WO2015037035A1 - エッチング方法 - Google Patents

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WO2015037035A1
WO2015037035A1 PCT/JP2013/005421 JP2013005421W WO2015037035A1 WO 2015037035 A1 WO2015037035 A1 WO 2015037035A1 JP 2013005421 W JP2013005421 W JP 2013005421W WO 2015037035 A1 WO2015037035 A1 WO 2015037035A1
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etching
substrate
temperature
nozzle
liquid
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PCT/JP2013/005421
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酒井 健
吉川 和博
達郎 吉田
白井 泰雪
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国立大学法人東北大学
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    • H01L21/67242Apparatus for monitoring, sorting or marking
    • H01L21/67253Process monitoring, e.g. flow or thickness monitoring

Definitions

  • the present invention relates to an etching method for etching a surface of a silicon wafer or the like using an etching solution.
  • a semiconductor device using an SOI (Silicon on Insulator) substrate is more advantageous in terms of operating speed and energy saving than a semiconductor device formed by incorporating an electronic circuit composed of a transistor or the like on the surface layer of a Si substrate such as a silicon (Si) wafer. It is said that it is.
  • SOI Silicon on Insulator
  • a high-density image sensor is one in which photoelectric conversion elements such as photodiodes constituting the photoelectric conversion unit are arranged with high density.
  • the higher the density the more the light receiving surface (pixel) of the photoelectric conversion element.
  • the area must be reduced. When the area of the light receiving surface is reduced, the amount of light per unit time incident on the photoelectric conversion element is reduced, so that it is necessary to increase the photosensitivity of the photoelectric conversion element, but there is a limit to this.
  • the light receiving surface area becomes unnecessarily large. For example, a signal is sent to each photoelectric conversion element or driving element, or a predetermined voltage is applied to a predetermined portion of the image sensor.
  • the wiring width is designed to be as wide as possible in order to keep the wiring resistance low.
  • the ratio of the area occupied by the wiring of the light-receiving portion which is a part of the plurality of light-receiving surfaces arranged in two dimensions, increases as the light-receiving surfaces are arranged at high density. In order to avoid this, it has been proposed to reduce resistance by increasing the thickness of the wiring, rather than reducing the resistance by widening the width of the wiring. Has increased the cost.
  • Etching solutions include acid type and alkaline type.
  • alkaline type has better smoothness of the surface formed by etching than the acid type etching solution.
  • smoothness of the surface formed decreases as the etching rate increases.
  • Non-Patent Document 1 describes alkali metal hydroxides, EDP (ethylenediamine-pyrochatechol), and TMAH (tetramethylammonium-hydroxide) as etchants for silicon.
  • the etching rate is 0.02 to 2 ⁇ m / min for silicon (Si), 1 to 80 nm / min for silicon oxide, and for silicon nitride.
  • TMAH is at most 10 nm / min, and other materials are said to be so small that numerical values are not described.
  • potassium hydroxide (KOH) and ammonium hydroxide (NH 4 OH) having a concentration of 1 to 30 vol% have a selective etching ratio with respect to silicon (Si) / silicon oxide of 100: 1 or more.
  • Patent Document 1 potassium hydroxide (KOH) and ammonium hydroxide (NH 4 OH) having a concentration of 1 to 30 vol% have a selective etching ratio with respect to silicon (Si) / silicon oxide of 100: 1 or more.
  • Non-Patent Document 1 In order to introduce light from the outside into the photoelectric conversion unit by etching the back surface of the Si substrate using the etching chemical solution (for example, potassium hydroxide) described in Non-Patent Document 1.
  • the etching chemical solution for example, potassium hydroxide
  • the size of the random irregularities formed on the surface of the incident surface increases, for example, when the etching rate is increased by adjusting the concentration of potassium hydroxide (KOH), and the size distribution of the irregularities tends to expand. was confirmed. This tendency also occurs when etching is performed by increasing the temperature of the etching chemical to increase the etching rate.
  • the inventors of the present application have conducted intensive research from the viewpoint of whether there is a method for forming a Si substrate having a large surface area having a surface excellent in smoothness and flatness while utilizing a high etching rate.
  • the etching rate was location dependent.
  • location dependence of the temperature of the etching solution during this etching location dependence has occurred in the etching rate.
  • the concentration of the etching solution tends to decrease as the distance from the etching solution supply position increases, and this tendency becomes more significant as the etching solution concentration increases and the etching solution fluidity decreases.
  • the thermal effect resulting from the etching reaction when etching the surface of the Si substrate with an alkaline etchant is caused by the temperature of the etchant. And the concentration.
  • the etching solution supply position Occurrence of irregularities may be observed in the form of large undulations spiraling toward the outer periphery of the Si substrate. This large undulating unevenness becomes conspicuous as the area of the etched surface increases.
  • An object of the present invention is to provide an etching method of a Si substrate that can be etched at high speed in a surface state that is extremely excellent in smoothness and flatness over a large area by utilizing these techniques and knowledge.
  • a first aspect of the present invention for achieving such an object is an etching method in which an etching process is performed while supplying an alkaline etching solution to the surface of a Si substrate, and the moving direction of the etching solution supplied to the surface is as follows.
  • An etching method characterized in that the temperature of the etching solution flowing on the surface is controlled based on measured values obtained by measuring the temperature at a predetermined plurality of positions at least at one location along the surface during the processing. .
  • a second aspect of the present invention for achieving the object of the present invention is to perform etching while supplying an alkaline etching solution to the surface of the Si substrate, and at least along the moving direction of the supplied etching solution on the surface.
  • the etching method is characterized in that the surface is heated or cooled based on a measurement value obtained by measuring the temperature at one or more predetermined positions during the treatment.
  • Another aspect of the present invention for achieving the object of the present invention is the first aspect or the second aspect, wherein the measured value is obtained in a trial etching process performed before the etching process. It is an etching method characterized by having a measured value.
  • the measured value is a value measured during an etching process.
  • a Si substrate having a surface excellent in smoothness and flatness can be provided.
  • a Si substrate having a surface excellent in smoothness and flatness for a back-illuminated type image sensor with dramatically improved production efficiency.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory view for explaining a typical example of the relationship between the flow position of an etching chemical on the Si substrate and the temperature distribution of the etching rate and the etched surface of the Si substrate according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a preferred example of the relationship between the discharge direction of the etching chemical discharged from the liquid supply nozzle for supplying the etching liquid to the surface to be etched of the Si substrate and the fluidity of the etching chemical. It is explanatory drawing.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an experimental apparatus used in Experiments 1 and 2.
  • FIG. 5 is a graph showing the position dependency of the etching amount, which is the result obtained in Experiments 1 and 2.
  • FIG. 6 is an experimental image of backside heating and an observation image of a thermograph.
  • FIG. 7 is an experimental image of back surface cooling and an observation image of a thermograph.
  • FIG. 8 is a schematic explanatory view for explaining a main part of the etching apparatus according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an experimental apparatus used in Experiments 1 and 2.
  • FIG. 5 is a graph showing the position dependency of the etching amount, which is the result obtained in Experiments 1 and 2.
  • FIG. 6 is an experimental image of backside heating and an observation image of a thermograph.
  • FIG. 7 is an experimental image of back surface cooling and an observation image of a thermograph.
  • FIG. 8 is a schematic explanatory view for explaining a main part of the etch
  • FIG. 9 is a schematic explanatory view for explaining a main part of another etching apparatus according to the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram for explaining a preferred example of the etching system according to the present invention.
  • FIG. 11A is a schematic explanatory view schematically showing a pattern structure and a size of a chip before an etching process in Experiment 6.
  • FIG. 11B is a schematic top view of the chip in FIG. 11A.
