JP7296602B2 - SiC substrate manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、SiC基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a SiC substrate.
パワー半導体素子として、シリコンカーバイド(SiC)基板に形成された溝と、溝内部に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート電極と、を具備する、トレンチ型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor))素子が知られている。SiC基板を用いるパワー半導体素子は、従来のSi基板を用いる素子と比較して、オン抵抗が小さく、電力損失が小さいといった利点を有する。 A trench type metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET (Metal -Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) devices are known. A power semiconductor device using a SiC substrate has advantages such as a small on-resistance and a small power loss as compared with a conventional device using a Si substrate.
一方、素子の電気的耐圧を高めるために、溝の内面に設けられるゲート絶縁膜への局所的電界集中を緩和することが望ましい。 On the other hand, in order to increase the electrical withstand voltage of the device, it is desirable to alleviate the local electric field concentration on the gate insulating film provided on the inner surface of the trench.
特許文献1は、半導体層に凹部(トレンチ)を形成した後に、等方性ドライエッチングを行うことにより、凹部の底面の角部(すなわち、側面と底面との境界)を丸めることを提案している。
特許文献2は、底部を平坦に整形するために、順に行われる第一ドライエッチングと第二ドライエッチングのエッチング条件を異ならせることを提案している。
Si基板の場合、例えばSiとフッ素ラジカルとの反応性が高いため、溝の底部を曲面状に容易に加工し得る。しかし、SiC基板は、Si-C結合エネルギーが大きく、加工が困難である。高いバイアス電力を印加すれば、実用的な速度でSiC基板をエッチングし得るが、物理的スパッタリングの寄与が大きくなり、溝の底部の角部が尖った形状となやすい。 In the case of a Si substrate, for example, since the reactivity between Si and fluorine radicals is high, the bottom of the groove can be easily processed into a curved surface. However, SiC substrates have a large Si—C bond energy and are difficult to process. If a high bias power is applied, the SiC substrate can be etched at a practical rate, but the contribution of physical sputtering increases, and the corners of the bottom of the groove tend to be sharp.
本発明の一側面は、開口部を有するマスクを備えるSiC基板を準備する工程と、第1プロセスガスを用いて生成させた第1プラズマにより、前記SiC基板の前記開口部から露出したSiC部分を異方エッチングして溝を形成する第1エッチング工程と、少なくともCH2F2を含む第2プロセスガスを用いて生成させた第2プラズマにより、前記溝に対応するSiC部分を更にエッチングして前記溝に角部が面取りされた底部を形成する第2エッチング工程と、を備える、SiC基板の製造方法に関する。 According to one aspect of the present invention, a SiC substrate is provided with a mask having an opening, and a first plasma generated using a first process gas is used to remove a SiC portion of the SiC substrate exposed from the opening. A first etching step of anisotropically etching to form a groove, and a second plasma generated using a second process gas containing at least CH 2 F 2 , further etching the SiC portion corresponding to the groove to form the groove. and a second etching step of forming a bottom of the groove with chamfered corners.
本発明によれば、実用的なエッチング速度で、底部の角部が面取りされた溝を有するSiC基板を製造することができる。 According to the present invention, a SiC substrate having grooves with chamfered bottom corners can be manufactured at a practical etching rate.
本実施形態に係る溝を有するSiC基板の製造方法は、(i)開口部を有するマスクを備えるSiC基板を準備する工程と、(ii)第1プロセスガスを用いて生成させた第1プラズマにより、マスクの開口部から露出したSiC部分を異方エッチングして溝を形成する第1エッチング工程と、(iii)第1エッチング工程の後、少なくともCH2F2を含む第2プロセスガスを用いて生成させた第2プラズマにより、溝に対応するSiC部分を更にエッチングして溝に角部が面取りされた底部を形成する第2エッチング工程とを備える。 The method for manufacturing a SiC substrate having grooves according to the present embodiment includes (i) the steps of preparing a SiC substrate having a mask having openings, and (ii) using a first plasma generated using a first process gas. a first etching step of anisotropically etching the SiC portions exposed from the openings of the mask to form grooves; and (iii) after the first etching step, using a second process gas containing at least CH 2 F 2 . and a second etching step of further etching the SiC portion corresponding to the trench with the generated second plasma to form a bottom of the trench with chamfered corners.
SiC基板とは、炭素(C)とケイ素(Si)とが1対1の原子比で共有結合したSiC結晶を板状に加工した基板をいう。SiC結晶のバンドギャップは、Si結晶の3倍程度の約3.25eVであり、絶縁破壊に至る電界強度がSi結晶の10倍程度と大きい。また、SiC結晶は、熱伝導性がSiの3倍以上であり、高温でも安定した電気的特性が得られ、電力損失も小さい。 A SiC substrate refers to a substrate obtained by processing a SiC crystal, in which carbon (C) and silicon (Si) are covalently bonded at an atomic ratio of 1:1, into a plate shape. The bandgap of SiC crystal is about 3.25 eV, which is about three times that of Si crystal, and the electric field strength leading to dielectric breakdown is as high as about 10 times that of Si crystal. In addition, SiC crystal has a thermal conductivity three times or more that of Si, so that stable electrical characteristics can be obtained even at high temperatures, and power loss is small.
