JP2880014B2

JP2880014B2 - シリコン基板のエッチング方法

Info

Publication number: JP2880014B2
Application number: JP3810992A
Authority: JP
Inventors: 浩一相澤; 淳阪井; 崇善粟井; 拓郎石田; 啓治柿手
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1999-04-05
Anticipated expiration: 2014-04-05
Also published as: JPH05234984A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリコン基板のエッ
チング方法に関し、詳しくは、各種の電子素子などの微
細部品の材料となるシリコン基板をエッチングにより加
工する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコンを素材として、これに様々な加
工を施して、このシリコン基板の上に様々な電子部品や
回路、装置を組み込む技術は、半導体プロセス技術ある
いは半導体微細加工技術として、一般に広く知られてい
る。そこで用いられる技術には、非常に多くの要素技術
が含まれるが、その一つにエッチング加工技術がある。

【０００３】エッチング加工技術は、そのエッチング手
段の面から、ドライエッチングとウエットエッチングに
分けることができ、また、エッチング加工形状の面か
ら、等方性エッチングと異方性エッチングとに分けるこ
とができる。ドライエッチングとは、エッチング液を用
いず、真空中あるいは減圧ガス中などの雰囲気下で、イ
オン、プラズマ、レーザ等を用いて、化学的あるいは物
理的にエッチングを行う方法である。これに対し、ウエ
ットエッチングは、エッチング液中での化学反応を利用
したエッチング方法である。ドライエッチング法は、非
常に微細な加工を精度よく行うことができるので、微細
パターンを必要とする高集積度の半導体メモリーデバイ
ス等の作製手段として用いられるようになってきたが、
非常に高価で複雑なシステム装置を必要とする。ウエッ
トエッチング法は、超微細加工には適しない面がある
が、処理を簡便に行うことができるので、各種用途に広
く採用されている。

【０００４】また、等方性エッチングは、被エッチング
材料の結晶方位等に関係なく、深さ方向にも横方向にも
同じようにエッチングが生じるような形態のエッチング
法であるのに対し、異方性エッチングは、エッチング速
度が方向によって異なる形態のエッチング法である。上
記のような各エッチング法は、その目的、用途に合わせ
て最適な方法が選択されたり、組み合わせられたりして
実施される。

【０００５】例えば、素子間の電気的絶縁性を確保する
ための一つの方法である誘電体分離基板の作製において
は、素子間分離のための溝形成に、ウエットエッチング
法による異方性エッチングが適用されている。また、こ
れらのエッチング技術は、従来、電気的な素子の作製に
利用されるのが一般的であった。しかし、近年、マイク
ロマシニング技術と呼ばれる分野に、前記のようなエッ
チング技術の利用が考えられている。マイクロマシニン
グ技術とは、従来の機械加工では不可能であった、mmサ
イズあるいはμｍサイズの機構部品を作製することによ
り、非常に微小で高感度、高速応答性のあるセンサや、
特殊な用途、環境で非常に微小な物を対象として使用さ
れるアクチュエータなどを実現しようとする技術であ
り、最近、盛んに研究、開発が行われるようになってき
た。

【０００６】このマイクロマシニング技術に含まれる要
素技術も、非常に多種多様で、多くの技術分野にまたが
っているが、その中に、前記したようなシリコン半導体
のプロセス技術を応用した機構部品の作製技術もある。
シリコン半導体のプロセス技術を利用すれば、小さな部
品を、正確に作製でき、しかも、同時に多数の部品を作
製できることから、実用的に最も重要な要素技術の一つ
として、一般的に採用されるようになってきており、シ
リコンマイクロマシニング技術と呼ばれている。このシ
リコンマイクロマシニング技術で作製できる機構部品要
素には、様々なものがあり、例えば、片持ち梁、両持ち
梁、スリット、溝、窪み等がある。

