JP3882806B2 - エッチング方法 - Google Patents

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Description

本発明はエッチング方法に関し、特には半導体装置やマイクロマシンなどの製造において犠牲層の選択的なエッチング除去によって微細な３次元構造体を形成する場合に適用されるエッチング方法に関する。
微細技術の進展に伴い、マイクロマシン（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）、およびマイクロマシンを組み込んだ小型機器が注目されている。マイクロマシンは、シリコン基板、ガラス基板等の基板上形成された３次元構造体からなる可動部と、この可動部の駆動を制御する半導体集積回路等とを、電気的・機械的に結合させた素子であり、例えば光学素子やＦＢＡＲ(Film Bulk Acoustic Resonator）等の共振器素子等を構成している。
従来、このようなマイクロマシン分野および半導体分野においは、基板上に予め犠牲層を形成し、この犠牲層上に構造体層を形成してパターニングした後、犠牲層を選択的にエッチング除去することにより、パターニングされた構造体層の下方に中空部が設けられた３次元構造体や高アスペクト比の３次元構造体を形成する工程が行われている。犠牲層としては酸化シリコン（ＳｉＯ2）やシリコン（Ｓｉ）が用いられており、犠牲層をエッチング除去する際には、犠牲層を選択的に高速度でエッチング可能なエチャントを用いたエッチングが行われている。例えば、酸化シリコンにより犠牲層を形成した場合には、フッ素（Ｆ）系のエッチング液、また、シリコンにより犠牲層を形成した場合には気相のフッ化キセノン（ＸｅＦ2）やフッ化臭素（ＢｒＦ3）等のエッチングガスを用いたエッチングが行われる。
また例えば、構造体層の下方に中空部を有する３次元構造体を形成する場合には、先ず、図６（１）に示すように、基板１上部に犠牲層２をパターン形成し、基板１および犠牲層２上を覆う状態で構造体層３を形成する。次いで、必要に応じた形状に構造体層３をパターニングすると共に、構造体層３に犠牲層２に達するエッチング開口３ａを形成する。その後、図６（２）に示すように、エッチング開口３ａを介して犠牲層２をエッチング除去する。これにより、構造体層３の下方に中空部ａを設けてなる３次元構造体が得られる。
また例えば、半導体装置の製造においてシリンドリカルキャパシタの下部電極を形成する場合には、先ず図７（１）に示すように、基板１の上方に第１の犠牲層２を形成してこれに孔パターン２ａを設け、さらに孔パターン２ａの内壁を覆う状態で下部電極層５を成膜する。次に、孔パターン２ａ内を埋め込むように、下部電極層５上にさらに第２の犠牲層６を成膜し、次いで犠牲層６とその下層の下部電極層５との上部を研磨除去することにより、下部電極層５をシリンダ型に成形する。その後、図７（２）に示すように、犠牲層２，６を選択的にエッチング除去することにより、基板１上にシリンダ型の下部電極５ａを３次元構造体として形成する。
ところで、上述したエッチングにおいてエッチャントとして薬液を用いた場合には、その乾燥工程において、エッチングによって形成された構造体（例えば下部電極）が、リンス液の表面張力によって破壊される場合がある。これを防止する手法として、気体の拡散性と液体の溶解性とを兼ね備えた超臨界流体にリンス液を置換した後に、超臨界流体を気化させる方法が提案されている。そして特に、パターンにリンス液が含浸されている場合には、リンス液を液化二酸化炭素で置換したあと、パターンが形成されている基板を加熱することにより、液化二酸化炭素が充填されている容器内部の温度以上にパターンを加熱し、パターン内に残存しているリンス液を迅速に外部に放出させることができる（以上、下記特許文献１参照）。
また、超臨界流体にエッチング反応種を含有させた処理流体を用いてエッチングを行うことにより、乾燥工程を不要とする方法も提案されている。
特開２００２−３１３７７３号公報
