(57)【要約】【課題】ナノ結晶シリコン領域を含む素子、特に、陽極酸化法によりナノ結晶シリコン領域を形成し、そのナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部を渡って形成する薄膜を、高歩留かつ高信頼性で製造する方法を提供する。【解決手段】ナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部を含む構造、およびそれを含む構造上に薄膜を形成する場合、境界部を形成する前にその境界部を（１１１）結晶面を主体とするテーパー構造にすることで、ナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部をなめらかに形成し、その上に、金属、半導体、絶縁薄膜をクラックや切断などが発生しないように形成することを特徴とする。【選択図】図１
2013115416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶シリコン表面にマスクパターンを形成するステップ、エッチングにより、（１１１）面を主体とするテーパー部を持つ段差構造を形成するステップ、陽極酸化法でナノ結晶シリコン層を形成するステップを有することを特徴とするナノ結晶シリコンを用いた素子の作製方法。
【請求項２】
請求項１記載の作製方法において、更にナノ結晶シリコン／結晶シリコン境界を渡って金属、半導体、絶縁体などの薄膜を形成するステップを有するナノ結晶シリコンを用いた素子の作製方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の作製方法において、段差形成のためのパターンマスクと陽極酸化を部分的に行うパターンマスクを異なったパターンで形成するステップを有するナノ結晶シリコンを用いた素子の作製方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかに記載の作製方法で形成された素子構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、ナノ結晶シリコンを含む半導体素子作製プロセスに関するものである。特に、ナノ結晶シリコンを含むシリコン基板上の電極などの薄膜形成において、薄膜形成の歩留および信頼性を向上する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】従来の結晶シリコン半導体素子では、シリコンの伝導型やその伝導度の境界部や急変部、酸化膜などのパターン化絶縁膜の境界部上に金属薄膜、半導体薄膜、絶縁薄膜などを形成する場合、境界は基本的には固体の連続体であるため、それらの薄膜が境界部においてクラックや段差により切断されたりすることはほとんど起こらず、特段の対策無しに連続した薄膜形成が可能であった。【０００３】しかし、最近注目されている陽極酸化法によって形成したナノ結晶シリコン領域を含む半導体素子作製プロセスにおいて、ナノ結晶シリコンを含む基板上に種々の薄膜、例えば１μｍ程度の膜厚を有する金属薄膜電極を形成する際、とりわけナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部において切断の可能性が増大することから、素子製造歩留まりおよび信頼性を下げる大きな要因となっていた。【０００４】図１（ａ）は従来のナノ結晶シリコン領域を含む半導体素子構造の例である。結晶シリコン基板１０１に窒化シリコンなどの薄膜を被着し、所望のナノ結晶シリコン領域を形成するためにフォトリソグラフィーなどによりその一部を露出させ、その後、陽極酸化法により、窒化シリコン１０２をマスクとして、結晶シリコン表面が露出しているところのみナノ結晶シリコン１０４を形成する。【０００５】この場合、陽極酸化の進行メカニズムを反映して、マスク端部のコーナー部１０６に電界集中などの効果により、その部分の陽極酸化の進行が顕著に加速され、ナノ結晶シリコンが厚くなったり、マスクとシリコン結晶界面に沿った反応が加速され、極端な場合は、コーナー部１０６の近傍のみナノ結晶シリコン表面が崩れたり、クラック状の構造１１１ができるなどの問題点があった。【０００６】加えて、マスク直下での反応が加速され、ナノ結晶シリコン領域が広くなったり、マスクとの接着性が低下しやすかった。【０００７】これは、ナノ結晶シリコンがポーラス構造を持っていると、その上に形成する薄膜との接着性が低下することに加えて、陽極酸化法によって形成されたナノ結晶シリコン部分とバルク結晶シリコン部分の境界部、特にコーナー部１０６やコーナー部１０７近傍に、集中して段差、クラックや凹凸が生じ、ナノ結晶シリコン／シリコン基板境界部を橋渡しして、薄膜１０３を形成、例えば金属薄膜電極を形成すると、断線することが多く、配線形成が確実に行えなかった。【０００８】そのため、金属薄膜を格段に厚くするなどして断線を避けると言った方法で配線接続を行ってきたが、そのプロセスの安定度、信頼性、コストで大きな問題があった。