(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定の結晶面に対してオフアングル角を有する半導体基板を用いる半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板に矩形形状の２つの領域を形成する工程と、
前記領域の基板材料中に不純物元素を含ませる工程と、
前記２つの領域の間に異方性エッチングにより陥没部分を形成する工程とを含み、
前記領域は前記陥没部分の縁辺を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体基板にシリコンウエハを用い、
前記陥没部分の形成工程において、前記半導体基板上にシリコン酸化膜でパターンを形成した後に前記異方性エッチングを行い、
前記異方性エッチングは、前記半導体基板の各面方位に対するエッチングレートが異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記特定の結晶面が（１００）面であり、
前記オフアングル角が９．７°であり、
前記陥没部分の形成工程において、前記パターンを、［０−１−１］―［０１１］方位の直線と［０−１１］―［０１−１］方位の直線を用いてパターニングし、
前記領域に含まれる前記陥没部分の縁辺に出現する結晶面は、前記［０−１１］―［０１−１］方位の直線に面方位が一致する（１１−１）面と（１−１１）面であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記領域における基板材料中の不純物元素の濃度を１．６×１０-5〜１．６×１０-3mole／ｃｍ3とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記領域における基板材料中の不純物元素の濃度を１×１０-4〜１．６×１０-3mole／ｃｍ3とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記不純物元素にＢ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、およびＧｅからなる群から選ばれる少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記不純物元素の種類に応じて当該不純物元素の前記領域における基板材料中の濃度を調節することで、エッチングレートを３００ｎｍ／分以下とすることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記異方性エッチングを行うにあたり、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、およびＬｉＯＨからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む水溶液をエッチング溶液に用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＫＯＨ等のエッチング液を用いて、表面が（１００）面に一致するシリコンウエハに異方性エッチングを行うと、シリコンウエハの（１００）、（１１０）、（１１１）の各面方位に対するエッチングレートが異なることから、（１１１）面が現れる。この（１１１）面と（１００）面がなす角度は、シリコンがダイヤモンド型の結晶構造を有することから、約５４．７°となる。したがって、例えば、エッチング後に陥没部分に出現した（１００）面上に半導体レーザーを搭載し、当該陥没部分に出現した（１１１）面を利用してレーザー光の垂直立ち上げを行うため、（１１１）面が、シリコンウエハの表面に対して４５°傾斜した状態になるようにするには、表面が（１００）面に一致するシリコンウエハの代わりに、（１００）面に対して表面が９．７°傾斜したシリコンウエハを用いることが必要となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうした（１００）面に対して、その表面が一定のオフアングル角を有するシリコンウエハ上に、例えば、［０−１−１］―［０１１］方位に向けて形成したオリエンテーションフラットに従って、シリコン酸化膜を用いて基板上に矩形形状のパターンを形成して当該パターンに異方性エッチングを行った後、シリコン酸化膜とシリコンとの結合エネルギー差に起因して、シリコンウエハの最表面の一部がひさし状に残存していた（以下、ひさし状部分という）。
【０００４】
そして、このひさし状部分が原因となり、後の製造工程で回路パターンの形成等が困難となって、製造される半導体装置にカバレージ不良や段差切れが生じていた。
【０００５】
