JP6864077B2 - エッチング液、エッチング方法、及び電子部品の製造方法 - Google Patents
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Description
第1実施形態に係るエッチング液は、窒化シリコン(Si3N4)のエッチングに用いられる。このエッチング液は、特に、酸化シリコンと窒化シリコンとを含む構造から、窒化シリコンのみを選択的に除去するためのエッチング液として好適に用いられる。
この分解により生じたリン酸アンモニウムは、エッチング液に溶解し得る。また、ケイ酸化合物の一部は、脱水反応により、酸化シリコン(SiO2)を生じる。この反応は、可逆反応である。この平衡反応式(B)を以下に示す。
次に、基板上に設けられた酸化シリコンの一部は、高温下において、水酸化物イオン(OH-)及びプロトンと反応して、ケイ酸(Si(OH)4)を含むケイ酸化合物を生成する。この水酸化物イオンは、リン酸に含有されていた水が電離して生じたものである。この反応は、可逆反応である。この平衡反応式(C)を以下に示す。
基板上に設けられた酸化シリコンがエッチングされると、反応式(C)の平衡が右方向へと移動し、エッチング液において、ケイ酸化合物の濃度が高まる。その結果、上記反応式(B)の平衡が右方向へと移動して、エッチング液におけるケイ酸化合物の濃度が低下し、酸化シリコンの濃度が高まりやすくなる。
HSO4 - ⇔ H++SO4 2- (E)
このように、硫酸は、2つのプロトンを提供できるため、1つのプロトンを提供する酸よりも、酸化シリコンのエッチングレートを低下させることができると考えられる。
また、この下側の線において、硫酸の濃度が2.9質量%よりも高く、28.33質量%以下の範囲におけるケイ素濃度Y2は、下記式(2)で表され、かつ、5以上の値である。この式(2)は、発明者らが実施した実験結果について多変量解析を行うことにより得られたものである。なお、下記式(2)において、Xは、硫酸の濃度の値の逆数を意味している。
更に、この下側の線において、硫酸の濃度が28.33質量%より高く48.3質量%以下の範囲に係るケイ素濃度は、Y=5の直線で表される。
また、この上側の線において、硫酸の濃度が0.58質量%よりも大きく、28.33質量%以下の範囲におけるケイ素濃度Y3は、下記式(4)で表される。この式(4)は、発明者らが実施した実験結果について多変量解析を行うことにより得られたものである。なお、下記式(4)において、Xは、硫酸の濃度の値の逆数を意味している。
リン酸の第1酸解離指数pKa1よりも小さい酸解離指数pKを有する酸の濃度が0.11質量%以上5.78質量%以下の範囲内にあるエッチング液において、ケイ素濃度をY3ppm以下とすることにより、酸化シリコンの析出を十分に抑制することができる。
非特許文献3乃至5を、多変量解析の参考文献として挙げる。
したがって、エッチング液にカチオンを生成する塩を加えることにより、エッチング液中の水和したカチオンの濃度が高まり、エッチャントとして機能する水の濃度が低下すると、上記反応式(G)の平衡が右方向へと移動して、酸化シリコンの濃度が高まりやすくなる。したがって、水和数が3.5以下である1価のカチオンA+を含む塩を、エッチング液に加えた場合、水和数が3.5より大きいカチオンを含む塩を、エッチング液に加えた場合と比較して、酸化シリコンの析出をより抑制することができる。
第2実施形態に係るエッチング方法は、第1実施形態に係るエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含んでいる。以下、第2実施形態に係るエッチング方法について、詳細を説明する。
先ず、第1実施形態に係る第1エッチング液Eを、処理槽30内で調製する。具体的には、リン酸と硫酸との質量比が所定の値となるように、リン酸水溶液と硫酸水溶液とを混合して、混合液を得る。リン酸水溶液としては、例えば、85質量%リン酸水溶液を用いてもよく、加熱処理したリン酸水溶液を用いてもよい。加熱処理したリン酸水溶液におけるリン酸濃度は、例えば、85質量%以上95質量%以下の範囲内にあり、水濃度は、例えば、5質量%以上乃至15質量%以下の範囲内にある。硫酸水溶液としては、例えば、96質量%硫酸水溶液を用いることができる。
