JP2004288920A - 半導体基板のエッチング方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なうにあたって、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いてエッチング面の平滑性を向上させる。
【解決手段】半導体基板としてシリコンウェハ５０を用い、エッチング液として水酸化カリウム水溶液を用いて、シリコンウェハ５０を水酸化カリウム水溶液に浸漬するとともに、シリコンウェハ５０を陽極としてシリコンウェハ５０に電位を付与する陽極酸化法によって、シリコンウェハ５０の主表面５１にシリコン酸化膜７０を形成した状態で、シリコンウェハ５０の主表面５１側からのエッチング処理を開始する。
【選択図】 図４
【解決手段】半導体基板としてシリコンウェハ５０を用い、エッチング液として水酸化カリウム水溶液を用いて、シリコンウェハ５０を水酸化カリウム水溶液に浸漬するとともに、シリコンウェハ５０を陽極としてシリコンウェハ５０に電位を付与する陽極酸化法によって、シリコンウェハ５０の主表面５１にシリコン酸化膜７０を形成した状態で、シリコンウェハ５０の主表面５１側からのエッチング処理を開始する。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なう半導体基板のエッチング方法に関し、特に、圧力センサや加速度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等に利用するために半導体基板に薄肉部としてのダイアフラムを形成する場合のエッチング方法に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体圧力センサや半導体加速度センサ等のシリコンダイアフラムを形成する場合、シリコン基板の主表面を、耐エッチング材であるＳｉＯ２やＳｉＮ膜からなるエッチングマスクで覆い、この状態でＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液等のエッチング液を用いてウェットエッチングを行なう。
【０００３】
それにより、シリコン基板の主表面のうちエッチングマスクの開口部に対応する部位に、該主表面から凹んだ凹部が形成され、該凹部の底部が薄肉部となり、この薄肉部がダイアフラムとして形成される。
【０００４】
ここで、ＫＯＨ水溶液を用いたシリコンのエッチングは、ＫＯＨ濃度および温度を調整して行われ、特に、エッチング面（上記凹部の底部）の平滑性およびエッチング速度の観点から、ＫＯＨ濃度３０重量％付近のものが一般にエッチング液として採用されている。
【０００５】
しかし、例えば、シリコン基板として、その主表面の面方位指数が（１１０）のものを用いた場合には、エッチング面の形状が特徴的な凹凸形状となり、平滑なダイアフラムの形成が困難である。これは、（１１０）面近傍のエッチングレートの異方性に起因するものと考えられる。
【０００６】
ちなみに、従来のエッチング方法についての本発明者等の検討によれば、（１１０）面であるエッチング面の特徴的な凹凸形状は、エッチング液のＫＯＨ濃度に依存し、３８重量％以下では筋状、４０重量％以上ではピラミッド状の凹凸が形成されることがわかっている。
【０００７】
シリコンダイアフラムは、シリコン基板の厚み寸法に対して、その大部分をエッチングにより除去して所望の厚さに形成される。例えば、半導体圧力センサにおける圧力に対する感度特性の精度を確保するためには、ダイアフラムの厚さを均一化する、つまり、エッチング面である上記凹部の底面を平滑に且つ平坦に形成する必要がある。
【０００８】
ＫＯＨ水溶液以外に、エッチング面を平坦面に仕上げるためのウェットエッチング方法としては、例えば、弗化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）溶液中にシリコン基板を浸漬し、そのシリコン基板に電位を与えながらエッチング処理を行なうもので、その電位を例えばレストポテンシャル以下となるように制御することにより、原子レベルの平坦度を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、エッチング液に水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液を用い、シリコン基板に電位を与えながらエッチング処理を行なう方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−１３１６５号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開２０００−９１３０７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献に記載されているエッチング方法では、エッチング面の平坦性は確保できるものの、使用するエッチング液としてのＮＨ４Ｆ溶液およびＴＭＡＨ水溶液が、ＫＯＨ水溶液に比べて本来、エッチング速度の小さいものであるため、半導体製造工程においては作業性が良好ではなく、しかも、前者の液には弗素イオンを含むことから安全性に欠ける。
【００１３】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なうにあたって、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いてエッチング面の平滑性を向上させることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なう半導体基板のエッチング方法において、半導体基板としてシリコン基板（５０）を用い、エッチング液として水酸化カリウム水溶液（２０）を用いて、シリコン基板を水酸化カリウム水溶液に浸漬するとともに、シリコン基板を陽極としてシリコン基板に電位を付与する陽極酸化法によって、シリコン基板の主表面（５１）に酸化膜（７０）を形成した状態で、シリコン基板の主表面側からのエッチング処理を開始することを特徴とする。
【００１５】
この場合、請求項２に記載の発明のように、シリコン基板（５０）の主表面（５１）側からのエッチング処理を開始した後、シリコン基板に電位を付与しない状態でエッチング処理を継続する場合には、シリコン基板の被エッチング面である主表面に予め形成された酸化膜がＫＯＨ水溶液によりエッチング除去され、その酸化膜のエッチングの終了と同時にシリコンのエッチングが開始される。
