JP3206360B2

JP3206360B2 - 半導体基板のエッチング方法およびエッチング装置

Info

Publication number: JP3206360B2
Application number: JP08752295A
Authority: JP
Inventors: ▲よし▼次阿部; 浩田中; 敦資坂井田; 充星野; 敏尚谷口; 基樹伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 2001-09-10
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JPH08264504A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板をケミカル
エッチングによりエッチングする方法およびその方法の
実施に使用されるエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体圧力ゲージや加速度センサのダイ
ヤフラム等を形成するために、半導体基板であるシリコ
ン等のウェハ表面をケミカルエッチングして所望の段差
パターンを形成することがおこなわれている。

【０００３】図５はエッチングを行う前の半導体圧力ゲ
ージのシリコンウェハＷを示すもので、シリコンウェハ
Ｗは裏面（非エッチング面）にゲージ部Ｗ１とアルミニ
ウム配線部Ｗ２を形成し、表面（被エッチング面）に、
エッチング液に耐性を有するシリカ、窒化けい素等から
なるエッチングマスクＷ４を、上記ゲージ部Ｗ１に対向
する位置が開口するように形成している。

【０００４】上記シリコンウェハＷのエッチングを行う
には図６に示すように、まず非エッチング面がエッチン
グ液と反応しないようにワックス等の保護材８１を介し
てセラミック板８２に接合したシリコンウェハＷを用意
し、これを所定枚数、ウェハキャリア８内に設置する。
そして、図７に示すように、シリコンウェハＷの設置
（工程２０１）後、このウェハキャリア８を水酸化カリ
ウム等のエッチング液Ｌ１の入ったエッチング槽９に浸
漬する（工程２０２）。これによりシリコンウェハＷの
上記エッチングマスクＷ４の開口部に臨む部位Ｗ５がエ
ッチング液温度等に応じたエッチングレートで選択的に
エッチングされ、上記ゲージ部Ｗ１上に所定の厚さのシ
リコンダイヤフラムＷ３を得、半導体圧力ゲージの要部
が完成する。その後、上記ウェハキャリア８をエッチン
グ槽９から取出し（工程２０３）、純水Ｌ２の入った水
洗槽１０に浸漬して（工程２０４）シリコンウェハＷを
洗浄し、エッチングを終了する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記方法で
は通常、エッチング量は上記エッチング槽９における、
浸漬時間、エッチング液温度により管理されているが、
実際には、図７（Ｂ）に示すようにエッチング反応時間
Ｔと管理時間Ｔ´で示すエッチング液浸漬時間は一致し
ていない。これはエッチング槽９に浸漬後、実際にエッ
チング反応が起こるまでの未反応時間やエッチング槽９
から取出した後、ウェハＷ表面に残存しているエッチン
グ液を純水等の洗浄液により稀釈、冷却するまでにエッ
チング反応が進行する残反応時間があるためである。

【０００６】しかも上記未反応時間は、上記エッチング
マスクＷ４形成後におこなう残渣除去のためのエッチン
グ等で半導体基板Ｗの表面状態が異なることや、上記エ
ッチング槽９に浸漬した直後のエッチング液温度がバッ
チ内の処理枚数等で変化することから半導体基板間でば
らつきがある。また、上記残反応時間も、半導体基板Ｗ
を上記エッチング槽９から取出してから上記純水槽１０
に移すまでの時間が作業する毎に異なる。したがって所
望のエッチング精度を確保するのが難しかった。

【０００７】エッチングばらつきを解消するため、例え
ば特開平１ー３０９３３２号公報記載のエッチング装置
のようにエッチング液を再使用するごとにエッチング液
接触時間を長くして、エッチング液の劣化によるエッチ
ングレートの低下を補うようにしたものがある。しかし
ながら上記手段でもエッチング反応時間を正確に管理で
きないという問題は依然として残る。また、構成が複雑
でコスト高となる不具合があった。

