JPH04370932A - シリコンの異方性エッチング液 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコンの微細加工等
に好適に使用される異方性エッチング液に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、シリコン単結晶基板を異方性エ
ッチングにより微細加工してシリコンセンサを作製する
場合には、シリコンウエハにあらかじめトランジスタや
歪みゲージ等の素子を形成し、続いてこれらの素子と外
部との電気的接続を行うためのボンディングパッドをア
ルミニウム薄膜によって形成し、最後にシリコン基板表
面の一部を異方性エッチングにより除去する方法が採用
されている。ところが、多くのシリコンの異方性エッチ
ング液は、シリコンより速いエッチング速度でアルミニ
ウムをエッチングしてしまうため、アルミニウム薄膜の
エッチングを防止する手段を講じる必要があった。

【０００３】そのひとつの手段として、シリコンウエハ
の表面にトランジスタや歪みゲージ等の素子を作製し、
それらを互いにアルミニウム薄膜により接続した後、こ
のアルミニウム薄膜を保護するためにウエハの表面全体
を保護膜により覆い、その後異方性エッチング液により
表面からのエッチングを行い、最後にフォトリソグラフ
ィによって外部端子とアルミニウム薄膜との接続を行う
ためのボンディングパッドを形成する方法が提案された
。しかし、この方法においては、エッチング加工を行っ
た後に、フォトリソグラフィ工程を実施することは技術
的に困難であり、また生産性が低くコスト高となる問題
があった。

【０００４】さらに、他の手段として、アルミニウムの
エッチングを阻止するために、アルミニウム薄膜の表面
に無機あるいは有機の保護膜を形成することも試られて
いる。しかし、シリコンの異方性エッチング液は通常ｐ
Ｈが１２以上と高く、エッチング温度も７０℃以上と高
いため、このような過酷な条件下において前記保護膜は
十分に機能することが困難であった。

【０００５】そこで、アルミニウムをエッチングするこ
となくシリコンのみを選択的にエッチングすることがで
きる異方性エッチング液の開発が要求されている。

【０００６】ところで、単結晶シリコンに微細なパター
ンを形成する等の微細加工を施す手段としては、結晶面
方位に依存して選択的にエッチングができる異方性エッ
チングが有効である。このような異方性エッチングにお
いて用いられるエッチング液としては、従来、水酸化ナ
トリウム水溶液，水酸化カリウム水溶液等の金属含有ア
ルカリ溶液、およびアンモニア水溶液，ヒドラジン水溶
液などの非金属アルカリ溶液が用いられていた。

【０００７】かかる異方性エッチング液を半導体製造工
程で使用するという観点からは、エッチング液としては
前者の金属含有アルカリ溶液よりも後者の非金属アルカ
リ溶液が適している。これは、前者の金属含有アルカリ
溶液はナトリウムやカリウム等のいわゆるアルカリ金属
イオンを含み、これらのアルカリ金属イオンは半導体基
体表面に強く吸着し、また絶縁膜として用いられるシリ
コン酸化膜の内部にも浸入することから、洗浄処理，加
熱処理等の後処理によっても取り除くことが困難である
ことによる。特に、これらのアルカリ金属イオンがＦＥ
Ｔのゲート酸化膜に浸入した場合には、スレッシュホー
ルド電圧等のテバイス特性や信頼性に大きな悪影響を及
ぼす。また、これらのアルカリ金属イオンが吸着した基
板をＩＣやＬＳＩの半導体製造工程で処理すると、製造
設備がこれらのアルカリ金属イオンによって汚染され、
製造設備としての機能を果し得ない程度のダメージを受
けることになる。

【０００８】一方、アルカリ金属イオンを含まない非金
属アルカリ溶液をエッチング液として用いる場合には、
上述なような問題点を有さない点で有利であるが、これ
らのエッチング液においても以下に示すような問題点が
ある。

【０００９】すなわち、例えばヒドラジン水溶液は、ア
ルミニウムをエッチングせずにシリコンのみを選択的に
エッチングする異方性エッチング液として知られている
。しかし、ヒドラジンは皮膚，粘膜，呼吸器官および酵
素系に対する悪影響が大きく、人体に対し極めて有害で
ある。このため、ヒドラジンを使用するためには、細心
の注意と十分な排気設備が必要であり、結局大がかりな
装置を必要とし、生産性が悪くコスト高となってしまう
問題があった。

