JP2012054509A - Dry etching method - Google Patents
Dry etching method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012054509A JP2012054509A JP2010197957A JP2010197957A JP2012054509A JP 2012054509 A JP2012054509 A JP 2012054509A JP 2010197957 A JP2010197957 A JP 2010197957A JP 2010197957 A JP2010197957 A JP 2010197957A JP 2012054509 A JP2012054509 A JP 2012054509A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- etching
- dry etching
- substrate
- gallium nitride
- processed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Drying Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチング方法に関する。 The present invention relates to a dry etching method for a gallium nitride compound semiconductor.
III-V族化合物材料をウェットエッチングするには塩酸、硫酸、フッ酸又はこれらの混合液がよく用いられるが、窒化ガリウムはこれらの液にはほとんど溶解しない。従って、窒化ガリウムのエッチングはウェットエッチングではなくドライエッチングで行うのが一般的である。なかでも、反応性プラズマを用いたドライエッチングは、エッチングレートが高く、実用的であるため、盛んに研究・開発が行われている。 Hydrochloric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, or a mixture thereof is often used to wet-etch III-V compound materials, but gallium nitride hardly dissolves in these solutions. Therefore, the etching of gallium nitride is generally performed by dry etching instead of wet etching. In particular, dry etching using reactive plasma has a high etching rate and is practical, and therefore has been actively researched and developed.
反応性プラズマを用いたドライエッチングでは反応ガスの組成がエッチングの速度や品質を決定する重要な要素となる。窒化ガリウム半導体のエッチングに利用可能な反応ガスとしては、CF4ガス、CCl2F2ガス、CCl4ガス、BCl3ガス、SiCl4/Cl2の混合ガス、Cl2/H2の混合ガス、BCl3/Arの混合ガス、BCl3/SiCl4の混合ガス、SiCl4ガス、SiCl4/SiF4の混合ガス等が報告されている。これら従来からドライエッチングに用いられている反応ガスの中には、エッチング残渣やエッチピットが発生しやすいため平滑なエッチング面が得られないものがある。一方、特許文献1によれば、SiCl4/Cl2の混合ガスを用いることにより上記問題が解決され、平滑なエッチング面が得られるとされている。 In dry etching using reactive plasma, the composition of the reaction gas is an important factor that determines the etching speed and quality. Reactive gases that can be used for etching gallium nitride semiconductors include CF 4 gas, CCl 2 F 2 gas, CCl 4 gas, BCl 3 gas, SiCl 4 / Cl 2 mixed gas, Cl 2 / H 2 mixed gas, BCl 3 / Ar mixed gas, BCl 3 / SiCl 4 mixed gas, SiCl 4 gas, SiCl 4 / SiF 4 mixed gas, etc. have been reported. Among these reaction gases conventionally used for dry etching, some etching residues and etch pits are likely to be generated, and a smooth etching surface cannot be obtained. On the other hand, according to Patent Document 1, the above problem is solved by using a mixed gas of SiCl 4 / Cl 2 , and a smooth etching surface is obtained.
しかし、一般に塩素ガスのプラズマによって窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチングを行う際に、反応室内の真空引きが不十分な場合、残留酸素や残留水分または窒化ガリウムの結晶欠陥に起因するエッチング面の荒れやエッチピットが発生しやすい。これを防止するため、プラズマ処理前に反応室内を10-4〜10-3Paオーダーの高真空にする必要があった。 However, in general, when dry etching of a gallium nitride compound semiconductor is performed by plasma of chlorine gas, if the evacuation in the reaction chamber is insufficient, the etched surface is roughened due to residual oxygen, residual moisture, or gallium nitride crystal defects. Etch pits are likely to occur. In order to prevent this, it was necessary to create a high vacuum of the order of 10 −4 to 10 −3 Pa in the reaction chamber before the plasma treatment.
本発明が解決しようとする課題は、少なくとも表層が窒化ガリウムから成る被処理基板をドライエッチングする方法であって、比較的低い真空度(高い圧力)でも平滑なエッチング面が得られるドライエッチング方法を提供することである。 A problem to be solved by the present invention is a method of dry etching a substrate to be processed having at least a surface layer made of gallium nitride, and a dry etching method capable of obtaining a smooth etching surface even at a relatively low degree of vacuum (high pressure). Is to provide.