【０００７】シリコンマイクロマシニング技術を利用し
て、上記のような部品を作製する方法は種々提案されて
いるが、最も一般的に用いられ、重要な方法の一つとし
て、前記したウエットエッチング法による異方性エッチ
ングがある。ウエットエッチング法による異方性エッチ
ングで用いるエッチング液としては、水酸化カリウム、
水酸化ナトリウム、ピロカテコール、ヒドラジン等が一
般的に用いられているが、ヒドラジンは危険性が高く、
ピロカテコールは液組成の管理に難点があることから、
水酸化カリウムが比較的用い易いとされている。

【０００８】エッチング液に水酸化カリウムを用いた場
合、シリコンの単結晶は、（１１１）面のエッチング速
度が、その他の面のエッチング速度に比べてきわめて小
さいという性質を利用して、異方性エッチングを行って
いる。この場合、エッチングに対するマスク材料として
は、窒化シリコンや酸化シリコンが使用されている。図
２は、従来技術における、異方性エッチングの加工例と
して、電子部品などに利用される薄膜体ブリッジ構造を
加工した場合を表している。

【０００９】図２(b) に示すように、基板となるシリコ
ンウエハＡの表面を、エッチングマスクとなる薄膜Ｂで
覆い、エッチング加工を施す場所では、薄膜Ｂを部分的
に除去ｂしておく。このシリコンウエハＡを、エッチン
グ液で処理すれば、薄膜Ｂの欠除部ｂから、ほぼ垂直方
向にシリコンウエハＡがエッチングされて、空洞部ａが
形成される。等方性エッチングでは、欠除部ｂからシリ
コンウエハＡの横方向にもエッチングが進行するので、
薄膜Ｂの裏側方向までえぐられるようにエッチングされ
てしまうが、異方性エッチングでは、欠除部ｂのパター
ン通りに正確にエッチング加工できるのである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、シリコン基
板の異方性エッチングにおいて、エッチングマスクとし
て一般的な、酸化シリコンおよび窒化シリコンの何れを
用いた場合にも、前記した薄膜体ブリッジ構造のよう
に、長時間のエッチング処理を行う用途では、十分な性
能が発揮できないという問題があった。

【００１１】通常、酸化シリコンはエッチング液に対し
て１０〜数１０Å/minのエッチング速度でエッチングさ
れるので、長時間のエッチング処理を行うと、酸化シリ
コンがエッチングされてしまって、エッチングマスクと
しての機能が発揮できなくなる。酸化シリコンの膜厚を
厚く形成しておけば、ある程度はエッチングされてもマ
スキング機能が維持できるが、酸化シリコンの厚みを増
やすのには限度があり、長時間かけて加工深さの大きな
エッチング加工を行う場合にも耐えるような膜厚の酸化
シリコン膜を形成することは困難である。また、酸化シ
リコンの膜厚を分厚くしようとすると、酸化シリコンの
膜形成に時間がかかり、作業の手間および時間がかかっ
てしまう。例えば、酸化シリコン膜を、耐エッチング性
などに優れたパイロ酸化法で作製した場合、膜厚は１．
５〜２．０μｍ程度が限度であり、この程度の厚みで
は、前記した薄膜体ブリッジ構造のように、基板の厚み
全体をエッチングするような長時間のエッチング処理に
は耐えることができない。

【００１２】これに対し、窒化シリコンは、エッチング
液に対して、ほとんどエッチングされないので、上記の
ような長時間のエッチング処理を行う場合でも、０．１
μｍといった薄い膜厚で十分である。ところが、窒化シ
リコン膜を、図２(a) に示すように、ウエハＡの外周辺
などに形成すると、鋭い角が生じる縁部分Ｘでは、窒化
シリコン膜Ｂが十分に形成されず、基板が露出したり、
窒化シリコン膜Ｂの厚みがエッチングマスクとしての機
能を発揮できないほど薄くなってしまう。このような状
態でエッチングを行うと、シリコンウエハＡの一部がエ
ッチングされて、周辺部分の形状が崩れてしまう。ウエ
ハの周辺部分が正確な形状でないと、各種の処理装置や
搬送装置における、ウエハの取り扱い操作がうまく行え
なくなる。また、ウエハ表面に形成される各種の膜構造
が、ウエハの周辺部分で、ひさし状に形成されてしま
い、荷重が加わったりしたときに、このひさし状の部分
から膜が破壊してしまい、いわゆるパーティクル発生の
原因になってしまうという問題がある。

