JPS58130529A - 半導体のエツチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体のエツチング法、特にマイクロ波プラズ
マを使用したシリコン基板のエツチング方法に関する。

半導体装置の製造においては、シリコン基板をエツチン
グにより所望の形状に加工する工程を含むことが多い。

そしてこのエツチング液根には、工程が簡易であること
、処理時間が短かいこと、高精度であること、エツチン
グ面が平坦であること等が要求される。例えば、半導体
圧力センサのように、センナ部では半導体基板の殆んど
をエツチングで除去し、残り九半導体基板の厚さ及び形
状で感度及び強度が決定される半導体装置の製造に使用
されるエツチングでは、なかで４高精度の加工が要求さ
れる。

半導体のエツチング方法として杜、液体雰囲気を用いる
ウェットエツチングとガス雰囲気を用いるドライエツチ
ングとが知られている。前者の方法は、エツチング条件
を適切に選定すれば所望のエツチング形状が比較的精度
良く得られ、かつエツチング面も平坦面となることから
広く使用されている。しかしながら、このウェットエツ
チングは、（１）半導体基板をエツチング液中に浸漬す
るためエツチングしない表面はすべて耐蝕性膜で被膜し
、エツチング終了後にそれを除去しなければならず工程
が複雑になること、（２）エツチング速度が結晶面の影
響を受けないエツチング液即ち等方性エツチング液を使
用する時にはサイドエツチングの丸めにパターン精度が
悪く、これはエツチング深さが大きくなる程著しくなる
こと、（３）結晶面によってエツチング速度の異なるエ
ツチング液即ち異方性エツチング液を使用する時にはサ
イドエツチングが少なく直線状のパターンでは比較的高
精度が得られるが、曲線状のパターンではパターン精度
が悪くなること、（４）どのようなエツチング液を使用
しても主表面に対し垂直な側面を有するエツチング面は
得られず、深さ方向に対して主表面と平行をなす断面積
が小さくなるように傾斜し九＠面となるため、渫いエツ
チングにおいてはパターン精度が相当悪くなること、（
５）処理時間が長いこと、等の欠点を有している。一方
、後者の方法は工程が簡単で処理時間が短かくしかも浅
いエツチングの場合にはパターン精度が良いことから最
近ＬＳＩの分野で使用されているが、これは１〜２μｍ
のエツチング深さのものが殆んどで、１０数μｍから数
１０μｍ更には１００μｍという際いエツチングには使
用されていない。その理由は発明者らの行なった各種実
験より次のように推測される。第１の理由は深いエツチ
ングになるとエツチング面より物理的にイオンで叩き出
すような作用が生じ、エツチング面が凹凸になる丸めと
考えられる。例えば、５ｉＯ１上にＡｊを被覆し九マス
クを使用し、ＣＦ４を雰囲気ガスとする平行平板型電極
によりシリコン基板を１００μｍの深さにエツチングし
たところ、エツチング面（凹部の底面）は最大３０μｍ
の凹凸が存在してい友。第２の理由は、マスクとして蝦
とも適している８１０ｍを使用した時の選択比（８１の
エツチング速度／５ｉｎｓのエツチング速度）は大部分
が１０以下であり報告されているものの最大で４３０で
あることから、高信頼性をもってエツチングできる深さ
はマスクの厚さの一１０程度度であり、マスタの厚さは
シリコン基板との熱膨張係数の差に基づく基板の湾曲を
考直すると１Ｉｓｎｔ以下にしなければならず、８１０
８をマスクにして信頼性の＾いエツチングが可能なエツ
チング深さがｌＯμｍｓ度に限定される丸めと考えられ
る。選択比を大きくするために８ｉＱ、上にＡｔの如き
金楓を槓ｌ−することが考えられるが、この場合にはエ
ツチングガスを２樵−使用するため工程が複雑になるだ
けでなく、５ｉｎｓに形成した窓部とｋｔに形成し九そ
れとがそれぞれを形成するときのレジスト膜厚の相違、
位置合せの不十分等に基づき一致せずパターン精度が低
下するという欠点がある。

以上のように、これまで知られている半導体のエツチン
グ方法では、簡単な工程で高いパターン精度を有する深
いエツチングは不可能であった。

本発明の目的は、上述の欠点を除去した改良された半導
体のエツチング方法を提供することにある。本発明の目
的を具体的に言えば、簡単な工程で高いパターン精度を
有する深いエツチングの可能な半導体のエツチング方法
を提供することにある。

