特許 5916105 半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5916105

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20160422BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 105A

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2012-72446(P2012-72446)

(22)【出願日】2012年3月27日

(65)【公開番号】特開2013-206991(P2013-206991A)

(43)【公開日】2013年10月7日

【審査請求日】2014年12月2日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用 『２０１１年（平成２３年度）応用物理学会九州支部学術講演会 講演予稿集 Ｖｏｌ．３７』、第９４ページ、平成２３年１１月２６日、社団法人応用物理学会九州支部発行〔刊行物等〕『２０１１年（平成２３年度）応用物理学会九州支部学術講演会 講演予稿集 Ｖｏｌ．３７』、第９５ページ、平成２３年１１月２６日、社団法人応用物理学会九州支部発行〔刊行物等〕『２０１１年（平成２３年度）応用物理学会九州支部学術講演会 講演予稿集 Ｖｏｌ．３７』、第９６ページ、平成２３年１１月２６日、社団法人応用物理学会九州支部発行

(73)【特許権者】

【識別番号】504174135

【氏名又は名称】国立大学法人九州工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】392022570

【氏名又は名称】サムコ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新海 聡子

(72)【発明者】

【氏名】大槻 秀夫

【審査官】 溝本 安展

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０３４５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３８９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１１５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１４１３０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エッチングガスを用いた反応性イオンエッチングプロセスによりシリコン基板に縦穴構造または柱構造を形成する、半導体装置の製造方法において、
a)シリコン基板をプラズマエッチングする工程と、エッチングされた部分の側壁に保護膜を堆積させる工程を交互に繰り返すことにより、前記シリコン基板に前記縦穴構造または柱構造を形成する第１工程と、
b) Ｆ_２ガスを含むエッチングガスを用いて前記縦穴構造または柱構造の側壁をエッチングすることにより、該側壁を平坦化する第２工程と
から成ることを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項2】

前記第２工程で用いるエッチングガスが、希ガスで希釈したＦ_２ガスであ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】

前記希ガスが、Ｈｅガス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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トレンチやビアと呼ばれる縦穴を有する半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置は、トランジスタやダイオード、抵抗、キャパシタといった電子素子を半導体基板上に形成したものであり、単体の電子素子を形成したものから多数の電子素子を一括して形成した集積回路（ＬＳＩ）まで、さまざまな半導体装置が提供されている。特に近年では、半導体装置の小型化、多機能化、高速化を進めるため、２次元構造のＬＳＩチップを縦方向に積層した３次元実装ＬＳＩの開発が進められている。

【0003】

３次元実装ＬＳＩを開発する上で鍵となる技術の一つに、積層されたＬＳＩチップ間を電気的に接続するための実装技術がある。従来、ＬＳＩチップ間の電気接続は、金属細線を用いたワイヤボンディングにより行われてきた。これに対して、近年、シリコン貫通電極（ＴＳＶ：Through-Silicon Via）を用いた実装技術（以下、ＴＳＶ技術という）が提案され、その開発が進められている。

【0004】

ＴＳＶ技術は、ＬＳＩチップを積層し、このＬＳＩチップを貫通する縦配線となるシリコン貫通電極（ＴＳＶ）を用いてＬＳＩチップ相互間の回路接続を行い、１つのＬＳＩ部品として外装ケース（package）に実装する技術であり、複数の異種ＬＳＩチップやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を混載して多機能ＬＳＩを実現できる点で期待が寄せられている。

【0005】

ＴＳＶ技術を実現する工程は、ＬＳＩチップが形成されるシリコン基板にＴＳＶを形成する工程と、ＬＳＩチップを貼り合わせ、ＴＳＶを介してＬＳＩチップ内の電気配線を接続する工程から成る。シリコン基板にＴＳＶを形成する工程では、シリコン基板にトレンチやビアと呼ばれる縦穴構造を形成し、その内壁にシリコン基板とＴＳＶとの干渉を避ける絶縁膜を形成した後、導電体を充填する。

