JP3013377B2 - 半導体基板のエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、半導体基板を選択的にエッチングするエッ
チング方法に関する。

B.従来の技術 第10図は電解エッチング装置の従来例を示している。
電解槽１に満たされたエッチング液２にはシリコン基板
のような半導体基板3,対向電極４および銀塩化銀（Ag/A
gCl）から成る比較電極６が浸漬され、それぞれ、ポテ
ンショスタットのような可変電源５に接続されている。
可変電源５は、基準電極６に対して半導体基板３の電位
が所定の値になるように、対向電極４と半導体基板３と
の間に印加する直流電圧を制御できる。

次に、電解エッチングされる半導体基板３について説
明する。この半導体基板３は、第11図（ａ）に示される
ように、Ｐ型基板3a上にＮ型エピタキシャル層3bが形成
され、このＮ型エピタキシャル層3b内にＰ型拡散層3cが
形成され、さらにこのＮ型エピタキシャル層3b上とＰ型
基板3aの裏面上に、所定の形状にパターニングされたシ
リコン酸化膜3d,3eが形成されている。そして、Ｎ型エ
ピタキシャル層3b,シリコン酸化膜3d上にAl電極3fが形
成されている。

第10図に示す電解エッチング装置を用い、第11図
（ａ）に示される半導体基板３のＰ型基板3aは次のよう
にして電解エッチングされる。このときの銀塩化銀電極
６に対する半導体基板３の電位は、第12図に示されたデ
ータに基づいて決定される。

すなわち、第12図はＰ型およびＮ型シリコン基板それ
ぞれ単独の電流−電位特性，エッチング速度−電位特性
を示す。

この第12図において、基板電位が増加すると電流も増
加し、ａで示すＮ型シリコン基板の場合、基板電位が約
−0.95Vvs Ag/AgCl以上になると電流は急激に低下す
る。またｂで示すＰ型シリコン基板の場合は、電位が−
0.75Vvs Ag/AgCl以上になると電流は急激に減少する。
これは、基板電位の増加に伴い酸化電流が発生して基板
表面に陽極酸化膜が形成されるためであり、この電流が
減少し始めるときの電位を不働態化電位と呼ぶ。このよ
うにＮ型シリコン層の不働態化電位は、Ｐ型シリコン基
板の不働態化電位よりも約0.2Vだけ低い。

そこで、基準電極６に対する半導体基板３の電位を例
えば−0.8Vvs Ag/AgClに設定する。すなわちＮ型シリコ
ンのエッチングは停止し、Ｐ型シリコンのエッチングは
進行するという条件の電位である。この条件下におい
て、電流値をモニターしながら電源５を制御して設定し
た電位を維持しつつ半導体基板３の電解エッチングを行
なうと、第11図（ｂ）に示されるように、パターニング
されたシリコン酸化膜3eをマスクとしてＰ型基板3aおよ
びＰ型拡散層3cが選択的にエッチングされ、このエッチ
ングはシリコン酸化膜3dに達すると停止する。

電圧印加時、Ｐ型シリコン基板とＮ型シリコン層とは
PN接合における逆バイアス状態となっており、エッチン
グ開始時にＰ型シリコン層には電圧が印加されない。Ｐ
型シリコン基板のエッチングが進行してＮ型シリコン層
が露出するとＮ型シリコン層とエッチング液界面に電圧
が印加される。ここで、印加電圧が約3.6V以上になると
Ｎ型シリコン層表面に陽極酸化膜が形成され電流が流れ
なくなることが知られている。そしてこの陽極酸化膜が
マスク効果をなし、Ｎ型シリコン層のエッチングが停止
する。したがってエッチングを行うにあたり、印加電圧
を3.6V以上に保持すれば、Ｐ型シリコン基板のみを選択
的にエッチングすることができる。

しかしながら、このようなエッチング初期の段階から
高い電圧を印加すると、次のような問題があることがわ
かった。

第13図はこのようなエッチング時の電流の時間変化を
示す。例えば、エッチング液として95℃の100％飽水ヒ
ドラジンを、マスク材料として１μｍ厚さのPSG膜ある
いはプラズマCVDによる１μｍ厚さのシリコン窒化膜を
用いた場合、半導体基板を−0.8Vvs Ag/AgClの電位を保
ってエッチングすると、時刻t1（約２時間）で局所的に
シリコン基板３の表面が露出してマスク下のＰ型シリコ
ン基板もエッチングされてしまう。そのため、時刻t1以
後、電流が急増し、エッチングがＰ型基板とＮ型基板の
界面まで到達した後も、電流が増加し続ける。

