JP2010040766A - 半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】化合物半導体の加工性をドライエッチングにより向上させる半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法を提供するものである。
【解決手段】インジウムを含む化合物半導体であるエッチング対象物１０にマスクパターン１１Ｐを形成し、ヨウ化水素ガスと三塩化ホウ素との２成分からなる混合ガスである第１のガスからなるプラズマをエッチング対象物１０に入射させてエッチング対象物１０の表面を選択的にエッチングすることにより半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、混合ガスの総流量に対するヨウ化水素ガスの流量の比である配合比が４０％〜６０％である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法に関するものであり、特にインジウム系化合物半導体をドライエッチングにより加工して半導体装置を製造する半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。

光能動素子である半導体レーザや光受動素子である光導波路等の光集積デバイスでは、高機能化や高性能化を図るべく３〜５族化合物半導体が広く利用されており、こうした光集積デバイスの製造工程においては、上記化合物半導体の表面に凹状のラインやホールを形成するためのドライエッチング技術が用いられている。ドライエッチング技術に利用するプラズマ源としては、容量結合型プラズマ、誘導結合型プラズマ、マイクロ波励起表面波プラズマ、電子サイクロトン鏡面プラズマ等が知られており、これらのプラズマ源においては一般に処理空間のプラズマ密度と加工対象物へのイオンの入射エネルギーとを独立制御することができるために、ウェットエッチング技術に比べて加工形状の高精度化や微細化を図ることができる。特に、上記誘導結合型プラズマにあっては、エッチングの高速度化と低ダメージ化とを両立することができるために上記化合物半導体の加工技術においも広く利用されている（例えば特許文献１〜４）。
特開２００６−００５３１７号公報 特開２００５−１５０４０４号公報 特開２００４−０８８０６２号公報 特開２００４−０６３６５８号公報

ところで、上述する光集積デバイスのドライエッチング技術においては、光機能素子のさらなる高精度化や高密度化を図る上で、一般に化合物半導体のエッチング速度とマスク材料のエッチング速度との比である選択比の向上が求められている。また複数の光機能素子がモノシリックに集積された光集積デバイスにおいては、光機能素子ごとに化合物半導体層の組成や膜厚が異なるのが一般的であり、こうした異なる組成からなる積層体が加工対象物である場合にあっては、積層体における各層のエッチング速度差を小さくすることも要求されている。

例えばメサ型光導波路の製造工程では、グラッド層となる基板の表面上にコア層を形成するための化合物半導体膜が形成されて、この化合物半導体膜に対して上述するドライエッチング技術が適用されることによりコア層がパターニングされる。この際、コア層となる化合物半導体膜とマスクパターンとの間の選択比が低くなる場合にあっては、化合物半導体膜のエッチング中にマスクパターンまでもがエッチングされてしまい、マスクパターンで覆われたコア層にまでエッチングが進行してしまうなど、所望するコア層の形状を得難くなってしまう。また積層体であるコア層において深さ方向のエッチング速度が不均一である場合にあっては、コア層の側壁における平坦性が損なわれてしまい、光導波路の高精度化や高密度化に対する大きな障害となってしまう。

こうした問題を抑制する技術としては単にエッチングマスクの膜厚を厚くする方法があるものの、厚膜のマスク材料をパターニングするためにはマスクパターンを形成するためのレジスト膜を厚く形成しなければならず、こうしたレジスト膜の厚膜化によりエッチングマスクの加工精度が得難くなり、かえって光機能素子の微細化の妨げとなってしまう。この他、上記問題を抑制する技術としては低エッチング速度の金属膜をマスク材料として
利用する方法が知られているものの、化合物半導体膜のエッチング中に金属マスクの構成元素である金属元素が不揮発性の化合物として加工物に付着してしまい、光集積デバイスの特性を大きく損なう虞がある。

また上述する問題の他、化合物半導体のエッチング工程前にあっては、マスクパターンの形成に利用する各種処理等によりバルク領域とは異なる層である変質層が処理表面に形成される場合があり、こうした変質層がバルク領域よりも低いエッチング速度を有する場合にあっては同変質層に覆われる化合物半導体の部分が残渣となる虞がある。

本願発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、化合物半導体の加工性をドライエッチングにより向上させる半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法を提供するものである。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の半導体装置の製造装置は、インジウムを含有してマスクが形成された化合物半導体を収容する真空チャンバと、ヨウ化水素ガスと三塩化ホウ素ガスとの２成分からなる混合ガスである第１のガスを前記真空チャンバに供給するガス供給部と、高周波アンテナに高周波電力を供給して前記真空チャンバ内のガスをプラズマ化させる誘導電場を生起する高周波電場を前記真空チャンバに印加する高周波電源と、前記真空チャンバに生成されたプラズマを前記化合物半導体に入射させる電場を前記チャンバに印加するバイアス電源とを備え、前記真空チャンバに生成した前記第１のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングすることにより半導体装置を製造する半導体装置の製造装置であって、前記第１のガスの総流量に対する前記ヨウ化水素ガスの流量の比である配合比を４０％〜６０％にすることを要旨とする。