【００１６】
明確なメカニズムはわかっていないが、酸化膜のエッチングの終了と同時にシリコンをエッチングすることにより、シリコンエッチングの開始点は親水面となることが期待できる。そして、この親水面の形成により均一なシリコンエッチングが開始され、その結果、シリコン基板において平滑なエッチング面が得られると考えられる。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明のように、シリコン基板（５０）の主表面（５１）側からのエッチング処理を開始した後も、シリコン基板に対して酸化膜（７０）を形成可能な電位を付与した状態でエッチング処理を継続する場合には、シリコン基板の主表面側では酸化膜が形成されつつ同時にエッチングされていく。
【００１８】
この場合もシリコン基板の主表面側に形成されつづける酸化膜によって、被エッチング面である主表面が親水性に保たれることが期待できる。そのために、エッチング速度の面内均一性が向上し、その結果、シリコン基板において平滑なエッチング面が得られると考えられる。
【００１９】
実際に、実験検討した結果、本発明のエッチング方法によれば、従来のＫＯＨ水溶液を用いたエッチング方法よりも平滑性に優れたエッチング面（２ａ）が得られた。例えば、エッチング面の面粗さＲｚが０．８μｍ未満と良好な平滑性が得られた。
【００２０】
このように、本発明によれば、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いて、従来よりもエッチング面の平滑性を向上させることのできるエッチング方法を提供することができる。
【００２１】
ここで、請求項４に記載の発明のように、水酸化カリウム水溶液（２０）のＫＯＨ濃度を３９重量％以上４８重量％以下の範囲とし、液温度を９０℃以上１４０℃以下の範囲に調整することにより、エッチングを行うことが好ましい。
【００２２】
また、請求項１〜請求項４に記載のエッチング方法は、請求項５に記載の発明のように、シリコン基板（５０）として、その主表面（５１）の面方位指数が（１１０）のものを用いる場合に特に有効である。
【００２３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体圧力センサＳ１の概略断面構成を示す図である。図１において、１は半導体基板としてのシリコン基板であり、このシリコン基板１は、本例では主表面１ａ、１ｂの面方位指数が（１１０）である。
【００２５】
このシリコン基板１の主表面の一面（図１中の下側の面）１ａには、ＫＯＨエッチングにより、当該一面１ａから凹んだ凹部２が形成されている。そして、シリコン基板１のうち凹部２の底面２ａ側は薄肉部となり、この薄肉部が圧力検出用のダイアフラム３として形成されている。
【００２６】
また、シリコン基板１の一面１ａとは反対側の主表面である他面１ｂには、ダイアフラム３に対応する領域に、歪みゲージ４が形成されている。この歪みゲージ４は、例えばブリッジ回路を構成することにより、ダイアフラム３が歪んだときに発生する応力に応じた電気的な信号を出力するためのものである。この歪みゲージ４は、イオン注入や拡散により形成された拡散抵抗として構成されている。
【００２７】
この半導体圧力センサＳ１は、ダイアフラム３が圧力を受けて変形すると、このダイアフラム３の変形によって生じる歪みに応じて、歪みゲージ４から信号が出力される。歪みゲージ４からの出力信号は、図示しない配線部やパッド部を介して、外部に設けられた信号処理回路等へ出力される。このようにして、圧力が検出されるようになっている。
【００２８】
次に、半導体圧力センサＳ１の製造方法について述べる。このセンサＳ１は、主表面の面方位が（１１０）面であるシリコン基板を用いて、これに周知の半導体製造技術を施すことにより形成されるものであり、ここでは、凹部２を形成するためのシリコン基板のエッチング方法について述べる。
【００２９】
図２は、本エッチング方法に用いるエッチング装置１００の概略構成を示す図である。１０は例えばテフロン（登録商標）等よりなるエッチング槽であり、このエッチング槽１０には、エッチング液として水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液２０が収容されている。このＫＯＨ水溶液２０は好ましくはＫＯＨ濃度が３９重量％以上４８重量％以下の範囲に調整されている。
【００３０】
また、このエッチング装置１００には、温度センサやヒータを有する温度調整器３０が備えられており、この温度調整器３０によってＫＯＨ水溶液２０は、加熱冷却され、温度制御される。ＫＯＨ水溶液２０は、好ましくは９０℃以上１４０℃以下の範囲に液温度が保持される。
【００３１】
さらに、エッチング槽１０内には、スターラ４０が槽内底部に配置されており、回転磁界が与えられることで、ＫＯＨ水溶液２０の温度分布が一様となるような撹拌速度にてＫＯＨ水溶液２０を撹拌するようになっている。
【００３２】
エッチング対象であるシリコン基板としては、主表面５１、５２の面方位指数が（１１０）であるシリコンウェハ５０を用いており、このウェハ５０はエッチング槽１０内にてＫＯＨ水溶液２０に浸漬された状態でエッチング処理されるようになっている。
【００３３】
なお、図２では１枚のシリコンウェハ５０のみを示した概略図となっているが、製造工程で使用する場合には複数枚を同時に処理する構成を採用できることは勿論である。
【００３４】
また、このエッチング装置１００には、陽極酸化法によってシリコンウェハ５０に酸化膜を形成するための陽極酸化手段２００が設けられている。この陽極酸化手段２００は、直流電源２１０と、シリコンウェハ５０に電気的に接続されシリコンウェハ５０を陽極としてシリコンウェハ５０に電位を付与するための電位印加用電極２２０と、白金からなる基準電極２３０とから構成されている。
【００３５】
そして、この陽極酸化手段２００は、ＫＯＨ水溶液２０中に浸漬された基準電極２３０の電位に対して設定される所望の電圧を、シリコンウェハ５０に印加できるようになっている。
【００３６】
ここで、図３は、上述のシリコンウェハ５０の一側の主表面５１にダイアフラム形成用のエッチングマスク６０が形成された状態を示す図であり、（ａ）は当該一側の主表面５１からみた平面図、（ｂ）は概略断面図である。この図３に示す状態のシリコンウェハ５０がＫＯＨ水溶液２０に浸漬された状態でエッチング処理される。
