JP2009239292A - ドライエッチング方法及びこの方法に用いるドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の酸化膜除去をドライエッチングで行う場合において、基板面内におけるエッチングレートの均一性を向上させる。
【解決手段】対向配置される一対の電極３、４を設けた処理室２内における一対の電極間に絶縁膜２０ｃが備えられたＳｉからなる基板２０を配置し、処理室内にエッチングガスを導入すると共に一対の電極に高周波電力を印加することで、絶縁膜を除去するドライエッチング方法において、基板の一面側を導電性部材１３と接触させ、処理室内にエッチングガスを導入すると共に高周波電力を制御し、基板を導電性部材と接触させることに起因するＳｉと絶縁膜とのエッチング選択比の低下を補う程度にエッチング選択比を大きくした条件で、基板の他面側から絶縁膜をドライエッチングする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ドライエッチング方法及びこの方法に用いるドライエッチング装置に関するもので、特に半導体加速度センサや半導体角速度センサ等の半導体力学量センサに用いて好適である。

近年、半導体センサの製造にＳＯＩ基板を利用することが多くなりつつある。これは、可動電極や固定電極等からなる微細な構造体（センシング部）を作る過程で、ＳＯＩ基板の埋め込み酸化膜（絶縁膜）をエッチング除去用の犠牲層として利用できるためである。

従来では、ＳＯＩ基板の酸化膜除去に、フッ酸等を用いたウェットエッチングが主に用いられてきたが、ウェットエッチングによると、液体の表面張力によって構造体同士がくっついてしまうといういわゆるスティッキング（固着）現象が発生しやすい。

このスティッキング現象が発生することを避けるため、最近ではＳＯＩ基板の酸化膜除去に、プラズマを用いたドライエッチングが用いられるようになった。このドライエッチングでは、平行平板電極が設けられた処理室を有する装置を用意し、平板電極の一方の電極上にＳＯＩ基板を配置し、処理室内にエッチングガスを導入すると共に平行電極に高周波電力を印加してプラズマを発生させ、酸化膜を除去するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３１５０２号公報

しかしながら、ドライエッチングによってＳＯＩ基板の酸化膜除去を行うと、ＳＯＩ基板面内においてエッチングレートが不均一になるという問題が発生した。

このようなエッチングレートの不均一が生じると、シリコンと酸化膜とのエッチング選択比を十分に取ったとしてもシリコンがエッチングされるため、構造体が部分的にオーバエッチングされて可動電極と固定電極との間隔がばらつき、可動電極と固定電極との間隔によって決定される容量が設計位置から変化してしまう。

本発明は上記点に鑑みて成され、基板の絶縁膜除去をドライエッチングで行う場合において、基板面内におけるエッチングレートの均一性を向上させることを目的とする。

本発明者らは、エッチングレートを不均一にする要因としてウェハに蓄積される電荷が関わっていると考え、ドライエッチング時に蓄積される電荷についての検討を行った。図４にドライエッチング装置の概略図を示す。以下、図４に基づきドライエッチング方法について説明する。

まず、ドライエッチングを行うＳＯＩ基板１００、すなわち活性層１００ａを選択的にエッチングすることによって可動電極や固定電極等からなる構造体を形成し、支持層１００ｂを選択的にエッチングすることによって酸化膜１００ｃまで達する開口部１００ｄを形成したＳＯＩ基板１００を用意する。

このＳＯＩ基板１００を石英板１０１に形成したザグリ内に配置する。このとき、支持層１００ｂ側が上部電極１０２側を向くようにする。そして、装置内にエッチングガスを導入すると共に、下部電極１０３に高周波電源（ＲＦ電源）１０４より高周波電力を印加してプラズマ１０５を発生させる。これにより、エッチングガスがイオンやラジカル（活性種）に分解され、酸化膜１００ｃがドライエッチングされる。

このような方法でドライエッチングを行っているが、ＳＯＩ基板１００をエッチングする場合、活性層１００ａと支持層１００ｂが酸化膜１００ｃによって絶縁されていることからＳＯＩ基板１００に蓄積された電荷が逃げにくく、チャージアップしやすい。

