JPH11176800A - シリコンウエハのエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シリコンウエハの面内でのエッチングばらつき
を低減することができるシリコンウエハのエッチング方
法を提供する。 【解決手段】半導体圧力センサとするためのシリコンウ
エハ１１の一方の面にＫＯＨによるウェットエッチング
にて、その一部領域にダイヤフラム形成用の凹部を形成
する。そして、シリコンウエハ１１を硝酸溶液に浸漬
し、その後、連続して硝酸とフッ酸系の混合液を投入し
てライトエッチングを行い凹部の底面でのエッジ部の面
取り及び凹部の内壁の鏡面化する。シリコンウエハ１１
を硝酸溶液に浸漬する際およびシリコンウエハ１１を硝
酸とフッ酸系の混合液に浸漬する際において、エッチン
グ槽１２の中に、被エッチング面が上向きとなるように
シリコンウエハ１１を配置するとともに、エッチング槽
１２を揺動させる。液表面から被エッチング面までの液
の深さｄを、０．２〜０．７ｃｍとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、シリコンウエハ
のエッチング方法に関し、より詳しくは、例えば、半導
体圧力センサや半導体加速度センサにおける薄肉部を形
成するためのエッチング方法として用いると好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体加速度センサや半導体圧力
センサにおける薄肉部を形成する際において凹部の底面
でのエッジ部の面取り等のためにライトエッチング（ウ
ェットエッチング）を行うことが知られている（特開平
２−１５９７６９号公報等）。より詳しくは、図１０に
示すように、ＫＯＨ等のアルカリエッチング液を用いて
シリコンウエハ５０の一方の面に凹部５１を形成し、さ
らに、図１１に示すように、凹部５１の底面でのエッジ
部を面取りするとともに凹部５１の内壁を鏡面化するた
めに、シリコンウエハ５０を硝酸とフッ酸系の混合液に
浸漬することが行われている。つまり、図１２に示すよ
うに、凹部５１を形成したシリコンウエハ５０をウエハ
キャリア５２にセットし、エッチング面が乾燥したま
ま、ウエハキャリア５２をエッチング液（硝酸とフッ酸
系の混合液）の中に入れ、その後、引き上げて今度はウ
エハキャリア５２を純水の中に入れて水洗し、その後、
ウエハキャリア５２を純水の中から引き上げる。

【０００３】しかし、シリコンウエハ５０にはチップ形
成領域毎の多数の凹部５１が形成されるが、この方法で
は、シリコンウエハ５０をエッチング液（硝酸とフッ酸
系の混合液）に投入した初期においては、ウエハ面内の
特定箇所での凹部５１内への液の回り込みが悪く他の凹
部５１に比べエッチング開始が遅れたり、凹部５１内に
気泡がたまり液が接触せずエッチングが開始されないな
どの問題があり、ウエハ面内でのエッチングばらつきが
大きいという問題点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明の目
的は、シリコンウエハの面内でのエッチングばらつきを
低減することができるシリコンウエハのエッチング方法
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、シリコンウエハの一方の面での一部領域に凹部
を形成した後において、シリコンウエハが硝酸溶液に浸
漬される。よって、シリコン表面がエッチングされない
硝酸溶液になじむ。その後、連続して硝酸とフッ酸系の
混合液が投入され、ライトエッチングが行われる。

【０００６】このように、予めシリコンウエハを硝酸溶
液に浸漬してシリコン表面を液になじませてから、連続
して（水洗、乾燥させることなく）硝酸とフッ酸系の混
合液を投入してエッチングが開始されるので、エッチン
グ液を投入したときエッチングをウエハ面内で均一に開
始させることができ、エッチング初期の液のなじみ不足
や回り込み不足が防止され、ウエハ面内でのエッチング
ばらつきを低減することができる。

【０００７】つまり、硝酸とフッ酸系の混合液のエッチ
ングは硝酸によるシリコンの酸化とフッ酸による酸化さ
れたシリコンの溶解の繰り返しによって進む。よって、
予め硝酸のみに浸漬したシリコンウエハは、その表面が
均一な酸化状態となっており、また、シリコン表面は液
になじみがよく、エッチング液が投入されるとウエハ面
内で均一にエッチングが開始される。

【０００８】ここで、請求項２に記載のように、前記シ
リコンウエハを硝酸溶液に浸漬する際およびシリコンウ
エハを硝酸とフッ酸系の混合液に浸漬する際において、
エッチング槽の中に、被エッチング面が上向きとなるよ
うにシリコンウエハを配置するとともに、エッチング槽
を揺動させるようにするとよい。