本発明は、従来技術におけるこのような問題点を解決し、特定の結晶面に対してオフアングル角を有する半導体基板を用いて、当該基板上に形成した矩形形状のパターンに異方性エッチングを施した際、ひさし状部分の発生が効果的に抑制され、その結果、カバレージ不良や段差切れのない、高品質な製品が得られる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記した問題点を解決するため、本発明の半導体装置の製造方法は、特定の結晶面に対してオフアングル角を有する半導体基板を用い、半導体基板に矩形形状の領域を形成する工程と、その領域の基板材料中に不純物元素を含ませる工程と、その領域に異方性エッチングにより陥没部分を形成する工程とを含む。
【０００７】
この構成とすることで、異方性エッチングの際、シリコン酸化膜とシリコンとの結合エネルギー差に起因するひさし状部分の発生が効果的に抑制される。そして、カバレージ不良や段差切れのない、正常にパターニングされた半導体素子が提供できる。その結果、半導体装置の生産歩留まりが高められ、得られる半導体装置の信頼性も向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【０００９】
（実施の形態１）
図１と図２に、本実施の形態において、異方性エッチングに用いるシリコンウエハ１の平面図と断面図をそれぞれ示す。図１において、１はシリコンウエハ、２は［０−１−１］―［０１１］方位を示すオリエンテーションフラットであり、Ｘ−Ｘ’で示す矢線は、［０−１−１］―［０１１］方位を、Ｙ−Ｙ’で示す矢線は、［０−１１］―［０１−１］方位をそれぞれ示すものである。また、図２において、３はシリコンウエハ１の表面であり、（１１１）で示す直線は（１１１）面を示し、（１００）で示す矢線は、図１のＸ−Ｘ’矢線に対応するもので、［０−１−１］―［０１１］方位を示すものである。このように、シリコンウエハ１は、（１００）面に対して、Ｘ−Ｘ’矢線方向にα°傾斜している。なお、シリコン結晶において、（１００）面と（１１１）面がなす角度は５４．７°であるため、図２に示すようにシリコンウェハ１の表面は、（１１１）面に対して、（５４．７−α）°傾斜した状態となっている。このようにシリコンウエハ１の表面は、（１００）面とオフアングル角（＝α°）をなす状態となっている。
【００１０】
図３に、本実施の形態において、シリコンウエハ１上に形成するパターンを示す。パターン６と７は、当該パターンに異方性エッチングにより形成される陥没部分に（１００）面、（１１１）面、（１−１−１）面、（１１−１）面、および（１−１１）面の各結晶面を出現させるためのものである。ただし、（１１−１）面と（１−１１）面は、シリコンウエハ１の表面が（１００）面とオフアングル角（＝α°）をなしている分、それぞれの本来の結晶面からやや傾斜した状態となっている。なお、パターン６と７は、当該陥没部分の底面に出現する（１００）面の面積を可能な限り大きくするため、［０−１−１］―［０１１］方位の直線と、［０−１１］―［０１−１］方位の直線を用いて正方形形状にパターニングしている。また、パターン４と５は、当該パターンにおけるシリコン材料中に不純物リンを拡散させるためのものであり、この拡散によって、パターン７の陥没部分に不純物リンが含まれるようになる。また、パターン８は、当該パターンと、パターン６と７のそれぞれに異方性エッチングにより形成される陥没部分の縁辺との離間距離を測定する基準に用いるものである。この離間距離から、パターン６と７において進行する異方性エッチングのエッチングレートを計測することができる。即ち、離間距離が大きい程、エッチングレートが小さいことを示す。また、Ａ−Ａ‘、Ｂ−Ｂ’で示す矢線は、共に［０−１１］―［０１−１］方位を示すもので、パターン６と７のそれぞれの上下に形成されたパターン８を通過し、パターン６と７のそれぞれのほぼ中心を通っている。
【００１１】
以下、本実施の形態における、異方性エッチングプロセスの一例について、図４を参照しながら説明する。まず、シリコンウェハを洗浄し（工程Ｓ１）、続いて熱酸化して（工程Ｓ２）、シリコンウエハ上に厚さ約８００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。そして、フォトレジストに東京応化工業（株）製、ＯＦＰＲ−８６００（３３ｍＰａ・ｓ）を用い、約１μｍ厚さに塗布してパターン４と５のパターニングを行う（工程Ｓ３）。各パターンのサイズは、パターン４と５共に１．２ｍｍ×０．２ｍｍとする。
【００１２】
次いで、ＨＦとＮＨ4Ｆの１：５混合溶液を用いて、シリコン酸化膜のエッチングを行う（工程Ｓ４）。そして、フォトレジストを除去し（工程Ｓ５）、ＰＯＣｌ3を蒸着、ドライブインしてパターン４と５におけるシリコン材料中に不純物リンを拡散させる（工程Ｓ６）。それにより、当該シリコン材料中の不純物リン濃度は１．６×１０-5mole／ｃｍ3になる。その後、シリコン酸化膜を除去する（工程Ｓ７）。
【００１３】
続いて、再度熱酸化を行い（工程Ｓ８）、シリコンウエハ上に厚さ約８００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。そして、工程Ｓ３と同様にして、フォトレジストを用い、パターン６、７、および８のパターニングを行う（工程Ｓ９）。ここに、各パターンのサイズは、パターン６と７は１ｍｍ角とし、パターン８は１０μｍ×２０μｍとする。また、パターン６、７とパターン８とのそれぞれの離間距離は９．８μｍとする。
