JP2008541468A - 均一な化学エッチングの方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転するウェーハの上にエッチング液（１１）を供給して、エッチングを行うためのシリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）の表面層（２１）を少なくとも１つ有するウェーハ（２０）を湿式化学エッチングする方法であって、当該ウェーハの中心から所定の距離に固定された位置からエッチング液（１１）を供給する第一エッチング工程、および当該エッチング液（１１）を、当該ウェーハの中心から当該ウェーハの半径（Ｒ）よりも短い最長距離にわたって、半径方向に供給する第二エッチング工程を含むことを特徴とする方法に関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ｓＳＯＩ（歪みシリコンオンインシュレーター）またはＳＧＯＩ（シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）オンインシュレーター）タイプのウェーハの製造において特に行われる、ウェーハの表面層の選択化学エッチングに関する。

前記のタイプのウェーハを作製するための技術は多数存在する。ｓＳＯＩまたはＳＧＯＩタイプのウェーハの現在最も有効な製造方法の一例としては、所望のヘテロ構造を作製するために、スマートカット（登録商標）技術により、絶縁性支持体（例えば、シリコン基板上のＳｉＯ₂層）に、歪みシリコン（ｓＳｉ）または緩和ＳｉＧｅを転写することによって、歪みシリコン（ｓＳｉ）または緩和ＳｉＧｅの活性層を製造することが挙げられる。このような製造技術の具体例は、米国特許出願公開２００４／０５３４７７号明細書および国際公開第２００４／００６３１１号パンフレットに記載されている。

前記ウェーハの仕上げ工程には、該シリコン層の“レシーバー”基板への転写および“ドナー”基板からの脱離の後に該シリコン層上に存在する層を除去するための、選択エッチングと、必要に応じて行う化学機械研磨とが含まれている。

ここで用いられる「選択エッチング」の用語は、化学溶液の組成を調整することにより、隣接する層（例えば、歪みシリコン；停止層と呼ばれている）を攻撃することなく所定の材料の上層（例えば、ＳｉＧｅ層）を、選択的に除去することができる、化学的アタック方法を意味する。

歪みシリコン活性層は、薄い（２００オングストローム（Å）のオーダー）ため、高い精度で前記層の厚さと最終的な表面品質を制御できることが重要である。この場合には、通常用いられている選択エッチング手順を最適化することが必要条件となっている。

（ウェーハをまとめてではなく、一枚一枚加工することから）「枚葉」方式と呼ばれる通常の方法に関し、選択エッチングは、ウェーハを回転させながら、ウェーハの中心から半径の全長の±４０％にわたって移動する供給ノズルを介して、ウェーハの表面に直接化学溶液（ＣＨ₃ＣＯＯＨ／Ｈ₂Ｏ₂／ＨＦ混合物）を供給することによって行われるが、これにより、不均一なエッチング、つまり、ウェーハの中央部が、端部よりも深くエッチングされること（この種のエッチングについての「エッジスロー(edge-slow)」という用語に特徴付けられる現象）が生じる。

同様に、選択エッチングの前に行われる、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）による研磨は、研磨および選択エッチング後のＳｉＧｅウェーハの表面品質を示す図１および図２が示すように、ウェーハの端部よりも中央部をよりエッチングする傾向にある。図１では、ＳｉＧｅ層１が、研磨のみの後に既に、“皿状に凹んだ”形の表面（Ｓ_AP）を有しており、続く選択エッチングにより、皿状の凹みがより大きくなっている（Ｓ_AG）。図２は、ＳｉＧｅ層の端部に比べ中央部が過度にエッチングされた状態を示す。