  • FIG. 12A is a schematic explanatory view schematically showing the pattern structure and size of the chip after the etching process in Experiment 6.
  • FIG. FIG. 12B is a schematic top view of the chip in FIG. 12A.
  • the present invention when the inventors repeatedly repeatedly observed the etching state in experiments conducted repeatedly by the present inventors, the formation of large waviness unevenness is caused by the supply position and supply amount of the etchant, and the flow direction of the etchant. In addition, it is based on the fact that the surface temperature of the surface to be etched has a significant position dependency.
  • the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description examples.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory view for explaining a typical example of the relationship between the flow position of an etching chemical on the Si substrate and the temperature distribution of the etching rate and the etched surface of the Si substrate according to the present invention. .
  • FIG. 2 shows the supply of an etching solution set at a predetermined position on the surface of a silicon (Si) wafer (substrate) 101 for a semiconductor having a size of about 6 to 10 inches ⁇ rotating at a constant rotation speed at a predetermined rotation speed.
  • Typical when etching is performed while supplying an etching solution at a predetermined flow rate from the nozzle 102 (FIG. 2 shows three nozzles 102a, 102b, and 102c, but is not limited to this number). It is a typical explanatory view for explaining one of the examples.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory view of the Si substrate 101 as viewed from above.
  • the example shown in FIG. 1 is an example in which the surface of the Si substrate 101 is etched while supplying the etchant only from the etchant supply nozzle 102a in FIG.
  • the number of nozzles is not limited. Etching solution supply method, arrangement, surface tension, viscosity, type, substrate size, shape, rotation speed, nozzle shape, nozzle supply port shape, size, liquid supply flow rate, heating or cooling
  • the number of nozzles is naturally determined when the liquid supply system is optimally designed in consideration of the manner, etc.
  • the horizontal axis indicates the diameter direction of the Si substrate 101
  • the vertical axis relatively indicates the etching rate (ER) at a predetermined position on the surface of the Si substrate 101.
  • etching rate regions and their curve shapes, peak ER, peak position X, etc. are the rotation speed of the substrate having the surface to be etched, the supply amount of the etching solution per unit time, the composition and viscosity of the etching solution, It depends on the surface tension, the number and installation positions of the nozzles 102, the shape of the discharge ports, the discharge direction, and the like.
  • the etching solution is dropped and supplied from the three etching solution supply nozzles 102a, 102b, and 102c to the surface of the Si substrate 101 to be etched.
  • the etching liquid supplied from each nozzle is adjusted to a predetermined liquid temperature and supplied.
  • the Si substrate 101 rotates at a desired number of rotations as indicated by an arrow A.
  • the etching solution is supplied to the surface to be etched of the Si base 101 while rotating the Si base 101 at a constant speed.
  • the position of the nozzle 102 a is the rotational center position of the Si base 101.
  • the etching solution supplied from each nozzle to the surface to be etched of the Si substrate 101 is spirally or arcuate in accordance with the rotational speed of the Si substrate 101, as indicated by a dotted line, a one-dot chain line, and a two-dot chain line in FIG. This trajectory is drawn and flows in the outer peripheral direction of the Si substrate 101.
  • the locus of the flow of the etching solution becomes closer to a straight line as the rotation speed of the Si substrate 101 increases.
  • the liquid layer can be raised at the portion where the supplied liquid and the liquid layer on the rotating substrate are in contact with each other. Inhibits stable fluid flow. Since this inhibition may locally change the etching rate, it may not be preferable to set the discharge direction of the liquid supply in a direction opposite to the direction of rotation of the substrate. The degree of this inhibition depends on the rotation speed of the substrate and the liquid discharge speed / discharge angle. Therefore, it is preferable to select the rotation speed of the substrate and the liquid discharge speed / discharge angle so that the influence of the inhibition does not substantially cause a local change in the etching rate.
  • the discharge direction is particularly preferably a direction that runs forward in the direction of rotation of the substrate. This point will be described more specifically below.
  • the direction of liquid discharge from the discharge port of the nozzle 102b is directed in the direction of the arrow b at an angle ⁇ in relation to the X axis, so that the flow of the etching liquid on the surface of the substrate 101 is not disturbed as much as possible.
  • the angle ⁇ is preferably in the range of 0 degrees ⁇ ⁇ 90 degrees, and more preferably in the range of 10 degrees ⁇ ⁇ ⁇ 45 degrees.
  • the direction of liquid discharge from the discharge port of the nozzle 102b is predetermined with respect to the rotation center axis Z while maintaining the Z axis and the angle ⁇ , and in the relationship on the XY plane, maintaining the X axis and the angle ⁇ . Is set to the direction.
  • the angle ⁇ is an angle ⁇ , the shape and size of the nozzle 102, the shape and size of the discharge port provided in the nozzle 102, the number, and the rotational speed of the substrate 101. It is arranged at an optimal angle so as to suit.
  • the nozzle 102a is arranged at a position equivalent to the rotation center of the Si base 101
  • the nozzle 102b is arranged at a position equivalent to the X axis
  • the nozzle 102c is arranged at a position equivalent to the Y axis.
  • the nozzles 102a and 102b are arranged with an interval X therebetween.
  • the nozzle 102a and the nozzle 102c are arranged at a distance Y.
  • the easiest arrangement in the discharge direction of the etching (chemical) solution from the three nozzles 102 toward the substrate 101 is a direction perpendicular to the surface of the substrate 101.
  • the liquid supply amount per unit time from the three nozzles 102 is determined in consideration of the rotation speed and size of the substrate 101, respectively.
  • an appropriate liquid can be supplied with a single nozzle 102a.
  • the intervals X and Y depend on the shape and size of the nozzle 102 and the shape, size, and number of the discharge ports provided in the nozzle 102, but these are designed so that the object of the present invention is effectively adapted. .
  • the shape of the nozzle, the discharge port structure, the liquid discharge force, and the discharge direction affect the fluidity of the etching liquid on the substrate, and when the influence exceeds a certain level, the etching rate changes. Therefore, it is desirable that the nozzle shape and the discharge port structure, the liquid discharge force and the discharge direction are appropriately selected so as to meet the object of the present invention.
  • the shape of the nozzle may be a straight shape, or may be tapered (tapered) or widened, but it is preferable that the nozzle is a pointed stop because good and accurate discharge directionality can be easily obtained.
  • the nozzle arrangement may be any of a single series, a double series, and a concentric arrangement as long as the object of the present invention is achieved.
  • the discharge method of the etching chemical solution from the plurality of nozzles may be any of a diffusion type, a directional type, and a convergence type, as in a so-called shower head.
  • Increasing the discharge pressure by reducing the discharge port area of the nozzle is also effective for increasing the directivity in the liquid supply direction.
  • the chemical solution may be supplied to the surface to be etched of the Si substrate by any one of a pressure feeding type, a pressure type, a gravity drop type, a vertical discharge supply type, a pressure drop type, and an inclined discharge type.
  • the angle ⁇ is preferably in the range of 90 degrees ⁇ ⁇ > 0 degrees, and more preferably in the range of 60 degrees ⁇ ⁇ ⁇ 10 degrees.
  • the etching rate is highly dependent on the concentration of the chemical constituent material of the etching solution in the etching solution that causes the degree of exothermic reaction that occurs during the etching.
  • An object of the present invention is to prevent a temperature difference on the surface to be etched of a substrate to be etched from causing a large temperature difference as shown in a typical example in FIG.
  • the alkaline etching solution used in the present invention most chemical solutions can be used as long as they have a high etching rate.
  • the etching solution used in the present invention may be used alone or in combination with a basic chemical agent, or an additive may be added as necessary.