【００３７】
シリコンウェハ５０の一側の主表面５１は、上記シリコン基板１の一面１ａに相当する面であり、上記凹部２が形成される被エッチング面である。まず、図３に示すように、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２に上記歪みゲージ４を形成する。
【００３８】
そして、シリコンウェハ５０の（１１０）面である一側の主表面５１において、エッチングによってダイアフラム３が形成できるようにエッチングマスク６０を形成する。
【００３９】
このエッチングマスク６０は、耐エッチング材であるシリコン窒化膜からなる膜をプラズマＣＶＤ等により堆積させ、続いて、この堆積膜に対してフォトリソグラフィーによりエッチングしたい領域を開口することで形成される。なお、図３では、エッチングマスク６０の開口部６１を平面正方形としているが、その形状およびその大きさは問わない。
【００４０】
このようにしてシリコンウェハ５０にエッチングマスク６０を形成した後、図２に示すエッチング装置１００を用いて、シリコンウェハ５０のエッチング処理を行う。なお、図示しないが、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２および側面は、ＫＯＨ水溶液２０に露出しないようにマスキングされた状態とする。
【００４１】
このとき、シリコンウェハ５０を陽極酸化手段２００の電位印加用電極２２０に接続した状態で、ＫＯＨ水溶液２０に浸漬させる。例えば、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２の一部にコンタクトホールを形成し、そこへＡｌ等の導電性部材を充填しその導電部材をＫＯＨ水溶液２０に露出しないようにマスキングすれば、この導電性部材を介して、シリコンウェハ５０と電位印加用電極２２０との電気的接続を行うことができる。
【００４２】
図４は、シリコンウェハ５０のエッチングの進行状態を示す概略断面図である。まず、ＫＯＨ水溶液２０に浸漬されたシリコンウェハ５０に対して、直流電源２１０によって、陽極酸化法による酸化膜７０の形成が可能なように電位を付与する。
【００４３】
具体的に、陽極酸化法においては、ＫＯＨ水溶液２０に浸したシリコンウェハ５０に与える電位を、パッシベーションポテンシャル以上の電位に設定する。ここで、パッシベーションポテンシャルとは、基準電極２３０の電位に対してシリコンウェハ５０に流れるアノード電流が最大となる電位として規定されるものである。
【００４４】
これにより、図４（ａ）に示すように、エッチングマスク６０の開口部６１から露出するシリコンウェハ５０の主表面５１に、酸化膜としてのシリコン酸化膜７０が形成され、この状態で、当該主表面５１側からのエッチング処理が開始される。
【００４５】
このように、本エッチングにおいては、エッチングの開始時に陽極酸化を行ってシリコン酸化膜７０を形成するが、このシリコンウェハ５０に対する酸化膜形成用の電位の付与は、本発明者の検討によれば、少なくともエッチング初期において２分間以上行うことが好ましい。それにより、シリコン酸化膜７０の形成が適切に行われる。例えば、膜厚が１ｎｍ程度の酸化膜７０が形成される。また、シリコン酸化膜７０の形成はＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）等の分析により確認している。
【００４６】
こうして、シリコンウェハ５０の主表面５１側からのエッチング処理を開始した後、シリコンウェハ５０に電位を付与しない状態すなわちシリコンウェハ５０への電位の印加を停止した状態でエッチング処理を継続する。
【００４７】
すると、図４（ｂ）に示すように、ＫＯＨ水溶液２０により、マスク６０の開口部６１から露出するシリコン酸化膜７０がエッチングされ除去される。このシリコン酸化膜７０のエッチングの終了と同時に、シリコンウェハ５０のシリコン部分が現れ、シリコンエッチングが開始される。
【００４８】
明確なメカニズムはわかっていないが、シリコン酸化膜７０のエッチングの終了と同時にシリコンをエッチングすることにより、シリコンエッチングの開始点は親水面となり、この親水面の形成により均一なシリコンエッチングが開始されると考えられる。
【００４９】
そして、シリコンウェハ５０は、一側の主表面５１側からエッチングされていき、最終的に、図４（ｃ）に示すように、上記凹部２が形成される。実際に、この凹部２の底面２ａすなわちエッチング面２ａは平滑性の高いものになる。
【００５０】
こうして、凹部２の形成に伴いダイアフラム３が形成され、さらに、シリコンウェハ５０からエッチングマスク６０をエッチング等により選択的に除去する等の工程を経ることによって、上記図１に示す半導体圧力センサＳ１を製造することができる。
【００５１】
エッチング面２ａの平滑性向上の具体例を図５に示す。図５は、ＫＯＨ水溶液２０の液温度を温度調整器３０により１１０℃に保持し、シリコンウェハ５０の被エッチング面に陽極酸化法により厚さ１ｎｍ程度のシリコン酸化膜７０を形成し、エッチング処理を行った場合の、エッチング面２ａの面粗さＲｚのＫＯＨ濃度依存性を示す図である。
【００５２】
図５に示すように、エッチング面２ａの面粗さＲｚは、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度に依存する。本例では、ＫＯＨ濃度が３９重量％以上４８重量％以下の範囲において面粗さＲｚが０．８μｍ未満となり、エッチング面２ａの平滑性は実用上問題のないレベルとなる。
【００５３】
なお、このレベルは、エッチング面の平滑性を比較的確保しやすい主表面の面方位指数が（１００）であるシリコン基板において、凹部およびダイアフラムを形成したときに実現されるレベルであり、ダイアフラム特性に問題ないレベルである。
【００５４】
さらに、シリコンウェハ５０に対して陽極酸化法によって上記図５と同様の厚さ１ｎｍ程度のシリコン酸化膜７０を形成し、エッチング処理を行うにあたって、エッチング条件すなわちＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度と液温度を変えたときの平滑化の効果を調べた。その結果を図６に示す。
【００５５】
図６に示すように、横軸にＫＯＨ濃度（重量％）、縦軸に液温度（℃）をとった直交座標系を設定した。また、図６中の斜線ハッチングで示す領域Ｒは、エッチング面２ａの面粗さＲｚ０．８μｍ未満を実現する範囲である。