上記課題を解決するために成された本発明は、少なくとも表層が窒化ガリウムで構成された被処理基板を、塩素ガスをプラズマ状態に励起することによりエッチングするドライエッチング方法において、前記塩素ガスプラズマ中に窒化アルミニウム(AlN)を含む物質を存在させてエッチングすることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a dry etching method for etching a substrate to be processed having at least a surface layer made of gallium nitride by exciting chlorine gas into a plasma state. Etching is performed in the presence of a material containing aluminum nitride (AlN).
この場合、エッチング反応室内に配置される、前記被処理基板を搬送するためのトレーの構成部材の少なくとも一部に窒化アルミニウムを含む物質を用いてエッチングしたり、エッチング反応室の構成部材の少なくとも一部に前記窒化アルミニウムを含む物質を用いてエッチングしたりすると良い。 In this case, etching is performed using a material containing aluminum nitride in at least a part of the constituent members of the tray that is disposed in the etching reaction chamber for transporting the substrate to be processed, or at least one of the constituent members of the etching reaction chamber. Etching may be performed using a material containing aluminum nitride in the portion.
また、前記被処理基板の表層にはアルミニウム及びインジウムの少なくとも一方がドープされていることが望ましい。 The surface layer of the substrate to be processed is preferably doped with at least one of aluminum and indium.
本発明者らは、塩素ガスプラズマを生成して窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチングを行うに際し、アルミニウムラジカル、塩化アルミニウムラジカルが存在することにより、窒化ガリウムのエッチング面が平坦化され、低い真空度(高い圧力)下でも、荒れ、残渣、エッチピット等のない平滑なエッチング面が得られることを見出した。
そこで、本発明者らは、塩素ガスプラズマ中に窒化アルミニウムを含む物質を存在させれば、塩素ガスプラズマによって該物質がエッチングされてアルミニウム(Al)が飛び出し、このアルミニウムがラジカル(例えば塩素ラジカル)と結合してアルミニウムラジカルや塩化アルミニウムラジカルが生成することを利用することで、本発明に至ったものである。
The inventors of the present invention, when generating chlorine gas plasma and performing dry etching of a gallium nitride compound semiconductor, the presence of aluminum radicals and aluminum chloride radicals planarizes the etched surface of gallium nitride, resulting in a low degree of vacuum. It was found that even under (high pressure), a smooth etched surface free from roughness, residue, etch pits and the like can be obtained.
Therefore, the present inventors, if a substance containing aluminum nitride is present in the chlorine gas plasma, the substance is etched by the chlorine gas plasma and aluminum (Al) is ejected, and this aluminum is radical (for example, chlorine radical). The present invention has been achieved by utilizing the fact that an aluminum radical or an aluminum chloride radical is produced by combining with the above.
このように本発明によれば、少なくとも表層が窒化ガリウムで構成された被処理基板を、塩素ガスをプラズマ状態に励起することによりエッチングする際に、塩素ガスプラズマ中に窒化アルミニウムを含む物質を存在させることで、低い真空度(高い圧力)下でも、効率的にエッチングすることができる。 Thus, according to the present invention, when a substrate to be processed having at least a surface layer made of gallium nitride is etched by exciting chlorine gas into a plasma state, a substance containing aluminum nitride is present in the chlorine gas plasma. Thus, the etching can be efficiently performed even under a low degree of vacuum (high pressure).
本発明のドライエッチング方法によりエッチングされる被処理基板は、少なくとも表層が窒化ガリウム層(GaN層)から成る窒化ガリウム系化合物半導体基板である。この場合、表層のGaN層には、アルミニウム(Al)やインジウム(In)がドープされていても良い。また、前記被処理基板の窒化ガリウム系化合物半導体構造は単一層構造であっても、多層構造であっても良い。多層構造の場合、全層が窒化ガリウム系化合物半導体で構成されていても良いが、少なくとも表層が窒化ガリウム系化合物半導体で構成されていれば良い。本発明においては、被処理基板の窒化ガリウム系半導体構造が単一層構造、多層構造のいずれでも良好にエッチングすることができる。 The target substrate to be etched by the dry etching method of the present invention is a gallium nitride compound semiconductor substrate having at least a surface layer composed of a gallium nitride layer (GaN layer). In this case, the surface GaN layer may be doped with aluminum (Al) or indium (In). The gallium nitride compound semiconductor structure of the substrate to be processed may be a single layer structure or a multilayer structure. In the case of a multilayer structure, all layers may be composed of a gallium nitride compound semiconductor, but at least the surface layer may be composed of a gallium nitride compound semiconductor. In the present invention, the gallium nitride based semiconductor structure of the substrate to be processed can be satisfactorily etched regardless of whether it is a single layer structure or a multilayer structure.
