JP2019057634A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】TSVを低温で形成することができ、かつ、リーク電流やクラックを抑制することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】本実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体素子を有する第1面と該第1面とは反対側にある第2面とを有する半導体基板を、第1面を支持基板に向けて該支持基板上に接着剤で貼付することを具備する。次に、半導体基板を第2面から加工して第2面から第1面に達するコンタクトホールを形成する。次に、コンタクトホールの内側面に第2絶縁膜を形成する。次に、コンタクトホール内の第2絶縁膜上に金属を埋め込むことによって金属電極を形成する。第2絶縁膜の形成は、プラズマCVD法を用いて、シリコンおよび酸素を含有するガス、酸素含有ガス、および、NH基含有ガスを含む200℃以下の雰囲気中において実行される。【選択図】図5

Description

本発明による実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
半導体メモリ等の半導体チップは、高機能化や高集積化等の観点から積層される場合がある。積層された複数の半導体チップ間の素子を電気的に接続するために、TSV(Through-Silicon Via)と呼ばれる貫通電極が用いられる。TSVは、半導体基板を貫通して他の半導体チップの素子と電気的に接続する。
TSVを基板と電気的に絶縁するために、TSV用のコンタクトホールの内側面にスペーサ層が形成される。しかし、TSV用のコンタクトホールのアスペクト比は高い。このようなアスペクト比の高いコンタクトホールの底部までスペーサ層をカバレッジ良く形成するためには、TEOSを用いたプラズマCVD法が用いられる。TEOSを用いたスペーサ層は、シランを用いたプラズマCVD法よりもカバレッジが良好であるからでる。
しかし、半導体基板に半導体素子を形成した後にTSVを形成するビアラストプロセスの場合、支持基板に半導体基板の素子形成面を接着剤で固定し、半導体基板の裏面を研磨して半導体基板を薄膜化した後にTSVを形成する。この場合、接着剤が溶融しないように、TSVの形成は、例えば、200℃以下の低温で実行される。
一方、TEOSを用いたプラズマCVD法を低温で実行した場合、スペーサ層には、OH基(水分)が多く混入する。OH基は、水分としてTSVと基板との間のリーク電流の原因となったり、蒸発してクラックや層間絶縁膜の剥がれの原因となる。また、このようなスペーサ層は、吸湿性が高く、経時的に劣化し易い。
特開平04−154125号公報 特開平04−162428号公報
TSVを低温で形成することができ、かつ、リーク電流やクラックを抑制することができる半導体装置の製造方法を提供する。
本実施形態による半導体装置の製造方法は、半導体素子を有する第1面と該第1面とは反対側にある第2面とを有する半導体基板を、第1面を支持基板に向けて該支持基板上に接着剤で貼付することを具備する。次に、半導体基板を第2面から加工して第2面から第1面に達するコンタクトホールを形成する。次に、コンタクトホールの内側面に第2絶縁膜を形成する。次に、コンタクトホール内の第2絶縁膜上に金属を埋め込むことによって金属電極を形成する。第2絶縁膜の形成は、プラズマCVD法を用いて、シリコンおよび酸素を含有するガス、酸素含有ガス、および、NH基含有ガスを含む200℃以下の雰囲気中において実行される。
本実施形態による半導体装置の製造方法の一例を示す断面図。 図1に続く、半導体装置の製造方法の一例を示す断面図。 図2に続く、半導体装置の製造方法の一例を示す断面図。 図3に続く、半導体装置の製造方法の一例を示す断面図。 本実施形態によるスペーサ膜の成膜方法の一例を示すフロー図。 フーリエ変換型赤外分析法を用いたスペーサ膜50の解析結果を示すグラフ。 スペーサ膜50のリーク電流の解析結果を示すグラフ。 スペーサ膜50の耐圧の解析結果を示すグラフ。 スペーサ膜50の容量の測定結果を示すグラフ。 スペーサ膜50に含まれるOH基の経時変化を示すグラフ。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。以下の実施形態において、半導体基板の上下方向は、TSVが形成される面を上とした場合の相対方向を示し、重力加速度に従った上下方向と異なる場合がある。
