JP2005311096A

JP2005311096A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2005311096A
Application number: JP2004126443A
Authority: JP
Inventors: Koji Matsushita; 浩二松下
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-11-04
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP4288599B2

Abstract

【目的】片面からのプラズマエッチングによって、加工面側に元の厚さより薄い梁を形成でき、反対面側にも同様の梁構造を形成できる半導体装置の製造方法を提供する。
【構成】エッチングガスを導入しながら半導体基板をプラズマエッチングする工程とデポガスを導入しながら半導体基板に保護膜を生成させる工程とを交互に繰返す。その際、少なくとも繰返しの初期段階においては、エッチング工程で、保護膜生成工程で生成された保護膜の内の、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜およびエッチングされた部分の側壁に生成された保護膜の少なくとも下部を、次のエッチング工程で除去しきらせて、この部分の半導体をエッチングし、エッチングマスクの直下の半導体を残しながら、その下側にエッチング領域を回り込ませる。
【選択図】図１

Description

この発明は、シリコンウェハ等の半導体基板を用いて梁構造を有するセンサ等を製造するためのドライエッチング方式による選択加工技術に関する。

シリコン基板を素材としこれに微細な加工を施すことによって、各種のセンサやアクチュエータが開発・実用化されている。これらのセンサ等の中には、例えば、加速度センサのような、重りをその支持部に梁で支える構造のセンサがある。図3は、このような加速度センサの一例の構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡＡ部の断面図である。この加速度センサ１は、外周部を占める支持部11と中央部の重り12と両者をつなぐ梁13とで構成されており、重り12の両平面に垂直な方向に印加される加速度を重り12の変位に変換して検出する。変位の検出には不図示のピエゾ抵抗や静電容量が用いられる。検出可能な大きさの変位を発生させることが必要であるため、図3に示したように、梁13の形状は細長く且つ素材の厚さより薄く製作されている。
このような構成の製造方法としては、支持部11や梁13等を含む所定部を保護マスクで保護してエッチングする選択エッチングが用いられ、エッチング液を用いるウェットエッチングおよびプラズマエッチング等のドライエッチングのいずれもが採用されている。

図4は、図3の加速度センサ１の最も一般的な製造工程のエッチングに関係した部分を示した断面図であって、（ａ）は、両面パターニング工程によって選択エッチングのための保護マスク（上面マスク２および下面マスク３）をシリコン基板10の上下面に形成した状態を示し、（ｂ）は、上面マスク２を保護マスクとする上面からのエッチング工程によって、シリコン基板10の上面側に梁13の厚さ相当の深さの上面凹部14を形成した状態を示し、（ｃ）は、下面マスク３を保護マスクとする下面からのエッチング工程によって、シリコン基板10の下面側から上面凹部14の底までをエッチングして、支持部11、重り12および梁13を形成した状態を示している。
この製造工程は、上記の説明からも明らかなように、シリコン基板10の両面に保護マスク２および3を形成する両面パターニング工程と両面からのエッチング工程とが必要である。両面パターニング工程のためには、両面露光装置や両面マスクアライメント装置が必要であって、高額の設備投資が必要であり、且つ裏面の汚染等による良品率の低下防止対策にも課題がある。

このような両面からの加工を避けるためのエッチング方法として、厚さの一部を残す部分（例えば図3の梁13）の下側にエッチング領域を回り込ませて、片側からのエッチング工程だけとするエッチング方法が、特許文献１および特許文献２等に開示されている。
特許文献１に開示されている方法は、トレンチを形成するためのエッチング工程（以下では「トレンチ形成工程」という）の後に等方性エッチング工程を用いて、隣り合うトレンチの底と底とを連通させるものである。
特許文献２に開示されている方法は、シリコン基板の内部にエッチング速度の高い高濃度拡散層を埋め込んでおくことによって、表面からのエッチングがこの層に到達すると、この層を高速にエッチングさせることで、所望の形状とするものである。
下記の特許文献３および特許文献４は「課題を解決するための手段」の項で引用する。
特開平８−288381号公報特開平７−15019号公報特開2000−299310号公報特開2000−323454号公報

