JPH079901B2

JPH079901B2 - 減圧湿式エッチング法

Info

Publication number: JPH079901B2
Application number: JP62294040A
Authority: JP
Inventors: 誠内山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1987-11-24
Filing date: 1987-11-24
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH01136340A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕この発明は、例えば半導体装置の金属膜等を所定のパタ
ーンにエッチングするためのエッチング法に関し、特
に、減圧下で行なう湿式エッチング法において減圧条件
をコントロールすることにより精度良くエッチングする
方法に関する。

〔従来技術〕

従来の減圧エッチング法としては、例えば第４図に示す
ごとき装置を用いる方法がある。

第４図において、エッチング槽１にはエッチング液２が
満たされ、また、ウェハキャリア５にマウントされた半
導体ウェハ６が一定温度にコントロールされたエッチン
グ液２に浸漬されている。そして半導体ウェハ６の表面
には、通常は部分的に絶縁膜を介して形成された金属膜
等の被エッチング部が形成され、その上に特定の配線を
形成するためにフォト工程によって形成されたレジスト
パターンが設けられている。

また、気密に構成されたエッチング槽１の空間部（エッ
チング液２の上方）は、真空ポンプ10によって引かれ減
圧されるようになっている。

上記の減圧状態は、エッチング終了検知センサ12からの
信号を受けて作動するタイムコントローラ11によって設
定される一回のエッチング試行中のあいだ所望の一定の
真空度に保たれる。上記の一定の真空度に保つには、例
えば真空ゲージ４によって真空度の情報を検出し、それ
を受けたコントローラ３によってスローリーク弁７を開
閉することにより、真空度を容易に一定の値にコントロ
ールすることが出来る。

上記のごとき減圧下で行う湿式エッチングは、減圧しな
い常圧下でのエッチングに対して次のような利点を有す
る。

すなわち、半導体基板上に形成されたAl等の金属膜等の
湿式エッチングにおいては、エッチング液として通常、
酸溶液またはアルカリ溶液が用いられるが、例えばAl膜
をリン酸水溶液等でエッチングする場合のように、エッ
チングの結果としてH₂等のガスが生成される。このよう
な例は多数あり、金属膜のエッチングだけでなく、例え
ばSiをヒドラジンで電解エッチングする場合にもH₂ガス
が発生する。

ところが、エッチング中にその被エッチング物表面から
発生するガスの気泡を速やかに除去することが出来ず、
長時間一定の表面部位に付着したままになると、それら
の部分のエッチングが進行せず、エッチング残りが生じ
るので、所望の配線パターンが得られず、配線間の短絡
（ブリッジ）が発生する等のトラブルが生ずる。

このようなトラブルに対して、減圧エッチングにおいて
は、エッチング中に発生する気泡を急激に膨張させ、す
みやかにウェハ面から離脱させるので、エッチング残り
を防止することが出来る、という利点があり、更に、圧
力がエッチング槽内で分布を生じないので気泡の離脱が
ウェハ全面で均一に発生するため、エッチング面のリフ
レッシュが行なわれ、同時にエッチング液が攪拌される
ので濃度ムラや温度ムラが少なくなり、ウェハ内および
ウェハ間の均一性が良好になる等の効果がある（例え
ば、高野“電子材料"p.91,1983年３月号及びジャーナル
オブエレクトロケミカルソサイティ Hara,T et
al.“Journal of Electrochemical Society,vol.132,p.
2973 1985年に記載）。

上記のごとき減圧エッチングは、そのエッチングの終点
を光学的手法あるいは電気的センシングによって検出す
る機構などを備え、ウェハ上に形成される厚さ、幅とも
にμｍオーダーの微細寸法のエッチング装置として実用
化されている（例えば、前記文献、及び“金属の表面技
術"vol.36,p.693 1985年に記載）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のごとき従来の減圧湿式エッチング
においては、所要の配線幅よりも細くエッチングされて
しまう個所が生じる等のように、微細寸法の配線パター
ンを均一に精度良くエッチング加工することが難しい場
合がある。このように所望の配線幅より細くエッチング
されてしまうような個所が生ずると、半導体装置の信頼
性が低下し、品質の劣化を招いてしまう、という問題が
ある。