【０００９】このようにすると、シリコン自体は硝酸溶
液にエッチングされないが、シリコン表面上の凹部内へ
硝酸溶液が入り、シリコン表面が硝酸で濡れるととも
に、凹部内にできた気泡が除去される。

【００１０】より具体的には、請求項３に記載のよう
に、液表面から被エッチング面までの液の深さを、０．
２〜０．７ｃｍとするとよい。つまり、エッチング液は
シリコン表面上を対流しているが、エッチング槽全体が
揺動していることから、液深さが小さい方が（０．７ｃ
ｍ以下）液が速やかに対流するようになり、ウエハ面内
で均一なエッチングが行われやすくなる。また、液深さ
が小さすぎると（０．２ｃｍ以下）液がウエハ面内の全
体に均一に行き渡らなくなり、シリコン表面に液が接触
しない部分が現れるため効果が小さくなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。本実施形態はピエゾ抵
抗層を用いた半導体圧力センサに具体化したものであ
る。

【００１２】図１には半導体圧力センサの断面を示す。
（１１０）面方位のＰ型シリコン基板１にはその一面に
厚さ１０μｍのＮ型エピタキシャル層２が形成され、こ
の積層体により半導体基板３が構成されている。Ｐ型シ
リコン基板１には一面に開口する凹部４が形成され、こ
の凹部４の底面４ａにて薄肉部５が構成されている。こ
の薄肉部５がセンサダイヤフラムとなる。また、この凹
部４はウェットエッチングにより形成したものである。
さらに、ライトエッチング（ウェットエッチング）によ
り凹部４の底面４ａでのエッジ部４ｂが面取り加工され
るとともに、凹部４の内壁が鏡面化されている。

【００１３】図１においてＮ型エピタキシャル層２には
Ｐ⁺ 型不純物拡散層６が形成され、このＰ⁺ 型不純物拡
散層６が歪みを感知するためのピエゾ抵抗となる。Ｎ型
エピタキシャル層２の表面にはシリコン酸化膜７が形成
されている。Ｐ⁺ 型不純物拡散層６がアルミ配線８にて
シリコン酸化膜７の表面側に電気的に引き出されてい
る。

【００１４】凹部４の形成のためのエッチングの際に
は、Ｐ型シリコン基板１の被エッチング面における所定
領域をマスク材９にて被覆した状態でエッチングが行わ
れ、マスク材９の無い領域のシリコンがエッチングされ
て凹部４が形成される。

【００１５】より詳しくは、エッチングを行うシリコン
ウエハ１１は図２に示すように多数のチップ形成領域１
４を有し、このシリコンウエハ１１を図３に示すように
セラミック製支持板１５の上に止着するとともに、ワッ
クス１６でシリコンウエハ１１をマスキングし被エッチ
ング面のみを露出させる。そして、ＫＯＨ液によるウェ
ットエッチングを行い、シリコンウエハ１１の一方の面
において一部領域に凹部４を形成し、さらに水洗する。

【００１６】引き続き、仕上げ加工を行うべくライトエ
ッチングを行う。図４には、ライトエッチング装置の概
略図を示す。ウエハキャリア１０はシリコンウエハ１１
を支持した状態でエッチング槽１２の中にセット（固
定）できるようになっている。エッチング槽１２の中
に、硝酸とフッ酸系の混合液、硝酸溶液、及び純水を注
入することができるようになっている。また、エッチン
グ槽１２は揺動装置１３の上に配置される。そして、揺
動装置１３にて水平方向にエッチング槽１２を揺動する
ことができる。

【００１７】ライトエッチングの際には、シリコンウエ
ハ１１の被エッチング面を上向きとし、エッチング槽１
２を揺動させつつ所定時間シリコンウエハ１１を硝酸溶
液に浸漬する。

【００１８】このとき、シリコン自体はエッチングされ
ないが、シリコン表面上の凹部４内へ硝酸溶液が入り、
シリコン表面が硝酸で濡れるとともに、凹部４内にでき
た気泡は除去される。この状態のままのところへ、硝酸
とフッ酸系の混合液を入れ、エッチングを開始する。つ
まり、被エッチング面を上向きにしたまま、連続して硝
酸とフッ酸系の混合液を投入して揺動させつつ凹部４の
底面４ａでのエッジ部４ｂの面取り及び凹部４の内壁の
鏡面化を行う。

【００１９】硝酸とフッ酸系の混合液によるエッチング
は硝酸によるシリコンの酸化とフッ酸による酸化された
シリコンの溶解の繰り返しによって進む。よって、予め
硝酸のみに浸漬したシリコンウエハ１１は、その表面が
ウエハ面内で均一な酸化状態となっており、また、シリ
コン表面は液になじみがよく、気泡も除去されているた
め、エッチング液が投入されるとウエハ面内で均一にエ
ッチングが開始される。