このように、エッチング当初から高い電圧を印加する
とマスク材までエッチングされてしまうため、歩留まり
が著しく悪いという問題があった。そこで、本出願は先
に特願昭63−225599号において、エッチング当初は印加
電圧を低くしておき、所定のタイミングで印加電圧を増
大させてエッチングする方法を提案した。

第14図はその場合の半導体基板の電位と、電流の時間
変化を示し、（ａ）に示すように時刻t11で電圧を走査
して基板電位を増大させ、時刻t12で基板電位を一定値
に保持すると、（ｂ）に示すように、電流も時刻t11か
ら上昇し、時刻t12で一定となる。そして、時刻t13でＮ
型エピタキシャル層3bが露出するとこの露出したＮ型エ
ピタキシャル層3b表面が陽極酸化され図示のような酸化
電流が生じて電流は急上昇する。そしてＮ型エピタキシ
ャル層3b表面が陽極酸化膜で覆われると半導体基板３お
よび対向電極４間の電流は急激に減少し、これによりＰ
型シリコン基板11のエッチングは停止する。

C.発明が解決しようとする課題 このような従来のエッチング方法には次のような問題
点がある。

使用するエッチング液の種類，組成，濃度，劣化の程
度等により第14図中の時刻t11,t12,t13がそれぞれt1
1′,t12′,t13′となり、バッチごとの再現性が得られ
ない。例えば飽水ヒドラジンのようにイオン化率の低い
溶液をエッチング液として用いた場合、エッチングに伴
ってシリコンイオンの濃度が増加し、電導度が大幅に変
化してエッチング速度が異なり、時刻t11,t12,t13で時
間管理してもバッチごとにバラツキが生じて歩留まりが
低下する。

本発明の目的は、エッチング液の種類等に拘らず安定
したエッチングが行える半導体基板のエッチング方法を
提供することにある。

D.課題を解決するための手段 本発明は、第１の導電型層とこの第１の導電型層と逆
導電型の第２の導電型層とを有する半導体基板を対向電
極とともに電解液中に浸漬し、第１の導電型層に電圧を
印加しつつ第２の導電型層を選択的にエッチングするエ
ッチング方法に適用される。

そして、上述の問題点は、 第１の導電型層へ電圧を印加したときの電流を積算
し、 この積算された電流値に基づいて印加電圧を制御する
ことにより解決される。

E.作用 第１の導電型層へ電圧を印加すると、半導体基板と対
向電極との間に電流が流れ、第２の導電型層がエッチン
グされる。このとき半導体基板を流れる電流の積算量は
第２の導電型層のエッチング量に相関する。そこで、こ
の電流積算値によって印加電圧を制御すると、エッチン
グ液などの条件が変動するバッチ間でも再現性よく均一
にエッチングが行われる。

F.実施例 −第１の実施例− 第１図〜第３図に基づいて本発明の第１の実施例を説
明する。第10図と同様の箇所には同一の符号を付して説
明する。

第１図は本実施例における電解エッチング装置を示
し、エッチング液２には半導体基板３および対向電極４
が浸漬されている。半導体基板３は第11図に示すような
構造であり、Ｎ型シリコン層3b上の一部に蒸着法により
金属膜31を形成し、この金属膜31がポテンショスタット
21の＋側端子に接続されている。金属膜31は、エッチン
グされないよう樹脂膜32により覆われている。対向電極
４は、ポテンショスタット21の−側端子に接続されてい
る。またエッチング液中には、銀塩化銀（Ag/AgCl）か
ら成る比較電極22も浸漬され、この比較電極22に対する
半導体基板３の電位を電圧計23で検知できるようになっ
ている。さらに半導体基板３への印加電圧は電圧計24
で、電圧印加により発生する電流は電流計25で検出でき
る。これら電圧計23,24と、電流計25の検出出力はコン
トローラ26に入力され、コントローラ26はエッチングに
ともなって半導体基板３内を流れる電流を積算し、その
積算値によって後述するようにポテンショスタット21の
出力電圧値、すなわち半導体基板３の電位を制御する。