【0006】

シリコン基板にトレンチやビアを形成するにあたっては、数μm〜数百μmオーダーの深さでシリコン基板をエッチングする必要がある。トレンチやビアを形成するためのエッチングの方法は、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）やＫＯＨ（水酸化カリウム）のような反応性の高い薬液を用いたウェットエッチングプロセスと、気体をプラズマによりイオン化、ラジカル化してエッチングを行うドライエッチングプロセスとの２通りに大別される。

【0007】

ウェットエッチングプロセスは、一度に多くのウエハもしくはチップをエッチングするバッチ処理が可能であるため、スループットが高い。しかし、エッチングされる方向がシリコンの結晶方位に依存するため、素子の微細化が困難であるという欠点がある。例えば、表面の結晶方位が＜１００＞面のシリコン基板をＴＭＡＨでウェットエッチングを行うと、トレンチやビアの内壁は角度が約５５°の順テーパとなることが知られている。トレンチやビアの内壁がテーパになると、その間隔を狭めることができず、結果的にＬＳＩの小型化、微細化ができないという問題が発生する。

【0008】

一方、ドライエッチングプロセスでは、ウエハを１枚ずつエッチングする枚葉処理となるものの、シリコンの結晶方位にほとんど依存することなくエッチングを行うことができる。また、ドライエッチングプロセスでは、処理条件を適宜に設定することにより、トレンチやビアの内壁を順テーパや逆テーパあるいは垂直にするなど、その形状を自在に変化させることができる。

【0009】

このようなドライエッチングプロセスでトレンチやビアを形成する主な方法には、誘導結合型プラズマ（Inductively Coupled Plasma：ＩＣＰ）を用いた反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）プロセスがあり、その一つにシリコン基板を深掘りすることができる方法として、ボッシュプロセスと呼ばれる方法がある。

【0010】

反応性イオンエッチングプロセスは、イオンとラジカルによってエッチングを行う方法であり、異方性エッチングや微細な加工に適している。そのなかでボッシュプロセスは、ＳＦ６ガス等のエッチングガスを用いて穴を形成するプラズマエッチングの工程と、Ｃ４Ｆ８ガス等の堆積ガスを用いてフロロカーボン系ポリマーを保護膜として穴の内壁面に堆積させるプラズマデポジションの工程を交互に繰り返すプロセス（交番プロセス）により穴を掘り進めていく方法であり、数百μｍ程度の深さのトレンチやビアを形成する加工に適している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開2007-311584号公報

【特許文献2】国際公開第2008/75715号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

ボッシュプロセスでは、保護膜の堆積、底面保護膜の除去、等方性エッチングを１周期としたプロセスを複数周期繰り返すことで擬似的にシリコンの異方性エッチングを行う。このため、トレンチやビアの内壁にはスキャロップと呼ばれる微小な凹凸が形成される。トレンチやビアの内壁に形成されたスキャロップは電界集中の原因となるため、半導体装置の信頼性が低下する。また、ボッシュプロセスを用いて形成したトレンチやビアにＣＶＤ法などを用いてシリコンやメタルを埋め込む場合、スキャロップのエッジが核となり、局所的に膜が成長してしまうため、均一な膜の成長が望めない。

【0013】

一方、交番プロセスではない反応性イオンエッチングプロセスでは、トレンチやビアの内壁にスキャロップは形成されないものの、レジストをマスクとして用いた場合に該マスク材料に対する選択比を高くすることができないため、数十μm以上の深さ寸法を持つトレンチやビアを形成するエッチングが困難である。

【0014】

本発明は、シリコン基板を深掘りして縦穴を形成する場合でもその縦穴の内壁を平坦化することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するために成された本発明は、エッチングガスを用いた反応性イオンエッチングプロセスによりシリコン基板に縦穴構造または柱構造を形成する、半導体装置の製造方法であって、
a)シリコン基板をプラズマエッチングする工程と、エッチングされた部分の側壁に保護膜を堆積させる工程を交互に繰り返すことにより、前記シリコン基板に前記縦穴構造または柱構造を形成する第１工程と、
b) Ｆ_２ガスを含むエッチングガスを用いて前記縦穴構造または柱構造の側壁をエッチングすることにより、該側壁を平坦化する第２工程と
から成ることを特徴とする。
上述した第１工程はいわゆるボッシュプロセスと呼ばれるプロセスであり、交番プロセスによりシリコン基板を掘り進めていくプロセスである。第１工程のシリコン基板をプラズマエッチングする工程で縦穴構造を形成する場合は、該縦穴構造の内側の側壁に保護膜が堆積される。また、柱構造を形成する場合は、該柱構造の外側の側壁に保護膜が堆積されることになる。すなわち、いずれの場合もエッチングされた部分の側壁に保護膜が堆積される。