【００１０】また、アンモニア水溶液も、アルミニウム
をエッチングせずシリコンのみをエッチングする異方性
エッチング液であり、しかも標準的なＩＣプロセスの中
で使用できるため作業性が高い点で優れている。しかし
、アンモニウム水溶液は、エッチング面の荒れが大きく
、しかもアンモニアの塩基性が低いことおよびアンモニ
ア自体が揮発性であることから、アンモニアの濃度変化
に伴なうエッチング速度の変動が大きく、加工精度が悪
いという問題があった。

【００１１】

【発明の目的】本発明は、このような従来の問題点を解
決するものであり、その目的は、安全性，生産性に優れ
、エッチング速度が安定で加工精度がよく、かつ平滑な
エッチング面が得られるだけでなく、シリコンを選択的
にエッチングすることができるシリコンの異方性エッチ
ング液を提供することにある。

【００１２】

【発明の構成】本発明のシリコンの異方性エッチング液
は、第４級アンモニウム化合物の水酸化物（以下、これ
を単に「水酸化第４級アンモニウム」という）を溶質と
して含む溶液に、前記溶質の２２重量％以上に相当する
シリコンを溶解したことを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明の水酸化第４級アンモニウムは、水溶液
中で高解離度，強塩基性を有することからエッチング速
度が大きい。また、本発明の水酸化第４級アンモニウム
は不揮発性であるため、エッチング速度に影響を与える
濃度変化が小さく、これにより長時間のエッチングに対
してもほぼ一定のエッチング速度を保つことができる。

【００１４】また、本発明のエッチング液は、特定量の
シリコンを含むことによって、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す
ることができるという性質を有する。すなわち、水酸化
第４級アンモニウム水溶液に、該溶液中に含まれる溶質
の２２重量％以上、好ましくは２５重量％以上、さらに
好ましくは２７重量％以上に相当するシリコンを溶解す
ることにより、シリコンに対するアルミニウムのエッチ
ング速度を例えば１／１０以下と大幅に小さくすること
が可能である。

【００１５】すなわち、図３および図４に示すように、
シリコンに対するアルミニウムのエッチング速度の抑制
度合は、水酸化第４級アンモニウムの濃度によって多少
異なるが、基本的にはシリコンの添加量に依存する。こ
の抑制度合は、シリコンの添加割合が溶質たる水酸化第
４級アンモニウムに対して２２〜２５重量％を越えると
急激に増加し、シリコンの添加割合が３５〜４０重量％
でほぼ測定限界に達し、このときシリコンに対するアル
ミニウムのエッチング速度は約１／１０，０００〜１／
１，０００以下となる。同時にシリコンの添加割合の増
加に伴い、シリコンのエッチング速度も低下する。そし
て、適切な抑制度合は、エッチングすべきシリコン基板
の厚さ，アルミニウム層の厚さ，要求されるエッチング
層の深さ，デバイス部保護膜のエッチング速度，シリコ
ンのエッチング速度等の条件に応じて選択されるが、実
用上、シリコンに対するアルミニウムのエッチング速度
は、１／１０以下となるのが好ましい。そのためには、
シリコンのエッチング速度は０．１μｍ／分以上、かつ
溶液中の溶質に対するシリコンの含有割合は、通常２５
〜４０重量％であることが好ましい。

【００１６】このように本発明のエッチング液によれば
、シリコンを選択的にエッチングすることが可能である
ため、アルミニウムによる配線やボンディングパッドが
形成されたシリコン基板表面にアルミニウムのエッチン
グを阻止する保護膜を形成することなく、簡易なプロセ
スによってエッチングを行うことができる。

【００１７】また、本発明のエッチング液は窒化シリコ
ン，酸化シリコンに対してほとんどエッチング作用を示
さないことから、これら窒化物，酸化物は本発明のエッ
チング液の良好なエッチングマスクとして機能すること
ができる。