【００５６】
ここで、領域Ｒにおいて、液温度の上限はＫＯＨ水溶液２０の沸点である。つまり、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度と液温度が領域Ｒ内の範囲にあれば、エッチング面２ａの面粗さＲｚを実用上問題のないレベルにすることができる。
【００５７】
したがって、本実施形態のエッチング方法においては、図６中の領域Ｒに示されるように、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度を３９重量％以上４８重量％以下の範囲とし、液温度を９０℃以上１４０℃以下の範囲に調整することが、エッチング面の平滑性を向上させるためには好ましい。
【００５８】
なお、ＫＯＨ濃度や液温度は、この条件に限定されるものではなく、エッチング部のサイズや寸法あるいはエッチング面の面粗さの仕様等により、これ以外の条件でエッチングを行ってもよいことは言うまでもない。
【００５９】
以上のように、本実施形態によれば、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いて従来よりもエッチング面の平滑性を向上させることのできるエッチング方法を提供することができる。
【００６０】
なお、本実施形態では、表面に酸化膜を形成したシリコン基板において、その表面が親水性を示すことを利用して、均一なエッチングを行い、その結果として平滑なエッチング面を得るようにしている。
【００６１】
このことから、エッチングに使用するシリコン基板の表面に、一般的な熱酸化や化学気相堆積法などを用いて、エッチング前に予め酸化膜を形成するようにしても、同様に、平滑なエッチング面が得られると考えられる。しかし、本実施形態では、エッチング前のシリコン基板に酸化膜を形成する工程を省略しても、エッチング液中で実施できる陽極酸化現象を用いることで、より簡便に酸化膜の形成が行える。
【００６２】
また、本実施形態によれば、上記エッチング方法、すなわちＫＯＨ水溶液２０に浸漬されたシリコンウェハ５０の主表面５１に陽極酸化法によりシリコン酸化膜７０を形成した状態で、シリコンウェハ５０をその主表面５１側からエッチング処理する方法により、半導体圧力センサＳ１を構成するシリコン基板１が形成される。
【００６３】
そして、このシリコン基板１は、被エッチング面である主表面５１が（１１０）面であるが、エッチング面（すなわち凹部２の底面２ａ）の面粗さＲｚが０．８μｍ未満を実現している。つまり、本実施形態のシリコン基板（半導体基板）１によれば、（１１０）面をＫＯＨエッチングした場合に従来では実現が難しかった平滑性に優れたエッチング面を実現することができる。
【００６４】
なお、上記エッチング方法では、陽極酸化法にてシリコン酸化膜７０が形成されたシリコンウェハ５０においてその主表面５１側からのエッチング処理を開始した後、シリコンウェハ５０に電位を付与しない状態でエッチング処理を継続していたが、このようにしてエッチング処理を開始した後も、シリコンウェハ５０に対してシリコン酸化膜７０を形成可能な電位を付与した状態でエッチング処理を継続する方法でもよい。
【００６５】
つまり、シリコンウェハ５０をＫＯＨ水溶液２０に浸漬してエッチング処理を行う間ずっと陽極酸化可能な電位をシリコンウェハ５０に付与し続けてもよい。この場合には、シリコンウェハ５０の主表面５１側ではシリコン酸化膜７０が形成されつつ同時にエッチングされていき、凹部２が形成できる。
【００６６】
この場合もシリコンウェハ５０の主表面５１側に形成されつづけるシリコン酸化膜７０によって、被エッチング面である主表面５１が親水性に保たれることが期待できる。そのために、エッチング速度の面内均一性が向上し、その結果、シリコンウェハ５０において平滑なエッチング面２ａが得られる。
【００６７】
この場合について、検証したところ、上記図５に示すエッチング面２ａの面粗さＲｚのＫＯＨ濃度依存性および上記図６に示すエッチング条件と同様の傾向が見られた。むしろ、上記図５に示す濃度範囲や図６に示す条件の範囲を含み、それらよりも広い範囲で、面粗さＲｚ０．８μｍ未満を実現した。
【００６８】
なお、この場合、最終的に凹部２の底面２ａの表層にシリコン酸化膜７０が残るが、面粗さＲｚに影響はない。また、最終的に残ったシリコン酸化膜７０は、エッチングマスク６０を除去する際に同時にエッチング等により除去するようにしてもよい。
【００６９】
（他の実施形態）
なお、上記図２に示す例では、陽極酸化は、直流電源２１０による電圧印加を行うものとしたが、この直流電源２１０の代わりにポテンショスタットを用い、参照電極を含めた３極法としてもよい。
【００７０】
また、本発明に用いるシリコン基板としては、エッチングされる主表面の面方位指数が（１１０）以外のものであっても良い。
【００７１】
また、本発明は圧力センサに限らず、加速度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等においてシリコン基板をＫＯＨ水溶液にてエッチングする場合に用いても有効なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体圧力センサの概略断面図である。
【図２】上記実施形態に係るエッチング方法に用いるエッチング装置の概略構成図である。
【図３】上記実施形態に用いるシリコン基板としてのシリコンウェハにエッチングマスクが形成された状態を示す構成図である。
【図４】図３に示すシリコンウェハのエッチングの進行状態を示す概略断面図である。
【図５】ＫＯＨ水溶液の液温度を１１０℃に保持し、シリコンウェハをエッチング処理した場合のエッチング面の面粗さＲｚのＫＯＨ濃度依存性を示す図である。
【図６】ＫＯＨ水溶液のＫＯＨ濃度と液温度を変えたときの平滑化の効果を調べた結果を示す図である。
【符号の説明】
２０…水酸化カリウム水溶液、５０…シリコン基板、
５１…シリコン基板の一側の主表面、７０…シリコン酸化膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なう半導体基板のエッチング方法に関し、特に、圧力センサや加速度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等に利用するために半導体基板に薄肉部としてのダイアフラムを形成する場合のエッチング方法に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体圧力センサや半導体加速度センサ等のシリコンダイアフラムを形成する場合、シリコン基板の主表面を、耐エッチング材であるＳｉＯ２やＳｉＮ膜からなるエッチングマスクで覆い、この状態でＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液等のエッチング液を用いてウェットエッチングを行なう。
