JP2010029976A

JP2010029976A - 微細構造体形成方法

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Publication number: JP2010029976A
Application number: JP2008194381A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Takagaki; 達朗高垣; Koichi Nakayama; 浩一中山; Katsumi Hashimoto; 克美橋本
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-12
Anticipated expiration: 2028-07-29
Also published as: JP5353101B2

Abstract

【課題】本発明によれば、高アスペクト比を有する構造体を形成する際に、マスクの消失を抑えて加工不良を低減することが可能な微細構造体形成方法を提供することができる。
【解決手段】本発明に係る微細構造体形成方法は、シリコンからなる基板にプラズマを利用したドライエッチングにより微細構造体を形成する微細構造体形成方法であって、基板上に開口を有する第１のマスクを形成する工程と、前記第１のマスクをエッチングマスクとして前記基板をエッチングして第１の凹部を形成する工程と、前記第１の凹部を形成した後、前記第１のマスク上に第２のマスクを形成する工程と、前記第２のマスクをエッチングマスクとして前記第１の凹部を基板の厚み方向にさらにエッチングして、前記第１の凹部よりも深い第２の凹部を形成する工程とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いたドライエッチングにより半導体基板に微細な構造体を形成する微細構造体形成方法に関し、特にアスペクト比が５０以上の高アスペクト微細構造体の形成方法に関する。

近年、半導体微細加工技術等を用いた機械・電子・光・化学等の多様な機能を集積したデバイスであるＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）の開発、実用化が進んでいる。このＭＥＭＳの製造において、シリコンなどの半導体基板を３次元的に加工していくことが求められる。特に高アスペクト比を有する構造体を形成するためにプラズマを用いたドライエッチング加工が必要となる。高アスペクト比を形成するドライエッチング方法として、フォトレジスト等のマスク材を形成した基板に対してＤＲＩＥ（ＤｅｅｐＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）と呼ばれる異方性エッチング（例えば、特許文献１）を行う方法が一般的である。
特表平７−５０３８１５号公報

しかし、高アスペクト比を有する（例えば、アスペクト比が５０以上の）構造体を形成する場合、エッチングが進むに従って、形成される溝へのイオンの到達が困難になり、所望の加工がなされる前にマスク材の一部もしくは全部が消失してしまい、パターン形成加工が続行できなくなる。

マスク材となるフォトレジストを厚膜化することで耐久性を向上できるが、フォトリソグラフィによるパターン加工の解像限界からマスク厚膜化には限界がある。一方、マスク材として耐ドライエッチング性の高い金属材料を用いることが考えられるが、金属材料を寸法精度よくパターニングすることは容易でなく、さらにＭＥＭＳの製造においてはエッチング後におけるマスク除去工程で、既成の素子などが破損してしまうことがある。

そこで本発明は上記に鑑み、ドライエッチングにより高アスペクト比を有する構造体を形成する際に、エッチングマスクの消失を抑えて加工不良を低減できる微細構造体形成方法を提供することを目的とする。

本発明に係る微細構造体形成方法は、シリコンからなる基板にプラズマを利用したドライエッチングにより微細構造体を形成する微細構造体形成方法であって、基板上に開口を有する第１のマスクを形成する工程と、前記第１のマスクをエッチングマスクとして前記基板をエッチングして第１の凹部を形成する工程と、前記第１の凹部を形成した後、前記第１のマスク上に第２のマスクを形成する工程と、前記第２のマスクをエッチングマスクとして前記第１の凹部を基板の厚み方向にさらにエッチングして、前記第１の凹部よりも深い第２の凹部を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明に係る微細構造体形成方法は、上記において前記第１、第２の凹部の形成工程におけるエッチングのうち少なくともいずれか一方が、基板をエッチングして凹部を形成するエッチング工程と形成した凹部の側壁に対して保護膜を形成するデポジション工程とを交互に繰り返し行うエッチングであることを特徴とする。

本発明に係る微細構造体形成方法は、上記において前記第２のマスク形成工程において、前記基板に対して斜め方向から金属材料を堆積させることを特徴とする。

本発明に係る微細構造体形成方法は、上記において前記第２のマスクが、前記第１のマスクの側面と前記第１の凹部の側壁に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る微細構造体形成方法は、上記において前記第１のマスクの開口がミクロンオーダーであり、前記第１の凹部のアスペクト比（深さ／開口幅）が１以上であることを特徴とする。

