JP2023506630A - 薄い表面層の厚さの均一性を改善するための、薄い表面層を備える基板をエッチングする方法 - Google Patents

薄い表面層の厚さの均一性を改善するための、薄い表面層を備える基板をエッチングする方法 Download PDF

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Abstract

Figure 2023506630000001
本発明は、基板(1)の薄膜(11)の主表面(1a)をエッチングする方法に関し、方法は、エッチング槽に基板(1)を浸漬するステップを含み、基板(1)が槽(100)内に導入されるときに、主表面(1a)が、初期導入点(PII)から最終導入点(PFI)まで導入速度で徐々に浸漬され、基板(1)が槽(100)から出るときに、主表面(1a)が、初期脱出点(PIS)から最終脱出点(PFS)まで脱出速度で徐々に出現するように、基板(1)が槽(100)に対して配向され、方法は、導入速度が、初期導入点(PII)と最終導入点(PFI)との間の第1の不均一プロファイルに従って主表面(1a)をエッチングするように選択されること、及び/又は、脱出速度が、初期脱出点(PIS)と最終脱出点(PFS)との間の第2の不均一プロファイルに従って主表面(1a)をエッチングするように選択されることを特徴とする。
【選択図】 図4a

Description

本発明は、マイクロエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、フォトニクス等の分野に関する。特に、本発明は、化学槽マルチウェハクリーナを使用して基板をエッチングする方法に関し、本発明は、シリコンの非常に薄い表面層を備えるSOI(silicon-on-insulator「シリコンオンインシュレータ」)基板に特に適する。
SOI基板に基づく益々多くの用途が、シリコンの表面薄層(構成要素を収容すること又は構成要素の支持体になることを意図される)の厚さの非常に高い均一性を必要とする。例えば、デジタル用途において、FDSOI(fully depleted SOI「完全空乏型SOI」)基板の薄層は、厚さの非常に低いばらつきを示さなければならない。その理由は、厚さのばらつきが、前記薄層上で生成されるトランジスタの閾値電圧に影響を及ぼすからである。フォトニクス用途において、フィルタ又は変調器デバイスの性能もまた、SOI基板の薄層の厚さの不均一性によって著しく影響される。
したがって、厚さ及び均一性の観点からの仕様は、非常に要求が厳しくなってきており、典型的には50nmより薄い厚さを有する層の場合、数オングストロームより小さい、典型的には4Aより小さい、ウェハ内(WiW:within-wafer)及びウェハ間(WtW:wafer-to-wafer)不均一性が期待される。そのような均一性は、達成するのが難しい。その理由は、SOI基板を生産するときの工程の連続が、薄層の不均一性に対する寄与の蓄積をもたらすからである。
薄層の厚さの不均一性を補正する1つの知られている解決策は、例えば米国特許出願公開第20140234992号で説明されるプラズマエッチング法を使用して、又は、特に国際公開第2013003745号で説明されるクラスターイオンビームエッチング法を使用して、前記層の局在化エッチングを実施することである。しかしながら、このタイプの解決策は欠点を有し、薄層の表面のエッチングは、アモルファスシリコンの表面領域を生み出し、アモルファスシリコンの表面領域は、電気的問題を引き起こす傾向があり、したがって、除去されなければならない。アモルファス領域の除去は、表面粗さの増加につながり、それは、薄層上で生産されるデバイスの性能に悪い影響を及ぼす。
国際公開第2004015759号は、局在化犠牲熱酸化を実装する代替の解決策を提案し、局在化犠牲熱酸化は、薄層のより厚い又はより薄い厚さを局所的に消費して、厚さの不均一性を補正する。このアプローチの不利益は、局所温度勾配が、シリコンウェハに導入するのが容易でないことであり、したがって、不均一性の補正の解決が制限される場合がある。