かかる目的を奏する本発明半導体のエツチング方法の特
徴とするところは、雰囲気ガスとして縦索を含むガスを
除くガスを使用すると共に雰囲気ガスの圧力を５Ｘ１０
”Ｔｏｒｒ以上としｆｔ−１イクロ波プラズマエツチン
グによりシリコン酸化膜をマスクとしてシリコン基板を
選択的にエツチングする点にある。

マイクロ波プラズマエツチングとは、所定圧の雰囲気ガ
スをマイクロ波で励起してプラズマを発生させ、プラズ
マ中の励起原子、分子（正イオンとラジカル）と固体材
料との化学反応によって揮発性または蒸気圧の嵩い反応
生成物を生成する反応を利用して、固体材料を気相でエ
ツチングする方法で、この基本的な原理は知られている
。

マイクロ波プラズマエツチングには無磁場で上述の反応
を生じさせるものと有磁場で上述の反応を生じさせるも
のとがあシ、前者は等方性エツチングであるに対し後者
は異方性エツチングであり後者がパターン精度の点で多
少優れている。ま九、後者は低ガス圧で尚密度のプラズ
マが得られ、このためガス圧を同一とした場合エツチン
グ速度が大きくなるという利点もある。本発明は無磁場
、有磁場のいずれにも適用できるが、後者の有磁場マイ
クロ波プラズマエツチングの方が本発明の目的を達成す
る上では好ましい。

マイクロ波プラズマエツチングの雰囲気ガスとしては、
原子半径が小さく電気的陰極性が大きい弗素系ガスが使
用される。これまでＬＳＩの分野でｖ＃１されてき九弗
素系ガスは、ＣＦ４が主で、他にＣＩＦ＃　ｔ　Ｃ５Ｆ
ｓ　＊　ＣＦｓＣｌ、　ＣＦｚＣｔｚ　＊ＣＣ１ＩＦ、
ＣＰ、Ｂｆ等がある。このよりなＣを含むガスの場合に
は、エツチング速度が小さいため深いエツチングに適用
すれば処理時間が長くなること、エツチング深さが大き
くなるに恢ってエツチング面の凹凸が大きくなること寺
の欠点がある。

本発明では上述の欠点を除去するためにＣを含まないガ
ス、例えば８Ｆｓ　ｅ　ＮＦｓ　＋　Ｆｚ　、　ＸｅＦ
ｍ等から選ばれた少なくとも一橋類のガスを使用する。

このような雰囲気ガスを１史用した有磁場マイクロ波プ
ラズマエツチングによれば、３０〜１００μｍの深いエ
ツチングを行なってもエツチング面の凹凸を１μｍ以下
にすることができるのである。

次に雰囲気ガスの圧力であるが、これは１０重をマスク
として３０μｍを越えるエツチングをするために重要で
ある。第１図はＳＦ・を雰囲気ガスとした有磁場のマイ
クロ波プラズマエツチングにおける雰囲気ガスの圧力と
８ｉ（ｌｌｌｉり及び８１０ｇ（点ｉりのエツチング速
度との関係を測定した結果を示している。この結果に基
づき雰囲気ガスと選択比（８ｉのエツチング速＊／８４
０ｓのエツチング速度）との関係を求めたのが第２図で
ある。この図によれば、雰囲気ガス圧が５Ｘ１０”’Ｔ
ｏｒｒ以下では選択比が小さくかつガス圧が変化しても
選択比が僅かしか変化しないが、５Ｘ１０″′４Ｔｏｒ
ｔを越えると選択比が３０を越えガス圧の変化に対する
選択比の変化も大きくなることがわかる。また、ガス圧
が３　Ｘ　１０−”Ｔｏｌｒに達すると選択比は１００
を越え、３Ｘ１０−”Ｔｏｒｒを越えると１００以上の
選択比が常に得られることもわかる。ガス圧が１０”’
Ｔｏｒｒを越えてもｉｏｏ以上２００近い選択比を得る
ことができるが、エツチングの都度チャンバ内を真仝に
して雰囲気ガスを供給するという作業を考慮すると、所
望の選択比が得られるガス圧のうちできるだけ低い圧力
でエツチングするのが好ましい。この雰囲気ガス圧と選
択比との関係は、ＳＦ＠以外のＮＦｓ　、　Ｐａ　。