しかしながら、このようなエッチング方法には、以下のような課題があった。例えば、図６を用いて説明した中空部ａを有する３次元構造体の形成においては、エッチング開口３ａと比較してエッチングによって形成する中空部ａが大きくなるに従い、犠牲層２をエッチング除去することが困難になる。また、図７を用いて説明した３次元構造体（シリンドリカルキャパシタの下部電極）においては、シリンダ形状のアスペクト比が高くなるに従い、犠牲層２，６をエッチング除去することが困難になる。
これは次のようなエッチングのメカニズムに起因している。すなわち、犠牲層２，６のエッチングの進行に伴い、エッチャント中に含まれるエッチング反応種が消費される。このため、さらにエッチングを進めるためには、活性が失われたエッチング反応種を含有するエッチャントをエッチング開口から排出し、新たなエッチャントをエッチング開口から供給する必要がある。しかしながら、エッチングが進行して中空部ａが大きくなり、またシリンダ形状のアスペクト比が高くなると、微細なエッチング開口を介してのエッチャントの交換が起こり難くなり、エッチング分部に対するエッチャントの置換効率が低下する。このため、エッチングの進行と共に、犠牲層２，６のエッチングレートが極端に低下し、犠牲層２，６をエッチング除去することが困難になるのである。
そして上述したように、犠牲層２，６を完全にエッチング除去することが困難となることにより、犠牲層２，６の残りが生じた場合には、エッチングの形状精度、すなわち３次元構造体の形状精度が劣化する。これにより、この３次元構造体を有するマイクロマシンや半導体装置の動作特性を劣化させる要因ともなる。
さらに、上述したエッチングレートの低下により、全体的なエッチング時間が延長されるため、構造体層の表面にもエッチングの影響が及ぼされ、これにより３次元構造体を備えたマイクロマシンの特性が劣化する場合がある。例えば、光変調用のマイクロマシンにおいては、構造体層の表面がアルミニウム膜などの光反射膜で構成されているが、この場合、アルミニウム膜の表面にエッチングの影響が及ぼされると、本来の反射特性が得られなくなるのである。
そこで本発明は、微細なエッチング開口から犠牲層を十分な速度でエッチング除去することが可能で、これによって大きな中空部や複雑な構成の空間部を有する構造体、さらには高アスペクト比の構造体を形状精度良好に、かつ表面状態を劣化させずに形成できるエッチング方法を提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明のエッチング方法は、エッチング反応種を含有する処理流体に被処理物を晒した状態で、当該被処理物の表面を光照射によって断続的に加熱する。これにより、被処理物近傍における処理流体を断続的に加熱して膨張、収縮させる。この際、被処理物に対して処理流体を流動させた状態を保つ。
このようなエッチング方法では、被処理物の表面を光照射によって断続的に加熱することで、被処理物近傍における処理流体が、被処理物からの熱伝導によって二次的に加熱される。これにより、処理流体は、被処理物に接する側から効率的に加熱されて膨張する。この膨張により、被処理物近傍における処理流体の密度が低下する。このため、被処理物が、その表面側に中空部を有している場合であっても、また被処理物が孔や溝を有している場合であっても、中空部や孔および溝内の処理流体もその処理流体が接する被処理物の表面からの加熱によって膨張して、中空部や孔および溝内から排除される。また、この加熱は断続的であるため、加熱と加熱の間においては、被処理物の熱が、被処理物自体および被処理物に対して流動した状態の処理流体に放熱される。そして、この放熱に追従して上述の中空部や孔および溝内の処理流体が冷却されて収縮し、被処理物の表面に流動供給されている新たなエッチング反応種を含有する処理流体が、中空部や孔および溝内に強制的に導入されて処理流体の置換が行われる。したがって、上述した光照射による断続的な加熱により、上述の処理流体の強制的な置換が繰り返し効率的に行われることになり、中空部や孔および溝内においてのエッチングレートを保ち続けることができる。