さらに加速度センサや角速度センサのような微細な構造体では、可動電極と固定電極を各々絶縁してコンデンサを形成するべく、トレンチ１００ｅによる絶縁分離を行っているため、トレンチ１００ｅによって島状の微小領域に絶縁される。

このため、図４のドライエッチング装置の等価回路は図５の回路構成で示される。すなわち、プラズマ１０５が抵抗Ｒ１、プラズマ１０５とＳＯＩ基板１００との境界部となるいわゆるシース１０６がコンデンサＣ１とダイオードＤ１の並列回路、酸化膜１００ｃがコンデンサＣ２、トレンチ１００ｅがコンデンサＣ３に相当する回路構成となる。

このような回路構成となるため、トレンチ１００ｅによる容量（トレンチ１００ｅと等価なコンデンサＣ３）がチャージアップされると、プラズマで生成される正電荷や負電荷の偏りから、ＳＯＩ基板１００の面内のチャージアップ（電荷の帯電）に分布が生じ、プラズマ１０５によって分解されたイオンの入射量がＳＯＩ基板１００の面内でばらつき、エッチレート均一性が悪化すると考えられる。

そこで、請求項１に記載の発明では、対向配置される一対の電極（３、４）を設けた処理室（２）内における一対の電極間に絶縁膜（２０ｃ）が備えられたＳｉからなる基板（２０）を配置し、処理室内にエッチングガスを導入すると共に一対の電極に高周波電力を印加することで、絶縁膜を除去するドライエッチング方法において、基板の一面側を導電性部材（２０）と接触させ、処理室内にエッチングガスを導入すると共に高周波電力を制御し、基板を導電性部材と接触させることに起因するＳｉと絶縁膜とのエッチング選択比の低下を補う程度にエッチング選択比を大きくした条件で、基板の他面側から絶縁膜をドライエッチングすることを特徴としている。

このように、基板の一面側に導電性部材を接触させることにより、基板に帯電される電荷を除電することができ、ドライエッチング時に基板がチャージアップされても導電性部材によって基板に帯電された電荷を放出することができるため、基板面内におけるチャージアップ分布をなくすことができる。これにより、基板面内におけるイオン入射量のバラツキが無くなり、エッチングレートの均一性を向上させることができる。

また、請求項１の発明においては、請求項２に記載の発明のように、基板のうちドライエッチング時に帯電される電荷が多い領域に対して導電性部材を接触させると好適である。

また、請求項１および２に示したドライエッチング方法は、請求項３に示すように、絶縁膜（２０ｃ）の一面側に活性層（２０ａ）が配置されていると共に、他面側に支持層（２０ｂ）が配置されたＳＯＩ基板（２０）を用意した後、活性層を選択的にエッチングすることでトレンチ（２０ｅ）を形成し、力学量測定のための可動電極と固定電極とを有した構造体を構成する工程と、支持層を選択的にエッチングすることで、絶縁膜に達する開口部（２０ｄ）を形成する工程と、絶縁膜をドライエッチングし、構造体をリリースする工程と、を含んでなる半導体力学量センサの製造方法において、絶縁膜をドライエッチングする際に適用すると好適である。

請求項４に記載の発明は、対向配置される第１及び第２の電極（３、４）と、第１及び第２の電極が設けられる処理室（２）とを有し、第１及び第２の電極間のうちの第１の電極（３）上に、絶縁膜（２０ｃ）が備えられた基板（２０）を配置し、処理室内にエッチングガスを導入すると共に第１及び第２の電極に高周波電力を印加することで、絶縁膜を除去するようになっているドライエッチング装置において、第１の電極が該厚み方向に貫通する穴を有し、該穴に嵌入することができる導電性部材を有していることを特徴としている。この装置を用いれば、請求項１又は２のドライエッチング方法を好適に行うことができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係るドライエッチングの実施に用いるエッチング装置の断面構成を示す図である。 ドライエッチングが施されるＳＯＩ基板の断面構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るドライエッチングの実施に用いるエッチング装置の断面構成を示す図である。 従来のドライエッチングの概略を示す図である。 図４に示すドライエッチングを行ったときの様子を等価回路で示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１に、ドライエッチング方法の実施に用いるエッチング装置１の断面構成を示す。また、図２に、ドライエッチングが施されるＳＯＩ基板２０の断面構成を示す。