【０００３】
それにより、シリコン基板の主表面のうちエッチングマスクの開口部に対応する部位に、該主表面から凹んだ凹部が形成され、該凹部の底部が薄肉部となり、この薄肉部がダイアフラムとして形成される。
【０００４】
ここで、ＫＯＨ水溶液を用いたシリコンのエッチングは、ＫＯＨ濃度および温度を調整して行われ、特に、エッチング面（上記凹部の底部）の平滑性およびエッチング速度の観点から、ＫＯＨ濃度３０重量％付近のものが一般にエッチング液として採用されている。
【０００５】
しかし、例えば、シリコン基板として、その主表面の面方位指数が（１１０）のものを用いた場合には、エッチング面の形状が特徴的な凹凸形状となり、平滑なダイアフラムの形成が困難である。これは、（１１０）面近傍のエッチングレートの異方性に起因するものと考えられる。
【０００６】
ちなみに、従来のエッチング方法についての本発明者等の検討によれば、（１１０）面であるエッチング面の特徴的な凹凸形状は、エッチング液のＫＯＨ濃度に依存し、３８重量％以下では筋状、４０重量％以上ではピラミッド状の凹凸が形成されることがわかっている。
【０００７】
シリコンダイアフラムは、シリコン基板の厚み寸法に対して、その大部分をエッチングにより除去して所望の厚さに形成される。例えば、半導体圧力センサにおける圧力に対する感度特性の精度を確保するためには、ダイアフラムの厚さを均一化する、つまり、エッチング面である上記凹部の底面を平滑に且つ平坦に形成する必要がある。
【０００８】
ＫＯＨ水溶液以外に、エッチング面を平坦面に仕上げるためのウェットエッチング方法としては、例えば、弗化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）溶液中にシリコン基板を浸漬し、そのシリコン基板に電位を与えながらエッチング処理を行なうもので、その電位を例えばレストポテンシャル以下となるように制御することにより、原子レベルの平坦度を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、エッチング液に水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液を用い、シリコン基板に電位を与えながらエッチング処理を行なう方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−１３１６５号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開２０００−９１３０７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特許文献に記載されているエッチング方法では、エッチング面の平坦性は確保できるものの、使用するエッチング液としてのＮＨ４Ｆ溶液およびＴＭＡＨ水溶液が、ＫＯＨ水溶液に比べて本来、エッチング速度の小さいものであるため、半導体製造工程においては作業性が良好ではなく、しかも、前者の液には弗素イオンを含むことから安全性に欠ける。
【００１３】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なうにあたって、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いてエッチング面の平滑性を向上させることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なう半導体基板のエッチング方法において、半導体基板としてシリコン基板（５０）を用い、エッチング液として水酸化カリウム水溶液（２０）を用いて、シリコン基板を水酸化カリウム水溶液に浸漬するとともに、シリコン基板を陽極としてシリコン基板に電位を付与する陽極酸化法によって、シリコン基板の主表面（５１）に酸化膜（７０）を形成した状態で、シリコン基板の主表面側からのエッチング処理を開始することを特徴とする。
【００１５】
この場合、請求項２に記載の発明のように、シリコン基板（５０）の主表面（５１）側からのエッチング処理を開始した後、シリコン基板に電位を付与しない状態でエッチング処理を継続する場合には、シリコン基板の被エッチング面である主表面に予め形成された酸化膜がＫＯＨ水溶液によりエッチング除去され、その酸化膜のエッチングの終了と同時にシリコンのエッチングが開始される。
【００１６】
明確なメカニズムはわかっていないが、酸化膜のエッチングの終了と同時にシリコンをエッチングすることにより、シリコンエッチングの開始点は親水面となることが期待できる。そして、この親水面の形成により均一なシリコンエッチングが開始され、その結果、シリコン基板において平滑なエッチング面が得られると考えられる。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明のように、シリコン基板（５０）の主表面（５１）側からのエッチング処理を開始した後も、シリコン基板に対して酸化膜（７０）を形成可能な電位を付与した状態でエッチング処理を継続する場合には、シリコン基板の主表面側では酸化膜が形成されつつ同時にエッチングされていく。
【００１８】
この場合もシリコン基板の主表面側に形成されつづける酸化膜によって、被エッチング面である主表面が親水性に保たれることが期待できる。そのために、エッチング速度の面内均一性が向上し、その結果、シリコン基板において平滑なエッチング面が得られると考えられる。
【００１９】
実際に、実験検討した結果、本発明のエッチング方法によれば、従来のＫＯＨ水溶液を用いたエッチング方法よりも平滑性に優れたエッチング面（２ａ）が得られた。例えば、エッチング面の面粗さＲｚが０．８μｍ未満と良好な平滑性が得られた。
【００２０】
このように、本発明によれば、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いて、従来よりもエッチング面の平滑性を向上させることのできるエッチング方法を提供することができる。
