(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行い、前記半導体基板に薄肉部としてのダイアフラムを形成する半導体基板のエッチング方法において、
前記半導体基板として主表面（５１）の面方位指数が（１１０）のシリコン基板（５０）を用い、前記主表面の前記ダイアフラムを形成する領域に酸化膜（７０）を形成した後、
前記エッチング液として水酸化カリウム水溶液（２０）を用いて、前記酸化膜をエッチング除去し、続いて前記シリコン基板を前記主表面側からエッチング処理して前記ダイアフラムを形成するものであり、
前記水酸化カリウム水溶液のＫＯＨ濃度を３９重量％以上４８重量％以下の範囲とし、液温度を９０℃以上１４０℃以下の範囲に調整することにより、前記酸化膜および前記シリコン基板のエッチングを行うことを特徴とする半導体基板のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なう半導体基板のエッチング方法に関し、特に、圧力センサや加速度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等に利用するために半導体基板に薄肉部としてのダイアフラムを形成する場合のエッチング方法に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体圧力センサや半導体加速度センサ等のシリコンダイアフラムを形成する場合、シリコン基板の主表面を、耐エッチング材であるＳｉＯ2やＳｉＮ膜からなるエッチングマスクで覆い、この状態でＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液等のエッチング液を用いてウェットエッチングを行なう。
【０００３】
それにより、シリコン基板の主表面のうちエッチングマスクの開口部に対応する部位に、該主表面から凹んだ凹部が形成され、該凹部の底部が薄肉部となり、この薄肉部がダイアフラムとして形成される。
【０００４】
ここで、ＫＯＨ水溶液を用いたシリコンのエッチングは、ＫＯＨ濃度および温度を調整して行われ、特に、エッチング面（上記凹部の底部）の平滑性およびエッチング速度の観点から、ＫＯＨ濃度３０重量％付近のものが一般にエッチング液として採用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば、シリコン基板として、その主表面の面方位指数が（１１０）のものを用いた場合には、エッチング面の形状が特徴的な凹凸形状となり、平滑なダイアフラムの形成が困難である。これは、（１１０）面近傍のエッチングレートの異方性に起因するものと考えられる。
【０００６】
ちなみに、従来のエッチング方法についての本発明者等の検討によれば、（１１０）面であるエッチング面の特徴的な凹凸形状は、エッチング液のＫＯＨ濃度に依存し、３８重量％以下では筋状、４０重量％以上ではピラミッド状の凹凸が形成されることがわかっている。
【０００７】
シリコンダイアフラムは、シリコン基板の厚み寸法に対して、その大部分をエッチングにより除去して所望の厚さに形成される。例えば、半導体圧力センサにおける圧力に対する感度特性の精度を確保するためには、ダイアフラムの厚さを均一化する、つまり、エッチング面である上記凹部の底面を平滑に且つ平坦に形成する必要がある。
【０００８】
ＫＯＨ水溶液以外に、エッチング面を平坦面に仕上げるためのウェットエッチング方法としては、例えば、特開平８−１３１６５号公報や、特開２０００−９１３０７号公報に記載の方法が提案されている。
【０００９】
前者は、弗化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）溶液中にシリコン基板を浸漬し、そのシリコン基板に電位を与えながらエッチング処理を行なうもので、その電位を例えばレストポテンシャル以下となるように制御することにより、原子レベルの平坦度を得る技術である。また、後者は、エッチング液に水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液を用い、シリコン基板に電位を与えながらエッチング処理を行なうものである。
【００１０】