上記問題の生じる原因としては、次のようなことが考え
られる。

すなわち、Al膜あるいはAl合金膜等からなる半導体基板
上の配線は、通常キャリアとしてのボロン、リン等のイ
オンを一定濃度含んだ半導体ウェハ上に設けられた酸化
膜等の絶縁膜の上に形成され、その末端部または適宜の
中間位置で半導体ウェハに電気的に接続されている。そ
してその接続は、或るものはウェハの表面近くのpn接合
等によって電気的に絶縁されており、或るものはウェハ
のほぼ全体と電気的に接続された状態にある。したがっ
て、或る一区切りの配線部分はウェハと通電し、他の或
る部分はウェハと絶縁されていることになる。

第５図は、上記の状態を示す図である。

第５図において、例えばSiウェハ40上に形成されたAl膜
をリン酸でエッチングする場合、初期の段階では各配線
は分離されていないため、Al膜のほとんどがウェハと電
気的に通じており、AlとSiとの間で異種金属接触による
腐食反応が起こり、Alが陽極（アノード）、Siが負極
（カソード）となってAlの溶解が促進される。勿論、Al
膜の不均一性（不純物の偏析、歪、表面状態等）によ
り、Alは局部電池使用によっても溶解する。そしてアノ
ード側のAlは溶解し、カソード側ではH₂が発生すること
になる。

次に、エッチングが進行し、各配線が分離されると、第
５図（Ａ）、（Ｂ）に示したAlの配線部30が形成され
る。（Ａ）においては、AlとSiの接触点Ｘ及びＹではpn
接合部分が逆バイアスとなってAlとSiは絶縁されている
が、接触点ＺではAlとSiは電気的に通じている。この結
果、（Ａ）の配線部30はSiと通電していることになる。
一方、（Ｂ）においては、接触点はＸ及びＹのみであ
り、AlとSiは絶縁されている。

従って（Ａ）において配線部30がエッチングされる際に
は、Alである配線部30がアノードとなり、Siウェハ40が
カソードとなってAlのエッチングは促進されることにな
る。一方（Ｂ）においては、AlはSiと絶縁分離されてい
るため、Alの溶解は局部電池作用のみによって生ずるこ
とになる。そのため、（Ａ）に示すAlと（Ｂ）に示すAl
とではエッチング速度に差が生じ、一定時間のエッチン
グ後にフォト工程で形成したレジスト下のアンダーカッ
トは、（Ｂ）では少なく（Ａ）では多くなり、（Ａ）は
（Ｂ）に比べてその幅が極めて細くなるので、配線幅に
バラツキが生ずることになる。

上記のごとき現象は、減圧下でなく常圧下におけるエッ
チングにおいても生ずるが、常圧下のエッチングにおい
ては、（Ａ）と（Ｂ）との差異は小さい。例えば、常圧
（大気圧）、50℃、エッチング液85wt％リン酸、手動攪
拌、の条件で３インチウェハ上の１μｍ厚のAl/Si（１
％）膜（Siを１％含むAl合金膜）をエッチングすると、
前記第５図の（Ａ）タイプと（Ｂ）タイプの配線の幅の
差は約４％以内である。これに対して、30torrの減圧下
で上述のエッチングを行なうと、Al膜の性質やエッチン
グ液の疲労度にも影響を受けるが（Ａ）タイプと（Ｂ）
タイプとでは、配線幅に最大約40％の差が生ずる。

