JP2522036B2 - Deep etching method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、単結晶シリコン基板の一主面から主面に垂
直な側壁をもつ凹部を形成するための深掘りエッチング
方法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a deep etching method for forming a recess having a side wall perpendicular to a main surface of a single crystal silicon substrate.
単結晶基板の一主面から凹部を形成する従来の加工方
法には、弗酸等を用いるウェットエッチングとCF4,SF6
等の反応性ガスを用いるドライエッチングという二種類
の方法がある。ウェットエッチング方法は第2図(a)
に示すように、シリコン基板1にシリコン酸化膜21およ
びシリコン窒化膜22からなるマスクを被加工部が露出さ
れるように被着させ、第2図(b)に示すように弗酸で
シリコン基板の被加工部をエッチングして、凹部2を形
成するものである。一方、ドライエッチング方法は、第
3図(a)に示すように、シリコン基板1にアルミニウ
ムからなるマスク3をウェットエッチング方法の場合と
同様に被着させ、陽極結合方式あるいは陰極結合方式の
平行平板型ドライエッチング装置にて、シリコンを深掘
りエッチングして第3図(b)に示すような凹部2を形
成しようとするものである。Conventional processing methods for forming a recess from the main surface of a single crystal substrate include wet etching using hydrofluoric acid and CF 4 , SF 6
There are two types of methods such as dry etching using a reactive gas such as. The wet etching method is shown in Fig. 2 (a).
As shown in FIG. 2, a mask made of a silicon oxide film 21 and a silicon nitride film 22 is deposited on the silicon substrate 1 so that the processed portion is exposed, and as shown in FIG. The portion to be processed is etched to form the recess 2. On the other hand, in the dry etching method, as shown in FIG. 3A, a mask 3 made of aluminum is applied to a silicon substrate 1 in the same manner as in the wet etching method, and an anodic-bonding or cathode-bonding parallel plate is used. With a mold dry etching apparatus, silicon is deeply etched to form a recess 2 as shown in FIG. 3 (b).
従来ウェットエッチングにおいて、シリコン基板にマ
スク層を被着させる際、前記マスク層の厚さにはある程
度限りがあるため、エッチング深さに限界を生じ、厚さ
1mmを越えるシリコン基板を深くエッチングするときな
どには上記方法は適さない。また、上記方法はエッチン
グ後の凹部の深さが、単結晶シリコン基板内で大きくば
らつき、そのため歩留まりが低下してしまうという問題
点がある。In the conventional wet etching, when a mask layer is deposited on a silicon substrate, the thickness of the mask layer is limited to a certain extent, which causes a limit to the etching depth.
The above method is not suitable for deeply etching a silicon substrate exceeding 1 mm. Further, the above method has a problem that the depth of the recessed portion after the etching largely varies within the single crystal silicon substrate, and thus the yield is reduced.
一方、弗素系の反応ガスを用いたドライエッチングに
おいては、陽極結合方式の装置を用いた場合、エッチン
グ速度が速く、アルミニウムマスクの選択比が非常に大
きいため上記厚さ1mmを越えるシリコン基板でもエッチ
ング可能であり、しかもシリコン基板内での均一性が良
いという利点がある。しかし、サイドエッチ量について
はウェットエッチングに比べれば少ないものの、上記方
法でサイドエッチ量が最小となるエッチング条件を選ん
でも、上記方法はもともと等方性エッチングであるた
め、サイドエッチ量を深さエッチ量を除した値であらわ
すエッチングファクタが0.55でサイドエッチ量はやや多
い。それ故、シリコン基板にもっとサイドエッチ量を少
なく凹部を形成したい場合、たとえば複雑なパターンを
もつシリコン基板に凹部を形成したい場合などには不都
合であり、より異方的なエッチング方法が要求される。
これに対し、陰極結合方式の平行平板型ドライエッチン
グ装置を用いると、弗素系の反応ガスを用いたドライエ
ッチングの場合、前記エッチングファクタを0.30程度ま
で小さくできるが、エッチング速度が前記陽極結合方式
でのドライエッチングに比較すると25分の1になってし
まい、しかもシリコン基板内での均一性がやや悪いとい
う問題点がある。On the other hand, in dry etching using a fluorine-based reaction gas, when an anodic bonding type device is used, the etching rate is fast and the selectivity of the aluminum mask is very large, so etching is performed even on silicon substrates with a thickness of more than 1 mm. It is possible and has the advantage of good uniformity within the silicon substrate. However, although the side etching amount is smaller than that of wet etching, even if the etching condition that minimizes the side etching amount is selected by the above method, since the above method is originally isotropic etching, the side etching amount is reduced by the depth etching. The etching factor, which is the value obtained by dividing the amount, is 0.55, and the side etch amount is slightly large. Therefore, it is inconvenient when it is desired to form a recess in the silicon substrate with a smaller side etch amount, for example, when a recess is formed in a silicon substrate having a complicated pattern, and a more anisotropic etching method is required. .