Ｘ　ｅ　Ｆ　ｍを使用しｆＩ−場合においても殆んど同
一であった。ま九、第１図及び第２図の結果は有磁場の
マイクロ波プラズマエツチングにおけるものであるが、
無磁場のマイクロ波プラズマエツチングの場合には８！
及び５ｉｎｓのエツチング速度が有磁場に比較して多少
低下したが、ガス圧と選択比との関係社略第２図と同じ
であった。

本発明の他の特徴は、マスクに形成する窓部の面積によ
ってエツチング深さを変えるようにした点にある。半導
体装置の製作においては半導体基板に深さの異なる凹部
を形成する必要性が多く、このような場合に本発明を適
用すれば１回のエツチングで深さの異なる凹部を形成で
きる。

本発明の実施においては、マスクとしての８４０１膜の
厚さを、エツチングを終了した時に僅か（例えば数１０
〜数１００人）に残る程度に設定することが好ましい。

エツチングが終了するとその後にマスクを除去する工程
があり、エツチング終了時のマスク厚さを小さくするこ
とは工程短縮の上で効果が大きい。

以下本発明を実施例によｐ詳細に説明する。

第３図は本発明を適用して形成した半導体圧力士ンを用
のシリコン基板を示している。図において、一対の主表
面１１．１２を有するシリコン基板で、一方の主人Ｉｆ
１１１１１ｉｌに格子状く形成したペレタイズ用１１１
１３及びペレタイズ用１１１１３で包囲された方形状部
に形成し九円形状の凹部１４が形成されている。シリコ
ン基板ｌの他方の主表面１２の凹部１４に対応する部分
には、予め例えば選択拡散によってシリコン基板とは反
対導電型を有するセンサ領域（図示せず）が形成されて
いる。

このシリコン基板１線ペレタイズ用溝１３で分割し半導
体圧力センナとなる。

かかる半導体圧力センサ用のシリコン基板の製造方法に
ついて説明する。まず、他方の主表面の所〆個所にセン
サ領域を形成したシリコン基板を準備し、この基板の一
方の主表面１１に選択的に８４０ｓＪｆ！Ｉｔ−形成す
る。具体的には、シリコン基板の両主人面全面に熱酸化
法によって８４０．膜を形成し、これをホトエツチング
法によって選択的に除去している。一方の主表面上の８
１Ｏｎ膜はエツチング用マスクとして、他方の主噛面上
の８ｉＯｓ−はセン？領域を形成するときの拡赦用マス
クとしてそれぞれ便用される。−万の主表面に選択的に
形成した８４０ｓ膜としては、凹部１４及びペレタイズ
用溝１３に相当する個所が窓開けされ友ものとなる。次
に、このシリコン基板をマイクロ波グツズｉエツチング
装置のチャンバ内でエツチングする。これによって第３
図に示す形状の半導体圧力センナ用シリコン基板ｌが得
られる。

これを数値例で示すと次のようになる。

シリコン基板として厚さ２００μｍ１直径４０ｎａｍの
円板状単結晶シリコンウェハを便用し、−万の主＆面に
形成する５ｉ（ｈｉｌｌは０．６５μｍとし、これに幅
５０μｍ１間隔２．０１の格子状窓部及び格子状に包囲
され九部分の中央に直径１．６■の円形惣部を形成した
。このシリコン基板を、雰囲気ガスＳＰ−、ガス圧１×
１０−意’ｌ’ｏｒｒ、マイクロ波２．４５ＧＨ！とい
う条件で有磁場マイクロ波プラズマエツチングを８時間
５０分行なった。その結果、シリコン基板の一方の主狭
面には１ｉ５０μｍ１深さ６０μｍの格子状を有するペ
レタイズ用溝および直径１．６■、深さ１５０μｍの円
形凹部が形成された０円形臼部は、８１０ｍ膜に形成し
丸窓部と筒形状を有し、凹部の側面は主派面と直交する
平面で、底面は主表面と略平行をなす平面でそれぞれ形
成され、両面は一定の曲率半径を有する曲面で連らなる
形状でめつ九、ま九円形凹部の各面は最大凹凸０．５　
ｊ　ｍで略鏡面であつ九。陶、マスクとしての８１０１
膜はエツチング終了後０．０５＃ｎ１残っていた。この
ように、本発明によれば８１０ｍ膜をマスクとして１５
０μｍという極めて深いドライエッチイブ及び、マスク
形状通りのパターン精度の高いエツチングが可能である
ことがわかる。

また、本発明によれば、マスクに形成する窓部の面積（
特に幅）を変えることによりエツチング深さを賀えるこ
とができ、従ってＩＯＪ時に深さの異なる凹部を形成で
きるという効果がある。