これにより本発明のエッチング方法によれば、複雑な形状の中空部やエッチング開口に対して大きい中空部、さらには高アスペクト比の孔および溝内の犠牲層を残すことなくエッチングすることが可能になりエッチング形状の精度の向上が図られると共に、エッチング時間が短縮されてエッチングによる表面性状の劣化を防止することが可能になる。この結果、例えば、３次元構造体部分を備えたマイクロマシンや半導体装置の動作特性の向上を図ることが可能になる。
以下、本発明のエッチング方法の実施の形態を説明する。尚、エッチング方法の実施の形態を説明するのに先立ち、このエッチング装置に好適に用いられる処理装置の一構成例を説明する。
＜処理装置＞
図１は、本発明のエッチング方法に用いられる処理装置の一例を示す概略構成図である。この処理装置は、エッチングが行われる処理室１１を有している。この処理室１１内には、被処理物となる基板Ｓが収納可能であると共に、内部を所定の温度に保持可能である。また、処理室１１に収納された基板Ｓの表面（エッチング対象となる面）に対向する位置には、基板Ｓに対して照射される照射光（例えば、レーザ光やランプ光）ｈを透過する光学窓１２が設けられている。この光学窓１２は、公知に用いられている合成石英や蛍石などが好適に用いられる。
さらに、処理室１１には、バルブｂを介して排気管１３と流体供給管１４とが接続されており、処理室１１の内部が所定の圧力雰囲気に保たれるように構成されている。このうち、流体供給管１４には、ポンプ１５を介して二酸化炭素（ＣＯ2）ボンベ１６が接続されており、処理室１１内にＣＯ2が所定圧力で供給される構成となっている。さらに、ポンプ１５と流体供給管１４との間の接続管１７に並列させて、バルブｂを介して混合槽１８が接続されている。この混合槽１８には、エッチング反応種（例えばフッ酸蒸気，水蒸気等）や相溶剤等のエントレーナを供給するための供給源１９がバルブｂを介して接続されており、ＣＯ2に所定濃度のエントレーナを分散（溶解）させた処理流体Ｌが所定温度・圧力で貯蔵される構成となっている。
さらに、この処理装置には、照射光ｈをパルス発振する光源２１が設けられている。また、この光源２１から照射された照射光ｈの光路上には、光源２１側から順にアッテネータ２２，コリメータ２３，および自在に可動する２枚のミラー２４，２５が配置されており、２枚のミラー２４，２５により、光源２１からパルス発振された照射光ｈが、光学窓１２を透過して処理室１１内に収納された基板Ｓの表面に対して照射され、さらにこれら２枚のミラー２４，２５の駆動によって基板Ｓの表面の全域に対して照射光ｈが走査される構成となっている。また、基板Ｓに照射される照射光ｈのエネルギー密度は、アッテネータ２２およびコリメータ２３によって所定の値に調整される。
このような処理装置によれば、エントレーナ等の不純物を含有しないＣＯ2や、フッ酸蒸気や水蒸気等のエントレーナをＣＯ2に所定濃度で分散させて所定温度・圧力に保たれた処理流体Ｌを、所定圧力・所定温度に保たれた処理室１１内に供給することができる。したがって、処理室１１内においてＣＯ2を超臨界状態に保つこともできる。また、処理室１１内の所定雰囲気に晒された基板Ｓに対して、パルス発振された照射光ｈを所定のエネルギー密度で照射することができる。
尚、上述した処理装置の構成はあくまでも一例であり、処理流体Ｌとして用いる物質により、ＣＯ2ボンベ１６が他のガスボンベに交換され、供給源１９から供給されるエントレーナが適宜選択されるものである。
また、光源２１からパルス発振された照射光ｈが、基板Ｓの表面に全域に対して走査されれば、ミラー２４，２５に換えて光ファイバーを用いても良い。さらに、照射光ｈをパルス発振する光源２１としては、レーザ光源や紫外域の波長の光を放出するランプをパルス発振させたものを用いることができる。しかしながら、本発明のエッチング方法に用いる処理装置においては、処理室１１内に収納した基板Ｓに対して照射光ｈを断続的に照射可能であれば、照射光ｈをパルス発振する光源２１を用いることに限定されることはない。例えば、誘電体バリア放電ランプのような連続発光する光源２１を用いた場合であっても、光源２１と光学窓１２との間に、所定周期で開閉自在な遮蔽板を配置する構成とすることで、基板Ｓに対して照射光ｈを断続的に照射することが可能であるため、このような構成の処理装置を用いることも可能である。