図２に示すＳＯＩ基板２０は半導体力学量センサ（例えば、半導体加速度センサや半導体角速度センサ）の製造工程途中のものである。すなわち、このＳＯＩ基板２０は、半導体力学量センサの製造工程のうち、活性層２０ａ（シリコンからなる）に可動電極及び固定電極等からなる構造体を構成する工程と、支持層２０ｂ（シリコンからなる）に酸化膜（絶縁膜）２０ｃまで達する開口部２０ｄを形成する工程とを施したものである。

例えば、活性層２０ａを選択的にエッチングし、酸化膜２０ｃまで達するトレンチ２０ｅを形成することによって構造体が構成され、支持層２０ｂをＫＯＨ水溶液等によって選択的にエッチングすることで、酸化膜２０ｃまで達する開口部２０ｄが形成される。このような構造のＳＯＩ基板２０の酸化膜２０ｃを図１に示すエッチング装置１によりドライエッチングする。

図１に示すように、このエッチング装置１には処理室２が備えられている。この処理室２内でＳＯＩ基板２０のドライエッチングが行われる。処理室には、一対の電極３、４が配置されており、この一対の電極３、４はドライエッチングを施すＳＯＩ基板２０が配置される下部電極（請求項でいう第１の電極あるいは一方の電極）３と、この下部電極３と対向するように配置された上部電極（請求項でいう第２の電極）４とからなる。

下部電極３には上部電極４側に石英等からなる絶縁性の板３ａが備えられている。この絶縁性の板３ａがＳＯＩ基板２０を固定するサセプタとなっている。そして、下部電極３には厚み方向に貫通する穴３ｂが形成されている。この穴３ｂはＳＯＩ基板２０と対向する部分に形成され、穴３ｂの大きさはＳＯＩ基板２０よりも小さくなっている。また、処理室２内には、この穴３ｂに嵌入させることができ、可動式である導電性部材１３が備えられている。この導電性部材１３としては、例えばステンレスからなるものを用いることができる。導電性部材１３は、ＳＯＩ基板２０に接触させる板状の部分と、この板状の部分を上下に移動させるための棒状の部分とからなる。なお、この導電性部材１３は図示していないが、接地されているものとする。

下部電極３には、高周波電源５より例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力（ＲＦ電力）が印加できるようになっている。上部電極４は下部電極３と対向する側において等間隔に配置された複数のガス供給孔４ａを有しており、エッチングガスをシャワー状に流せるように構成されている。これら下部電極３と上部電極４は、図示しない冷却水によって冷却可能となっている。

また、エッチング装置１には、各種ガスを供給するためのガス導入口６が設けられている。このガス導入口６は上部電極４の上方に配置され、ガス導入口６より供給された各種ガスが上部電極４のガス供給孔４ａを通じて処理室２内に供給されるようになっている。

ガス導入口６には、バルブ７ａが備えられたガス導入管７が接続されている。ガス導入管７には、各種ガスの供給源８、９、１０に接続された複数本（本実施形態では３本）のガス導入管８ａ、９ａ、１０ａが接続されている。本実施形態では、各ガス導入管８ａ、９ａ、１０ａよりＣＨＦ_３ガス、ＣＦ_４ガス、Ａｒガスがそれぞれ供給されるようになっている。また、これら各ガス導入管８ａ、９ａ、１０ａには、各ガス導入管８ａ、９ａ、１０ａの開閉を行うバルブ８ｂ、９ｂ、１０ｂ、及びガス流量調節のためのマスフローコントローラ８ｃ、９ｃ、１０ｃが備えられている。

一方、処理室２の下部には、排気管１１が接続されている。この排気管１１を通じて、処理室２内を真空ポンプ等の真空引き手段１２によって減圧できるようになっている。このような構成により、ガス供給源８、９、１０からガスを供給した状態で、処理室２内を例えば１．３３Ｐａ〜１３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ〜１Ｔｏｒｒ）程度の真空度に保持できるようになっている。