【００２０】これをより詳細に説明すると、シリコンウ
エハ１１を硝酸とフッ酸系の混合液でエッチングする場
合、予めそれのみではシリコンをエッチングしない硝酸
溶液に浸漬してシリコン表面を液になじませてから、連
続して（水洗、乾燥させることなく）硝酸とフッ酸系の
混合液を投入してエッチングを開始するので、エッチン
グ液を投入したときエッチングをウエハ面内で均一に開
始させることができ、エッチング初期の液のなじみ不足
や回り込み不足が防止され、エッチングばらつきを低減
することができる。

【００２１】図５，６には、図４の揺動装置１３を備え
たライトエッチング装置をより具体化したもの示す。図
５はライトエッチング装置の平面図であり、図６は図５
のＡ−Ａ断面図である。

【００２２】以下、このライトエッチング装置について
詳細に説明する。まず、エッチング槽としてのエッチン
グポット２０を、図７を用いて説明する。エッチングポ
ット２０は、プレート状のウエハベース２１と筒状のウ
エハリング２２とを具備し、ウエハベース２１の上には
シリコンウエハ１１が載置できるとともにその上にウエ
ハリング２２が一方の開口部を下にした状態で載置され
る。つまり、シリコンウエハ１１が筒状のウエハリング
２２の下面開口部を塞ぐように配置される。そして、真
空ポンプ等でポケット２１ａ，２２ａ内の空気を排出す
ることでＸ型パッキン２３が収縮してウエハベース２１
とウエハリング２２とが引き寄せられ、ウエハリング２
２に設けた縁面シール用リップパッキン２４によるシー
ルが行われるとともに、ウエハベース２１に設けた電極
２５がシリコンウエハ１１に押しつけられる。

【００２３】このように構成したエッチングポット２０
が図６に示すように揺動機構を設けた装置にセットさ
れ、エッチングポット２０内にエッチング液（硝酸溶
液、および硝酸とフッ酸系の混合液）が注入される。図
６において、揺動ベース２６および揺動キャップ２７は
直交して配置された直動軸受け２８，２９を介して本体
ベース３０およびキャップベース３１に水平方向（図５
のＸ−Ｙ方向）に揺動可能に支持されている。また、本
体ベース３０とキャップベース３１との間には２本の支
柱３２，３３が介在されている。キャップベース３１の
中央部には給排液ブロック３４が固定され、給排液ブロ
ック３４の中央部には排液パイプ３５が垂下されてい
る。排液パイプ３５の下端部には白金製拡散プレート３
６が固定されている。拡散プレート３６は円板状をな
し、多数の穴が設けられている。同プレート３６はエッ
チング液に浸漬する。

【００２４】給排液ブロック３４に形成した注入口３７
を通して硝酸あるいは硝酸とフッ酸の混合液がエッチン
グポット２０に注入できるようになっている。また、揺
動キャップ２７に形成した注入口３８を通して純水ある
いは窒素ガスがエッチングポット２０に注入できるよう
になっている。さらに、揺動キャップ２７に形成したオ
ーバーフロー液排出口３９を通してエッチングポット２
０内の液をオーバーフローにて排出できるようになって
いる。

【００２５】図５に示すように、揺動ベース２６には長
方形の穴４０ａ，４０ｂが設けられ、この穴４０ａ，４
０ｂの中に偏心カム４１ａ，４１ｂが回転自在に嵌合し
ている。この偏心カム４１ａ，４１ｂの駆動軸４２ａ，
４２ｂがモータ等と駆動連結され、駆動軸４２ａ，４２
ｂを中心に偏心カム４１ａ，４１ｂが回転する。そし
て、偏心カム４１ａ，４１ｂが回転すると図５中Ｘ方向
およびＹ方向に揺動ベース２６を移動させることができ
る。より正確には、偏心カム４１ａの回転によりＹ方向
に、偏心カム４１ｂの回転によりＸ方向に揺動ベース２
６が移動する。

【００２６】ライトエッチングの際には、図７に示すよ
うに、シリコンウエハ１１をエッチングポット２０にセ
ットする。このとき、図３に示すワックス１６にてマス
キングするのではなく、図７の縁面シール用リップパッ
キン２４にてマスキングする。このエッチングポット２
０を図６のライトエッチング装置にセットし、揺動キャ
ップ２７を乗せてクランプねじ４３，４４でＸ−Ｙ方向
に揺動可能に支持する。そして、給排液ブロック３４の
注入口３７を通してエッチングポット２０の中に硝酸を
注入する。硝酸は拡散プレート３６上に落下しシリコン
ウエハ１１の上面に均等に拡がる。このとき、抵抗測定
器４５により電極２５と拡散プレート３６に接続した電
極４６間の抵抗を測定することでシリコンウエハ１１が
硝酸に浸漬したことを確認しＸ−Ｙ揺動を開始する。こ
の揺動を伴う硝酸への浸漬を所定時間行う。

