及び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。
【図５】Ｏ２ガスの供給流量と炭化ケイ素基板に形成する凹部の形状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。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
まず、図３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、保護膜形成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、保護膜形成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。
【００３２】
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。
【００３３】
前記ガス供給装置２０は、エッチングガスとして、例えば、ＳＦ６ガスなどを供給するエッチングガス供給部２１と、保護膜形成ガスとして、例えば、Ｏ２ガスなどを供給する保護膜形成ガス供給部２２と、不活性ガスとして、例えば、Ｈｅガスなどを供給する不活性ガス供給部２３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、保護膜形成ガス供給部２２及び不活性ガス供給部２３にそれぞれ接続した供給管２４とを備え、エッチングガス供給部２１、保護膜形成ガス供給部２２及び不活性ガス供給部２３から供給管２４を介して処理チャンバ１１内にそれぞれエッチングガス、保護膜形成ガス及び不活性ガスを供給する。
【００３４】
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、保護膜形成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、保護膜形成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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
まず、炭化ケイ素基板Ｋをプラズマエッチングするに当たり、炭化ケイ素基板Ｋにマスク形成処理を施す。
【００３８】
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、例えば、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、二酸化ケイ素のようにエッチングされ難い成分から構成されていれば良い。
【００３９】
次に、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。
【００４０】
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の温度を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２３から処理チャンバ１１内に不活性ガスを供給するとともに、高周波電源２７，３０によってコイル２６及び基台１５に高周波電力を印加する。これにより、処理チャンバ１１内に供給した不活性ガスはプラズマ化され、このプラズマ化により生成したイオンが、基台１５に高周波電力を印加することで生じたバイアス電位によって、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。そして、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。
【００４１】
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、当該炭化ケイ素基板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内にエッチングガスを供給するとともに、保護膜形成ガス供給部２２から処理チャンバ１１内に保護膜形成ガスを供給し、高周波電源２７，３０によってコイル２６及び基台１５に高周波電力を印加する。これにより、処理チャンバ１１内に供給したエッチングガス及び保護膜形成ガスはプラズマ化される。そして、エッチングガスのプラズマ化により生成したイオンや反応種によって炭化ケイ素基板Ｋがエッチングされるとともに、保護膜形成ガスのプラズマ化により生成したイオンや反応種が炭化ケイ素基板Ｋ中のケイ素原子と化学反応して炭化ケイ素基板Ｋの表面に保護膜が形成される。このようにして、炭化ケイ素基板Ｋのエッチングと、保護膜の形成とが並行して行われ、保護膜によって保護されつつ、炭化ケイ素基板Ｋのエッチングが進行し、炭化ケイ素基板Ｋにテーパ状の凹部が形成する。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。
【００４２】
因みに、本例のプラズマエッチング方法を適用してエッチングガスであるＳＦ６ガスを２００ｓｃｃｍ、保護膜形成ガスであるＯ２ガスを８０〜２２０ｓｃｃｍ内の所定の流量で処理チャンバ内に供給し、コイル印加電力２０００Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、処理チャンバ内圧力１０Ｐａの条件にて、ＮｉマスクＭが形成された炭化ケイ素基板Ｋをエッチングしたところ、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、側壁全体が直線的なテーパ状の凹部が形成した。具体的には、図４（ａ）は、Ｏ２ガスを１００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給した場合（実施例１）に炭化ケイ素基板Ｋに形成した凹部の形状を示した図であり、図４（ｂ）は、Ｏ２ガスを１７７ｓｃｃｍの流量で供給した場合（実施例２）に形成した凹部の形状を示した図である。実施例１においては、テーパ角度θ１が７０．８°、底部幅が２１５．８μｍ、深さが６２μｍのテーパ状凹部が形成し、実施例２においては、テーパ角度θ２が７３．４°、底部幅が２１５．８、深さが７３．９μｍのテーパ状凹部が形成した。