第3実施形態に係る電子部品の製造方法は、第1実施形態に係るエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含んでいる。
次に、第4実施形態に係るエッチング液について説明する。第4実施形態に係るエッチング液は、窒化シリコンのエッチングに用いるエッチング液である。第4実施形態に係るエッチング液は、リン酸と、リン酸の第1酸解離指数pKa1よりも小さい酸解離指数を有する酸と、ケイ酸化合物と、水とを含む。第4実施形態に係るエッチング液において、リン酸の濃度は88質量%以上95%質量%以下であり、リン酸の第1酸解離指数pKa1よりも小さい酸解離指数を有する酸の濃度は、2質量%以上5質量%以下であり、水の濃度は4質量%以上11質量%以下である。
酸の濃度が2.00質量%以上3.00質量%以下の範囲において、ケイ素濃度がY10以上の値であると、酸化シリコンのエッチングレートが低下し、選択比が高まる傾向にある。なお、酸の濃度が2.00質量%であるとき、Y10の値は、およそ33.248ppmである。また、酸の濃度が2.83質量%にあるとき、Y10の値は、およそ49.043ppmである。また、酸の濃度が3.00質量%にあるとき、Y10の値は、およそ53.107ppmである。
酸の濃度が2.00質量%以上3.00質量%以下の範囲において、ケイ素濃度がY20以下の値であると、選択比が高まり、酸化シリコンの析出を抑制できる傾向にある。なお、酸の濃度が2.00質量%であるとき、Y20の値は、およそ116.532ppmである。また、酸の濃度が2.83質量%にあるとき、Y20の値は、およそ151.177ppmである。また、酸の濃度が3.00質量%にあるとき、Y20の値は、およそ159.456ppmである。
水の濃度が8.00質量%以上9.00質量%以下の範囲において、ケイ素濃度がY30以上の値であると、酸化シリコンのエッチングレートが低下し、選択比が高まる傾向にある。なお、水の濃度が8.00質量%であるとき、Y30の値は、およそ33.220ppmである。また、水の濃度が8.17質量%であるとき、Y30の値は、およそ48.382ppmである。また、水の濃度が9.00質量%であるとき、Y30の値は、およそ52.255ppmである。
水の濃度が8.00質量%以上9.00質量%以下の範囲において、ケイ素濃度がY40以下の値であると、選択比が高まり、酸化シリコンの析出を抑制できる傾向にある。なお、水の濃度が8.00質量%であるとき、Y40の値は、およそ116.052ppmである。また、水の濃度が8.17質量%にあるとき、Y40の値は、およそ150.604ppmである。また、水の濃度が9.00質量%にあるとき、Y40の値は、およそ158.862ppmである。
次に、第5実施形態に係るエッチング液について説明する。第5実施形態に係るエッチング液は、窒化シリコンのエッチングに用いるエッチング液である。第5実施形態に係るエッチング液は、リン酸と、リン酸の第1酸解離指数pKa1よりも小さい酸解離指数を有する酸と、ケイフッ化水素酸と、水とを含む。
このフッ化水素は、窒化シリコン(Si3N4)に対する強力なエッチャントとしてはたらき、下記式(A2)に示すように、窒化シリコンを、四フッ化ケイ素(SiF4)とアンモニア(NH3)とに分解する。したがって、フッ化水素を含むエッチング液を用いると、フッ化水素を含まないエッチング液を用いた場合と比較して、窒化シリコンのエッチングレートをより高めることができる。なお、この反応は不可逆反応である。
一方、フッ化水素は、強力なエッチャントであるため、フッ化水素を含むエッチング液を、窒化シリコンと酸化シリコンとを含む基板の処理に用いた場合、窒化シリコンに加えて、酸化シリコンもエッチングされる。したがって、フッ化水素を含むエッチング液を用いると、選択比が低下する傾向にある。