On the other hand, if a parallel plate type dry etching apparatus of the cathode coupling method is used, in the case of dry etching using a fluorine-based reaction gas, the etching factor can be reduced to about 0.30, but the etching rate is higher than that of the anodic coupling method. Compared with the dry etching of 1), it becomes 1/25, and there is a problem that the uniformity in the silicon substrate is a little poor.
本発明の目的は、サイドエッチ量が少なく、エッチン
グファクタが小さくてかつ速いエッチング速度で行われ
る深掘りエッチング方法を提供することにある。An object of the present invention is to provide a deep etching method which has a small side etching amount, a small etching factor, and a high etching rate.
上記の目的を達成するために、本発明によれば、陽極
結合方式の平行平板型ドライエッチング装置にて、反応
ガスとして六弗化硫黄と酸素との混合ガスを用いてエッ
チングを行う深掘りエッチング方法であって、凹部を形
成すべき単結晶シリコン基板の主面に、凹部を形成する
個所を除いてアルミニウム膜を、さらにその膜の上にフ
ォトレジスト膜を被着させ、前記反応ガスと前記フォト
レジストとの反応生成物を前記凹部の側面に付着させて
エッチングを行うこととする。In order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, in a parallel plate type dry etching apparatus of an anodic coupling type, deep etching is performed using a mixed gas of sulfur hexafluoride and oxygen as a reaction gas. A method of depositing an aluminum film on a main surface of a single-crystal silicon substrate in which a recess is to be formed, except for a portion where a recess is to be formed, and a photoresist film on the film, the reaction gas and the The reaction product with the photoresist is attached to the side surface of the recess and etching is performed.
陽極結合方式のドライエッチング装置の反応槽内に生
じるプラズマ内に存在する活性種や反応ガスイオンに対
しアルミニウム膜は反応しないがレジスト膜は反応し、
反応生成物を生ずる。この反応生成物は、活性種や反応
ガスイオンの単結晶シリコン基板との物理化学的反応に
より生ずる凹部の底面ばかりでなく側面にも付着し、し
かもエッチングに対するマスクになる。しかし、側面に
付着した反応生成物に対するよりも底面に付着した反応
生成物に対しては活性種や反応ガスを垂直にはげしくぶ
つかり、そのため付着した反応生成物は比較的短い間に
除かれてしまい、底面に対するエッチングは進行する。
付着した反応生成物がマスクとして残る側面に対するエ
ッチングの進行は少なく、従って、アルミニウムマスク
下への廻り込みが少なくなり、サイドエッチ量が減じ、
陽極結合方式の速いエッチング速度で深掘りエッチング
が可能となる。The aluminum film does not react to the active species and reactive gas ions present in the plasma generated in the reaction tank of the anodic bonding type dry etching apparatus, but the resist film does.
This produces a reaction product. This reaction product adheres not only to the bottom surface but also to the side surface of the concave portion generated by the physicochemical reaction of active species and reactive gas ions with the single crystal silicon substrate, and also serves as a mask for etching. However, active species and reaction gases hit the reaction products attached to the bottom surface more vertically than to the reaction products attached to the side surfaces, so that the attached reaction products are removed in a relatively short time. Etching of the bottom surface proceeds.
