JP5720573B2 - シリコンエッチング液およびエッチング方法 - Google Patents

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Description

本発明はシリコンのエッチング加工に関し、特にMEMS部品や半導体デバイスの製造に用いるシリコンエッチング液ならびにシリコンエッチング方法に関する。
一般にシリコン単結晶基板を化学薬液にてエッチングする場合には、フッ酸と硝酸等の成分を加えた混合水溶液である酸系エッチング液にてエッチングする方法、または水酸化カリウム(KOH)、水酸化テトラメチルアンモニウム(以下、単にTMAHと表記することがある。)等の水溶液であるアルカリ系エッチング液にてエッチングする方法が行われている(非特許文献1、2参照)。
酸系エッチング液を用いた場合、硝酸等の酸化作用をもった成分によってシリコン表面が酸化されて酸化ケイ素が生成し、この酸化ケイ素はフッ酸等によってフッ化シリコンとして溶解されることによってエッチングが進行する。酸系エッチング液でエッチングを行った際の特徴はエッチングが等方的に進行することにある。酸性エッチング液のエッチング速度は、フッ酸と硝酸の混合比によって異なり、1〜100μm/min程度である。しかし、酸性エッチング液はCuやAlなどの金属配線を腐食してしまい、金属が共存する工程においては使用しづらいという欠点がある。
一方、アルカリ系エッチング液を用いた場合、液中のヒドロキシアニオンによってシリコンはケイ酸イオンとして溶解し、この際、水が還元されて水素を発生する。アルカリ系エッチング液でエッチングを行うと、酸系エッチング液とは異なり、単結晶シリコンでのエッチングは異方性を有しながら進行する。これはシリコンの結晶面方位ごとにシリコンの溶解速度に差があることに基づいており、結晶異方性エッチングとも呼ばれる。多結晶でも微視的に見れば異方性を保持しつつエッチングが進行するが、結晶粒の面方位はランダムに分布していることから、巨視的には等方性のエッチングが進行するように見える。非晶質では微視的にも巨視的にも等方性にエッチングが進行する。
アルカリ系エッチング液としては、KOH、TMAHの水溶液以外にも水酸化ナトリウム(NaOH)、アンモニア、ヒドラジンなどの水溶液が使用される。これらの水溶液を用いた単結晶シリコン基板のエッチング加工においては、目的とする加工形状や処理を行う温度条件等にもよるが、数時間から数十時間という長い加工時間を要する場合が多い。
この加工時間を少しでも短縮することを目的に、高いエッチング速度を示す薬液が開発されている。例えば、特許文献1にはTMAHにヒドロキシルアミン類を添加した水溶液をエッチング液として使用する技術が開示されている。また特許文献2にはTMAHに鉄、塩化鉄(III)、水酸化鉄(II)などの特定の化合物を添加した水溶液をエッチング液として使用する技術が開示されており、エッチング速度を速くする効果の高さでは、鉄とヒドロキシルアミンを併用する組み合わせが特に好適であることが開示されている。また特許文献3にはKOHにヒドロキシルアミン類を添加した水溶液をエッチング液として使用する技術が開示されている。また、特許文献4にはアルカリ還元性化合物と防食剤(糖、糖アルコール、カテコール等)からなるエッチング液が開示されている。特許文献1に示されるようなヒドロキシルアミンを含有したアルカリエッチング液は、ヒドロキシルアミン未含有のアルカリエッチング液と比較してエッチング速度が大幅に向上するという特長をもつが、エッチング液を長時間加温するとヒドロキシルアミンが分解してしまい、エッチング速度が低下してしまうという欠点がある。
これを解決する為に、特許文献5にはアルカリに酸を添加することでヒドロキシルアミンの分解を抑制し、エッチング速度低下を抑制する技術が開示されている。また、特許文献6にはアルカリとヒドロキシルアミンにアルカリ塩を添加することでヒドロキシルアミンの分解を抑制し、エッチング速度低下を抑制する技術が開示されている。KOH、ヒドロキシルアミン、尿素を含む特許として特許文献7があるが、フォトレジストの現像に関する特許であり、シリコンエッチング液およびエッチング方法に関する記載は一切ない。