【００１４】
そして、ＨＦとＮＨ4Ｆの１：５混合溶液を用いてシリコン酸化膜のエッチングを行う（工程Ｓ１０）。次に、フォトレジストを除去し（工程Ｓ１１）、ＫＯＨ水溶液（濃度２０重量％）を用いて異方性エッチングを行う（工程Ｓ１２）。そうすると、パターン６と７のそれぞれに深さ約３０μｍの陥没部分が形成される。その後、ＨＦとＮＨ4Ｆの１：５混合溶液を用いてシリコン酸化膜をエッチングして除去する（工程Ｓ１３）。
【００１５】
上述したプロセスに従い、パターン６と７のそれぞれに異方性エッチングにより陥没部分を形成した。図５に、このときの陥没部分のＢ−Ｂ’、Ａ−Ａ’矢線部（図３）における電子顕微鏡による断面写真〔（ａ）：パターン７、（ｂ）：パターン６〕を示す。
【００１６】
Ｂ−Ｂ’矢線に面方位が一致する（１１−１）面と（１−１１）面に不純物リンを拡散させたパターン７では、（１１−１）面と（１−１１）面に生じたひさし状部分のサイズ（シリコン基板の表面方向の幅）は約５００ｎｍと小さいものであったのに対し、不純物リンを拡散させなかったパターン６では、（１１−１）面と（１−１１）面に生じたひさし状部分のサイズは約１μｍと大きくなり不良であった。
【００１７】
表１に、異方性エッチング後のパターン６、７とパターン８とのそれぞれの離間距離（μｍ）を異方性エッチング前のそれらと対比して示す。
【００１８】
【表１】
0003830821.tif 000002
【００１９】
この結果より、パターン７とパターン８との離間距離は６．３μｍと大きくなり、パターン７においては、不純物リンの存在により、（１１−１）面方位と（１−１１）面方位において、異方性エッチングの進行が適度に抑えられ、シリコン酸化膜とシリコンとの結合エネルギー差に起因するひさし部分の発生が抑えられて当該ひさし部分が小さくなったのに対して、パターン６とパターン８との離間距離は５．１μｍと小さくなり、パターン６においては、不純物リンが存在しないため、異方性エッチングが平常通り進行し、ひさし状部分が残存して当該ひさし部分が大きくなったことが判る。
【００２０】
本実施の形態によれば、基板上のパターンにおける基板材料中に不純物リンが存在することにより、当該パターンに形成される陥没部分において、ひさし状部分の発生が効果的に抑制され、その結果、カバレージ不良や段差切れのない、高品質な半導体装置が得られるようになる。
【００２１】
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１に示したプロセスに従い、パターン４と５におけるシリコン材料中の不純物リン濃度を変えた２種のシリコンウエハを作製し、各シリコンウエハに対して、異方性エッチングを行った。
【００２２】
図６に、各シリコンウエハ上のパターン７に形成された陥没部分のＢ−Ｂ’矢線部における電子顕微鏡による断面写真〔（ａ）：不純物リン濃度１．６×１０-5mole/cm3、（ｂ）：不純物リン濃度５×１０-5mole/cm3、（ｃ）：不純物リン濃度１×１０-4mole/cm3〕を示す。図６（ａ）に示す実施の形態１によるものでは、ひさし状部分のサイズは約５００ｎｍであったのに対し、図６（ｂ）と（ｃ）にそれぞれ示す本実施の形態によるものでは、ひさし状部分のサイズは２００ｎｍ以下となり、さらに小さく良好であった。
【００２３】
表２に、各シリコンウエハについて、異方性エッチング後のパターン７とパターン８との離間距離（μｍ）を異方性エッチング前のそれと対比して示す。
【００２４】
【表２】
0003830821.tif 000003
【００２５】
この結果より、実施の形態１の不純物リン濃度が１．６×１０-5mole／ｃｍ3のものでは６．３μｍであったのに対し、不純物リン濃度を５×１０-5mole／ｃｍ3、１×１０-4mole／ｃｍ3と増やしたものでは、それぞれ６．９μｍ、７．５μｍとさらに大きくなり、不純物リンの濃度の増大により異方性エッチングの進行を抑制する効果が高まり、それに伴って、ひさし状部分のサイズが小さくなっていることが判る。
【００２６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態１に示したプロセスに従い、リン（Ｐ）以外にＢ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇｅを不純物元素に用いて、新たに４種のシリコンウエハを作製し、各シリコンウエハに対して、異方性エッチングを行った。ここでは、パターン４と５におけるシリコン材料中の不純物リン濃度は、Ｂ、Ａｓ、Ｓｂではいずれも５×１０-5mole／ｃｍ3、Ｇｅでは１．６×１０-3mole／ｃｍ3とした。
【００２７】
表３に、各シリコンウエハについて、異方性エッチング後のパターン７のＢ−Ｂ’矢線部におけるひさし状部分のサイズを異方性エッチング前のそれと対比して示す。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