ウェーハが、ＳｉＧｅ表面層の下の歪みシリコンｓＳｉ層を含む場合、（直接または研磨の後行われる）エッチングの均一性が欠如していると、ＳｉＧｅ残渣をウェーハの端部に残しつつ、ウェーハの中央部でＳｉＧｅ層の下に位置するｓＳｉ層を、過度にエッチングすることになる。よって、ＣＭＰと選択エッチング工程の連続実施、または選択エッチングのみでは、直接、露出したｓＳｉ層の十分な厚み均一性と粗さを得ることができないことが理解される。この均一性の欠如は、直径の大きい、例えば、３００ミリメートル（ｍｍ）直径のウェーハなどにおいて特に顕著である。
米国特許出願公開２００４／０５３４７７号明細書 国際公開第２００４／００６３１１号パンフレット

本発明は、上記で述べた欠点を克服し、ウェーハ中央部の過度のエッチングを制限しつつ、エッジスロー型のエッチングによるウェーハ端部効果を補完して、ＳｉＧｅ層の均一なエッチングを達成できる解決手段を提供することを目的とする。

当該目的は、回転するウェーハの上にエッチング液を供給して、エッチングを行うためのシリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）の表面層を少なくとも１つ有するウェーハを湿式化学エッチングする方法であって、ウェーハの中心から所定の距離に固定された位置からエッチング液を供給する第一エッチング工程、および当該エッチング液を、ウェーハの中心から当該ウェーハの半径よりも短い最長距離にわたって、半径方向に供給する第二エッチング工程を含むことを特徴とする方法により達成される。

このように、本発明の方法は、ウェーハの中心から所定の距離に固定された位置からエッチング液を供給する追加の工程を採用することによって、ウェーハの端部での弱いエッチング効果を補完することにより、エッジスロー型のエッチングの影響を除くことができる。これは、ＳｉＧｅ層の均一な化学エッチング法を提供するだけでなく、ウェーハの全体にわたって表面の親水性を維持でき、これにより、例えば、ｓＳｉ層（疎水性）の上にＳｉＧｅ層（親水性）がある場合などにおいて、ウェーハの中央部でのスタッド（stud）の形成を回避することもできる。

ＳｉＧｅ層の下に歪みシリコン層を有するウェーハの場合では、第一エッチング工程において、ウェーハの半径の約５０％の距離に固定された位置から、エッチング液を供給してもよく、第二エッチング工程では、ウェーハの半径の約４０％に相当する最長距離にわたってエッチング液を供給してもよい。

第一および第二エッチング工程でのエッチング時間は、以下の関数として決定される。
− エッチングすべきＳｉＧｅの初期厚さ
− 第一エッチング工程でエッチングすべき、ウェーハの中央部の厚さと比べた端部の厚さ
− 第二エッチング工程でエッチングすべき、ウェーハの端部の厚さと比べた中央部の厚さ

ウェーハの回転速度は、４００回転／分（ｒｐｍ）〜２０００ｒｐｍの範囲であってよく、好ましくは、１０００ｒｐｍである。

第一エッチング工程のエッチング時間は、第二エッチング工程のエッチング時間より約４倍短くてよい。

当該方法は、エッチング工程の前に行う、ＳｉＧｅの表面層を化学機械研磨する工程をさらに含んでいてもよい。この場合、第一エッチング工程のエッチング時間は、第二エッチング工程のエッチング時間より約３．２倍短くてよい。

本発明のエッチング方法は、通常、シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層のエッチングに適用することができる。当該エッチング方法は、
− ＳｉＧｅ層を完全にエッチングして、ＳＳＯＩ型構造体の製造の際に歪みシリコン層などの下部の層を可能な限り均一に露出させるために；これは、選択エッチングとして知られている、または
− ＳｉＧｅ層を部分的にエッチングして、例えば、ＳｉＧｅ層の表面粗さを減少させるために、
使用してよい。