インジウムとヨウ素との化合物であるヨウ化インジウムやインジウムと塩素との化合物である塩化インジウムはいずれも真空下において室温から蒸発可能な化合物であり、インジウムを含む化合物半導体のエッチング速度を向上する上では、これらヨウ素や塩素をエッチング源として利用することが好適である。一方、これらヨウ素や塩素のプラズマに曝される時間は化合物半導体の表面に近い部分であるほど長くなるため、化合物半導体に入射するプラズマが異方性を有している場合であれ、イオンの入射方向に沿う加工形状やその平坦性を得る上では、こうした入射方向におけるプラズマの照射時間差を補償すべく、化合物半導体の表面に近い部分には順次保護膜を形成する必要がある。上述する構成によれば、インジウムの水素化物やインジウムのホウ素化物がこうした保護膜の成膜種として機能するために、これらの成膜種の量と上記エッチング源の量との比率の指標である配合比を４０％〜６０％にすることにより、化合物半導体の加工性を向上させることができる。

請求項２に記載の半導体装置の製造装置は、前記ガス供給部がアルゴン又はキセノンを含むガスである第２のガスを前記真空チャンバ内に供給するものであり、前記第１のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングする前に前記第２のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングすることを要旨とする。

化合物半導体の表面にマスクを形成する過程にあっては、化合物半導体の表面に対して、成膜処理、露光処理、現像処理、エッチング処理などの各種処理が施されるため、化合物半導体の表面にバルク領域と異なる変質層が形成されてしまう。こうした変質層はバルク領域との間において組成や構造などが異なるためにエッチング速度に関しても大きな差を来たし易く、それゆえ後続する第１のガスを利用したエッチングにおいて残渣を発生さ
せる大きな要因となり得る。上述する構成によれば、第１のガスからなるプラズマを化合物半導体の表面に入射させる前に、物理的なエッチングが支配的であるＡｒやＸｅのプラズマを先行して化合物半導体の表面へ入射させるために、化学的なエッチングを利用する場合に比べて、こうした変質層を容易に除去することができる。しかもこうした物理的なエッチングであれば、変質層をエッチングする際に変質層が形成されていない表面までもエッチングすることができるため、第１のガスによるエッチングを実施する前に、化合物半導体の表面における平坦性を維持することができる。

請求項３に記載の半導体装置の製造装置は、前記第２のガスが、ヨウ化水素ガス、三塩化ホウ素ガス、四塩化炭素ガス、塩化水素ガス、臭化水素ガス、塩素からなる群から選択された少なくとも１種のガスを含む混合ガスであることを要旨とする。

上記変質層をエッチングする際には、変質層やバルク領域に含まれる各種の構成元素が粒子として弾き出されるために、こうした粒子が再び化合物半導体に付着する場合にあっては、後続する第１のガスによるエッチングにおいて残渣を発生させる大きな要因となり得る。上述する構成によれば、第２のガスがインジウムのエッチング源であるヨウ素や塩素を含むことから、物理的なエッチングにより弾き出された粒子を揮発性の化合物として除去することができる。

請求項４に記載の半導体装置の製造装置は、前記化合物半導体をエッチングするときに前記化合物半導体の温度を２０℃〜１５０℃にする温調機構を備えたことを要旨とする。
こうした構成によれば、化合物半導体への熱的な損傷を抑えることができる。

請求項５に記載の半導体装置の製造方法は、インジウムを含む化合物半導体にマスクを形成し、ヨウ化水素ガスと三塩化ホウ素との２成分からなる混合ガスである第１のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体を選択的にエッチングすることにより半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、前記混合ガスの総流量に対する前記ヨウ化水素ガスの流量の比である配合比が４０％〜６０％であることを要旨とする。

インジウムとヨウ素との化合物であるヨウ化インジウムやインジウムと塩素との化合物である塩化インジウムはいずれも真空下において室温から蒸発可能な化合物であり、インジウムを含む化合物半導体のエッチング速度を向上する上では、これらヨウ素や塩素をエッチング源として利用することが好適である。一方、これらヨウ素や塩素のプラズマに曝される時間は化合物半導体の表面に近い部分であるほど長くなるため、化合物半導体に入射するプラズマが異方性を有している場合であれ、イオンの入射方向に沿う加工形状やその平坦性を得る上では、こうした入射方向におけるプラズマの照射時間差を補償すべく、化合物半導体の表面に近い部分には順次保護膜を形成する必要がある。上述する構成によれば、インジウムの水素化物やインジウムのホウ素化物がこうした保護膜の成膜種として機能するために、これらの成膜種の量と上記エッチング源の量との比率の指標である配合比を４０％〜６０％にすることにより、化合物半導体の加工性を向上させることができる。

請求項６に記載の半導体装置の製造方法は、前記第１のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングする前に、アルゴン又はキセノンを含むガスである第２のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングすることを要旨とする。

化合物半導体の表面にマスクを形成する過程にあっては、化合物半導体の表面に対して、成膜処理、露光処理、現像処理、エッチング処理などの各種処理が施されるため、化合
物半導体の表面にバルク領域と異なる変質層が形成されてしまう。こうした変質層はバルク領域との間において組成や構造などが異なるためにエッチング速度に関しても大きな差を来たし易く、それゆえ後続する第１のガスを利用したエッチングにおいて残渣を発生させる大きな要因となり得る。上述する構成によれば、第１のガスからなるプラズマを化合物半導体の表面に入射させる前に、物理的なエッチングが支配的であるＡｒやＸｅのプラズマを先行して化合物半導体の表面へ入射させるために、化学的なエッチングを利用する場合に比べて、こうした変質層を容易に除去することができる。しかもこうした物理的なエッチングであれば、変質層をエッチングする際に変質層が形成されていない表面までもエッチングすることができるため、第１のガスによるエッチングを実施する前に、化合物半導体の表面における平坦性を維持することができる。