The progress of etching on the side surface where the adhered reaction product remains as a mask is small, and therefore the wraparound under the aluminum mask is reduced, and the side etch amount is reduced.
Deep etching is possible at a high etching rate of the anodic coupling method.
第1図(a),(b)は本発明の一実施例の概要を示
すもので、第1図(a)のように、たとえば厚さ600μ
mのシリコン基板1の一方の面に、スパッタリング法等
により厚さ4μmのアルミニウム薄膜3を被着させ、そ
の上にフォトプロセス用レジスト薄膜4を2〜3μm被
着させ、露光によりパターニングして前記シリコン基板
上1の凹部を形成すべき部分のレジスト薄膜4を除去し
たのち、露出したアルミニウム薄膜3をりん硝酸溶液等
を用いたエッチング液により除去し、残ったアルミニウ
ムマスク上のレジスト薄膜4は剥離させないままにして
前記凹部形成部5の露出したパターンを形成する。この
基板を第4図に示すような陽極結合方式の平行平板型ド
ライエッチング装置の反応室11内の下部電極ステージ12
上に置き、反応室11内にSF6とO2を7対3の割合で混合
した反応ガス13をガス導入管9より流入させ、下部より
の真空排気16で反応室11内を0.4Torrの圧力に保持し
て、反応室内の下部電極と50mm離れた上部電極14の間
に、上部電極にマッチングボックス17を介して接続され
た電源18により150W(0.85W/cm2)の高周波電力を印加
し、両電極間にプラズマ19を発生させる。そして、前記
露出した凹部形成部5のシリコンとプラズマ内に存在す
る活性種や反応ガスイオンとを物理的反応等を起こさせ
ることで、凹部形成部のシリコンを除去し、第1図
(b)に示すように前記シリコン基板1の所定の個所に
深さ20μmの凹部2を形成する。このとき、サイドエッ
チ量を深さエッチ量で除した値として定義され、エッチ
ングの異方性を知るパラメータであるエッチングファク
タについて、従来のアルミニウムマスクのみを用いた場
合のドライエッチングのデータと共に第5図に示す。線
51が本発明の実施例であり、線52が従来例である。第5
図から本発明のエッチングファクタは0.266〜0.556であ
り、従来のアルミニウムマスクのみを用いて陽極結合方
式でドライエッチングした場合のドライエッチングのエ
ッチングファクタ0.517〜0.576よりも小さく、すなわち
本発明はサイドエッチ量をさらに少なくエッチングでき
ることがわかる。また、本発明のエッチング速度は4.7
μm/minで、従来異方性エッチングが可能とされている
陰極結合方式のドライエッチングにおけるエッチング速
度0.2μm/minよりも25倍以上大きく、本発明のエッチン
グ速度は非常に高速であることがわかる。FIGS. 1 (a) and 1 (b) show an outline of one embodiment of the present invention. For example, as shown in FIG.
m of the silicon substrate 1 is coated with an aluminum thin film 3 having a thickness of 4 μm by a sputtering method or the like, and a photoprocess resist thin film 4 is deposited thereon with a thickness of 2 to 3 μm. After removing the resist thin film 4 on the silicon substrate 1 where the concave portion is to be formed, the exposed aluminum thin film 3 is removed by an etching solution using a phosphoric nitric acid solution or the like, and the remaining resist thin film 4 on the aluminum mask is peeled off. The exposed pattern of the recess forming portion 5 is formed without leaving it. This substrate is used as the lower electrode stage 12 in the reaction chamber 11 of the parallel plate type dry etching apparatus of the anode coupling type as shown in FIG.