＜第１実施形態＞
次に、このような構成の処理装置を用いたエッチング方法の第１実施形態を、図２のフローチャートに基づき、図１を参照しつつ説明する。ここでは、基板Ｓの表面側において、微細なエッチング開口から選択的に犠牲層をエッチング除去する場合を想定してエッチング方法の実施形態を説明する。
先ず、第１ステップＳ１では、被処理物である基板Ｓを処理室１１内に収納配置し、基板Ｓの導入口を遮蔽して処理室１１内を密閉する。
次に、第２ステップＳ２では、流体供給管１４から処理室１１内に、エントレーナや他の物質を含有していない純粋なＣＯ2を供給する。ここでは、同時に処理室１１内の排気を行うことにより、処理室１１の内部が完全にＣＯ2で置換されるまで、処理室１１内の排気とＣＯ2の供給とを続ける。
その後、第３ステップＳ３では、処理室１１内の排気を停止した状態で処理室１１内へのＣＯ2の供給を続け、さらに処理室１１内の温度を調整することにより、処理室１１内をＣＯ2の臨界圧力以上、および臨界温度以上にする。これにより、処理室１１内をＣＯ2超臨界流体で満たす。
次に、第４ステップＳ４では、エッチング反応種をＣＯ2に分散（または溶解）させた処理流体Ｌを処理室１１内に連続供給する。この際、混合槽１８において、予備加熱・加圧された処理流体Ｌを、流体供給管１４から処理室１１内に供給する。また、処理室１１内を適宜排気することにより、処理室１１内の圧力および温度を第３ステップＳ３の状態に保ち続ける。尚、処理流体Ｌ中には、必要に応じて、相溶剤と混合した状態でエッチング反応種を溶解させても良い。また、処理流体Ｌ中には、エッチング反応種や相溶剤の他のエントレーナとして、超臨界流体ＣＯ2洗浄においてメタノールやヘキサン、オクタンなど、公知に用いる薬液やそれらの混合物を添加しても良い。
次に、第５ステップＳ５では、第４ステップＳ４のように処理室１１内に処理流体Ｌを供給し続けた状態において、光源２１からパルス発振された照射光ｈを、光学窓１２を介して処理室１１内の基板Ｓに対して照射する。この際、図３の実線グラフに示すように、基板Ｓの各部に対して所定波長の照射光ｈを、所定の照射時間Ａで、かつ所定の発振周期Ｂで繰り返し照射する。
ここで、照射光ｈの波長および照射時間Ａは、基板Ｓの熱損傷を防止しつつ、基板Ｓの最表面のみを加熱することを目的として設定される。具体的には、照射光ｈによる加熱領域が基板Ｓの表面から１００ｎｍまでの深さよりも浅い範囲に抑えられるように、照射光ｈの波長が紫外線領域に設定され、照射光ｈの照射時間Ａが１００ｎ秒以下に設定されることが好ましい。例えば、基板Ｓがシリコン基板で構成されている場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の第三高調波（波長３５５ｎｍ）を照射光ｈとして用いることが好ましく、これにより照射光ｈの吸収深さが約１０ｎｍに止められ、基板Ｓの加熱範囲が極表面のみに抑えられる。
また、照射光ｈの発振周期Ｂは、照射光ｈによって加熱された基板Ｓの表面温度が、基板Ｓの内部温度と平衡する程度にまで低下するのに必要な時間以上に設定され、例えば０．１秒以上に設定されることとする。
そして、以上のような基板Ｓの各部に対する照射光ｈの断続的な照射は、エッチングによって除去するべき犠牲層が全て除去されるまで、所定の周期数だけ繰り返されることとし、予め実験によって求めておくこととする。また、基板Ｓの各部に対する照射光ｈの断続的な照射が、基板Ｓの表面の全域に対して行われるように、ミラー２４，２５の駆動によっての照射位置を走査させる。この際、照射光ｈが基板Ｓの表面の全域に対して均一なエネルギー密度で照射されるように、照射光ｈを走査させることとする。
尚、図７を用いて説明した下部電極層５のような、高アスペクト比の孔パターンや溝パターン内外の犠牲層をエッチングする場合には、エッチングによって徐々に露出される孔パターンや溝パターンの側壁に照射光ｈが照射されるように、照射光ｈの照射角度を調整することが好ましい。
