JP2005175223A - シリコンウエハのエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 異方性エッチングによりダイアフラムを形成するにあたり、マスクパターンの開口面積に対するダイアフラムの面積を、従来よりも大きな面積にする。
【解決手段】 シリコンウエハに（１１０）シリコンウエハを用い、かつ、エッチング液に、水酸化テトラメチルアンモニウムを主成分とし、これにシリコンを単独で又は酸化剤と共に添加した水溶液を用いる。好ましくは、水溶液のｐＨを１０〜１３の範囲にする。
【選択図】図２

Description

この発明は、シリコンウエハのエッチング方法、より詳しくは、半導体圧力センサ等として用いられるダイアフラムを形成するのに使用して好適な、シリコンウエハのエッチング方法に関する。

従来から、シリコンチップ上に形成された圧力検出素子を用いて圧力を計測する半導体圧力センサが知られている。かような半導体圧力センサには、圧力により歪みや変位等を生じさせるダイアフラムが設けられている。このダイアフラムを製造する方法としては、単結晶シリコンウエハを部分的にエッチングすることにより凹部を形成する方法があり、その凹部の底部、すなわちエッチングにより薄膜化された部分がダイアフラムとして用いられる。

ダイアフラムを形成するために単結晶シリコンウエハを部分的にエッチングする技術に関し、強アルカリ性の水溶液を用いて、異方性エッチングを行うウェットエッチング技術が知られている。この強アルカリ性の水溶液としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液、エチレンジアミンとピロカテコールとの混合液（ＥＤＰ）、ヒドラジン等がある。

これらのエッチング液のなかでも、水酸化テトラメチルアンモニウム（以下、単に「ＴＭＡＨ」と略称することもある。）水溶液は、人体に有害ではなく取り扱いが容易であり、また、アルカリ金属イオンを含まないからこのアルカリ金属イオンによる悪影響のおそれがなく、更に、ポジレジストの現像液として使われているように、ダイアフラム製造のような半導体製造プロセスとの整合性に優れていることから、一般的に使われている。

また、かかる水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液に一定量以上のシリコンを溶解させた異方性エッチング液が公知である（特許文献１参照）。この特許文献１によれば、（１００）シリコンウエハに対して、濃度２０〜５０重量％のＴＭＡＨ水溶液に一定量以上のシリコンを溶解させたエッチング液を用いると、アルミニウムをほとんどエッチングせずにシリコンのみを選択的にエッチングできるという性質を有するとされている。そして、かかる性質による効果として、アルミニウム配線を形成した後の、ウエハプロセスの最終工程においてダイアフラムの形成加工を施す場合であっても、このアルミニウム配線がエッチングされないことから、簡易なプロセスでエッチングすることが可能になるとされている。つまり、水溶液中にシリコンを溶解させない従来法の場合は、シリコンウエハにエッチングを施して、このシリコンウエハにダイアフラムを形成した後でなければ、アルミニウム配線の形成が不可能であったのが、シリコンを溶解させた場合は、アルミニウム配線を形成した後のウエハプロセスの最終工程でダイアフラム形成加工を施すことが可能になるため、工程中のウエハ破損の危険性が小さくなる。

さらに、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液に一定量以上のシリコンと酸化剤を適量溶解させた異方性エッチング液が公知である（非特許文献１参照）。すなわち、この非特許文献１には、（１００）シリコンウエハに上述の異方性エッチング液でエッチングを行った場合、アルミニウムを腐食しないことが開示されている。
特許第３０２７０３０号 N.Fujitsuka et al, "Silicon Anisotropic Etching without Attacking Aluminum with Si and Oxidizing Agent Dissolved in TMAH Solution" Transducer '03, p.1667-1670

強アルカリ水溶液を用いたウェットエッチング技術は、異方性エッチングであるが故に、エッチングを施す単結晶シリコンの結晶方位に依存してエッチングが進行する。したがって、従来から一般に半導体デバイス用に用いられている（１００）シリコンウエハに、かかるウェットエッチングを行ってダイアフラムを作成すると、マスクパターンの開口面積に比べて、形成されるダイアフラムの面積が小さくなる。このことは、強アルカリ性のエッチング液として一般的に使われている水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液であっても変わりがなかった。したがって、近年、半導体圧力センサに求められている小型化や、高感度化に対しては、なお改善の余地が残されていた。