本発明は、従来技術の解決策に対する代替の解決策に関し、上記欠点を完全に又は部分的に克服することを目指す。特に、本発明は、薄層を、前記薄層の厚さの改善された均一性を達成することを目的として用意する方法に関し、その方法の実装は、簡単且つ再現性がある。そのような用意法は、シリコンの非常に薄い表面層を有するSOI構造を生産するために実装されることが有利であり得る。
本発明は、表面薄層を備える基板の主表面をエッチングする方法に関し、主表面は、前記薄層の自由面に対応し、方法は、主表面をエッチャントにさらすために、エッチング槽に基板を浸漬するステップを含み、基板は、
基板が槽内に導入されるときに、主表面が、初期導入点から最終導入点まで導入速度で徐々に浸漬され、
基板が槽から除去されるときに、主表面が、初期除去点から最終除去点まで除去速度で徐々に出現する
ように槽に対して配向され、
方法は、薄層の厚さの不均一性を補償するために、
導入速度が、初期導入点と最終導入点との間の第1の不均一プロファイルに従って主表面をエッチングするように選択されること、及び/又は、
除去速度が、初期除去点と最終除去点との間の第2の不均一プロファイルに従って主表面をエッチングするように選択されること
を特徴とする。
単独で又は技術的に実行可能な任意の組み合わせで考えられる、以下の本発明の他の有利で非制限的な特徴を有する。
第1のエッチングプロファイルは、0.15nm以上の、又はさらには0.2nm以上の、初期導入点と最終導入点との間で主表面にわたってエッチングされた厚さのばらつきを規定する、及び/又は、
第2のエッチングプロファイルは、0.15nm以上の、又はさらには0.2nm以上の、初期除去点と最終除去点との間で主表面にわたってエッチングされた厚さのばらつきを規定する。
初期導入点は最終除去点に対応し、最終導入点は初期除去点に対応する。
導入速度及び/又は除去速度は、25cm/sと0.1cm/sとの間、好ましくは、10cm/sと0.5cm/sとの間である。
基板が槽に導入されるとき、及び槽から取り出されるときに、導入速度及び/又は除去速度がそれぞれ一定でない。
エッチング槽は、それぞれ1/2/20の比でアンモニア、過酸化水素、及び脱イオン水を有するSC1(standard clean 1「標準洗浄1」)溶液を含む。
基板はSOI基板であり、基板の表面薄層は、50nmより薄い厚さを有し、シリコンから作られたキャリア基板上に配置されている絶縁層上に配置されている。
薄層は単結晶シリコンから作られている。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図を参照して与えられる本発明の以下の詳細な説明から明らかになる。
本発明による生産方法を用いて処理されるのに適する基板を示す図である。 従来技術から知られている、薄層をキャリア基板に転写する方法の工程を示す図である。 本発明による生産方法を用いて処理されるのに適する基板の薄層の厚さの不均一性のマップを示す図である。 本発明によるエッチング法において、基板がエッチング槽に導入されるときの基板の簡略化された図である。 本発明によるエッチング法において、基板がエッチング槽から取り出されるときの基板の簡略化された図である。 基板の薄層にわたる、本発明によるエッチング法から得られる不均一エッチングプロファイルのマップを示す図である。 基板の薄層にわたる、本発明によるエッチング法から得られる、1~5と番号を付けられた直線に沿う北/南プロファイルにおける正規化されたエッチング勾配を示す図である。 本発明によるエッチング法を用いて処理された複数の基板にわたって得られる不均一エッチングプロファイルの一例におけるエッチングされた厚さ勾配を示す箱ひげ図を示す図であり、箱ひげ図は、エッチング槽の従来の使用に関するエッチングされた厚さ勾配も示す。
説明において、図における同じ参照は、同じタイプの要素のために使用され得る。図は、概略的表現であり、読み易さのために、一定比例尺に従っていない。特に、z軸に沿う層の厚さは、x軸及びy軸に沿う横寸法に対して一定比例尺に従っていない、また、互いに対する層の相対的厚さは、図において必ずしも考慮されていない。
本発明は、基板1の主表面1aをエッチングする方法に関する。主表面1aは、特に、基板1の前面、すなわち、その物理的特性(粗さ、均一性、洗浄度等)が、構成要素を生産する目的で厳重にモニターされる前面である。
