特許 7438529 上部にテーパ形状を持つ、深堀構造を有するシリコン基板の製造方法

(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】

(24)【登録日】2024-02-16

(45)【発行日】2024-02-27

(54)【発明の名称】上部にテーパ形状を持つ、深堀構造を有するシリコン基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20240219BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 105A

H01L21/302 101C

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020037939

(22)【出願日】2020-03-05

(65)【公開番号】P2021141207

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2023-02-07

(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】弁理士法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内田 聡充

(72)【発明者】

【氏名】野中 知行

【審査官】小▲高▼ 孔頌

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１３７２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１０３８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０８４８７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５０８６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０１７０３１３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０３４５６６２０（ＣＮ，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】

シリコン基板を、SF₆ガスとCF系ガスの混合ガスを用いて等方性エッチングすることにより表面側が大口径であるテーパ形状を形成する第１工程と、
前記第１工程後にSF₆ガスとO₂ガスとSiF₄ガスの混合ガスを用いて深さ方向に強いエッチングを行う異方性エッチングにより前記テーパ形状の下に深堀構造を形成する第２工程
を備えることを特徴とする、上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板の製造方法。

【請求項2】

前記CF系ガスがC₄F₈ガス又はCF₄ガスである請求項１に記載の上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板の製造方法。

【請求項3】

前記上部のテーパ形状の斜面のテーパ角を85゜以下とする請求項１又は２に記載の上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板の製造方法。

【請求項4】

前記深堀構造の前記シリコン基板表面からの深さが、前記テーパ形状の表面の開口部の径よりも大きくなるようにする請求項１～３のいずれかに記載の上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板の製造方法。

【請求項5】

被処理シリコン基板を保持する基板保持部を有するプラズマ処理室と、
前記プラズマ処理室にSF₆ガス、CF系ガス、O₂ガス及びSiF₄ガスをそれぞれ制御された流量で導入するためのガス導入部と、
前記プラズマ処理室内のガスをプラズマ化するための高周波電力を投入する電力部と、
前記ガス導入部及び前記電力部を制御することにより、前記基板保持部に保持されたシリコン基板を、SF₆ガスとCF系ガスの混合ガスを用いて等方性エッチングすることにより表面側が大口径であるテーパ形状を形成する第１工程と、前記第１工程後にSF₆ガスとO₂ガスとSiF₄ガスの混合ガスを用いて深さ方向に強いエッチングを行う異方性エッチングにより前記テーパ形状の下に深堀構造を形成する第２工程を行う制御部と
を備えることを特徴とする、上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板を製造するためのプラズマ処理装置。

【請求項6】

前記ガス導入部におけるCF系ガスがC₄F₈ガス又は CF₄ガスである請求項５に記載の上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板を製造するためのプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、上部にテーパ形状を持つ、深堀構造を有するシリコン基板を製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコン基板に深い溝（トレンチ）や穴（ホール）（以下、これらを総称して深堀構造と言う。）を形成する場合、その上部に、表面側を広くしたテーパ形状を設けることがある。深堀構造の内部の側壁表面に成膜をする場合に成膜原料を入り込み易くするため、あるいは、深堀構造を雌型として成形体（又は雄型）を成形する場合に成形体を抜き易くするためにそのようなテーパ形状が必要とされる。

【0003】

このようなテーパ形状を形成するエッチング方法として、従来、側壁を酸化膜によって保護しつつエッチングを行うという方法がとられていた。しかしこの方法では、基板のマスク直下において幅方向にエッチングが進行しにくく、側壁上部が円弧状にえぐれた形状（ボーイング形状）となるという問題があった。