なお、半導体圧力センサ等のダイアフラムを製造する技術としては、前述したウェットエッチング技術の他に、ディープ反応性イオンエッチング（Deep-Reactive Ion Etching; ＤＲＩＥ）装置などを用いるドライエッチング技術がある。このＤＲＩＥ装置を用いれば、マスクパターンの開口から垂直方向にエッチングすることが可能であることから、マスクパターンと同等のダイアフラム面積が得られ、ウェットエッチング技術を用いて作成される半導体デバイス（圧力センサ等）に比べてデバイスの小型化、高感度化が可能になる。しかし、このようなＤＲＩＥ装置は高価であり、また、枚葉処理であるためスループットが小さいなどの問題がある。

そこで、この発明は、装置が安価で、かつ、バッチ処理が可能なウェットエッチング技術における上述の課題を有利に解決するもので、マスクパターンの開口面積に対するダイアフラムの面積を、従来よりも大きな面積にすることができ、これにより半導体圧力センサの小型化、高感度化への要請に応えることのできるシリコンウエハのエッチング方法を、そのエッチング方法を用いたダイアフラムの製造方法とともに提案することを目的とする。

この発明は、シリコンウエハに（１１０）シリコンウエハを用い、かつ、エッチング液に、水酸化テトラメチルアンモニウムを主成分とし、これにシリコンを単独で又は酸化剤と共に添加した水溶液を用いて、異方性エッチングを行うことを特徴とするシリコンウエハのエッチング方法である。

この発明のシリコンウエハのエッチング方法においては、酸化剤が、過硫酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、硝酸アンモニウムから選ばれる１種又は２種以上であることとすることができる。

また、この発明のシリコンウエハのエッチング方法においては、水溶液のｐＨが１０〜１３の範囲であることが好適である。

さらに、この発明のシリコンウエハのエッチング方法においては、水溶液における水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度が２０重量％未満であることが好適である。

また、この発明は、この発明のシリコンウエハのエッチング方法を用いて、シリコンウエハに異方性エッチングを行って凹部を形成することにより、その凹部の底部にダイアフラムを形成するダイアフラムの製造方法である。

この発明のシリコンウエハのエッチング方法は、（１１０）シリコンウエハを用い、かつ、エッチング液に、水酸化テトラメチルアンモニウムを主成分とし、これにシリコンを単独で又は酸化剤と共に添加した水溶液を用いる。これにより、（１１０）シリコンウエハ表面に対して垂直な面を持った凹部が得られる。そのため、従来と同一のエッチングマスク開口であっても、従来と比較して大きなダイアフラム面積が得られる。したがって、半導体圧力センサのようなデバイスの小型化や、そのセンサの高感度化などを達成することができる。また、この発明に従い、シリコンウエハに（１１０）シリコンウエハを用いる場合であっても、この発明で用いるエッチング液は、アルミニウムを腐食することがないので、アルミニウム配線を形成した後に、ダイアフラムを形成することが可能であり、プロセス中でのウエハの破損のおそれも小さくなる。

また、過硫酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、硝酸アンモニウムから選ばれる１種又は２種以上の酸化剤をエッチング液に添加することにより、エッチングされた面の表面性状がいっそう良好になる。

また、エッチング液たる水溶液のｐＨを１０〜１３の範囲にすることにより、（１１０）シリコンウエハ表面に対して垂直な面を持った凹部が得られるという効果を、この凹部の表面性状が良好な状態で得ることができる。

また、水溶液における水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度を２０重量％未満に調整することにより、水酸化テトラメチルアンモニウムの沈殿物を生じさせることなく、この発明の効果が十分に得られる量で溶解させることができ、また、水溶液の取り扱いが容易になる。

更に、この発明に従うシリコンウエハのエッチング方法を、ダイアフラムの形成に適用することにより、半導体圧力センサなどに用いるダイアフラムの小型化、高感度化が可能になる。

この発明のシリコンウエハのエッチング方法は、シリコンウエハに（１１０）シリコンウエハ、すなわち、単結晶シリコンインゴットをスライスして得られるウエハの表面が、シリコン結晶の（１１０）面になるウエハを用い、かつ、エッチング液に、水酸化テトラメチルアンモニウムを主成分とし、これにシリコンを単独で又は酸化剤と共に添加した水溶液を用いることを特徴とする。