請求項７に記載の半導体装置の製造方法は、前記第２のガスが、ヨウ化水素ガス、三塩化ホウ素ガス、四塩化炭素ガス、塩化水素ガス、臭化水素ガス、塩素からなる群から選択された少なくとも１種のガスを含む混合ガスであることを要旨とする。

上記変質層をエッチングする際には、変質層やバルク領域に含まれる各種の構成元素が粒子として弾き出されるために、こうした粒子が再び化合物半導体に付着する場合にあっては、後続する第１のガスによるエッチングにおいて残渣を発生させる大きな要因となり得る。上述する構成によれば、第２のガスがインジウムのエッチング源であるヨウ素や塩素を含むことから、物理的なエッチングにより弾き出された粒子を揮発性の化合物として除去することができる。

請求項８に記載の半導体装置の製造方法は、前記化合物半導体をエッチングするときに前記化合物半導体の温度を２０℃〜１５０℃にすることを要旨とする。
こうした構成によれば、化合物半導体への熱的な損傷を抑えることができる。

上記したように、本発明によれば、化合物半導体の加工性をドライエッチングにより向上させる半導体装置の製造装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。図１（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。
図１に示されるように、まずエッチング対象物１０の上にマスク膜１１が形成されて、このマスク膜１１の上にレジスト膜１２が積層される（図１（ａ）参照）。次いでマスク膜１１が形成されると、レジスト膜１２に対してフォトリソグラフィ法が適用されることによりレジストパターン１２Ｐが形成され、次いでレジストパターン１２Ｐをマスクとしたエッチング処理がマスク膜１１に施されることによりマスクパターン１１Ｐが形成される（図１（ｂ）参照）。

上記エッチング対象物１０は、インジウム系３〜５族化合物半導体であって、インジウムリン（ＩｎＰ）、あるいはアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）からなる群から選択される元素と前記Ｉｎとからなる３元系あるいは４元系のインジウム化合物、例えばＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰである。こうしたエッチング対象物１０は、単一の半導体層で構成されてもよく、もしくは異なる組成を有した複数の化合物半導体層からなる積層体で構成されてもよい。さらには単結晶基板上にエピタキシャル成長された単層あるいは複数層の成長層構造であってもよく、もしくは単結晶基板上に複数種類の成長層構造が並列に形成されたものであってもよい。

上記マスク膜１１としては、エッチング対象物１０のエッチング速度とマスク膜１１の
エッチング速度との比である選択比を高くする観点から酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）や窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの無機誘電体材料を用いることができる。こうしたマスク膜１１はエッチング対象物１０の表面にスパッタ法やＣＶＤ法などの成膜技術を適用して無機誘電体膜を成膜することにより得ることができる。

上記レジスト膜１２はマスク膜１１の上にレジスト材料を塗布して乾燥することにより形成することができ、上記レジストパターン１２Ｐはレジスト膜１２を露光及び現像することにより形成することができる。上記マスクパターン１１Ｐは、こうしたレジストパターン１２Ｐをマスクとして上記マスク膜１１に対して四フッ化炭素（ＣＦ_４）等のフッ素系のガスを利用したドライエッチング処理を施し、その後にレジストパターン１２Ｐを除去することにより得ることができる。なお、マスク膜１１として無機誘電体材料を利用する場合には、マスクパターン１１Ｐの高精度化や高密度化を図る観点から、マスク膜１１のエッチング速度とレジスト膜１２のエッチング速度との比である選択比を考慮してマスク膜１１の膜厚を薄くすることが好ましく、その膜厚は５０ｎｍ〜１μｍの範囲内に設定されることが好ましい。

マスクパターン１１Ｐが形成されると、アルゴン（Ａｒ）やキセノン（Ｘｅ）の希ガスを利用したエッチング工程であるプリエッチング工程（第１ステップ）がエッチング対象物１０に対して実施される（図１（ｃ）参照）。上記プリエッチング工程は、マスクパターン１１Ｐを有したエッチング対象物１０の表面を清浄化して後続するメインエッチング工程において加工性を向上させるための工程である。

マスクパターン１１Ｐを有するエッチング対象物１０の表面には、マスクパターン１１Ｐを形成するための各種の処理等により、エッチング対象物１０のバルク領域と異なる変質層が少なからず形成されている。こうした変質層はバルク領域との間において組成や構造などが異なるためにエッチング速度に関しても大きな差を来たし易く、それゆえ後続するバルク領域のエッチング工程、すなわちメインエッチング工程において残渣を発生させ易くなる。上記プリエッチング工程は、こうした変質層を除去するための工程である。

プリエッチング工程においては、エッチング対象物１０における表面の平坦性を維持すべく、変質層をエッチングする際に同変質層が形成されていない表面までもが同様にエッチングされるように物理的なエッチングが支配的であるＡｒやＸｅを含むガス（第２のガス）のプラズマＥＰ１が利用されて、同空間に対してエッチング対象物１０の表面を曝すことにより実行される。このプリエッチング工程において高密度プラズマの安定性を確保する上では、エッチング時における圧力を０．７Ｐａ〜１．２Ｐａに調整する構成が好ましい。