【０００８】そこで本発明は、エッチング反応時間を正
確に管理しエッチング量のばらつきを低減してエッチン
グ精度を向上することの可能なエッチング方法、さらに
上記方法を実現するための装置を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体基板Ｗの
エッチング方法は、図１に示すように、半導体基板Ｗに
正電圧を印加する工程と、正電圧を印加した状態でエッ
チング処理槽Ｐ内において上記半導体基板Ｗの被エッチ
ング面をエッチング液Ｌ１と接触せしめる工程と、正電
圧を切断してエッチングを開始する工程と、所定のエッ
チング量が得られた時点で再度正電圧を印加してエッチ
ングを停止する工程と、正電圧の印加を継続した状態
で、上記エッチング処理槽Ｐ内に洗浄液を導入して上記
エッチング液を希釈することによりエッチング反応を停
止させ、その後、正電圧の印加を終了する工程とにより
半導体基板のエッチングを行う（請求項１）。半導体基
板Ｗとしては具体的にはシリコンが挙げられ、この場合
にはエッチング液Ｌ１としてアルカリ性エッチング液を
用いることが望ましい（請求項２）。上記半導体基板Ｗ
に印加される正電圧は１Ｖ以上とすることが望ましく
（請求項３）、また半導体基板Ｗに安定に正電圧を印加
するには半導体基板Ｗの非エッチング面の少なくとも一
部に正電圧を印加する金属導電層を形成するのが望まし
い（請求項４）。また正電圧を切断してエッチングを開
始するのは、上記エッチング処理槽Ｐ内のエッチング液
の温度が設定温度に達したときとするのが望ましい（請
求項５）。

【００１０】そしてこのような方法は、図２に示すエッ
チング処理槽Ｐ内に一対の電極１、２を対向して設け
て、一方の電極１に、半導体基板Ｗをその被エッチング
面が他方の電極２と対向するように保持せしめるように
なし、上記エッチング処理槽Ｐには、エッチング開始に
際してはエッチング液Ｌ１を槽内に供給し、エッチング
終了に際しては洗浄液を槽内に供給する供給口４と、こ
れらエッチング液または洗浄液を槽外に排液する排液口
を設け、かつ上記一対の電極１、２間に上記半導体基板
Ｗ側が正となるように電圧を印加する電圧印加手段であ
って、上記エッチング処理槽Ｐ内にエッチング液Ｌ１を
供給した後に、上記電極１、２への電圧の印加を停止し
てエッチングを開始させ、所定のエッチング量が得られ
た時点で上記洗浄液を槽内に供給するに先立って再度上
記電極１、２に電圧を印加してエッチングを停止させる
電圧印加手段３を設けたエッチング装置により容易に実
施することができる（請求項６）。

【００１１】

【作用】本発明方法による半導体基板Ｗのエッチングに
おいて、半導体基板Ｗに正電圧を印加した状態でこれを
エッチング液Ｌ１と接触させると、上記半導体基板Ｗの
被エッチング面に陽極酸化による酸化膜が形成される。
この酸化膜はエッチング液Ｌ１に対し耐性があるためエ
ッチングマスクとして作用し、正電圧を印加している間
はエッチング反応は実質的に開始しない。その後、エッ
チング液Ｌ１の温度が所定の温度に達し、エッチングの
開始が可能になった時点で正電圧を切断する。これによ
り上記酸化膜は直ちにエッチング除去されエッチング反
応が開始する。なお、この酸化膜は自然酸化膜程度の膜
厚であるからエッチング液Ｌ１により極く短時間のうち
にエッチングされ、この時間のエッチング量への影響は
無視できる。そして所定のエッチング量が得られた時点
で再度、正電圧を印加すると再び酸化膜が形成されるの
でエッチング反応は実質的に停止する。この正電圧が印
加された状態で上記半導体基板Ｗを洗浄液Ｌ２に接触せ
しめると、エッチング反応が実質的に停止したまま上記
洗浄液Ｌ２により上記半導体基板Ｗに残存しているエッ
チング液Ｌ１が稀釈、冷却されて残反応が進行すること
なくエッチング反応は完全に停止する。

【００１２】このように実際のエッチング反応の時間Ｔ
は正電圧を切断してからつぎに正電圧を印加するまでの
時間であるから、この間の時間を管理することにより上
記エッチング反応の時間Ｔと管理時間Ｔ´を一致させる
ことができる。よってエッチング量のばらつきが抑制さ
れエッチング精度が大きく向上する。

【００１３】

【実施例】本発明のエッチング方法の実施例をエッチン
グ装置とともに説明する。エッチング装置は、図２に示
すように円盤上のウェハベース１の外周に設けた立壁１
２内に円筒状の枠体Ｐ１を嵌着してなるエッチング槽Ｐ
を有している。ウェハベース１はニッケルやステンレス
等の導電性材料によりなり、その中央部を一段高い平坦
な円形台座１１として、その上に被エッチング物である
シリコンウェハＷが載置されるようにしてある。上記枠
体Ｐ１はテフロン樹脂等の、耐蝕性や絶縁性、耐熱性を
備えた材料よりなり、枠体Ｐ１の下部端面に貼付けたパ
ッキンＰ３をシリコンウェハＷの周縁部に圧接せしめて
ある。上記枠体Ｐ１の側壁にはエッチング液Ｌ１または
純水等の洗浄液を上記エッチング槽Ｐに供給する供給口
４が設けてあり、供給口４の下方にはこれらエッチング
液Ｌ１や洗浄液を排出する排液口５が設けてあって、エ
ッチング槽Ｐの液面が排液口５をこえるとエッチング液
Ｌ１や洗浄液が排液口５からオーバーフローするように
なっている。