エッチング法はウェットエッチング法であり、ウェットエッチング法は、主表面1aをエッチャントにさらすために、液体エッチング槽100内に基板1を浸漬することを含む(図4a)。
本発明は、キャリア基板20上に配置された表面薄層11を備える基板1の特定の場合において説明される(図1)。主表面1aは、この場合、前記薄層11の自由面に対応し、自由面上で、構成要素が生産されることを意図される。薄層11は、非常に低い欠陥密度を有する単結晶材料から作られることが有利である。
それ自体よく知られているように、基板1は、キャリア基板20上に直接配置された薄層11から形成されてもよい(図1の(a))、又は、基板1は、薄層11とキャリア基板20との間に中間層30を備えてもよい(図1の(b))。この中間層30は、SOIタイプの基板1の場合にそうであるように、絶縁性であってもよい。代替的に、中間層1は、基板1の意図される特性に応じて、半導体又は伝導性基板であってもよい。
単結晶薄層11をキャリア基板20に転写する多数の知られている方法が存在し、それらの方法は、ドナー基板10内に埋め込み弱化平面12を生み出すために軽量種を打ち込むことに基づくスマートカット(Smart Cut)(商標)法を含む(図2の(a))。この方法はまた、2つの基板10と20との間に接合界面21を形成し、2つの基板を共に結合するために分子接着による直接接合にも基づく(図2の(b))。
ドナー基板10及びキャリア基板20は、好ましくは、それぞれ、200mm又は300mm、又はさらには450mmの径及び典型的には500ミクロンと900ミクロンとの間の厚さを有する円形ウェハの形態である。
もちろん、基板10、20のいずれか(又は両方)は、中間層30が基板1の最終積層において必要とされるとき、結合される基板の面に中間層30の全て又は一部を備えてもよい。埋め込み弱化平面12に沿って分離することは、薄層11が、ドナー基板10からキャリア基板20に転写されることを可能にする(図2の(c))。分離直後に、薄層11の自由表面は、(30×30ミクロンのスキャン上で、原子間力顕微鏡を用いて測定された、40~80Aのオーダーの)高レベルの粗さを示す。表面仕上げ技法の間に、中性又は還元雰囲気下で、犠牲酸化熱処理、エッチング、及び/又は表面再構成を実装することが特に可能である。これらの処理は、薄層11を構成する材料に応じて、一般に高温で実施される。例えば、シリコン層の場合、酸化は約750℃と1100℃との間で、中性又は還元雰囲気における平滑化は950℃と1250℃との間で実施されてもよい。これらの仕上げ処理の終了時に、その表面薄層11を有する基板1が得られる。導入部で述べたように、前記層11の厚さの均一性の観点からの仕様は、特に、その厚さが減少するときに、益々要求が厳しくなってきている。
特に、50nmより薄い又はさらには20nmより薄い非常に薄い厚さを有する層11の場合に、スマートカット法を使用して得られる薄層11の厚さの不均一性が、特に、非同心対称の2つの寄与によることを出願人は特定した。
薄層11の不均一性に対する第1の寄与は、基板1を生産するために実施される複数の連続工程の本質的なばらつき性に由来し、層11の厚さの予測できない(「ランダムな」)ばらつきをもたらし、したがって、それらのばらつきは、なくすのが難しい。
第2の寄与は、非同心対称を有する生産工程、例えば、イオン打ち込み、埋め込み弱化平面における分離、及び/又は、基板1を局所的に保持する支持体を伴うバッチ熱処理に由来する。この寄与は、基板1の基本方位N、S、E、Oの間における薄層11の厚さのより目立つ又はより目立たない不均一性を生み出す。例えば、図3において、0.6nmのオーダーの厚さの不均一性が、2つの基本方位N(北)とS(南)との間で北-南方向に見ることができる。図3の値のスケールがオングストロームであることに留意されたい。薄層11は、方位Sの近くでより薄く、方位Nの近くでより厚い。この不均一性プロファイルは、北-南方向に平行に描かれることができる仮想線の全てに沿って実質的に反復される。換言すれば、薄層11の北領域(方位Nに近い領域)は、(方位Sに近い)南領域より厚く見える。