このような被処理基板として、例えばサファイア基板の上にGaNバッファ層、n型GaN層、n型GaAlN層、InGaN層、p型GaAlN層、p型GaN層が順次積層されたダブルへテロ構造を有する半導体基板が挙げられる。このような構造の窒化ガリウム系半導体基板は青色LEDの発光体チップとして実用化されている。 As such a substrate to be processed, for example, a double heterostructure in which a GaN buffer layer, an n-type GaN layer, an n-type GaAlN layer, an InGaN layer, a p-type GaAlN layer, and a p-type GaN layer are sequentially stacked on a sapphire substrate. And a semiconductor substrate. The gallium nitride based semiconductor substrate having such a structure has been put into practical use as a blue LED light emitting chip.
以下、本発明のドライエッチング方法について具体的に説明する。
図1は、本発明のドライエッチング方法を実施するために用いられるドライエッチング装置の一例を示す概略構成図である。この装置は誘導結合型(ICP)であり、密閉されたエッチング反応室(以下、単に「反応室」という)11の中には平板状の下部電極12が、反応室11の上部(外部)には石英板14を介して励起コイル15がそれぞれ設けられている。励起コイル15は立体渦巻形(インバーテッド・トルネード形)のコイルであり、コイル中央から高周波電力を供給し、コイル外周の末端が接地されている。エッチング対象の素子基板20は搬送用トレー16を介して下部電極12に載置されている。また、下部電極12は高周波電源13に接続されている。下部電極12には素子基板20を冷却するための冷却機構が内蔵されており、冷却制御部17によって制御される。
Hereinafter, the dry etching method of the present invention will be specifically described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of a dry etching apparatus used for carrying out the dry etching method of the present invention. This apparatus is an inductively coupled type (ICP), and a flat plate-like lower electrode 12 is placed in an upper part (outside) of the reaction chamber 11 in a sealed etching reaction chamber (hereinafter simply referred to as “reaction chamber”) 11. Are respectively provided with excitation coils 15 via a quartz plate 14. The excitation coil 15 is a three-dimensional spiral (inverted tornado type) coil, which supplies high-frequency power from the center of the coil and is grounded at the outer periphery of the coil. The element substrate 20 to be etched is placed on the lower electrode 12 via the transfer tray 16. The lower electrode 12 is connected to a high frequency power source 13. The lower electrode 12 has a built-in cooling mechanism for cooling the element substrate 20 and is controlled by the cooling control unit 17.
上記装置を用いて、本発明に係るドライエッチング方法でエッチングする実験を行った。図2にこの実験に用いた素子基板20の断面構成を概略的に示す。この素子基板20は、サファイア基板21の上にn型GaN層22(厚さ5.0μm)、多重量子井戸構造(MQW)を有するGaN活性層23(厚さ0.1μm)、p型GaN層24(厚さ0.2〜0.3μm)、SiO2から成るマスク層25を積層して成る。なお、図2では、マスク層25が有するエッチング窓の図示を省略している。 Using the above apparatus, an experiment for etching by the dry etching method according to the present invention was conducted. FIG. 2 schematically shows a cross-sectional configuration of the element substrate 20 used in this experiment. This element substrate 20 has an n-type GaN layer 22 (thickness 5.0 μm), a GaN active layer 23 (thickness 0.1 μm) having a multiple quantum well structure (MQW), a p-type GaN layer 24 (on a sapphire substrate 21). A mask layer 25 made of SiO 2 and having a thickness of 0.2 to 0.3 μm is laminated. In FIG. 2, the illustration of the etching window of the mask layer 25 is omitted.