このように構成されたドライエッチング装置１を用い、以下のようにしてドライエッチングを行う。まず、ＳＯＩ基板２０の一面側（活性層２０ａ側）を下部電極３側に向けて、下部電極３及び絶縁性の板３ａに形成された穴３ｂがＳＯＩ基板２０のほぼ中央に位置するように、ＳＯＩ基板２０を下部電極３上に配置する。これにより、ＳＯＩ基板２０の外縁部が保持された状態になる。そして、以下の工程を行う。

〔エッチング工程〕バルブ８ｂ〜１０ｂを全て開き、処理室２内にＣＨＦ_３／ＣＦ_４／Ａｒの混合ガスを導入する。このとき、マスフローコントローラ８ｃ〜１０ｃによって各ガスの流量を制御する。また、真空引き手段１２によって処理室２内のガス圧力を所定の値となるように設定する。

そして、上部電極４をアース電位にし、高周波電源５より例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を下部電極３に印加し、ＲＦパワーが例えば２．５ｋＷとなるようにする。これにより、処理室２内の気体がグロー放電を起こして上部電極４と下部電極３との間にプラズマが発生し、プラズマによって各種ガスが荷電イオンやラジカル、電子に分解され、ＳＯＩ基板２０の酸化膜２０ｃがＳＯＩ基板２０の他面側（支持層２０ｂ側）からドライエッチングされる。

このドライエッチングは、上部電極４と下部電極３との電位差によって、上記荷電イオンが加速されて酸化膜２０ｃの表面に衝突して物理的に酸化膜２０ｃを除去することにより行われたり、化学的に極めて活性なラジカルが酸化膜２０ｃの表面に引き込まれて酸化膜２０ｃと反応することにより行われたりする。

このようなドライエッチングを進めていくと、荷電イオンの飛来によってＳＯＩ基板２０が部分的に周りに対して相対的に＋に帯電するようになる。その結果、電気的な反発力によって荷電イオンが酸化膜２０ｃに到達できなくなり、エッチングレートが遅くなる。また、ＳＯＩ基板２０における帯電の分布により、エッチングレートの均一性が低下してしまう。

そこで、エッチングの均一性が悪化しない時間内（例えば、数分程度）でエッチングを停止し、次に示す除電工程を行う。なお、この〔エッチング工程〕は、導電性部材がＳＯＩ基板２０に接触していない状態で行う。

〔除電工程〕上記エッチングを停止、つまり、高周波電力の印加を停止する。その後、下部電極３及び絶縁性の板３ａに形成された穴３ｂを通して、導電性部材１３をＳＯＩ基板２０の一面側に接触させる。これにより、ＳＯＩ基板２０に帯電された電荷が導電性部材１３を介して放出される。

そして、再び、ＳＯＩ基板２０に電荷が帯電され、エッチングの均一性が悪化しない時間内で〔エッチング工程〕を行った後、帯電された電荷を放出するために〔除電工程〕を行う。その後、適宜、同様にして〔エッチング工程〕と〔除電工程〕とを交互に繰り返し、酸化膜２０ｃが除去されるまでドライエッチングを行う。これにより、活性層２０ａに形成された可動電極や固定電極からなる構造体がリリースされ、半導体力学量センサが製造される。

このように、〔エッチング工程〕と〔除電工程〕とを交互に繰り返すことによって、ＳＯＩ基板２０の面内におけるエッチングレートの均一性を向上させ、エッチングレートのばらつきが小さいドライエッチングを行うことができる。このため、可動電極や固定電極の間隔が均一となり、良好な特性の半導体力学量センサを製造することができる。

ところで、仮に導電性部材を常時ＳＯＩ基板に接触させておくと、ＳＯＩ基板の電位をプラズマ発生時の最適な電位に制御することが困難になる。そして、この制御は本実施形態のように導電性部材が接地されていると、より困難である。その結果、酸化膜とシリコンとのエッチング選択比が悪化したり、ＳＯＩ基板面内のエッチングレートの分布が悪化したりする。