本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するため
になされたものであり、前記のごとき減圧湿式エッチン
グの利点を生かしながら、上記のごとき問題点を解消し
た減圧湿式エッチング法を提供することを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明においては、半導体
基板と該半導体基板上の一部に選択的に形成された絶縁
膜との上に金属薄膜を形成した被エッチング物体を、気
密エッチング槽内のエッチング液に浸漬し、上記気密エ
ッチング槽内の空間部分を減圧して、大気圧よりも所定
の減圧値だけ低い圧力下でエッチングを行ない、かつ、
エッチングの一試行中、すなわち所定の形状を得るため
のエッチング期間中に、上記所定の減圧値を大気圧方向
に変化させたのち上記所定の減圧値に戻す制御を少なく
とも１回以上行なうことにより、半導体基板と該半導体
基板上の一部に選択的に形成された絶縁膜との上に形成
された金属薄膜を減圧下でエッチングして、同一半導体
基板内で、該半導体基板に電気的に接続された金属配線
となる部分と該半導体基板に電気的に絶縁された金属配
線となる部分とを形成するように構成している。

なお、作用の詳細は後述する。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明に用いるエッチング装置の一実施例図
である。

第１図の装置は、前記第４図の装置に、湿式エッチング
の一試行中にエッチング槽１内の減圧条件を波動状に変
化させるための下記のごとき手段を追加したものであ
る。

すなわち、第１図において、21は減圧力を大気に逃すリ
ーク用電磁弁、20はエッチング槽１中の圧力を検出しな
がらリーク用電磁弁21の開閉を時間的にコントロールす
るタイマ付コントローラであり、その他、第４図と同符
号は同一物を示す。

また、Siウェハ６上には、例えばエッチングされるAl/S
i（１％）膜が形成され、更に、該膜を所定パターンに
エッチングするためのレジストが該Al/Si（１％）膜上
にフォト工程によって形成されている。また、エッチン
グ槽１中には、エッチング液２として、例えば85wt％の
リン酸水溶液が入れられており、液温度は一定にコント
ロールされている。なお、ウェハ６は、前記図５と同様
に、Siウェハの上に絶縁層を介してAl/Si（１％）膜が
形成された部分と、絶縁層を介さずに直接にAl/Si（１
％）膜が形成された部分とがあるものであり、エッチン
グ後は、Si基板と電気的に接続されたAl配線部分と、Si
基板と電気的に絶縁されたAl配線部分とを形成するもの
である。

操作方法例は次のようである。

エッチング液２が一定操作温度、例えば50℃でほぼ一定
になったところで、エッチング液２中にウェハキャリア
５ごとウェハ６を浸漬すると、エッチング液２に接する
Al/Si（１％）膜の表面部分が溶解反応してエッチング
が進行する。

このエッチング中における減圧条件は、例えば第２図に
示したように変化させる。

すなわち、初期圧力をP₁（大気圧を用いることが現実的
であり、以下は大気圧ということで説明する）に設定
し、一定期間θ_１でP₂まで圧力を低下させ、次に一定期
間θ_２のあいだ圧力をP₂に保ち、次に期間θ_３のあいだ
に再び圧力をP₁に戻す。上記の圧力変化をエッチング終
了までに何度か周期的に繰り返す。

上記の制御において、減圧は、常にロータリー真空ポン
プ10を運転させておくことにより実現する。また、ロー
タリー真空ポンプ10の動作は、エッチング終了検知セン
サ12の終了信号を受けてから、それまでのエッチング所
要時間の約１割の期間のあいだ後押しエッチングするよ
うにタイムコントローラ11によってコントロールされ
る。

また、圧力を一定期間のあいだ一定値P₂に保つ操作は、
ロータリー真空ポンプ10によって常に一定に引かれてい
る減圧力に対して、エッチング槽１中の圧力を真空ゲー
ジ４で検出し、その結果に応じてコントローラ３がスロ
ーリーク弁７を制御することによって実現される。すな
わち、真空ゲージ４の検出値からエッチング槽１中の圧
力がP₂より高くなったことが検出されると、コントロー
ラ３によってスローリーク弁７を閉じて減圧の程度を大
きくし、逆に、圧力がP₂より低くなると、スローリーク
弁７を開いて減圧を逃すように制御する。

