JPH10209117A - ドライエッチングによる平坦化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学気相成長膜たとえば非晶質シリコンの表
面段差および数μｍオーダーの異常突起物を、エッチバ
ック法によって平坦化する。 【解決手段】 エッチング中の発光スペクトル強度をモ
ニタリングし、その変化点で非晶質シリコン薄膜２とレ
ジストのエッチングレートを変化させる。即ち基板１に
薄膜２を形成すると、その表面は5000Å程度の凸凹４が
形成され、異常突起物３(1〜5μｍ程)も発生している。
次に、その表面にフォトレジスト膜５を塗布する。(ａ)
エッチング開始から凸凹４が現れるまでは選択比を２程
度にしてエッチングを行う。(ｂ)エッチングが進行し、
異常突起物３と凸凹４の高さがほぼ等しくなった時点で
選択比を１にする。エッチングが進行して凸凹４と異常
突起物３とが平坦化され、さらに(ｃ)の１点鎖線までオ
ーバーエッチングを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体回路を始め
とする各種の個体デバイスの製造に際して行われる平坦
化技術に係り、化学気相成長膜、特に非晶質シリコン薄
膜と有機塗布膜とを同時にエッチングして、非晶質シリ
コン薄膜を平坦化するドライエッチングによる平坦化方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、太陽電池や空間光変調素子など
において、光導電層に非晶質シリコン薄膜を使用する場
合、半導体素子上あるいは、ガラス基板上に非晶質シリ
コンをμｍオーダーで成膜する場合が多い。このとき、
たとえばプラズマＣＶＤ法によって非晶質シリコンを成
膜した場合、その表面は５０００Å程度の凸凹が形成さ
れており、さらに成長過程で形成された異常突起物（高
さが１〜５μｍ程度）が数点発生している。

【０００３】気相成長層の表面突起物を除去して、平滑
な表面を得る方法としては、例えば特開昭５６−１２７
２３号公報に記載されているものが知られている。これ
は、半導体基板上に設けられた気相成長層上に耐エッチ
ング性の被服膜、例えばフォトレジストを塗布して１μ
ｍ程度のレジスト膜を形成する。次にレジスト膜の上か
らガラスマスク等の平行板を数回押圧して、突起物上の
レジスト膜を破壊し、突起物を露出させる。この後、半
導体基板を約１００℃でベーキングした後、プラズマエ
ッチを行うと、突起物のみがエッチングされる。このよ
うにして、気相成長過程で生じた突起物を除去するもの
である。

【０００４】しかしながら、気相成長層の表面には異な
る高さの突起物が存在するため、上述の方法では、エッ
チング後もその高さの差に応じて段差が残ってしまうと
いう課題がある。

【０００５】一方、半導体素子の表面の段差を軽減する
ための平坦化方法としては、いくつかの技術が提案され
ており、最も簡便で有効な方法としてフォトレジスト膜
による平坦化技術（エッチバック法）がある。フォトレ
ジスト膜による平坦化では、平坦化したい膜（たとえば
酸化膜）の表面にフォトレジストを塗布し、その後にフ
ォトレジストに対する酸化膜のエッチング速度比（選択
比）が１となるようにして、酸化膜の表面が平坦になる
までエッチバックを行うものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のフォトレジスト
膜による平坦化を行う半導体素子は、通常その段差が数
百Å〜２，３千Åのオーダーである。したがって、フォ
トレジスト膜を１μｍ程度塗布すればその塗布膜の表面
は平坦になり、エッチバックによって平坦化が可能であ
る。

【０００７】しかし、化学気相成長膜たとえば非晶質シ
リコンを数μｍ成膜した場合など、その表面は５０００
Å程度の凸凹が形成されており、さらに成長過程で形成
された異常突起物（高さが１〜５μｍ程度）が数点発生
している。従来用いられているフォトレジスト膜による
平坦化では、レジスト膜厚はせいぜい２μｍ程度までし
か塗布できない。そのため、それ以上の高さの突起物は
平坦化されず、凸状段差として残ってしまうという問題
がある。

【０００８】そこで、本発明の目的は、化学気相成長膜
たとえば非晶質シリコンの表面段差および数μｍオーダ
ーの異常突起物を、エッチバック法によって平坦化でき
るドライエッチングによる平坦化方法を提供するもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明は、非晶質シリコン薄膜の表面に、有機物被膜を
塗布し、ドライエッチングすることにより、非晶質シリ
コンの表面を平坦化することを特徴とする。

【００１０】また、本発明は、非晶質シリコン薄膜の表
面に有機物被膜を塗布しドライエッチングする工程にお
いて、エッチング時の発光スペクトル強度に基づき非晶
質シリコン薄膜と有機物被膜とのエッチングレートを変
化させることを特徴とする。