プリエッチング工程に利用するエッチングガスとしては、物理的なエッチングを効果的に実行すべくＡｒやＸｅのみを利用する形態であっても良く、さらには物理的にエッチングされた被エッチング物の再付着を抑えるべく、ヨウ化水素（ＨＩ）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、四塩化炭素（ＣＣｌ_４）、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＨＢｒ）、塩素（Ｃｌ_２）からなる群から選択される少なくとも１種のハロゲンガスを上記ＡｒやＸｅと共に利用する形態であっても良い。なお、エッチング対象物１０の表面に変質層が形成されない場合にあっては、上述するプリエッチング工程を割愛してもよい。

プリエッチング工程が終了すると、ヨウ化水素（ＨＩ）を利用したメインエッチング工程（第２ステップ）がエッチング対象物１０に対して実施されることにより加工パターン１０Ｐが形成される（図１（ｄ）、（ｅ）参照）。上記メインエッチング工程は、前記プリエッチング工程により清浄化されたエッチング対象物１０の表面に対してマスクパターン１１Ｐをマスクとしたエッチングを施すための工程である。

メインエッチング工程においては、マスクパターン１１Ｐに覆われた領域以外の領域（エッチング領域）が表面の法線方向（垂直方向）に沿ってエッチングされるべく、上記ＨＩとＢＣｌ_３との２成分系からなる混合ガス（第１のガス）であって、混合ガスの総流量に対するＨＩの流量の配合比が４０％〜６０％になる混合ガスを利用したプラズマＥＰ２にエッチング対象物１０の表面を曝すことにより実行される。このメインエッチング工程において高密度プラズマの安定性を確保する観点から、エッチング時における圧力を０．７Ｐａ〜１．２Ｐａに調整する構成が好ましい。

上記０．７Ｐａ〜１．２Ｐａの圧力下にあるインジウムヨウ素化物が２０℃以上に加熱されることにより蒸発することを本発明者は各種の実験等により見出した。こうしたインジウムヨウ素化物の離脱を促進させて処理面の平坦性を向上させるべく、上記メインエッチング工程においてはエッチング対象物１０の処理温度が２０℃〜４００℃の範囲に設定されている。なお、エッチング対象物１０の熱的損傷を抑える上では、上記処理温度を２０℃〜１５０℃に調整することがより好ましい。

また上記圧力範囲及び温度範囲の下にあるインジウムホウ素化物が成膜種として機能することを本発明者は各種の実験等により見出した。こうした成膜種を利用して前記垂直方向に沿うようにエッチングを進行させるべく、言い換えれば成膜種であるインジウムホウ素化物をエッチングされた部位の側壁に付着させて等方的なエッチングを抑制させるべく、上記メインエッチング工程においては上記ＨＩの流量の配合比が４０％〜６０％に設定されている。ちなみに上記成膜種であるインジウムホウ素化物の生成はプラズマ中における塩素（Ｃｌ）を増量させることにより抑えることが可能であるため、ＨＩの流量配合比が４０％未満となることによって上記側壁の保護作用が過剰になる場合にあっては、プラズマ生成領域ＡＰに塩素（Ｃｌ_２）を添加して側壁保護の堆積量を調整することも可能である。

なお上述するプリエッチング工程及びメインエッチング工程では、プラズマ空間におけるプラズマ密度とエッチング対象物１０に入射するイオンの入射エネルギーとを独立して制御する誘導結合型プラズマ、マイクロ波励起表面波プラズマ、電子サイクロトン鏡面プラズマ、ヘリコン波励起プラズマを利用することができる。特に誘導結合型プラズマにあっては、プラズマ密度分布を制御し得る静磁場をプラズマ空間内に印加する方法がより好ましい。

次に、上述するプリエッチング工程及びメインエッチング工程に利用する半導体装置の製造装置であるプラズマエッチング装置２０について説明する。図２はプラズマエッチング装置２０の概略構成を示す図である。

図２に示されるように、プラズマエッチング装置２０における真空チャンバ２１の上側開口には、真空チャンバ２１の内部空間であるプラズマ生成領域ＡＰを密封するかたちで石英板２２が取付けられており、真空チャンバ２１と石英板２２とで囲まれるプラズマ生成領域ＡＰが真空ポンプなどからなる排気系により所定の圧力に減圧されるようになっている。

上記プラズマ生成領域ＡＰには、上記マスクパターン１１Ｐを有したエッチング対象物１０を支持するための基板ホルダ２３が配設されており、この基板ホルダ２３はバイアス用マッチング回路２４を介してバイアス電源であるバイアス用高周波電源２５に電気的に接続されている。バイアス用高周波電源２５から出力される高周波電力は、負荷側からの反射波が小さくなるようにバイアス用マッチング回路２４によってインピーダンス整合がなされた後、基板ホルダ２３を介してエッチング対象物１０に印加される。基板ホルダ２
３の上面であるエッチング対象物１０の載置面には、エッチング対象物１０の外周を囲うリング状の保護部材２６が配置されている。この保護部材２６はプラズマ生成領域ＡＰに生成された上記プラズマＥＰ１，ＥＰ２から基板ホルダ２３の外周部を保護する機能を有し、例えば塩素系やヨウ素系のプラズマに対して高い耐性を有するグラッシーカーボンにより構成することができる。また基板ホルダ２３の内部にはエッチング対象物１０の温度を所定温度に調整するための図示しない温調機構が搭載されており、前記プリエッチング工程の処理条件（プリエッチング条件）及びメインエッチング工程の処理条件（メインエッチング条件）に基づく温度がこの温調機構の温調によりエッチング対象物１０へ付与される。