【００２１】
ここで、請求項４に記載の発明のように、水酸化カリウム水溶液（２０）のＫＯＨ濃度を３９重量％以上４８重量％以下の範囲とし、液温度を９０℃以上１４０℃以下の範囲に調整することにより、エッチングを行うことが好ましい。
【００２２】
また、請求項１〜請求項４に記載のエッチング方法は、請求項５に記載の発明のように、シリコン基板（５０）として、その主表面（５１）の面方位指数が（１１０）のものを用いる場合に特に有効である。
【００２３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体圧力センサＳ１の概略断面構成を示す図である。図１において、１は半導体基板としてのシリコン基板であり、このシリコン基板１は、本例では主表面１ａ、１ｂの面方位指数が（１１０）である。
【００２５】
このシリコン基板１の主表面の一面（図１中の下側の面）１ａには、ＫＯＨエッチングにより、当該一面１ａから凹んだ凹部２が形成されている。そして、シリコン基板１のうち凹部２の底面２ａ側は薄肉部となり、この薄肉部が圧力検出用のダイアフラム３として形成されている。
【００２６】
また、シリコン基板１の一面１ａとは反対側の主表面である他面１ｂには、ダイアフラム３に対応する領域に、歪みゲージ４が形成されている。この歪みゲージ４は、例えばブリッジ回路を構成することにより、ダイアフラム３が歪んだときに発生する応力に応じた電気的な信号を出力するためのものである。この歪みゲージ４は、イオン注入や拡散により形成された拡散抵抗として構成されている。
【００２７】
この半導体圧力センサＳ１は、ダイアフラム３が圧力を受けて変形すると、このダイアフラム３の変形によって生じる歪みに応じて、歪みゲージ４から信号が出力される。歪みゲージ４からの出力信号は、図示しない配線部やパッド部を介して、外部に設けられた信号処理回路等へ出力される。このようにして、圧力が検出されるようになっている。
【００２８】
次に、半導体圧力センサＳ１の製造方法について述べる。このセンサＳ１は、主表面の面方位が（１１０）面であるシリコン基板を用いて、これに周知の半導体製造技術を施すことにより形成されるものであり、ここでは、凹部２を形成するためのシリコン基板のエッチング方法について述べる。
【００２９】
図２は、本エッチング方法に用いるエッチング装置１００の概略構成を示す図である。１０は例えばテフロン（登録商標）等よりなるエッチング槽であり、このエッチング槽１０には、エッチング液として水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液２０が収容されている。このＫＯＨ水溶液２０は好ましくはＫＯＨ濃度が３９重量％以上４８重量％以下の範囲に調整されている。
【００３０】
また、このエッチング装置１００には、温度センサやヒータを有する温度調整器３０が備えられており、この温度調整器３０によってＫＯＨ水溶液２０は、加熱冷却され、温度制御される。ＫＯＨ水溶液２０は、好ましくは９０℃以上１４０℃以下の範囲に液温度が保持される。
【００３１】
さらに、エッチング槽１０内には、スターラ４０が槽内底部に配置されており、回転磁界が与えられることで、ＫＯＨ水溶液２０の温度分布が一様となるような撹拌速度にてＫＯＨ水溶液２０を撹拌するようになっている。
【００３２】
エッチング対象であるシリコン基板としては、主表面５１、５２の面方位指数が（１１０）であるシリコンウェハ５０を用いており、このウェハ５０はエッチング槽１０内にてＫＯＨ水溶液２０に浸漬された状態でエッチング処理されるようになっている。
【００３３】
なお、図２では１枚のシリコンウェハ５０のみを示した概略図となっているが、製造工程で使用する場合には複数枚を同時に処理する構成を採用できることは勿論である。
【００３４】
また、このエッチング装置１００には、陽極酸化法によってシリコンウェハ５０に酸化膜を形成するための陽極酸化手段２００が設けられている。この陽極酸化手段２００は、直流電源２１０と、シリコンウェハ５０に電気的に接続されシリコンウェハ５０を陽極としてシリコンウェハ５０に電位を付与するための電位印加用電極２２０と、白金からなる基準電極２３０とから構成されている。
【００３５】
そして、この陽極酸化手段２００は、ＫＯＨ水溶液２０中に浸漬された基準電極２３０の電位に対して設定される所望の電圧を、シリコンウェハ５０に印加できるようになっている。
【００３６】
ここで、図３は、上述のシリコンウェハ５０の一側の主表面５１にダイアフラム形成用のエッチングマスク６０が形成された状態を示す図であり、（ａ）は当該一側の主表面５１からみた平面図、（ｂ）は概略断面図である。この図３に示す状態のシリコンウェハ５０がＫＯＨ水溶液２０に浸漬された状態でエッチング処理される。
【００３７】
シリコンウェハ５０の一側の主表面５１は、上記シリコン基板１の一面１ａに相当する面であり、上記凹部２が形成される被エッチング面である。まず、図３に示すように、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２に上記歪みゲージ４を形成する。
【００３８】
そして、シリコンウェハ５０の（１１０）面である一側の主表面５１において、エッチングによってダイアフラム３が形成できるようにエッチングマスク６０を形成する。
【００３９】
このエッチングマスク６０は、耐エッチング材であるシリコン窒化膜からなる膜をプラズマＣＶＤ等により堆積させ、続いて、この堆積膜に対してフォトリソグラフィーによりエッチングしたい領域を開口することで形成される。なお、図３では、エッチングマスク６０の開口部６１を平面正方形としているが、その形状およびその大きさは問わない。
【００４０】
このようにしてシリコンウェハ５０にエッチングマスク６０を形成した後、図２に示すエッチング装置１００を用いて、シリコンウェハ５０のエッチング処理を行う。なお、図示しないが、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２および側面は、ＫＯＨ水溶液２０に露出しないようにマスキングされた状態とする。
【００４１】
このとき、シリコンウェハ５０を陽極酸化手段２００の電位印加用電極２２０に接続した状態で、ＫＯＨ水溶液２０に浸漬させる。例えば、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２の一部にコンタクトホールを形成し、そこへＡｌ等の導電性部材を充填しその導電部材をＫＯＨ水溶液２０に露出しないようにマスキングすれば、この導電性部材を介して、シリコンウェハ５０と電位印加用電極２２０との電気的接続を行うことができる。