【００１４】シリコンウェハＷ上方には排液口５より下
位に、白金からなる環状の電極２がシリコンウェハＷに
対向して設けてある。電極２は白金に限るものではない
がエッチング液Ｌ１に対し不溶性の材質であることが望
ましい。そして、上記ウェハベース１が正電極に、上記
環状の電極２が負電極になるように電圧印加手段たる定
電圧電源３が接続してあり、スイッチ３２でＯＮ、ＯＦ
Ｆするようにしてある。

【００１５】上記ウェハベース１の下側には、ウェハベ
ース１を介してシリコンウェハＷおよびエッチング液Ｌ
１を加熱するヒータ部６が設けてある。そしてエッチン
グ槽Ｐ内にはエッチング液Ｌ１中へ突出する測温体７を
配し、この測温体７の検出するエッチング液温度に応じ
て、図示しないヒータ制御部により上記ヒータ６を作動
し、エッチング液Ｌ１を一定温度に保つようにしてあ
る。さらに、保温性を保つため上記枠体Ｐ１の上端開口
部は蓋板Ｐ２にて閉鎖してあり、枠体Ｐ１と蓋板Ｐ２の
間をシールリングＰ５により封じてある。

【００１６】上記台座１１と上記立壁１２の間の凹部と
上記パッキンＰ３で囲まれた空間は真空ポンプＶにより
負圧としてあり、上記シリコンウェハＷとパッキンＰ３
の間の気密性を高めて上記エッチング槽Ｐに供給したエ
ッチング液Ｌ１が漏れないようにしてある。また上記枠
体Ｐ１の外周に形成した溝に沿って設けたシールリング
Ｐ４により上記枠体Ｐ１と上記立壁１２の間の空気の流
通を防止している。

【００１７】次にかかるエッチング装置を用いた本発明
のエッチング方法を図１により説明する。先ず、上記図
２のエッチング装置にシリコンウェハＷをセットする
（工程１０１）。シリコンウェハＷは、上記図５のごと
く予め非エッチング面にゲージ部Ｗ１と金属導電層であ
るアルミニウム配線部Ｗ２が形成してある。このアルミ
ニウム配線部Ｗ２により上記ウェハベース１とシリコン
ウェハＷの導通が安定裡におこなわれる。なお、アルミ
ニウム配線部Ｗ２が形成されていないシリコンウェハＷ
のエッチングを行うには予め非エッチング面にアルミニ
ウム等の金属を蒸着しておくのが好ましい。

【００１８】被エッチング面にはエッチング液Ｌ１に耐
性を有するシリカ、窒化けい素等からなり、上記ゲージ
部Ｗ１に対向する位置を開口部とするエッチングマスク
Ｗ４が形成してある。上記シリコンウェハＷを被エッチ
ング面を上にして上記ウェハベース１に載置し、さらに
上記枠体Ｐ１を嵌着し、真空ポンプＶを作動してシリコ
ンウェハＷと枠体Ｐ１の気密およびシリコンウェハＷと
ウェハベース１の接触を充分にしておく。また、シリコ
ンウェハＷを上記ヒータ６により予熱しておく。次いで
定電圧電源３のスイッチ３２をＯＮして上記シリコンウ
ェハＷに正電圧を印加する（工程１０２）。印加電圧は
１Ｖ以上とすることが望ましい。

【００１９】図３は印加電圧とエッチングレートの関係
についての発明者等の実験結果を示すもので印加電圧が
１Ｖ以上でエッチングレートが低下し、シリコンのエッ
チング反応が実質的に停止する顕著な作用があることが
確認された。従って、印加電圧は１Ｖ以上で適宜、設定
すればよい。好ましくは１〜６Ｖの範囲が適当である。

