JP2008135783A

JP2008135783A - シリコン基板

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Publication number: JP2008135783A
Application number: JP2008035228A
Authority: JP
Inventors: Tomoyasu Aoshima; 知保青島
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2008-06-12

Abstract

【課題】シリコン基板を選択的に且つ異方的にウェットエッチングする際にエッチング形状の悪化やエッチングマスクの亀裂を防ぐ。
【解決手段】シリコン基板１０の一方の主面に酸化シリコン膜１４を熱酸化法により形成した後、膜１４の上に窒化シリコン膜１６をＣＶＤ法により形成する。膜１４，１６の積層を選択的にドライエッチングしてマスク開口部２２を形成し、該積層の残存部をエッチングマスク２４として残す。マスク２４を用い且つＴＭＡＨ等のアルカリエッチング液を用いて基板１０を選択的に且つ異方的にエッチングして基板開口部１０Ａを形成する。膜１４の厚さ／膜１６の厚さの比を１．２５以上、３．２１以内にすることで開口内壁部１０ａのエッチング形状が悪化したり、エッチングマスク２４に亀裂が生じたりするのを防げる。膜１６には、マスク開口部２２に加わる膜応力を緩和するための溝１６Ａを設けてもよい。
【選択図】図４

Description

この発明は、エッチングマスクとなる窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜を備えたシリコン基板に関するものである。

従来、この種のウェットエッチング方法において、アルカリエッチング液の浸透を防ぐ目的で、酸化シリコン膜に窒化シリコン膜を重ねた積層（以下、窒化シリコン／酸化シリコン積層と称する）をエッチングマスクとして用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１１４２４８号公報

上記した従来技術によると、エッチングマスクとしての窒化シリコン／酸化シリコン積層に矩形状のマスク開口部を設けてウェットエッチングを行った場合、エッチングされるシリコン領域が所望とする形状にならなかったり、窒化シリコン／酸化シリコン積層に亀裂が生じたりすることが発明者の研究により判明した。

図９，１０は、発明者の研究に係るシリコンウェットエッチング方法に示すものである。

図９の工程では、単結晶シリコンからなるシリコン基板１の一方の主面にエッチングマスク５を形成する。基板１の他方の主面には、エッチングストッパ膜２が形成されている。エッチングマスク５を形成する際には、基板表面に熱酸化法により酸化シリコン膜３を形成した後、酸化シリコン膜３に重ねてＣＶＤ（ケミカル・ベーパー・デポジション）法により窒化シリコン膜４を形成する。そして、膜３，４からなる窒化シリコン／酸化シリコン積層に選択的ドライエッチング処理を施して矩形状のマスク開口部４Ａを形成し、窒化シリコン／酸化シリコン積層の残存部からなるエッチングマスク５を形成する。

図１０の工程では、マスク開口部４Ａを有するエッチングマスク５を用い且つＴＭＡＨ（テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドロキシサイド）等のアルカリエッチング液を用いて基板１をエッチングストッパ膜２に達するまで選択的に且つ異方的にエッチングして基板開口部１Ａを形成する。

図１１は、図１０の基板１を上面から見た図であり、図１１のＸ−Ｘ’線断面が図１０の断面に相当する。エッチングマスク５において膜応力によりマスク開口部４Ａの開口内壁部４ａが内方に湾曲したり、膜応力が基板１に作用したりするため、基板開口部１Ａの開口内壁部１ａが内方に湾曲する形状異常Ｂが生ずる。膜応力が強い場合には、エッチングマスク５（特に窒化シリコン膜４）に亀裂が走る亀裂異常Ａが生ずる。

この発明の目的は、上記したような異常Ａ，Ｂの発生を防止することにある。

この発明に係るシリコン基板は、一方の主面に酸化シリコン膜を介して窒化シリコン膜が形成され、この酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の積層を選択的にエッチングして該積層の一部にマスク開口部を形成することで該積層の残存部からなるエッチングマスクとする前、又は後のシリコン基板であって、前記酸化シリコン膜の厚さＴ_O、及び前記窒化シリコン膜の厚さＴ_Nとしたときに、膜厚比Ｔ_O／Ｔ_Nが１．２５〜３．２１の範囲内であることを特徴とする。