また、Si{110}のエッチングにおいて、Cuが存在するとエッチング速度が大きく低下することが知られている(非特許文献3)。
特開2006−054363号広報 特開2006−186329号広報 特開2006−351813号広報 特開2007−214456号広報 特開2009−117504号広報 特開2009−123798号広報 特開2000−516355号広報 佐藤、「シリコンエッチング技術」、表面技術、Vol.51、No.8、2000、p754〜759 江刺、「2003マイクロマシン/MEMS技術大全」、p.109〜114 田中、阿部、米山、井上、「ppbオーダの不純物を制御したシリコン異方性エッチング」デンソーテクニカルレビュー、Vol.5、No.1、2000、p56−61
半導体デバイスやMEMS部品の製造工程において、配線をはじめとする各種部材に用いられる材料としてCuが使われることがある。ヒドロキシルアミン入りのアルカリ系エッチング液はシリコンのエッチング速度が高いという特長をもつが、エッチング液中に浸漬する基板上にCuが存在すると、シリコンのエッチング速度が著しく低下してしまうという欠点がある。Cuは、シリコンと同一基板上に存在する場合でも、同時に浸漬する他の基板上に存在する場合でもエッチング速度の低下を引き起こす。
本発明の目的は、前記の問題点を鑑み、シリコンエッチングにおいて、基板上にCuが存在する場合においても、エッチング速度が高く保持されるエッチング剤組成物を提供する。更にはこのエッチング方法により加工されたシリコン基板を有する電子機器を提供することにある。
本発明者等は上記の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、ヒドロキシルアミンを含有するアルカリ系エッチング液にチオ尿素類を添加した組成のアルカリ系エッチング剤組成物が、Cuが存在してもシリコンのエッチング速度が低下しないことを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち本発明はシリコンエッチング液およびエッチング方法に関するものであり、以下のとおりである。
1.単結晶シリコンを異方性に溶解するシリコンエッチング液であって、(1)水酸化カリウム、水酸化ナトリウムおよび水酸化テトラメチルアンモニウムから選ばれる1種以上のアルカリ性水酸化物、(2)ヒドロキシルアミンおよび(3)チオ尿素類を含有したアルカリ性水溶液であることを特徴とするシリコンエッチング液。
2.(3)チオ尿素類がチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2−ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、二酸化チオ尿素、1,3−ジメチルチオ尿素、1−ベンゾイル−2−チオ尿素、イソプロピルチオ尿素、1−フェニル2−チオ尿素、1,3−ジエチルチオ尿素、ジフェニルチオ尿素、ベンジルチオ尿素、N−t−ブチル−N’−イソプロピルチオ尿素、N,N’−ジイソプロピルチオ尿素、およびジ−n−ブチルチオ尿素から選ばれる1種以上である上記1記載のシリコンエッチング液。
3.(3)チオ尿素類がチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2―ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、二酸化チオ尿素、1,3−ジメチルチオ尿素、1−ベンゾイル−2−チオ尿素、イソプロピルチオ尿素、1−フェニル2−チオ尿素、1,3−ジエチルチオ尿素、ジフェニルチオ尿素から選ばれる1種以上である上記1記載のシリコンエッチング液。
4.(3)チオ尿素類がチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2−ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、および二酸化チオ尿素から選ばれる1種以上である上記1記載のシリコンエッチング液。
5.シリコン基板が用いられ、その構成部材にCuが使用される対象物のエッチングに用いられる上記1〜4のいずれかに記載のシリコンエッチング液。