【００１３】窒化シリコン膜が、ウエハの縁部分で薄く
なるという問題を解消するには、窒化シリコン膜全体の
膜厚を増やすことも考えられるが、膜厚の大きな窒化シ
リコン膜を形成するのは技術的に難しく、また、ウエハ
の平坦な部分には膜厚を増やすことができても、前記縁
部分の膜厚はそれほど増えない。例えば、膜の緻密性な
どに優れた減圧ＣＶＤ法では、膜の残留応力が大きいた
め、厚み０．２μｍ以上の窒化シリコンを堆積させるこ
とは出来ない。また、プラズマＣＶＤ法では、平坦な部
分には膜厚の大きな窒化シリコン膜が形成できるが、こ
の場合でも、前記した縁部分の膜厚はあまり増えず、長
時間のエッチング処理に耐えるようなエッチングマスク
は形成できなかった。

【００１４】そこで、この発明の課題は、シリコン基板
の異方性エッチングにおいて、基板の外周縁などにおい
てもエッチング保護を確実に行え、仕上がり品質の良好
なエッチング加工品が得られるシリコン基板のエッチン
グ方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する、こ
の発明にかかるシリコン基板のエッチング方法は、シリ
コン基板を異方性エッチングする際に、エッチングマス
クとして、シリコン基板の少なくとも縁部を覆う酸化シ
リコン層を形成した後、この酸化シリコン層を覆って窒
化シリコン層を形成しておく。

【００１６】シリコン基板は、従来、異方性エッチング
加工に用いられていたような、通常のシリコン材料から
なるものが使用できる。異方性エッチングを行うには、
基板表面に、異方性エッチングに適した結晶面が配置さ
れるようなシリコン単結晶を用いる必要がある。異方性
エッチングに用いるエッチング液その他のエッチング処
理条件は、エッチングマスクの構造を除いて、通常のシ
リコン基板に対する異方性エッチングの場合と同様でよ
い。

【００１７】エッチングマスクとして、酸化シリコン層
と窒化シリコン層とを組み合わせて用いる。酸化シリコ
ン層および窒化シリコン層の材料や厚み、あるいは形成
方法自体は、従来、それぞれの層を単独でエッチングマ
スクとして用いる場合と、基本的に同様の条件が採用で
きる。酸化シリコン層の形成方法として、酸化パイロ法
を用いると、耐エッチング性に優れ、縁部に対するステ
ップカバレッジ性の良い膜が形成できる。窒化シリコン
層の形成方法として、減圧ＣＶＤ法を用いると、緻密性
に優れ、縁部の被覆性にも優れた膜が形成できる。

【００１８】この発明では、まず、シリコン基板の表面
に酸化シリコン層を形成する。酸化シリコン層は、シリ
コン基板のうち、少なくとも縁部を覆うように形成して
おく。縁部とは、シリコン基板の平坦な表面に対して、
外周縁や、段差部分、凹凸部分などで、水平面と垂直面
など複数の面が鋭い角度を持ってつながる部分を意味し
ている。通常、シリコン基板は、少なくとも外周縁には
縁部が存在することになるが、外周縁以外にも、孔や凹
みの縁すなわち内周縁が存在する場合には、このような
縁部に酸化シリコン層を形成しておく。また、酸化シリ
コン層は、縁部以外のシリコン基板表面に形成しておい
てもよい。酸化シリコン層を、エッチングマスクとして
利用するだけでなく、電気的あるいは熱的な絶縁層など
の機能構造としても利用する場合には、それぞれの目的
に応じて、必要な個所および厚みで酸化シリコン層を形
成しておけばよい。