【００２７】その後、給排液ブロック３４の注入口３７
を通してエッチングポット２０の中に硝酸とフッ酸系の
混合液を注入する。このとき、抵抗測定器４５により電
極２５と拡散プレート３６に接続した電極４６間の抵抗
を測定することでシリコンウエハ１１が硝酸とフッ酸系
の混合液に浸漬したことを確認しＸ−Ｙ揺動を開始す
る。この揺動を伴う混酸への浸漬を所定時間行う。

【００２８】引き続き、排液パイプ３５から硝酸とフッ
酸系の混合液を抜き、さらに、揺動キャップ２７の注入
口３８から純水を注入し、その純水のオーバーフロー分
は液排出口３９から排出される。さらに、揺動キャップ
２７の注入口３８から窒素ガスを送り込みバブリング洗
浄を行う。その後、排液パイプ３５から純水を抜く。再
び揺動キャップ２７の注入口３８から純水を注入してエ
ッチング面を希釈洗浄する。この操作を抵抗測定器４５
により電極２５と拡散プレート３６に接続した電極４６
間の抵抗値が十分下がるまで繰り返し、洗浄が終了した
ことを確認する。

【００２９】洗浄終了後、窒素ガスを送り込みながら排
液パイプ３５から純水を抜く。その後、窒素ガスの送り
込みを終了してＸ−Ｙ揺動を止め、ライトエッチング装
置からエッチングポット２０を取り外し、エッチングポ
ット２０の真空を解除してシリコンウエハ１１を取り出
す。

【００３０】なお、ウエハベース２１に厚み測定センサ
４７（図６参照）を設け、エッチング量を測定してエッ
チング終了時期を検出するようにしてもよい。図６のセ
ンサ４７はシリコンウエハ１１のエッチング面とその反
対面の二重反射を利用して片側から厚み測定を行う測定
器の例を示す。

【００３１】図５，６に示す装置により、ライトエッチ
ング処理した結果を図８に示す。具体的処理方法として
は、硝酸溶液としては７０ｖｏｌ％水溶液を用い、エッ
チング液はＨＦ：ＨＮＯ₃ ＝１：５０の水溶液を用い
た。シリコンウエハは４インチウェハを用いた。

【００３２】まず、揺動を開始し、硝酸を１５ｍｌ入
れ、３０秒浸漬した。その後、硝酸を入れたまま、エッ
チング液を４０ｍｌ入れ、１２０秒エッチングを行っ
た。処理は室温で行った。エッチング後速やかに純水を
投入しエッチングを停止させた。

【００３３】図８において、縦軸には３σ（バラツキ）
／ｘバー（エッチング量）×１００をとり、ＨＦ：ＨＮ
Ｏ₃ ＝１：５０の水溶液のみを用いた従来方法による場
合と、予め硝酸液に浸漬する本実施形態とを示す。つま
り、従来法と実施形態とにおける、図２に示すように、
シリコンウエハ１１における各チップ形成領域１４での
ダイヤフラム厚の測定を行い、バラツキを測定したもの
である。

【００３４】この図８から、予め硝酸に浸漬することな
く、エッチング液のみで処理した場合に比べ、実施形態
では、加工精度を約２倍向上させることができることが
分かる。

【００３５】図９には、液表面からシリコンウエハ表面
までの液深さ、つまり、図４の液の浸漬深さｄと加工精
度との関係の測定結果を示す。即ち、ｄ値を変えたとき
に、図２に示すように、シリコンウエハ１１における各
チップ形成領域１４でのダイヤフラム厚の測定を行い、
バラツキを測定したものである。硝酸濃度、エッチング
液組成は上記と同じである。

【００３６】図９から、液表面からシリコン表面までの
液深さｄを、０．２〜０．７ｃｍとすることにより、良
好な加工精度を確保することができることが分かる。つ
まり、被エッチング物であるシリコンウエハ１１を含む
エッチング槽全体を揺動させた場合に、液面からシリコ
ン表面までの深さｄを０．２〜０．７ｃｍにするとより
効果が大きい。これは、エッチング液はシリコン表面上
を対流しているが、エッチング槽全体が揺動しているこ
とから、液深さが小さい方が（０．７ｃｍ以下）液が速
やかに対流するようになり、均一なエッチングが行われ
やすくなるからである。また、液深さが小さすぎると
（０．２ｃｍ以下）液が全体に均一に行き渡らなくな
り、シリコン表面に液が接触しない部分が現れるため効
果が小さくなる。