6.単結晶シリコンを異方性に溶解するシリコンエッチング方法であって、(1)アルカリ水酸化物と、(2)ヒドロキシルアミンおよび(3)チオ尿素類を含有するアルカリ性水溶液を用いてエッチング対象物をエッチングすることを特徴とするシリコンエッチング方法。
7.(1)アルカリ性水酸化物が水酸化カリウム、水酸化ナトリウムおよび水酸化テトラメチルアンモニウムから選ばれる1種以上であり、(3)チオ尿素類がチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2−ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、二酸化チオ尿素、1,3−ジメチルチオ尿素、1−ベンゾイル−2−チオ尿素、イソプロピルチオ尿素、1−フェニル2−チオ尿素、1,3−ジエチルチオ尿素、ジフェニルチオ尿素、ベンジルチオ尿素、N−t−ブチル−N’−イソプロピルチオ尿素、N,N’−ジイソプロピルチオ尿素、およびジ−n−ブチルチオ尿素から選ばれる1種以上である上記6記載のシリコンエッチング方法。
8.エッチング対象物が、シリコン基板が用いられ、その構成部材にCuが使用されるものである上記6又は7に記載のシリコンエッチング方法。
本願発明により、シリコンエッチングにおいて、液中にCuが存在する場合においてもCuが存在しない場合と同様にヒドロキシルアミンを含んだアルカリ性水溶液の特長である高いシリコンエッチング速度を発現できる。
本発明に用いる(1)アルカリ性水酸化物は、水酸化カリウム(KOH)、水酸化ナトリウム(NaOH)あるいは水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)が好ましく、特に水酸化カリウムまたは水酸化テトラメチルアンモニウムが好ましい。また、(1)アルカリ性水酸化物は、これらを単独であるいは複数を組み合わせて用いてもよい。
本発明に用いるアルカリ化合物の濃度は、所望のエッチング特性を得られる従来のアルカリ化合物濃度でよいが、アルカリ化合物の水への溶解度並びにエッチング剤組成物中のヒドロキシルアミン類濃度およびチオ尿素類の濃度によって適宜決定することも可能であり、好ましくは0.1〜65質量%の範囲、より好ましくは、1〜45質量%、さらに好ましくは5〜40質量%、特に好ましくは5〜30質量%の範囲で使用される。0.1質量%以上の濃度では、シリコンエッチング速度が非常に遅い、あるいはエッチングがなされないということがなく、65質量%以下の濃度ではエッチング剤組成物中での結晶の析出や固化などが生じることがないため好ましい。
本発明に用いるチオ尿素類の濃度は1〜10000ppmが好ましく、1〜5000ppmがより好ましく、さらに1〜1500ppmが好ましく、特に5〜1200ppmが好ましい。1ppm以上の濃度では、チオ尿素類添加によるCu溶解抑制効果を明確に得られ、また、チオ尿素類添加によるCu共存時のシリコンのエッチング速度の低下を抑制できる。また、濃度が10000ppm以下であると、チオ尿素類の飽和濃度に近くなることがないので、水の蒸発などでチオ尿素類の析出が発生することがなくなる。
チオ尿素類のうち、チオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2−ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素二酸化チオ尿素、1,3−ジメチルチオ尿素、1−ベンゾイル2−チオ尿素、イソプロピルチオ尿素、1−フェニル−2−チオ尿素、1,3−ジエチルチオ尿素、ジフェニルチオ尿素、ベンジルチオ尿素、N−t−ブチル−N’−イソプロピルチオ尿素、ジイソプロピルチオ尿素、ジ−n−ブチルチオ尿素が好ましく、更には、チオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2−ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素二酸化チオ尿素、1,3−ジメチルチオ尿素、1−ベンゾイル2−チオ尿素、イソプロピルチオ尿素、1−フェニル−2−チオ尿素、1,3−ジエチルチオ尿素、及びジフェニルチオ尿素が好ましく、特にチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2−ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、及び二酸化チオ尿素が工業的に入手しやすく、アルカリ溶液に対する溶解度も10000ppm程度と高いため、使用にあたって非常に好ましい。
