JP4459053B2 - 基板表面から材料を選択的に除去する方法 - Google Patents

Description

本発明は、除去方法および、例えばウエハーおよび基板または独立請求項の前段によるマスキング（被覆）材料のようなものを伴うウエハーなどの基板用のマスキング（被覆）材料に関する。

材料を取り除くべきでない表面領域を被覆し、残りの被覆されていない領域を腐蝕液に曝すことで基板表面から選択的に材料を除去できる。非被覆領域に基づき、材料は深さ方向に基板から除去できる。しかしながら、これには種々の問題を含んでいる：
−腐蝕液は露出表面領域のみならず被覆材料も腐蝕する。暴露期間により被覆は薄くなるか完全に除去され、本来は保護されねばならない基板表面からの材料除去が続いて起こる。
−不完全エッチングが起こりうる、即ち、マスク（被覆）の下の側面に既にできている溝の側壁から当該被覆下の側面に沿って起こるので、被覆層下の末端が縁を持ち不明確な外観を有する。更に、出来上がった溝の壁は滑らかではない。
−基板上の単一溝内および／または数個の溝に亘る非均一エッチング速度が不明確な深さを生じる。
−エッチングで除去した材料の望ましくない再堆積。エッチングで除去した基板および／または被覆材料が望ましくない様式または当該基板の望ましくない部位および／またはエッチング装置に沈着しがちで、使用に適さない結果を招くかエッチング装置がもう操作できないようになる。
−深溝（深さＴ＞２００μｍ）を作る際に、当該エッチング速度が遅すぎて経済的に効率的な結果が得られないことがありうる。

エッチングプロセスは等方性（即ち、全ての方向に同じ効果を有する）または異方性（即ち、空間のある方向で空間の他の方向より良い効果を有する）でありうる。湿式エッチングは通常等方性エッチングプロセスであるが、それは比較的遅く、例えばシリコンウエハーで深溝をエッチングする場合には使用できない。乾式エッチングはより高速のエッチング速度を有する（単位時間当たりの除去）。この場合、エッチングプラズマ（例えば、ＳＦ_６）を作成し、暴露のためにエッチングする部位の上に設置する。これに関し、用語“プラズマ”は高度に物質がイオン化された状態（完全にはイオン化されていない）を意味するとも理解される。これはまたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とも言われる。深溝を作らなければならない場合、乾式エッチングを採用するとこれはＤＲＩＥ（深反応性イオンエッチング）と言われる。この際に、エッチングプロセスの均一性および被覆材料の抵抗性に関して特別に要求がなされる。当該エッチング速度についての他の促進はＩＣＰエッチング方法により達成できる。この方法では誘導電力結合（ＩＣＰ＝誘導結合プラズマ）で高度にイオン化したプラズマが作り出される。当該エッチング速度は相当早いので従来の被膜層の高分子類または酸化物類を使用すると、基板と共に当該被覆層をエッチングで除去する前では貧弱な溝深さだけが作成される。

一方では金属材料含有または全てが金属製（＞９８重量％）、特にアルミニウムでできた被覆層を使用することが知られている。これらは薄い被覆層を有する場合でさえも、またＩＣＰエッチングの場合でも、その抵抗性は当該被膜層を除去しなくても深溝が作成できるような性質である。それにもかかわらず、材料は同じように当該被膜層からエッチングで除去される。エッチングで除去されたものはとりわけエッチング装置に堆積しやすく、誘導結合を支える管の中または上に見出される。結果として、当該管は金属的導電性となり、誘導結合および当該エッチング速度は初期に低下し、最後には衰えを示す。これにより高くついて時間のかかる当該装置の洗浄が必要となる。

当該被覆層の不完全エッチングは米国特許第５，５０１，８９３号で知られるような方法で避けることができる。簡単に言うと、この方法ではエッチングされる表面に交互（数秒の周期で）にエッチング用ガスおよび不活性化ガスを供給する。適切なレイアウトにすると当該不活性化ガス中の不活性化剤が溝の側壁に堆積するので、当該エッチングガスは当該溝の底のエッチングのみを行い、不完全エッチングが避けられ殆ど垂直な壁面を作成する。