上記式(A3)に示す左側の矢印に示すように、フッ化水素(HF)と反応してエッチングされた酸化シリコン(SiO2)の一部は、ケイフッ化水素酸(H2SiF6)へと化学変化する。この反応は、可逆反応である。すなわち、エッチング液中のケイフッ化水素酸(H2SiF6)の濃度が高まると、上記式(A3)における左側の可逆反応の平衡が、右方向へと移動する。また、エッチング液中のケイ酸(Si(OH)4)の濃度が高まると、上記式(A3)の右側の可逆反応の平衡が、左方向へと移動する。ケイフッ化水素酸(H2SiF6)を含むエッチング液では、このような平衡移動が生じるため、酸化シリコンのエッチングを抑制することができる。
先ず、図11に示す処理対象基板を準備した。この処理対象基板は、基板と、酸化シリコンからなる凸部と、窒化シリコンからなる凸部とを備えていた。酸化シリコンからなる凸部と、窒化シリコンとからなる凸部とは、基板の両面上に設けられ、基板の主面に対して垂直方向に延びていた。そして、酸化シリコンからなる凸部と、窒化シリコンからなる凸部とは、基板の主面と平行方向に沿って交互に並んでいた。
表1乃至表3に示す組成となるようにエッチング液を調製したこと以外は、例1に記載したのと同様の方法でエッチング処理を行った。
例1乃至例49のエッチング液における硫酸濃度とケイ素濃度との関係を、図1に示す。
先ず、図11に示す処理対象基板を準備した。次いで、表4に示す組成となるようにエッチング液を調製した。なお、例A乃至例Eにおいて、ケイ酸化合物源としては、窒化シリコンを用いた。また、エッチング液の原料としては、94.18質量%リン酸水溶液を用いた。この94.18質量%リン酸水溶液は、85質量%リン酸水溶液を加熱処理することにより調製した。次いで、エッチング処理装置を用いて、処理対象基板についてエッチング処理を行った。エッチング液の温度は、156℃とした。
例1乃至例49並びに例A乃至例Eで得られたエッチング処理後の基板について、電子顕微鏡で確認することにより、窒化シリコン及び酸化シリコンのエッチング量を測定した。ここで、エッチング量とは、基板の両面上に設けられた窒化シリコンの凸部及び酸化シリコンの凸部における、基板の主面に対して垂直な方向の厚さの減少量を意味している。
例1乃至例49並びに例A乃至例Fで得られたエッチング処理後の基板について、電子顕微鏡で確認することにより、酸化シリコンの析出レベルを評価した。この評価においては、エッチング処理後の基板の主面と平行方向における酸化シリコンの凸部の先端部の幅W1と、エッチング処理前の基板の主面と平行方向における酸化シリコンの凸部の先端部の幅W0との比W1/W0が、0.8より小さい、すなわち、サイドエッチング量が多かった状態を析出レベル1とした。
先ず、図11に示す処理対象基板を準備した。処理基板としては、例1乃至例49に係るエッチング処理で用いたものと比較して、基板の主面と平行方向の窒化シリコンの幅、及び、基板の主面と平行方向の酸化シリコンの幅が小さいこと以外は同様のものを用いた。
例100乃至例121で得られたエッチング処理後の基板について、電子顕微鏡で確認することにより、窒化シリコン及び酸化シリコンのエッチング量を測定した。ここで、エッチング量とは、基板の両面上に設けられた窒化シリコンの凸部及び酸化シリコンの凸部における、基板の主面に対して垂直な方向の厚さの減少量を意味している。
この結果を、表5に示す。
例100乃至例121で得られたエッチング処理後の基板について、電子顕微鏡で確認することにより、酸化シリコンの析出レベルを評価した。この評価においては、エッチング処理後の基板の主面と平行方向における酸化シリコンの凸部の先端部の幅W1と、エッチング処理前の基板の主面と平行方向における酸化シリコンの凸部の先端部の幅W0との比W1/W0が、0.8より小さい、すなわち、サイドエッチング量が多かった状態を析出レベル0とした。
この結果を、表5に示す。
先ず、基材として、一辺を2.5cmとする正方形状の単結晶シリコン板を準備した。。次いで、この基材上に、酸化シリコン膜を形成し、更にその上に窒化シリコン膜を形成して、処理基板を得た。なお、酸化シリコンの膜厚は0.1μmであり、窒化シリコンの膜厚は0.4μm〜0.5μmであった。