本発明に用いるヒドロキシルアミンの濃度は、所望のシリコンエッチング速度に応じて適宜決定することが可能であり、好ましくは3〜15質量%の範囲で用いられる。より好ましくは5〜15質量%の範囲であり、さらに好ましくは7〜13質量%の範囲であり、9〜11質量%が特に好ましい。ヒドロキシルアミン濃度が5質量%以上であると、Cu共存時のシリコンのエッチング速度の低下割合が低くならないため、本エッチング液のシリコンのエッチング速度の低下を抑制する効果が明確に得られる。ヒドロキシルアミン濃度を増加させた際には、これに伴いエッチング速度も単調に増加する傾向が見られる。一方、濃度が11質量%以下であれば、ヒドロキシルアミンの濃度によるエッチング速度の向上効果が効率的に得られる。所望のエッチング速度を考慮したうえで、ヒドロキシルアミン濃度を適宜決定すればよい。
本発明のシリコンエッチング方法は、通常、加温されたエッチング液中に対象物を浸漬し、所定時間経過後に取り出し、対象物に付着しているエッチング液を水等で洗い流した後、付着している水を乾燥するという方法が採られている。エッチング温度は、40℃以上沸点未満の温度が好ましく、さらに好ましくは50℃から90℃、特に70℃から90℃が好ましい。エッチング温度が40℃以上であると、エッチング速度が低くならないので、生産効率を良好なものとすることができる。一方、90℃以下であると、液組成変化が生じにくいので、エッチング条件を一定に保つことが容易である。エッチング液の温度を高くすることで、エッチング速度は上昇するが、エッチング液の組成変化を小さく抑えることなども考慮した上で、適宜最適な処理温度を決定すればよい。
エッチング時間は、エッチング条件およびエッチング対象物により適宜選択することができる。
本発明におけるエッチング処理の対象物は、単結晶シリコンを含んだ基板であり、基板の全域または一部領域に単結晶シリコンが存在しているものである。なお、配線などの基板の部材を構成するCuが、基板表面に初めから露出していても、シリコンのエッチングによって基板内部のCuが表面に露出しても、どちらの場合でもシリコンエッチング速度の低下を抑制することができる。単結晶シリコンは単層でも多層に積層された状態でも構わない。これらの基板の全域または一部領域にイオンドープしたものもエッチング処理の対象物となる。またシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン有機膜等材料やアルミニウム膜、クロム膜、金膜などの金属膜が上記のエッチング対象物の表面や対象物内部に存在しているものについても、本発明におけるエッチング処理の対象物に含まれる。
本発明のシリコンエッチング液は、上記したようにシリコンエッチングにおいて、液中にCuが存在する場合においてもCuが存在しない場合と同様にヒドロキシルアミンを含んだアルカリ性水溶液の特長である高いシリコンエッチング速度を発現しうるものである。よって、本発明のシリコンエッチング液は、シリコン基板が用いられ、その構成部材にCuが使用される対象物のエッチングに好適に用いられる。
以下、実施例及び比較例により本発明を更に具体的に説明する。評価に用いたエッチング対象物は単結晶シリコン(100)(単にシリコン(100)という場合がある)ウェハである。このシリコン(100)ウェハの片側の面は、その全面がシリコン熱酸化膜からなる保護膜によって覆われた状態となっており、もう片側の面ではシリコン熱酸化膜の一部をドライエッチングにより除去し、シリコン面(0.25cm×0.25cm)が規則的に露出したパターン形状を有している。このシリコン(100)ウェハはエッチング処理をする直前に23℃の1%のフッ化水素酸水溶液に15分間浸漬し、その後超純水によるリンスを施し、乾燥を行った。このフッ化水素酸水溶液処理によって、パターン形状のシリコン面が露出した部分の表面に生成しているシリコン自然酸化膜を除去した後、次のエッチング処理を行った。