本発明の目的は高速エッチングで深溝の作成を可能とするエッチング方法を提供することである。

この目的は独立請求項の要点にて達成される。従属項は本発明の好ましい実施形態に関する。

本発明は特にシリコンまたはゲルマニウム或いは半導体或いは半導体基板として適切な材料における深さのパターン化に関する。この目的には乾式エッチング法が使用される。当該除去に対するマスキング（被覆）は金属材料、好ましくはアルミニウムまたは特定の合金によっても完全或いは部分的に達成される。最後に、エッチングにより同様に除去される被覆材料（金属）の、特にエッチング装置への再堆積を防ぐ工程が行われる。エッチングプロセスにおいてエッチング媒質に誘導電力を結合（ＩＣＰ）させるのが好ましい。この場合、傷つきやすい装置構成部品への再沈積は、基板を誘導結合から適切な距離に保つことで防止できる。この距離は少なくとも８ｃｍ、好ましくは少なくとも１０ｃｍ、より好ましくは少なくとも１３ｃｍであるのがよい。この距離は同様にプラズマ原子の平均自由行程の少なくとも２倍、好ましくは少なくとも３倍であるのがよい。作成する溝の深さは好ましくは少なくとも８０μｍ、より好ましくは少なくとも１５０μｍ、最も好ましくは少なくとも３００μｍである。エッチングで当該ウエハーを完全に突き抜けることも可能である（または当該ウエハーの他の面上にあるエッチング停止層までエッチングする）。
本発明の個々の実施形態につき図を参照して下に記載した。

図１はエッチングプロセスにおいて最も一般的な状態を示す。８はエッチングプロセスの間、排気される真空容器を示している。当該エッチング工程における圧力は好ましくは５Ｐａより低く、より好ましくは３Ｐａより低い。開口部８ａは、被覆１をその上に有するウエハー１０を挿入したり、再度取り出したりすることができるように設けてある。当該被覆１を伴ったウエハー１０はキャパシタのプレート２ａとして図式で示した台の上に置かれていて、その反対側のプレート２ｂはチャンバー８の最上部分に備え付けられている。当該エッチング工程の間、好ましくは２０〜１００Ｖの直流電圧５および交流電圧６（周波数、例えば１３．５６ＭＨｚ）が当該キャパシタに印加される。１１はガス入口を示し、キャパシタのプレート２ａ、２ｂの間に一方ではエッチング用ガスを、他方ではしかるべき不活性化ガスも導入する。この目的のために、流量調節器１２を設置し、これで１種のガスまたは他のガスにつき対応する貯蔵タンクから交互に出口１１へ供給する。

当該誘導電力結合はある数の巻き（巻き数ｎ＜６、好ましくは＜４）を有するコイル３によってもたらされる。このコイルは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、石英、硬質ガラス、石英ガラスまたはこれら材料が１種以上混合したような誘電体材料からなるような環状基板４に取り付けられ、例えば同じように１３．５６ＭＨｚ、または一般的に４ＭＨｚから４１ＭＨｚの周波数で、２〜５Ｋｗの電力を有する交流電圧が供給される。当該エッチング速度は好ましくは１μｍ／分より大で、好ましくは２μｍ／分より大である。

当該基板４は当該キャパシタのプレート２ｂの上または下に直接位置させるのがよい。幾つかの永久磁石を備え、それらは北極と南極が交互になるように直列に配置するのがよい。幾つかの永久磁石（示していない）は好ましくは規則的な間隔で円周に、好ましくは基板４の外側に備え付けるのがよい。当該永久磁石で生じる磁場の極は当該基板４の軸方向に間隔をあけることができる。当該永久磁石は引き伸ばすことができ、当該基板４の軸方向またはガス流の方向に伸びる。この場合、当該磁石は交互に逆行性配置（Ｎ−Ｓ、それからＳ−Ｎ、および再びＮ−Ｓ，・・・）で円周に分布させることができる。当該永久磁石の働きはイオン類および電子に誘導効果を与えてより均一とし、当該ウエハー上の電子温度の絶対値を低下させることである。

９は真空容器８の内部の部品、例えば自動処理器械などを更に示す。制御器１５は個々の部品を制御する。操作において当該容器を脱気するポンプは示していない。

ウエハー１０の被覆１は金属性材料または合金で、好ましくはアルミニウムを含有、または完全にそれからなる（＞９８重量％）。エッチングされる表面と当該コイル補強材４或いは当該コイル３それ自体の間隔Ａは少なくとも８ｃｍ、好ましくは少なくとも１０ｃｍ，より好ましくは１２ｃｍまたはエッチング用ガスの平均自由行程の少なくとも２倍、好ましくはその平均自由行程の少なくとも３倍である。これによりエッチングで同様に除去されるアルミニウムがコイル補強材４の内壁に再沈着しないことを確実にする。その結果、後者は導電性でなくなり、結合磁場を阻害することがない。