しかし、本実施形態では、ＳＯＩ基板２０に対して導電性部材１３を間欠的に接触させるようにしているため、ＳＯＩ基板２０の電位を好適に制御しつつ、ＳＯＩ基板２０に帯電された電荷を放出することができる。

なお、本実施形態では〔エッチング工程〕と〔除電工程〕とを繰り返し行うようにしているが、可能であれば、〔エッチング工程〕と〔除電工程〕とを行った後、〔エッチング工程〕を行うだけでも良い。

（第２実施形態）
第１実施形態では、常時、導電性部材を接触させることの不具合について述べたが、本実施形態は、その不具合を解消するものである。図３に、本実施形態のドライエッチング方法の実施に用いるエッチング装置の断面構成を示す。以下、主として第１実施形態と異なる点について述べ、同一部分は図中同一符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、導電性部材としての下部電極３は平板になっており、ＳＯＩ基板２０を固定するサセプタの役割も果たしている。この下部電極３の材料としては、例えば、ステンレスを用いることができる。また、ガス導入管７には、４種のガス供給源３１、３２、３３、３４に接続された４本のガス導入管３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａが接続されている。本実施形態では、各ガス導入管３１ａ〜３４ａにより、Ｃ_４Ｆ_８ガス、ＣＨＦ_３ガス、Ｏ_２ガス、Ａｒガスがそれぞれ供給されるようになっている。また、これら各ガス導入管３１ａ〜３４ａには、各ガス導入管３１ａ〜３４ａの開閉を行うバルブ３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ及びガス流量調節のためのマスフローコントローラ３１ｃ、３２ｃ、３３ｃ、３４ｃが備えられている。

そして、以下のようにしてドライエッチングを行う。まず、下部電極３上に、ＳＯＩ基板２０の一面側の全て（図２において島状になった活性層２０ａの全て）が下部電極３と接触するように配置する。そして、下部電極３にＳＯＩ基板２０を接触させた状態で、ＳＯＩ基板２０の酸化膜２０ｃをＳＯＩ基板２０の他面側からドライエッチングする。このような状態でドライエッチングを行うと、ＳＯＩ基板２０に帯電した電荷が下部電極３（導電性部材）を介して放出されるため、上述のような荷電イオンによるＳＯＩ基板２０における電荷の帯電を防ぐことができる。しかしながら、常時、ＳＯＩ基板２０が導電性部材に接触しているため、上述のように、エッチング選択比が低下したり、エッチングレートの面内分布が悪化したりする。

そこで、このエッチング選択比の低下を補う程度にエッチング選択比を大きくしたエッチング条件、つまり、導電性部材をＳＯＩ基板２０に接触させることに起因するエッチングレートの面内分布が無視できる程度にエッチング選択比を大きくした条件で酸化膜２０ｃのエッチングを行う。

そのような条件としては、例えば、Ｃ_４Ｆ_８ガスとＣＨＦ_３ガスとＯ_２ガスを３〜１５：１０〜５０：１の割合とし、かつＡｒガスの流量が総ガス流量の６０〜８０％となるような混合ガスになるように、各ガスの流量を制御すると良い。なお、この酸化膜とシリコンとのエッチング選択比が高い条件でのドライエッチング方法は、本発明者らが先に出願した特願平１１−１９３３２２号に記載の技術を参考にすることができる。なお、本実施形態では、ドライエッチング時に下部電極３を介して常にＳＯＩ基板２０が除電されていることになる。

このように、ＳＯＩ基板２０を導電性部材に接触させ、かつ、エッチング選択比の高い条件でエッチングを行うことにより、ＳＯＩ基板２０におけるエッチングレートの均一性を向上させることができる。

なお、上述のエッチングガスは一例を示すものであり、所望のエッチング選択比が確保できれば、どのようなエッチングガスを用いても良い。また、下部電極３がサセプタの役割も兼ねている例について示したが、下部電極上にこの下部電極とは材質の異なる導電性部材からなるサセプタを配置し、そのサセプタにＳＯＩ基板を接触させて配置しても良い。