以上のようにして、基板Ｓに対する照射光ｈの断続的な照射を行った後、次の第６ステップＳ６では、エッチング反応種を混入していない純粋なＣＯ2を流体供給管１４から処理室１１内に導入し、処理室１１内を純粋なＣＯ2で置換する。この際、処理室１１内は、ＣＯ2が超臨界状態に保たれる所定温度・圧力に保たれることとする。
その後、第７ステップＳ７では、処理室１１内を排気することによって、処理室１１内を常圧付近にまで減圧する。この際、第５ステップＳ５のエッチング工程で形成された構造体の破壊を防止するために、処理室１１内の温度を調整しながら減圧することで、処理室１１内のＣＯ2を超臨界状態から直接、気体状態に移行させることが重要である。そして、処理室１１内を常圧付近にまで減圧した後、処理室１１内を常温付近にまで温度を低下させる。
以上の後、第８ステップＳ８においては、処理室１１内から基板Ｓを取り出すことにより、一連のエッチング処理を終了させる。
以上説明したエッチング方法によれば、第５ステップＳ５において、基板Ｓ表面への光照射ｈの断続的な照射により、基板Ｓの表面層を断続的に加熱している。これにより、基板Ｓの表面近傍における処理流体Ｌは、加熱された基板Ｓの表面層からの熱伝導によって二次的に加熱される。そして、図３の二点鎖線グラフの（１）部分に示すように、処理流体Ｌが基板Ｓに接する側から効率的に加熱されて膨張する。尚、このような処理流体Ｌの体積膨張は、光照射によって加熱された基板Ｓからの放熱による二次的なものであるため、照射光ｈの照射時間Ａに遅れて発生する。そして、このような処理流体Ｌの体積膨張により、図４（１）に示す様に、基板Ｓが、その表面側に中空部ａを有している場合であっても、図中矢印に示すように、中空部ａ内の処理流体Ｌが膨張して中空部ａ内から強制的に排除される。尚、この場合、光照射ｈの断続的な照射により、構造体３の表面が加熱されると、その熱が構造体内を高速で伝搬して中空部ａ側の処理流体Ｌを加熱する。
これにより、エッチングによって活性が失われたエッチング反応種や反応生成物を含む処理流体Ｌが中空部ａ内から排除されることになる。また、処理室１１内には処理流体Ｌが流動供給されているため、中空部ａ内から排除された処理流体Ｌは、処理流体Ｌの流動にしたがって供処理室Ｌ内から排気される。
そして、このような基板Ｓの表面層の加熱は断続的であるため、加熱と加熱の間においては、基板Ｓの熱が基板Ｓ自体および処理流体Ｌへの放熱され、基板Ｓが冷却される。これにより、図３の二点鎖線グラフの（２）部分に示すように、処理流体Ｌも冷却に転じて収縮しはじめる。そして、図４（２）に示すように、上述の中空部ａ内に、処理流体Ｌが強制的に流入する。この場合、処理室１１内には処理流体Ｌが流動供給されているため、中空部ａ内には、新たなエッチング反応種を含有する処理流体Ｌが流入することになる。これにより、中空部ａ内の処理流体Ｌの置換が行われ、新たに流入した処理流体Ｌによって、さらになる犠牲層２のエッチングが進行する。尚、以上のような処理流体Ｌの置換は、中空部ａに限定されることはなく、微細な孔パターンや溝パターン内の犠牲層をエッチングする場合であっても同様である。
したがって、上述した断続的な加熱により、上述の処理流体の強制的な置換が繰り返し行われることになり、中空部ａ（孔および溝）内においてのエッチングレートを保ち続けることができる。
そして、図５のグラフに示すように、従来のエッチング方法においてのエッチング深さ（実線）と比較して、図中破線に示すように光照射を繰り返す回数が増す毎にエッチング深さを深くすることができ、所定回数繰り返すことで、必要なエッチング深さのエッチングを行うことが可能になる。尚、ここでのエッチング深さとは、エッチング開口からの距離であることとする。
またエッチングレートを確保できるため、全体的なエッチング時間を短縮することもできる。これにより、被処理物の外表面や早期にエッチングによって表面に現れた部分の処理流体への曝露時間が短縮でき、腐食やエッチングなどの影響を低減できる。