溝の底部の角部(もしくは隅部)が面取りされている様子は、溝の長さ方向に対して垂直な断面(以下、単に溝の断面ともいう。)において観測できる。底部の角部が面取りされている態様には、断面において、溝の底部に尖った角部がない場合が全て含まれる。例えば、角部が曲面になっている(すなわち、丸められている)場合、角部がテーパ状になっている(すなわち、底部に向かうほど溝幅が小さくなっている)場合、角部が無く、底部が全体的に曲面になっている(例えば、底部がU字状になっている)場合などが包含される。以下、角部が面取りされることを、角部がラウンド化されるともいう。 The manner in which the corners (or corners) of the bottom of the groove are chamfered can be observed in a cross section perpendicular to the length direction of the groove (hereinafter also simply referred to as a cross section of the groove). The embodiment in which the corners of the bottom are chamfered includes all cases where the bottom of the groove does not have sharp corners in cross section. For example, if the corners are curved (i.e., rounded), if the corners are tapered (i.e., the groove width decreases towards the bottom), there are no corners. , the bottom is generally curved (for example, the bottom is U-shaped). Hereinafter, chamfering a corner is also referred to as rounding the corner.
第1エッチング工程における異方エッチングとは、方向によってエッチング速度が異なるエッチング方法であり、溝の深さ方向のエッチング速度Rd>幅方向のエッチング速度Rwの関係を満たす。Rd/Rw比が大きいほど、溝の角部が尖った形状になる。 The anisotropic etching in the first etching step is an etching method in which the etching rate differs depending on the direction, and satisfies the relationship of etching rate Rd in the depth direction>etching rate Rw in the width direction of the groove. The larger the Rd/Rw ratio, the sharper the corners of the groove.
一方、第2エッチング工程では、形成途中の溝の側壁の少なくとも一部に、エッチングの反応生成物が堆積し、微小な庇部が形成される。庇部の下方はエッチングが進行しにくいため、エッチング終了時の溝の底部の角部が面取りされた状態になる。 On the other hand, in the second etching step, an etching reaction product is deposited on at least a part of the side wall of the groove in the process of formation, forming a minute eaves. Since etching does not progress easily under the eaves, the bottom corners of the grooves are chamfered when the etching is finished.
面取りされた溝の底部の角部の曲率半径は、例えば10nm~80nmであればよく、10nm~50nmであってもよい。特にトレンチ型MOSFETを製造する場合、上記範囲の曲率半径であれば、溝の内面に設けられるゲート絶縁膜への局所的電界集中が顕著に緩和され、高品質の製品を得ることができる。 The radius of curvature of the corners of the bottom of the chamfered groove may be, for example, 10 nm to 80 nm, and may be 10 nm to 50 nm. Especially when manufacturing a trench-type MOSFET, if the radius of curvature is within the above range, the local electric field concentration on the gate insulating film provided on the inner surface of the trench is remarkably relaxed, and a high-quality product can be obtained.
第2工程の終了後、溝の深さは、例えば1~10μmであればよい。また、溝の深さの溝幅に対するアスペクト比は、例えば1.0~10であればよい。 After completion of the second step, the depth of the groove may be, for example, 1 to 10 μm. Also, the aspect ratio of the groove depth to the groove width may be, for example, 1.0 to 10.
次に、プロセスガスについて更に説明する。
(第1プロセスガス)
第1エッチング工程で用いる第1プロセスガスは、異方エッチングが効率よく進行する組成であればよい。第1プロセスガスは、第1エッチング工程で形成される溝の側面の直線性が高くなるように選択される。これにより、精細で美観に優れた溝を有するSiC基板が得られる。
Next, the process gas will be further explained.
(First process gas)
The first process gas used in the first etching step may have a composition that allows anisotropic etching to proceed efficiently. The first process gas is selected such that the sidewalls of the trenches formed in the first etching step are highly linear. As a result, a SiC substrate having grooves that are fine and aesthetically pleasing can be obtained.
第1プロセスガスは、例えば、SF6とO2とを含んでもよい。酸素のSF6に対する体積比(=O2/SF6)は、例えば0.5~2.0であればよい。 The first process gas may include, for example, SF6 and O2 . The volume ratio of oxygen to SF 6 (=O 2 /SF 6 ) may be, for example, 0.5 to 2.0.
第1プロセスガスは、更に、希ガスを含んでもよい。希ガスは、SF6とO2を適度に希釈する作用を有する。第1プロセスガスに含まれる希ガスの比率は、例えば75~95体積%であり、80~95体積%であってもよい。希ガスは、反応室内でイオン化されて、主としてSiC基板の物理的エッチングに関与し得る。希ガスは、例えば、Ar、He等を用い得るが、中でもArが安価で入手が容易である。 The first process gas may further contain a noble gas. Rare gases have the effect of moderately diluting SF 6 and O 2 . The ratio of the rare gas contained in the first process gas is, for example, 75-95% by volume, and may be 80-95% by volume. The noble gas can be ionized in the reaction chamber and participate primarily in the physical etching of the SiC substrate. Rare gases such as Ar and He can be used, among which Ar is inexpensive and readily available.