上述する石英板２２の上方には、二巻回のループをなす高周波ループアンテナ２７が配設されており、この高周波ループアンテナ２７と石英板２２との間には、高周波ループアンテナ２７と同軸状をなすループ状永久磁石２８が石英板２２の表面と平行となるかたちで配設されている。この高周波ループアンテナ２７は放電用マッチング回路２９を介して放電用高周波電源３１に電気的に接続されており、放電用高周波電源３１から出力される高周波電力は、負荷側からの反射波が小さくなるように放電用マッチング回路２９によってインピーダンス整合がなされた後、高周波ループアンテナ２７に印加される。高周波ループアンテナ２７に印加された高周波電力は、プラズマ生成領域ＡＰに供給されるガスを利用したプラズマを生成するための誘導電場を生起させる高周波電場をプラズマ生成領域ＡＰに印加し、ループ状永久磁石２８は、高周波ループアンテナ２７に流れる電流と略直交する方向の静磁場を同プラズマ生成領域ＡＰに形成する。

石英板２２とループ状永久磁石２８との間には、石英板２２と略同径をなす平面状電極３２が石英板２２の表面と平行となるかたちで配設されており、この平面状電極３２は可変コンデンサ３３及び前記放電用マッチング回路２９を介して前記放電用高周波電源３１に電気的に接続されている。この平面状電極３２は、石英板２２の内表面上に一様な電解を形成する機能を有し、例えば線状金属材料により構成することができる。

真空チャンバ２１のプラズマ生成領域ＡＰには、前記プリエッチング工程及び前記メインエッチング工程で利用する混合ガスを供給するためのガス供給部３４が接続されている。このガス供給部３４は、前記プリエッチング工程に利用するＡｒやＸｅ、さらには三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）、塩素（Ｃｌ_２）、四塩化炭素（ＣＣｌ_４）、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＨＢｒ）からなる群から選択される少なくとも１種のハロゲンガスを上記ＡｒやＸｅとの混合ガスを所定の配合比で供給する。またガス供給部３４は、前記メインエッチング工程で利用するＨＩとＢＣｌ_３との２成分系からなる混合ガスをその総流量に対するＨＩの流量の配合比が４０％〜６０％になるように供給する。

プラズマエッチング装置２０における制御部４０には、上述する基板ホルダ２３、バイアス用マッチング回路２４、バイアス用高周波電源２５、放電用マッチング回路２９、放電用高周波電源３１、及び可変コンデンサ３３が接続されており、前記プリエッチング条件及びメインエッチング条件に基づく種制御信号が制御部４０から各部へ出力される。

例えば制御部４０は、その内部の記憶領域に格納されたプリエッチング条件を参照して同条件に基づく温度をエッチング対象物１０に付与するための制御信号を基板ホルダ２３の温調機構に出力し、プリエッチング工程を実施する際にはその制御信号に基づく温調を温調機構に実行させる。また制御部４０は、メインエッチング条件を参照して同条件に基づく温度をエッチング対象物１０に付与するための制御信号を基板ホルダ２３の温調機構に出力し、メインエッチング工程を実施する際にはその制御信号に基づく温調を温調機構に実行させる。

また制御部４０はプリエッチング条件に基づく高周波電力をエッチング対象物１０に印加するための制御信号をバイアス用高周波電源２５に出力し、プリエッチング工程を実施する際にはバイアス用高周波電源２５に同高周波電力を出力させる。また制御部４０はＨＩ及びＢＣｌ３からなる２成分系の混合ガスをメインエッチング条件の配合比で供給するための制御信号をガス供給部３４へ出力し、メインエッチング工程を実施する際にはバイアス用高周波電源２５に同高周波電力を出力させる。

また制御部４０はプリエッチング条件に基づく１３．５６ＭＨｚの高周波電力を高周波ループアンテナ２７に印加するための制御信号を放電用高周波電源３１に出力し、プリエッチング工程を実施する際には放電用高周波電源３１に同高周波電力を出力させる。また制御部４０はメインエッチング条件に基づく１３．５６ＭＨｚの高周波電力を高周波ループアンテナ２７に印加するための制御信号を放電用高周波電源３１に出力し、メインエッチング工程を実施する際には放電用高周波電源３１に同高周波電力を出力させる。

また制御部４０は例えばＡｒ、ＨＩ、及びＢＣｌ_３からなる３成分系の混合ガスをプリエッチング条件の配合比で供給するための制御信号をガス供給部３４へ出力し、プリエッチング工程を実施する際にはガス供給部３４に同混合ガスを供給させる。また制御部４０はＨＩ及びＢＣｌ_３からなる２成分系の混合ガスをメインエッチング条件の配合比で供給するための制御信号をガス供給部３４へ出力し、メインエッチング工程を実施する際にはガス供給部３４に同混合ガスを供給させる。

また制御部４０は、可変コンデンサ３３の静電容量を１０ｐＦ〜１００ｐＦの範囲内で最適な値に調整して、石英板２２の内表面上における膜の付着を防止する。なお、こうした機能を発現する構成であれば、この可変コンデンサ３３を可変チョークに変更してもよい。