【００４３】
ここで、実施例１と実施例２のテーパ角度θを比較すると、Ｏ２ガスの流量が多い実施例２の方がテーパ角度θが大きくなっており、Ｏ２ガスの流量を増加させることによってテーパ角度θは大きくなる傾向を示している。尚、本願発明者らによれば、Ｏ２ガスの流量を調整することで、７０〜７５°の間でテーパ角度を制御することができる。
【００４４】
また、形成する凹部の寸法は、上記各実施例で形成した凹部の寸法に限られるものではなく、底部幅が１０〜５００μｍ、深さが１０〜２００μｍの凹部を形成することができる。
【００４５】
また、上記実施例において、ＮｉマスクＭに対する炭化ケイ素基板Ｋのエッチング選択比は２００〜１０００という高い値を示す。これは、高温化でＳＦ６ガス及びＯ２ガスを用いることで、イオンによるスパッタリングが主体のエッチングではなく、ラジカルなどの反応種との化学反応が主体のエッチングとなり、スパッタリングが主体のエッチングの度合いが少ないため、化学反応が主体のエッチングが起こらないＮｉマスクＭはエッチングされ難いの対して、化学反応が主体のエッチングが起こる炭化ケイ素基板Ｋはエッチングされ易くなり、選択比が高くなるものと考えられる。また、ＮｉマスクＭがエッチングされ難いため、マスクとしての役割を果たすために必要なＮｉマスクＭの成膜量が少なくても済む。また、スパッタリング主体のエッチングの度合いが少ないため、Ｎｉ以外の材料に対する選択比も高く、例えば、Ｎｉより成膜及びエッチング後の除去が容易なＳｉＯ２をマスクとして使用できる。更に、Ｎｉマスクがエッチングされ難いことにより、マスク幅の後退が起き難いため、マスク幅通りの底部幅を有する凹部を形成することができる。
【００４６】
このように、凹部がテーパ形状となるのは、以下の理由によるものだと考えられる。上例においては、プラズマ化されたＯ２ガスによる凹部側壁への保護膜の形成と、プラズマ化されたＳＦ６ガスによる等方性エッチングとのバランスがとれた状態で、凹部を形成するようにしており、凹部の側壁上部には、ほとんど保護膜が形成していない、或いは、形成しているが膜厚が薄い。したがって、側壁上部とそれ以外の部位とでは、前者の方が選択的に等方性エッチングされ易く、側壁上部の形状が改善され、凹部側壁が直線的になるとともに、側壁上部以外の部位は、保護膜によって保護されつつエッチングされテーパ状になり、凹部は側壁全体が直線的なテーパ形状となる。
【００４７】
また、Ｏ２ガスの供給流量が多い方が、テーパ角度θが大きくなる傾向を示しているが、これは、以下の理由によるものだと考えられる。Ｏ２ガスの供給流量が多い方が保護膜の形成が進行し易く、側壁上部へも保護膜の形成が進行し易いため、側壁上部における等方性エッチングが進行し難くなる。したがって、側壁上部のエッチング速度が若干変化し、テーパ角度の異なるテーパ状凹部を形成することができる。
【００４８】
尚、図４（ａ）及び（ｂ）においては、エッチング処理前とエッチング処理後とでマスク幅に大きな変化が見られず、凹部の底部幅がマスク幅通りにエッチングされている。
【００４９】
一方、エッチングガスであるＳＦ６ガスを２００ｓｃｃｍの流量で供給し、保護膜形成ガスであるＯ２ガスを８０〜２２０ｓｃｃｍ外の所定の流量で処理チャンバ内に供給し、コイル印加電力２０００Ｗ、バイアス電力３００Ｗ、処理チャンバ内圧力１０Ｐａの条件にて炭化ケイ素基板Ｋをエッチングしたところ、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、側壁が直線的なテーパ状の凹部は形成しなかった。具体的には、図５（ａ）は、２０ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給した場合に炭化ケイ素基板Ｋに形成した凹部の形状を示したものであり、同図から見て取れるように、マスク直下部やその近傍がえぐれたボウイング形状になっている。また、図５（ｂ）は、ＳＦ６ガスを２００ｓｃｃｍ、Ｏ２ガスを４００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給した場合に形成した凹部の形状を示したものであり、同図より、側壁が丸みを帯びた凹部が形成する。
【００５０】
Ｏ２ガスの供給流量を２０ｓｃｃｍとした場合に、炭化ケイ素基板Ｋにボウイング形状の凹部が形成した理由としては、Ｏ２ガスの供給流量が少なすぎるため、側壁全体に対して保護膜の形成が進行し難くなるため、マスク直下部やその近傍である側壁上部を選択的に等方性エッチングすることができなくなり、側壁が全体的に等方性エッチングされたためだと考えられる。
【００５１】
また、Ｏ２ガスの供給流量を４００ｓｃｃｍとした場合に、側壁が丸みを帯びた凹部が形成した理由としては、Ｏ２ガスの供給流量が多すぎるため、側壁上部の大部分が保護膜に覆われて等方性エッチングが進行し難くなり、側壁上部の一部のみしか等方的にエッチングされず、形状が改善しきらなかったためだと考えられる。
【００５２】
以上のように、本発明に係るプラズマエッチング方法は、エッチングガスとともに保護膜形成ガスを供給するようにし、保護膜形成ガスの供給流量を調整することによって、炭化ケイ素基板に側壁全体が直線的なテーパ状の凹部を形成することができる。また、テーパ状凹部のテーパ角度を制御することもできる。
【００５３】
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。
【００５４】