上記組成を有する第1プロセスガスを用いることで、第1エッチング工程のエッチング速度を高めるとともに、溝の側面の直線性を更に高めることができる。 By using the first process gas having the above composition, it is possible to increase the etching rate in the first etching step and further improve the linearity of the side surfaces of the groove.
(第2プロセスガス)
第2エッチング工程で用いる第2プロセスガスは、少なくともCH2F2を含む。CH2F2は、プラズマ化されると反応生成物としてポリマーを形成しやすいガスである。C4F8などのフルオロカーボン系ガスもプラズマ化されるとポリマーを生成するが、CH2F2はC4F8などのフルオロカーボン系ガスに比べ、高温の条件下においてもポリマーを生成しやすい。このような作用効果にはCH2F2に含まれる炭素原子とフッ素原子との割合が関連しているものと考えられる。
(Second process gas)
The second process gas used in the second etching step contains at least CH2F2 . CH 2 F 2 is a gas that tends to form a polymer as a reaction product when plasmatized. Fluorocarbon gases such as C 4 F 8 also produce polymers when plasmatized, but CH 2 F 2 tends to produce polymers even under high temperature conditions compared to fluorocarbon gases such as C 4 F 8 . It is considered that such effects are related to the ratio of carbon atoms and fluorine atoms contained in CH 2 F 2 .
結合エネルギーが高いSi-C結合からなるSiC基板のエッチングは、比較的高い温度で行われる。したがって、CH2F2は、SiC基板のエッチングにおいて、溝形状を制御するための添加ガスとして特に好適である。 Etching of SiC substrates composed of Si—C bonds with high bond energy is performed at relatively high temperatures. Therefore, CH 2 F 2 is particularly suitable as an additive gas for controlling the shape of grooves in etching SiC substrates.
具体的には、第2エッチング工程において、CH2F2は、第1エッチング工程で形成された溝の底面および側面にポリマーを堆積させる役割を果たす。そして、第2エッチング工程では、SiC基板にバイアスが印加されることによるエッチングの異方性により、溝の底面に堆積するポリマーは、溝の側面に堆積するポリマーよりも除去されやすくなる。その結果、溝の底部の角部が状態良く面取りされ得る。 Specifically, in the second etching step, CH 2 F 2 serves to deposit polymer on the bottom and sides of the grooves formed in the first etching step. Then, in the second etching step, the polymer deposited on the bottom surface of the groove is more easily removed than the polymer deposited on the side surface of the groove due to etching anisotropy caused by applying a bias to the SiC substrate. As a result, the corners of the bottom of the groove can be chamfered in good condition.
第2プロセスガスは、CH2F2以外のフルオロハイドロカーボンを含んでもよい。フルオロハイドロカーボンとは、少なくとも1つの水素原子がフッ素原子で置換された炭化水素をいう。第2プロセスガスは、CH2F2以外のフルオロハイドロカーボンとして、例えばCHF3等を含み得る。ただし、フルオロハイドロカーボン中の50体積%以上がCH2F2であることが望ましい。 The second process gas may contain fluorohydrocarbons other than CH2F2 . A fluorohydrocarbon is a hydrocarbon in which at least one hydrogen atom has been replaced with a fluorine atom. The second process gas may contain fluorohydrocarbons other than CH2F2 , such as CHF3 . However, it is desirable that 50% by volume or more of the fluorohydrocarbon is CH 2 F 2 .
第2プロセスガスは、更に、希ガスを含んでもよい。CH2F2と希ガスとの混合ガスを用いることで、溝の底部の形状制御がより容易となる。希ガスは、CH2F2を適度に希釈し、CH2F2によるエッチングの等方的な進行を制限し、いわゆるアンダーカットの形成を抑制し、溝の側面の美観を向上させ得る。第2プロセスガスに含まれる希ガスの比率は、例えば50~98体積%であればよく、75~95体積%でもよい。希ガスとしては、例えば、Ar、He等を用い得るが、中でもArが安価で入手が容易である。 The second process gas may further contain a noble gas. By using a mixed gas of CH 2 F 2 and a rare gas, it becomes easier to control the shape of the bottom of the groove. The rare gas moderately dilutes CH 2 F 2 , restricts the isotropic progress of etching by CH 2 F 2 , suppresses the formation of so-called undercuts, and can improve the aesthetics of the groove side surfaces. The ratio of the rare gas contained in the second process gas may be, for example, 50-98% by volume, or may be 75-95% by volume. As the rare gas, for example, Ar, He, or the like can be used. Among them, Ar is inexpensive and easily available.
第2エッチング工程は、マスクの開口部を拡大するようにマスクをエッチングして、溝の上部に新たにSiC部分を露出させるステップAと、新たに露出したSiC部分をエッチングして、溝の上部の角部のSiC部分を面取りするステップBとを含んでもよい。これにより、溝の底部の角部だけでなく、溝の上部の角部にも同時に面取り加工を施すことが可能である。溝の上部に尖った角部が存在すると、溝部分にMOSFETを形成した際に、電界集中による絶縁破壊が生じ得るため、溝の上部の角部も面取りすることが望ましい。 The second etching process includes a step A of etching the mask to enlarge the opening of the mask to expose a new SiC portion in the upper portion of the trench, and etching the newly exposed SiC portion to expose the upper portion of the trench. B. chamfering the SiC portion of the corners of the . This makes it possible to chamfer not only the corners of the bottom of the groove but also the corners of the top of the groove at the same time. If there is a sharp corner at the top of the trench, dielectric breakdown may occur due to electric field concentration when the MOSFET is formed in the trench. Therefore, it is desirable to chamfer the corner at the top of the trench.