単結晶シリコン(100)ウェハのエッチング処理方法及びエッチング速度の算出方法
エッチング液40gをPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)製の容器に入れ、この容器を湯浴中に浸してエッチング液の温度を80℃に加温した。エッチング液の温度が80℃に達した後、単結晶シリコン(100)ウェハ(1cm×1cm)と0.5cm×0.5cmのCu薄片(Cuの厚みは6000Å)をエッチング液の中に同時に浸し、30分間浸漬処理を行い、その後、単結晶シリコン(100)ウェハを取り出して超純水によるリンスおよび乾燥を行った。エッチング処理を行った単結晶シリコン(100)ウェハは、単結晶シリコンのエッチングに伴いパターン部分が周囲よりも窪んだ状態になり、エッチングされた部分とエッチングされていない部分との高低差を測定することによって、30分間での単結晶シリコン(100)面のエッチング深さを求めた。このエッチング深さを30で割った値を単結晶シリコン(100)面のエッチング速度(単位はμm/min)として算出した。
実施例1〜26、比較例1〜8
表1記載のエッチング液を用いてエッチング処理を行い、結果を表1に記した。チオ尿素類を含まない比較例1〜5、7、8は、対応する実施例1〜5、25、26より明らかにエッチング速度が小さかった。
実施例27−43 比較例9−11
表2記載のエッチング液にCuを0.5ppm含有させた(Cu薄片は含まず)以外は、実施例1〜26と同様に行い、結果を表2にまとめた。
チオ尿素類を添加していない比較例9〜11ではCuの影響により、チオ尿素類を添加している対応する実施例27、42、43より明らかにエッチング速度が小さかった。チオ尿素類が、Cu薄片がエッチング液中に共存している場合だけでなく液中にCuが溶解している場合においてもエッチング速度低下を抑制する性能を有することがわかる。
実施例44−61 比較例12−13
Cu薄片のエッチング処理方法およびエッチング速度の算出方法
表3記載のエッチング液40gをPTFE単結晶シリコン(ポリテトラフルオロエチレン)製の容器に入れ、この容器を湯浴中に浸してエッチング液の温度を80℃に加温した。エッチング液の温度が80℃に達した後、あらかじめ膜厚を蛍光X線分析装置で測定済みの2cm×2cmのCuベタ膜(Cuの厚みは6000Å)をエッチング液の中に同時に浸し、60分間浸漬処理を行い、その後、Cu薄片を取り出して超純水によるリンスおよび乾燥を行った。Cu薄片の膜厚を再度蛍光X線分析装置で測定し、処理前後の膜厚の差を求めることによって、60分間でのCu薄片のエッチング深さを求めた。このエッチング深さを60で割った値をCuのエッチング速度(単位はÅ/min)として算出した。エッチング液にチオ尿素類を含む場合は、Cuのエッチング速度は1Å/min未満であるが、チオ尿素を含まない場合はCuのエッチング速度は10Å/min以上になっている。このことから、チオ尿素類は、Cuが共存している場合にSiのエッチング速度を低下させない効果だけでなく、Cuの溶解を防ぐという性能もあることがわかった。
比較例14−33
表4記載のエッチング液にCuを0.5ppm含有させた(Cu薄片は含まず)以外は、実施例27と同様に行い、結果を表4にまとめた。本発明のシリコンエッチング液は、該液中にCuが存在する場合においてもCuが存在しない場合と同様にヒドロキシルアミンを含んだアルカリ性水溶液の特長である高いシリコンエッチング速度を発現しうることから、その一成分である(3)チオ尿素類は、Cuとキレートを形成する性能を奏するものと考えられる。しかし、Cuとキレートを形成する性能を有する比較例14−33に使用されるキレート剤を用いた場合、本発明のシリコンエッチング液と比較して、シリコンエッチング性能は著しく劣っていることが示された。すなわち、本発明によって、(3)チオ尿素類が、他の成分である(1)アルカリ性水酸化物及び(2)ヒドロキシルアミンとの相乗効果により、優れた効果が得られることが示された。
Figure 0005720573
浸漬温度:80℃、浸漬時間:30分