エッチング液の組成及びエッチング処理温度を表12に示すものに変更したこと以外は、例200乃至例202に記載したのと同様の方法で、エッチング処理を行った。
エッチング液の組成及びエッチング処理温度を表13に示すものに変更したこと以外は、例200乃至例202に記載したのと同様の方法で、エッチング処理を行った。なお、HFとしては、49質量%フッ化水素水溶液を用いた。
エッチング液の組成及びエッチング処理温度を表14に示すものに変更したこと以外は、例400乃至例404に記載したのと同様の方法で、エッチング処理を行った。
例200乃至例202、例300乃至例312、例400乃至例404、及び例500乃至例504で得られたエッチング処理前の基板及び処理後の基板について、窒化シリコンの膜厚と酸化シリコンの膜厚とを、分光エリプソメータ(J.A.Woollam社製 M-2000)を用いて測定した。測定は9か所で行い、得られた平均値を処理時間で割ることにより、窒化シリコンのエッチングレートERSiN及び酸化シリコンのエッチングレートERSiOを算出した。
例200乃至例202、例300乃至例312、例400乃至例404、及び例500乃至例504について、析出度を評価した。具体的には、エッチング処理後のエッチング液中に析出した白色状の物質の量を、目視で確認した。この際、析出量が少ない又は無かったものを析出度1とし、やや析出したものを析出度2として、析出量が多かったものを析出度3とした。この結果を、表11乃至表14に示す。
例200乃至例202、例300乃至例312、例400乃至例404、及び例500乃至例504について、窒化シリコンのエッチングレートERSiNが15.00nm/min以上であること、選択比が15以上であること、及び析出度が1又は2であることの3つの要件のうち、すべての要件を満たすものを総合評価A、2つの要件を満たすものを総合評価B、1つの要件を満たすもの及びすべての要件を満たさないものを総合評価Cとした。この結果を、表11乃至14に示す。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1] 窒化シリコンのエッチングに用いるエッチング液であって、リン酸と、リン酸の第1酸解離指数pK a1 よりも小さい酸解離指数を有する酸と、ケイ酸化合物と、水とを含み、
前記リン酸の質量M1と、前記酸の質量M2との比M1/M2は、0.82以上725以下の範囲内にあるエッチング液。
[2] ケイ素濃度は、5ppm以上98ppm以下の範囲内にある[1]に記載のエッチング液。
[3] ケイ素濃度は、前記酸の濃度が0.11質量%以上2.9質量%以下の範囲内にある場合、Y1ppm以上であり、
前記酸の濃度が2.9質量%より高く28.33質量%以下の範囲内にある場合、Y2ppm以上であり、
前記酸の濃度が28.33質量%より高く48.3質量%以下の範囲内にある場合、5ppm以上であり、
前記Y1は、前記酸の濃度の値の逆数Xと、下記式(1)とから導かれ、前記Y2は、前記酸の濃度の値の逆数Xと、下記式(2)とから導かれる5ppm以上の値である[1]又は[2]に記載のエッチング液。
Y1=21.876×e 0.1712x 式(1)
Y2=6.6356×log e (X)+29.083 式(2)
[4] ケイ素濃度は、前記酸の濃度が0.11質量%以上0.58質量%以下の範囲内にある場合、5ppm以上Y3ppm以下の範囲内にあり、
前記酸の濃度が0.58質量%より高く28.33質量%以下の範囲内にある場合、5ppm以上Y4ppm以下の範囲内にあり、
前記Y3は、前記酸の濃度の値の逆数Xと、下記式(3)とから導かれ、前記Y4は、前記酸の濃度の値の逆数Xと、下記式(4)とから導かれる[1]又は[2]に記載のエッチング液。
Y3=18.958×log e (X)+53.583 式(3)
Y4=18.111×log e (X)+65.953 式(4)
[5] ケイ素濃度は、前記酸の濃度が0.11質量%以上0.58質量%以下の範囲内にある場合、前記Y1ppm以上前記Y3ppm以下の範囲内にあり、
前記酸の濃度が0.58質量%より高く2.9質量%以下の範囲内にある場合、前記Y1ppm以上前記Y4ppm以下の範囲内にあり、