図1〜図4(B)は、本実施形態による半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。半導体装置は、例えば、NAND型EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory)等を有する半導体チップでよい。以下、半導体ウェハにTSV40を形成する方法を主に説明する。
まず、図1に示すように、半導体基板10の第1面F1上にSTI20を形成し、アクティブエリアAAを決める。半導体基板10は、この段階では個片化されていない半導体ウェハであり、例えば、シリコン基板(シリコンウェハ)である。STI20は、例えば、シリコン酸化膜である。
次に、アクティブエリアAAに半導体素子15を形成する。半導体素子15は、例えば、メモリセルアレイ、トランジスタ、抵抗素子、キャパシタ素子等でよい。半導体素子15の形成の際に、STI20上には、例えば、配線構造35が形成される。半導体素子15および配線構造35は、絶縁膜37、38によって被覆される。次に、パッド30が配線構造35に電気的に接続されるように形成される。STI20上には、導電体30、35が形成される。尚、図1には、TSV40の形成領域だけでなく、半導体素子15の形成領域も示しているが、図2(A)以降、半導体素子15の形成領域の図示を省略し、TSV40の形成領域のみを示す。
次に、図2(A)に示すように、半導体基板10の第1面F1を支持基板101に向けて、半導体基板10を支持基板101上に接着剤102で貼付する。半導体基板10と支持基板101との間を接着する接着剤102には、例えば、約200℃を超えると、溶融するような有機材料でよい。半導体基板10の第2面F2上にフォトレジスト80を形成し、TSV用のコンタクトホールCHのパターンに加工する。第2面F2は、第1面F1とは反対側にある半導体基板10の面である。
次に、リソグラフィ技術およびRIE(Reactive Ion Etching)法を用いて、図2(B)に示すように、第2面F2から半導体基板10をエッチングする。即ち、フォトレジスト80をマスクとして用いて、半導体素子15の形成されている第1面F1とは反対側の第2面F2(裏面)からコンタクトホールCHを形成する。コンタクトホールCHは、第2面F2から第1面F1に達するように形成される。TSV40を配線層35に接続させるために、コンタクトホールCHは、STI20の領域のうち、配線層35が存在する領域に形成される。コンタクトホールCHの形成により、STI20が露出される。
フォトレジスト80の除去後、図3(A)に示すように、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、コンタクトホールCHの内側面、底面および半導体基板10の第2面F2上に第2絶縁膜としてのスペーサ膜50を形成する。スペーサ膜50は、例えば、シリコン酸化膜である。
TSV40に用いられるコンタクトホールCHのアスペクト比は高い。例えば、コンタクトホールCHの開口幅が約10μmに対して、その深さが約28μmである。この場合、アスペクト比は、2.8となる。このような、アスペクト比の大きなコンタクトホールCHの内面にスペーサ膜50を成膜する場合、TEOS(TetraEthylOrthoSilicate)ガスを原料ガスとして用いることが多い。TEOSガスを用いた絶縁膜(例えば、シリコン酸化膜)は、シランガスを用いた絶縁膜よりもカバレッジが良好であり、アスペクト比の高いコンタクトホールCHの底部にもスペーサ膜を成膜することができるからである。シランガスを用いたプラズマCVD法では、コンタクトホールCHの開口部に絶縁膜が厚く形成され(即ち、オーバーハングが大きくなり)、コンタクトホールCHの底部まで絶縁膜を充分に形成することが困難となる。従って、本実施形態では、シリコンおよび酸素を含有するガスとしてTEOSガスを用いたプラズマCVD法を用いて、スペーサ膜50をコンタクトホールCHの内側面に成膜する。例えば、スペーサ膜50の形成工程は、TEOSガス、酸素含有ガス、および、NH基含有ガスを含む雰囲気中において実行される。
一方、本実施形態のように、半導体素子15および配線層35等を半導体基板10上に形成した後に、半導体基板10の第2面F2からコンタクトホールCH、スペーサ膜50およびTSV40を形成する場合(ビアラストプロセスの場合)、半導体基板10は、接着剤102によって支持基板101に貼付される。接着剤102は、約200℃を超える温度になると、溶融して接着剤として機能しなくなってしまう。従って、スペーサ膜50は、200℃以下の低温雰囲気中にて形成される必要がある。