The reaction gas 13 containing SF 6 and O 2 mixed in a ratio of 7: 3 is introduced into the reaction chamber 11 through the gas introduction pipe 9, and the inside of the reaction chamber 11 is evacuated to 0.4 Torr by vacuum evacuation 16 from the lower part. While maintaining the pressure, a high-frequency power of 150 W (0.85 W / cm 2 ) is applied between the lower electrode in the reaction chamber and the upper electrode 14 50 mm apart by the power supply 18 connected to the upper electrode through the matching box 17. Then, plasma 19 is generated between both electrodes. Then, the exposed silicon in the recess forming portion 5 and the active species or reactive gas ions existing in the plasma are caused to physically react with each other to remove the silicon in the recess forming portion, as shown in FIG. 1 (b). As shown in FIG. 3, a recess 2 having a depth of 20 μm is formed at a predetermined portion of the silicon substrate 1. At this time, the etching factor, which is defined as a value obtained by dividing the side etching amount by the depth etching amount and is a parameter for knowing the anisotropy of etching, together with the data of the dry etching when only the conventional aluminum mask is used, Shown in the figure. line
Reference numeral 51 is an embodiment of the present invention, and line 52 is a conventional example. Fifth
From the figure, the etching factor of the present invention is 0.266 to 0.556, which is smaller than the etching factor of 0.517 to 0.576 of dry etching when dry etching is performed by the anodic bonding method using only the conventional aluminum mask, that is, the present invention is the side etch amount. It can be seen that even less etching can be performed. Further, the etching rate of the present invention is 4.7
The etching rate of the present invention is extremely high, which is 25 times or more than the etching rate of 0.2 μm / min in the dry etching of the cathode coupling method which is conventionally capable of anisotropic etching at μm / min. .
本発明によれば、エッチング速度は速いが等方性エッ
チングであるため、単結晶シリコン基板にサイドエッチ
量少なく深掘りエッチングすることには不適当と思われ
ていた陽極結合方式の平行平板型ドライエッチング装置
を用い、従来も用いられたアルミニウムマスクパターニ
ング時のフォトレジスト膜をそのまま残すことにより、
プラズマ内に存在する活性種や反応ガスイオンは周辺部
でレジスト膜と反応し、反応生成物を生ずる。この反応
生成物はエッチングで形成されていく凹部の底面と側面
に付着し、側面に付着したものはエッチングに対するマ
スクとなるが、底面に付着したものははげしく衝突する
活性種や反応ガスにより機械的にとり除かれ、底面に向
けてのエッチングのみ進行する。このため、シリコン基
板のサイドエッチ量が非常に少なく、エッチング速度を
従来のサイドエッチ量の少ない陰極結合方式の場合の25
倍以上の速さで凹部を形成することができる。また、こ
の発明によれば、従来パターン形成の際の終わりに剥離
していたレジスト薄膜を残しておくので、パターニング
の際のレジスト剥離工程を一つ省くことができ、生産性
が向上する。したがって、本発明によれば、従来のドラ
イエッチングではサイドエッチ量が多くて不可能である
かあるいは歩留まりが上がらなかった複雑なパターン形
状をもつ単結晶シリコン基板にも凹部を形成することが
可能となる。さらに、上にも述べたように従来異方性エ
ッチングが可能とされている陰極結合方式のドライエッ
チング装置でのエッチング速度より本発明のエッチング
速度は非常に高速であるため、高い生産性が確保され
る。また、前記従来異方性エッチングが可能とされてい
る陰極結合方式のドライエッチング装置でのエッチング
はプラズマ中に存在するイオンのアシスト効果により異
方性がでるのではないかと考えられており、そのためエ
ッチングされるシリコン基板上の凹部加工面が前記イオ
ンの衝撃を受け、前記加工面にダメージが残ってしま
い、これが前記シリコン基板に悪影響を及ぼすという欠
点がある。ところが、本発明の場合の陽極結合方式のド
ライエッチング装置でのエッチングはプラズマ中の活性
種がエッチング反応の主体であると考えられ、前記シリ
コン基板の凹部加工面にそれほどダメージは残らないと
いう利点もある。According to the present invention, the etching rate is high, but isotropic etching is performed, so that it is considered to be unsuitable for deep etching with a small amount of side etching on a single crystal silicon substrate. By using an etching device and leaving the photoresist film as it is when patterning the aluminum mask, which has been used in the past,
The active species and reactive gas ions existing in the plasma react with the resist film in the peripheral portion to generate a reaction product. This reaction product adheres to the bottom surface and side surface of the recess formed by etching, and the one adhered to the side surface serves as a mask for etching, but the one adhered to the bottom surface is mechanically affected by the violently colliding active species and reaction gas. , And only the etching proceeds to the bottom surface. For this reason, the side etching amount of the silicon substrate is very small, and the etching rate is 25