本発明のシリコン基板によれば、エッチングマスクを構成する窒化シリコン／酸化シリコン積層において、酸化シリコン膜の厚さＴ_O及び窒化シリコン膜の厚さＴ_Nを膜厚比Ｔ_O／Ｔ_Nが１．２５〜３．２１の範囲内の値となるように設定したので、積層全体の膜応力のバランスが良好となり、上記したような形状異常や亀裂異常を防止することができる。

前記酸化シリコン膜の厚さは、３５０ｎｍ以上、４５０ｎｍ以下とすることができる。また、前記窒化シリコン膜の厚さは、１４０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下とすることができる。

また、本発明のシリコン基板は、一方の主面に酸化シリコン膜を介して窒化シリコン膜が形成され、この酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の積層を選択的にエッチングして該積層の一部にマスク開口部を形成することで該積層の残存部からなるエッチングマスクとする前、又は後のシリコン基板であって、前記マスク開口部に加わる膜応力を緩和するために、前記窒化シリコン膜の一部に膜応力緩和溝が形成されていることを特徴とする。

この本発明のシリコン基板によれば、エッチングマスクを構成する窒化シリコン／酸化シリコン積層において、窒化シリコン膜の一部に膜応力緩和溝を設けたので、マスク開口部やシリコン基板に加わる膜応力が緩和され、上記したような形状異常や亀裂異常を防止することができる。膜応力緩和溝は、マスク開口部を取囲むように１又は複数形成するのが実用上好ましい。

このシリコン基板は、前記エッチングマスクを用いて、選択的に且つ異方的にエッチングされたものとすることもできる。また、本発明に係るシリコン基板は、前記マスク開口部が、所定のダイアフラムに対応して矩形状に形成され、前記膜応力緩和溝が、前記マスク開口部を取囲むように、少なくとも前記マスク開口部の角部の近傍に形成されたものとすることもできる。

この発明によれば、アルカリエッチング液を用いてシリコン基板を選択的に且つ異方的にエッチングする際に、エッチングマスクを構成する窒化シリコン／酸化シリコン積層において、酸化シリコン膜の厚さＴ_O及び窒化シリコン膜の厚さＴ_Nを膜厚比Ｔ_O／Ｔ_Nが１．２５〜３．２１の範囲内となるように設定したり、窒化シリコン膜の一部に膜応力緩和溝を設けたりしたので、膜応力に起因してエッチング形状が悪化したり、エッチングマスクに亀裂が生じたりするのを防止できる効果が得られる。

図１〜４は、この発明の一実施形態に係るウェットエッチング方法を示すものである。

図１の工程では、単結晶シリコンからなるシリコン基板１０の一方の主面に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１４及び窒化シリコン（ＳｉＮ）膜１６の積層からなるエッチングマスク材層を形成する。基板１０の他方の主面には、例えばＳｉＮ等のエッチングストッパ膜１２が形成されている。

エッチングマスク材層を形成する際には、例えば熱酸化法によりＳｉＯ₂膜１４を形成した後、ＳｉＯ₂膜１４の上に減圧ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜１６を形成する。ＳｉＯ₂膜１４を形成するための熱酸化処理において、処理条件は、一例として、
ガス流量：Ｎ₂／Ｏ₂＝１８／１０［ｌ／ｍｉｎ］
基板温度：１０２５［℃］
とすることができる。また、ＳｉＮ膜１６を形成するための減圧ＣＶＤ処理において、処理条件は、一例として、
ガス流量：ＳｉＨ₂Ｃ_l2／ＮＨ₃（又はＮＨ₃＋Ｎ₂）＝０．０５〜６／０．５〜６［ｌ／ｍｉｎ］
反応室内圧力：６０［Ｐａ］
基板温度：７００〜８００［℃］
とすることができる。