以上の実施例の構成において、Ｎ型シリコン層3bが第
１の導電型層を、Ｐ型シリコン基板3aが第２の導電型層
をそれぞれ構成する。

次に、第２図のフローチャートおよび各電圧値，電流
値の時間的変化を示す第３図（ａ），（ｂ）に基づいて
コントローラ26によるエッチングの手順を説明する。な
お、第３図（ａ）において、実線I,破線IIは異なる２条
件下における電圧計23の出力である半導体基板３の基準
電位V₂を示し、第３図（ｂ）において、実線III,破線IV
は異なる２条件下における電流計25の出力である半導体
基板３を流れる電流値を示す。

第２図において、エッチング開始にあたり、初期設定
としてまずステップS1でポテンショスタット21の出力を
開放する。このとき、エッチング液をヒドラジンとする
と開放電位は約−1.45Vvs Ag/AgClを示す。これは、半
導体基板３と基準電極22で形成される電池の起電圧であ
る。次いでステップS2でこの開放電位を読み取り、ステ
ップS2で読み取った開放電位よりも僅かに高い電位、例
えば約−1.2Vvs Ag/AgClが得られるようにポテンショス
タット21の出力を調節してエッチングを開始する。この
とき半導体基板３に流れる電流を電流計25で検出し、ス
テップS4においてこの電流値をコントローラ26に取り込
んで積算する。ステップS5では、積算した電流値が予め
定めた基準値以上になったかを判定し、肯定されるまで
この印加電圧のままエッチングを続け、積算した電流値
が予め定めた基準値以上になったときにステップS6に進
む。第３図（ａ）では時刻t21でステップS6に抜ける。

ここで、基準値は次のように定められる。

同一構造で同一面積の半導体基板をエッチングすると
き、印加電圧を同一にしても基板を流れる電流が例えば
第３図（ｂ）の実線IIIと破線IVのように変動する。一
方、第１図に示す半導体基板３に電圧を印加してエッチ
ングする際に半導体基板３を流れる電流の積算値ΣＩ
は、半導体基板３のアノードの溶解に伴って流れる電流
の積算値Σi1と、エッチング液の電解などの副次的な電
気化学反応式によって流れる電流の積算値Σi2の総和と
なり、電流積算値ΣＩは半導体基板３のエッチング量と
相関する。したがって、初めにある条件下でエッチング
を行い、Ｐ型シリコン基板3aとＮ型シリコン層3bの界面
から所定の距離までＰ型シリコン基板3aをエッチングす
るのに要する電流積算値ΣＩを求めておき、この値を基
準値Ｒとして設定すれば、バッチ間でエッチング液など
のパラメータが変動しても積算値ΣＩがＲになった時刻
t21およびt21′時点では、Ｐ型シリコン基板3aが所定の
深さだけエッチングされることになる。

ステップS6では、半導体基板３への印加電圧V1を上昇
させる（印加電圧を走査する）。これに伴って基準電位
V2も上昇し、Ｐ型シリコン基板3aのエッチングがさらに
行われる。また印加電圧V1の上昇に伴い電流も増加す
る。次にコントローラ26は、ステップS7において電流計
25の検出結果を読み込み、次いでステップS8で電位が所
定値になったか否かを判定する。ここで所定値とはＰ型
シリコンのエッチングが進行しかつＮ型シリコンのエッ
チングが停止する電位で、先述したように−0.8Vvs Ag/
AgCl程度の電位をいう。すなわち、半導体基板３への印
加電圧が上昇し、これに伴って半導体基板３の基準電極
22に対する電位V2が所定値に達すると、ステップS8が肯
定され印加電圧V1の走査を終了し、否定されると肯定さ
れるまでステップS6〜S8の処理を繰り返す。さらにステ
ップS9では電位V2にてエッチングを続け、Ｐ型シリコン
基板3aが除去されＮ型シリコン基板3bが露出するとＮ型
シリコン基板3bの表面が陽極酸化膜で覆われるため、半
導体基板３および対向電極４間の電流は急激に減少し、
これによりＮ型シリコン層3bのエッチングは停止する。