【００１１】また、前記エッチング初期において有機塗
布膜を主にエッチングする時には、有機物被膜に対する
非晶質シリコン薄膜のエッチングレートの比を、１．０
以上３．０以下とし、有機塗布膜と非晶質シリコン薄膜
を同時にエッチングする時には、有機物被膜に対する非
晶質シリコン薄膜のエッチングレートの比を１．０とす
ることが好ましい。

【００１２】また、本発明は非晶質シリコン薄膜の表面
に、有機物被膜をスピンコート法によって塗布する工程
において、非晶質シリコン表面の凸凹が被覆されるまで
有機物被膜を再塗布し、その後ドライエッチングするこ
とにより、非晶質シリコンの表面を平坦化することを特
徴とする。

【００１３】また、前記非晶質シリコン薄膜の表面に、
有機物被膜をスピンコート法によって塗布する工程にお
いて、塗布後に非晶質シリコン表面の凸凹を反映した筋
がなくなるまで有機物被膜を再塗布することが好まし
い。また、前記有機物被膜はシリコンを含有する樹脂で
あることが好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、実施例を用いて本発明をさ
らに具体的に説明する。

【００１５】（実施の形態１）本発明の実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００１６】図１（ａ）に示すように、ガラス基板等か
らなる基板１の上面に、化学気相成長膜たとえば非晶質
シリコン薄膜２を形成する。この場合、例えばプラズマ
ＣＶＤで非晶質シリコン薄膜２を、たとえば３μｍ形成
すると、非晶質シリコン薄膜２の表面は、５０００Å程
度の凸凹４が形成されている。さらに成長過程で形成さ
れた異常突起物３（高さが１〜５μｍ程度）も数点発生
している。このとき、非晶質シリコン薄膜２は平坦化の
ためにオーバーエッチするため、形成する膜厚をオーバ
ーエッチの量だけ余分に形成しておく。

【００１７】次に、非晶質シリコン薄膜２の表面に、例
えばフォトレジスト膜５をスピンコート法によって塗布
する。このとき使用するフォトレジスト膜５は標準的な
レジストであり、均一性、塗布性などから膜厚を、例え
ば２μｍ程度としている。

【００１８】非晶質シリコン薄膜２表面の凸凹４は、フ
ォトレジスト膜２によって完全に覆われ、フォトレジス
ト膜２の表面は平坦となっている。また、異常突起物３
においては、高さが１〜２μｍ程度のものはフォトレジ
スト膜２によって覆われる。しかし、図１（ａ）に図示
してあるような異常突起物３の高さが、例えば４μｍ程
度のものであれば、フォトレジスト膜２によって完全に
覆うことができず、異常突起物３の表面がフォトレジス
ト膜５の表面に現れてしまう。

【００１９】一方、シリコン系薄膜を、レジストを用い
てエッチバックする場合のガスとして、フッ素系のガス
と、酸素を混合したガスがよく用いられている。例え
ば、ＣＦ₄とＯ₂の混合ガスを使用して、非晶質シリコン
薄膜２とフォトレジスト膜５とのエッチングレートを測
定し、そのエッチングレートの比を図示したものが図２
である。図において、ＣＦ₄に対するＯ₂の比を変化させ
ることにより、フォトレジストに対する非晶質シリコン
のエッチングレート比（選択比）を変化させることがで
きる。

【００２０】そこで図１（ａ）の様にレジスト膜厚より
も高い異常突起物３に対して平坦化を行うために、エッ
チング開始からフォトレジスト５表面の凸凹４が現れる
までは、選択比を２程度にしてエッチングを行う。

【００２１】例えば、図２の特性から、ＣＦ₄に対する
Ｏ₂の比を５％に設定する。このとき、フォトレジスト
膜５よりも異常突起物３のほうがエッチングレートが速
く、異常突起物３の高さが優先的に減少していく。

【００２２】図１（ｂ）に示すようにエッチングが進行
し、非晶質シリコン薄膜２表面の凸凹４が現れてきたと
きに、異常突起物３の高さが凸凹４の高さとほぼ等しく
なっている。この時点で、選択比が１すなわち非晶質シ
リコン薄膜２とフォトレジスト５のエッチングレートが
等しくなるようにエッチングガスの構成比を変化させ
る。たとえば、図２の特性から、ＣＦ₄に対するＯ₂の比
を１０％に設定する。

【００２３】このようにして、選択比を１に保ったまま
エッチングを進行させていくと、非晶質シリコン薄膜２
の凸凹４と異常突起物３の両方が平坦化される。さらに
平坦度を増すために、凸凹４がエッチングされてから、
さらにたとえば１μｍ程度オーバーエッチングを行う
（図１（ｃ）の１点鎖線までエッチングを行う）。