アルミニウムの代わりまたはアルミニウムと共に、当該被覆は主なる成分としてクロムまたニッケルまたは白金または金または鉄も含む（＞９０重量％、好ましくは＞９６重量％）。例えばＡｌＣｕ、ＡｌＳｉ、ＡｌＴｉ、ＮｉＦｅ、ＮｉＣｒのようなアルミニウムまたはニッケルの合金或いはクロム合金であるＣｒＡｕも使用できる。特に以下の合金は被覆材料として考えられる：
ＡｌＮｉＦｅ、例えば１１から１３ Ａｌ、２１〜２３ Ｎｉ、残り Ｆｅ、“ＡｌＮｉ０９０”、
ＡｌＮｉＦｅ、例えば１３〜１５ Ａｌ、２７〜２９ Ｎｉ、残り Ｆｅ、“ＡｌＮｉ １２０”、
ＡｌＮｉＣｏ、例えば９〜１１ Ａｌ、１９〜２１ Ｎｉ、１４〜１６ Ｃｏ、＞１ ＣｕＴｉ、残り 好ましくはＦｅ、“ＡｌＮｉＣｏ １６０”、
ＡｌＮｉＣｏ、例えば１１〜１３ Ａｌ、１８〜２０ Ｎｉ、１４〜１６ Ｃｏ、３〜５ Ｃｕ、残り 好ましくはＦｅ、“ＡｌＮｉＣｏ １９０”、
ＡｌＣｕ、例えば０．５〜２ Ｃｕ、残り Ａｌ、
ＡｌＳｉ、例えば０．５〜２ Ｓｉ、残り Ａｌ、
ＡｌＴｉ、例えば最大３、好ましく最大１．５ Ｔｉ、残り Ａｌ、
ＮｉＦｅ、例えば３５〜３７ Ｎｉ、残り Ｆｅ、“Ｈｙｐｅｒｍ ３６ Ｍ”、
ＮｉＦｅ、例えば４９〜５１ Ｎｉ、残り Ｆｅ、“Ｈｙｐｅｒｍ ５２”、
ＮｉＣｒ、例えば７８〜８２ Ｎｉ、残り Ｃｒ、
ＣｒＡｕ、例えば４５〜５５ Ｃｒ、残り Ａｕ。

上の次元なしの数字は重量％または容量％を示す。示した範囲の各平均値が特に好ましい。

図２はウエハーの断面を図および拡大した形で示す。ウエハー１０は被覆１で覆われている。被覆１は金属または合金または金属を含有する複合材料を含有するか、それらで全部が成り立つ。好ましい材料はアルミニウムまたはアルミニウム合金である。当該合金は少なくとも９０重量％の金属またはアルミニウムを含有している。２５は既に形成された溝を示し、それはウエハーのある一定の深さまでエッチングされている。現行の深さはＴとして現されている。当該ウエハーの厚みＤは数百μｍでよく、例えば１５０μｍから６００μｍまでの範囲である。当該被覆層１の高さＨは１．５μｍ未満、好ましくは０．６μｍ未満の厚さである。当該壁は殆ど垂直で作られるのがよい。壁または底面に関して全ての壁の角度αは８５°から９５°の範囲がよい。望ましくは、それは９０°未満でもある。この場合、当該溝は下方へいくほど広がり、隔壁は下方になるほど薄くなりうるが溝の間に残る。これは例えばいつ当該材料がエッチングで穴が開いても有利であろうし、センサー（特に赤外検出器）の断熱支持体用の膜は当該溝２５の間の尾根で保たねばならない。

当該ウエハー中での深さ方向のＩＣＰエッチングでは、エッチングガスおよび不活性化ガスが交互に供給される。これは流量制御器１２で行うことができ、場合により上位制御器１５に従って行われる。当該ガス類はエッチングガス用の貯蔵容器１３および不活性化ガス用の貯蔵容器１４から供給される。各々の相は各数秒（詳しくは各１０秒未満、好ましくは各６秒未満）で、直ちに交代する。排気は連続的に行われるのがよい。

