ビーム実験による次世代半導体Ga2O3のプラズマエッチング表面反応機構の解明

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K03522
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 伊藤 智子 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (10724784)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 次世代半導体材料 / ガリウムオキサイド / 反応性イオンエッチング / イオンビーム

Outline of Annual Research Achievements

酸化ガリウム(Ga2O3)は、次世代パワーデバイス用ワイドギャップ半導体材料として、近年、注目を集めている材料である。将来、Ga2O3パワーデバイスの実用化にあたっては、従来の半導体材料で用いられてきた反応性プラズマエッチングプロセスの適用が必要不可欠である。しかしながら、Ga2O3に対するプラズマ固体表面反応の反応機構が未解明なため、適用にまでは至っていない。本課題は、反応性プラズマ中の多様な活性種とGa2O3表面との反応について、反応性イオンビーム照射実験によりプラズマ中の活性種毎の反応素過程を明らかにすることでプラズマ固体表面反応機構の解明し、Ga2O3の反応性プラズマエッチングプロセス開発の支援の目的とした。
反応性プラズマ活性種の中でエネルギーを持って基板に入射するイオンが最もエッチング反応に寄与すると考えられることから、所望の質量のイオンのエネルギーを制御してイオンビームを照射可能な質量分離イオンビーム装置を用いて、反応性イオンビーム照射によるGa2O3のエッチング特性の評価を行った。
反応性イオンとしては、従来のSi系材料のエッチングに使用されてきた塩素やフッ素を含んだハロゲンイオンを用い、2keV-4keVのエネルギーのCl+イオン及びCF3＋イオンビーム照射し、エッチングイールド測定及びXPS(X線光電子分光装置)を用いた表面分析を行った。エッチングイールド測定に関しては、物理的スパッタによるエッチングが進行するAr＋イオンビーム照射実験も行うことで、ハロゲンイオンによるエッチングイールドとの比較を行い、ハロゲンイオンの化学的な効果によるエッチングを評価した。その結果、Cl+イオンでは、主に物理的スパッタにより、エッチングが進行することが判明した。CF3＋イオンに関しては、高いエッチングイールドを示し、化学的なエッチングが進行していることが明らかとなった。