【００２４】選択比を変化させるポイントを検出するた
めに、エッチング時における発光スペクトル強度をモニ
タリングする。図３にＣＯラジカルの発光スペクトル強
度曲線を示す。レジストがＣＦ₄＋Ｏ₂ガスによりエッチ
ングされると、反応生成物の一つとしてＣＯxが発生す
る。このとき、ＣＯラジカルの発光スペクトル(たとえ
ば波長が520nm,453nm等)の強度をフォトデテクタ等で検
出するものである。

【００２５】図３において、（ａ）点は、エッチング開
始点であり図１（ａ）に相当する。エッチングが進行
し、図１（ｂ）に相当する非晶質シリコン薄膜２が現れ
始めたところが図３（ｂ）点となる。ここからＣＯラジ
カルの発光強度が小さくなっていき、フォトレジストが
なくなると、発光強度は元に戻る（図３（ｃ）点）。

【００２６】その後、非晶質シリコン薄膜２をオーバー
エッチして（ｄ）点で終了する。このように、発光スペ
クトル強度の変化点（上述の例では図３（ｂ）点）を検
出することによってエッチングされている表面状態が把
握できるので、この時点でエッチングレートを変化させ
ることにより、上述したように非晶質シリコン薄膜２の
凸凹４と異常突起物３の両方を平坦化することができ
る。

【００２７】さらに、ロットによるばらつきを抑え、再
現性良く、非晶質シリコン薄膜２の平坦化が行える。

【００２８】なお、発光スペクトルモニタを必ずしも備
える必要はなく、予め異常突起物３や凸凹４の段差が測
定できていれば、エッチングレートから計算できるた
め、時間による制御が可能となる。また、上述では、エ
ッチング開始時における選択比を２程度としたが、これ
に限定するものではなく、非晶質シリコン薄膜２上の凸
凹４と異常突起物３との差に適すれば良い。実用上、エ
ッチング能力やエッチング後の段差などから選択比を
１．０以上３．０以下とするのが好ましい。

【００２９】（実施の形態２）本発明の実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００３０】図４に示すように実施の形態１と同様にし
て、ガラス基板等からなる基板１の上面に、非晶質シリ
コン薄膜２を形成する。次に非晶質シリコン薄膜２の表
面に、ポリイミド膜６をスピンコート法によって塗布す
る。実施の形態１においては、フォトレジストを用いた
が、ポリイミド膜などでも良く、重ねて塗布できる有機
膜であれば問題ない。このときのポリイミド膜６は標準
的なものを使用し、膜厚を均一成、塗布性などからたと
えば、１μｍ程度としている。このとき非晶質シリコン
薄膜２表面の凸凹４は、ポリイミド膜６によって完全に
覆われ、ポリイミド膜６の表面は平坦となっている。

【００３１】また、異常突起物３においては、高さが１
〜２μｍ程度のものはポリイミド膜６によって覆われ
る。しかし、図４に図示してあるような異常突起物３の
高さがたとえば４μｍ程度のものであれば、ポリイミド
膜６では、完全に覆うことができず、異常突起物３の表
面がポリイミド膜６の表面に現れてしまう。

【００３２】このとき、ポリイミド膜６をポストベーク
（たとえば１５０℃−３０分）して硬化させた後、さら
にその表面にポリイミド膜７を、スピンコート法によっ
て塗布する。たとえば図４の場合では、ポリイミド膜
６、ポリイミド７、ポリイミド８のように３層重ねて塗
布を行っている。

【００３３】ポリイミド膜を重ねて塗布することによっ
て（例えば異常突起部より２μｍ程度厚めに塗布す
る）、非晶質シリコン薄膜２表面の異常突起物３を充分
被覆することができ、かつその最上部のポリイミド膜の
表面を平坦にすることができる。

【００３４】次に、非晶質シリコン薄膜２とポリイミド
膜６，７，８のエッチングレートの比を同じにしてエッ
チングを行う。ポリイミド膜と一緒に、非晶質シリコン
薄膜２の凸凹４と異常突起物３の両方が平坦化される。

【００３５】このようにして、ポリイミド膜を重ねて塗
布することにより、非晶質シリコン薄膜２表面の異常突
起物３を充分被覆することができ、さらにエッチバック
により平坦な非晶質シリコン薄膜を形成することができ
る。