【００２０】しかる後、供給口４より予め図示しない別
のヒータにより所定温度にしてあるエッチング液Ｌ１を
上記エッチング槽Ｐに所定量供給する（工程１０３）
と、上記被エッチング面で陽極酸化反応が起こり自然酸
化膜程度の厚さの酸化膜が形成される。すなわち該酸化
膜がエッチングマスクとなるのでエッチング反応は実質
的に開始しない。なお、エッチング液Ｌ１は水酸化カリ
ウムやエチレンジアミンピロカテコール、ヒドラジン、
水酸化ナトリウム、水酸化セシウム、アンモニア水、水
酸化テチラメチルアンモニウム等のアルカリ性エッチン
グ液が使用され、エッチング液温度はエッチング量等に
応じて適宜、設定すればよい。供給するエッチング液Ｌ
１の量は１５０〜３００ｍｌ程度でよく、シリコンウェ
ハＷのサイズ等により適宜、設定すればよい。そして、
ヒータ６によりエッチング液温度が設定温度に達し、所
定の待ち時間を経過したら、スイッチ３２をＯＦＦする
（工程１０４）。

【００２１】スイッチ３２を切るとシリコンウェハＷの
被エッチング面に形成された酸化膜は極く短時間のうち
にエッチング液Ｌ１により溶解し、エッチング反応が開
始される。そしてエッチング量に応じた設定時間経過
後、再び上記スイッチ３２をＯＮし（工程１０５）、シ
リコンウェハＷに正電圧を印加すると酸化膜が形成され
エッチング反応が停止する。

【００２２】その後、上記供給口４から純水を供給する
（工程１０６）。上記エッチング槽Ｐ内のエッチング液
Ｌ１は充分少ないので上記エッチング液Ｌ１は直ちに稀
釈、冷却され、エッチング液Ｌ１は純水とともに排液口
５から排出される。そしてエッチング液Ｌ１が十分稀
釈、冷却されシリコンウェハＷが洗浄されてエッチング
反応が完全に停止する時点で上記スイッチ３２を切る
（工程１０７）。

【００２３】次に本発明のエッチング方法の効果を確認
するため試験を行った。上記のエッチング装置を用い、
上記図１の工程にしたがってエッチングを行った結果を
以下に示す。

【００２４】エッチング液Ｌ１は水酸化カリウムを２５
０ｍｌ使用し、液温を８０℃に設定した。エッチングに
供したシリコンウェハＷは上記図５のごとく半導体圧力
センサのダイヤフラムを形成するためにエッチングを行
う前のシリコンウェハである。エッチング時間は正電圧
切断から正電圧再印加までの時間を１００分とした。正
電圧は３Ｖとし、その印加時間はエッチング反応開始ま
でを５分、エッチング反応終了後を３分とした。このよ
うな条件で複数のシリコンウェハＷをエッチングし、そ
のばらつきを調べたところエッチング量のウェハ間ばら
つきは１μｍ以下であった。

【００２５】また、比較のため、図６および図７に示し
た従来のバッチ式によるエッチングを液温８０℃のエッ
チング液で行った。シリコンウェハＷのエッチング槽へ
の浸漬時からエッチング液槽から取出すまでの時間を１
００分とした。

【００２６】その結果、従来の方法ではエッチング量の
ウェハ間ばらつきは±７μｍであった。本発明の方法を
用いることによりエッチング精度を大幅に改善できるこ
とがわかる。

【００２７】また、本発明により高速エッチングをおこ
なったときのウェハ間ばらつきを調べた。高速エッチン
グを行うにはエッチング液温度を高くすることによりエ
ッチングレートを上げてエッチングを行うことが必要で
ある。しかしながら、従来のバッチ式によるエッチング
はエッチング反応時間がばらつき、エッチングレートを
上げると、これに比例してエッチング量のばらつきが顕
著にあらわれるため高速エッチングは不可能であった。

【００２８】上述のエッチング液温８０℃における、本
発明のエッチング方法と従来のバッチ式によるエッチン
グ方法の比較を行った試験と同様に、上記のエッチング
装置と同一仕様のシリコンウェハを用い、本発明による
上記図１の工程にしたがって液温１１０℃のエッチング
を行った。エッチング時間は正電圧切断から正電圧再印
加までの時間を、高速エッチングのため３０分とし、８
０℃の場合と同量のエッチング量が得られるようにし
た。エッチング液Ｌ１は８０℃の場合と同様に水酸化カ
リウムを２５０ｍｌ使用した。正電圧は８０℃の場合と
同様に３Ｖとした。その印加時間はエッチング中の液温
が一定になるように設定する必要がある。そこでエッチ
ング液Ｌ１供給後の液温の経時変化を予め測定したとこ
ろ、図４に示すようにエッチング液Ｌ１供給後３分程度
で設定温度である１１０℃に達しシリコンウェハＷ洗浄
のため純水Ｌ２を供給するまで安定し、純水Ｌ２を供給
すると速やかに液温は低下した。この結果からエッチン
グ反応開始までを５分、エッチング反応終了後を３分
と、８０℃の場合と同じにした。このような条件で１１
０℃のエッチングを行い、エッチング量のばらつきを調
べたところ、本発明の上記８０℃のエッチングと同等の
エッチング量ばらつきに抑えることができた。このよう
な本発明によればエッチングレートを高くした高速エッ
チングによりエッチング時間を短縮することが可能とな
る。