この電流の急激な減少によりステップS9が肯定される
とエッチングを終了し、否定されると肯定されるまでエ
ッチングを続ける。

以上の手順により、電流の積算値が基準値Ｒになった
ら電圧を走査するようにしたので、Ｐ型シリコン基板3a
が所定の深さまでエッチングされたときに印加電圧が増
大してエッチングが進み、バッチ間でエッチング液など
のパラメータが異なっても再現性よく、しかも均一なエ
ッチングが可能となり、歩留りが向上する。

−第２の実施例− 次に、第４図〜第６図に基づいて本発明の第２の実施
例を説明する。なお、第１図および第２図と同様な箇所
には同一の符号を付す。

この実施例は、予め必要なエッチング量に相当する電
流積算量Qtを事前に測定しておき、この電流積算量Qtと
電圧走査開始時点までの電流積算量Q1とに基づいて電圧
走査速度を決定するようにしたものである。

第６図に示すグラフにより電圧走査速度の算出法を説
明する。

まず、エッチング時に半導体基板を流れる電流の積算
値Qxは， Qx＝∫ｉ・dt （１） で表わされ、そのときのエッチング量Rxは、 Rx≒ｋ・Qx （２） k:定数 で表わされる。ここで、最終的に必要な全エッチング量
をRnt、積算した電流値がQ1になる時刻taまでにエッチ
ングされたエッチング量をRn1、時刻taで電圧走査開始
後にエッチングすべきエッチング量をRn2とするとき、
各エッチング量Rnt,Rn1,Rn2は、 Rnt＝Rn1＋Rn2 （３） Rn1＝ｋ・Q1 （４） Rn2＝ｋ・Q2 （５） で表される。ここで、Q1,Q2は、 で表される。したがって、残りのエッチング量Rn2は
（７）式から次のように求められる。

Q2は時刻taにおいて（Qt−Q1）から求められ、エッチ
ング開始時の電流iaおよびエッチング終了時の電流ib
は、エッチング開始時に基板に与える初期電位Vaおよび
エッチング終了時に基板に与える最終電位Vbから既知で
あり、電圧走査開始時刻taも既知である。したがって、
第６図（ｂ）の斜線で示す台形の面積がQ2になるような
時刻tbが求められる。そしてこの時刻tb,taおよび走査
開始時の電流iaと走査終了時の電流ibとから次式により
走査速度Ｇが求められる。

ここで、以上のようにして走査速度Ｇを求めると、第
６図（ｂ）から分かるように、電圧走査終了時の時刻tb
で必要な全エッチング量Rntが得られるのでＮ型シリコ
ン層3bが露出し、アノード酸化電流が流れ始める。しか
しながら、例えば大口径の半導体基板のエッチングを行
うときのように半導体基板に面内分布が発生すると、部
分的にエッチングが不足する領域が生ずる。そのため、
必要に応じて時刻tb後に所定時間だけ一定電圧Vbを印加
し、時刻tcで必要な全エッチング量Rntが得られるよう
にした方が面内分布を是正する上で好ましい。そこで、
第６図（ｃ）に示すように、例えば時刻tc−tbとして５
分〜数十分を設定し、電圧走査を終了する時刻tbを次式
（９）に基づいて算出する。

なお、時刻taまでのエッチング速度ER1は次式により
推定できる。

以上のような手順例を第４図および第５図に示す。第
２図と同様な箇所には同一の符号を付して相違点を説明
する。

第４図のステップS5において積算電流量がQ1に到達し
たと判定されるとステップS10において電圧走査速度を
演算し、ステップS6に進んで電圧を走査する。電圧走査
速度演算の手順を第５図に示す。

ステップS11で残りのエッチングに必要な電流量Q2を
演算し、ステップS11で（９）式から走査終了時刻tbを
演算する。そしてステップS13で（８）式により電圧走
査速度Ｇを求めて第４図のステップS6に戻る。

第７図〜第９図は更に他の実施例を説明する図であ
る。第４図および第５図の実施例では、電圧走査を開始
する時刻taで電圧走査速度Ｇを演算したらエッチング終
了までその速度Ｇで電圧を走査するようにしたが、第７
図〜第９図に示す実施例は電圧走査中も逐次電圧走査速
度をエッチング状態に応じて変更するようにしたもので
ある。