しかし、200℃以下の雰囲気中において、TEOSを用いたプラズマCVD法でスペーサ膜50を形成した場合、スペーサ膜50には、OH基(水分)が比較的多く取り込まれてしまう。また、この場合、スペーサ膜50には、ダングリングボンドが多く存在し、大気中の水分を吸収し易くなる。スペーサ膜50がシリコン酸化膜である場合、OH基を多く含むシリコン酸化膜は、リーク電流が大きく、耐圧も低下し、尚且つ、比誘電率も高くなる。このようなシリコン酸化膜をスペーサ膜50として用いた場合、TSV40と半導体基板10との間に大きなリーク電流が流れ、TSV40と半導体基板10との間の耐圧も低下する。さらに、スペーサ膜50の比誘電率が高くなると、TSV40と半導体基板10との間の寄生容量が増大し、TSV40に印加される電圧によって半導体素子15が誤動作するおそれがある。従って、TEOSを用いたプラズマCVD法で、200℃以下の低温雰囲気中において、OH基(水分)の少ないスペーサ膜50を形成することが望まれている。好ましくは、スペーサ膜50の成膜温度は、100℃〜200℃であることが好ましい。
そこで、本実施形態では、TEOSガスおよび酸素含有ガスに、さらにNH基含有ガスを添加したプロセスガスを用いて、スペーサ膜50を形成する。酸素含有ガスは、例えば、NO、O、NO等である。NH基含有ガスは、NHでよい、あるいは、N等でもよい。
スペーサ膜50の成膜処理条件は、以下の通りである。成膜チャンバに供給するTEOSガスの流量は、例えば、約1500 mg/mである。成膜チャンバに供給する酸素含有ガス(例えば、NOガス)の流量は、例えば、約8000sccmである。成膜チャンバに供給するNH基含有ガス(例えば、NHガス)の流量は、例えば、約2000sccmである。成膜処理温度は、例えば、約150℃である。成膜時間は、約240秒である。ここで、TEOSガス、酸素含有ガス、NH基含有ガスの各分圧比は、だいたい1:1.5:6である。NH基含有ガスの分圧は、TEOSガスおよび酸素含有ガスの分圧に比較して低い。
このような成膜処理条件によってスペーサ膜50としてのシリコン酸化膜がコンタクトホールCH内に堆積する。このとき、NH基は、OH基よりもシリコン酸化膜のダングリングボンドに結合し易く、OH基の代わりにシリコン酸化膜内に含有される。スペーサ膜50の中のダングリングボンドには、NH基が結合している。即ち、スペーサ膜50に含まれるOH基(水分)の量は少なくなり、NH基の量が多くなる。
尚、NH基含有ガスの分圧比は、2以下あるいはOの圧力の1/3以下であることが好ましい。なぜならば、NH基含有ガスの分圧比が2あるいはOの圧力の1/3を超えると、シリコン酸化膜に含まれる窒素含有量が多くなり、比誘電率が大きく上昇してしまうからである。即ち、シリコン酸化膜がシリコン酸窒化膜(SiON)やシリコン窒化膜に近くなってしまうからである。
このように、TEOSガスにNH基含有ガスを添加することによって、OH基(水分)の少ないスペーサ膜50が形成され得る。また、スペーサ膜50は、TEOSガスを用いているので、コンタクトホールCHの内壁をカバレッジ良く被覆することができる。
次に、図3(B)に示すように、コンタクトホールCH以外の第2面F2上にフォトレジスト80を形成する。次に、フォトレジスト80およびスペーサ膜50をマスクとして用いて、コンタクトホールCHの底部にあるスペーサ膜50をRIE(Reactive Ion Etching)法で除去する。これにより、配線層35がコンタクトホールCHの底部にて露出される。
次に、図4に示すように、コンタクトホールCH内にバリアメタルBMを形成し、TSV40の金属材料を堆積する。バリアメタルBMには、例えば、Ti、Ta、Ruまたはその積層膜を用いる。TSV40には、例えば、ニッケル等の金属材料を用いる。これにより、TSV40の金属材料をコンタクトホールCHに埋め込み、配線層35に電気的に接続させることができる。TSV40は、第1面F側にある配線層35を第2面F2側へ引き出すことができる。
次に、リソグラフィ技術およびRIE法を用いて、TSV40およびバリアメタルBMを加工する。これにより、第2面F2のフィールド上にあるTSV40およびバリアメタルBMの材料を除去する。
次に、図4(B)に示すように、めっき法等を用いて、TSV40上にバンプ60が形成される。バンプ60には、例えば、スズ等を用いている。これにより、本実施形態による半導体装置が完成する。尚、その後、半導体装置は、半導体チップとして個片化される。半導体チップは、他の半導体チップと積層され、TSV40およびバンプ60等を介して、他の半導体チップと電気的に接続される。