しかしながら、上述の特開平８−１３１６５号公報及び特開２０００−９１３０７号公報に記載の方法では、エッチング面の平坦性は確保できるものの、使用するエッチング液としてのＮＨ4Ｆ溶液およびＴＭＡＨ水溶液が、ＫＯＨ水溶液に比べて本来、エッチング速度の小さいものであるため、半導体製造工程においては作業性が良好ではなく、しかも、前者の液には弗素イオンを含むことから安全性に欠ける。
【００１１】
そこで、本発明は上記事情に鑑み、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なうにあたって、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いてエッチング面の平滑性を向上させることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行い、半導体基板に薄肉部としてのダイアフラムを形成する半導体基板のエッチング方法において、主表面（５１）の面方位指数が（１１０）のシリコン基板（５０）を用い、このシリコン基板の主表面のダイアフラムを形成する領域に酸化膜（７０）を形成した後、エッチング液として水酸化カリウム水溶液（２０）を用いて、酸化膜をエッチング除去し、続いてシリコン基板をその主表面側からエッチング処理してダイアフラムを形成するものであり、水酸化カリウム水溶液のＫＯＨ濃度を３９重量％以上４８重量％以下の範囲とし、液温度を９０℃以上１４０℃以下の範囲に調整することにより、酸化膜およびシリコン基板のエッチングを行うことを特徴とする。
【００１３】
それによれば、シリコン基板の被エッチング面である主表面に予め形成された酸化膜がＫＯＨ水溶液によりエッチング除去され、その酸化膜のエッチングの終了と同時にシリコン基板のエッチングが開始される。
【００１４】
明確なメカニズムはわかっていないが、酸化膜のエッチングの終了と同時にシリコン基板をエッチングすることにより、シリコンエッチングの開始点は親水面となることが期待できる。そして、この親水面の形成により均一なシリコンエッチングが開始され、その結果、シリコン基板において平滑なエッチング面が得られると考えられる。
【００１５】
実際に、実験検討した結果、本発明のエッチング方法によれば、従来のＫＯＨ水溶液を用いたエッチング方法よりも平滑性に優れたエッチング面（２ａ）が得られた。例えば、エッチング面の面粗さＲｚが０．８μｍ未満と良好な平滑性が得られた。
【００１６】
このように、本発明によれば、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いて、従来よりもエッチング面の平滑性を向上させることのできるエッチング方法を提供することができる。
【００２１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態において互いに同一部分には図中、同一符号を付してある。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサＳ１の概略断面構成を示す図である。図１において、１は半導体基板としてのシリコン基板であり、このシリコン基板１は、本例では主表面１ａ、１ｂの面方位指数が（１００）である。
【００２４】
このシリコン基板１の主表面の一面（図１中の下側の面）１ａには、ＫＯＨエッチングにより、当該一面１ａから凹んだ凹部２が形成されている。そして、シリコン基板１のうち凹部２の底面２ａ側は薄肉部となり、この薄肉部が圧力検出用のダイアフラム３として形成されている。
【００２５】
また、シリコン基板１の一面１ａとは反対側の主表面である他面１ｂには、ダイアフラム３に対応する領域に、歪みゲージ４が形成されている。この歪みゲージ４は、例えばブリッジ回路を構成することにより、ダイアフラム３が歪んだときに発生する応力に応じた電気的な信号を出力するためのものである。この歪みゲージ４は、イオン注入や拡散により形成された拡散抵抗として構成されている。
【００２６】
この半導体圧力センサＳ１は、ダイアフラム３が圧力を受けて変形すると、このダイアフラム３の変形によって生じる歪みに応じて、歪みゲージ４から信号が出力される。歪みゲージ４からの出力信号は、図示しない配線部やパッド部を介して、外部に設けられた信号処理回路等へ出力される。このようにして、圧力が検出されるようになっている。
【００２７】
次に、半導体圧力センサＳ１の製造方法について述べる。このセンサＳ１は、主表面の面方位が（１１０）面であるシリコン基板を用いて、これに周知の半導体製造技術を施すことにより形成されるものであり、ここでは、凹部２を形成するためのシリコン基板のエッチング方法について述べる。