【0016】

上記製造方法においては、前記第２工程で用いるエッチングガスが、希ガスで希釈したＦ_２ガスであることが好ましく、特にＨｅガスで希釈したＦ_２ガスを用いることが好ましい。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係る半導体装置の製造方法は、交番プロセスにより基板を掘り進めていくボッシュプロセスと交番プロセスではない反応性イオンエッチングプロセスの両方を組み合わせたものであり、これにより、シリコン基板の深掘りを実現させながらシリコン基板に形成される縦穴構造や柱構造の側壁を平坦化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の第１工程の工程図。

【図2】第１工程により得られたトレンチまたはビアの概略的な断面図。

【図3】第２工程でスキャロップが削られる様子を説明する図。

【図4】第２工程により得られたトレンチまたはビアの概略的な断面図。

【図5】第１工程で得られたトレンチの構造を示す画像。

【図6】第２工程の具体例１のトレンチの構造を示す画像。

【図7】第２工程の具体例２のトレンチの構造を示す画像。

【図8】第２工程の具体例３のトレンチの構造を示す画像。

【図9】第２工程の具体例４のトレンチの構造を示す画像。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。以下では、シリコン基板を掘り進めることにより縦穴構造であるトレンチまたはビアをシリコン基板に形成する例について説明するが、シリコン基板に柱構造を形成する方法にも適用可能である。
本実施形態の半導体装置の製造方法は大きく分けて、シリコン基板にトレンチまたはビアを形成する第１工程と、シリコン基板に形成されたトレンチまたはビアの内壁を平坦化する第２工程からなる。

【0020】

図１は、第１工程の工程図である。第１工程は、ボッシュプロセスと呼ばれるドライエッチングプロセスからなる。第１工程では、パターニングされたマスク１０１を有するシリコン基板１０２をエッチングガスにより等方性エッチングする。これにより、マスク１０１から露出した部分がエッチングされる（図１（ａ））。
次に、エッチングされた部分に保護膜１０３を形成する（図１（ｂ））。
続いて、エッチングされた部分の底面の保護膜１０３のみエッチングし、その部分のシリコン基板１０２をエッチングガス中に露出させる（図１（ｃ））。
その後、シリコン基板１０２を再度等方性エッチングする（図１（ｄ））。これにより、シリコン基板１０２に縦穴１００が形成される。

【0021】

第１工程では、図１（ｂ）から図１（ｄ）に示す工程を１周期としたプロセスを複数周期繰り返すことにより、縦穴１００が徐々に深くなり、その結果、トレンチやビアがシリコン基板に形成される。第１工程（ボッシュプロセス）において形成されるトレンチもしくはビアの断面模式図を図２に示す。
第１工程では、保護膜の堆積、底面の保護膜除去、そして等方性エッチングを１周期としたプロセスを複数周期繰り返すことにより、シリコンの異方性エッチングを擬似的に行うものであるため、トレンチやビアの内壁にはスキャロップ２０２と呼ばれる微小な凹凸が形成される。

【0022】

図３は、第２工程の工程図である。第２工程では、誘導結合型プラズマを用いた、交番プロセスではない反応性イオンエッチングプロセスを使用して、フッ素ガスを含むエッチングガスを用いたエッチングを行う。