前記酸の濃度が2.9質量%より高く28.33質量%以下の範囲内にある場合、前記Y2ppm以上前記Y4ppm以下の範囲内にある[4]に記載のエッチング液。
[6] 水濃度は、12質量%以下である[1]乃至[5]の何れか1に記載のエッチング液。
[7] 前記ケイ酸化合物は、下記一般式(I)で表される構造を基本単位とする単量体又は多量体を含み、nは1以上5以下の範囲内の整数である[1]乃至[6]の何れか1に記載のエッチング液。
[9] 前記塩の濃度は、0.05mol/L以上2mol/L以下の範囲内にある[8]に記載のエッチング液。
[10] [1]乃至[9]の何れか1に記載のエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含むエッチング方法。
[11] [1]乃至[9]の何れか1に記載のエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含む電子部品の製造方法。
[12] 窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とが設けられた基板から、[10]に記載のエッチング方法により、前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
前記窒化シリコン膜が除去された部分の少なくとも一部に、導電性材料を堆積させる工程とを含む電子部品の製造方法。
[13] 窒化シリコンのエッチングに用いるエッチング液であって、リン酸と、リン酸の第1酸解離指数pK a1 よりも小さい酸解離指数を有する酸と、ケイ酸化合物と、水とを含み、
前記リン酸の濃度は88質量%以上95%質量%以下であり、前記酸の濃度は、1質量%以上5質量%以下であり、前記水の濃度は4質量%以上11質量%以下であるエッチング液。
[14] ケイ素濃度は、40ppm以上160ppm以下である[13]に記載のエッチング液。
[15] ケイ素濃度は、40ppm以上100ppm以下である[13]又は[14]に記載のエッチング液。
[16] 前記酸の濃度は4.0質量%以下である[13]乃至[15]の何れか1に記載のエッチング液。
[17] 前記水の濃度は、6.0質量%以上9.0質量%以下である[13]乃至[16]の何れか1に記載のエッチング液。
[18] [13]乃至[17]の何れか1に記載のエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含むエッチング方法。
[19] [13]乃至[17]の何れか1に記載のエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含む電子部品の製造方法。
[20] 窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とが設けられた基板から、[18]に記載のエッチング方法により、前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
前記窒化シリコン膜が除去された部分の少なくとも一部に、導電性材料を堆積させる工程とを含む電子部品の製造方法。
[21] 窒化シリコンのエッチングに用いるエッチング液であって、リン酸と、リン酸の第1酸解離指数pK a1 よりも小さい酸解離指数を有する酸と、ケイフッ化水素酸と、水とを含むエッチング液。
[22] 前記酸の濃度は、5質量%以上30質量%以下である[21]に記載のエッチング液。
[23] 前記ケイフッ化水素酸の濃度は、0.1質量%以上0.2質量%以下である[21]又は[22]に記載のエッチング液。
[24] 前記リン酸の濃度は、63質量%以上89質量%以下である[21]乃至[23]の何れか1に記載のエッチング液。
[25] フッ化水素を更に含む[21]乃至[24]の何れか1に記載のエッチング液。
[26] [21]乃至[25]の何れか1に記載のエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含むエッチング方法。