（他の実施形態）
上記第１及び第２実施形態では、ＳＯＩ基板２０の一面側のほぼ全面を導電性部材に接触させる例について示したが、必ずしも全面に接触させなくても良い。例えば、ＳＯＩ基板のうちドライエッチング時に帯電される電荷が多い領域に対して導電性部材を接触させることにより、第１及び第２実施形態と同様の効果を発揮することができる。

この場合には、第１実施形態のように除電工程を行うドライエッチング方法では、導電性部材の板状の部分を小さくすれば良い。また、第２実施形態のようにＳＯＩ基板２０を常に導電性部材に接触させておくドライエッチング方法では、導電性のサセプタをＳＯＩ基板のうちドライエッチング時に帯電される電荷が多い領域と対向する部分に設けたり、サセプタのうちこの領域と対向する部分がＳＯＩ基板側に突出した形状にしたりすることができる。また、サセプタの所望の領域を導電性部材にして、ＳＯＩ基板の所望の領域と接触させても良い。

１…エッチング装置、２…処理室、３…下部電極、３ａ…絶縁性の板、３ｂ…穴、４…上部電極、５…高周波電源、６…ガス導入口、７…ガス導入管、７ａ…バルブ、８〜１０、３１〜３４…ガスの供給源、８ａ〜１０ａ、３１ａ〜３４ａ…ガス導入管、８ｂ〜１０ｂ、３１ｂ〜３４ｂ…バルブ、８ｃ〜１０ｃ、３１ｃ〜３４ｃ…マスフローコントローラ、１１…排気管、１２…真空引き手段、１３…導電性部材、２０…ＳＯＩ基板、２０ａ…活性層、２０ｂ…支持層、２０ｃ…酸化膜、２０ｄ…開口部、２０ｅ…トレンチ。

Claims (4)

1. 対向配置される一対の電極（３、４）が設けられた処理室（２）内における前記一対の電極間に絶縁膜（２０ｃ）が備えられたＳｉからなる基板（２０）を配置し、前記処理室内にエッチングガスを導入すると共に前記一対の電極に高周波電力を印加することで、前記絶縁膜を除去するドライエッチング方法において、
   前記基板の一面側を導電性部材（１３）と接触させ、前記処理室内にエッチングガスを導入すると共に前記高周波電力を制御し、前記基板を前記導電性部材と接触させることに起因する前記Ｓｉと前記絶縁膜とのエッチング選択比の低下を補う程度にエッチング選択比を大きくした条件で、前記基板の他面側から前記絶縁膜をドライエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
2. 前記基板のうち前記ドライエッチング時に帯電される電荷が多い領域に対して前記導電性部材を接触させることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
3. 絶縁膜（２０ｃ）の一面側に活性層（２０ａ）が配置されていると共に、他面側に支持層（２０ｂ）が配置されたＳＯＩ基板（２０）を用意した後、前記活性層を選択的にエッチングすることでトレンチ（２０ｅ）を形成し、力学量測定のための可動電極と固定電極とを有した構造体を構成する工程と、前記支持層を選択的にエッチングすることで、前記絶縁膜に達する開口部（２０ｄ）を形成する工程と、前記絶縁膜をドライエッチングし、前記構造体をリリースする工程と、を含んでなる半導体力学量センサの製造方法において、
   前記絶縁膜をドライエッチングする際に、請求項１または２に記載のドライエッチング方法を適用することを特徴とする半導体力学量センサの製造方法。
4. 対向配置される第１及び第２の電極（３、４）と、前記第１及び第２の電極が設けられる処理室（２）とを有し、
   前記第１及び第２の電極間のうちの前記第１の電極（３）上に、絶縁膜（２０ｃ）が備えられた基板（２０）を配置し、前記処理室内にエッチングガスを導入すると共に前記第１及び第２の電極に高周波電力を印加することで、前記絶縁膜を除去するようになっているドライエッチング装置において、
   前記第１の電極が該厚み方向に貫通する穴（３ｂ）を有し、該穴に嵌入することができる導電性部材（１３）を有していることを特徴とするドライエッチング装置。

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