本発明に係る微細構造体形成方法は、上記において前記第２の凹部のアスペクト比（深さ／開口幅）が５０以上であることを特徴とする。

本発明に係る微細構造体形成方法は、上記において前記第２のマスクに用いられるマスク材料が、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｚｒのうちから選択されることを特徴とする。

なお、本明細書においてミクロンオーダーとは０．１μｍ〜１００μｍの範囲のことを指すものとする。またアスペクト比とは形成した凹部の深さを凹部の開口幅で除算した値を指すものとする。

本発明によれば、高アスペクト比を有する構造体を形成する際に、マスクの消失を抑えて加工不良を低減することが可能な微細構造体形成方法を提供することができる。

§１．本発明の微細構造体形成方法
以下、図面を用いて本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は本発明の微細構造体形成工程の説明図である。

まず被エッチング対象であり、Ｓｉからなる基板１０の表面に、ポジ型あるいはネガ型のフォトレジストを塗布し、フォトマスクを介して露光を行い、その後現像して開口２５を有する第１のマスク２０を形成する（図１（Ａ））。潜像パターンの描画は直接電子線を用いた描画によって行ってもよい。開口の寸法はミクロンオーダーである。

次に、第１のマスク２０の開口２５に対してプラズマを利用したドライエッチングであるＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）あるいはＤＲＩＥ（ＤｅｅｐＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を行い、基板１０の厚み方向にエッチングして凹部を形成する。

ここで、ＤＲＩＥについて説明する。ＤＲＩＥでは材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング工程と、掘った穴の側壁にポリマーの壁を形成するデポジション工程と、を数秒ごとに交互に繰り返し、略厚み方向にのみエッチングを進ませることが可能になる。Ｓｉをエッチングする場合には、エッチングガスとしてはフッ素供給エッチングガスを、デポジションガスとしてはフッ化炭素用いることが知られている。本実施形態では、エッチング工程では、ＳＦ₆ガスを、デポジション工程では、Ｃ₄Ｆ₈ガスを用いる。但しエッチングガスとデポジションガスは上記の組合せに限ることなく、上記したガスの中で被エッチング対象に腐食性を有するガスと、形成した凹部の側壁にフッ素樹脂系ポリマーを生成するガスであればよい。以上のようなエッチング工程と、デポジション工程とを短い間隔（数秒程度）で交互に行い、エッチングを行う。

プラズマ発生源としては、特に限定されないが誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ型：Inductively-Coupled Plasma）、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ型：Capacitive Coupled Plasma）、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ型:Electron Cyclotron Resonance Plasma）、マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ：Surface Wave Plasma）、ヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）などを適用できる。

ＲＩＥあるいはＤＲＩＥによるエッチングを行い、第１の凹部４０を形成する（図１（Ｂ））。このとき形成された第１の凹部４０は、後述する第２のマスク３０の形成工程を考慮すると、アスペクト比（第１の凹部４０の深さ（Ｄ₁）を開口２５の幅（Ｗ）で除算した値、つまりＤ₁／Ｗ）にして１以上であることが好ましい。

第１の凹部４０が形成された基板１０に対して、蒸着法あるいはスパッタ法により第２のマスク３０を形成する（図１（Ｃ））。第２のマスク３０に用いるマスク材料としては第１のマスク２０よりもエッチング選択比が高い材料であることが好ましく、金属材料などを採用できる。そのうち、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｚｒのうちから選択される。上述の金属材料は第２の凹部５０の形成におけるエッチング時の耐イオン衝撃性を有している点で好ましい。金属材料としてはスパッタ効率が悪い材料が適しており、そのスパッタ効率の上限の材料はＣｒになる。

第１の凹部４０に対して、ＤＲＩＥによるエッチングを行い、第１の凹部４０よりも深い（Ｄ₂＞Ｄ₁）第２の凹部５０を形成する（図１（Ｄ））。これにより、従来困難であった、アスペクト比（Ｄ₂／Ｗ）が５０以上の微細構造体１００の形成が可能となる。高アスペクト比の構造体を形成する際には、凹部の深さが大きくなるにしたがって、反応性イオンの侵入がしにくくなり、エッチングレートの低下ならびにマスク選択比の低下が起こる。本発明にあっては第１のマスク２０の上によりマスク選択比に優れる第２のマスク３０を形成することで高アスペクト比の加工を容易にする。なお、エッチング後に第１のマスク２０及び第２のマスク３０は、レジスト剥離液に浸漬して容易に除去（リフトオフ）される（図１（Ｅ））。