この結果より、リン以外であっても不純物元素を拡散させると、ひさし状部分のサイズは２００〜３１０μｍと小さくなり良好となることが判る。
【００３０】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１の工程１２（図４）において、ＫＯＨ水溶液の代わりに、ＮａＯＨ、ＬｉＯＨ水溶液（濃度２０ｗｔ％）をエッチング溶液に用い、実施の形態１に示したプロセスと同様にして異方性エッチングを行った。
【００３１】
表４に、各エッチング溶液を用いた場合について、異方性エッチング後のパターン６とパターン８との離間距離と、パターン７とパターン８との離間距離（μｍ）をそれぞれ示す。
【００３２】
【表４】
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【００３３】
この結果より、エッチング溶液にＫＯＨ水溶液以外のものを用いても、パターン７とパターン８との離間距離は６．２〜６．３μｍと大きくなり、不純物リンを拡散させたパターン７では、異方性エッチングの進行が効果的に抑えられたことが判る。なお、エッチング溶液には、さらに所要コストや安全性等を考慮すれば、ＫＯＨ水溶液を使用するのが最良である。
【００３４】
本発明においては、所定パターンにおけるシリコン材料中の不純物リンの濃度は、シリコン酸化膜とシリコンとの結合エネルギー差に起因するひさし状部分の発生が効果的に抑制されることから、さらに実用面を勘案して１．６×１０-5〜１．６×１０-3mole／ｃｍ3とするのが好ましい。また、不純物リン濃度を１×１０-4〜１．６×１０-3mole／ｃｍ3とすると、ひさし状部分が実質的に消滅するようになり、ひさし状部分に起因するカバレージ不良や段差切れの可能性が皆無となり、さらに好ましい。
【００３５】
また、本実施の形態１〜４では、不純物元素にＰ、Ｂ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｇｅの内のいずれかを用いたが、本発明においては、例えば、その表面が、（１００）面とオフアングル角をなすシリコンウエハを用いた場合に、（１１−１）面方位と（１−１１）面方位におけるエッチングレートを抑制し、かつ、（１１−１）面と（１−１１）面に交差する電極配線に対する電気的な悪影響のないものであれば、その他の元素を用いることもできる。なお、この際、不純物元素の種類に応じてその濃度を適宜調節することにより、エッチングレートを３００ｎｍ／分以下とすると、シリコン酸化膜とシリコンとの結合エネルギー差に起因するひさし状部分の発生が効果的に抑制され、好ましい。
【００３６】
なお、実施の形態１〜４では、（１００）面に対してオフアングル角を有する半導体基板を用いて異方性エッチングを行った例を示したが、本発明によれば、その他の結晶面に対してオフアングル角を有する半導体基板を用いて異方性エッチングを行う場合に適用しても、同等な作用、効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、特定の結晶面に対してオフアングル角を有する半導体基板を用い、その半導体基板上に矩形形状の領域を形成し、当該領域における基板材料中に不純物元素を含ませることにより、当該領域に異方性エッチングにより陥没部分を形成する際に、所定の結晶面方位におけるエッチングレートが抑制され、シリコン酸化膜とシリコンとの結合エネルギー差に起因するひさし状部分の発生が効果的に抑えられる。そして、カバレージ不良や段差切れのない、正常にパターニングされた半導体素子が提供でき、その結果、半導体装置の生産歩留まりが高められ、製造される半導体装置の信頼性も向上するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１における、（１００）面に対してオフアングル角（＝α°）を有するシリコンウェハを示す平面図
【図２】  実施の形態１における、（１００）面に対してオフアングル角（＝α°）を有するシリコンウェハを示す断面図
【図３】  実施の形態１において、シリコンウエハ上に形成するパターンを示す平面図
【図４】  実施の形態１による、異方性エッチングプロセスを示すフロー図
【図５】  実施の形態１による、パターン６と７のＢ−Ｂ’、Ａ−Ａ’矢線部（図３）断面における電子顕微鏡写真
【図６】  実施の形態２による、パターン７のＢ−Ｂ’矢線部（図３）断面における電子顕微鏡写真
【符号の説明】
１                  シリコンウェハ
２                  オリエンテーションフラット
３                  シリコンウェハ表面
４、５、６、７、８  パターン
【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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