第1エッチング工程および第2エッチング工程は、通常、ドライエッチングを行うことができるプラズマ処理装置の反応室内で行われる。 The first etching process and the second etching process are usually performed in a reaction chamber of a plasma processing apparatus capable of dry etching.
図1は、SiC基板に溝を形成するのに使用されるプラズマ処理装置の模式図である。
図1のプラズマ処理装置21は、誘導結合プラズマ(ICP)型のドライエッチング装置である。プラズマ処理装置21は、プラズマを発生させる空間(つまり、反応室)を提供するチャンバ23を備える。チャンバ23は、プロセスガス(エッチングガス)を反応室内に導入するガス導入口23aと、反応室から排気する排気口23bとを備えている。ガス導入口23aには、プロセスガスを反応室内に供給するガス供給源24が接続されている。排気口23bには、反応室内を減圧排気するための減圧ポンプを含む減圧機構25が接続されている。
FIG. 1 is a schematic diagram of a plasma processing apparatus used to form grooves in a SiC substrate.
The
チャンバ23の頂部は、誘電体壁26で閉鎖されている。誘電体壁26の上部には、上部電極としてのアンテナ27が配されている。アンテナ27には、第1高周波電源28Aから、高周波電力が印加される。チャンバ23内の下方には、ステージ11が配されており、ステージ11上にはSiC基板22が載置される。ステージ11は、金属ブロック12上に配置され、金属ブロック12はベース部13内に収容されている。金属ブロック12は、第2高周波電源28Bと電気的に接続されており、下部電極として、SiC基板22に第2高周波電力を印加可能である。
The top of
減圧機構25を稼動させると、チャンバ23の内部が減圧される。減圧されたチャンバ23の内部にプロセスガスを導入した状態で、第1高周波電源28Aにより誘電体壁26とステージ11との間に高周波電圧を印加すると、導入されたプロセスガスがプラズマ化される。プロセスガス流量および減圧機構25の出力は、コントローラ19により各々制御される。導入口23aおよび排気口23bの開度もコントローラ19により各々制御される。その他、プラズマ処理装置21を構成する各要素の制御も、コントローラ19により行われる。
When the
ステージ11は、冷却装置14と、SiC基板22を静電吸着するための静電吸着用電極16とを備えている。冷却装置14は、金属ブロック12内に形成された冷媒流路12aと、温調された冷媒を冷媒流路12a内に循環させる冷媒循環装置15とを備えている。静電吸着用電極16は、駆動電源17に電気的に接続されている。ステージ11の基板22が載置される位置には、図示しない伝熱ガスの供給孔が設けられており、この供給孔には伝熱ガス源18から伝熱ガスが供給される。
The
以下、図面を参照しながら各工程についてより詳細に説明する。
(第1実施形態)
図2は、本発明の一実施形態に係るSiC基板の製造方法の工程図である。
(マスク形成工程)
図2(a)に、溝に対応する開口部2aを有するマスク2を備えるSiC基板1を示す。図1(b)、(c)は、SiC基板1を溝1aの長さ方向に垂直な方向で切断した断面図に対応する。
Each step will be described in more detail below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 2 is a process diagram of a method for manufacturing a SiC substrate according to one embodiment of the present invention.
(Mask forming process)
FIG. 2(a) shows a
マスクとしては、レジスト、金属薄膜などを用い得るが、トレンチ型MOSFET素子のように、ほぼ垂直な側壁を備える溝を形成することが望ましい場合、SiC基板に対して比較的高いエッチング選択比を確保し得るSiO2膜(SiO2マスク)を用いることが望ましい。SiO2膜の利用は、SiC基板の汚染を抑制するのにも適している。 As a mask, a resist, a metal thin film, or the like can be used, but when it is desirable to form a trench with substantially vertical sidewalls, as in a trench-type MOSFET device, a relatively high etching selectivity is ensured with respect to the SiC substrate. It is desirable to use a SiO 2 film (SiO 2 mask) that can be used. The use of SiO2 films is also suitable for suppressing contamination of SiC substrates.
本実施形態に係るSiC基板の製造方法は、マスク形成工程を含む必要はないが、第1エッチング工程および第2エッチング工程と一連のマスク形成工程を含んでもよい。例えば、SiO2膜は、CVD法などの気相法によりSiC基板1の表面に形成すればよい。
The method for manufacturing the SiC substrate according to the present embodiment need not include a mask forming step, but may include a series of mask forming steps such as the first etching step and the second etching step. For example, the SiO 2 film may be formed on the surface of the
次に、フォトリソグラフィにより、SiO2膜上に、溝に対応する部分に開口部を有するレジスト膜を形成する。レジスト膜の開口部から露出するSiO2膜をエッチングすることで、溝に対応する位置に開口部2aを有するSiO2マスク2が形成される。SiO2膜のエッチングは、ドライエッチングにより行うことができる。
Next, by photolithography, a resist film having openings corresponding to the grooves is formed on the SiO 2 film. By etching the SiO 2 film exposed from the openings of the resist film, an SiO 2 mask 2 having
SiO2膜のエッチング後、SiO2マスク上に残存するレジスト膜は、酸素プラズマなどによるアッシング、アセトンなどの有機溶剤による洗浄等により除去すればよい。 After etching the SiO 2 film, the resist film remaining on the SiO 2 mask may be removed by ashing with oxygen plasma or the like, cleaning with an organic solvent such as acetone, or the like.