図３は図によりウエハー断面での俯瞰図を示した。溝の繰返しパターンが示されていて、当該パターンの個々の区画は列３５および欄３４に沿って配列されている。破線は単に見やすくする目的で、実際には存在しない。異なる溝３１，３２および３３は個々のパターン毎に備えられている。これらは、好ましくは他のウエハー表面を完全に、そして好ましくは当該ウエハー１０の周囲（縦方向）も覆っている被覆３６の中の非被覆部に相当する。このようにして、多くの同じ種類の溝パターンを１つの製造工程にてウエハー上に同時に作成することができ、当該溝は作成した後に互いに分離される。エッチングされる領域は当該基板の少なくとも８％、好ましくは少なくとも２０％、最も好ましくは３５％より大である。当該基板それ自身は、例えば実質的に円形であるディスク様ウエハーでよく、少なくとも１０ｃｍ、好ましくは少なくとも１５ｃｍの直径を有する。当該ウエハーそれ自体はシリコンを含むか、或いは完全にシリコンで構成されている。それは好ましくは結晶性シリコンである。

図４は基板またはウエハー１０がエッチングにより穴が開いた最も一般的な状態を示す。この図では当該ウエハーが既にエッチングにより殆ど完全に上から下まで貫通してしまった状態を示す。他方の基板表面上（図４の底面）にはエッチング行程前に、本実施形態では当該穴の領域に薄膜４９を塗布したエッチング停止層４８が備わっていて、その上に断熱された電子構成要素４７を次いで（または同時に）形成することができる。上で説明したエッチング行程の結果では、当該溝２５の中央では当該材料が既にエッチングにより比較的滑らかな表面４３を有する当該エッチング停止層４８まで貫通していたが、端は依然として基板材料を伴い、比較的粗い表面を有する領域４２を含んでいる可能性が高い。針状体４４の形成は、被覆粒子１'の再堆積により時には生じうる。

図４に示した状態は深度検出器４５，４６で検出できる。それは例えば光源でよく、特に当該溝２５の断面寸法Ｑ（直径または末端距離）の好ましくは真中（端からの距離Ｅ＞２０％、好ましくは＞４０％）へ光線を放出するレーザ光源４５がよい。検出器４６は反射光を解析する。図では光路長は破線で示した。レーザ光線がエッチングで未除去の基板の比較的粗い表面（４２にて図で示したように）で反射される限り、反射は比較的方向性がなく、そこで検出器４６で受光する反射光は少ない。しかしながら、エッチング停止層４８の露出が溝２５の中央で通常始まれば、より滑らかな表面４３からの反射がますます方向性を示すので、検知器４６で受ける強度が増加する。

例えば、受光した反射光の強度は閾値に関して調べることが従ってできる。また閾値につき一次導関数（受信号における変化）を調べることもできる。一次導関数は離散時間様式で作成できる。一般的に当該深さは反射光を解析すれば判定できる。

当該エッチング停止層４８が部分的に既に露出していれば、他のエッチング工程を利用してもよく、好ましくは等方性エッチング工程を使用してエッチング停止層４８を残す一方、端部分４２および針４４の材料をエッチングして除去する。これはＩＣＰでもできる。また一方、当該ガス圧の増加および／または印加バイアスの低下によっても可能である。圧力を増加すると、自由行程長が低下し、イオン類の動きの方向が印加した直流電場の場曲線によりそれ自身の方向性の厳密さを低下させ、当該エッチングプロセスがより等方性になる。印加した直流電圧を低下させても、同様なプロセスまたはより等方性エッチングプロセスを生じさせることになる。

この二回目のエッチング工程の後に三回目のエッチング工程も最終的に使用することができ、そこでは印加バイアスは好ましくはゼロである。これとは別に乾式および／または誘導電力結合プラズマでエッチングを再度実施することができる。この三回目のエッチング工程は好ましくは等方性である。

エッチングプロセスを終えると、当該被覆１は除去される。これは前もって当該被覆上に沈着した不活性化剤残渣（重合体残渣）の除去を行い、その後に湿式エッチングで行うことができる。これは例えば酸素プラズマにより行うことができる。当該被覆それ自体はＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウムで、好ましくは水溶液−ＴＭＡＨＷ）により除去できる。