特許文献１の方法による場合には、トレンチ形成工程の後で等方性エッチング工程に切り換える必要があり、使用するガスの種類も多くなり、工程も複雑となる。特許文献２の方法による場合には、シリコン基板に予め高濃度拡散層を埋め込んでおくことが必要であり、そのための設備と工程とが必要である。
また、従来技術によれば、梁13は重り12の上面側には製作できるが、重り12の下面側には製作できない。しかし、梁13が上面側だけに形成されている状態では、重り12の上下面に垂直に力が働く場合には問題にはならないけれども、それ以外の方向に力が働くと、重り12にモーメントが働いて重り12を傾かせ、所望の信号ではない誤差出力を発生させる。
この発明の課題は、両面パターニングのための設備や両面からのエッチング工程を用いることなく、加工開始面側に元の厚さより薄い梁を有する構造を形成することができ、必要に応じて反対側の面にも加工開始面側と同様の梁構造を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することである。

この発明は、アスペクト比の高いトレンチ形状を得ようとする開発過程において、トレンチの形状をエッチング条件に対応させて検討したことから得られた知見によってもたらされたものである。
アスペクト比の高いトレンチの製造方法としては、例えば特許文献３および特許文献４に開示されている方法がある。これらの文献に開示されている製造方法は、反応性イオンエッチングによってトレンチを形成していくトレンチ形成工程と、形成されたトレンチの内壁にエッチング保護膜を生成させる保護膜生成工程と、を繰返し、各トレンチ形成工程においては、その前段でトレンチの底部に生成された保護膜をエッチングして除去し、その後段でトレンチの底部をエッチングして幅をほとんど広げることなくトレンチを深めていく。特許文献３の場合には、導入ガスを切り換えることによって両工程を切り換えており、特許文献４の場合には、励起電力および基板バイアスの切換によって両工程を切り換えている。

この発明の発明者は、上記のようなトレンチの製造方法の検討過程において、トレンチ形成工程に対してやや不足気味の保護膜生成工程、例えば、処理時間を一定にした保護膜生成工程に対して段々に長くしたトレンチ形成工程、を検討したところ、基板表面のエッチング部の幅に比べて、それより内部のエッチング部の幅の方が広くなることや、基板の中央部の幅が最も広くなることを見出し、これがこの発明の課題を解決するための手段として有効であることに考え至った。図5はエッチングの中太り状態をモデル的に示したエッチング部の断面図であり、図6は実測データの一例を示す線図である。この線図は、トレンチ形成工程の時間（エッチング時間）と、エッチング時間に対応するエッチングの中太り量との関係を示したものである。エッチングの中太り量は、図５に示すように、エッチングされた領域15のエッチング開始部の幅〔W(up)〕に対する幅最大部の幅〔W(in)〕の増大量〔W(in) −W(up)〕である。使用した基板は厚さ200μmのシリコン基板であり、処理条件は、エッチングガスにＳＦ₆、デポガスにＣ₄Ｆ₈を使い、ＳＦ₆の流量を400cc／min、Ｃ₄Ｆ₈の流量を150cc／minとし、保護膜生成工程の時間を２秒に固定し、エッチング時間を変えている。この場合には、シリコン基板の中央部がエッチング幅の最大部となっている。これは、トレンチの深さによって、保護膜生成工程で生成される保護膜の生成状態とトレンチ形成工程で保護膜をエッチングする仕方とに差があり、ある程度以上にトレンチが深くなると、保護膜生成の方が保護膜エッチングに比べて優勢となってくるためであろう、と推測される。

請求項１の発明は、エッチングマスクを形成された半導体基板にプラズマエッチングによって元の厚さより薄い梁を有する構造を形成する半導体装置の製造方法であって、プラズマエッチングプロセスを、エッチングガスを導入しながら半導体基板をプラズマ処理して半導体基板をエッチングするエッチング工程と、デポガスを導入しながら半導体基板をプラズマ処理して半導体基板表面に保護膜を生成させる保護膜生成工程と、を交互に繰り返すプロセスで構成し、エッチング工程の処理条件および保護膜生成工程の処理条件を、少なくとも前記繰返しの初期段階においては、保護膜生成工程で生成された保護膜の内の、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜およびエッチングされた部分の側壁に生成された保護膜の少なくとも下部を、次のエッチング工程で除去しきらせて、この部分の半導体をエッチングする条件に設定している。