SiO2膜の厚みは、例えば0.5μm~5μmであり、1μm~3μmであってもよい。マスクの厚みが上記範囲である場合、第2エッチング工程後にマスクが適度に残存するため、SiC基板の不要なエッチングを抑制することができる。 The thickness of the SiO 2 film is, for example, 0.5 μm to 5 μm, and may be 1 μm to 3 μm. When the thickness of the mask is within the above range, the mask remains appropriately after the second etching step, so unnecessary etching of the SiC substrate can be suppressed.
(第1エッチング工程)
第1エッチング工程では、第1プロセスガスを第1プラズマに変換するために、第1プロセスガスを反応室に供給しながら、上部電極に高周波電力が供給される。
(First etching step)
In a first etching step, RF power is supplied to the upper electrode while supplying a first process gas to the reaction chamber to convert the first process gas into a first plasma.
第1エッチング工程において、上部電極に供給される高周波電力(第1高周波電力)は、例えば、300W~4000Wであり、700W~3000Wであることが好ましい。また、第1高周波電力の周波数は、例えば13.56MHzとしてもよい。 In the first etching step, the high-frequency power (first high-frequency power) supplied to the upper electrode is, for example, 300W to 4000W, preferably 700W to 3000W. Also, the frequency of the first high-frequency power may be, for example, 13.56 MHz.
第1エッチング工程において、SiC基板に印加されるバイアス電力(第2高周波電力)の電力密度は、例えば0.5W/cm2~2.5W/cm2である。電力密度がこのような範囲である場合、高いエッチング速度を確保し得る。 In the first etching step, the bias power (second high-frequency power) applied to the SiC substrate has a power density of, for example, 0.5 W/cm 2 to 2.5 W/cm 2 . A high etching rate can be ensured when the power density is in such a range.
第1プラズマにより、マスク2の開口部2aから露出したSiC部分が異方エッチングされて溝1aが形成される。SiC基板1に異方エッチングを進行させる場合、高いバイアス電力がSiC基板1に印加されるため、物理的スパッタリングの寄与が大きくなる。その結果、図1(b)に示されるように、溝1aの底部は、角部が尖った形状となり、溝1aの側面は、直線性が高くなる。図1(b)の溝1aの断面は、概ね矩形である。
The SiC portion exposed from the
第1プロセスガスがSF6とO2とを含む場合、第1プラズマはフッ素ラジカル、酸素ラジカル等を含む。フッ素ラジカルと酸素ラジカルは、SiC基板1に含まれるSiおよびCと反応し、反応生成物として、揮発性の高いSiF4、CO2等を生成する。SiF4、CO2等は、反応室から廃棄され、SiC基板1に溝1aが形成される。
When the first process gas contains SF6 and O2 , the first plasma contains fluorine radicals, oxygen radicals, and the like. Fluorine radicals and oxygen radicals react with Si and C contained in the
第1エッチング工程は、200℃以下の温度で行えばよく、180℃以下または150℃以下であってもよい。第1エッチング工程は、50℃以上の温度で行うことができ、70℃以上または80℃以上の温度で行ってもよい。エッチング温度は、例えば、50~200℃、70~200℃、80~200℃または70~180℃であってもよい。なお、エッチングの温度は、エッチングする際のSiC基板の温度である。 The first etching step may be performed at a temperature of 200° C. or less, and may be 180° C. or less or 150° C. or less. The first etching step may be performed at a temperature of 50° C. or higher, and may be performed at a temperature of 70° C. or higher or 80° C. or higher. The etching temperature may be, for example, 50-200°C, 70-200°C, 80-200°C or 70-180°C. The etching temperature is the temperature of the SiC substrate during etching.
第1エッチング工程の雰囲気圧力P1(反応室内の圧力)は、例えば0.5~10Paであり、0.6~6Paであってもよい。雰囲気圧力がこのような範囲である場合、適度なエッチング速度を確保しやすい。また、溝の側壁の直線性が高くなり、トレンチ型のMOSFET素子の作製に適している。 The atmospheric pressure P1 (pressure inside the reaction chamber) in the first etching step is, for example, 0.5 to 10 Pa, and may be 0.6 to 6 Pa. When the atmospheric pressure is in such a range, it is easy to secure a suitable etching rate. Moreover, the straightness of the sidewalls of the grooves is improved, making it suitable for fabricating trench-type MOSFET devices.
(第2エッチング工程)
第2エッチング工程では、第2プロセスガスを第2プラズマに変換するために、第2プロセスガスを反応室に供給しながら、上部電極に高周波電力が供給される。第2エッチング工程において、上部電極に供給される高周波電力(第1高周波電力)は、例えば、300W~4000Wであり、700W~3000Wであることが好ましい。また、第1高周波電力の周波数は、例えば13.56MHzとしてもよい。
(Second etching step)
In a second etching step, RF power is supplied to the upper electrode while supplying the second process gas to the reaction chamber to convert the second process gas into a second plasma. In the second etching step, the high-frequency power (first high-frequency power) supplied to the upper electrode is, for example, 300W to 4000W, preferably 700W to 3000W. Also, the frequency of the first high-frequency power may be, for example, 13.56 MHz.