【0004】

このようなボーイング形状の形成を防止し、上部の広いテーパ形状を持った深堀構造を形成する方法として、特許文献１では次のような方法を採用している。まず、フッ素系ガス及び窒素ガスを用い、これらのガスを同時にプラズマ化するとともに、プラズマ化した窒素ガスによってシリコン基板に耐エッチング層を形成しつつ、プラズマ化したフッ素系ガスによって該シリコン基板をエッチングする第１工程を実施する。この第１工程により、テーパ形状が形成される。その後、フッ素系ガス及び酸素系ガスを用い、これらのガスを同時にプラズマ化するとともに、プラズマ化した酸素系ガスによって前記シリコン基板に耐エッチング層を形成しつつ、プラズマ化したフッ素系ガスによって該シリコン基板をエッチングする第２工程を実施する。これにより前記テーパ形状の下に深い垂直孔が形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】WO 2011/148985公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の方法では、形状的には上部にテーパ形状を有する深堀構造を得ることができるものの、第２工程では深堀構造エッチングによって新たに形成される側壁が、酸素系ガスのプラズマ化により形成される耐エッチング層（例えば、SiO₂からなる酸化膜）によって保護されつつエッチングが進行するというプロセスで形成される。そのため、その表面が荒れることが避けられない。

【0007】

本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、上部においてボーイング形状の形成を防止してテーパ形状を形成しつつ、側壁表面がスムーズな深堀構造を得ることができるシリコン基板のエッチング方法（シリコン基板製造方法）を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために成された本発明に係る、上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板製造方法は、
シリコン基板を、SF₆ガスとCF系ガスの混合ガスを用いて等方性エッチングすることにより表面側が大口径であるテーパ形状を形成する第１工程と、
前記第１工程後にSF₆ガスとO₂ガスとSiF₄ガスの混合ガスを用いて深さ方向に強いエッチングを行う異方性エッチングにより前記テーパ形状の下に深堀構造を形成する第２工程
を備えることを特徴とする。

【0009】

前記CF系ガスは、C₄F₈ガス又はCF₄ガスとするとよい。

【0010】

本発明に係る上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板製造方法において、上部のテーパ形状の斜面のシリコン基板表面からの角度（テーパ角）は85゜以下とすることが望ましい。

【0011】

また、深堀構造のシリコン基板表面からの深さは、前記テーパ形状の表面の開口部径よりも大きくすることが望ましい。

【0012】

上記課題を解決するために成された本発明に係る、上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板を製造するためのプラズマ処理装置は、
被処理シリコン基板を保持する基板保持部を有するプラズマ処理室と、
前記プラズマ処理室にSF₆ガス、CF系ガス、O₂ガス及びSiF₄ガスをそれぞれ制御された流量で導入するためのガス導入部と、
前記プラズマ処理室内のガスをプラズマ化するための高周波電力を投入する電力部と、
前記ガス導入部及び前記電力部を制御することにより、前記基板保持部に保持されたシリコン基板を、SF₆ガスとCF系ガスの混合ガスを用いて等方性エッチングすることにより表面側が大口径であるテーパ形状を形成する第１工程と、前記第１工程後にSF₆ガスとO₂ガスとSiF₄ガスの混合ガスを用いて深さ方向に強いエッチングを行う異方性エッチングにより前記テーパ形状の下に深堀構造を形成する第２工程を行う制御部と
を備えることを特徴とする。

【0013】

前記ガス導入部におけるCF系ガスは、C₄F₈ガス又はCF₄ガスとするとよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る上部にテーパ形状を持つ深堀構造を有するシリコン基板製造方法及び同方法を実施するためのプラズマ処理装置により、上部にテーパ形状を持つ深堀構造をシリコン基板に形成する際、その上部がボーイング形状となることを防止することができる。また、深堀構造の側壁表面がスムーズとなる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明に係る方法を実施するためのプラズマ処理装置の概略構成図。