図２の工程では、レジスト層１８をマスクとする選択的ドライエッチング処理によりＳｉＮ膜１６の一部に図５に示すような平面パターンで膜応力緩和溝１６Ａを形成する。図５に示す溝１６Ａの平面パターンは、約半分のパターンを示したもので、全体としては、所定の矩形領域を取囲むパターンになっている。

ドライエッチング処理において、平行平板型プラズマエッチング方式を用いた場合、処理条件は、一例として、
使用ガス：ＳＦ₆／Ｈｅ
反応室内圧力：０．５０［Ｔｏｒｒ］付近
とすることができる。また、ダウンフロー方式を用いた場合には、処理条件は、一例として、
使用ガス：ＳＦ₆／Ｈｅ
反応室内圧力：０．２０［Ｔｏｒｒ］付近
とすることができる。ドライエッチング処理の後は、レジスト層１８を周知の方法により除去する。

図３の工程では、レジスト層２０をマスクとする選択的ドライエッチング処理によりＳｉＯ₂膜１４及びＳｉＮ膜１６の積層（窒化シリコン／酸化シリコン積層）の一部に図５に示すような矩形状の平面パターンでマスク開口部２２を形成し、膜１４，１６の積層の残存部をエッチングマスク２４として残す。マスク開口部２２は、所望のダイアフラムに対応したもので、一例として溝１６Ａで取囲まれた矩形領域内に該矩形領域と４辺が平行になるように配置される。

ドライエッチング処理において、平行平板型プラズマエッチング方式を用いた場合、処理条件は、一例として、
使用ガス：ＣＦ₄／Ｏ₂
反応室内圧力：１．０［Ｔｏｒｒ］付近
とすることができる。また、マグネトロン型ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）方式を用いた場合、処理条件は、一例として、
使用ガス：ＣＦ₄／ＣＨＦ₃／Ｎ₂
反応室内圧力：０．２５［Ｔｏｒｒ］付近
とすることができる。さらに、狭電極ＲＩＥ方式を用いた場合、処理条件は、一例として、
使用ガス：ＣＦ₄／ＣＨＦ₃／Ｈｅ
反応室内圧力：０．１５［Ｔｏｒｒ］付近
とすることができる。ドライエッチング処理の後は、周知の方法によりレジスト層２０を除去する。なお、図３の選択的ドライエッチング処理は、図２の選択的ドライエッチング処理の前に行うようにしてもよい。

図４の工程では、エッチングマスク２４を用い且つアルカリエッチング液を用いて基板１０を選択的に且つ異方的にエッチングして基板開口部１０Ａを形成する。基板開口部１０Ａは、エッチングストッパ膜１２に達するように形成してもよいし、あるいは破線１０Ｓで示すようにエッチングストッパ膜１２上に所定の厚さのシリコン領域を残すように形成してもよい。

アルカリエッチング液としては、ＴＭＡＨ又はＫＯＨ（水酸化カリウム）を用いることができ、いずれも濃度は２５［％］前後、液温は９０［℃］前後とすることができる。濃度が高くなると、シリコンのエッチング面の荒れが大きくなるので、濃度は若干薄い方が好ましい。しかし、濃度が薄くなるすぎると、エッチングレートが低下し、処理時間が長くなる。

次の表１は、図４の工程においてエッチング液として濃度２２［％］、液温９０［℃］のＴＭＡＨを用いて１５時間のウェットエッチングを行ったときの各サンプル毎の異常Ａ、Ｂ（図１１参照）の有無を示すものである。

表１においては、各サンプル毎にＳｉＮ膜１６の厚さＴ_N［ｎｍ］、ＳｉＯ₂膜１４の厚さＴ_O［ｎｍ］、合計厚さＴ＝Ｔ_O＋Ｔ_N、膜厚比Ｒ＝Ｔ_O／Ｔ_Nが示されている。また、○印は異常なしを、×印は異常ありを、△印は製品の性能に影響しない程度の若干の異常ありをそれぞれ