次に比較例としてウェットエツチング及び従来のドライ
エツチングで同様の半纏体圧力センナ用シリコン基板を
製作する場合を説明する。

まず、ウェットエツチングの例としてはレジスト膜をマ
スクとしＫＯＨをエツチング液とした。

液温７０Ｃで６時開エツチングしたところ、第３図の点
線で示すような凹部及びペレタイズ用溝が倚られた。即
ち、凹Ｓは結晶面に沿って六角形の開口をＭし、側面は
主表面に対し約４７°の傾斜面を有する形状となった。

また、エツチング面には局所的にピラミッド状の凸部及
び凹部が存在し、その鐘大凹凸は１０μｍでめった。

ドライエツチングの例としてはＣＦ４　を雰囲気ガスと
する平行平板［他を使用した。マスクを８１０ｓ展（１
μｍ）のみとした所、エツチング深さが１０〜２０μｍ
になったところで５ｊ（ｈ膜がなくなり、それ以上の深
いエツチングはできなかつた。ま７ｔ、８１０ｍ上にＡ
ｔを形成したマスクを使用したところ、１時間のエツチ
ングで１５０μｍの凹部が得られた。とζろが凹部の最
大凹凸は３ＱＪｇｍで実用的な凹部は得られなかった。

半導体のエツチングにおいて重要なことは、終点検出即
ち所望深さのエツチングの終了を正確に検出することで
ある。Ｌ８Ｉのドライエツチングで使用されている終点
検出法、例えば、重量分析法、発光分光法、レーザ法、
探針法、光学測定法のいずれも薄膜をエツチングすると
その下に現われる異なる材質の領域を検出に利用するも
のであり、本発明が対象としているようなシリコン基板
に深い凹部を形成する場合には適用することができない
。このため、本発明では新しい終点検出が必要となる。

その１つは、エツチングするシリコン基板と同一材質の
ダミー基板を目標とするエツチング深さと同一厚さとし
て、シリコン基板とともにチャンバ内に配置し、ダミー
基板の消滅によって終点を検出する方法である。第４図
はこの方法を自動化したものである。即ち、エッチング
テ−プル５に１ｉ通孔５１を形成しておき、テーブルの
貴通孔５１上にダミー基板６を賊直し、テーブルのＡ（
Ｉの貫通孔に対応する１園所にホトセンサ７を準備し、
ダミー基板６の消滅をホトセンサ７がプラズマ光を検出
することによって検出するものでるる。この場合、ドラ
イシステムの内容によってエツチングテーブルの偽造、
冷却水の配置、サセプタの構造に検討を加える必要があ
る。

以上は本発明を半導体圧力センサに通用する場合を例に
採って説明したが、本発明はこれに限疋されることなく
例えばＭＯ８−ＩＣのアイソレーション用の溝形成、−
電体分離基板を製造する場合、電力用半導体素子の＃Ｉ
状グループの形成等広く適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は８ｉ、８ｉ０１をマイクロ波プラズマエツチン
グでエツチングする場合の雰囲気ガス圧とエツチング速
度との関係図、第２図はマイクロ波プラズマエツチング
における雰囲気ガス圧と選択比との関係図、第３図は本
発明で製造した半導体圧力センサ用基板を示す概略図、
ｉ＠４図は終点検出方法の１例を示す概略図である。 １・・・シリコン基板、１３・・・ペレタイズ用溝、１
４第　Ｉ　図 −雪１片気ガスＩｆ（Ｔｏｒｒ〕 ｌθ−５１θ−４１θ−３１θ−２／θ−′−−−ｆ囲
気がスル（Ｔｏｒｒう

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主表面の選択された個所を残して他をシリコン酸化
   膜で機種したシリコン基板の選択され九個所をマイクロ
   波プラズマエツチングする方法において、雰囲気ガスと
   して炭素を含むガスを除くガスを使用すると共に雰囲気
   ガスの圧力を５ＸｌＯ−’Ｔｏｒｒ以上としたことを＄
   １１とする半導体のコーツチング方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、雰囲気ガスとして
   ８　Ｆ＠　、　ＮＦｓ　、　Ｆｍ　ｔ　ＸｅＦｇから選
   ばれた少々くとも一種類のガスを使用することを特徴と
   する半導体のエツチング方法。 ３、特許請求の範囲第１項或いは第２項において、マイ
   クロ波プラズマエツチングを有磁場で行な・うことを％
   像とする半導体のエツチング方法。