  • alkaline chemicals include KOH (potassium hydroxide), NaOH (sodium hydroxide), TMAH (4-methyl ammonium hydroxide), EDP (ethylenediamine / pyrocatechol), N 2 H 4 ⁇ H 2 O (hydrated hydrazine), NH 3 + H 2 O (ammonia water) and the like are preferable.
  • Suitable additives include NH 2 OH (hydroxylamine), IPA (2-propanol) and the like. One or more kinds of these main ingredients and additives can be used as necessary.
  • the stop film (layer) that can be expected to have the effect of the present invention has a high etching selection ratio, but is not necessarily from the viewpoint of etching uniformly over a large area. It is not necessarily limited to those with a high etching selectivity.
  • the material of the stop film preferably used is SiO x film (silicon oxide), Si x N y film (silicon nitride), SiON film (silicon oxynitride), SiCN film (silicon carbonitride) ), SiC film (silicon carbide), AlN film (aluminum nitride film), and the like.
  • These films are formed by methods such as thermal oxidation, plasma oxidation, sputtering, vapor deposition, and anodic oxidation.
  • a SiO x film silicon oxide
  • CVD LPCVD, plasma CVD, etc.
  • TEOS TEOS
  • SiO 2 stoichiometric composition is optimal if desired.
  • Si 3 N 4 stoichiometric composition is optimal if desired.
  • the main feature of the present invention is that, as described above, when an etching process is performed by supplying an alkaline etching chemical to the surface to be etched of the Si substrate, the temperature of the chemical during the etching process is set at least on the surface to be etched. The measurement is performed at one or more predetermined positions, and as a result, the temperature of the chemical solution during the etching process is controlled based on the obtained measurement value. The temperature of the chemical during the etching process is measured in a pre-trial etching process that is performed before the actual etching process, and the temperature of the chemical liquid during the actual etching process is heated based on the measured value. Control by cooling is simple. In this case, the actual etching process is preferably performed in a constant temperature and humidity environment.
  • Another example of the measurement of the temperature of the chemical solution during the etching process is to measure the temperature of the chemical solution on time during the actual etching process. Based on the measured value of the temperature at this time, the temperature at the time of etching the chemical is controlled.
  • the measurement of the temperature of the chemical solution during the on-time may be performed continuously during the etching process or may be performed intermittently.
  • the temperature of the etchant at the time of the etching process is set to a temperature at which a predetermined etching rate is obtained (etching temperature), and the substrate is etched to maintain the etching temperature and continue the etching process.
  • etching temperature a temperature at which a predetermined etching rate is obtained
  • the temperature of the etching chemical on the surface is controlled by heating or cooling from the back surface of the substrate, for example.
  • the temperature of the etching solution being etched can be kept constant from beginning to end, and can be changed at an appropriate timing.
  • the production efficiency can be improved by raising the etching rate by raising the temperature of the intermediate processing stage with respect to the temperature of the initial stage of etching.
  • the smoothness and flatness of the etched surface can be further improved by lowering the temperature at the final stage.
  • the temperature of the chemical solution that is being etched during the etching process is determined by appropriately selecting the temperature of the chemical solution to be supplied and the temperature for heating or cooling.
  • FIG. 4 shows a schematic configuration diagram of an experimental apparatus 600 used in this experiment.
  • An experimental apparatus 600 shown in FIG. 4 includes a tank 601 and a nozzle 602 for storing an etching chemical solution, and the tank 601 and the nozzle 602 are connected by a supply line 603 for supplying a chemical solution.
  • a pump 604 for controlling the supply pressure and supply amount of the chemical solution is disposed.
  • the supply amount of the chemical solution to the nozzle 602 can also be adjusted by the valve 605.
  • a return line 606 is connected to the downstream side of the supply line 603 and in the vicinity of the nozzle 602.
  • the return line 606 prevents the etching chemical supplied to the nozzle 602 from being excessively supplied, and is connected to the tank 601 on the downstream side thereof.
  • Valves 607 and 608 disposed in the middle of the return line 606 can adjust the amount of the etching chemical supplied to the nozzle 602 by adjusting the amount of the etching chemical flowing through the return line 606.
  • the nozzle 609 is used for rinsing the surface of the Si substrate with ultrapure water or the like, and a supply line 610 for supplying a rinsing liquid is connected via a valve 611.
  • the etching chemical solution 612 in the tank 601 is heated by the heater 613 and supplied to the nozzle 602 at a predetermined liquid temperature.
  • the Si substrate is arranged so that the nozzle 602 is positioned at the center of rotation of the substrate, and receives the supply of the etching chemical 612 from the nozzle 602 while rotating at a constant speed.
  • Experiment 2 was performed under the same conditions as Experiment 1 except for the following conditions.
  • (Experimental condition (2)) Chemical liquid temperature control: No control, UPM (ultra pure water) with a liquid temperature of 25 ° C. supplied from the back side of the substrate to the back side of the substrate is maintained at 1 L / min
  • FIG. 5 shows the result of measuring the position dependency of the etching amount in Experiments 1 and 2.
  • the smoothness of the surface to be etched of the substrate is shown in the example of the temperature-controlled etching, as is clear from the solid line of the black “ ⁇ ” mark indicating the result of Experiment 1 in which the temperature was controlled. It can be seen that there is almost no position dependency.
  • Experiment 2 as is clear from the solid line of the black “ ⁇ ” mark, as a result of etching without being controlled in temperature but cooled, the etching amount rapidly and significantly increases toward the periphery of the substrate. Has decreased.
  • Fig. 6 shows the results of thermography measurement with the thermo camera of Experiment 1 and Fig. 7 of Experiment 2.
  • the alkaline chemicals used in the experiments 1 and 2 have temperature dependency on the etching rate with respect to the Si substrate. It can be seen that the higher the temperature, the greater the etching rate. Further, the temperature dependence is large around ⁇ 10 to ⁇ 50 mm from the center of the Si substrate, and the etching rate decreases rapidly.
  • the experimental apparatus 1300 in FIG. 8 is essentially the same as the apparatus 600 in FIG. 4 except that a mechanism for cooling the Si substrate is provided in the case of the apparatus 600 in FIG.
  • the Si base 1301 is supported by base support means 1302a, 1302b, and 1302c.
  • an etching chemical solution 1305 is supplied to the surface to be etched of the base body 1301.
  • the refrigerant 1306 is discharged toward the back surface of the base body 1301.
  • the refrigerant 1306 may be liquid or gas. Examples of the liquid include cold water and liquid nitrogen, and examples of the gas include cooling air.
  • a cold air fan, a cooling pump, a Peltier element, etc. may be used.
  • Cooling condition Cooling by discharging ultrapure water at 25 ° C. from the nozzle 1304 to the back surface of the substrate 1301 at a supply rate of 0.5 L / min
  • the liquid temperature of the chemical solution can be maintained at 55 ° C. over the entire surface of the substrate, and it has been clarified that there is a cooling effect in this experiment.
  • Example 4 A plurality of cooling mechanisms were provided to confirm the cooling effect.
  • the apparatus 1500 in FIG. 9 is the same as the apparatus 1300 in FIG. 8 except that two cooling mechanisms are provided. It was confirmed that a more effective cooling effect was obtained compared to Experiment 3.
  • FIG. 10 shows a first preferred embodiment of a solution that achieves the object of the present invention.
  • An etching system 1600 shown in FIG. 10 includes a subsystem 1601 and an etching apparatus main body 1602.
  • the subsystem 1601 includes a central control device 1603 and a thermo camera 1604.
  • the subsystem 1601 transfers data imaged and measured by the thermo camera 1604 using the etching state as thermography to the central controller 1603 via the data transfer line 1605, and based on this transfer data, the heating / heating executed by the apparatus main body 1602 is performed. Control cooling as prescribed.