【００２８】
図２は、本エッチング方法に用いるエッチング装置１００の概略構成を示す図である。１０は例えばテフロン（登録商標）等よりなるエッチング槽であり、このエッチング槽１０には、エッチング液として水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液２０が収容されている。このＫＯＨ水溶液２０は好ましくはＫＯＨ濃度が３９重量％以上４８重量％以下の範囲に調整されている。
【００２９】
また、このエッチング装置１００には、温度センサやヒータを有する温度調整器３０が備えられており、この温度調整器３０によってＫＯＨ水溶液２０は、加熱冷却され、温度制御される。ＫＯＨ水溶液２０は、好ましくは９０℃以上１４０℃以下の範囲に液温度が保持される。
【００３０】
更に、エッチング槽１０内には、スターラ４０が槽内底部に配置されており、回転磁界が与えられることで、ＫＯＨ水溶液２０の温度分布が一様となるような撹拌速度にてＫＯＨ水溶液２０を撹拌するようになっている。
【００３１】
エッチング対象であるシリコン基板としては、主表面５１、５２の面方位指数が（１１０）であるシリコンウェハ５０を用いており、このウェハ５０はエッチング槽１０内にてＫＯＨ水溶液２０に浸漬された状態でエッチング処理されるようになっている。なお、図２では１枚のシリコンウェハ５０のみを示した概略図となっているが、製造工程で使用する場合には複数枚を同時に処理する構成を採用できることは勿論である。
【００３２】
ここで、図３は、上述のシリコンウェハ５０の一側の主表面５１にダイアフラム形成用のエッチングマスク６０が形成された状態を示す図であり、（ａ）は当該一側の主表面５１からみた平面図、（ｂ）は概略断面図である。この図３に示す状態のシリコンウェハ５０がＫＯＨ水溶液２０に浸漬された状態でエッチング処理される。
【００３３】
シリコンウェハ５０の一側の主表面５１は、上記シリコン基板１の一面１ａに相当する面であり、上記凹部２が形成される被エッチング面である。まず、図３に示すように、当該主表面５１に熱酸化等によりシリコン酸化膜７０を形成する。その後、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２に上記歪みゲージ４を形成する。
【００３４】
そして、シリコンウェハ５０の（１１０）面である一側の主表面５１において、シリコン酸化膜７０の上にエッチングマスク６０が形成されている。このマスク６０は、シリコン酸化膜７０の上に耐エッチング材であるシリコン窒化膜からなる膜をプラズマＣＶＤ等により堆積させ、続いて、この堆積膜に対してフォトリソグラフィーによりエッチングしたい領域を開口することで形成される。なお、図３では、マスク６０の開口部６１を平面正方形としているが、その形状およびその大きさは問わない。
【００３５】
このようにしてシリコンウェハ５０にシリコン酸化膜７０およびエッチングマスク６０を形成した後、図２に示すエッチング装置１００を用いて、シリコンウェハ５０のエッチング処理を行う。なお、図示しないが、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２および側面は、ＫＯＨ水溶液２０に露出しないようにマスキングされた状態とする。
【００３６】
図４は、シリコンウェハ５０のエッチングの進行状態を示す説明図である。まず、図４（ａ）に示すように、ＫＯＨ水溶液２０により、マスク６０の開口部６１から露出するシリコン酸化膜７０がエッチングされ除去される。この酸化膜７０のエッチングの終了と同時に、シリコンウェハ５０の主表面５１が現れ、シリコンウェハ５０のエッチングが開始される。
【００３７】
明確なメカニズムはわかっていないが、酸化膜のエッチングの終了と同時にシリコン基板をエッチングすることにより、シリコンエッチングの開始点となるシリコンウェハ５０の一側の主表面５１は親水面となり、この親水面の形成により均一なシリコンエッチングが開始されると考えられる。
【００３８】
そして、シリコンウェハ５０は、一側の主表面５１側からエッチングされていき、最終的に、図４（ｂ）に示すように、上記凹部２が形成される。実際に、この凹部２の底面２ａすなわちエッチング面２ａは平滑性の高いものになる。
【００３９】