【図2】本発明に係る方法を実施してシリコン基板に上部にテーパ形状を持つ深堀構造を形成する際のフローチャート。

【図3】前記プラズマ処理装置を用いて本発明の方法によりシリコン基板に上部にテーパ形状を持つ深堀構造を形成する際の第１のエッチング処理条件を示す表。

【図4】前記第１のエッチング処理条件でエッチング処理を行った後のシリコン基板の深堀構造を示す断面写真(a)及び諸元(b)。

【図5】前記プラズマ処理装置を用いて本発明の方法によりシリコン基板に上部にテーパ形状を持つ深堀構造を形成する際の第２のエッチング処理条件を示す表。

【図6】前記第２のエッチング処理条件でエッチング処理を行った後のシリコン基板の深堀構造を示す断面写真(a)及び諸元(b)。

【図7】前記プラズマ処理装置を用いて従来の方法によりシリコン基板に上部にテーパ形状を持つ深堀構造を形成する際の第３のエッチング処理条件を示す表。

【図8】前記第３のエッチング処理条件でエッチング処理を行った後のシリコン基板の深堀構造を示す断面写真(a)及び諸元(b)。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明に係る方法及び従来の方法を用いてシリコン基板を製造する方法、具体的には、シリコン基板に深堀構造を形成する方法の例を記述する。ここで形成する深堀構造はいずれも、一辺50μm、深さ約120μmの正方形の孔（ホール）であり、その上部約1/2にテーパ形状を持つ。

【0017】

図１は、本方法で使用する誘導結合型反応性イオンエッチング装置（ICP-RIE、製品名：RIE-800iPBC。サムコ株式会社製。以下「プラズマエッチング装置」とする）の要部構成図である。

【0018】

図１のプラズマエッチング装置１は、プラズマエッチングを行う反応室１０を有し、その底部に、処理対象物であるシリコン基板（以下、これをワークと言う）１１を載置する平板状の下部電極１２が設けられている。この下部電極１２には、ブロッキングコンデンサ１６及び第１整合器１７を介して第１高周波電源１８が接続されている。下部電極１２にはまた、プラズマ処理中にワーク１１を固定するための静電吸着機構（図示せず）、及び、ワーク１１を所定の温度に保つための冷却ガス（Heガス）を流通させる冷却ガス流路（図示せず）が設けられている。

【0019】

反応室１０の側壁には、後述の処理ガス（エッチングガス又は保護膜形成用の成膜ガス）を導入するガス導入口１４と、反応室１０内を排気する、真空ポンプ２６に接続されたガス排気口１５が設けられている。

【0020】

ガス導入口１４には第１マスフローコントローラ（ＭＦＣ１）２２ａ、第２マスフローコントローラ（ＭＦＣ２）２２ｂ、第３マスフローコントローラ（ＭＦＣ３）２２ｃ及び第４マスフローコントローラ（ＭＦＣ４）２２ｄが並列に接続されており、これら第１ＭＦＣ２２ａ～第４ＭＦＣ２２ｄにはそれぞれ第１ガス供給源２３ａ、第２ガス供給源２３ｂ、第３ガス供給源２３ｃ及び第４ガス供給源２３ｄが接続される。本実施形態では、第１ガス供給源２３ａには六フッ化硫黄ガス（SF₆）、第２ガス供給源２３ｂにはパーフルオロシクロブタン（C₄F₈）、第３ガス供給源２３ｃには酸素ガス（O₂）、そして第４ガス供給源２３ｄには四フッ化ケイ素ガス（SiF₄）のガス源（ボンベ）が使用される。反応室１０内に送給される処理ガスの設定は、これら第１マスフローコントローラ２２ａ～第４マスフローコントローラ２２ｄの流量及び開閉を制御することにより行われる。

【0021】

反応室１０上部には、円筒状の誘電体１３、及び該誘電体１３の外周に巻回された誘導結合コイル１９が設けられている。誘導結合コイル１９の一端は第２整合器２０を介して第２高周波電源２１に接続されており、他端は接地されている。