この点、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液に一定量以上のシリコンを溶解させた異方性エッチング液、さらに酸化剤を溶解させたエッチング液そのものは公知である。しかしながら、従来の異方性エッチング技術では、このような異方性エッチング液を用いて、（１００）シリコンウエハをエッチングしていた。その理由は、一般的に半導体デバイスの製造においては、（１００）シリコンウエハを用いられることが多いからである。実際、従来知られている異方性エッチング特性は、（１００）シリコンウエハのエッチング特性について研究されたものである。そして、かような（１００）シリコンウエハを公知のエッチング液で異方性エッチングした場合、マスクパターンの開口面積に比べて、形成されるダイアフラムの面積が小さいのは、既に述べたとおりである。

これに対し、この発明では、シリコンウエハに（１１０）シリコンウエハを用いることを要件の一つとする。この（１１０）シリコンウエハに、水酸化テトラメチルアンモニウムを主成分とし、これにシリコンを単独で又は酸化剤と共に添加した水溶液でエッチングを行うと、シリコンウエハ表面に対して垂直な面を有する凹部が形成されるという、新規な知見に基づいて、この発明をするに至っている。また、この発明で用いるエッチング液は、（１１０）シリコンウエハ上に形成したアルミニウム配線を腐食しないという特性をも有している。

エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）を主成分とする水溶液とする。これは、水酸化テトラメチルアンモニウムが、ヒドラジンのように人体に有害ではなく、また、ＫＯＨのようにアルカリ金属イオン成分を含まずに取り扱い易く、半導体プロセスとの整合性にも優れているからである。

水溶液中における水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の割合は、２０重量％未満とすることが好ましい。水にＴＭＡＨを２０重量％以上で溶解させたときに、シリコンを後述する所定の割合以上に添加溶解させるのは困難であって、実用的でなく、また、水溶液の取り扱い性を低下させるおそれがあることから、好ましくは２０重量％以下とする。より好ましくは、５〜１５重量％の範囲であり、５重量％以上、１５重量％以下の添加で所期した効果が十分に得られる。

エッチング液である水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液には、シリコンを添加する。シリコンを添加することにより、保護膜を形成し（１１０）シリコンウエハを異方性エッチングする場合にアルミニウムのエッチング速度が低下することから、半導体圧力センサ等を製造するときにアルミニウム配線が腐食されることなく、シリコンのみを選択的にエッチングすることが可能となる。また、水溶液のｐＨ調整のために用いることもできる。かかる効果の観点から、シリコンの添加量は、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）に対して２０重量％以上とすることが好ましい。もっとも、大量に添加しても、アルミニウム配線の腐食防止効果は飽和するので、酸化剤の有無による水溶液のｐＨ等に応じて、２０重量％以上で適正量を添加する。

エッチング液である水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液には、シリコンの他に、酸化剤を添加することができる。この酸化剤を添加することにより、エッチングにより形成された凹部の表面性状を良好にすることができる。発明者の研究によれば、凹部の表面性状は、エッチング液のｐＨにより変化することから、後述するように水溶液のｐＨが所定の範囲になる量で酸化剤を添加する。また、この酸化剤には、過硫酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、硝酸アンモニウムから選ばれる１種又は２種以上を用いることができる、これらの酸化剤は、エッチング液に用いて好適な酸化剤であり、これらの酸化剤を用いることで、エッチングされた面の表面性状がいっそう良好になる。

エッチング液である水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液のｐＨが１０〜１３の範囲であることが、より好ましい。このようにエッチング液のｐＨを１０〜１３の範囲に調整することにより、シリコンウエハ表面に対して垂直な面を有する凹部が効果的に形成され、かつ、アルミニウムの腐食防止と、良好な表面性状を得ることとが、必要なエッチング速度を確保した上で達成できる。ｐＨ値が高い、すなわち強アルカリであるほど、エッチング速度は速くなるが、表面性状が劣化するおそれが高まり、逆にｐＨ値が低い、すなわち弱アルカリであるほど、アルミニウム腐食を防止でき、表面性状は良好になるが、エッチング速度が低下する。かかる特性を考慮して、ｐＨは１０〜１３の範囲にすることが好ましい。このような範囲へのｐＨ調整は、シリコンや酸化剤の添加量の調整により行うことができる。より好ましいｐＨの範囲は、１１〜１２である。