【００１９】酸化シリコン層の上を窒化シリコン層で覆
う。異方性エッチングにおけるエッチングマスクとして
の機能は、窒化シリコン層が果たす。したがって、窒化
シリコン層は、エッチング液と接触する可能性のある全
ての表面で、酸化シリコン層を覆うように形成してお
く。シリコン基板の平坦な表面を、異方性エッチング
で、表面から裏面まで貫通するように掘り込む場合に
は、裏面側の表面に酸化シリコン層が直接形成されてい
ると、この酸化シリコン層がエッチングされる可能性が
ある。このような場所では、シリコン基板の表面に窒化
シリコン層を形成した上に酸化シリコン層を形成してお
くのが好ましい。

【００２０】

【作用】本発明では、異方性エッチングでシリコン基板
を加工する際に、酸化シリコン層が形成された上に窒化
シリコン層が形成されているので、エッチング液にさら
される表面には酸化シリコンは存在せず、窒化シリコン
のみが存在する。窒化シリコンは、エッチング処理を長
時間行っても、十分に耐えることができ、エッチングマ
スクが損傷する心配はない。

【００２１】しかも、シリコン基板の外周縁などの鋭角
になった縁部は、最初に酸化シリコン層で覆われるの
で、縁部の鋭さが緩和され、その上に形成される窒化シ
リコン層のステップカバレッジ性が向上する。その結
果、従来、シリコン基板に直接、窒化シリコン層を形成
していたため縁部での窒化シリコン層の厚みが薄くなっ
て十分なマスキングが行えなかった、という問題を解消
することができる。

【００２２】つぎに、酸化シリコン層をパイロ酸化法で
形成すれば、前記した縁部の被覆が確実に行え、縁部の
鋭さを緩和する作用が顕著に発揮できる。また、窒化シ
リコン層を減圧ＣＶＤ法で形成すれば、窒化シリコン層
の素材自体のステップカバレッジ性が向上するので、前
記したシリコン基板の縁部を含む全体のマスキングをよ
り確実に行える。

【００２３】

【実施例】ついで、この発明の実施例を図面を参照しな
がら以下に説明する。図１は、この発明のエッチング方
法で、センサ部品などに利用される薄膜体ブリッジ構造
を作製する場合について、各工程段階毎に表している。
図１(a) に示すように、シリコン単結晶の（１００）面
を表面に持つ、厚さ３００μｍのシリコン基板１の全面
に、パイロ酸化法で厚み０．８μｍの酸化シリコン層６
を形成した。酸化条件は、温度１１００℃、酸素ガス流
量５０００ＳＣＣＭ、水素ガス流量８０００ＳＣＣＭ、
酸化時間２時間とした。

【００２４】図１(b) に示すように、基板１のうち、外
周の上下の縁部７を含む周辺部分を除いて、酸化シリコ
ン層６を除去した。これにより、基板１の両面の中央部
８が露出する。酸化シリコン層６の除去手段としては、
一般的なフォトリソグラフィー技術を用いればよく、例
えば、基板１の前記周辺部分に対応するパターンでレジ
ストを形成し、このレジストパターンをマスクにして、
フッ酸とフッ化アンモニウムからなるエッチング液を用
いて、酸化シリコン層６をパターニングすればよい。