こうして、凹部２の形成に伴いダイアフラム３が形成され、さらに、シリコンウェハ５０からシリコン酸化膜７０やエッチングマスク６０をエッチング等により選択的に除去する等の工程を経て、上記図１に示す半導体圧力センサＳ１を製造することができる。
【００４０】
エッチング面２ａの平滑性向上の具体例を図５に示す。図５は、ＫＯＨ水溶液２０の液温度を温度調整器３０により１１０℃に保持し、被エッチング面に熱酸化により成膜された厚さ０．１２μｍのシリコン酸化膜（熱酸化膜）７０を形成したシリコンウェハ５０をエッチング処理した場合の、エッチング面２ａの面粗さＲｚのＫＯＨ濃度依存性を示す図である。
【００４１】
図５に示すように、エッチング面２ａの面粗さＲｚは、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度に依存する。本例では、ＫＯＨ濃度が３９重量％以上４８重量％以下の範囲において面粗さＲｚが０．８μｍ未満となり、エッチング面２ａの平滑性は実用上問題のないレベルとなる。
【００４２】
なお、このレベルは、エッチング面の平滑性を比較的確保しやすい主表面の面方位指数が（１００）であるシリコン基板において、凹部およびダイアフラムを形成したときに実現されるレベルであり、ダイアフラム特性に問題ないレベルである。
【００４３】
さらに、上記図５と同様の厚さ０．１２μｍのシリコン酸化膜（熱酸化膜）７０を形成したシリコンウェハ５０をエッチング処理するにあたって、エッチング条件すなわちＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度と液温度を変えたときの平滑化の効果を調べた。その結果を図６に示す。
【００４４】
図６に示すように、横軸にＫＯＨ濃度（重量％）、縦軸に液温度（℃）をとった直交座標系を設定した。また、図６中の斜線ハッチングで示す領域Ｒは、エッチング面２ａの面粗さＲｚ０．８μｍ未満を実現する範囲である。ここで、領域Ｒにおいて、液温度の上限はＫＯＨ水溶液２０の沸点である。つまり、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度と液温度が領域Ｒ内の範囲にあれば、エッチング面２ａの面粗さＲｚが実用上問題のないレベルを実現できる。
【００４５】
したがって、本実施形態のエッチング方法においては、図６中の領域Ｒに示されるように、ＫＯＨ水溶液２０のＫＯＨ濃度を３９重量％以上４８重量％以下の範囲とし、液温度を９０℃以上１４０℃以下の範囲に調整することが、エッチング面の平滑性を向上させるためには好ましい。
【００４６】
以上のように、本実施形態によれば、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いて従来よりもエッチング面の平滑性を向上させることのできるエッチング方法を提供することができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、上記エッチング方法、すなわちシリコンウェハ５０の主表面５１にシリコン酸化膜７０を形成した後、ＫＯＨ水溶液２０を用いて酸化膜７０をエッチング除去し続いてシリコンウェハ５０をその主表面５１側からエッチング処理する方法により、半導体圧力センサＳ１を構成するシリコン基板１が形成される。
【００４８】
そして、このシリコン基板１は、被エッチング面である主表面５１が（１１０）面であるが、エッチング面（凹部２の底面２ａ）の面粗さＲｚが０．８μｍ未満を実現している。つまり、本実施形態のシリコン基板（半導体基板）１によれば、（１１０）面をＫＯＨエッチングした場合に従来では実現が難しかった平滑性に優れたエッチング面を実現することができる。
【００４９】
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係るシリコンウェハ５０の一側の主表面５１にダイアフラム形成用のエッチングマスク６０が形成された状態を示す図であり、（ａ）は当該一側の主表面５１からみた平面図、（ｂ）は概略断面図である。本実施形態では、この図７に示す状態のシリコンウェハ５０がＫＯＨ水溶液２０に浸漬された状態でエッチング処理される。
【００５０】
上記第１実施形態では、エッチングマスク６０の下にシリコン酸化膜７０を形成したシリコンウェハ（シリコン基板）５０を用いたが、本実施形態では、図７に示すように、エッチングマスク６０の上にシリコン酸化膜７０を形成したシリコンウェハ（シリコン基板）５０を用いて、同様のエッチング方法を行う。この場合も、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５１】