図3における厚さの不均一性のマップが、偏光解析又は反射率測定によって薄層11の厚さを測定することに基づいて確立されることに留意されたい。この例において、薄層11は、シリコンから作られ、12nmの平均厚を有する。
非同心対称を有する不均一性を生成する上記工程は、マルチウェハ装置において、基板1の数十の又はさらには数百のバッチで同時に実施される。基板1の種々のバッチにわたる種々の工程における性能のトレーサビリティ及び再現性を確保するために、各基板1の縁部に作られたフラット又はノッチ22の存在によって識別可能である同じ位置に基板1の全てを配置することが一般的なやり方である。実際には、ノッチは、頂部(北基本方位)に又は底部(南基本方位-図3の例の場合と同様)に又は基本方位のうちの2つの基本方位間で規定された角度にあることになる。そのため、不均一性プロファイルは、種々の工程において、同時に又は連続的に処理されるバッチの基板1の全てにわたって比較的再現性のある形で現れる。
本発明によるエッチング法は、特に、厚さの不均一性に対する第2に述べた寄与に対処する。
上記で述べたように、エッチング法は、液体溶液を含む槽100内への浸漬によって、基板1の主表面1aをエッチャントにさらすことを目指す。
基板1は、基板1が槽100内に導入されるときに、主表面1aが、初期導入点PIIから、基板1の全体浸漬を反映する最終導入点PFIまで徐々に浸漬される(図4a)ように、エッチング槽100に対して配向される。換言すれば、主表面1aは、槽100に含まれる溶液の表面に対して非ゼロ角度を形成する。通常、この角度は90°のオーダーである。
Sにおいて基板1が槽100から除去されるとき、主表面1aは、初期除去点PISから、基板1の全体除去を反映する最終除去点PFSまで徐々に出現する(図4b)。
本発明のエッチング法によれば、槽100内への基板1の導入速度及び/又は槽100からの基板1の除去速度は、主表面1aにわたって不均一エッチングプロファイルを生み出すように選択される。
より詳細には、導入速度は、初期導入点PIIと最終導入点PFIとの間の第1の不均一プロファイルに従って主表面1aをエッチングするように選択されてもよい。代替的に又は付加的に、除去速度は、初期除去点PISと最終除去点PFSとの間の第2の不均一プロファイルに従って主表面1aをエッチングするように選択されてもよい。
第1のエッチングプロファイルが、0.15nm以上の、又はさらには0.2nm以上の、初期導入点PIIと最終導入点PFIとの間で主表面1aにわたってエッチングされた厚さのばらつき(又は勾配)を規定することが有利である。
同様に、第2のエッチングプロファイルは、0.15nm以上の、又はさらには0.2nm以上の、初期除去点PISと最終除去点PFSとの間で主表面1aにわたってエッチングされた厚さのばらつき(又は勾配)を規定することが好ましい。
初期導入点PIIは、最終除去点PFSに対応してもよく、最終導入点PFIは、初期除去点PISに対応してもよい。
任意選択で、不均一エッチングプロファイルを薄層11の厚さの特定のタイプの不均一性になるようにより精密に調整するために、導入点PII、PFI及び除去点PIS、PFSは互いに異なるように、規定された角度による回転が基板1に適用されることができる。
さらに別の任意選択によれば、エッチング法は、反復のそれぞれの間に基板1を回転させながら、連続する複数回、適用されて、各反復における不均一エッチングプロファイルを、薄層11の厚さの特定のタイプの不均一性になるように精密に調整してもよい。
液体化学槽マルチウェハ洗浄又はエッチング装置内への/からの基板1の導入速度及び除去速度は、慣例的に速い。例えば、それらの速度は、径が300mmの基板の場合、30cm/sのオーダーである。したがって、各基板1は、工程における処理の考えられる最良の均一性を得るために、2秒未満で槽に入る。
この原理と対照的に、本発明のエッチング法においては、1つの基板1の(又は複数の基板1の)導入速度と除去速度との内の少なくとも1つの速度は、減少されることが有利であり、その速度は、25cm/sと0.1cm/sとの間、又はさらには特に、10cm/sと0.5cm/sとの間であってもよい。以下の1つの好ましい実施形態においてより詳細に説明されるように、基板1が、槽100に導入される及び/又は槽100から取り出される速度を減少させることは、不均一エッチングプロファイルを生み出し、上記の第2の寄与による、薄層11の厚さの不均一性を補償することを可能にする。