ここで第２のマスク３０の形成する工程について詳細に説明しておく。図２は第２のマスク３０を成膜する方法を示す模式図である。本発明では、底面部（第１の凹部の底面）４０ｂに第２のマスク３０の金属材料が堆積を抑制する必要がある。金属材料が底面部４０ｂに堆積すると該金属材料がマスクとして機能し、加工不良を引き起こす。そこで、第２のマスク３０を成膜する際、基板１０に対して金属粒子を方向性を持って（斜めに）到達させる。蒸着源あるいは、スパッタターゲットから基板１０に到達する金属粒子は実際の系においては無限遠方から到達するものとして基板１０に到達しうる金属粒子の到達方向を平行直線とみなせる。基板１０と金属粒子６０の到達方向が図２に示すようなある角度θ（後述するαより大きい角度）をなしている。

図３は第１の凹部４０の拡大模式図である。図３（Ａ）に示すように金属粒子が底面部４０ｂに到達しないためには、角度θが、金属粒子の到達方向と基板１０とのなす角度の最小値であるαよりも大きいことが求められる。ここでαはｔａｎα＝Ｗ／Ｄ₁を満たす角度である。したがって、第１のマスク２０上に略均一に第２のマスク４０を形成、かつ底面部４０ｂへの金属粒子の堆積を抑制するためには、金属粒子を９０°未満のある程度大きい角度で到達させる（但しα以上）ことが好ましい。第１の凹部４０を前述したようにある程度のアスペクト比（１以上、好ましくは２以上）で形成することにより角度αを小さくでき、成膜装置内での基板配置の自由度を確保できるとともに、底面部４０ｂへの堆積を抑制できるようになる。

図３（Ｂ）に示すように角度θ（６０°以上、好ましくは７０°以上であり、９０°未満の角度）を制御し、第１のマスク２０の側面部２０ａ及び、第１の凹部４０の側壁４０ａに対して金属材料が堆積されていてもよい。これにより、後のエッチング時におけるサイドエッチング（基板水平面方向へのエッチング）によるシリコンの侵食あるいは第１のマスク２０の後退を抑制することができ、より高精度な形状を維持できる。

§２．本発明の微細構造体形成方法を用いたＭＥＭＳの製造方法
以下、本発明の微細構造体形成方法を用いて加速度センサ２００（ＭＥＭＳの一例）を製造した例について説明する。図４は加速度センサの外観を示す図である。加速度センサ２００は、上ガラス基板２２０と下ガラス基板２３０とでセンサ本体部を形成した半導体基板２１０を挟持して構成されており、それぞれ接合され一体化している。半導体基板２１０、上ガラス基板２２０、下ガラス基板２３０の厚みは、例えば、３００μｍ、６００μｍ、６００μｍである。

図５は加速度センサ２００のセンサ本体部の上面を表す図である。センサ本体部は半導体基板２１０内に形成されており、該半導体基板２１０はシリコン基板あるいはＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることができる。加速度センサ２００はその外形が、Ｘ方向が２．５ｍｍ、Ｙ方向が２．０ｍｍである略直方体である。
半導体基板２１０は、内側を刳り貫かれたフレーム部２１１と、このフレーム部２１１内に作用体として機能し、フレーム部２１１に対して変位可能な錘部２１２とを備えている。フレーム部２１１と錘部２１２とは１軸（図面のＸ方向）に可撓性を有する梁部２１３とで接続されている。フレーム部２１１にはそれぞれセンサの外形に沿う内枠から突出した固定櫛歯部２１４が複数配設されている。また、錘部２１２にはフレーム部２１１と対向し、かつ固定櫛歯部２１４と間隙をもって、互い違いに噛み合うような可動櫛歯部２１５が複数配置されている。固定櫛歯部２１４と可動櫛歯部２１５の櫛歯の幅は２２μｍで、各々の間隙は３μｍであり、櫛歯は所定数配置されている。図では見易さのために、固定櫛歯部が３個、可動櫛歯部が４個配設されている例を示している。なお、寸法等は一例であり、上記に限定されるものではない。

また、フレーム部２１１内には基板の上下を貫通した開口部２１７が存在し、フレーム部２１１、錘部２１２、梁部２１３、を画定している。梁部２１３にはピエゾ抵抗素子などの歪検出素子２１６が配設されており、Ｘ方向へ錘部２１２が変位に伴う梁部２１３の撓みを検出することでＸ（受感軸）方向の加速度を検出できる。例えば、歪検出素子はピエゾ抵抗に１つの梁部２１３に対してそれぞれ２個ずつ配設され、計４個ピエゾ抵抗によりブリッジ回路（図示せず）を形成している。これらのブリッジ回路では入力電圧に対する出力電圧との比が、抵抗変化すなわち梁の歪み（あるいは撓み）に比例することから加速度を検出することができる。