【０００９】またこの影響は、素子の微細化に伴いより一層顕著になっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】本発明では、ナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部を持つシリコン結晶基板上や、マスクパターンなどの表面構造を有するナノ結晶シリコンを含む結晶シリコン基板上に、真空蒸着法、スパッタ法、分子線エピタキシー法などの手法により膜厚１０μｍ以下の薄膜電極を形成する際、薄膜電極などのクラック、段差の発生による断線などの影響を回避し、素子の製造歩留まりおよび信頼性の向上を実現するための素子構造と方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】上記目的を達成するため、本発明は、結晶シリコン表面にマスクパターンを形成するステップ、エッチングにより、（１１１）面を主体とするテーパー部を持つ段差構造を形成するステップ、陽極酸化法でナノ結晶シリコン層を形成するステップを有することを特徴とするナノ結晶シリコンを用いた素子の作製方法、更に、ナノ結晶シリコン／結晶シリコン境界を渡って金属、半導体、絶縁体などの薄膜を形成するステップを有するナノ結晶シリコンを用いた素子の作製方法、必要により段差形成のためのパターンマスクと陽極酸化を部分的に行うパターンマスクを異なったパターンで形成するステップを有するナノ結晶シリコンを用いた素子の作製方法、及びこれらの作製方法で形成された素子構造を提供する。【００１２】図１（ｂ）に上記課題を解決する手段を説明する図を示す。ナノ結晶シリコンを含むシリコン基板上に薄膜を形成する場合、ナノ結晶シリコン／結晶シリコンの境界領域を、垂直溝構造ではなく、テーパー構造にすることで、薄膜電極を介したなめらかな電気的接触および導通を実現する。その際、テーパー構造の深さは１０ｎｍから１ｍｍ（基板厚さと同等程度）の範囲で、またテーパー構造の基板垂直方向に対する角度は、５°から８５°の範囲で適用可能である。【００１３】通常のシリコン基板表面にテーパー構造を形成する手法としては、水酸化カリウム水溶液などを用いるウエットエッチング、塩素ガスなどを用いる気相のドライエッチング、あるいはその双方の組み合わせにより実現可能である。【００１４】一般的にテーパー構造にすることで、薄膜電極を介したなめらかな薄膜形成を実現し、電極形成の場合は電気的接触および良好かつ安定な導通を実現することは本分野の専門家であれば自然なことである。【００１５】しかしながら、ナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部の場合は、その境界部のテーパー構造によって、ナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部の構造が大きく異なることを見出した。【００１６】すなわち、バルク結晶シリコンの（１０）面に陽極酸化法によりナノ結晶シリコン層を形成すると、ナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部の構造に乱れが発生し、クラックや切断が発生しやすい。【００１７】一方、化学的異方性エッチングなどで、テーパー面を（１１１）面として陽極酸化法によりナノ結晶シリコン層を形成すると、ナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部の構造に乱れが発生せず、その部分を渡って薄膜を形成すると、クラックや切断がほとんど発生しないことを見出した。【００１８】図２はその事実を示すナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部の断面の顕微鏡写真である。マスク部２０４は薄いので観察されていないが窒化シリコンマスクが被着されており、まず、異方性化学エッチング法により、非マスク部２０５をエッチングし、段差を形成する。【００１９】その場合、同時に（１１１）面のテーパー部２０３が形成される。その後、陽極酸化法によりナノ結晶シリコン層２０２を形成する。その結果、境界部でのナノ結晶シリコンの端面形状は自然な円の一部と似た形となり、表面構造も段差部分やテーパー部で元の表面構造を保ったクリアな構造が保持されていることを見出した��また、テーパー構造とすることにより、方向性のある成膜方法での方向性を緩和することができるようになった。その結果、この段差部分を渡って薄膜、例えば金属電極用薄膜を歩留良くスムーズに形成出来ることが明らかとなった。【００２０】この事実の発見により、単にテーパーを形成するだけでなく、特定の結晶面（１１１）をテーパー面に選定することで、クラックや切断がほとんど発生しない薄膜形成が可能となることを発案した。【００２１】そのため、素子の断面でのテーパー形成、およびその効果の有効な角度範囲は、素子の断面構造での角度に最適な値があるのではなく、テーパー面の方位が（１１１）面である場合が最も優れており、この面方位から外れるに従ってクラックや切断などの発生の可能性が増加する。【００２２】用途によって異なるが、（１１１）面を主体とする（１１１）面±２０度程度の範囲内であれば切断などの発生防止に顕著な差異が見られた。望ましくは±５度程度以下とするのが望ましい。
【発明の効果】
【００２３】本発明により、ナノ結晶シリコン領域を含む素子、特に、陽極酸化法によりナノ結晶シリコン領域を形成する場合に、ナノ結晶シリコン／バルク結晶シリコン境界部を渡って薄膜、例えば電極を形成する場合など、高歩留で信頼性の高い薄膜が得られ、その結果、薄膜の厚さを薄くしたり、微細化することが出来、高性能な素子設計・製造を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術と本発明の比較説明をする図である。
【図２】テーパー付マスク境界を持つ結晶シリコンの陽極酸化後の断面構造を示す顕微鏡写真である。
【図３】熱音響変換素子に本発明を適用した場合の実施例を説明する図である。