以上から、上述した第１実施形態のエッチング方法によれば、微細なエッチング開口からのエッチングにより、複雑な形状の中空部やエッチング開口に対して大きい中空部、さらには高アスペクト比の孔および溝内をエッチング残りなく形状精度良好に、かつ表面状態を劣化させることなく形成することが可能になる。この結果、例えば、３次元構造体部分を備えたマイクロマシンや半導体装置の動作特性の向上を図ることが可能になる。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態のエッチング方法を説明する。本第２実施形態のエッチング方法は、マスクパターンを介して基板Ｓの選択された箇所のみに照射光ｈを照射する方法であり、一連の工程手順は図２のフローチャトを用いて説明した第１実施形態の工程手順と同様であることとする。
この場合、図１を用いて説明した処理装置において、光源２１と基板Ｓとの間の照射光ｈの光路上に、照射光ｈの照射範囲を制限するパターンが形成されたマスクを配置した状態で、第５ステップＳ５を行う。
これにより、照射光ｈが照射される１ショットの領域内において、照射光ｈの強度分布を形成することが可能になる。このため、例えば、図４に示したような、構造体層３の下方に犠牲層２のエッチングによって中空部ａを形成する場合、複数の構造体層３に対して、エッチング開口３ａ付近には照射光ｈを照射せずに、エッチング開口３ａから離れた中空部ａ位置のみに照射光ｈを照射することにより、すでに形成された中空部ａ内に局所的に処理流体Ｌの対流を発生させることが可能になる。したがって、すでに形成された中空部ａ内における処理流体Ｌの置換効率をさらに向上させることが可能になる。
尚、上述した第１実施形態および第２実施形態においては、超臨界状態の流体（ＣＯ2超臨界流体）にエッチング反応種を含有させた処理流体Ｌを用いたエッチングを例示した。しかしながら、本発明のエッチング方法は、このような形態の処理流体Ｌを用いたエッチングに限定されることはなく、ガス状または液体状の処理流体であっても良い。また、エッチング反応種自体が流体状である場合には、他の超臨界状態の流体やガス、さらには液体等のキャリア流体は、必要に応じて用いられる。
実施形態のエッチング方法に用いられる処理装置の構成図である。 実施形態のエッチング方法を示すフローチャートである。 実施形態のエッチング方法における照射光の断続的な照射を示すグラフである。 実施形態のエッチング方法の効果を説明する図である。 実施形態のエッチング方法の効果を示すグラフである。 従来のエッチング方法の一例を説明するための断面図である。 従来のエッチング方法の他の例を説明するための断面図である。
符号の説明
Ｌ…処理流体、Ｓ…基板（被処理物）

Claims (5)

  1. 基板上に犠牲層をパターン形成し、当該犠牲層を覆う状態で設けた構造体層をパターニングすることにより当該犠牲層に達するエッチング開口を有する構造体を形成した後、当該エッチング開口から前記犠牲層を選択的にエッチング除去してなる中空部を形成するエッチング方法において、
    エッチング反応種を含有する処理流体に前記基板上に前記構造体を形成してなる被処理物を晒した状態で、マスクパターンを介して当該被処理物における前記構造体のエッチング開口から離れた前記中空部位置の表面のみを光照射によって断続的に加熱することにより、当該被処理物近傍における前記処理流体を断続的に加熱して膨張、収縮させると共に、
    前記被処理物に対して前記処理流体を流動させた状態を保つ
    ことを特徴とするエッチング方法。
  2. 請求項１記載のエッチング方法において、
    前記処理流体は、超臨界状態の物質にエッチング反応種を含有させてなる
    ことを特徴とするエッチング方法。
  3. 請求項１記載のエッチング方法において、
    前記光照射は、ランプ光またはレーザ光のパルス発振によってなされる
    ことを特徴とするエッチング方法。
  4. 請求項３記載のエッチング方法において、
    前記光照射は、照射時間１００ｎ秒以下のパルス発振によってなされる
    ことを特徴とするエッチング方法。
  5. 請求項１記載のエッチング方法において、
    前記被処理物の表面に照射される光は、紫外光である
    ことを特徴とするエッチング方法。
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