繰返しの初期段階において、保護膜生成工程で生成された保護膜の内の、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜およびエッチングされた部分の側壁に生成された保護膜の少なくとも下部を、次のエッチング工程で除去しきらせるので、保護膜の開口部を下方へエッチングしていくと同時に、保護膜の直下の半導体を残しながらエッチングされる部分を保護膜の下方へ回り込ませる。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、エッチング工程の処理条件および保護膜生成工程の処理条件を、前記繰返しの終了前の所定期間においては、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜の外周部を次のエッチング工程で除去しきらせないで、この内側部分の半導体のみをエッチングする条件に設定している。
繰返しの終了前の所定期間においては、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜の外周部を次のエッチング工程で除去しきらせないので、半導体表面の保護膜の位置に対応して、その反対側の半導体がエッチングされないで残こされる。

請求項１の発明においては、繰返しの初期段階において、保護膜生成工程で生成された保護膜の内の、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜およびエッチングされた部分の側壁に生成された保護膜の少なくとも下部を、次のエッチング工程で除去しきらせるので、保護膜の開口部を下方へエッチングしていくと同時に、保護膜の直下の半導体を残しながらエッチングされる部分を保護膜の下方へ回り込ませる。したがって、この発明によれば、片側のパターニングだけで梁を有する構造を形成することが可能であるので、両面パターニングのための設備や両面からのエッチング工程を用いることなく、加工開始面側に元の厚さより薄い梁を有する構造を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することができる。
請求項２の発明においては、繰返しの終了前の所定期間において、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜の外周部を次のエッチング工程で除去しきらせないので、半導体表面の保護膜の位置に対応して、その反対側の半導体がエッチングされないで残こされるので、保護膜の直下に梁が形成されるのに加えて、それに対応する反対面側にも梁が形成される。したがって、この発明によれば、両面パターニングのための設備や両面からのエッチング工程を用いることなく、加工開始面側に元の厚さより薄い梁を有する構造を形成することができ、且つ反対側の面にも加工開始面側と同様の梁構造を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することができる。

この発明による半導体装置の製造方法は、上述したように、一般的にはアスペクト比の高いトレンチ形状を得るための方法と同様のプロセス、すなわち、トレンチ形成工程と保護膜生成工程との繰返しにおいて、保護膜生成工程で生成される保護膜の厚さを、アスペクト比の高いトレンチ形状を得るために必要な厚さより薄くし、保護膜生成工程で生成された保護膜の内の、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜およびエッチングされた部分の側壁に生成された保護膜の少なくとも下部を、次のエッチング工程で除去しきらせて、この部分の半導体をエッチングする。このため、トレンチは深くなると同時に側方へも広がり、エッチングマスクの幅が狭い部分では両側からのエッチング領域が連通し、エッチングマスクの直下に元の厚さより薄い梁を形成することができる。
以下に実施例を用いて、この発明を実施するための最良の形態を説明する。

なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。

この実施例は、「課題を解決するための手段」の項で説明した図6の関係に基づいて、幅約５μｍの梁を上面側に有する加速度センサを製作したものである。上面側だけに梁を形成するために、使用したシリコン基板の厚さを140μmとした。厚さを薄くすることによって、基板の下面近傍までエッチング幅を広くし、梁を上面側だけとしている。
図1はその製造工程を示し、（ａ）は片面パターニング工程を示す断面図、（ｂ）はエッチング工程を示す断面図である。図2は、この実施例で製造した加速度センサの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＡＡ部の断面図である。
まず、片面パターニング工程によって、上面側に支持部11と重り12と梁13aとを形成するためのエッチングマスク（上面マスク）２を形成し、
次に、下記の処理条件による上面からのエッチング工程によって、シリコン基板10を選択エッチングし、支持部11と重り12と梁13aとを形成した。処理条件は、エッチングガスにＳＦ₆、デポガスにＣ₄Ｆ₈を使い、ＳＦ₆の流量を400cc／min、Ｃ₄Ｆ₈の流量を150cc／minとし、デポガスによる保護膜生成工程の時間を２秒に、エッチングガスによるトレンチ形成工程の時間を13秒にし、両工程を交互に繰返し、シリコン基板10の下面までエッチングさせた。その結果、上面マスク２の梁13aに相当する部分においては、上面マスク２の直下を除いてシリコンがエッチングされ、梁13aが形成された。この条件は、図６から明らかなように、エッチングの中太り量が５μmを超えているので、梁13aに相当する部分においては、ある程度までエッチングが進行した状態において、隣り合うエッチング領域の間が互いに連通し、梁13aを形成させたのである。

この実施例は、実施例１の厚さ140μmのシリコン基板を厚さ200μmのシリコン基板に置き換えたものであって、他の条件は全て実施例１と同じである。この場合には、エッチング幅の最も広くなる領域がシリコン基板の厚さのほぼ中央にくるので、実施例１においては上面マスク２の直下のみに形成された梁が、シリコン基板の下面側にも形成された。この状態を示したのが、図２の（ｃ）であり、上面マスクを形成する片面パターニング工程と上面からのエッチング工程という簡便な工程によって、上下面に一対の梁、すなわち上側の梁13aと下側の梁13bとを形成することができた。
以上の2つの実施例においては、シリコン基板の厚さの選定よって、上面側だけの梁形成と両面の梁形成とが使い分けられている。しかし、ガスの種類やプラズマ発生条件等の他の処理条件を変えることによっても、エッチングの中太りの状況が変わるので、これらを選定することによっても、梁の形状や片面の梁か両面の梁かを選定することが可能である。また、エッチングの始めから終わりまで、同じ条件を繰り返すのではなく、途中で条件を切り換えることによって、形成される形状等の可能性の幅が大幅に広がる。

この発明による半導体装置の製造方法の実施例１の工程を示し、（ａ）は片面パターニング工程を示す断面図、（ｂ）はエッチング工程を示す断面図この発明による半導体装置の製造方法により製造した加速度センサの構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は実施例１の場合の断面図、（ｃ）は実施例２の場合の断面図加速度センサの一例の構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図図3の加速度センサの製造工程の一部を示し、（ａ）は両面パターニング工程を示す断面図、（ｂ）は上面からのエッチング工程を示す断面図、（ｃ）は下面からのエッチング工程を示す断面図エッチングの中太り状態をモデル的に示したエッチング部の断面図エッチングの中太り量の実測データの一例を示す線図

符号の説明

１、1a、1b 加速度センサ
10 シリコン基板
11 支持部
12 重り
13、13a （上側の）梁
13b 下側の梁
14 上面凹部
15 エッチング領域
２上面マスク
３下面マスク

Claims

エッチングマスクを形成された半導体基板にプラズマエッチングによって元の厚さより薄い梁を有する構造を形成する半導体装置の製造方法であって、
プラズマエッチングプロセスを、エッチングガスを導入しながら半導体基板をプラズマ処理して半導体基板をエッチングするエッチング工程と、デポガスを導入しながら半導体基板をプラズマ処理して半導体基板表面に保護膜を生成させる保護膜生成工程と、を交互に繰り返すプロセスで構成し、
エッチング工程の処理条件および保護膜生成工程の処理条件を、少なくとも前記繰返しの初期段階においては、保護膜生成工程で生成された保護膜の内の、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜およびエッチングされた部分の側壁に生成された保護膜の少なくとも下部を、次のエッチング工程で除去しきらせて、この部分の半導体をエッチングする条件に設定している、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
エッチング工程の処理条件および保護膜生成工程の処理条件を、前記繰返しの終了前の所定期間においては、エッチングされた部分の底部に生成された保護膜の外周部を次のエッチング工程で除去しきらせないで、その内側部分の半導体のみをエッチングする条件に設定している、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。