KOH:水酸化カリウム、NaOH:水酸化ナトリウム、TMAH:水酸化テトラメチルアンモニウム
Figure 0005720573
浸漬温度:80℃、浸漬時間:30分
KOH:水酸化カリウム、NaOH:水酸化ナトリウム、TMAH:水酸化テトラメチルアンモニウム
Figure 0005720573
浸漬温度:80℃、浸漬時間:60分
KOH:水酸化カリウム、NaOH:水酸化ナトリウム、TMAH:水酸化テトラメチルアンモニウム


Figure 0005720573
浸漬温度:80℃、浸漬時間:30分
KOH:水酸化カリウム
Cuを含むシリコンエッチングにおいて、シリコンのエッチング速度を低下させることがなく、更にCuをエッチングすることがないエッチング液を提供することができ、産業上有用である。

Claims (8)

  1. 単結晶シリコンを異方性に溶解するシリコンエッチング液であって、(1)水酸化カリウム、水酸化ナトリウムおよび水酸化テトラメチルアンモニウムから選ばれる1種以上のアルカリ性水酸化物、(2)ヒドロキシルアミンおよび(3)チオ尿素類からなるアルカリ性水溶液であることを特徴とするシリコンエッチング液。
  2. (3)チオ尿素類がチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2―ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、二酸化チオ尿素、1,3−ジメチルチオ尿素、1−ベンゾイル−2−チオ尿素、イソプロピルチオ尿素、1−フェニル2−チオ尿素、1,3−ジエチルチオ尿素、ジフェニルチオ尿素、ベンジルチオ尿素、N−t−ブチル−N’−イソプロピルチオ尿素、N,N’−ジイソプロピルチオ尿素、およびジ−n−ブチルチオ尿素から選ばれる1種以上である請求項1記載のシリコンエッチング液。
  3. (3)チオ尿素類がチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2―ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、二酸化チオ尿素、1,3−ジメチルチオ尿素、1−ベンゾイル−2−チオ尿素、イソプロピルチオ尿素、1−フェニル2−チオ尿素、1,3−ジエチルチオ尿素、ジフェニルチオ尿素から選ばれる1種以上である請求項1記載のシリコンエッチング液。
  4. (3)チオ尿素類がチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2−ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、および二酸化チオ尿素から選ばれる1種以上である請求項1記載のシリコンエッチング液。
  5. シリコン基板が用いられ、その構成部材にCuが使用される対象物のエッチングに用いられる請求項1〜4のいずれかに記載のシリコンエッチング液。
  6. 単結晶シリコンを異方性に溶解するシリコンエッチング方法であって、(1)アルカリ水酸化物と、(2)ヒドロキシルアミンおよび(3)チオ尿素類からなるアルカリ性水溶液を用いてエッチング対象物をエッチングすることを特徴とするシリコンエッチング方法。
  7. (1)アルカリ性水酸化物が水酸化カリウム、水酸化ナトリウムおよび水酸化テトラメチルアンモニウムから選ばれる1種以上であり、(3)チオ尿素類がチオ尿素、N−メチルチオ尿素、1−アリル−3−(2−ヒドロキシエチル)−2−チオ尿素、二酸化チオ尿素、1,3−ジメチルチオ尿素、1−ベンゾイル−2−チオ尿素、イソプロピルチオ尿素、1−フェニル2−チオ尿素、1,3−ジエチルチオ尿素、ジフェニルチオ尿素、ベンジルチオ尿素、N−t−ブチル−N’−イソプロピルチオ尿素、N,N’−ジイソプロピルチオ尿素、およびジ−n−ブチルチオ尿素から選ばれる1種以上である請求項6記載のシリコンエッチング方法。
  8. エッチング対象物が、シリコン基板が用いられ、その構成部材にCuが使用されるものである請求項6又は7に記載のシリコンエッチング方法。
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