【図４】従来技術と本発明技術により試作した熱音響変換素子の外観図とその音響特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】本発明では素子製作を行うため、結晶シリコン表面にナノ結晶シリコン領域を部分的に形成するマスク材料薄膜の形成、この薄膜にフォトリソグラフィーなどの技術を用いたパターンの形成、引き続き行う（１１１）面を選択的に含むテーパー領域の形成、さらに、マスクパターンを利用した陽極酸化法によるナノ結晶シリコン形成、その上に金属、半導体、絶縁物などの薄膜形成とそのパターニングなどの一連のプロセスを経て実施される。
【００２６】マスクとしてＰＥＣＶＤ装置を用いて窒化シリコンＳｉＮを形成して用いる。（１１１）面を選択的に含むテーパー領域の形成には、通常の化学的異方性エッチング法を用いる。マスクのパターニングには通常のフォトリソグラフィー装置を用いる。
【００２７】ナノシリコン層を作成する設備として、陽極酸化装置を用いる。以下の実施例では４インチ径のシリコン基板を用い、陽極酸化後の連続的な洗浄・乾燥が可能な専用カセット付きで、液供給ポンプ、コンプレッサー、エアードライヤーなど関連機器を装備している。また、陽極酸化法により形成したナノシリコン層の評価を行う設備として、表面を観察する光学顕微鏡、ナノシリコン層表面に薄膜電極を形成するパターン形成設備を用いた。
陽極酸化に当たっては、電流の密度、通電時間を選定することで、ナノ結晶シリコン層の構造、電気的・熱的・光学的物性を選択し、必要な厚さを制御して所望の素子を実現する。
【実施例】
【００２８】以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
【実施例１】熱音響変換素子への適用【００２９】本発明の第一の実施例について図３を用いて説明する。Ｐ型で（１００）結晶面を持ち、比抵抗１−１０Ω・ｃｍのシリコン基板３０１上に、ＰＥＣＶＤ装置を用いてＳｉＮマスク３０５を成膜し、フォトリソグラフィーおよびその後の現像プロセスにより、ナノ結晶シリコンを形成する基板上の領域を限定するためのパターンを形成した。【００３０】このパターンを用いて、７０℃の水酸化カリウム２０％水溶液での５分間のウエットエッチング法により、図２に示したようなテーパー部を有する段差構造を形成した。次に陽極酸化を選択的に行うパターン部分のみシリコン表面を露出させた。各パターンユニットのサイズは、５ｍｍ角程度である。【００３１】このＳｉＮマスク付きシリコン基板を、陽極酸化治具にセットし、５５％ＨＦ：エタノール＝１：１の割合で調合した溶液１５０ｍＬ中に浸して陽極酸化を行った。陽極酸化の電流密度は１００ｍＡ／ｃｍ２、陽極酸化時間は２５分である。陽極酸化後、シリコン基板を超臨界乾燥装置に入れ、約５０分間の乾燥の後に装置から取り出した。【００３２】その後スパッタ装置を用いて、陽極酸化を施したシリコン基板上に、熱音響素子のヒータ電極としてＩｒ（イリジウム）薄膜３０３を５０ｎｍ程度堆積し、その上にパッド電極として金（Ａｕ）薄膜３０４を３００ｎｍ程度堆積した。【００３３】その後、ウエハ上に形成された数十個の素子を、レーザダイシングにより分離し、８ｍｍ角サイズの素子を作製した。その８ｍｍ角の素子を、エポキシ樹脂を用いてＴ０８上にマウントし、最後にＴ０８のピンと素子のパッド電極間を、金電線のワイヤボンディングにより接続した。【００３４】その素子に、ＮＦ社製パルス密度変調装置で変換されたアナログ入力信号を入力し、出力音圧を１／４インチ径マイクで計測し、ＦＦＴアナライザにより音響特性の周波数解析を行った。その結果、図４に示す通り、本発明素子４０１（テーパ構造有りで熱音響効率を高める設計をした素子）では１．５Ｗの入力（４０３）に対し、従来素子（テーパ構造無しで形成し、厚い電極膜を有する素子）での７Ｗ（４０２）に相当する音圧を観測した。この結果、ナノシリコン形成プロセス以前にシリコン基板にテーパー構造を作製することで、その後の電極プロセスの信頼性が向上し、熱音響素子の電力効率が約５倍に向上することが分かった。【００３５】上記実施例は熱音響変換素子への適用について実施した場合ついて述べたが、本発明は、結晶シリコン表面にナノ結晶シリコン領域を部分的に持つ素子構造、特に陽極酸化法によりナノ結晶シリコン領域を形成する場合に同様に適用することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３６】ナノ結晶シリコンを用いる構造、素子は今後大きく伸びると期待されているが、本発明により、その配線回路などの組立技術の歩留を向上させることにより、熱音響変換素子以外に新しい素子が出現する可能性があり、この素子などの組立に普遍的に利用可能である。
【符号の説明】
【００３７】１０１、２０１、３０１  ・・・シリコン基板
１０２、１０２、２０４、３０５  ・・・マスク
２０５  ・・・非マスク部
１０３  ・・・薄膜
１０４、２０２、３０２  ・・・ナノ結晶シリコン
１０５  ・・・垂直溝構造
１０６、１０７、１０９、１１０  ・・・各種コーナー部
１０８、２０３  ・・・テーパー部
１１１  ・・・パターンコーナーのクラック
３０３  ・・・イリジウムヒーター
３０４  ・・・金薄膜電極
４０１  ・・・本発明を実施した熱音響変換素子
４０２、４０３  ・・・熱音響変換素子の特性
【図１】
2013115416.tif 000003
【図２】
2013115416.tif 000004
【図３】
2013115416.tif 000005
【図４】
2013115416.tif 000006