図5は、本実施形態によるスペーサ膜の成膜方法の一例を示すフロー図である。まず、コンタクトホールCHを形成した半導体ウェハを、プラズマCVD装置(図示せず)の成膜チャンバ内に搬入する(S10)。次に、上記成膜処理条件に従って成膜チャンバ内の温度を設定し、TEOSガス、酸素含有ガスおよびNH基含有ガスを成膜チャンバへ供給開始する(S20)。
次に、RF電源を投入しプラズマズCVD法にてスペーサ膜50としてのシリコン酸化膜をコンタクトホールCH内に成膜する(S30)。
次に、TEOSガスの供給を停止し、酸素含有ガスおよびNH基含有ガスの供給を停止する(S40)。さらに、RF電源を切る(S50)。
その後、成膜チャンバから半導体ウェハを搬出して、成膜処理が終了する(S60)。
図6は、フーリエ変換型赤外分析法(FT−IR法)を用いたスペーサ膜50の解析結果を示すグラフである。横軸は、スペーサ膜50に照射する赤外線の単位長さ当たりの波数(cm−1)を示し、縦軸は、赤外線の吸収率を示している。ラインL1は、400℃の雰囲気中にて、NH基含有ガスを添加していないTEOSガスを用いて形成されたシリコン酸化膜の解析結果を示す。ラインL2は、150℃の雰囲気中において、NH基含有ガスを添加していないTEOSガスを用いて形成されたシリコン酸化膜の解析結果を示す。ラインL3は、150℃の雰囲気中において、NH基含有ガスを添加したTEOSガスを用いて形成されたシリコン酸化膜の解析結果を示す。即ち、ラインL3は本実施形態による成膜方法を用いて形成されたスペーサ膜50の解析結果である。
ラインL1を参照すると、OH基のピークが比較的小さく、スペーサ膜50に含まれるOH基の量が比較的少ないことが分かる。しかし、400℃の温度で成膜処理した場合、上述の通り、接着剤102が溶融するため、ラインL1に対応する成膜条件は、現実的には採用することはできない。
ラインL2を参照すると、OH基のピークが大きく、スペーサ膜50に含まれるOH基の量が非常に多いことが分かる。150℃の低温でNH基含有ガスをTEOSガスに添加せずに成膜処理した場合、スペーサ膜50に含まれるOH基の量は非常に多くなる。
ラインL3を参照すると、OH基のピークが小さく、かつ、NH基のピークが現れていることが分かる。即ち、スペーサ膜50に含まれるOH基の量が少なく、その代わりに、NH基の量が多くなっていることが分かる。150℃の低温であっても、NH基含有ガスをTEOSガスに添加して成膜処理すれば、スペーサ膜50に含まれるOH基の量を低く抑えることができる。
図7は、スペーサ膜50のリーク電流の解析結果を示すグラフである。横軸は、スペーサ膜50に印加された電界の大きさであり、縦軸は、リーク電流を示している。図7〜図9のラインL1〜L3は、それぞれ図6のラインL1〜L3に対応する。
ラインL1で示すスペーサ膜は、OH基が比較的少ないため、そのリーク電流が比較的小さい。しかし、上述の通り、400℃の温度で成膜処理しているので、ラインL1に対応する成膜条件は採用できない。ラインL2で示すスペーサ膜は、OH基が大量に含まれるため、そのリーク電流は大きくなっている。本実施形態によるラインL3のスペーサ膜50は、OH基がNH基に置換されている。このため、ラインL3に示すリーク電流は、ラインL1のリーク電流よりも大きいものの、ラインL2のリーク電流よりも明らかに小さい。
図8は、スペーサ膜50の耐圧の解析結果を示すグラフである。横軸は、スペーサ膜50に印加された電界の大きさであり、縦軸は、リーク電流を示している。リーク電流が所定値を超えた電界を耐圧としている。
ラインL1で示すスペーサ膜は、OH基が比較的少ないためリーク電流が小さく、耐圧が比較的大きい。しかし、上述の通り、400℃の温度で成膜処理しているので、ラインL1に対応する成膜条件は採用できない。ラインL2で示すスペーサ膜は、OH基が大量に含まれるためリーク電流が大きく、耐圧は比較的低い。本実施形態によるラインL3は、OH基がNH基に置換されているため、その耐圧は、ラインL1の耐圧よりも若干低いが、ラインL2の耐圧よりも明らかに高くなっている。
図9は、スペーサ膜50の容量の測定結果を示すグラフである。横軸は、TSV40に印加される電圧の大きさであり、縦軸は、スペーサ膜50の容量値である。