上述する制御部４０によりプリエッチング工程が実行される場合には、まずマスクパターン１１Ｐを有したエッチング対象物１０が上記基板ホルダ２３に載置されて、プリエッチング条件に基づくガス、すなわちＡｒやＸｅを含むガスがプラズマ生成領域ＡＰに供給される。続いてプリエッチング条件に基づく放電用の高周波電力が高周波ループアンテナ２７に印加されると、同高周波電力に応じた高周波磁場がプラズマ生成領域ＡＰに形成されて、この高周波磁場により生起される誘導電場がプラズマ生成領域ＡＰにおけるガスをプラズマ化する。この際、プリエッチング条件に基づく高周波電力がエッチング対象物１０に印加されると、この高周波電力に応じたバイアス電圧がエッチング対象物１０に印加されてプラズマ生成領域ＡＰに形成されたプラズマ中の活性種がエッチング対象物１０の表面に入射する。こうした物理的なエッチングが支配的であるプラズマ空間に所定時間だけエッチング対象物１０が曝されることにより、前記変質層を含むエッチング対象物１０の表面が均一に除去されて清浄化される。

また制御部４０によりメインエッチング工程が実行される場合には、プリエッチング工程に引き続き、まずメインエッチング条件に基づく混合ガス、すなわちＨＩとＢＣｌ_３とが上記配合比で混合された混合ガスがプラズマ生成領域ＡＰに供給される。続いてメインエッチング条件に基づく放電用の高周波電力が高周波ループアンテナ２７に印加されると、同高周波電力に応じた高周波磁場がプラズマ生成領域ＡＰに形成されて、この高周波磁場により生起される誘導電場がプラズマ生成領域ＡＰにおけるガスをプラズマ化する。この際、メインエッチング条件に基づく高周波電力がエッチング対象物１０に印加されると、この高周波電力に応じたバイアス電圧がエッチング対象物１０に印加されてプラズマ生成領域ＡＰに形成されたプラズマ中の活性種がエッチング対象物１０の表面に入射する。上述する配合比により物理的なエッチングと化学的なエッチングとがバランス良く進行するため、エッチング対象物１０の表面におけるエッチング領域のみが垂直方向に沿ってエ
ッチングされる。

次に、上記プラズマエッチング装置２０を利用して得たエッチングの形状及び残渣の有無に関する評価結果を表１及び表２に従って説明する。表１はエッチング対象物１０の表面が変質層等を有しない形態であって上記プリエッチング工程を割愛してメインエッチング工程のみを実施した場合の結果を示し、表２はエッチング対象物１０の表面が変質層を有する形態であってプリエッチング工程（第１ステップ）とメインエッチング工程（第２ステップ）とを連続して実施した場合の結果を示す。

なお表１及び表２における形状評価おいて、「○」印は加工パターン１０Ｐの側壁が垂直方向に沿う形状（前記法線とのなす角度が±３°以内の形状）であり、かつ加工パターン１０Ｐの底部が略水平であることを示す。「△」印は加工パターン１０Ｐの側壁がテーパ形状（前記法線とのなす角度が±３°を超える形状）であること、あるいは加工パターン１０Ｐの底部が椀状であることを示し、「×」印は加工パターン１０Ｐの側壁がテーパ形状であり、かつ加工パターン１０Ｐの底部が椀状であることを示す。

また表１及び表２における残渣評価において、「○」印は加工パターン１０Ｐの側壁や底部に残渣が認められなかったことを示し、「×」印は加工パターン１０Ｐの側壁や底部に付着した粒状の残渣、あるいは底部から突出する柱状の残渣が認められたことを示す。（実施例１）
エッチング対象物１０であるＩｎＰ基板の表面に熱ＣＶＤ法を適用して膜厚が５００ｎｍのＳｉＯ_２膜をマスク膜１１として形成し、このＳｉＯ_２膜が１．５μｍの線幅を持つようにストライプ状に加工してＳｉＯ_２からなるマスクパターン１１Ｐを得た。そして、エッチング対象物１０の表面に所定の洗浄処理を施した後に以下に示す条件をメインエッチング条件として用い、加工パターン１０Ｐの深さ方向の幅が約４μｍとなる処理時間だけメインエッチング工程を実行することにより実施例１の加工パターン１０Ｐを得た。なお、処理圧力に関しては、０．７Ｐａ〜１．２Ｐａの範囲から０．７Ｐａ及び１．２Ｐａを含む３種類の異なる値をメインエッチング条件として設定し、またバイアス用高周波電力に関しては、１０Ｗ〜５０Ｗの範囲から１０Ｗ及び５０Ｗを含む３種類の異なる値をメインエッチング条件として設定した。
［メインエッチング条件］
・ＨＩ流量：１２ｓｃｃｍ（配合比４０％）、ＢＣｌ_３流量：１８ｓｃｃｍ
・処理圧力：０．７Ｐａ〜１．２Ｐａ
・処理温度：１２０℃
・放電用高周波電力：２５０Ｗ
・バイアス用高周波電力：１０Ｗ〜５０Ｗ
（実施例２〜実施例６）
ＨＩ流量を１５ｓｃｃｍ（配合比５０％）、ＢＣｌ_３流量を１５ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例１と同じくして実施例２の加工パターン１０Ｐを得た。またＨＩ流量を１８ｓｃｃｍ（配合比６０％）、ＢＣｌ_３流量を１２ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例１と同じくして実施例３の加工パターン１０Ｐを得た。