[27] [21]乃至[25]の何れか1に記載のエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含む電子部品の製造方法。
[28] 窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とが設けられた基板から、[26]に記載のエッチング方法により、前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
前記窒化シリコン膜が除去された部分の少なくとも一部に、導電性材料を堆積させる工程とを含む電子部品の製造方法。
Claims (11)
- 窒化シリコンのエッチングに用いるエッチング液であって、リン酸と、リン酸の第1酸解離指数pKa1よりも小さい酸解離指数を有する酸と、ケイ酸化合物と、水とを含み、
前記リン酸の濃度は60質量%以上85%質量%以下であり、前記酸の濃度は0.1質量%以上28.33質量%以下であり、前記水の濃度は4質量%以上17質量%以下であり、
前記リン酸の質量M1と、前記酸の質量M2との比M1/M2は、0.82以上725以下の範囲内にあり、
前記リン酸の第1酸解離指数pKa1よりも小さい酸解離指数を有する酸は、硫酸、塩酸、及びトリフルオロスルホン酸からなる群より選ばれる少なくとも1種であるエッチング液。 - ケイ素濃度は、5ppm以上98ppm以下の範囲内にある請求項1に記載のエッチング液。
- ケイ素濃度は、前記酸の濃度が0.11質量%以上0.58質量%以下の範囲内にある場合、5ppm以上Y3ppm以下の範囲内にあり、
前記酸の濃度が0.58質量%より高く28.33質量%以下の範囲内にある場合、5ppm以上Y4ppm以下の範囲内にあり、
前記Y3は、前記酸の濃度の値の逆数Xと、下記式(3)とから導かれ、前記Y4は、前記酸の濃度の値の逆数Xと、下記式(4)とから導かれる請求項1又は2に記載のエッチング液。
Y3=18.958×loge(X)+53.583 式(3)
Y4=18.111×loge(X)+65.953 式(4) - ケイ素濃度は、前記酸の濃度が0.11質量%以上0.58質量%以下の範囲内にある場合、Y1ppm以上前記Y3ppm以下の範囲内にあり、
前記酸の濃度が0.58質量%より高く2.9質量%以下の範囲内にある場合、前記Y1ppm以上前記Y4ppm以下の範囲内にあり、
前記酸の濃度が2.9質量%より高く28.33質量%以下の範囲内にある場合、Y2ppm以上前記Y4ppm以下の範囲内にあり、
前記Y1は、前記酸の濃度の値の逆数Xと、下記式(1)とから導かれ、前記Y2は、前記酸の濃度の値の逆数Xと、下記式(2)とから導かれる5ppm以上の値である請求項3に記載のエッチング液。
Y1=21.876×e 0.1712x 式(1)
Y2=6.6356×log e (X)+29.083 式(2) - 水濃度は、12質量%以下である請求項1乃至4の何れか1項に記載のエッチング液。
- 水和数が3.5以下である1価のカチオンを含む塩を更に含む請求項1乃至6の何れか1項に記載のエッチング液。
- 前記塩の濃度は、0.05mol/L以上2mol/L以下の範囲内にある請求項7に記載のエッチング液。
- 請求項1乃至8の何れか1項に記載のエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含むエッチング方法。
- 請求項1乃至8の何れか1項に記載のエッチング液を用いて、窒化シリコンのエッチングを行うことを含む電子部品の製造方法。
- 窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とが設けられた基板から、請求項9に記載のエッチング方法により、前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
前記窒化シリコン膜が除去された部分の少なくとも一部に、導電性材料を堆積させる工程とを含む電子部品の製造方法。
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