  • the apparatus main body 1602 includes three support means for supporting a nozzle 1606a for supplying an etching chemical, a nozzle 1606b for discharging a heating liquid, two nozzles 1606c and 1606d for discharging a cooling liquid, and an Si substrate 101 that is subjected to an etching process. 1607a, 1607b, 1607c, a tank 1608 for storing cooling liquid, a supply line 1609 for supplying cooling liquid, a tank 1610 for storing heating liquid, a supply line 1611 for supplying heating liquid, and an instantaneous heating means 1612. ing.
  • the transfer lines 1613, 1614, and 1615 for transferring control signals are respectively connected to the controlled objects.
  • the transfer line 1613 transfers a signal for maintaining the liquid in the tank 1610 to be controlled at a predetermined heating liquid temperature.
  • the instantaneous heating means 1612 is controlled by a signal transferred by the transfer line 1614.
  • the temperature of the heated liquid supplied from the supply line 1611 can be instantaneously controlled based on the measurement data of the thermo camera 1604, and the temperature of the surface to be etched of the substrate 101 is dependent on the position during the etching process. It can be held without.
  • the control signal transferred by the transfer line 1615 the temperature of the cooling liquid in the tank 1608 is instantaneously controlled to a predetermined temperature.
  • Etching was performed by the etching system 1600 under the following conditions. Etching process conditions are as follows. ⁇ Sample to be etched: p-type Si wafer (base) ⁇ Etching chemical liquid ... KOH: 24%, HDA: 10% alkaline chemical liquid ⁇ Chemical liquid nozzle position and chemical liquid supply ⁇ ... Arranged on the central axis, vertical drop supply ⁇ Chemical liquid supply volume: 3 L / min ⁇ Substrate rotation speed: 800rpm ⁇ Control temperature ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Control to make reaction temperature 85 °C ⁇ Test time ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 15sec
  • FIGS. 11A and 11B an Si wafer (p-type Si substrate: 200 mm ⁇ ) on which 20 chips 1100 provided with a 2 cm ⁇ 4 cm pattern were arranged was prepared.
  • This pattern is a line and space pattern having a width of 10 ⁇ m and a length of 4 cm.
  • the line-to-line spacing is 10 ⁇ m, and the space depth is 50 ⁇ m. It has a structure in which 1000 lines are arranged in one chip.
  • 1101 is a silicon (Si) layer
  • 1102 is a stop layer made of SiN
  • 1103 is an aluminum (Al) metal layer.
  • This wafer was etched using the apparatus 600 of FIG. 4 under the following conditions. ⁇ Position of nozzle 602... Above the surface of the substrate to be etched and on the center axis of rotation of the substrate .. Etching chemical supply amount... 3 L / min ⁇ Rotation speed of the substrate ... 800rpm ⁇ Etching time ... 30min ⁇ Etching chemical solution... KOH: 24%, HDA: 10% alkaline chemical solution ⁇ Chemical solution temperature control ... While measuring, UPM (ultra pure water) under temperature control was uniformly supplied from the back side of the substrate toward the back side of the substrate at 1 L / min. ⁇ Temperature of substrate surface (temperature of chemical) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Measured with a thermo camera
  • the substrate after the etching process was immediately supplied with UPM (ultra pure water) at a supply rate of 5 L / min and washed for 10 seconds.
  • UPM ultra pure water

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Abstract

 大面積に亘って平滑性と平面性に極めて優れた表面状態で高速にエッチングできるSi基体のエッチング方法を提供する。 Si基体の表面に供給されるアルカリ性エッチング液の移動方向に沿う少なくとも一ヵ所以上の所定の位置の温度を前記処理中に計測して得た測定値に基づいて、前記表面を流れるエッチング液の温度を制御する。

Description

エッチング方法
 本発明は、エッチング液を使用して、シリコンウェハなどの表面をエッチングするエッチング方法に関するものである。
 SOI(Silicon on Insulator)基体を使用した半導体装置は、シリコン(Si)ウェハなどのSi基体の表層部にトランジスタ等から成る電子回路を作り込んで作成した半導体装置より動作速度、省エネの点で有利であるといわれている。例えば、イメージセンサー等の光電変換装置の分野でもSOI基体を利用する提案がなされている。
 一方、高精彩、高解像度で撮像したり物体を観察したりする機会が増え、高密度イメージセンサーの提案・開発が年々盛んになってきている。高密度イメージセンサーは、その光電変換部を構成する、フォトダイオード等の光電変換素子が高密度に配列しているものであり、高密度になればなるほど、光電変換素子の受光面(ピクセル)の面積は、小さくならざるを得なくなる。受光面の面積が小さくなると光電変換素子に入射する単位時間辺りの光量が少なくなるので、光電変換素子の光感度を高める必要が生じるが、それにも限界がある。
 更に、高密度化に伴って受光面の面積が必要以上に小さくなる大きな要因に、各光電変換素子や駆動素子に信号を送ったり、イメージセンサーの所定の箇所に所定の電圧を印加したりするための配線が占める面積がある。一般的には、製造の便宜上から配線の抵抗を低く保つために配線の幅を出来る限り広くとるように設計される。そのために、二次元に配列された複数の受光面で、その一部が構成される受光部の配線の占める面積の割合は、受光面が高密度に配列されるに従って大きくなる。それを避けるために、配線の幅の広さで低抵抗化を図るのではなく、配線の厚みを厚くすることで低抵抗化を図ることが提案され実用化もされているが、製造工程数が増しコストアップの原因になっている。
 最近は、高密度化と高光感度化を両立させる一案として、配線面積の影響を少なくすることが出来ることから、一般のイメージセンサーの光電変換部への入射方向とは反対の側(Si基体の裏面側)から光入射させる、所謂、裏面照射タイプのイメージセンサーが多数提案されており、一部は実用化もされている。このタイプのイメージセンサーでは、光電変換部が設けられた第一の基体とSOI基体上に駆動回路が設けられた第二の基体とを、第一の基体の光電変換部が設けられた側と反対側の面と第二の基体の駆動回路が設けられた側の面とが対面するようにして貼り合わせてある。
 しかしながら、光電変換素子にSi基体を通して光入射させるので、何れの色(波長)の光も対応する各光電変換素子の受光面に効率良く入射させる工夫が必要である。その一つに、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)やウエットエッチングでSi基体の裏面側を除去してSi基体の厚みを出来るだけ薄くする提案がある。しかしながら、Si基体が比較的厚いために、これまでは、CMPで所定厚まで研削し、その後CMPによる所謂ダメージ層を除去するためにウエットエッチングを行っていた。そのため、多大な時間が掛かり、コスト高の要因になっていた。しかもこのことが生産効率を律速しているので、その解決は重要な課題である。
 そこで、エッチングレイトが大きいエッチング液を使用して、CMP工程無しでエッチング処理だけで削除処理することが考えられる。エッチング液には、酸性系統のものとアルカリ性系統のものがある。そして、一般に、酸系統のエッチング液よりもアルカリ性系統のものの方が、エッチングによって形成される面の平滑性は良好であると言われている。しかし、アルカリ性系エッチング液でも、エッチングレイトが大きくなるに従って形成される面の平滑性は低下するとも言われている。
 エッチングレイトが大きいエッチング液を使用して選択エッチングする場合は、必然的にエッチングレイトの選択比(選択エッチング比)が大きいエッチング液を使用することになる。そのようなエッチング液として、例えば、非特許文献1には、シリコンに対してのエッチング液として、アルカリ金属の水酸化物、EDP(ethylenediamine pyrochatechol)、TMAH(tetramethylammonium hydroxide)が記載されている。非特許文献1によれば、エッチングレイトは、シリコン(Si)に対しては、0.02~2μm/min、シリコン酸化物に対しては、1~80nm/min、シリコン窒化物に対しては、TMAHが高々10nm/minで、他の材料に対しては数値記載されない程小さいとされている。
 又、この他に、1~30vol%の濃度の水酸化カリウム(KOH)、水酸化アンモニウム(NHOH)で、シリコン(Si)/酸化シリコンに対しての選択エッチング比が100:1以上とする例もある(特許文献1)。
国際公開第2005/067020号
Bulk Micromachining of Silicon. PROCEEDINGS OF THE IEEE. VOL.86, NO.8, AUGUST 1998, pp1536-1551.