ＨＩ流量を２０ｓｃｃｍ（配合比４０％）、ＢＣｌ_３流量を３０ｓｃｃｍに変更し、またバイアス用高周波電力を５０Ｗ〜１００Ｗに変更し、その他の条件を実施例１と同じくして実施例４の加工パターン１０Ｐを得た。またＨＩ流量を２５ｓｃｃｍ（配合比５０％）、ＢＣｌ_３流量を２５ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例４と同じくして実施例５の加工パターン１０Ｐを得た。またＨＩ流量を３０ｓｃｃｍ（配合比６０％）、ＢＣｌ_３流量を２０ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例４と同じくして実施例６の加工パターン１０Ｐを得た。
（比較例１〜比較例４）
ＨＩ流量を１０ｓｃｃｍ（配合比３３％）、ＢＣｌ_３流量を２０ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例１と同じくして比較例１の加工パターン１０Ｐを得た。またＨＩ流量を２０ｓｃｃｍ（配合比６７％）、ＢＣｌ_３流量を１０ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例１と同じくして比較例２の加工パターン１０Ｐを得た。

ＨＩ流量を１５ｓｃｃｍ（配合比３０％）、ＢＣｌ_３流量を３５ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例４と同じくして比較例３の加工パターン１０Ｐを得た。またＨＩ流量を３５ｓｃｃｍ（配合比７０％）、ＢＣｌ_３流量を１５ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例４と同じくして比較例４の加工パターン１０Ｐを得た。

表１に示されるように、実施例１〜実施例６では、いずれも加工パターン１０Ｐの側壁が略垂直方向に沿う形状であり、かつ加工パターン１０Ｐの底部が略水平であることが認められた。また実施例１〜実施例６では、いずれもエッチングに伴う残渣が生成されないことが分かった。一方、比較例１及び比較例３にあっては、いずれも加工パターン１０Ｐの側壁がテーパ状を呈していることが認められた。また比較例１及び比較例３は、いずれもエッチングに伴う粒状の残渣が認められた。これらの結果、混合ガスの総流量に対するＨＩの流量の配合比が４０％〜６０％になる混合ガスを利用することにより加工パターン１０Ｐの加工性を向上できることが分かる。

なお上述する効果は、エッチング対象物１０がＩｎＰである場合に限らず、エッチング対象物１０がＩｎＧａＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓＰである場合においても同様の効果が認められ、さらにはマスクパターン１１ＰがＳｉＯ_２である場合に限らず、Ｓｉ_３Ｎ_４を用いる場合においても同様の効果が認められた。

また、ＨＩの流量に基づく配合比が４０％〜６０％になる混合ガスを用いる場合にあっては、マスクパターン１１Ｐのエッチング速度に対するエッチング対象物１０のエッチング速度の比である選択比が２０以上になる十分に高い値であることが認められた。またＨＩの流量に基づく配合比が４０％〜６０％になる混合ガスを用いる場合にあっては、ＩｎＰのエッチング速度Ｅｒに対するＩｎＧａＡｌＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰのエッチング速度Ｅｘの比であるエッチング速度比が１．０に近い０．８以上の値であることが認められ、これら異なる組成を有した複数の化合物半導体層からなる積層体、例えばＩｎＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰやＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰによりエッチング対象物１０を構成する場合であれ、上述する効果と同様の効果が得られることが分かった。

（実施例７〜実施例９）
エッチング対象物１０であるＩｎＰ基板の表面に熱ＣＶＤ法を適用して膜厚が５００ｎｍのＳｉＯ_２膜をマスク膜１１として形成し、このＳｉＯ_２膜が１．５μｍの線幅を持つようにストライプ状に加工してＳｉＯ_２からなるマスクパターン１１Ｐを得た。そして、以下に示すプリエッチング条件を用いてプリエッチング工程を実行し、次いで以下に示すメインエッチング条件を用いて加工パターン１０Ｐの深さ方向の幅が約４μｍとなる処理時間だけメインエッチング工程を実行することにより実施例７の加工パターン１０Ｐを得た。
［プリエッチング条件］
・Ａｒ流量：７０ｓｃｃｍ、ＨＩ流量：１８ｓｃｃｍ、ＢＣｌ_３流量：１２ｓｃｃｍ
・処理圧力：０．５Ｐａ
・処理温度：１２０℃
・放電用高周波電力：２５０Ｗ
・バイアス用高周波電力：５０Ｗ
・処理時間：５秒
［メインエッチング条件］
・ＨＩ流量：１２ｓｃｃｍ（配合比４０％）、ＢＣｌ_３流量：１８ｓｃｃｍ
・処理圧力：０．７Ｐａ
・処理温度：１２０℃
・放電用高周波電力：２５０Ｗ
・バイアス用高周波電力：５０Ｗ
またプリエッチング条件及びメインエッチング条件におけるＨＩ流量を１５ｓｃｃｍ、ＢＣｌ_３流量を１５ｓｃｃｍ、処理時間を３０秒に変更し、その他の条件を実施例７と同じくして実施例８の加工パターン１０Ｐを得た。またプリエッチング条件におけるＡｒ流量を５０ｓｃｃｍ、ＨＩ流量を０ｓｃｃｍ、ＢＣｌ_３流量を０ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例７と同じくして実施例９の加工パターン１０Ｐを得た。
（比較例５及び比較例６）
またプリエッチング条件におけるＨＩ流量を０ｓｃｃｍ、ＢＣｌ_３流量を０ｓｃｃｍに変更し、その他の条件を実施例８と同じくして比較例５の加工パターン１０Ｐを得た。またプリエッチング条件におけるＡｒ流量を０ｓｃｃｍ、処理圧力を０．７Ｐａ、処理時間を３分に変更し、その他の条件を実施例７と同じくして比較例６の加工パターン１０Ｐを
得た。