【００１８】さらに、本発明の異方性エッチング液は、
エッチング処理後の基板の洗浄が極めて容易であるとい
う特徴を有する。これは、本発明のエッチング液にはア
ルカリ金属イオンが含まれておらず、１３０℃以上の熱
処理によって容易に分解除去することができ、ＩＣプロ
セスとの適合性に優れている。

【００１９】

【発明の効果】本発明の異方性エッチング液は、強塩基
，高解離度および不揮発性を有する水酸化第４級アンモ
ニウムを主成分としていることから、長時間の使用でも
安定したエッチング速度で平滑な異方性エッチングを行
うことができる。そして、本発明のエッチング液は特定
量のシリコンを含有することから、シリコンのエッチン
グ速度に対するアルミニウムのエッチング速度を例えば
１／１０以下に低下させることが可能となり、アルミニ
ウム部分を含む基板に対して特に好適に使用することが
できる。

【００２０】

【その他の発明の説明】本発明のエッチング液を構成す
る水酸化第４級アンモニウムは、水酸化アンモニウム（
ＮＨ４　ＯＨ）の４つの水素をアルキル基で置換した水
酸化テトラアルキルアンモニウム（ＴＡＡＨ）を好まし
く用いることができる。このＴＡＡＨのアルキル置換基
としては、炭素数が１〜１０のものが好適であり、特に
メチル基およびエチル基が好ましい。例えば、水酸化第
４級アンモニウムとして水酸化テトラメチルアンモニウ
ムを用いることにより、高いエッチング速度でマイクロ
ピラミッドの少ないエッチングが可能となる。

【００２１】また、水酸化第４級アンモニウムの濃度は
、２０〜５０重量％が好適である。この濃度が２０重量
％より小さい場合には、エッチング面にマイクロピラミ
ッドが発生し、エッチング面の凹凸が大きくなるため良
好なエッチング加工精度が得られない。また、濃度が５
０重量％より大きい場合には、溶液中のＯＨイオン濃度
が低くなりエッチング速度が著しく低下するとともに、
室温で溶液中に沈澱物が生じ溶液の取扱いが困難となる
。

【００２２】さらに、本発明のエッチング液は、５０℃
以上の温度で使用されることが好ましい。エッチング液
の温度を高くすることにより、溶解反応の反応速度が上
昇し、シリコン単結晶の（１００）面の溶解量が増加す
る。エッチング液の温度が５０℃未満の場合には、実用
的なエッチング速度が得られず、またエッチング面の鏡
面性も低下する。

【００２３】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照しながら
詳細に説明する。

【００２４】本実施例においては、水酸化第４級アンモ
ニウムとして水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡ
Ｈ）を用い、エッチング温度を９０℃に設定してエッチ
ングを行った。

【００２５】まず、エッチング液に溶解したシリコンの
重量の変化に伴うシリコン単結晶の（１００）面のエッ
チング速度の変化およびアルミニウムのエッチング速度
の変化を求めた。その結果を図１および図２に示す。図
１および図２において、横軸はシリコン溶解量（ｇ／Ｌ
）、縦軸はエッチング速度（μｍ／分）を示す。

【００２６】図１は、ＴＭＡＨの濃度が５重量％、図２
は、ＴＭＡＨの濃度が２２重量％の場合の測定結果であ
る。なお、シリコンを含まないときのシリコン単結晶（
１００）面のエッチング速度は、ＴＭＡＨが５重量％の
ときには１．４μｍ／分、ＴＭＡＨが２２重量％のとき
は１．０μｍ／分である。また、シリコンを含まないと
きのアルミニウムのエッチング速度は、ＴＭＡＨが５重
量％および２２重量％のいずれの場合にもほぼ１．０μ
ｍ／分である。

【００２７】図３および図４は、横軸にＴＭＡＨの重量
に対するシリコンの重量割合（％）、縦軸にエッチング
速度（μｍ／分）をとり、図１および図２に示すデータ
を再プロットしたものである。図３および図４より明ら
かなように、シリコンのエッチング溶液への添加による
アルミニウムのエッチング抑制効果はＴＭＡＨの濃度に
よって多少異なるが、溶質（ＴＭＡＨ）の２５〜２７重
量％以上に相当するシリコンを溶解したときに、シリコ
ンのエッチング速度に対するアルミニウムのエッチング
速度を１／１０以下に低下させることが可能となる。