上ガラス基板２２０および下ガラス基板２３０は、フレーム部２１１の内枠に対応した領域にギャップ２２１，２３１が設けられている。図６は加速度センサの断面図（図５におけるＡ−Ａ断面）である。上ガラス基板２２０および下ガラス基板２３０に設けられたギャップ２２１、２３１により錘部２１２が変位可能に構成されている。

本発明に係る微細構造体形成方法を用いて加速度センサ２００を作製した。
歪検出部２１６は半導体基板２１０に対してシリコン窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄）などを成膜後、パターニングして拡散マスク材とする。その後、ボロン（Ｂ）などを含んだ拡散剤を塗布し、熱処理（およそ１１００℃）することによりピエゾ抵抗素子を形成することができる。なお、ピエゾ抵抗素子の形成はイオン注入法を用いて行うこともできる。その後、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）などの絶縁膜を形成し、ピエゾ抵抗素子部の領域内にコンタクトホール（図示せず）を作成する。ブリッジ配線（図示せず）をスパッタ法あるいは蒸着法により、例えばＡｌをパターン形成して作製する。ピエゾ抵抗素子とブリッジ配線（図示せず）とはコンタクトホールを介してオーム性コンタクトにより良好な電気接続を有している。

半導体基板２１０に対して、第１のマスクとしてポジ型フォトレジストを約１０μｍで形成する。第１のマスクは、フレーム部２１１（固定櫛歯部２１４を含む）、錘部２１２（可動櫛歯部２１５を含む）、梁部２１３、開口部２１７に対応した形状にパターニングされている。第１のマスクをエッチングマスクとしてＤＲＩＥによりおよそ１００μｍの深さ（Ｄ₁）の第１の凹部を形成した。次に、半導体基板１００に対して蒸着法により第１のマスク上にＣｒを１μｍ堆積させ、第２のマスクを形成した。このときθは６０°〜７０°に設定した。そして第２のマスクをエッチングマスクとしてＤＲＩＥによりエッチングを行い、固定櫛歯部２１４と可動櫛歯部２１５との間隙を形成した。前述したように間隙に相当する開口幅が３μｍの開口に対して、基板の上下を貫通するエッチング（厚み３００μｍ）を行い、固定櫛歯部２１４と可動櫛歯部２１５を画定した。このとき、アスペクト比は１００であり、画定した固定櫛歯部２１４と可動櫛歯部２１５の形状精度は良好であった。

上ガラス基板２２０、下ガラス基板２３０は可動イオンを含むガラス基板であり（例えば、パイレックス（登録商標）ガラス）、シリコンからなる半導体基板２１０と陽極接合により一体に形成される。上ガラス基板２２０、下ガラス基板２３０はそれぞれ、エッチングによりギャップ２２１、２３１がおよそ５μｍで形成されている。

加速度センサ２００は直径１５０〜２００ｍｍのウエハに対して多面付けで配置されており、ダイシングソーなどを用いて個片化する。本明細書ではウエハに配置されたもの、あるいは個片化されたものを総称して加速度センサ２００と称している。

上述のように、半導体基板を準備する工程と、半導体基板にピエゾ抵抗群を形成する工程と、ピエゾ抵抗群を配線により接続する工程と、半導体基板に第１のマスクを形成する工程と、第１のマスクをエッチングマスクとして第１の凹部を形成する工程と、第１の凹部形成後に第２のマスクを形成する工程と、第２のマスクをエッチングマスクとして第１の凹部を半導体基板の厚み方法にさらにエッチングして第２の凹部を形成するとともに、枠部と可動部を形成する工程と、半導体基板と支持基板とを接合する工程と、を経て加速度センサ２００が製造される。本実施例における加工後のアスペクト比は５０以上であり、運動特性の優れた加速度センサが提供することができる。アスペクト比が高くなると比表面積が大きくなるため、上述したセンサの他、駆動・伝達系、あるいは化学反応系マイクロ部品（例えばμ−ＴＡＳなど）の機能上の優位性が高くなる。