The recess can be formed at a speed twice or more. Further, according to the present invention, since the resist thin film that has been peeled off at the end of the conventional pattern formation is left, one resist peeling step at the time of patterning can be omitted, and the productivity is improved. Therefore, according to the present invention, it is possible to form a recess even in a single crystal silicon substrate having a complicated pattern shape, which is not possible due to a large amount of side etching by the conventional dry etching or the yield cannot be increased. Become. Further, as described above, since the etching rate of the present invention is much higher than the etching rate of the cathode-coupled dry etching apparatus which is conventionally capable of anisotropic etching, high productivity is secured. To be done. Further, it is considered that the etching in the dry etching apparatus of the cathode coupling type, which is conventionally capable of anisotropic etching, may be anisotropic due to the assist effect of the ions existing in the plasma. There is a drawback in that the processed surface of the recess on the silicon substrate to be etched is impacted by the ions, and damage remains on the processed surface, which adversely affects the silicon substrate. However, in the case of the present invention, it is considered that the active species in plasma is the main component of the etching reaction in the etching by the anodic bonding type dry etching apparatus, and there is an advantage that the recessed surface of the silicon substrate is not so damaged. is there.
第1図(a),(b)は本発明の一実施例の工程を順次
示す断面図、第2図(a),(b)はウェットエッチン
グによる工程を順次示す断面図、第3図(a),(b)
は従来のドライエッチングによる工程を順次示す断面
図、第4図は本発明の実施に用いる陽極結合方式による
平行平板型ドライエッチング装置の断面図、第5図はエ
ッチングファクタに対する本発明の効果をエッチング深
さとの関係で示す線図である。 1:シリコン基板、2:凹部、3:アルミニウム薄膜、4:レジ
スト薄膜。1 (a) and 1 (b) are cross-sectional views sequentially showing steps of one embodiment of the present invention, FIGS. 2 (a) and 2 (b) are cross-sectional views sequentially showing steps by wet etching, and FIG. a), (b)
Is a cross-sectional view sequentially showing the steps of the conventional dry etching, FIG. 4 is a cross-sectional view of a parallel plate type dry etching apparatus by an anodic coupling method used for implementing the present invention, and FIG. 5 is an etching effect of the present invention on an etching factor. It is a diagram shown in relation to the depth. 1: Silicon substrate, 2: Recess, 3: Aluminum thin film, 4: Resist thin film.
Claims (1)
グ装置にて、反応ガスとして六弗化硫黄と酸素との混合
ガスを用いてエッチングを行う深掘りエッチング方法で
あって、凹部を形成すべき単結晶シリコン基板の主面
に、凹部を形成する個所を除いてアルミニウム膜を、さ
らにその膜の上にフォトレジスト膜を被着させ、前記反
応ガスと前記フォトレジストとの反応生成物を前記凹部
の側面に付着させてエッチングを行うことを特徴とする
深掘りエッチング方法。1. A deep etching method in which a parallel plate type dry etching apparatus of an anodic coupling method is used to perform etching using a mixed gas of sulfur hexafluoride and oxygen as a reaction gas, in which a recess is to be formed. An aluminum film is deposited on the main surface of the single crystal silicon substrate except a portion where a concave portion is formed, and a photoresist film is further deposited on the film, and a reaction product of the reaction gas and the photoresist is deposited on the concave portion. The deep etching method is characterized in that etching is performed by adhering to the side surface of the.
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