【００２８】このように、本実施例のエッチング液は、
アルミニウムに対するエッチング作用が小さく、シリコ
ンのみを選択的にエッチングすることができる。したが
って、このエッチング液によれば、アルミニウムによる
配線やボンディングパッドが形成されたシリコン基板表
面を該アルミニウム層に保護膜を形成することなくエッ
チングすることが可能となり、ＩＣプロセスにおける異
方性エッチング液として優れた機能を有している。

【００２９】次に、本発明の異方性エッチング液の適用
例として、これを用いてシリコン加速度センサを作製す
る場合のプロセスについて説明する。

【００３０】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、このプロセスを概
念的に示す説明図である。 （Ａ）　　まず、シリコン基板１０の所定部分に拡散型
歪みゲージ１２を形成した後、シリコン基板１０の両面
に二酸化シリコンからなる絶縁層１４を形成する。この
絶縁層１４にリソグラフィによって所定のパターンを形
成し、さらに蒸着等により前記拡散型歪みゲージ１２に
電気的に接続されるアルミニウム層１６を形成し、リソ
グラフィによって所定のパターンを形成する。 （Ｂ）　　上記（Ａ）で得られた基板の表面および裏面
にマスク１８を形成し、リソグラフィにより所定のパタ
ーンでボンディングパッド用窓２０およびエッチング用
窓２２を形成する。 （Ｃ）　　上記（Ｂ）で得られた基板を本発明の異方性
エッチング液を用いてエッチングし、貫通孔２４および
孔２６を形成して加速度センサのカンチレバーを形成す
る。

【００３１】このとき、異方性エッチング液に含まれる
水酸化第４級アンモニウムおよびシリコンの含有量は、
エッチングすべきシリコン基板１０の厚さ，アルミニウ
ム層１６の厚さ，孔２６の深さ，これら各層におけるエ
ッチング速度等を考慮して決定される。

【００３２】例えば、このプロセスにおいて、シリコン
基板１０の厚さが１００μｍ，アルミニウム層１６の厚
さが１．５μｍ，孔２６の深さが８０μｍのとき、９０
℃，２２重量％のＴＭＡＨ水溶液に、ＴＭＡＨに対し３
５重量％のシリコンを溶解したエッチング液を用いると
、エッチングに必要に時間は、約１６０分となる。この
とき、エッチングされるアルミニウム層１６の厚みは０
．１６μｍであり、これは本来のアルミニウム層１６の
厚さの約１０％に相当する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＴＭＡＨの濃度が５重量％のときの、シリコン
溶解量とエッチング速度との関係を示す図である。

【図２】ＴＭＡＨの濃度が２２重量％のときにおける、
シリコン溶解量とエッチング速度との関係を示す図であ
る。

【図３】ＴＭＡＨの濃度が５重量％の場合における、Ｔ
ＭＡＨ重量に対する溶解シリコン重量の割合とエッチン
グ速度との関係を示す図である。

【図４】ＴＭＡＨの濃度が２２重量％の場合における、
ＴＭＡＨ重量に対する溶解シリコン重量の割合とエッチ
ング速度との関係を示す図である。

【図５】本発明の異方性エッチング液をシリコン加速度
センサの製作に応用した場合のプロセスを概念的に示す
説明図である。

【符号の説明】

１０　　シリコン基板 １２　　拡散型歪みゲージ １６　　アルミニウム層　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＴＣ００６５０
１

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第４級アンモニウム化合物の水酸化物
   を溶質として含む溶液に、前記溶質の２２重量％以上に
   相当するシリコンを溶解したことを特徴とするシリコン
   の異方性エッチング液。
2. 【請求項２】　　請求項１において、前記第４級アンモ
   ニウム化合物の水酸化物は、その濃度が２０〜５０重量
   ％であることを特徴とするシリコンの異方性エッチング
   液。
3. 【請求項３】　　請求項１において、前記第４級アンモ
   ニウム化合物の水酸化物として水酸化テトラメチルアン
   モニウムを用いたことを特徴とするシリコンの異方性エ
   ッチング液。