図３は、歪みシリコン層に関し、ＳｉＧｅ層の選択エッチングに適用した本発明のエッチング方法の一態様の概要を示す図である。本発明においては、枚葉式装置が用いられ、当該枚葉式装置において、歪みシリコン層２２の上にＳｉＧｅの表面層２１を有する半径がＲの１枚のウェーハ２０上に、エッチング液１１を直接供給することにより、選択エッチングが行われ、エッチング液は、回転するウェーハ２０上にノズル１０を介して供給される。ウェーハ２０の上方で、半径方向Ｄ_Rにノズルを移動させることができる装置（図示せず）に、ノズル１０は接続されている。エッチング液１１は、例えば、酢酸（ＣＨ₃ＣＯＯＨ）、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）、およびフッ化水素酸（ＨＦ）の公知の混合物により構成する。

本発明のエッチング方法の目的は、ウェーハの端部でエッチングの度合いが小さいことを補正することができ、ウェーハの中央部で起こる過度のエッチングを最小化することができるエッジファスト（edge-fast）（端部高速）型のエッチング工程を補完的に追加することによって、エッジスロー（端部低速）型エッチングを補完することにある。

エッジファスト型エッチングのパラメータを最適化するために、化学アタック液を供給するノズルの位置に関する試験を行った。これらの試験は、図３に示すような、歪みシリコン活性層の上に位置するＳｉＧｅ層の選択エッチングについて行われた。

図４は、２つのポジションタイプにおける、ウェーハの垂直上方に位置するエッチング液供給ノズル（図３）の移動プロファイルを示すものである。一方のタイプは、位置が固定されたタイプであり、他方のタイプは、ウェーハの半径方向に沿ってノズルが移動し、ノズルが、ウェーハ中央部から一方および他方へ等しい距離移動できるように、ウェーハの中央部に対して振動運動しているタイプである。図に示された速度は、ノズルの半径方向の最大の移動速度、この場合１３０ミリメートル毎秒（ｍｍ／秒）、の百分率に対応している。

固定位置の場合、ノズルは、中心からウェーハの半径の５０％の地点、または８０％の地点に位置している。

移動する場合は、ノズルは、ウェーハの中心点を中心として、半径の±４０％の振幅で運動するか、ウェーハの中心点から半径の６５％の地点を中心として、ウェーハの半径の５０％〜８０％の間の移動となるように、±１５％の振幅で運動する。

アームの動作がウェーハの中心から外れていた場合の選択エッチング後に得られた結果は、ウェーハの中央部において最終的な歪みシリコン層が、端部ほどエッチングされておらず、そのため、歪みシリコンが「スタッド」形状を示した。中心から外れた位置または動作のウェーハ上方の供給ノズルについては、歪みシリコン層が露出した際は、歪みシリコン層の疎水性によって、エッチング液のウェーハ中央部への拡散が防止されるため、ノズルから撒かれるエッチング液は、もはやウェーハの中央部に到達することができない。このことから、歪みシリコン層、または他の疎水性層を露出するためにＳｉＧｅ層を選択エッチングする場合には、エッジファスト型のエッチング工程を、供給ノズルの運動がウェーハの中心にあるエッジスロー型のエッチング工程の前に実施する。

次いで、ＳｉＧｅ−歪みシリコンウェーハ（ウェーハ直径３００ｍｍ）の表面のエッチング速度を、上述の供給ノズルの種々の位置の関数として決定した。それらを図５に示す。図５の上部に示された曲線は、研磨後選択エッチング前のＳｉＧｅ−歪みシリコンウェーハの初期プロファイルに相当する。

図５に示した分析結果では、ノズルが中心から外れる場合には、ノズル位置が半径の５０％の地点に固定されて、厚さの変化が中心から端部まで規則的となっている場合を除き、厚さは、概して、好ましくないように波打っている。ノズルが、中心から半径の±４０％で振動する場合には、ノズル位置が半径の５０％の地点に固定された場合と正反対の結果となっている。

曲線の解析結果では、供給ノズルが他の位置にある場合（すなわち、ノズルが、半径の８０％の地点に固定された場合、または半径の５０％〜８０％を移動する場合）、ウェーハの中央部でエッチングが非常に遅いかまたはエッチングされておらず、ノズル位置、即ち端部でエッチングが非常に速く起こることにより、隆起形状が生成した。