【００３６】（実施の形態３）実施の形態２と同様にし
て、非晶質シリコン薄膜２の表面に、ポリイミド膜６を
スピンコート法によって塗布する。

【００３７】非晶質シリコン薄膜２上の異常突起物３と
凸凹４の高さが未知の場合は、異常突起物３を充分被覆
するための再塗布回数が未知となってしまう。このと
き、たとえばポリイミド膜６を塗布した後、もしポリイ
ミド膜６が異常突起物３を被覆していない場合、異常突
起物３を起点にしてスピンコートによる回転遠心力の方
向に沿って（たとえば４インチ基板などでは中心から外
周に向かって）、膜厚分布が発生する。

【００３８】ポリイミド膜塗布直後であれば、たとえば
高輝度ランプなどで観察すると、筋状の模様、例えば筋
９で観察される（図５）。ポリイミド膜をベークすると
段差が緩和され筋９の観察は困難となるので、塗布直後
に観察するのがが好ましい。したがって、ポリイミド膜
６によって異常突起物３を充分被覆するためには、塗布
直後の筋９が観察されなくなるまで、塗布を繰り返せば
よいことになる。簡便な方法として目視による観察を行
ったが、レーザ顕微鏡等で膜厚分布を測定し、塗布膜の
平坦度を厳密に制御してもよい。

【００３９】この後、実施の形態２と同様にしてエッチ
バックを行えば、平坦な非晶質シリコン薄膜を形成する
ことができる。

【００４０】なお、上述した実施の形態２、３ではポリ
イミド膜を使用したが、これの代わりにシリコーン樹脂
を用いても良い。シリコーン樹脂もスピンコートによっ
て塗布可能であり、さらにケイ素を含有しており、非晶
質シリコンとのエッチングレートを一致させやすい、と
いう利点があるためである。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、発光スペ
クトル強度をモニタリングし、その変化点で非晶質シリ
コン薄膜とレジストのエッチングレートを変化させるこ
とにより、非晶質シリコン薄膜上の凸凹とμｍオーダー
の異常突起物の両方を平坦化することができる。すなわ
ち、平坦な非晶質シリコン薄膜を効率よく作成できると
いう顕著な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）本発明の一実施の形態における
平坦化方法を順次に示す側断面図

【図２】本発明の一実施の形態におけるエッチングレー
ト比の特性を示す図

【図３】本発明の一実施の形態におけるエッチバック行
程においてＣＯラジカルの発光強度の時間変化を示す図

【図４】本発明の一実施の形態における平坦化方法を示
す側断面図

【図５】本発明の一実施の形態におけるポリイミド膜を
スピンコート方法で塗布した基板表面を示す概略図

【符号の説明】 １ 基板 ２ 非晶質シリコン薄膜 ３ 異常突起物 ４ 凸凹 ５ フォトレジスト膜 ６，７，８ ポリイミド膜 ９ 筋

フロントページの続き (72)発明者 滝本 昭雄 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 秋山 浩二 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非晶質シリコン薄膜の表面に、有機物被膜
   を塗布し、ドライエッチングすることにより、前記非晶
   質シリコン薄膜の表面を平坦化することを特徴とするド
   ライエッチングによる平坦化方法。
2. 【請求項２】非晶質シリコン薄膜の表面に、有機物被膜
   を塗布し、ドライエッチングする工程において、エッチ
   ング時の発光スペクトル強度に基づき前記非晶質シリコ
   ン薄膜と前記有機物被膜とのエッチングレートを変化さ
   せることを特徴とするドライエッチングによる平坦化方
   法。
3. 【請求項３】エッチング初期において、有機塗布膜を主
   にエッチングする時には、前記有機物被膜に対する非晶
   質シリコン薄膜のエッチングレートの比を１．０以上
   ３．０以下とし、前記有機塗布膜と前記非晶質シリコン
   薄膜を同時にエッチングする時には、前記有機物被膜に
   対する前記非晶質シリコン薄膜のエッチングレートの比
   を１．０とすることを特徴とする請求項２記載のドライ
   エッチングによる平坦化方法。
4. 【請求項４】非晶質シリコン薄膜の表面に、有機物被膜
   をスピンコート法によって塗布する工程において、前記
   非晶質シリコン薄膜の表面の凸凹が被覆されるまで前記
   有機物被膜を再塗布し、その後ドライエッチングするこ
   とにより、前記非晶質シリコン薄膜の表面を平坦化する
   ことを特徴とするドライエッチングによる平坦化方法。
5. 【請求項５】非晶質シリコン薄膜の表面に、有機物被膜
   をスピンコート法によって塗布する工程において、塗布
   後に前記非晶質シリコン薄膜の表面の凸凹を反映した筋
   がなくなるまで有機物被膜を再塗布することを特徴とす
   る請求項４記載のドライエッチングによる平坦化方法。
6. 【請求項６】有機物被膜はシリコンを含有する樹脂であ
   ることを特徴とする請求項４記載のドライエッチングに
   よる平坦化方法。