上記装置を用いて次のように実験を行った。まず、反応室11の下部電極12の上に窒化アルミニウム(AlN)製の搬送用トレー16を載置し、その上に素子基板20を載置する。そして、反応室11内の空気を排出して、反応室内の圧力を2×10-3Paとした。その後、反応室11にCl2ガス及びArガスをそれぞれ5sccm及び3sccmの流量で供給し、反応室11内のガス圧力を0.3Paとした。そして、励起コイル15及び下部電極12に高周波電力(励起コイル15/下部電極12=120/100(W))を10分間供給することにより、反応ガスのプラズマ18を生成させた。このプラズマ18によりエッチングを行った結果、p型GaN層24及びマスク層25についてそれぞれ 86.0 nm/分のエッチング速度でエッチングされた。また、p型GaN層24とマスク層25の選択比(p型GaN層/マスク層)は1.0であった。10分間のエッチングによりp型GaN層24の表面から0.86μmの深さまでエッチングが進行し、エッチング底面はn型GaN層22の途中まで達した。 Experiments were performed using the above apparatus as follows. First, an aluminum nitride (AlN) transfer tray 16 is placed on the lower electrode 12 of the reaction chamber 11, and the element substrate 20 is placed thereon. Then, the air in the reaction chamber 11 was discharged, and the pressure in the reaction chamber was set to 2 × 10 −3 Pa. Thereafter, Cl 2 gas and Ar gas were supplied to the reaction chamber 11 at flow rates of 5 sccm and 3 sccm, respectively, and the gas pressure in the reaction chamber 11 was set to 0.3 Pa. Then, high-frequency power (excitation coil 15 / lower electrode 12 = 120/100 (W)) was supplied to the excitation coil 15 and the lower electrode 12 for 10 minutes to generate a plasma 18 of a reactive gas. As a result of etching using this plasma 18, the p-type GaN layer 24 and the mask layer 25 were etched at an etching rate of 86.0 nm / min. The selection ratio (p-type GaN layer / mask layer) between the p-type GaN layer 24 and the mask layer 25 was 1.0. Etching progressed from the surface of the p-type GaN layer 24 to a depth of 0.86 μm by etching for 10 minutes, and the bottom of the etching reached halfway through the n-type GaN layer 22.
上記のようにしてエッチングを行った後、素子基板20を反応室11から取り出し、エッチング面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図3に斜め45°上方から見たエッチング面のSEM画像(a)、真上からみたエッチング面のSEM画像(b)を示す。これらの画像を見ると、p型GaN層24、GaN活性層23及びn型GaN層22のエッチング面の壁面はほぼ垂直になっており、高い異方性でエッチングが進行したことがわかる。また、n型GaN層22のエッチング底面では荒れ、残渣、エッチピット等が全く見られない極めて平滑なエッチング面が得られた。 After etching as described above, the element substrate 20 was taken out of the reaction chamber 11 and the etched surface was observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 3 shows an SEM image (a) of the etched surface as viewed from obliquely above 45 °, and an SEM image (b) of the etched surface as viewed from directly above. As can be seen from these images, the walls of the etched surfaces of the p-type GaN layer 24, the GaN active layer 23, and the n-type GaN layer 22 are almost vertical, and the etching proceeds with high anisotropy. In addition, an extremely smooth etched surface with no roughness, residue, etch pits or the like was observed on the etched bottom surface of the n-type GaN layer 22.
(比較例1)
AlN製の搬送用トレー16の代わりにアルミナ(Al2O3)製の搬送用トレーを使用し、反応ガスとしてCl2ガス及びArガスをそれぞれ5sccm及び3sccmの流量で供給した以外は、実施例と同様にしてエッチングを行った。その結果、p型GaN層24について 111.0 nm/分のエッチング速度が得られ、p型GaN層24とマスク層25の選択比(p型GaN層/マスク層)は0.68であった。このとき、反応室11から取り出した素子基板20エッチング面のSEM画像を図4に示す。図4は斜め45°上方から見たエッチング面のSEM画像である。これらの画像を見ると、n型GaNのエッチング底面には多数のピラー(柱状物)が発生していた。
(Comparative Example 1)
Example except that a transfer tray made of alumina (Al 2 O 3 ) is used instead of the transfer tray 16 made of AlN, and Cl 2 gas and Ar gas are supplied as reaction gases at flow rates of 5 sccm and 3 sccm, respectively. Etching was performed in the same manner. As a result, an etching rate of 111.0 nm / min was obtained for the p-type GaN layer 24, and the selectivity between the p-type GaN layer 24 and the mask layer 25 (p-type GaN layer / mask layer) was 0.68. At this time, an SEM image of the etching surface of the element substrate 20 taken out from the reaction chamber 11 is shown in FIG. FIG. 4 is an SEM image of the etched surface viewed from above at an angle of 45 °. From these images, a number of pillars (columns) were generated on the bottom of the n-type GaN etched.