【００２９】なお、本実施例では半導体基板としてシリ
コンウェハを用いたが本発明方法はガリウムヒ素やイン
ジウムリン等の半導体基板のエッチングにも適用でき
る。このときエッチング液として酸性エッチング液を使
用してもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上のごとく、本発明によれば実際のエ
ッチング反応時間を正電圧の切断から再び正電圧を印加
するまでの時間で管理することができるので、この管理
時間により正確にエッチング量を制御することができ
る。このため、ウエハ間のエッチング量のばらつきを低
減する極めて顕著な効果が得られ、エッチング精度を大
幅に向上させることができる。また、管理時間により正
確にエッチング量を制御できるからエッチング液温度を
高くして高速エッチングを行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエッチング方法の手順を示す工程図で
ある。

【図２】本発明のエッチング方法を実施するために使用
したエッチング装置の全体断面図である。

【図３】本発明のエッチング方法における印加電圧とエ
ッチングレートの関係を示すグラフである。

【図４】本発明のエッチング方法により高速エッチング
を行った手順を説明するグラフである。

【図５】エッチングを行った半導体基板の断面図の一例
である。

【図６】従来のエッチング方法により半導体基板をウェ
ハキャリア内に設置した状態を示す断面図である。

【図７】図７（Ａ）は従来のエッチング方法の手順を示
す図であり、図７（Ｂ）は従来のエッチング方法の手順
を示す別の図である。

【符号の説明】

Ｗシリコンウェハ（半導体基板）Ｗ２アルミニウム配線部（金属導電層）Ｐエッチング処理槽１、２電極３定電圧電源（電圧印加手段）４供給口５排液口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者星野充愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (72)発明者谷口敏尚愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (72)発明者伊藤基樹愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (56)参考文献特開平２−203570（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/306,21/3063,21/308

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板に正電圧を印加する工程と、
正電圧を印加した状態でエッチング処理槽内において上
記半導体基板の被エッチング面をエッチング液に接触さ
せる工程と、正電圧を切断してエッチングを開始する工
程と、所定のエッチング量が得られた時点で再度、正電
圧を印加してエッチングを停止する工程と、正電圧の印
加を継続した状態で、上記エッチング処理槽内に洗浄液
を導入して上記エッチング液を希釈することによりエッ
チング反応を停止させ、その後、正電圧の印加を終了す
る工程とからなることを特徴とする半導体基板のエッチ
ング方法。
【請求項２】請求項１記載の半導体基板のエッチング
方法において、上記半導体基板をシリコン基板とし、上
記エッチング液をアルカリ性エッチング液とする半導体
基板のエッチング方法。
【請求項３】請求項１または２記載の半導体基板のエ
ッチング方法において、上記正電圧を１Ｖ以上とする半
導体基板のエッチング方法。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の半
導体基板のエッチング方法において、上記半導体基板と
して非エッチング面の少なくとも一部に正電圧を印加す
る金属導電層を形成した半導体基板を用いる半導体基板
のエッチング方法。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の半
導体基板のエッチング方法において、上記エッチング処
理槽内のエッチング液の温度が設定温度に達したときに
正電圧を切断してエッチングを開始する半導体基板のエ
ッチング方法。
【請求項６】エッチング処理槽内に相対向する一対の
電極を設けて、一方の電極に、被エッチング面が他方の
電極と対向するよう半導体基板を保持せしめるようにな
し、上記エッチング処理槽に、エッチング開始に際して
はエッチング液を槽内に供給し、エッチング終了に際し
ては洗浄液を槽内に供給する供給口と、これらエッチン
グ液または洗浄液を槽外に排液する排液口を設け、かつ
上記一対の電極間に上記半導体基板側が正となるように
電圧を印加する電圧印加手段であって、上記エッチング
処理槽内にエッチング液を供給した後に、上記電極への
電圧の印加を停止してエッチングを開始させ、所定のエ
ッチング量が得られた時点で上記洗浄液を槽内に供給す
るに先立って再度上記電極に電圧を印加してエッチング
を停止させる電圧印加手段を設けた半導体基板のエッチ
ング装置。