以上、本発明の適用例として加速度センサの製造方法について述べたが、これに限定されるものではなく、本発明は高アスペクト構造体を有するＭＥＭＳ全般（センサＭＥＭＳ、ＲＦ−ＭＥＭＳ、バイオＭＥＭＳ、光ＭＥＭＳなど）の製造に適用することができ、機能上優れたＭＥＭＳを提供することが可能である。また、半導体材料をエッチングして高アスペクト比の構造体の作製に適用できることは言うまでもない。

厚さ６２５μｍのシリコン基板に対して、第１のマスクとしてフォトレジスト（ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製のＡＺ−５２１８Ｅ）を１０μｍで塗布し、開口幅３μｍのラインパターンを含むマスクを形成し、フォトレジストをエッチングマスクとしてＤＲＩＥにより深さ１００μｍの第１の凹部を形成した。そして第２のマスクとしてシリコン基板に対して蒸着法によりフォトレジスト上にＣｒを１μｍ堆積させた。このときθは６５°に設定した。ＣｒをエッチングマスクとしてＤＲＩＥによりエッチングを行い、深さ３００μｍの凹部を形成した。このとき、アスペクト比は１００であり、第２の凹部の断面形状精度は良好であった。

（比較例１）
金属材料からなる第２のマスクを形成せず、レジストからなる第１のマスクのみを用いてエッチングを行った点を除き上記実施例と略同様の条件で、微細構造体を製造した。第１のマスクの側面が後退し、結果微細構造体の開口部上端が侵食されパターン形状が損なわれ、パターン形成加工が続行できなかった。

（比較例２）
第１のマスクをエッチングマスクとしてＤＲＩＥによりおよそ２μｍの深さ（Ｄ₁：アスペクト比０．６）の第１の凹部を形成した後、第１のマスク上にＣｒを１μｍ堆積させた点を除き、上記実施例と略同様の条件で、微細構造体を製造した。このとき、第１の凹部の底面部に金属粒子の堆積が確認され、第２の凹部の形成時に加工不良が生じた。

本発明の微細構造体形成工程の説明図である。第２のマスクを成膜する方法を示す模式図である。第１の凹部の拡大模式図である。加速度センサの外観を示す図である。加速度センサのセンサ本体部の上面を表す図である。加速度センサの断面図である。

符号の説明

１０：基板
２０：第１のマスク（フォトレジスト）
２０ａ：側面部
２５：開口
３０：第２のマスク（金属材料）
４０：第１の凹部
４０ａ：側壁部
４０ｂ：底面部
５０：第２の凹部
６０：金属粒子
１００：微細構造体

２００：加速度センサ
２１０：半導体基板
２１１：フレーム部
２１２：錘部
２１３：梁部
２１４：固定櫛歯部
２１５：可動櫛歯部
２１６：歪検出部
２１７：開口部
２２０：上ガラス基板
２２１：ギャップ
２３０：下ガラス基板
２３１：ギャップ

Claims

シリコンからなる基板にプラズマを利用したドライエッチングにより微細構造体を形成する微細構造体形成方法であって、
基板上に開口を有する第１のマスクを形成する工程と、
前記第１のマスクをエッチングマスクとして前記基板をエッチングして第１の凹部を形成する工程と、
前記第１の凹部を形成した後、前記第１のマスク上に第２のマスクを形成する工程と、
前記第２のマスクをエッチングマスクとして前記第１の凹部を基板の厚み方向にさらにエッチングして、前記第１の凹部よりも深い第２の凹部を形成する工程と、
を有することを特徴とする微細構造体形成方法。
前記第１、第２の凹部の形成工程におけるエッチングのうち少なくともいずれか一方が、基板をエッチングして凹部を形成するエッチング工程と形成した凹部の側壁に対して保護膜を形成するデポジション工程とを交互に繰り返し行うエッチングであることを特徴とする請求項１記載の微細構造体形成方法。
前記第２のマスク形成工程において、前記基板に対して斜め方向からマスク材料を堆積させることを特徴とする請求項１または２に記載の微細構造体形成方法。
前記第２のマスクが、前記第１のマスクの側面と前記第１の凹部の側壁に形成されていることを特徴とする請求項３記載の微細構造体形成方法。
前記第１のマスクの開口がミクロンオーダーであり、前記第１の凹部のアスペクト比（深さ／開口幅）が１以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の微細構造体形成方法。
前記第２の凹部のアスペクト比（深さ／開口幅）が５０以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の微細構造体形成方法。
前記第２のマスクに用いられるマスク材料は、Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｒｈ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｚｒのうちから選択されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の微細構造体形成方法。