【0022】

本プラズマエッチング装置１にはコンピュータにより構成される制御部２９が設けられており、操作者は、本プラズマエッチング装置１による各種処理を制御部２９を通じて行う。制御部２９は、操作者により指定された条件及び予め設定された条件等に基づいて、第１高周波電源１８、第２高周波電源２１、真空ポンプ２６、及び第１ＭＦＣ２２ａ～第４ＭＦＣ２２ｄを動作させる。

【0023】

以下、上記プラズマエッチング装置１を用いたシリコン基板のホール形成方法の第１の例について図２及び図３を参照しつつ説明する。

【0024】

まず、処理対象であるワーク１１を準備する。ワーク１１は厚さ280μm～725μm（直径は2インチ～8インチ）のシリコン基板であり、その表面に厚さ10μmのレジスト膜を形成し（ステップS11）、そこに一辺が50μmの正方形の孔を形成しておく（S12）。

【0025】

このように準備したワーク１１を下部電極１２上に載置し、静電吸着機構によりワーク１１を下部電極１２に確実に保持する。次に、ワーク１１へのホール形成のための処理条件を制御部２９に入力し（或いは、予め作成され、記憶装置等に記憶された処理条件を読み出し）、ホール形成を制御部２９に指示する。ホール形成は、第１工程である等方性エッチングによる上部テーパ形成（S13）と、それに引き続く第２工程である異方性エッチングによる下部ホール形成（S14）の２段階の工程で行われる（図２）。

【0026】

以下、第１の実施例によるホール形成の処理及び結果を説明する（図３、図４）。
まず、第１工程として、SF₆とCF₄の混合ガスによる等方性エッチングを行う。このときのエッチング条件は図３の上段に示すとおりである。この処理により、シリコン基板の上部にテーパ部が形成される。

【0027】

次に第２工程として、SF₆、O₂及びSiF₄の混合ガスによる、垂直方向を強くエッチングする異方性エッチングを行う。SiF₄ガスにより、第１工程で形成されたテーパ部とこの第２工程で形成されるホール部の側壁の表面には十分な保護膜が形成され、深堀構造全体にスムーズな表面が形成される。

【0028】

こうして形成された深堀構造の断面写真を図４(a)に示す。その諸元は図４(b)に示すとおりである。上部のテーパ部は湾曲（ボーイング）の無いきれいな斜面となっており、下部のホール部もほぼストレートな形状となっている。

【0029】

次に、第２の実施例によるホール形成の処理及び結果を説明する（図５、図６）。
本実施例では、図５の上段に示すとおり、第１工程の等方性エッチングにおいてSF₆とCF₄の混合ガスを用いることは第１実施例と同じであるものの、CF₄ガスの混合比を高めている。そして第２工程では同じくSF₆、O₂及びSiF₄の混合ガスを使用しつつ、混合ガス中のO₂の比率を下げている。
こうして形成された深堀構造は図６(a)(b)に示すとおり、上部テーパー部の角度がより大きくなっている。

【0030】

比較のために、従来の方法により同様のホール形成を行った例を説明する（図７、図８）。この比較例では、図７に示すとおり、第１工程は本発明と同様であるものの、第２工程の異方性エッチングにおいてSiF₄ガスを使用せず、SF₆ガスとO₂ガスのみでエッチングを行っている。このため、第２工程において上部テーパ部の側壁がエッチングされ、ボーイングが生じている。

【符号の説明】

【0031】

１…プラズマエッチング装置
１０…反応室
１１…ワーク
１２…下部電極
１３…誘電体
１４…ガス導入口
１５…ガス排気口
１６…ブロッキングコンデンサ
１７…第１整合器
１８…第１高周波電源
１９…コイル
２０…第２整合器
２１…第２高周波電源
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ…第１ＭＦＣ、第２ＭＦＣ、第３ＭＦＣ、第４ＭＦＣ
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ…第１ガス供給源、第２ガス供給源、第３ガス供給源、第４ガス供給源
２６…真空ポンプ
２９…制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】