第2エッチング工程において、SiC基板に印加されるバイアス電力(第2高周波電力)の電力密度は、例えば、0.02W/cm2~0.4W/cm2である。電力密度がこのような範囲である場合、高いエッチング速度を確保し得る。 In the second etching step, the power density of the bias power (second high-frequency power) applied to the SiC substrate is, for example, 0.02 W/cm 2 to 0.4 W/cm 2 . A high etching rate can be ensured when the power density is in such a range.
第2プロセスガスがCH2F2を含む場合、第2プラズマ中のCH2F2は、プラズマ中で分解され、F原子が取れたC原子同士が結合して反応生成物としてポリマーを形成する。よって、形成途中の溝1aの側壁と底面に、反応生成物が堆積し得る。このとき、基板にバイアスが印加されることによるエッチングの異方性により、溝の底面に堆積するポリマーは溝の側面に堆積するポリマーより除去されやすい。その結果、溝の側面に堆積したポリマーにより、溝1aの底部の側壁近傍の部分(主として底部の角部)がマスクされ、角部に入射されるイオン量が少なくなり、エッチングが進行し難くなる。一方、溝1aの底部の角部以外は、優先的にエッチングが進行する。その結果、底部の角部は、例えばテーパ状もしくは曲面になる。すなわち、溝1aの底部に面取りされた角部101が形成される。
When the second process gas contains CH 2 F 2 , the CH 2 F 2 in the second plasma is decomposed in the plasma, and the C atoms from which the F atoms are removed combine to form a polymer as a reaction product. . Therefore, reaction products may be deposited on the sidewalls and bottom of the
溝1aの底部は、図1(c)では、テーパ状の角部と、概ね平坦な主要部とで形成されているが、角部が曲面状にエッチングされたり、底部が全体的にラウンド化された溝1aが形成されたりしてもよい。
In FIG. 1(c), the bottom of the
その後、微少な庇部や、残存するマスク2を除去する工程を行ってもよい。このような除去工程は、第1エッチング工程および第2エッチング工程に引き続いて、プラズマ処理装置の反応室内で行えばよい。例えばフッ素系のプラズマを用いれば、SiO2膜のマスクや微少な庇部を容易に除去し得る。
After that, a step of removing the minute eaves and the remaining
第2エッチング工程の雰囲気圧力P2(反応室内の圧力)は、例えば0.1~5Paであり、0.3~1Paであってもよい。雰囲気圧力がこのような範囲である場合、溝の角部が適度に面取りされるため、トレンチ型のMOSFET素子の作製に適している。 The atmospheric pressure P2 (pressure inside the reaction chamber) in the second etching step is, for example, 0.1 to 5 Pa, and may be 0.3 to 1 Pa. When the atmospheric pressure is within such a range, the corners of the grooves are appropriately chamfered, which is suitable for fabricating a trench type MOSFET element.
第1エッチング工程によるSiCのエッチング量W1と、第2エッチング工程によるSiCのエッチング量W2との比:W1/W2は、例えば4~20であればよい。ここで、各エッチング工程によるエッチング量とは、各エッチング工程の開始から終了までの間に減少するSiC基板の体積に相当し、より簡易には、溝の深さの変化からエッチング量を測定し得る。溝の深さの変化は、各エッチング工程におけるエッチング速度とエッチング時間との積から算出すればよい。 The ratio W1/W2 between the amount W1 of SiC etched in the first etching process and the amount W2 of SiC etched in the second etching process may be 4 to 20, for example. Here, the etching amount in each etching process corresponds to the volume of the SiC substrate that decreases from the start to the end of each etching process, and more simply, the etching amount is measured from the change in the depth of the groove. obtain. The change in the depth of the groove can be calculated from the product of the etching rate and the etching time in each etching process.
(第2実施形態)
図3は、本発明の別の実施形態に係るSiC基板の製造方法の工程図である。本実施形態は、第2エッチング工程が異なる点以外、第1実施形態と概ね同様である。
(Second embodiment)
FIG. 3 is a process diagram of a method for manufacturing a SiC substrate according to another embodiment of the present invention. This embodiment is substantially the same as the first embodiment except that the second etching step is different.