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）に配設した構成の誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発生装置としても良い。
【符号の説明】
【００５５】
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 保護膜形成ガス
２３ 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 Ｎｉマスク（マスク）
Ｈ 保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ化した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エッチングし、該ワイドギャップ半導体基板にテーパ状のエッチング構造を形成するプラズマエッチングする方法であって、
前記ワイドギャップ半導体基板の表面に開口部を有するマスクを形成する工程と、
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℃以上に加熱する工程と、
前記エッチングガス及び保護膜形成ガスを前記処理チャンバ内に供給し、該エッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化する工程と、
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、前記ワイドギャップ半導体基板をエッチングする工程とを行うプラズマエッチング方法において、
前記保護膜形成ガスの供給流量を調整することにより、形成されるエッチング構造のテーパ状態を制御することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
前記エッチングガスはフッ素系ガスであり、前記保護膜形成ガスは酸素系ガスであることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
前記エッチングガスは六フッ化硫黄ガスであり、前記保護膜形成ガスは酸素ガスであり、
前記六フッ化硫黄ガスを１００〜１０００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給するとともに、前記酸素ガスを、六フッ化硫黄ガスの流量に対して５０〜１００％の流量で処理チャンバ内に供給するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
【請求項５】
前記マスクは、ニッケル、或いは、二酸化ケイ素から構成されてなることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
【請求項１】
プラズマ化した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エッチングし、該ワイドギャップ半導体基板にテーパ状のエッチング構造を形成するプラズマエッチングする方法であって、
前記ワイドギャップ半導体基板の表面に開口部を有するマスクを形成する工程と、
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℃以上に加熱する工程と、
前記エッチングガス及び保護膜形成ガスを前記処理チャンバ内に供給し、該エッチングガス及び保護膜形成ガスをプラズマ化する工程と、
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、前記ワイドギャップ半導体基板をエッチングする工程とを行うプラズマエッチング方法において、
前記保護膜形成ガスの供給流量を調整することにより、形成されるエッチング構造のテーパ状態を制御することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
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。
【請求項３】
前記エッチングガスはフッ素系ガスであり、前記保護膜形成ガスは酸素系ガスであることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
前記エッチングガスは六フッ化硫黄ガスであり、前記保護膜形成ガスは酸素ガスであり、
前記六フッ化硫黄ガスを１００〜１０００ｓｃｃｍの流量で処理チャンバ内に供給するとともに、前記酸素ガスを、六フッ化硫黄ガスの流量に対して５０〜１００％の流量で処理チャンバ内に供給するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
【請求項５】
前記マスクは、ニッケル、或いは、二酸化ケイ素から構成されてなることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかのプラズマエッチング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−６９８４８（Ｐ２０１３−６９８４８Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０７１１４（Ｐ２０１１−２０７１１４）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（５１１２６５１５４）ＳＰＰテクノロジーズ株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【出願人】（５１１２６５１５４）ＳＰＰテクノロジーズ株式会社 (6)
【Ｆターム（参考）】
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