具体的には、まず、図７に示すように、シリコンウェハ５０の他側の主表面５２に上記歪みゲージ４を形成するとともに、シリコンウェハ５０の一側の主表面５１上に上記と同様の要領でエッチングマスク６０を形成し、その後、マスク６０および開口部６１におけるシリコンウェハ５０の上に、ＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜７０を形成する。
【００５２】
このようにしてシリコンウェハ５０にシリコン酸化膜７０およびエッチングマスク６０を形成した後、上記第１実施形態と同様、上記エッチング装置１００を用いて、シリコンウェハ５０のエッチング処理を行う。
【００５３】
図８は、本実施形態におけるシリコンウェハ５０のエッチングの進行状態を示す説明図である。まず、図８（ａ）に示すように、ＫＯＨ水溶液２０により、シリコン酸化膜７０がエッチングされ除去される。この酸化膜７０のエッチングの終了と同時に、マスク６０の開口部６１からシリコンウェハ５０の主表面５１が現れ、シリコンウェハ５０のエッチングが開始される。
【００５４】
本実施形態においても、酸化膜のエッチングの終了と同時にシリコン基板をエッチングすることにより、シリコンエッチングの開始点となるシリコンウェハ５０の一側の主表面５１は親水面となり、この親水面の形成により均一なシリコンエッチングが開始されると考えられる。
【００５５】
そして、シリコンウェハ５０は、一側の主表面５１側からエッチングされていき、最終的に、図８（ｂ）に示すように、平滑性の高いエッチング面（底面）２ａを有する凹部２が形成される。それにより、上記図１に示す半導体圧力センサＳ１を製造することができる。
【００５６】
こうして、本実施形態においても上記第１実施形態と同様、半導体基板をエッチング液中に浸すことによりエッチング処理を行なうにあたって、エッチング液としてＫＯＨ水溶液を用いてエッチング面の平滑性を向上させることのできるシリコン基板（半導体基板）１およびそのエッチング方法を提供することができる。
【００５７】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、シリコンウェハ（シリコン基板）５０の上の酸化膜７０をＫＯＨエッチング液で除去した後、さらに積極的にシリコン基板をエッチングするものである。例えば、シリコンのエッチング量は、上記凹部２の深さにして１００μｍ以上とするものである。
【００５８】
また、本発明に用いるシリコン基板としては、エッチングされる主表面の面方位指数が（１１０）以外のものであっても良い。
【００５９】
また、本発明は圧力センサに限らず、加速度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等においてシリコン基板をＫＯＨ水溶液にてエッチングする場合に用いても有効なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサの概略断面図である。
【図２】上記第１実施形態に係るエッチング方法に用いるエッチング装置の概略構成図である。
【図３】上記第１実施形態に用いるシリコン基板としてのシリコンウェハにエッチングマスクが形成された状態を示す構成図である。
【図４】図３に示すシリコンウェハのエッチングの進行状態を示す説明図である。
【図５】ＫＯＨ水溶液の液温度を１１０℃に保持し、シリコンウェハをエッチング処理した場合のエッチング面の面粗さＲｚのＫＯＨ濃度依存性を示す図である。
【図６】ＫＯＨ水溶液のＫＯＨ濃度と液温度を変えたときの平滑化の効果を調べた結果を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に用いるシリコン基板としてのシリコンウェハにエッチングマスクが形成された状態を示す構成図である。
【図８】図７に示すシリコンウェハのエッチングの進行状態を示す説明図である。
【符号の説明】
２ａ…凹部の底面（エッチング面）、２０…水酸化カリウム水溶液、
５０…シリコン基板、５１…シリコン基板の一側の主表面、
７０…シリコン酸化膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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