これらの観察結果は、本発明のエッチング方法、すなわち、エッジファスト型エッチング（すなわち、ウェーハの中心から離れた位置よりエッチング液を供給してウェーハの端部のエッチングを促進する）と、エッジスロー型エッチング（すなわち、ウェーハの中心からエッチング液を供給する）とを適切に組み合わせて、エッチングの均一性を向上させ、ＳｉＧｅ−歪みシリコンウェーハの選択エッチングの場合には、エッジスロー型エッチングの前にエッジファスト型エッチングを実施して表面の親水性を保ち、ウェーハの中央部での歪みシリコンの隆起形状を生成させないエッチング方法、の根拠をなすものである。

上記実施した試験、すなわち、直径３００ｍｍのＳｉＧｅ−歪みシリコンウェーハの試験について、枚葉式装置（図３）は、エッジファスト型エッチングが可能であるように構成される必要があり、このエッジファスト型エッチングでは、供給ノズルがウェーハの半径の５０％の地点に固定されて位置し、この第一エッチング工程の後には第二工程、エッジスロー型エッチング工程が続き、この第二工程では、ノズルが、ウェーハの上方で半径方向に移動し、ウェーハの半径の±４０％にわたって、ウェーハの各サイドから中心点へと交互に移動するものである。

図６は、ウェーハの半径の５０％の地点に固定されたノズル位置で行われたエッジファスト型エッチング工程の後のウェーハのエッチングプロファイル（曲線Ｐ_EF）、およびノズルがウェーハの中心から半径の±４０％の距離にわたって移動するエッジスロー型のエッチング工程を行った後のエッチングプロファイル（曲線Ｐ_ES）を示す。図６はまた、２つのエッチング工程（この場合、エッジスロー型エッチングの前にエッジファスト型が行われる）の後に得られるウェーハのプロファイル（曲線Ｐ_s）を示す。この得られたプロファイルが、図５に示すウェーハの初期プロファイルをほとんど完全に補完していることが観察され、このことから、本発明の方法により、ＳｉＧｅ層の均一なエッチングを提供できるだけでなく、ＳｉＧｅ層の表面に存在する不均一性の初期欠陥を修正できることも実証される。

図５で得られた結果より、エッジスロー型エッチングの効果（曲線Ａ₁）を補完するのに最も適したエッジファスト型エッチングプロファイル（曲線Ｂ₁）を作製できるノズルの位置を決定することができる。しかし、この図からわかるように、これらの２つのエッチングタイプにおいて、エッチング速度が異なっている。これらの速度は、考慮するウェーハの領域、および平均値（点Ａ₂およびＢ₂）の関数として変化する。その結果、２つの工程により所望の補完を得ることができる比率は、各工程（エッジファストおよびエッジスロー）のエッチング時間の間で設定される。

エッチング時間はまた、以下のパラメータを考慮して決定される。
− 研磨もエッジスロー型、すなわち、ウェーハの周縁部で厚み過多が発生するタイプであることを認識した上で、研磨後のウェーハの表面の初期品質
− エッチングすべきＳｉＧｅの初期厚さ
− エッジファスト型エッチングによりエッチングすべき、中央部の厚さに対する端部の厚さ
− エッジスロー型エッチングによりエッチングすべき、端部の厚さに対する中央部の厚さ。

一例として、エッチングすべきＳｉＧｅの厚さが約９００Åで、ウェーハ回転速度が約１０００ｒｐｍである場合、エッチング液の供給ノズルがウェーハの半径の５０％の位置に固定されている状態で、エッジファスト型エッチングを行うことにより、端部が３５０オングストローム毎分（Å／分）で消失し、一方、ノズルがウェーハの中心からウェーハの半径の４０％の距離にわたって移動する状態で、エッジスロー型エッチングを行うことにより、ウェーハの中央部が８８Å／分で消失する。