【0023】

誘導結合型プラズマを用いた反応性イオンエッチング装置では、低圧でプラズマが形成できる。低い圧力では、エッチング分子の平均自由行程が長くなるため、エッチングガス分子が微細パターンの奥まで到達でき、マスク１０１の開口径に対してシリコン基板１０２の異方性エッチングが可能となる。このため、トレンチやビアの側壁のスキャロップが削り取られ、図４に示すような、スキャロップのないトレンチまたはビアを有するシリコン基板１０２が得られる。また、トレンチやビアの開口部４０１の角や底部４０２の隅が丸くなる。また、本実施形態に係る製造方法によりトレンチやビアの開口部４０１の角を丸くしたりスキャロップを削り取ったりすることができるので、作製したデバイスが電界集中により破壊されることを防ぐことができ、また、シリコン基板に形成した縦穴構造の内壁に絶縁膜を均一に成膜したりメタルを均一に埋め込むことができる。
このように、本実施形態に係る製造方法は、ボッシュプロセスと交番プロセスではない反応性イオンエッチングプロセスを組み合わせてエッチングを行う点に特徴を有する。

【0024】

なお、本実施形態に係る製造方法においては、トレンチやビアのスキャロップを取るためだけであればエッチングマスクの材質は問わない。一方、スキャロップを取ることに加えて、トレンチやビアの開口部４０１の角（かど）を丸くするためには、ボッシュプロセスにおいては耐性があり、且つ、誘導結合型プラズマを用いた反応性イオンエッチングプロセスにおけるエッチングによってマスクが除去されてしまう程度の耐性と厚さを持つマスク材を用いる必要がある。このようなマスク材としてはレジストマスクが挙げられる。 次に、具体的な実施例について説明する。

【実施例】

【0025】

[レジストマスクの作製]
基板として、２ｃｍ角、厚さ５２５μｍのシリコン基板を用意した。レジスト（商品名：スミレジストPFI-38、住友化学株式会社製）の塗布は、スピンコーターを用いて、３２００ｒｐｍで２０ｓｅｃの条件で行った。その後、９０℃、６０ｓｅｃのプリベークを行い、ラインアンドスペースパターンのレチクル（フォトマスク）を用いて、ステッパにて２３００Ｊ/ｍ^２、０．２μｍの条件で露光した。次いで、１１０℃、６０ｓｅｃの条件で露光後ベーク（Post Exposure Bake:ＰＥＢ）を行い、ＮＭＤ−Ｗ（2.38％テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、東京応化工業株式会社製）を用いて６０ｓｅｃ現像し、超純水で２ｍｉｎリンスした。その後、１２０℃、５ｍｉｎポストベークを行った。

【0026】

[トレンチの作製]
上述のレジストマスクを形成したシリコン基板に対して誘導結合型プラズマを用いた反応性イオンエッチング装置（製品名：RIE-800iPB、サムコ株式会社製）によりボッシュプロセスによるエッチングを行い、（１）保護膜の堆積、（２）底面保護膜の除去、（３）エッチングの３工程１周期として合計８０周期行った。各工程の条件は次の通りである。
（１）保護膜の堆積
ＩＣＰ＝６００Ｗ、ＢＩＡＳ＝１０Ｗ、ＡＰＣ＝１００％、Ｃ４Ｆ８＝５０ｓｃｃｍ、Ｏ２＝５ｓｃｃｍ、Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ
（２）底面保護膜の除去
ＩＣＰ＝６００Ｗ、ＢＩＡＳ＝１００Ｗ、ＡＰＣ＝１００％、ＳＦ６＝１００ｓｃｃｍ、Ｏ２＝５ｓｃｃｍ、Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ
（３）エッチング
ＩＣＰ＝６００Ｗ、ＢＩＡＳ＝１００Ｗ、ＡＰＣ＝１００％、ＳＦ６＝１００ｓｃｃｍ、Ｏ２＝５ｓｃｃｍ、Ａｒ＝１００ｓｃｃｍ