 しかしながら、本願発明者らが、非特許文献1及び特許文献1に記載されてある技術について追試実験を行った結果、以下のような課題の存在が確認された。
 即ち、第一には、非特許文献1に記載されてあるエッチング薬液(例えば、水酸化カリウム)を使用してSi基体の裏面をエッチングして、光電変換部に外部から光を導入するために設ける光入射面をSi基体の一部に形成してみると、入射面の表面には大きさがランダムな凹凸が無数に形成されていた。その影響で、入射光の散乱や乱反射が生じて結果的には外部光を光電変換部に効率的に取り入れることが難しいという課題が発見された。
入射面の表面に形成されるランダムな凹凸の大きさは、例えば水酸化カリウム(KOH)の濃度を調整してエッチングレイトを上げると大きくなり、且つ、凹凸の大きさ分布が広がる傾向にあることが確認された。この傾向は、エッチングレイトを上げるためにエッチング薬液の温度を上げてエッチングする場合にも生ずる。
 第二には、200乃至300mmφのような大きなSiウェーハ(基体)の表面をエッチングしてみると、前述のランダムな微細凹凸の他に、大きなうねり状の凹凸も形成される場合があり、生産性良く実用化するには解決すべき課題がまだ存在することが確認できた。
 そこで本願発明者らは、高エッチングレイトを活かしながら平滑性と平面性に優れた表面を有する表面の面積が大きなSi基体を形成する方法はないのかという視点から鋭意研究を重ねてきた。その結果、シリコンに対して高エッチングレイトのアルカリ性エッチング液で大面積のSi基体をエッチングすると、エッチングレイトに場所依存性があることが分かった。このエッチング中のエッチング液の温度の場所依存性に基づいてエッチングレイトに場所依存性が生じていた。その結果、被エッチング面にランダムな凹凸がより形成され易くなるものと思われる。更には、エッチング液供給位置から遠退くにつれエッチング液の濃度が下がる傾向にあり、この傾向はエッチング液の濃度が高い程、エッチング液の流動性が下がる程顕著になることも分かった。
 更に、鋭意研究の過程で得られた多くの知見の中で、殊に重要な知見は、Si基体の表面をアルカリ性エッチング液でエッチングする際のエッチング反応に起因する熱的影響がエッチング液の温度や濃度に及ぶことである。後述する実験でも示されるように、この反応に起因する熱的影響が原因となって、被エッチング部材の被エッチング面の面積が大きくなるにつれて、前述の細かい凹凸の他に、エッチング液供給位置からSi基体の外周方向に向かって渦巻き状に大きなうねり状に凹凸の発生が観測される場合がある。この大きなうねり状の凹凸は、被エッチング面の面積が大きくなるに従って目立って観られるようになる。
 本発明は、これらの技術と知見を利用し、大面積に亘って平滑性と平面性に極めて優れた表面状態で高速にエッチングできるSi基体の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第一の態様は、Si基体の表面にアルカリ性エッチング液を供給しながらエッチング処理を施すエッチング方法において、前記表面に供給される前記エッチング液の移動方向に沿う少なくとも一ヵ所以上の所定の複数の位置の温度を前記処理中に計測して得た測定値に基づいて、前記表面を流れるエッチング液の温度を制御することを特徴とするエッチング方法である。
 本発明の目的を達成するための本発明の第二の態様は、Si基体の表面にアルカリ性エッチング液を供給しながらエッチング処理を施し、前記表面の供給される前記エッチング液の移動方向に沿う少なくとも一ヵ所以上の所定の位置の温度を前記処理中に計測して得た測定値に基づいて、前記表面を加熱若しくは冷却することを特徴とするエッチング方法である。
 本発明の目的を達成するための本発明のその他の態様は、前記第一の態様乃至第二の態様に於いて、前記測定値は、エッチング処理の前に実施された試行エッチング処理に於いて計測された値であることを特徴とするエッチング方法である。
 本発明の目的を達成するための本発明のその他のもう一つの態様は、前記第一の態様乃至第二の態様に於いて、前記測定値は、エッチング処理中に測定される値であることを特徴とするエッチング方法である。
 本発明のエッチング方法によれば、第一に、平滑性と平面性に優れた表面を備えるSi基体が提供できる。第二には、外部からの光を効率よく光電変換部に導入することができる光入射面を有する光電変換モジュール用の平滑性と平面性に優れた表面を備えるSi基体が提供できる。第三には、生産効率を飛躍的に向上させた、裏面照射タイプのイメージセンサー用の平滑性と平面性に優れた表面を備えるSi基体が提供できる。
 本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
 添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
図1は、本発明に係るSi基体上でのエッチング薬液の流動位置と、エッチングレイト及びSi基体の被エッチング面の温度分布、との関係の典型例を説明するための模式的説明図である。 図2は、Si基体の被エッチング表面にエッチング液を供給するための液供給ノズルから吐出されるエッチング薬液の吐出方向とエッチング薬液の流動性との関係の好適な例を説明するための模式的説明図である。 図3A,Bは、Si基体の被エッチング表面にエッチング液を供給するための液供給ノズルからの液供給方向と被エッチング表面との関係の好適な例を説明するための模式的説明図である。 図4は、実験1、2で使用する実験装置の模式的構成図である。 図5は、実験1,2で得られた結果であるエッチング量の位置依存性を示すグラフである。 図6は、裏面加温の実験データとサーモグラフの観測画像である。 図7は、裏面冷却の実験データとサーモグラフの観測画像である。 図8は、本発明に係るエッチング装置の主要部を説明する模式的説明図である。 図9は、本発明に係る別のエッチング装置の主要部を説明する模式的説明図である。 図10は、本発明に係るエッチングシステムの好適な一例を説明するための模式的構成図である。 図11Aは、実験6におけるエッチング処理前のチップのパターン構造とサイズを模式的に示す模式的説明図である。 図11Bは、図11Aにおけるチップの模式的上面図である。 図12Aは実験6におけるエッチング処理後のチップのパターン構造とサイズを模式的に示す模式的説明図である。 図12Bは、図12Aにおけるチップの模式的上面図である。
 本発明は、本発明者等が、繰り返し行った実験において、エッチング状態を注意深く繰り返し観察してみると、大きなうねり状凹凸の形成は、エッチング液の供給位置と供給量、及びエッチング液の流れ方向とに関連しており、しかも、被エッチング面の表面温度に著しい位置依存性があることが判明したことに基づいている。以下、本発明について、図を参照しながらより具体的に説明するが、本発明は、以下の記載例に限定されるものではない。
 先ず、本発明に係る主要な技術要件を図1および図2を引用しながら説明する。図1は、本発明に係るSi基体上でのエッチング薬液の流動位置と、エッチングレイト及びSi基体の被エッチング面の温度分布、との関係の典型例を説明するための模式的説明図である。
 図2は、所定の回転スピードで定速回転している、6~10インチφ程度の大きさの半導体用のシリコン(Si)ウェハ(基体)101表面に、所定の位置にセッティングしたエッチング液供給ノズル102(図2には、102a、102b、102cの3個が記載されているが、この数に限定されるものではない)から所定の流量でエッチング液を供給しながらエッチングを行う場合の典型例の一つを説明するための模式的説明図である。図2は、Si基体101を上方から見た模式的説明図である。図1に示される例は、図2において、エッチング液供給ノズル102aのみからエッチング液を供給しつつSi基体101の表面をエッチングした場合の例である。