本実施形態の第2エッチング工程では、溝1aの底部に面取りされた角部101を形成するだけでなく、更に、溝1aの上部の角部にも面取りされた角部102が形成される。第2エッチング工程では、マスク2の開口部2aの端部の角部は、イオンの入射によってエッチングされ、テーパ状に面取りされる。
In the second etching step of the present embodiment, not only the chamfered
第2エッチングの開始時点において、マスク2が適度な厚さを有する場合、第2エッチングの進行に伴ってマスク2が後退すると、開口部2aの開口端部(すなわち溝1aの近傍)では、マスク2から新たなSiC部分を露出させることができる。すなわち、第2エッチング工程の一部は、マスク2の開口部2aを拡大するステップAを兼ねている。
When the
新たに露出したSiC部分は、第2プラズマにより、例えばテーパ状にエッチングされ、面取りされた角部102が形成される。すなわち、第2エッチング工程の一部は、溝1aの上部の角部のSiC部分を面取りするステップBを兼ねている。ステップAとステップBとが完了するタイミングは、マスクの厚さ、もしくはエッチング選択比等により制御し得る。
The newly exposed SiC portions are etched by the second plasma, eg, tapered, to form chamfered
(マスク除去工程)
SiC基板に溝を形成した後、SiC基板の表面に形成されたマスクは除去される。マスクの除去は、マスクの種類に応じて公知の方法で行えばよい。例えばSiO2マスクは、ドライエッチングにより除去し得る。
(Mask removal process)
After forming the grooves in the SiC substrate, the mask formed on the surface of the SiC substrate is removed. The mask may be removed by a known method depending on the type of mask. For example, the SiO2 mask can be removed by dry etching.
以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be specifically described below based on examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
《実施例1》
(1)マスク形成工程
SiC基板(厚み:300μm)の一方の表面に、所定パターンのSiO2マスク(ラインアンドスペースL/S=2/4、厚み2μm)を既述の手順で形成した。
<<Example 1>>
(1) Mask Forming Step A SiO 2 mask (line and space L/S=2/4,
(2)第1エッチング工程
SiO2マスクを形成したSiC基板をプラズマ処理装置が備える反応室内に搬入して、反応室内に設けられたステージ上に載置した。
(2) First Etching Step The SiC substrate with the SiO 2 mask formed thereon was carried into the reaction chamber provided in the plasma processing apparatus and placed on the stage provided in the reaction chamber.
反応室内に第1プロセスガスを供給しながら反応室内を排気し、反応室内に第1プラズマを発生させ、SiO2マスクの開口部から露出したSiC部分をエッチングした。より具体的には、第1プロセスガスを反応室内に導入しつつ、反応室内を排気して、反応室内の圧力を0.6Paに維持した。1800Wの第1高周波電力(周波数:13.56MHz)を上部電極に供給し、下部電極からSiC基板に400W(基板の面積あたりの電力密度:約1.3W/cm2)のバイアス電力(第2高周波電力)を印加した。反応室内に発生させた第1プラズマに、80℃の温度のSiC基板の表面を45秒間晒すことにより、SiC基板をエッチングした。 While supplying the first process gas into the reaction chamber, the inside of the reaction chamber was evacuated, the first plasma was generated in the reaction chamber, and the SiC portion exposed from the opening of the SiO 2 mask was etched. More specifically, the pressure in the reaction chamber was maintained at 0.6 Pa by evacuating the reaction chamber while introducing the first process gas into the reaction chamber. A first high frequency power of 1800 W (frequency: 13.56 MHz) is supplied to the upper electrode, and a bias power ( second RF power) was applied. The SiC substrate was etched by exposing the surface of the SiC substrate at a temperature of 80° C. for 45 seconds to the first plasma generated in the reaction chamber.
第1エッチング工程により、SiC基板には深さ0.4μmの断面矩形の溝が形成された。第1エッチング工程におけるエッチング速度は、約0.6μm/分であった。なお、溝の幅方向のエッチング速度Rwは、SEM観察では測定下限以下である。 A groove having a rectangular cross section and a depth of 0.4 μm was formed in the SiC substrate by the first etching process. The etching rate in the first etching step was approximately 0.6 μm/min. Note that the etching rate Rw in the width direction of the groove is below the lower limit of measurement in SEM observation.
第1プロセスガスとしては、SF6、O2およびArの混合ガスを、SF6/O2/Ar=12sccm/6sccm/72sccmの流量で供給した。 As the first process gas, a mixed gas of SF 6 , O 2 and Ar was supplied at a flow rate of SF 6 /O 2 /Ar=12 sccm/6 sccm/72 sccm.
(3)第2エッチング工程
第1エッチング工程に続いて、反応室内に第2プロセスガスを供給しながら反応室内を排気し、反応室内に第2プラズマを発生させ、反応室内の圧力を0.6Paに維持した。次いで、1800Wの第1高周波電力を上部電極に供給し、下部電極からSiC基板に30W(基板の面積あたりの電力密度:約0.03W/cm2)のバイアス電力(第2高周波電力)を印加した。反応室内に発生させた第2プラズマに80℃の温度のSiC基板の表面を90秒間晒すことにより、SiC基板の溝の底部の角部を丸め、曲面を形成した。溝の角部の曲率半径は50nmであった。
(3) Second etching step Following the first etching step, the reaction chamber is evacuated while supplying the second process gas into the reaction chamber, the second plasma is generated in the reaction chamber, and the pressure in the reaction chamber is reduced to 0.6 Pa. maintained at Next, a first high-frequency power of 1800 W is supplied to the upper electrode, and a bias power (second high-frequency power) of 30 W (power density per substrate area: about 0.03 W/cm 2 ) is applied from the lower electrode to the SiC substrate. bottom. By exposing the surface of the SiC substrate at a temperature of 80° C. to the second plasma generated in the reaction chamber for 90 seconds, the bottom corners of the grooves of the SiC substrate were rounded to form a curved surface. The radius of curvature of the groove corners was 50 nm.