【0027】

上記条件で得られたトレンチの構造を図５に示す。

【0028】

次に、上記ボッシュプロセスによって得られたトレンチに誘導結合型プラズマを用いた反応性イオンエッチング装置（製品名：RIE-101iPH、サムコ株式会社製）によりフッ素ガスを用いた第２工程のプロセスを２０分間行った。その具体例１〜４を以下に示す。
（具体例１）
第２工程のプロセスの条件は次の通りである。
ＩＣＰ＝１００Ｗ、ＢＩＡＳ＝１００Ｗ、Process Pressure＝０．５Ｐａ、Ｆ_２／Ｈｅ＝２０ｓｃｃｍ。
なお、上記のＦ_２／Ｈｅ（エッチングガス）は、ＨｅとＦ_２が９：１の割合で混合されたガスである。以下の具体例２〜４も同様である。
上記条件で得られたトレンチの構造を図６に示す。

【0029】

図５と図６の比較から、ボッシュプロセスにより形成されたトレンチの開口部近傍で多く見られていたスキャロップ（内壁部の凹凸）は第２工程の反応性イオンエッチングプロセスで削減され、かつ、トレンチの開口部の先端形状が丸くなっていることが分かる。

【0030】

（具体例２）
第２工程のプロセスの条件は次の通りである。
ＩＣＰ＝２００Ｗ、ＢＩＡＳ＝１００Ｗ、Process Pressure＝０．５Ｐａ、Ｆ_２／Ｈｅ＝２０ｓｃｃｍ。
上記条件で得られたトレンチの構造を図７に示す。

【0031】

図５〜図７の比較から、この具体例２においては、ボッシュプロセスにより形成されたトレンチの開口部近傍で多く見られていたスキャロップが削減されたことが分かる。
一方、トレンチの開口部は丸みのない山型になっていた。また、トレンチの底部ではボッシュプロセス時には丸みを帯びていた形状が消失し、多角形状に変化していた。
以上より、反応性イオンエッチングプロセス後のトレンチの深さ寸法と開口径は、具体例１の場合と比較して大きな違いはないが、反応性イオンエッチングのプロセス条件をわずかに変えるだけで、開口部の先端形状と底部の形状を制御できることが分かる。

【0032】

（具体例３）
第２工程のプロセスの条件は次の通りである。
ＩＣＰ＝１００Ｗ、ＢＩＡＳ＝１００Ｗ、Process Pressure＝４．０Ｐａ、Ｆ_２／Ｈｅ＝２０ｓｃｃｍ。
上記条件で得られたトレンチの構造を図８に示す。

【0033】

図６及び図７と図８の比較から、Process Pressureを上げることで、エッチング深さ寸法と開口径が大きくなることが分かる。また、開口部の形状は丸みの無い鋭角な山型になっていることが確認できる。加えて、具体例２と同様に、トレンチの底部の形状が多角形状に変化していた。つまり、トレンチの底部形状については、ＩＣＰ電力を大きくした具体例２とProcess Pressureを大きくした具体例３で同様の現象が得られた。

【0034】

（具体例４）
第２工程のプロセスの条件は次の通りである。
ＩＣＰ＝１００Ｗ、ＢＩＡＳ＝１００Ｗ、Process Pressure＝０．５Ｐａ、Ｆ_２／Ｈｅ＝１９ｓｃｃｍ、Ｏ_２＝１ｓｃｃｍの条件で２０ｍｉｎエッチングを行った。
上記条件で得られたトレンチの構造を図９に示す。
これより、エッチング深さ寸法と開口径は若干大きくなることがわかる。また、エッチングの形状は、底部はボッシュプロセス終了時と大きな違いは見られないが、開口部は角が落とされ、わずかに丸みを帯びていることが確認できる。

【0035】

このように、本実施例に係る半導体装置の製造方法によれば、第１工程でシリコン基板を深く掘り進めてトレンチやビアを形成し、このときトレンチやビアの内壁にできたスキャロップを第２工程で削り取ることができるため、内壁が平坦なトレンチやビアを有する半導体装置を製造することができる。

【0036】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではない。例えば、上述の各実施例では、エッチング条件やトレンチの深さ寸法、開口径など具体的な種々の数値を挙げているが、いずれも上記した数値に限定されず、目的に応じて自由に選択することが可能である。

【符号の説明】

【0037】

１００…縦穴
１０２…シリコン基板
１０３…保護膜
２０２…スキャロップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】