 本発明に於いては、ノズル数は限定されるものではない。ノズルからのエッチング液の供給の仕方、配置、表面張力、粘度、種類、基体の大きさ、形状、回転数、ノズルの形状、ノズル供給口の形状、大きさ、液供給流速、加熱若しくは冷却の仕方、等々を考慮して液供給システムの最適設計される際に、ノズル数は自ずと決められる。
 図1において、横軸は、Si基体101の直径方向を示し、縦軸は、Si基体101表面の所定位置のエッチングレイト(ER)を相対的に示してある。Si基体101の回転中心位置(ノズル102aの液供給位置)からSi基体101の外周に向かってある一定距離までは、回転中心位置におけるエッチングレイト(ER)とほぼ等しいエッチングレイト(ER)の領域(定ER領域:図1のグラフの中心底部)になっているが、その領域を過ぎるとER上昇領域(A)になり、エッチングレイト(ER)は、位置Xでピークになる。ピーク位置Xを過ぎるとER下降領域(B)になり、Si基体101の外周端付近になるとエッチングレイト(ER)の下降は緩やかになっていることが図1から理解される。これらのエッチングレイト領域とそのカーブ形状、ピークER、ピーク位置Xの位置、等々は、エッチングを受ける面を備える基体の回転スピード、エッチング液の単位時間当たりの供給量、エッチング液の組成と粘度、表面張力、ノズル102の数と設置位置、その吐出口の形状、吐出方向、等々に依存する。
 図2の例によれば、Si基体101の被エッチング処理表面には、3つのエッチング液供給ノズル102a、102b、102cからエッチング液が落下供給される。各ノズルから供給されるエッチング液は、所定の液温に調整されて供給される。
 Si基体101は、矢印Aで示すように所望の回転数で回転する。Si基体101の被エッチング処理面へのエッチング液の供給は、Si基体101を定速回転させながら実施される。ノズル102aの位置は、Si基体101の回転中心位置となっている。各ノズルからSi基体101の被エッチング処理面へ落下供給されるエッチング液は、図2に点線、一点鎖線、二点鎖線で示すように、Si基体101の回転速度に応じた渦巻状または円弧上の軌跡を描いて、Si基体101の外周方向に流動する。このエッチング液の流動の軌跡は、Si基体101の回転速度が大きくなるに従って直線に近いものとなる。
 液供給の吐出方向を基体の回転の向きと逆行する方向にすると、供給される液体と回転している基体上にある液層とが接触する部分において、液層の盛り上がりが出来て基体上の液の安定流動を阻害する。この阻害が局所的にエッチングレイトに変化を起こす場合があるので、液供給の吐出方向を基体の回転の向きと逆行する方向にとするのは好ましくない場合がある。この阻害の度合いは、基体の回転速度、及び液の吐出速度・吐出角度に依存する。そのため、好ましくは、その阻害の影響がエッチングレイトに局所的変化を実質的に起こさないように、基体の回転速度、及び液の吐出速度・吐出角度を選択するのが望ましい。吐出方向は、特に好ましくは、基体の回転の向きに順行する方向にするのが望ましい。この点を以下により具体的に説明する。
 図3A,Bには、図2の場合と同様に、3本のノズルを所定の位置に配してエッチングする場合の各ノズルの位置関係、ノズルからの液吐出方向(ノズルの向き)等を説明するための模式的説明図が示される。ノズル102bの吐出口からの液吐出の方向は、X軸との関係に於いては、角度θで矢印bの方向に向けられるのが、基体101表面上のエッチング液の流れを出来るだけ乱さないように出来るので好ましい。角度θは、好ましくは、0度<θ<90度の範囲であるのが望ましく、より好ましくは、10度≦θ≦45度の範囲であるのが望ましい。
 ノズル102bの吐出口からの液吐出の方向は、回転中心軸Zとの関係に於いてはZ軸と角度φを保って、XY面上での関係ではX軸と角度θを保って、所定の方向に設定される。角度φは、角度θ、ノズル102の形状と大きさ、及びノズル102に設けた吐出口の形状と大きさ、数、基体101の回転スピードとの関係に於いて、本発明の目的が効果的に適う様に最適な角度に配される。
 図3A,Bの場合、図示のごとくに3本のノズルがSi基体101の被エッチング面(表面)と所定の間隔を置いてSi基体101の上方に配される。即ち、ノズル102aがSi基体101の回転中心と同等の位置に、ノズル102bがX軸上と同等の位置に、ノズル102cがY軸上と同等の位置に、夫々配されている。ノズル102aとノズル102bとは、間隔Xを設けて配されている。ノズル102aとノズル102cとは距離Yを隔てて配されている。
 3本のノズル102からのエッチング(薬)液の基体101に向けた吐出方向の最も容易な配置は、基体101の表面に垂直な方向である。この場合、3本のノズル102からの単位時間当たりの液供給量は、基体101の回転スピードと大きさを考慮してそれぞれ適正な液供給量が決められる。基体101がそれほど大きくない場合は、ノズル102a一本で適正な液供給が行える場合もある。間隔X,Yは、ノズル102の形状と大きさ、ノズル102に設けた吐出口の形状と大きさ、数に依存するが、これらは、本発明の目的が効果的に適う様に設計される。
 ノズルの形状と吐出口構造、及び液吐出力と吐出方向は、基体上のエッチング液の流動性に影響し、その影響がある程度以上になると、エッチングレイトに変化を齎すようになる。そのため、ノズルの形状と吐出口構造、及び液吐出力と吐出方向は、本発明の目的に適う様に的確に選択するのが望ましい。ノズルの形状は、直状的であっても、先絞り(先細り)、先広がりであってもよいが、よい正確な吐出方向性が得られやすいということから、先絞りであるのが好ましい。
 ノズル配列は、本発明の目的が達成されるように設計されるのなら、一直列、複直列、同心円配列の何れでもよい。また、複数のノズルからのエッチング薬液等の吐出法は、所謂シャワーヘッドの様に、放散タイプ、或いは指向タイプ、収束タイプの何れにしても良い。ノズルの吐出口面積を小さくして吐出圧力を高めることも液供給方向の指向性を高めるのに有効である。Si基体の被エッチング面への薬液の供給は、圧送式、加圧式、重力落下式、垂直吐出供給式、加圧落下式、傾斜吐出式の何れでも良い。角度φは、好ましくは、90度≧φ>0度の範囲にあるのが望ましく、より好ましくは、60度≧φ≧10度の範囲にあるのが望ましい。
 エッチングレイトは、エッチングの際に起こる発熱反応の程度の要因となるエッチング液の化学構成材料のエッチング液中の濃度にも、その依存性が高い。本発明の目的は、エッチング処理する基体の被エッチング面の温度分布に、図1に典型例が示されるような大きな温度差を生じないように図ることにある。本発明に於いて使用されるアルカリ性のエッチング液としては、高エッチングレイトのものであれば大概の薬液が使用され得る。本発明で使用されるエッチング液は、主剤であるアルカリ薬液単独若しくは複数使用することもあるし、必要に応じて添加剤を適宜添加しても良い。
 アルカリ薬液としては、KOH(水酸化カリウム)、NaOH(水酸化ナトリウム)、TMAH(4メチル水酸化アンモニウム)、EDP(エチレンジアミン・ピロカテコール)、N・HO(水和ヒドラジン)、NH+HO(アンモニア水)などが好適なものとして挙げられる。
添加剤としては、NHOH(ヒドロキシルアミン)、IPA(2-プロパノール)などが好適なものとして挙げられる。これらの主剤と添加剤は、必要に応じて1種類以上を用いることが出来る。