【００３７】このように、エッチング開始を均一に行え
るため、ダイヤフラム加工をより高精度に行うことがで
きる。このように本実施の形態は、下記の特徴を有す
る。 （イ）シリコンウエハ１１の一方の面での一部領域に凹
部４を形成した後において、シリコンウエハ１１を硝酸
溶液に浸漬し、その後、連続して硝酸とフッ酸系の混合
液を投入するようにした。よって、硝酸溶液に浸漬して
シリコン表面を液になじませてから、水洗、乾燥させる
ことなく連続して硝酸とフッ酸系の混合液によるエッチ
ングが開始され、エッチングをウエハ面内で均一に開始
させることができ、エッチング初期の液のなじみ不足や
回り込み不足が防止され、エッチングばらつきを低減す
ることができる。 （ロ）シリコンウエハ１１を硝酸溶液に浸漬する際、お
よびシリコンウエハ１１を硝酸とフッ酸系の混合液に浸
漬する際において、エッチング槽の中に、被エッチング
面が上向きとなるようにシリコンウエハ１１を配置する
とともに、エッチング槽を揺動させるようにしたので、
シリコン自体はエッチングされないが、シリコン表面上
の凹部内へ硝酸溶液が入り、シリコン表面を硝酸で濡ら
すことができるとともに、凹部内にできた気泡を除去す
ることができる。 （ハ）より具体的には、液表面から被エッチング面まで
の液の深さｄを、０．２〜０．７ｃｍとするとよい。

【００３８】これまで説明してきた実施の形態以外にも
下記のように実施してもよい。シリコンウエハ１１の一
方の面において一部領域に凹部４を形成する工程は、こ
れまでの説明においてはＫＯＨによるウェットエッチン
グにより凹部４を形成したが、他にも水酸化テトラメチ
ルアンモニウム水溶液によるウェットエッチングであっ
たり、アルカリエッチング液によるウェットエッチング
以外にも、ＣＦ ₄ 等によるドライエッチングにて凹部４
を形成したり、このような化学的手法を用いるのではな
く、放電加工等による機械的手法を用いてもよい。

【００３９】また、硝酸とフッ酸系の混合液としては、
硝酸とフッ酸の混合液（ＨＮＯ₃ ＋ＨＦ＋Ｈ₂ Ｏ）以外
にも、（ＨＮＯ₃ ＋ＨＦ＋ＮＨ₄ Ｆ＋Ｈ₂ Ｏ）等であっ
てもよい。

【００４０】また、これまでの説明においては半導体圧
力センサのダイヤフラムを形成する場合について説明し
たが、半導体加速度センサの薄肉部（梁部）を形成する
場合等に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施の形態における半導体圧力センサの断面
図。

【図２】 シリコンウエハの平面図。

【図３】 シリコンウエハを示す図。

【図４】 ライトエッチング装置の概略図。

【図５】 ライトエッチング装置の具体的構成図。

【図６】 図５のＡ−Ａ断面図。

【図７】 エッチングポットの断面図。

【図８】 ライトエッチング処理した結果を示す図。

【図９】 液の浸漬深さｄに対する加工精度の測定結果
を示す図。

【図１０】 ライトエッチングを説明するための図。

【図１１】 ライトエッチングを説明するための図。

【図１２】 ライトエッチングを説明するための図。

【符号の説明】

４…凹部、１１…シリコンウエハ、１２…エッチング
槽、２０…エッチングポット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 ▲よし▼次 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコンウエハの一方の面での一部領域
   に凹部を形成した後において、前記シリコンウエハを硝
   酸溶液に浸漬し、その後、連続して硝酸とフッ酸系の混
   合液を投入するようにしたことを特徴とするシリコンウ
   エハのエッチング方法。
2. 【請求項２】 前記シリコンウエハを硝酸溶液に浸漬す
   る際およびシリコンウエハを硝酸とフッ酸系の混合液に
   浸漬する際において、エッチング槽の中に、被エッチン
   グ面が上向きとなるようにシリコンウエハを配置すると
   ともに、エッチング槽を揺動させるようにしたことを特
   徴とする請求項１に記載のシリコンウエハのエッチング
   方法。
3. 【請求項３】 液表面から被エッチング面までの液の深
   さを、０．２〜０．７ｃｍとしたことを特徴とする請求
   項２に記載のシリコンウエハのエッチング方法。