なお、上記実施例ではICPによるドライエッチングを行ったが、RIE等、他のドライエッチングの方法でも本発明を実施することができる。 In the above embodiment, dry etching by ICP is performed, but the present invention can also be implemented by other dry etching methods such as RIE.
10…プラズマエッチング装置
11…反応室
12…下部電極(支持台)
15…励起コイル
18…プラズマ
20…素子基板
21…サファイア基板
22…n型GaN層
23…GaN活性層(多重量子井戸構造)
24…p型GaN層
25…SiO2マスク層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Plasma etching apparatus 11 ... Reaction chamber 12 ... Lower electrode (support stand)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Excitation coil 18 ... Plasma 20 ... Element substrate 21 ... Sapphire substrate 22 ... N-type GaN layer 23 ... GaN active layer (multiple quantum well structure)
24 ... p-type GaN layer 25 ... SiO 2 mask layer
Claims (4)
前記塩素ガスプラズマ中に窒化アルミニウム(AlN)を含む物質を存在させてエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。 In a dry etching method for etching a substrate to be processed having at least a surface layer made of gallium nitride by exciting chlorine gas into a plasma state,
A dry etching method characterized by etching in the presence of a substance containing aluminum nitride (AlN) in the chlorine gas plasma.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010197957A JP2012054509A (en) | 2010-09-03 | 2010-09-03 | Dry etching method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010197957A JP2012054509A (en) | 2010-09-03 | 2010-09-03 | Dry etching method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012054509A true JP2012054509A (en) | 2012-03-15 |
Family
ID=45907494
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010197957A Pending JP2012054509A (en) | 2010-09-03 | 2010-09-03 | Dry etching method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012054509A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017085006A (en) * | 2015-10-29 | 2017-05-18 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device and method of manufacturing the same |
-
2010
- 2010-09-03 JP JP2010197957A patent/JP2012054509A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017085006A (en) * | 2015-10-29 | 2017-05-18 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device and method of manufacturing the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI525694B (en) | Chamber cleaning method | |
JP5595795B2 (en) | Method for reusing consumable parts for plasma processing equipment | |
JP5260356B2 (en) | Substrate processing method | |
Debnath et al. | Top-down fabrication of large-area GaN micro-and nanopillars | |
JP5442403B2 (en) | Substrate processing apparatus, cleaning method therefor, and recording medium recording program | |
TW200831723A (en) | Group iii element nitride substrate, substrate with epitaxial layer, processes for producing these, and process for producing semiconductor element | |
Zhou et al. | Study on sapphire removal for thin-film LEDs fabrication using CMP and dry etching | |
JP2009094487A5 (en) | ||
Kao et al. | Study of dry etching for GaN and InGaN-based laser structure using inductively coupled plasma reactive ion etching | |
JP2011061084A (en) | Method for manufacturing laminated substrate | |
JP2012054509A (en) | Dry etching method | |
JP2010165927A (en) | Substrate for light-emitting element | |
JP2008219045A (en) | Dry etching method of gallium nitride based compound semiconductor | |
WO2009119159A1 (en) | Substrate for optical device and method for manufacturing the substrate | |
TW201421567A (en) | Substrate etching method | |
JP2011134800A (en) | Etching method and plasma processing apparatus | |
JP2599250B2 (en) | Dry etching method for gallium nitride based compound semiconductor | |
KR101828082B1 (en) | Method for planarization of surface | |
TWI528450B (en) | Substrate processing methods and memory media | |
US8709952B2 (en) | Etching method, etching apparatus, and computer-readable recording medium | |
JP4545381B2 (en) | Dry etching method for gallium nitride compound semiconductor, etc. | |
Ramizy et al. | Nanostructured GaN on silicon fabricated by electrochemical and laser-induced etching | |
JP2015516359A (en) | Method for forming an independent semiconductor wafer | |
Sano et al. | Dependence of GaN removal rate of plasma chemical vaporization machining on mechanically introduced damage | |
JP2005150404A (en) | Dry etching method of multilayer film comprising compound semiconductor |