導入速度及び/又は除去速度は、基板1の径にわたる非線形不均一性プロファイルを補償するために、一定でないように選択されてもよい。
1つの好ましい実施形態によれば、薄層11は単結晶シリコンから作られており、エッチング槽100内の溶液は、脱イオン水、アンモニア(NH)、及び過酸化水素(H)に基づくSC1(「標準洗浄1」)溶液である。シリコンウェハを洗浄するために典型的に使用されるSC1溶液は、処理された表面から粒子状汚染物質を除去するときに特に効果的である。
本発明によるエッチング法は、例えば、0.5nm/分のオーダーのシリコン薄層11のエッチング速度と共にSC1溶液を使用する。溶液の3つの化合物NH/H/HOのそれぞれの体積比は、1/2/20であり、槽の温度は70℃である。溶液のメガソニック撹拌も好ましい。
例によれば、図5aは、槽内への基板1の23cm/sの導入速度、槽内での90sの滞留時間、及び0.67cm/sの除去速度(すなわち、初期除去点PISの出現と最終除去点PFSの出現との間が45s)を用いた、上記のエッチング槽SC1における、径が300mmの基板1の薄層11にわたって得られた不均一エッチングプロファイルを示す。この例において、初期導入点PIIは最終除去点PFSに一致し、最終導入点PFIは初期除去点PISに一致し、ノッチ22は、最終導入点PFI(同様に初期除去点PIS)にある。
除去速度は、より詳細には減少しており、したがって、それは、基板が槽から除去されるときに、図5aの不均一エッチングプロファイル(又は、上記で述べた第2の不均一エッチングプロファイル)が実質的に形成されるということである。2つの導入点PII、PFIの間の(又は2つの除去点PIS、PFSの間の)エッチングされた厚さ勾配は、3Aのオーダーであり、エッチングされた厚さは、初期導入点PII(又は最終除去点PFS)においてより大きく、最終導入点PFI(又は初期除去点PIS)においてより小さい。
図5bは、上記で述べた例によるエッチング法を受けた、基板1上で1~5と番号を付けられた直線に沿う北/南プロファイルにおける正規化されたエッチング勾配を示す。2つの導入点PII、PFIの間の(又は2つの除去点PIS、PFSの間の)エッチングされた厚さ勾配が3Aのオーダーであることが見出される。
この第2のプロファイルの再現性が、エッチング槽100内で同時に処理された複数の基板1にわたってチェックされた。図6のグラフは、導入速度及び除去速度が標準的である、すなわち25cm/sより大きいときに得られる結果と比較した、第2のプロファイルの厚さ勾配(オングストローム単位)の結果を箱ひげ図の形態で示す。
0.3Aのオーダーの標準偏差(図6における「標準偏差」)を有する、平均(図6における「平均」)で2.8Aに等しい2つの導入点PII、PFIの間の、基板1にわたるエッチング勾配が明らかに統計的に見出される。
最終導入点PFIに(及び初期除去点PISに)ノッチ22を配置するように配慮しながら、図3に示すように、厚さの不均一性を示す特定の基板1に対して第2の不均一エッチングプロファイルを適用することは、薄層11の均一性が改善されることを可能にする。特に、第2のプロファイルは、前記基板1の南領域(最初に最も薄い領域)に対する北領域(最初に最も厚い領域)のより大幅な薄化を可能にすることになる。そのため、0.6nmのオーダーの薄層11の初期不均一性は、本発明によるエッチング法によって、0.4nm未満になる。
2つの導入点又は除去終了点の間の差分除去をより精密に調整するために、導入速度もまた、25cm/sと0.1cm/sとの間に制限された可能性があることに留意されたい。
この好ましい実施形態によるエッチング法は、化学槽マルチウェハ洗浄装置(又は「ウェットベンチ(wet bench)」)内の洗浄シーケンスに容易に統合されてもよい。例えば、エッチング法は、オゾン/SC1/SC2タイプのシーケンスに統合されてもよく、SC1工程を置換する又はオゾン工程とSC1工程との間に挿入される。洗浄シーケンス内へのエッチング法の単純な統合は特に有利である。その理由は、基板1のバッチのリンシング及びローディング時間が、共有され、ステージを分離することによって倍加されないからである。