第2プロセスガスとしては、CH2F2およびArの混合ガスを、CH2F2/Ar=12sccm/72sccmの流量で供給した。 As the second process gas, a mixed gas of CH 2 F 2 and Ar was supplied at a flow rate of CH 2 F 2 /Ar=12 sccm/72 sccm.
SiC基板に形成された溝の深さは0.5μm、アスペクト比は1.0であった。溝の底部の断面形状のSEM画像を図4に示す。図4に示されるように、底部の角部が面取りされ、曲面になっていることが確認できる。 The groove formed in the SiC substrate had a depth of 0.5 μm and an aspect ratio of 1.0. A SEM image of the cross-sectional shape of the bottom of the groove is shown in FIG. As shown in FIG. 4, it can be confirmed that the bottom corners are chamfered to form a curved surface.
《実施例2》
SiO2マスクの厚みを1μmに変更したこと以外、実施例1と同様の操作を行った。その結果、第2エッチング工程で、SiO2マスクの開口部が拡大し(ステップA)た。また、マスクの開口部が拡大したことにより、溝の上部の角部のSiC部分がエッチングされ、角部が丸められ、曲面が形成された(ステップB)。溝の上部の角部の曲率半径は、約50nmであった。
<<Example 2>>
The same operation as in Example 1 was performed except that the thickness of the SiO 2 mask was changed to 1 μm. As a result, the opening of the SiO 2 mask was enlarged in the second etching step (step A). In addition, since the opening of the mask was enlarged, the SiC portion of the upper corner of the groove was etched, the corner was rounded, and a curved surface was formed (Step B). The radius of curvature of the upper corners of the grooves was about 50 nm.
本発明によれば、実用的なエッチング速度で、SiC基板に底部の角部が面取りされた溝を形成することができる。よって、本実施形態は、SiC基板に溝を形成する様々な用途に利用でき、特にトレンチ型のMOSFET素子に有用である。 According to the present invention, grooves with chamfered bottom corners can be formed in a SiC substrate at a practical etching rate. Therefore, the present embodiment can be used for various purposes for forming trenches in a SiC substrate, and is particularly useful for trench-type MOSFET devices.
1:SiC基板、1a:溝、2:マスク、2b:開口部、11:ステージ、12:金属ブロック、13:ベース部、14:冷却装置、15:冷媒循環装置、16:静電吸着用電極、17:駆動電源、18:伝熱ガス源、19:コントローラ、21:プラズマ処理装置、23a:導入口、23b:排気口、24:ガス供給源、25:減圧機構、26:誘電体壁、27:アンテナ、28A:第1高周波電源、28B:第2高周波電源、101、102:面取りされた角部 1: SiC substrate, 1a: groove, 2: mask, 2b: opening, 11: stage, 12: metal block, 13: base, 14: cooling device, 15: refrigerant circulation device, 16: electrostatic adsorption electrode , 17: drive power supply, 18: heat transfer gas source, 19: controller, 21: plasma processing apparatus, 23a: introduction port, 23b: exhaust port, 24: gas supply source, 25: decompression mechanism, 26: dielectric wall, 27: antenna, 28A: first high-frequency power supply, 28B: second high-frequency power supply, 101, 102: chamfered corners
Claims (8)
第1プロセスガスを用いて生成させた第1プラズマにより、前記SiC基板の前記開口部から露出したSiC部分を異方エッチングして溝を形成する第1エッチング工程と、
少なくともCH2F2 と希ガスとを含む第2プロセスガスを用いて生成させた第2プラズマにより、前記溝に対応するSiC部分を更にエッチングして前記溝に角部が面取りされた底部を形成する第2エッチング工程と、を備える、SiC基板の製造方法。 providing a SiC substrate with a mask having openings;
a first etching step of anisotropically etching the SiC portion exposed from the opening of the SiC substrate by a first plasma generated using a first process gas to form a groove;
A second plasma generated using a second process gas containing at least CH 2 F 2 and a noble gas further etches the SiC portion corresponding to the trench to form a chamfered bottom of the trench. and a second etching step.
第1プロセスガスを用いて生成させた第1プラズマにより、前記SiC基板の前記開口部から露出したSiC部分を異方エッチングして溝を形成する第1エッチング工程と、a first etching step of anisotropically etching the SiC portion exposed from the opening of the SiC substrate by a first plasma generated using a first process gas to form a groove;
少なくともCHat least CH 22 FF. 22 を含む第2プロセスガスを用いて生成させた第2プラズマにより、前記溝に対応するSiC部分を更にエッチングして前記溝に角部が面取りされた底部を形成する第2エッチング工程と、を備え、a second etching step of further etching the SiC portion corresponding to the groove by a second plasma generated using a second process gas containing ,
前記第2エッチング工程が、前記開口部を拡大するように前記マスクをエッチングして、前記溝の上部に新たにSiC部分を露出させるステップAと、a step A in which the second etching step etches the mask to enlarge the opening to expose a new SiC portion above the trench;
前記新たに露出したSiC部分をエッチングして、前記溝の上部の角部のSiC部分を面取りするステップBと、を含む、SiC基板の製造方法。Etching the newly exposed SiC portion to chamfer SiC portions at upper corners of the grooves.
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