表１によれば、膜厚比Ｒとしては、１．２５以上が必要であり、これより小さいと不具合が必ず発生することがわかる。Ｒ＝１．４５では、異常Ａが若干認められるものの、製品の性能上は問題がなく、実用可能である。Ｒ＝１．６０〜３．２１の範囲では、不良や不具合が認められない。Ｒが３．２１より大きくなると、ＳｉＯ₂膜１４の形成時間が長くなり、コスト上で不利となる。従って、１．２５（好ましくは１．６０）≦Ｒ≦３．２１の範囲内でＲを設定するのが望ましい。

ＳｉＯ₂膜１４の厚さＴ_Oについては、Ｔ_Oが小さいと、Ｔ_Nが一定ならば、Ｒが小さくなり、好ましくない。また、Ｔ_Oが小さいと、基板１０への応力緩和が十分でなく、異常Ｂの発生を招く。Ｔ_Oが大きいと、成膜時間が長くなり、コスト上で不利となる。従って、３５０［ｎｍ］≦Ｔ_O≦４５０［ｎｍ］の範囲内でＴ_Oを設定するのが望ましい。

ＳｉＮ膜１６の厚さＴ_Nについては、Ｔ_Nが３００［ｎｍ］より大きいと、異常Ａが発生しやすいので、薄い方が好ましい。Ｔ_Nが１４０［ｎｍ］より小さいと、ＳｉＯ₂膜１４も薄くする必要があり、問題発生の可能性が高くなると推測される。従って、１４０［ｎｍ］≦Ｔ_N≦３００［ｎｍ］の範囲内でＴ_Nを設定するのが好ましく、生産性やコストも考慮すると、１７０［ｎｍ］≦Ｔ_N≦２８０［ｎｍ］の範囲内でＴ_Nを設定するのが好ましい。

図４，５には、異常Ａ，Ｂが発生しなかった場合の基板開口部１０Ａ及びエッチングマスク２４を示す。ＳｉＮ膜１６には、亀裂異常Ａが発生していない。また、マスク開口部２２の開口内壁部２２ａや基板開口部１０Ａの開口内壁部１０ａについても、内方に湾曲する形状異常Ｂが発生していない。

上記した実施形態において、基板開口部１０Ａの面積が小さいときは、膜応力のバランスが良好であるため、膜応力緩和溝１６Ａを省略することができる。すなわち、図１の工程の後、図２の工程を省略して図３の工程に移ることができる。この場合は、ＳｉＯ₂膜１４の厚さＴ_OとＳｉＮ膜１６の厚さＴ_Nとの比Ｔ_O／Ｔ_Nが１．２５以上となるようにＳｉＯ₂膜１４及びＳｉＮ膜１６の厚さを設定することで異常Ａ，Ｂを防止することになる。

図６〜８は、膜応力緩和溝の第１〜第３の変形例を示すものである。これらの図において、図１〜５と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６の例は、スクライブ領域２６に取囲まれた矩形状のシリコン領域において基板開口部１０Ａを取囲むように且つ基板開口部１０Ａと４辺が非平行となるように矩形状の膜応力緩和溝１６ＡをＳｉＮ膜１６に形成したものである。溝１６Ａの幅Ｗは、１０［μｍ］以上とし、基板開口部１０Ａの１つの角部と溝１６Ａの一辺との間の間隔Ｄは、１００［μｍ］以上とすることができる。

図７の例は、基板開口部１０Ａを取囲むように円環状の膜応力緩和溝１６Ａを形成したものである。また、図８の例は、基板開口部１０Ａを取囲むように且つ基板開口部１０Ａの４つの角部にそれぞれ対応して４つの膜応力緩和溝１６Ａ〜１６Ｄを形成したものである。