また、圧力をP₂に保つ一定期間θ_２は、タイマ付コント
ローラ20によってコントロールされる。すなわち、圧力
がP₂になったことを真空ゲージ４が検出した時点から一
定期間θ_２経過した時点でリーク用電磁弁21を開にす
る。そしてリーク用電磁弁21を開にして圧力を上昇さ
せ、真空ゲージ４によってエッチング槽１中がP₁になっ
たことを検出した時点で、タイマ付コントローラ20によ
ってリーク用電磁弁21を閉にする。

上記の圧力をP₁まで戻す期間θ_３は、リーク用電磁弁21
の径の大きさと圧力P₂によって決まる時間であるが、リ
ーク用電磁弁21を充分大きくすれば通常数秒以下であ
る。

以上の操作を後押しエッチング終了までくり返すことに
より一回のエッチングが終了する。

例えば、P₁＝大気圧、P₂＝17torr、θ_１＝10秒、θ_２＝
60秒、θ_３＝３秒とし、スパッタリングによって成膜し
た厚さ１μｍのAl/Si（１％）膜の５μｍルールで設計
されたICの配線幅のパターンエッチングを行った結果に
おいては、前記第５図の（Ａ），（Ｂ）の各状態の配線
幅の相対差はほとんどみられなかった。ちなみに、同時
に形成したAl/Si（１％）膜に対して、圧力以外の条件
を同一にし、圧力を17torrの一定圧で行なった通常の減
圧エッチングの場合における配線の相対差は約0.8μｍ
であり、上記の本発明の例に比して大幅に大きくなっ
た。

なお、本発明の方法においては、線幅以外の配線の特性
（均一性等）も通常の減圧エッチングの場合より優れて
いた。

次に作用を説明する。

減圧下でのエッチングによってパターニングされた配線
幅に大きな差がみられるのは、エッチング反応によって
生成する気体の泡が被エッチング金属表面を気体膜とし
て覆う現象がエッチング反応に大きくかかわっているた
めと考えられる。

すなわち、エッチングが進行して前記第５図の（Ａ），
（Ｂ）で示した２つのパターン配線部分に分離された時
に、気泡に覆われた（Ａ）のパターンの配線では、例え
ばAl−Siウェハ間での異種金属接触によるエッチング反
応が起こり、ウェハ裏面からH₂の気泡を発生させ、同時
に気泡に覆われているにもかかわらず気泡と被エッチン
グ金属表面との界面に微量存在する溶液中にAl等の金属
イオンとなって溶出することが出来る。これらのカチオ
ンはこの気体膜を形成する気泡同志の界面をなす溶液を
通して溶液バルク中へ拡散してゆく。このように（Ａ）
のパターンではエッチング反応は進行する。勿論、同時
に、気泡と金属表面間の溶液中にH⁺等のカソードにおい
て気体生成に寄与するカチオンが存在すれば、局部電池
の形成によってもエッチング反応は進行することにな
る。

配線が（Ａ），（Ｂ）に分離される以前は、配線全てが
ウェハ裏面からの発泡を伴う異種金属接触によるエッチ
ング反応と局部電池によるエッチング反応とによってエ
ッチングされていることになるが、エッチングが進行し
て配線が（Ａ），（Ｂ）に分離され、（Ａ）のみがエッ
チングされることになると、それ以前よりも（Ａ）のエ
ッチングはむしろ加速されることになる。このことは実
測されていることと整合性がある。

一方、（Ｂ）タイプの配線は、気泡に覆われたまま気泡
−金属表面間の溶液中に気体生成用カチオンが無くなる
とほとんど反応は進行しなくなる。つまり、気泡膜がエ
ッチングに対して不動態的に作用し、エッチングを阻害
していることが考えられる。