【００４２】
図４は、シリコンウェハ５０のエッチングの進行状態を示す概略断面図である。まず、ＫＯＨ水溶液２０に浸漬されたシリコンウェハ５０に対して、直流電源２１０によって、陽極酸化法による酸化膜７０の形成が可能なように電位を付与する。
【００４３】
具体的に、陽極酸化法においては、ＫＯＨ水溶液２０に浸したシリコンウェハ５０に与える電位を、パッシベーションポテンシャル以上の電位に設定する。ここで、パッシベーションポテンシャルとは、基準電極２３０の電位に対してシリコンウェハ５０に流れるアノード電流が最大となる電位として規定されるものである。
【００４４】
これにより、図４（ａ）に示すように、エッチングマスク６０の開口部６１から露出するシリコンウェハ５０の主表面５１に、酸化膜としてのシリコン酸化膜７０が形成され、この状態で、当該主表面５１側からのエッチング処理が開始される。
【００４５】
このように、本エッチングにおいては、エッチングの開始時に陽極酸化を行ってシリコン酸化膜７０を形成するが、このシリコンウェハ５０に対する酸化膜形成用の電位の付与は、本発明者の検討によれば、少なくともエッチング初期において２分間以上行うことが好ましい。それにより、シリコン酸化膜７０の形成が適切に行われる。例えば、膜厚が１ｎｍ程度の酸化膜７０が形成される。また、シリコン酸化膜７０の形成はＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）等の分析により確認している。
【００４６】
こうして、シリコンウェハ５０の主表面５１側からのエッチング処理を開始した後、シリコンウェハ５０に電位を付与しない状態すなわちシリコンウェハ５０への電位の印加を停止した状態でエッチング処理を継続する。
【００４７】
すると、図４（ｂ）に示すように、ＫＯＨ水溶液２０により、マスク６０の開口部６１から露出するシリコン酸化膜７０がエッチングされ除去される。このシリコン酸化膜７０のエッチングの終了と同時に、シリコンウェハ５０のシリコン部分が現れ、シリコンエッチングが開始される。
【００４８】
明確なメカニズムはわかっていないが、シリコン酸化膜７０のエッチングの終了と同時にシリコンをエッチングすることにより、シリコンエッチングの開始点は親水面となり、この親水面の形成により均一なシリコンエッチングが開始されると考えられる。
【００４９】
そして、シリコンウェハ５０は、一側の主表面５１側からエッチングされていき、最終的に、図４（ｃ）に示すように、上記凹部２が形成される。実際に、この凹部２の底面２ａすなわちエッチング面２ａは平滑性の高いものになる。
【００５０】
こうして、凹部２の形成に伴いダイアフラム３が形成され、さらに、シリコンウェハ５０からエッチングマスク６０をエッチング等により選択的に除去する等の工程を経ることによって、上記図１に示す半導体圧力センサＳ１を製造することができる。
【００５１】
エッチング面２ａの平滑性向上の具体例を図５に示す。図５は、ＫＯＨ水溶液２０の液温度を温度調整器３０により１１０℃に保持し、シリコンウェハ５０の被エッチング面に陽極酸化法により厚さ１ｎｍ程度のシリコン酸化膜７０を形成し、エッチング処理を行った場合の、エッチング面２ａの面粗さＲｚのＫＯＨ濃度依存性を示す図である。
【００５２】
図５に示すように、エッチング面２ａの面粗さＲｚは、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度に依存する。本例では、ＫＯＨ濃度が３９重量％以上４８重量％以下の範囲において面粗さＲｚが０．８μｍ未満となり、エッチング面２ａの平滑性は実用上問題のないレベルとなる。
【００５３】
なお、このレベルは、エッチング面の平滑性を比較的確保しやすい主表面の面方位指数が（１００）であるシリコン基板において、凹部およびダイアフラムを形成したときに実現されるレベルであり、ダイアフラム特性に問題ないレベルである。
【００５４】
さらに、シリコンウェハ５０に対して陽極酸化法によって上記図５と同様の厚さ１ｎｍ程度のシリコン酸化膜７０を形成し、エッチング処理を行うにあたって、エッチング条件すなわちＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度と液温度を変えたときの平滑化の効果を調べた。その結果を図６に示す。
【００５５】
図６に示すように、横軸にＫＯＨ濃度（重量％）、縦軸に液温度（℃）をとった直交座標系を設定した。また、図６中の斜線ハッチングで示す領域Ｒは、エッチング面２ａの面粗さＲｚ０．８μｍ未満を実現する範囲である。
【００５６】
ここで、領域Ｒにおいて、液温度の上限はＫＯＨ水溶液２０の沸点である。つまり、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度と液温度が領域Ｒ内の範囲にあれば、エッチング面２ａの面粗さＲｚを実用上問題のないレベルにすることができる。
【００５７】
したがって、本実施形態のエッチング方法においては、図６中の領域Ｒに示されるように、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度を３９重量％以上４８重量％以下の範囲とし、液温度を９０℃以上１４０℃以下の範囲に調整することが、エッチング面の平滑性を向上させるためには好ましい。
【００５８】
なお、ＫＯＨ濃度や液温度は、この条件に限定されるものではなく、エッチング部のサイズや寸法あるいはエッチング面の面粗さの仕様等により、これ以外の条件でエッチングを行ってもよいことは言うまでもない。
【００５９】
以上のように、本実施形態によれば、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いて従来よりもエッチング面の平滑性を向上させることのできるエッチング方法を提供することができる。
【００６０】
なお、本実施形態では、表面に酸化膜を形成したシリコン基板において、その表面が親水性を示すことを利用して、均一なエッチングを行い、その結果として平滑なエッチング面を得るようにしている。
【００６１】