エッチング温度は、５０℃以上、好ましくは８０〜９０℃とする。５０℃未満の温度では、実用的なエッチング速度が得られないからであり、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の濃度にもよるが、８０〜９０℃の温度範囲で良好なエッチング速度が得られる。

図１にエッチング前の（１１０）シリコンウエハを模式的に示す。同図（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図であり、（１１０）シリコンウエハ１１の表面に、シリコン酸化膜１２を例えば熱酸化法により形成し、フォトリソグラフィ法によりこのシリコン酸化膜１２に開口を設けてある。このシリコン酸化膜１２がエッチングマスクとなり、シリコン酸化膜の開口から露出している（１１０）シリコンウエハ１１に対してエッチングを行うことで、ダイアフラムが製造される。

かかる（１１０）シリコンウエハ１１にウェットエッチングを行った。エッチング液としては、ＴＭＡＨの濃度が１０ｗｔ％である水溶液に、シリコン及び酸化剤として過硫酸アンモニウムをそれぞれ２．１％、１．０％を添加したエッチング液を用いた。かかるエッチング液のｐＨは、１１．５、エッチング温度は９０℃であった。

図２に、異方性エッチング後の（１１０）シリコンウエハ１１の要部を模式的に示す。同図では、エッチングが施されたシリコンウエハ１１のみを示している。平面図（同図（ａ）及びＡ−Ａ断面図（同図（ｂ））で示すように、エッチングにより形成された凹部は、Ａ−Ａ断面において、底面（（１１０）面）に対して垂直な側面（（１１０）面）が形成されている。

一方、比較例として、ＴＭＡＨの濃度が１０ｗｔ％である水溶液、つまりシリコン及び酸化剤を添加していない水溶液によりエッチングを行った。かかるエッチング液のｐＨは、１３、エッチング温度は９０℃であった。図３に、かかるエッチング前の（１１０）シリコンウエハ１１を模式的に示す。図１と同様に（１１０）シリコンウエハ１１の表面に、シリコン酸化膜１２を例えば熱酸化法により形成し、フォトリソグラフィ法によりこのシリコン酸化膜１２に開口を設けてある。

図４に、かかるシリコン及び酸化剤を添加しないＴＭＡＨ水溶液によりエッチングを行った後の（１１０）シリコンウエハ１１の要部を模式的に示す。同図では、図２同様に異方性エッチングが施されたシリコンウエハ１１のみを示しており、平面図（同図（ａ）及びＡ−Ａ断面図（同図（ｂ）で示すように、エッチングにより形成された凹部は、Ａ−Ａ断面において、底面（（１１０）面）に対して斜面（（１１１）面）になる側面が形成されている。

ダイアフラムには、エッチングにより形成された底面部を用いるのであるから、図２と図４との対比により、同一面積の開口に対してエッチングを行ったとき、この発明に従うエッチング法によれば、比較例に比べて、面積が大きい底面部すなわち、ダイアフラムが得られることが分かる。また、この発明に従うエッチング液は、アルミニウム配線を侵食しなかった。

エッチング前の（１１０）シリコンウエハを示す平面図である。 エッチング後の（１１０）シリコンウエハの説明図である。 エッチング前の（１１０）シリコンウエハを示す平面図である。 エッチング後の（１１０）シリコンウエハの説明図である。

符号の説明

１１ シリコン
１２ シリコン酸化膜

Claims (5)

1. シリコンウエハに（１１０）シリコンウエハを用い、かつ、
   エッチング液に、水酸化テトラメチルアンモニウムを主成分とし、これにシリコンを単独で又は酸化剤と共に添加した水溶液を用いて、異方性エッチングを行うことを特徴とするシリコンウエハのエッチング方法。
2. 酸化剤が、過硫酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、硝酸アンモニウムから選ばれる１種又は２種以上である請求項１記載のシリコンウエハのエッチング方法。
3. 水溶液のｐＨが１０〜１３の範囲である請求項１又は２記載のシリコンウエハのエッチング方法。
4. 水溶液における水酸化テトラメチルアンモニウムの濃度が２０重量％未満である請求項１〜３から選ばれるいずれか１項記載のシリコンウエハのエッチング方法。
5. 請求項１〜４から選ばれるいずれか１項記載のシリコンウエハのエッチング方法を用いて、シリコンウエハに異方性エッチングを行って凹部を形成することにより、その凹部の底部にダイアフラムを形成することを特徴とするダイアフラムの製造方法。

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