それから材料を除去しなければならない材料は、好ましくは環状の結晶性ウエハーで直径は少なくとも１０、好ましくは少なくとも１５ｃｍである。

被覆材料は好ましくはアルミニウムをその主なる成分として含有する（＞９０重量％、好ましくは９５重量％の量）。加えて、更なる元素、例えば銅（０．５と２重量％の間、好ましくは１重量％未満の量）および／またはシリコン（０．５と２重量％の間の量）および／またはチタン（３重量％未満、好ましくは１．５重量％未満の量）を合金にして加えることができる。この被覆材料は本発明の独立部分と見なされる。完全または部分的にそのような被覆材料で覆ったウエハーも本発明の独立部分とみなされる。

本発明は一般的には、例えば断熱条件を保持しなければならない可動の質量またはＩＲの検知器を伴う加速度検知器を製造するマイクロメカニックスにおける基板の深部パターン化に使用できる。

図１はエッチングプロセスで最も一般的な状態につき側面図を示す。 図２は部分的にエッチングされたウエハーの断面図を示す。 図３は被覆されたウエハー（部分）の平面図を示す。 図４は当該ウエハーがエッチングで穴が開けられた最も一般的な状態を示す。

Claims (19)

1. 溝を形成するためにシリコン含有基板の表面から材料を選択的に除去する方法であって、
   当該基板の表面上に金属材料を用いてマスク（被覆）を形成し、
   当該基板を乾式エッチングし、
   当該乾式エッチングにおいて、コイルによってエッチング媒体に誘導結合電力(inductively coupling power)をかける工程を含み、
   当該コイルが、当該乾式エッチングが行われる真空容器内に設置された環状コイル基板に取り付けられ、
   少なくとも１５０μｍの深さの空洞を少なくとも２μｍ／分のエッチング速度で作成し、
   エッチング工程と不活性化工程を交互に含み、
   当該基板は当該環状コイル基板の下端から当該プラズマの平均自由行程長の少なくとも２倍或いは当該環状コイル基板の下端からから少なくとも８ｃｍの距離に保たれていることを特徴とする、方法。
2. 当該基板を当該環状コイル基板の下端から少なくとも１０ｃｍの距離に保つことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 当該エッチングの間の当該容器内の圧力が５Ｐａ未満であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. その材料は最大で基板の他の面まで除去されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. １．５μｍ未満の厚さを有するマスク（被覆）を形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 当該基板は末端までマスク（被覆）されることを特徴とした、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 当該マスク（被覆）を形成する際にアルミニウムを蒸着またはスパッターリングすることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 当該マスク（被覆）が選択的にエッチングされることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 当該金属材料が、少なくともアルミニウム９０重量％を含有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. エッチング位置（Ｔ）を深さ方向に繰返し測定し、一定の位置に達したときエッチングを終了するか或いは質的に異なる、または先行エッチングプロセスと異なる操作条件で行う二回目のエッチングプロセスを用いることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 当該深さはレーザ光線により測定され、光の特性を底面により反射した後、特に検出した信号の一次導関数に関して解析することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 当該二回目のエッチングプロセスにおいてエッチングは誘導電力結合プラズマにより、当該ガス圧は比較的高くおよび／または当該印加バイアスは比較的低い乾式条件で行うことを特徴とした、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 当該二回目のエッチングプロセスの後に、先行エッチングプロセスとは質的に異なるか先行エッチングプロセスとは異なる操作パラメータで行う第三回目のエッチングプロセスを適用することを特徴とする、請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の方法。
14. 当該三回目のエッチングプロセスにおいて、エッチングは乾式で等方性条件において好ましくは誘導電力結合プラズマにより実施し、印加バイアスは０であってもよいことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
15. 当該被覆を除去する前に、当該被膜上の重合体に対する灰化工程を好ましくは湿式エッチングにより提供することを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 当該灰化は酸素プラズマにより行うことを特徴とする、請求項１５記載の方法。
17. 当該灰化に引き続いて水酸化テトラメチルアンモニウムで処理することを特徴とする、請求項１５または１６記載の方法。
18. 以下の特徴：
    当該材料は当該基板表面の８％より多く除去され、
    当該基板は少なくとも１０ｃｍの直径を有する円盤状ウエハーである
    の１つ以上を特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 当該金属材料が、アルミニウムの量が９０重量％より多く、
    銅の量を０．５と２重量％の間、および／またはシリコンの量を０．５と２重量％の間、および／またはチタンの量を０．２重量％と３重量％の間で混合している
    ことを特徴とする、請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。

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