このことから、エッチングに使用するシリコン基板の表面に、一般的な熱酸化や化学気相堆積法などを用いて、エッチング前に予め酸化膜を形成するようにしても、同様に、平滑なエッチング面が得られると考えられる。しかし、本実施形態では、エッチング前のシリコン基板に酸化膜を形成する工程を省略しても、エッチング液中で実施できる陽極酸化現象を用いることで、より簡便に酸化膜の形成が行える。
【００６２】
また、本実施形態によれば、上記エッチング方法、すなわちＫＯＨ水溶液２０に浸漬されたシリコンウェハ５０の主表面５１に陽極酸化法によりシリコン酸化膜７０を形成した状態で、シリコンウェハ５０をその主表面５１側からエッチング処理する方法により、半導体圧力センサＳ１を構成するシリコン基板１が形成される。
【００６３】
そして、このシリコン基板１は、被エッチング面である主表面５１が（１１０）面であるが、エッチング面（すなわち凹部２の底面２ａ）の面粗さＲｚが０．８μｍ未満を実現している。つまり、本実施形態のシリコン基板（半導体基板）１によれば、（１１０）面をＫＯＨエッチングした場合に従来では実現が難しかった平滑性に優れたエッチング面を実現することができる。
【００６４】
なお、上記エッチング方法では、陽極酸化法にてシリコン酸化膜７０が形成されたシリコンウェハ５０においてその主表面５１側からのエッチング処理を開始した後、シリコンウェハ５０に電位を付与しない状態でエッチング処理を継続していたが、このようにしてエッチング処理を開始した後も、シリコンウェハ５０に対してシリコン酸化膜７０を形成可能な電位を付与した状態でエッチング処理を継続する方法でもよい。
【００６５】
つまり、シリコンウェハ５０をＫＯＨ水溶液２０に浸漬してエッチング処理を行う間ずっと陽極酸化可能な電位をシリコンウェハ５０に付与し続けてもよい。この場合には、シリコンウェハ５０の主表面５１側ではシリコン酸化膜７０が形成されつつ同時にエッチングされていき、凹部２が形成できる。
【００６６】
この場合もシリコンウェハ５０の主表面５１側に形成されつづけるシリコン酸化膜７０によって、被エッチング面である主表面５１が親水性に保たれることが期待できる。そのために、エッチング速度の面内均一性が向上し、その結果、シリコンウェハ５０において平滑なエッチング面２ａが得られる。
【００６７】
この場合について、検証したところ、上記図５に示すエッチング面２ａの面粗さＲｚのＫＯＨ濃度依存性および上記図６に示すエッチング条件と同様の傾向が見られた。むしろ、上記図５に示す濃度範囲や図６に示す条件の範囲を含み、それらよりも広い範囲で、面粗さＲｚ０．８μｍ未満を実現した。
【００６８】
なお、この場合、最終的に凹部２の底面２ａの表層にシリコン酸化膜７０が残るが、面粗さＲｚに影響はない。また、最終的に残ったシリコン酸化膜７０は、エッチングマスク６０を除去する際に同時にエッチング等により除去するようにしてもよい。
【００６９】
（他の実施形態）
なお、上記図２に示す例では、陽極酸化は、直流電源２１０による電圧印加を行うものとしたが、この直流電源２１０の代わりにポテンショスタットを用い、参照電極を含めた３極法としてもよい。
【００７０】
また、本発明に用いるシリコン基板としては、エッチングされる主表面の面方位指数が（１１０）以外のものであっても良い。
【００７１】
また、本発明は圧力センサに限らず、加速度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等においてシリコン基板をＫＯＨ水溶液にてエッチングする場合に用いても有効なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体圧力センサの概略断面図である。
【図２】上記実施形態に係るエッチング方法に用いるエッチング装置の概略構成図である。
【図３】上記実施形態に用いるシリコン基板としてのシリコンウェハにエッチングマスクが形成された状態を示す構成図である。
【図４】図３に示すシリコンウェハのエッチングの進行状態を示す概略断面図である。
【図５】ＫＯＨ水溶液の液温度を１１０℃に保持し、シリコンウェハをエッチング処理した場合のエッチング面の面粗さＲｚのＫＯＨ濃度依存性を示す図である。
【図６】ＫＯＨ水溶液のＫＯＨ濃度と液温度を変えたときの平滑化の効果を調べた結果を示す図である。
【符号の説明】
２０…水酸化カリウム水溶液、５０…シリコン基板、
５１…シリコン基板の一側の主表面、７０…シリコン酸化膜。
Claims (5)
- 半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なう半導体基板のエッチング方法において、
前記半導体基板としてシリコン基板（５０）を用い、前記エッチング液として水酸化カリウム水溶液（２０）を用いて、
前記シリコン基板を前記水酸化カリウム水溶液に浸漬するとともに、前記シリコン基板を陽極として前記シリコン基板に電位を付与する陽極酸化法によって、前記シリコン基板の主表面（５１）に酸化膜（７０）を形成した状態で、前記シリコン基板の主表面側からのエッチング処理を開始することを特徴とする半導体基板のエッチング方法。 - 前記シリコン基板（５０）の主表面（５１）側からのエッチング処理を開始した後、前記シリコン基板に電位を付与しない状態で前記エッチング処理を継続することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板のエッチング方法。
- 前記シリコン基板（５０）の主表面（５１）側からのエッチング処理を開始し、その後も、前記シリコン基板に対して前記酸化膜（７０）を形成可能な電位を付与した状態で前記エッチング処理を継続することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板のエッチング方法。
- 前記水酸化カリウム水溶液（２０）のＫＯＨ濃度を３９重量％以上４８重量％以下の範囲とし、液温度を９０℃以上１４０℃以下の範囲に調整することにより、前記エッチング処理を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の半導体基板のエッチング方法。
- 前記シリコン基板（５０）として、前記主表面（５１）の面方位指数が（１１０）であるものを用いることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の半導体基板のエッチング方法。
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