本発明によるエッチング法は、SOI基板1の表面薄層11内の非同心対称不均一を補正するのに特に適し、前記薄層11及び下にある絶縁層30は50nmより薄い厚さを有する。
言うまでもなく、本発明は、説明した実施形態及び例に限定されず、変形実装態様が、特許請求項によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に適用されてもよい。
本発明は、特に、好ましい実施形態を参照して説明され示されたが、本発明は、もちろん、単結晶シリコン以外の材料(例えば、酸化シリコン等)から作られた薄層11に転移され、SC1以外のエッチング槽溶液(例えば、フッ化水素酸HF)を実装してもよい。

Claims (8)

  1. 表面薄層(11)を備える基板(1)の主表面(1a)をエッチングする方法であって、前記主表面(1a)は、前記薄層(11)の自由面に対応し、前記方法は、前記主表面(1a)をエッチャントにさらすために、エッチング槽(100)に前記基板(1)を浸漬するステップを含み、前記基板(1)は、
    前記基板(1)が前記槽(100)内に導入されるときに、前記主表面(1a)が、初期導入点(PII)から最終導入点(PFI)まで導入速度で徐々に浸漬され、
    前記基板(1)が前記槽(100)から除去されるときに、前記主表面(1a)が、初期除去点(PIS)から最終除去点(PFS)まで除去速度で徐々に出現する、
    ように前記槽(100)に対して配向され、
    前記方法は、前記薄層(11)の厚さの不均一性を補償するために、
    前記導入速度が、前記初期導入点(PII)と前記最終導入点(PFI)との間の第1の不均一プロファイルに従って前記主表面(1a)をエッチングするように選択されること、及び/又は、
    前記除去速度が、前記初期除去点(PIS)と前記最終除去点(PFS)との間の第2の不均一プロファイルに従って前記主表面(1a)をエッチングするように選択されること
    を特徴とする、
    エッチングする方法。
  2. 前記第1のエッチングプロファイルが、0.15nm以上の、又はさらには0.2nm以上の、前記初期導入点(PII)と前記最終導入点(PFI)との間で前記主表面(1a)にわたってエッチングされた厚さのばらつきを規定する、及び/又は、
    前記第2のエッチングプロファイルが、0.15nm以上の、又はさらには0.2nm以上の、前記初期除去点(PIS)と前記最終除去点(PFS)との間で前記主表面(1a)にわたってエッチングされた厚さのばらつきを規定する、
    請求項1に記載のエッチングする方法。
  3. 前記初期導入点(PII)が前記最終除去点(PFS)に対応し、前記最終導入点(PFI)が前記初期除去点(PIS)に対応する、請求項1又は2に記載のエッチングする方法。
  4. 前記導入速度及び/又は前記除去速度が、25cm/sと0.1cm/sとの間、好ましくは、10cm/sと0.5cm/sとの間である、請求項1~3のいずれか一項に記載のエッチングする方法。
  5. 前記基板(1)が前記槽(100)に導入されるとき、及び前記槽(100)から取り出されるときに、前記導入速度及び/又は前記除去速度がそれぞれ一定でない、請求項1~4のいずれか一項に記載のエッチングする方法。
  6. 前記エッチング槽(100)が、それぞれ1/2/20の比でアンモニア、過酸化水素、及び脱イオン水を有するSC1(standard clean 1「標準洗浄1」)溶液を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載のエッチングする方法。
  7. 前記基板(1)がSOI基板であり、前記基板(1)の表面薄層(11)が、50nmより薄い厚さを有し、シリコンから作られたキャリア基板(20)上に配置されている絶縁層(30)上に配置されている、請求項1~6のいずれか一項に記載のエッチングする方法。
  8. 前記薄層(11)が単結晶シリコンから作られている、請求項6又は7に記載のエッチングする方法。
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