従って、２つの工程の各エッチング時間について、３５／８．８≒４の比だと推定できる。

従って、エッジスローエッチング工程が１６０秒間の長さである場合には、エッジファスト型工程の長さは、１６０／４＝４０秒となる。

さらに、研磨工程が行われて、端部で約２２Åの厚み過多が生成する場合、エッジファストエッチング工程は、約１０秒延長して行う必要があり、当該工程の時間は、合計で５０秒となる。

新規な本方法により得られる有利な効果としては、歪みシリコン層の品質の向上、すなわち、厚みの均一性および表面粗さの向上、ならびにエッチング操作の再現性の向上が挙げられる。

上記の例は、ＳｉＧｅ層の選択エッチングによって露出されるべき歪みシリコン層と、それを覆うＳｉＧｅ層とを有するウェーハに関して記載したものであるが、本発明は、上記と同様にして、部分的にのみエッチングすべきＳｉＧｅ層を有するウェーハにも適用可能である。本発明の方法は、ＳｉＧｅ層の一部のみを、例えばその粗さを減少させる目的で均一にエッチングする際にも容易に用いることができる。

選択エッチング後のシリコン−ゲルマニウム層の断面図である。 選択エッチング後のシリコン−ゲルマニウム層の斜視図である。 本発明の実施態様の一つに従い、回転するウェーハ上にエッチング液を供給する選択エッチング工程を示す斜視概略図である。 エッチング液供給ノズルの種々の動作と位置を示す図である。 供給ノズルの種々の動作および／または位置の関数として、ＳｉＧｅ層のエッチングプロファイルを示す図である。 ノズルの位置が固定されたエッチング工程の後の、およびノズルが移動するエッチング工程の後のウェーハのエッチングプロファイル、ならびに当該２つの工程の後に得られるプロファイルを示す図である。

Claims (8)

1. 回転するウェーハの上にエッチング液（１１）を供給して、エッチングを行うためのシリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）の表面層（２１）を少なくとも１つ有するウェーハ（２０）を湿式化学エッチングする方法であって、当該ウェーハの中心から所定の距離に固定された位置からエッチング液（１１）を供給する第一エッチング工程、および当該エッチング液（１１）を、当該ウェーハの中心から当該ウェーハの半径（Ｒ）よりも短い最長距離にわたって、半径方向に供給する第二エッチング工程を含むことを特徴とする方法。
2. 前記ウェーハが、前記ＳｉＧｅ層（２１）の下に歪みシリコン層（２２）を有し、かつ前記第一エッチング工程において、前記ウェーハの半径の約５０％の地点に固定された位置から、エッチング液（１１）を供給し、前記第二エッチング工程において、前記ウェーハの半径の約４０％に相当する最長距離にわたって、エッチング液（１１）を供給することを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
3. 前記第一エッチング工程のエッチング時間が、前記第二エッチング工程のエッチング時間より、約４倍短いことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記第一および第二エッチング工程の前に行われる、前記ＳｉＧｅの表面層（２１）を化学機械研磨する工程をさらに含み、前記第一エッチング工程のエッチング時間が、前記第二エッチング工程のエッチング時間より約３．２倍短いことを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記第一および第二エッチング工程のエッチング時間が、以下の関数として決定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
   − エッチングすべきＳｉＧｅの初期厚さ；
   − 第一エッチング工程でエッチングすべき、ウェーハの中央部の厚さと比べた端部の厚さ；
   − 第二エッチング工程でエッチングすべき、ウェーハの端部の厚さと比べた中央部の厚さ。
6. 前記ウェーハ（２０）の直径が、３００ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記エッチング液（１１）が、酢酸（ＣＨ₃ＣＯＯＨ）、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）、およびフッ化水素酸（ＨＦ）の混合物を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記ウェーハの回転速度が、４００ｒｐｍ〜２０００ｒｐｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。

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