図６〜８のいずれの例においても、基板開口部１０Ａの４つの角部の近傍には膜応力緩和溝が存在するので、角部への膜応力の集中を抑制することができる。

本発明は、エッチングマスクを用いて、選択的に、且つ異方的にエッチングされるシリコン基板に好適である。

この発明の一実施形態に係るウェットエッチング方法におけるエッチングマスク材層形成工程を示す断面図である。図１の工程に続く膜応力緩和溝形成工程を示す断面図である。図２の工程に続くエッチングマスク形成工程を示す断面図である。図３の工程に続くエッチング工程を示す断面図である。図４の基板の上面図である。膜応力緩和溝の第１の変形例を示す上面図である。膜応力緩和溝の第２の変形例を示す上面図である。膜応力緩和溝の第３の変形例を示す上面図である。発明者の研究に係るウェットエッチング方法におけるエッチングマスク形成工程を示す断面図である。図９の工程に続くエッチング工程を示す断面図である。図１０の基板の上面図である。

符号の説明

１０シリコン基板
１０Ａ基板開口部
１０ａ開口内壁部
１２エッチングストッパ膜
１４ＳｉＯ₂膜
１６ＳｉＮ膜
１６Ａ〜１６Ｄ膜応力緩和溝
１８，２０レジスト層
２２マスク開口部
２４エッチングマスク

Claims

一方の主面に酸化シリコン膜を介して窒化シリコン膜が形成されたシリコン基板であって、
前記酸化シリコン膜及び酸化シリコンの積層は、選択的なエッチングによって該積層の一部にマスク開口部が形成されることにより、該積層の残存部がエッチングマスクとなるものであって、
前記積層は、前記酸化シリコン膜の厚さＴ_O、及び前記窒化シリコン膜の厚さＴ_Nとしたときに、膜厚比Ｔ_O／Ｔ_Nが１．２５〜３．２１の範囲内であるシリコン基板。
一方の主面に酸化シリコン膜を介して窒化シリコン膜が形成されたシリコン基板であって、
前記酸化シリコン膜及び酸化シリコンの積層は、選択的なエッチングによって該積層の一部にマスク開口部が形成されたことにより、該積層の残存部をエッチングマスクとしたものであって、
前記積層は、前記酸化シリコン膜の厚さＴ_O、及び前記窒化シリコン膜の厚さＴ_Nとしたときに、膜厚比Ｔ_O／Ｔ_Nが１．２５〜３．２１の範囲内であるシリコン基板。
一方の主面に酸化シリコン膜を介して窒化シリコン膜が形成されたシリコン基板であって、
前記酸化シリコン膜及び酸化シリコンの積層は、選択的なエッチングによって該積層の一部にマスク開口部が形成されることにより、該積層の残存部がエッチングマスクとなるものであって、
前記マスク開口部に加わる膜応力を緩和するために、前記窒化シリコン膜の一部に膜応力緩和溝が形成されているシリコン基板。
一方の主面に酸化シリコン膜を介して窒化シリコン膜が形成されたシリコン基板であって、
前記酸化シリコン膜及び酸化シリコンの積層は、選択的なエッチングによって該積層の一部にマスク開口部が形成されたことにより、該積層の残存部をエッチングマスクとしたものであって、
前記マスク開口部に加わる膜応力を緩和するために、前記窒化シリコン膜の一部に膜応力緩和溝が形成されているシリコン基板。
前記エッチングマスクを用いて、選択的に且つ異方的に、基板自体がエッチングされている請求項２または４記載のシリコン基板。
前記膜応力緩和溝は、前記マスク開口部を取囲むように１又は複数形成されている請求項３から５のいずれかの項に記載のシリコン基板。
前記マスク開口部は、所定のダイアフラムに対応して矩形状に形成され、
前記膜応力緩和溝は、前記マスク開口部を取囲むように、少なくとも前記マスク開口部の角部の近傍に形成されている請求項３から６のいずれかの項に記載のシリコン基板。
前記一方の主面とは反対側となる他方の主面には、エッチングストッパ膜が形成されている請求項１から７のいずれかの項に記載のシリコン基板。