以上述べた現象における金属表面を覆う気体膜は、減圧
の程度が大きくなる（低圧になる）ほど金属表面を均一
に、しかも薄く覆う（すなわち気泡離れが悪い）ことが
考えられる。

以上のことは実測結果とも整合性があり、操作圧力と配
線幅相対差との関係としては第３図に示す例が得られて
いる。すなわち、通常の減圧エッチングにおいては、圧
力Ｐが小さく（減圧が大きく）なるに従って配線幅相対
差ΔＬが大きくなる。

上記の現象に対して、本発明のごとく、圧力条件を第２
図のように変化させることは、上記の被エッチング金属
表面を覆う気泡膜をエッチング中に或るサイクルで消失
させる作用効果があると考えられる。すなわち、減圧P₂
から大気圧P₁に戻してやることによって気泡膜は振動さ
せられ、それによって金属表面から剥離する。その際、
多数の気泡の合体等が起こり、更に剥離に効果的である
ことも充分考えられる。

なお、第２図の特性は、本発明における減圧条件の一例
であり、上記の原理のように、エッチング中に圧力を変
化させて気泡の剥離を促進することが出来る特性であれ
ば、第２図の特性に限られるものではない、ことは言う
までもない。例えば、第２図の特性においては、最大圧
力P₁と最低圧力P₂の値が常に一定値になっているが、大
気圧以下であれば変化させてもよい。

また、減圧条件を変化させる機構も上記の例に限られる
ものではない、ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、この発明によれば、減圧下で
行う湿式エッチングにおいて、エッチングの一試行中に
減圧条件を変化させる方法としたため、エッチングによ
って形成される金属配線間の線幅のバラツキを小さくす
ることが出来るという効果を、減圧エッチングの利点を
損なうことなく比較的簡単な既存装置の改善によって実
現することが出来る、という優れた効果が得られる。

また、本発明の方法においては、通常の減圧エッチング
よりも更にエッチング反応の生じている界面近傍を攪拌
する効果もあり、それによって濃度ムラや温度ムラをな
くし、物質移動を促進するので、被エッチング面の均一
性の向上やエッチング速度の向上にも寄与することが出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法に用いる装置の一実施例図、第２
図は本発明の減圧条件の一実施例図、第３図は圧力と形
成配線幅の相対差との特性図、第４図は従来装置の一例
図、第５図は問題点説明用のAl配線パターン図である。＜符号の説明＞１……エッチング槽、２……エッチング液、３……スローリーク弁開閉用コントローラ、４……真空ゲージ、５……ウェハキャリア、６……ウェハ、７……スローリーク弁、８……配管、９……エッチング液ガストラップ、 10……ロータリー真空ポンプ、 11……タイムコントローラ（エッチング終了検知受信機
付）、 12……エッチング終了検知センサ、 20……タイマ付コントローラ、 21……リーク用電磁弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と該半導体基板上の一部に選択
的に形成された絶縁膜との上に金属薄膜を形成した被エ
ッチング物体を、気密エッチング槽内のエッチング液に
浸漬し、上記気密エッチング槽内の空間部分を減圧して、大気圧
よりも所定の減圧値だけ低い圧力下でエッチングを行な
い、かつ、エッチングの一試行中、すなわち所定の形状
を得るためのエッチング期間中に、上記所定の減圧値を
大気圧方向に変化させたのち上記所定の減圧値に戻す制
御を少なくとも１回以上行なうことにより、半導体基板と該半導体基板上の一部に選択的に形成され
た絶縁膜との上に形成された金属薄膜を減圧下でエッチ
ングして、同一半導体基板内で、該半導体基板に電気的
に接続された金属配線となる部分と該半導体基板に電気
的に絶縁された金属配線となる部分とを形成する減圧湿
式エッチング法。