第９図はこの実施例を説明するグラフである。

時刻taから時刻tb間においても逐次積算電流値を演算
して，例えば時刻ta′で残りのエッチング量を確保する
に必要な積算電流値Q2′−Q3を演算し、時刻ta′，電流
値ia′，上記電流値ibおよびエッチング終了時刻tbに基
づいて（８）式から時刻ta′以降の電圧走査速度Ga′を
求める。なお第９図中、Ｇは時刻taで演算された電圧走
査速度、Gaは時刻ta〜ta′間の積算電流値Ｑから推定さ
れる電圧走査速度である。

このような手順を実行するため、第７図のステップS8
が否定されるときはステップS10に戻り、第８図の処理
に進む。この第８図において第５図と同様な箇所には同
一の符号を付して相違する点について説明する。

ステップS21ではフラグＦが１かを判定し、１でなけ
ればステップS11〜ステップS13を実行し、ステップS22
でフラグＦを１にする。時刻ta経過後はステップS21が
肯定されてステップS23に進む。ステップS23では、時刻
taから任意の時刻tnまでの間の積算電流値Qnを演算し、
ステップS24で時刻tn以降に必要な積算電流量Qmを求め
る。最後に、ステップS13で新たな電圧走査速度Ga′を
求める。

そして第７図のステップS8が肯定されると電圧走査を
やめ、電位を所定値に保ったままステップS9を実行す
る。ステップS9では上述したように電流が急激に減少す
るまでエッチングを続ける。ステップS9が肯定されると
ステップS25において、Ｐ型およびＮ型の半導体基板と
もにエッチングしないような印加電圧Vcを与え、ステッ
プS26でフラグＦを０にして終了する。

以上の実施例によれば、エッチング液の種類，組成，
濃度，劣化，液温，撹拌状態等によってエッチング条件
が変動しても、その時々において電圧走査速度Ｇを調節
できるから、再現性と均一性がさらに向上するととも
に、全自動のエッチング装置が提供できる。

G.発明の効果 本発明は以上のようにエッチング時に半導体基板を流
れる電流値を積算し、この積算電流値に基づいて印加電
圧を制御するようにしたので、電解液の種類，組成，濃
度，劣化，液温，撹拌状態などエッチング条件が異なっ
ても再現性と均一性とが向上して、歩溜りの向上したエ
ッチングプロセスが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の第１の実施例を示し、第１図
は電解エッチング装置を示す図、第２図はエッチングの
処理手順を示すフローチャート、第３図（ａ）は基板電
位の時間的変化を、第３図（ｂ）は電流の時間的変化を
それぞれ示す図である。 第４図〜第６図は本発明の第２の実施例を示し、第４図
および第５図はエッチングの処理手順を示すフローチャ
ート、第６図（ａ）は基板電位の時間的変化を、第６図
（ｂ），（ｃ）は電流の時間的変化をそれぞれ示す図で
ある。 第７図〜第９図は更に他の実施例を示し、第７図および
第８図はエッチングの処理手順を示すフローチャート、
第９図（ａ）は基板電位の時間的変化を、第９図（ｂ）
は電流の時間的変化をそれぞれ示す図である。 第10図〜第14図は従来例を説明するもので、第10図は従
来の電解エッチング装置を示す図、第11図はエッチング
対象となる半導体基板の断面図、第12図はＰ型基板,N型
基板の電位−電流特性を示す図、第13図はエッチング時
の電流の時間変化を示す図、第14図（ａ）は基板電位の
時間的変化を、第14図（ｂ）は電流の時間的変化をそれ
ぞれ示す図である。 2:エッチング液、3:半導体基板 3a:P型シリコン基板、3b:N型シリコン基板 4:対向電極、21:ポテンショスタット 23,24:電圧計、25:電流計 26:コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/306,21/3063

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の導電型層とこの第１の導電型層と逆
   導電型の第２の導電型層とを有する半導体基板を対向電
   極とともに電解液中に浸漬し、第１の導電型層に電圧を
   印加しつつ第２の導電型層を選択的にエッチングするに
   あたり、 前記第１の導電型層へ電圧を印加したときの電流を積算
   し、 この積算された電流値に基づいて印加電圧を制御するこ
   とを特徴とする半導体基板のエッチング方法。