表２に示されるように、実施例７〜実施例９はいずれも加工パターン１０Ｐの側壁が略垂直方向に沿う形状であり、かつ加工パターン１０Ｐの底部が略水平であることが認められ、エッチングに伴う残渣が生成されないことが分かった。一方、比較例５及び比較例６にあってはいずれも形状評価が「○」であるものの、いずれもエッチングに伴う柱状の残渣が認められた。これらの結果、メインエッチング工程を実行する前に物理的なエッチングが支配的であるＡｒのプラズマをエッチング対象物１０の表面を曝すことにより柱状の残渣に起因する変質層などを清浄化できることが分かる。また、こうしたプリエッチング工程を長時間必要とする表面状態にあっては、実施例８と比較例５との比較により、物理的にエッチングされた被エッチング物の再付着を抑えるべく、同被エッチング物を揮発性の化合物になし得るＨＩ及びＢＣｌ_３を添加することが効果的であることが分かる。

以上説明したように、上記実施形態によれば以下の効果を奏する。

（１）上記実施形態によれば、Ｉｎの水素化物やＩｎのホウ素化物が加工面の側壁を保護する保護膜の成膜種として機能するために、これらの成膜種の量と、エッチング源であるヨウ素やホウ素の量との比率の指標である配合比を４０％〜６０％にすることにより、化合物半導体の加工性を向上させることができる。

（２）上記実施形態によれば、メインエッチング工程の前に、Ａｒ又はＸｅを含むガスである第２のガスからなるプラズマをエッチング対象物１０に入射させるために、エッチング対象物１０の表面に形成された変質層を予めエッチングすることができる。しかも物理的なエッチングを利用して変質層をエッチングすることから、変質層が形成されていない表面までもエッチングすることができ、メインエッチング工程を実施する前に、エッチング対象物１０の表面における平坦性を維持することができる。

（３）上記実施形態によれば、プリエッチング工程にＨＩ、ＢＣｌ_３、ＣＣｌ_４、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｃｌ_２からなる群から選択される少なくとも１種のハロゲンガスを添加することから、物理的にエッチングされた被エッチング物の再付着を抑えることができる。

（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図。 本実施形態における半導体装置の製造装置の概略構成を示す図。

符号の説明

１０…エッチング対象物、１１…マスク膜、１１Ｐ…マスクパターン、１２…レジスト膜、１２Ｐ…レジストパターン、２０…エッチング装置、２１…真空チャンバ、２２…石英板、２３…基板ホルダ、２４…バイアス用マッチング回路、２５…バイアス用高周波電源、２６…保護部材、２７…高周波ループアンテナ、２８…ループ状永久磁石、２９…放電用マッチング回路、３１…放電用高周波電源、３２…平面状電極、３３…可変コンデンサ、３４…ガス供給部、４０…制御部。

Claims (8)

1. インジウムを含有してマスクが形成された化合物半導体を収容する真空チャンバと、
   ヨウ化水素ガスと三塩化ホウ素ガスとの２成分からなる混合ガスである第１のガスを前記真空チャンバに供給するガス供給部と、
   高周波アンテナに高周波電力を供給して前記真空チャンバ内のガスをプラズマ化させる誘導電場を生起する高周波電場を前記真空チャンバに印加する高周波電源と、
   前記真空チャンバに生成されたプラズマを前記化合物半導体に入射させる電場を前記チャンバに印加するバイアス電源とを備え、
   前記真空チャンバに生成した前記第１のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングすることにより半導体装置を製造する半導体装置の製造装置であって、
   前記第１のガスの総流量に対する前記ヨウ化水素ガスの流量の比である配合比を４０％〜６０％にすることを特徴とする半導体装置の製造装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造装置であって、
   前記ガス供給部がアルゴン又はキセノンを含むガスである第２のガスを前記真空チャンバ内に供給するものであり、
   前記第１のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングする前に前記第２のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造装置。
3. 前記第２のガスが、ヨウ化水素ガス、三塩化ホウ素ガス、四塩化炭素ガス、塩化水素ガス、臭化水素ガス、塩素からなる群から選択された少なくとも１種のガスを含む混合ガスである
   請求項２に記載の半導体装置の製造装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造装置であって、
   前記化合物半導体をエッチングするときに前記化合物半導体の温度を２０℃〜１５０℃にする温調機構を備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
5. インジウムを含む化合物半導体にマスクを形成し、ヨウ化水素ガスと三塩化ホウ素との２成分からなる混合ガスである第１のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体を選択的にエッチングすることにより半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
   前記混合ガスの総流量に対する前記ヨウ化水素ガスの流量の比である配合比が４０％〜６０％であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第１のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングする前に、アルゴン又はキセノンを含むガスである第２のガスからなるプラズマを前記化合物半導体に入射させて前記化合物半導体をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記第２のガスが、ヨウ化水素ガス、三塩化ホウ素ガス、四塩化炭素ガス、塩化水素ガス、臭化水素ガス、塩素からなる群から選択された少なくとも１種のガスを含む混合ガスである
   請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 請求項５〜７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記化合物半導体をエッチングするときに前記化合物半導体の温度を２０℃〜１５０℃にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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