 Si基体を使用して選択エッチングする場合、本発明の効果を期待できるストップ膜(層)としては、高エッチング選択比のものではあるが、大面積に亘って均一にエッチングするという視点では、必ずしも高エッチング選択比のものに限られる訳ではない。本発明に於いて、好適に使用されるストップ膜の材料としては、SiO膜(酸化シリコン)、Si膜(窒化シリコン)、SiON膜(酸化窒化シリコン)、SiCN膜(炭化窒化シリコン)、SiC膜(炭化シリコン)、AlN膜(アルミナイトライド膜)などが挙げられる。
 これらの膜は、熱酸化、プラズマ酸化、スパッタ、蒸着、陽極酸化などの方法で作成される。SiO膜(酸化シリコン)の場合は、TEOSなどを原料としたCVD(LPCVD、プラズマCVDなど)で作成するのが好ましく、望むべくはSiOの化学量論組成のものが最適である。Si膜(窒化シリコン)の場合は、望むべくはSiの化学量論組成のものが最適である。
 本発明の主たる特徴は、前述した様に、Si基体の被エッチング面にアルカリ性エッチング薬液を供給してエッチング処理を施す際に、該エッチング処理中の該薬液の温度を、前記被エッチング面の少なくとも一ヵ所以上の所定の位置で計測し、その結果、得た測定値に基づいて、エッチング処理中の薬液の温度を制御するものである。エッチング処理中の薬液の温度の計測は、本番のエッチング処理の前に実施されるプレ(試行)エッチング処理に於いて行い、その計測値に基づいて本番のエッチング処理時の薬液の温度を加熱若しくは冷却により制御することが、簡便である。この場合、本番のエッチング処理は、恒温恒湿の環境下で行うのが好ましい。
 エッチング処理中の薬液の温度の計測の、もう一つの例は、本番のエッチング処理時にオンタイムで薬液の温度を計測することである。この際の温度の計測値に基づいて薬液のエッチング時の温度を制御する。このオンタイムでの薬液の温度の計測は、エッチング処理時に継続して行っても良いし、断続的に行っても良い。
 本番のエッチング処理を十分に管理されてない環境下で行う場合は、エッチング処理中継続して薬液の温度を計測し、リアルタイムにフィードバックをかけて薬液の温度を制御するのが好ましい。この方法は、特に、エッチングレイトの温度依存性が大きい温度でエッチング処理を行う場合には、最適な方法として採用するのが望ましい。
 本発明に於いては、エッチング処理時のエッチング薬液の温度を所定のエッチングレイトが得られる温度(エッチング実施温度)とし、このエッチング実施温度を維持してエッチング処理を継続するのに基体の被エッチング面上のエッチング薬液の温度を、例えば、基体の裏面から加熱若しくは冷却して制御する。
 本発明に於いては、エッチング処理時に、エッチング処理しているエッチング液の温度を終始一定に維持することの他、適度のタイミングで変更することも出来る。例えば、エッチングの初期段階の温度に対して中間の処理段階の温度を上げてエッチングレイトを上げることで、生産効率を向上させることも出来る。又、終段階での温度を下げることで、被エッチング面の平滑性と平面性をより高めることも出来る。
 本発明に於いては、エッチング処理時にエッチング処理している薬液の温度は、供給する薬液の温度と加熱若しくは冷却する温度を適宜選択することで決められる。
《実験1》
 Si基体を回転させ、Si基体の回転中心軸上から、Si基体表面に垂直にエッチング薬液を落下供給しながらエッチングした場合のエッチングレイトのSi基体表面での位置依存性を確認した。図4に、本実験で使用する実験装置600の模式的構成図が示される。図4に示す実験装置600は、エッチング薬液が収納されるタンク601とノズル602を備えており、タンク601とノズル602は、薬液供給用の供給ライン603で連結されている。供給ライン603の途中には、薬液の供給圧・供給量をコントロールするためのポンプ604が配設されている。ノズル602への薬液の供給量は、バルブ605によっても調整できる。
 供給ライン603の下流側、ノズル602の近傍には、リターンライン606が接続してある。リターンライン606は、ノズル602へ供給されるエッチング薬液が供給過剰になるのを防止するもので、その下流側でタンク601と接続している。リターンライン606の途中に配されるバルブ607、608は、リターンライン606中を流れるエッチング薬液の量を調整することで、ノズル602に供給されるエッチング薬液の量を調節できるようになっている。ノズル609には、Si基体の表面を超純水等でリンスするためのもので、リンス液供給用の供給ライン610がバルブ611を介して接続されている。タンク601中のエッチング薬液612は、ヒーター613で加熱されて所定の液温でノズル602に供給される。Si基体は、図2に示す様に、ノズル602が基体の回転中心に位置するように配され、定速回転しながら、ノズル602からエッチング薬液612の供給を受ける。
(実験条件(1))
・ノズル602の位置・・・・基体の被エッチング面の上方で基体の回転中心軸上
・エッチング薬液供給量・・・・3L/min 液温:80℃
・試料(p型Si基体:200mmφ)の回転スピード・・・・800rpm
・エッチング時間・・・・60sec
・エッチング薬液・・・・KOH:24%、HDA:10%のアルカリ薬液
・薬液温度制御・・・・薬液の温度が80℃に維持されるように、サーモカメラで基体表面の薬液の温度を測定しながら、基体裏面側から基体裏面に向けて温度制御下にあるUPM(超純水)を1L/minで基体裏面全体に万遍なく供給維持した。
・基体表面の温度(薬液の温度)・・・・サーモカメラで測定
《実験2》
 以下の条件以外は、実験1と同条件で実験2を行った。
(実験条件(2))
・薬液温度制御・・・・制御なし、基体裏面側から基体裏面に向けて液温25℃のUPM(超純水)を1L/minで供給維持
 実験1,2に於いて、エッチング処理を終えた基体は、直ちにUPM(超純水)を、5L/minの供給量で供給し、10秒間洗浄された。
 結果を図5に示す。図5は、実験1,2でのエッチング量の位置依存性を計測した結果である。図5で、温度制御されてエッチングされた実験1の結果を示す黒「◆」マーク実線から明らかなように、温度制御されてエッチングされた例では、基体の被エッチング面の平滑性には、位置依存性が殆ど見られていないことが分かる。これに対して、実験2の方は、黒「■」マーク実線から明らかなように、冷却はされるが温度制御されないでエッチングされた結果、基体の周辺方向に向かってエッチング量が急速且つ大幅に減少している。
 図6に実験1の、図7に実験2のサーモカメラでのサーモグラフィー測定結果が夫々示される。図5、7から明らかなように、本実験1,2で使用したアルカリ薬液は、Si基体に対して、エッチングレイトに温度依存性のあることが観測された。温度が高い程エッチングレイトが大きいことが分かる。又、温度依存性はSi基体の中心から±10~±50mmの辺りで大きく、エッチングレイトは急速に減少している。これらの知見から、Si基体の中心から±10~±50mmの辺りを流動する薬液の温度範囲では、エッチングレイトの温度依存性が大きいので、平滑性に優れた被エッチング面を得ようとすると、温度制御を精密にしなければならないことが分かる。
《実験3》
 冷却の効果の確認実験を行った。図8の実験装置1300は、図4の装置600の場合に対して、Si基体を冷却する機構が設けてある以外は、図4の装置600と本質的に同じである。Si基体1301は、基体支持手段1302a,1302b,1302cで支えられている。ノズル1303からは、エッチング薬液1305が基体1301の被エッチング面に供給される。ノズル1304からは、冷媒1306が基体1301の裏面に向かって吐出される。冷媒1306は、液体でも気体でもよい。液体としては、冷水、液体窒素等が、気体としては、冷却空気等が挙げられる。この他、冷風ファン、冷却ポンプ、ペルチェ素子なども使用されて良い。