【００２５】図１(c) に示すように、基板１の全面に、
減圧ＣＶＤ法により、窒化シリコン層９を厚さ０．１μ
ｍ堆積させた。これで、酸化シリコン層６は完全に覆わ
れる。基板１を異方性エッチングするためのマスクとし
ては、この窒化シリコン層９だけで十分であるが、この
実施例では、ブリッジ構造を構成する薄膜を形成する。
すなわち、窒化シリコン層９の上で、基板１の片面のブ
リッジ構造を構成する部分に、減圧ＣＶＤ法で厚み０．
５μｍの酸化シリコン層１０を形成した。さらに、この
酸化シリコン層１０を覆って、基板１の全面に減圧ＣＶ
Ｄ法で窒化シリコン層１１を厚さ０．１μｍ堆積させ
た。このときの堆積条件は、窒化シリコン層１１につい
ては、ジクロロシラン３０cc/min、アンモニア３００cc
/min、温度７３０℃、堆積時間３０分に設定した。酸化
シリコン１０については、モノシラン６００cc/min、ヘ
リウム２０００cc/min、酸素１６０cc/minで、温度３２
５℃、堆積時間１５００秒に設定した。

【００２６】図１(d) に示すように、薄膜体ブリッジと
なる酸化シリコン層１０とは反対側の基板１の表面中央
で、窒化シリコン層９および１１を、異方性エッチング
を行う際のマスクとなるようにパターニングした。パタ
ーニング手段は、通常のフォトリソグラフィー技術を用
いればよく、例えば、所定のパターンでレジストを形成
し、このレジストパターンをマスクにして、プラズマエ
ッチング法で窒化シリコン層９および１１をエッチング
すればよい。このときのプラズマエッチング条件として
は、パワー２００Ｗ、ガス圧４００mTorr で、導入ガス
に４フッ化炭素を用いた。

【００２７】図１(e) に示すように、パターニングされ
た窒化シリコン層９および１１をエッチングマスクにし
て、シリコン基板１を異方性エッチングによりエッチン
グ加工して、反対面側の窒化シリコン層９にまで達する
掘り込み１２を形成した。この掘り込み１２により、基
板１の中央に、窒化シリコン層９と酸化シリコン層１０
および窒化シリコン層１１の３層からなる薄膜体ブリッ
ジ１３が構成されることになる。異方性エッチングの処
理条件としては、エッチング液に水酸化カリウム４０wt
% 、８０℃を用い、エッチング時間を３８０分とした。

【００２８】上記のような条件で異方性エッチングを行
ったところ、シリコン基板１の周辺部分の縁部７でも、
不要なエッチングは全く起こらず、エッチングによる周
辺形状の崩れやパーティクルの発生がない良好な仕上が
りのエッチング加工品が得られた。

【００２９】

【発明の効果】以上に述べた、この発明にかかるシリコ
ン基板のエッチング方法は、前記したように、エッチン
グマスクとして、酸化シリコン層と窒化シリコン層とを
組み合わせることにより、従来、マスキングが不完全に
なり易かった基板の縁部でも、確実なエッチング保護が
行える。

【００３０】その結果、長時間の異方性エッチング加工
を行っても、基板が不用意にエッチングされてしまうこ
とがなく、複雑な形状構造や大量のエッチング加工で
も、品質良好な加工品が得られる。したがって、従来、
シリコン基板の異方性エッチングが利用されていた半導
体装置などの電子部品の加工あるいはマイクロマシニン
グ技術における様々な加工に対する、加工品質の向上に
大きく貢献できるものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す工程毎の断面図

【図２】従来例の断面図

【符号の説明】

１シリコン基板６酸化シリコン層７縁部９窒化シリコン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石田拓郎大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者柿手啓治大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (56)参考文献特開昭63−15422（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/306 - 21/3063 H01L 21/308

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板を異方性エッチングする際
に、エッチングマスクとして、シリコン基板の少なくと
も縁部を覆う酸化シリコン層を形成した後、この酸化シ
リコン層を覆って窒化シリコン層を形成しておくことを
特徴とするシリコン基板のエッチング方法。
【請求項２】請求項１記載の方法において、酸化シリ
コン層を、パイロ酸化法により形成するシリコン基板の
エッチング方法。
【請求項３】請求項１または２記載の方法において、
窒化シリコン層を、減圧ＣＶＤ法により形成するシリコ
ン基板のエッチング方法。