ラインL1で示すスペーサ膜は、OH基が比較的少ないため、スペーサ膜50の容量値が小さい。しかし、上述の通り、400℃の温度で成膜処理しているので、ラインL1に対応する成膜条件は採用できない。ラインL2で示すスペーサ膜は、OH基が大量に含まれるため容量値が大きい。この場合、TSV40と半導体基板10とが容量結合し、TSV40に印加される電圧が半導体素子15に影響を与えるおそれがある。一方、本実施形態によるラインL3は、OH基がNH基に置換されているため、ラインL1の容量よりも若干高いが、ラインL2の容量よりも明らかに低い。これに伴い、本実施形態による半導体装置では、スペーサ膜50のヒステリシスも生じ難くなっている。
図10は、スペーサ膜50に含まれるOH基の経時変化を示すグラフである。この実験では、成膜直後の時点を0時間(0h)とし、72時間後(72h)のOH基の含有量を測定している。縦軸は、SiOに対するSiOHの含有比率を示している。ここで、NH基含有ガスを添加せずに成膜されたスペーサ膜50(NH基添加無し)は、成膜直後においてOH基の含有比率が既に高い。そして、スペーサ膜50のOH基の含有比率は、72時間放置するとさらに高くなっている。一方、NH基含有ガスを添加して成膜されたスペーサ膜50(NH基添加あり)は、成膜直後においてOH基の含有比率が低い。尚且つ、スペーサ膜50のOH基の含有比率は、72時間放置してもほとんど変化せず、低いままである。このように、NH基含有ガスの添加によって、スペーサ膜50に含まれるOH基の含有比率が低下するだけでなく、スペーサ膜50に含まれるOH基の含有比率が経時的に増大しない。これにより、スペーサ膜50の経時的な劣化を抑制することができる。即ち、NH基含有ガスの添加によって、スペーサ膜50のリーク電流特性、耐圧特性、容量特性は、改善され、かつ、経時的にも良好な状態を維持することができる。
以上から、本実施形態による半導体装置の製造方法は、TEOSガスを用いることによって、スペーサ膜50を低温でカバレッジ良く形成することができる。また、スペーサ膜50に含まれるOH基(水分)を抑制できるので、スペーサ膜50のリーク電流やクラックを抑制することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10 半導体基板、F1 第1面、F2 第2面、15 半導体素子、20 STI、AA アクティブエリア、30 パッド、35 配線構造、37,38 絶縁膜、40 TSV、CH コンタクトホール、50 スペーサ膜、80 フォトレジスト、102 接着剤、101 支持基板

Claims (6)

  1. 半導体素子を有する第1面と該第1面とは反対側にある第2面とを有する半導体基板を、前記第1面を支持基板に向けて該支持基板上に接着剤で貼付し、
    前記半導体基板を前記第2面から加工して前記第2面から前記第1面に達するコンタクトホールを形成し、
    前記コンタクトホールの内側面に第2絶縁膜を形成し、
    前記コンタクトホール内の前記第2絶縁膜上に金属を埋め込むことによって金属電極を形成することを具備し、
    前記第2絶縁膜の形成は、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、シリコンおよび酸素を含有するガス、酸素含有ガス、および、NH基含有ガスを含む200℃以下の雰囲気中において実行される、半導体装置の製造方法。
  2. 前記シリコンおよび酸素を含有するガスは、TEOS(TetraEthylOrthoSilicate)ガスであり、
    前記酸素含有ガスは、NOまたはOであり、
    前記NH基含有ガスは、NHまたはNである、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2絶縁膜の形成は、200℃以下の雰囲気中において実行される、請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第2絶縁膜の形成は、100℃〜200℃の雰囲気中において実行される、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第2絶縁膜の中のダングリングボンドには、NH基が結合している、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記半導体基板の前記第1面上に前記半導体素子および配線層を形成した後に、前記コンタクトホール、前記第2絶縁膜および前記金属電極を形成する、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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