 実験条件は、液温を55℃に保持させた以外は前記の例と同様のアルカリ薬液を使用し、裏面からの基体冷却の有無にし、且、ノズル1303を基体回転中心軸から25mm離し、冷却の有無にした以外は、前記例と同様の条件とした。
・冷却条件・・・・ノズル1304から25℃の超純水を供給量:0.5L/minで基体1301の裏面に吐出して冷却
 薬液の液温は、基体全面に亘って55℃に保持でき、本実験で冷却の効果があることが明らかになった。
《実験4》
 冷却機構を複数設けて冷却の効果を確認した。図9の装置1500は、冷却機構を2つ設けた以外は、図8の装置1300と同じである。実験3に比して一段と有効な冷却効果が得られることが確認された。
(好適な実施態様例)
 図10に、本発明の目的を達成する解決手段の第一の好適な実施態様例が示される。図10に示すエッチングシステム1600は、サブシステム1601とエッチング装置本体1602から構成されている。サブシステム1601は、中央制御装置1603とサーモカメラ1604を備えている。サブシステム1601は、サーモカメラ1604によりエッチング状況をサーモグラフィーとして撮像・計測されるデータをデータ転送ライン1605により中央制御装置1603に転送し、この転送データに基づいて、装置本体1602で実行される加熱/冷却を所定通りにコントロールする。
 装置本体1602は、エッチング薬液供給用のノズル1606a、加熱用液体を吐出するノズル1606b、冷却用液体を吐出する2本のノズル1606c、1606d、エッチング処理を受けるSi基体101を支持する3つの支持手段1607a、1607b、1607c、冷却液体収容用のタンク1608、冷却液体供給用の供給ライン1609、加熱液体を収容するためのタンク1610、加熱液体供給用の供給ライン1611、瞬時式加熱手段1612、を備えている。
 制御信号転送用の転送ライン1613、1614、1615はそれぞれ制御対象に接続されている。転送ライン1613は、制御対象であるタンク1610内の液体を所定の加熱液温に保持するための信号を転送する。また、転送ライン1614により転送される信号により、瞬時式加熱手段1612がコントロールされる。このコントロールにより、供給ライン1611により供給される加熱液体の温度を、サーモカメラ1604の計測データに基づいて瞬時にコントロールすることができ、基体101の被エッチング面の温度をエッチング処理中、位置依存性なく保持できる。転送ライン1615により転送される制御信号により、タンク1608内にある冷却液体の温度が瞬時に所定温度にコントロールされる。
《実験5》
 エッチングシステム1600により、下記の条件でエッチング処理を行った。エッチング処理条件は、以下の通りである。
・被エッチング試料・・・p型Siウェハ(基体)
・エッチング薬液・・・・KOH:24%、HDA:10%のアルカリ薬液
・薬液ノズル位置と薬液供給・・・・中心軸上に配置、垂直落下供給
・薬液供給量・・・・・3L/min
・基体回転数・・・・・800rpm
・制御温度・・・・・・・反応温度が85℃になるように制御
・試験時間・・・・・・・15sec
 エッチング終了後、UPW(超純水)により、5L/minで10sec間、リンスした。本実験結果から、極めて広範囲まで(基体外周付近まで)エッチングレイトが均一であることが示され、本発明の効果が確認できた。
《実験6》
 本実験では、選択エッチングでも本発明の効果が十分得られること以下の通りの条件で実施することで確認した。図11A、図11Bに示す様に、2cm×4cmのパターンが設けられたチップ1100が20個配置されたSiウェハ(p型Si基体:200mmφ)を準備した。このパターンは幅10μm、長さ4cmのラインアンドスペースのパターンである。ライン同士の間隔は10μm、スペースの深さは50μmという構造になっている。1つのチップ内に1000本のラインが並んだ構造となっている。1101はシリコン(Si)層、1102は、SiNから成るストップ層、1103は、アルミニウム(Al)金属層を示す。
 このウェハを図4の装置600を使用して以下の条件でエッチング処理した。
・ノズル602の位置・・・・基体の被エッチング面の上方で基体の回転中心軸上
・エチング薬液供給量・・・・3L/min 液温:80℃
・基体の回転スピード・・・・800rpm
・エッチング時間・・・・30min
・エッチング薬液・・・・KOH:24%、HDA:10%のアルカリ薬液
・薬液温度制御・・・・薬液の温度が80℃に維持されるように、サーモカメラで基体表面の薬液の温度を測定しながら、基体裏面側から基体裏面に向けて温度制御下にあるUPM(超純水)を1L/minで基体裏面全体に万遍なく供給維持した。
・基体表面の温度(薬液の温度)・・・・サーモカメラで測定
 エッチング処理を終えた基体は、直ちにUPM(超純水)を、5L/minの供給量で供給し、10秒間洗浄された。
 処理後の基体(図12A、図12B参照)を観察すると、エッチングによって表面のシリコン層がすべて除去されていてSTOP膜であるSiN膜が全面にわたって露出していた。ライン間のアスペクト比が大きい溝の底面にもSiの残渣は一切観察されず、微細な構造が完璧に形成されていることが確認された。
 本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
101 Si基体
102 液供給ノズル
600 第二の実験装置
601 タンク
602、609 ノズル
603 薬液供給ライン
604 ポンプ
605、607、608、611 バルブ
610 液供給ライン
612 エッチング薬液
613 ヒーター
1100 チップ
1101 シリコン層
1102 ストップ層
1103 金属層
1300 本発明に係る第三の実験装置
1301 基体
1302 支持手段
1303、1304 ノズル
1305 エッチング薬液
1306 冷却液
1500 本発明に係る第四の実験装置
1600 本発明に係るエチングシステム
1601 サブシステム
1602 装置本体
1603 中央制御装置
1604 サーモカメラ
1605 データ転送ライン
1606 ノズル
1607 支持手段
1608、1610 タンク
1609 冷却液供給ライン
1611 加熱液供給ライン
1612 瞬時式加熱手段
1613、1614、1615 制御信号転送ライン

Claims (4)

  1.  Si基体の表面にアルカリ性エッチング液を供給しながらエッチング処理を施すエッチング方法において、前記表面に供給される前記エッチング液の移動方向に沿う少なくとも一ヵ所以上の所定の位置の温度を前記処理中に計測して得た測定値に基づいて、前記表面を流れるエッチング液の温度を制御することを特徴とするエッチング方法。
  2.  Si基体の表面にアルカリ性エッチング液を供給しながらエッチング処理を施すエッチング方法において、前記表面に供給される前記エッチング液の移動方向に沿う少なくとも一ヵ所以上の所定の位置の温度を前記処理中に計測して得た測定値に基づいて、前記表面を加熱若しくは冷却することを特徴とするエッチング方法。
  3.  前記測定値は、エッチング処理の前に実施された試行エッチング処理に於いて計測された値であることを特徴とする請求項1および2に記載のエッチング方法。
  4.  前記測定値は、エッチング処理中に測定される値であることを特徴とする請求項1および2に記載のエッチング方法。
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