JP5961794B2 - 高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法に関する。特に、半導体装置やMEMSデバイスに用いられる、アスペクト比の大きいトレンチやビア、ピラー等を有するシリコン基板の製造方法に関する。

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。

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。TSVを作製する工程では、シリコン基板にビアと呼ばれる縦穴構造を形成し、その内壁に絶縁膜を形成した後、導電体を堆積させて電気配線を完成させる。また、高集積半導体では、ピラーと呼ばれる柱構造も作製される。

シリコン基板にこれら縦穴構造や柱構造を形成する方法として、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）プロセスが知られている。反応性イオンエッチングプロセスはイオンや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。特に、縦穴構造や柱構造のアスペクト比（穴径に対する穴深さの比、柱径に対する柱高さの比）が大きい場合には、ボッシュプロセスと呼ばれる方法が用いられる（特許文献１、２）。ボッシュプロセスを用いると、アスペクト比100以上の縦穴構造や柱構造を形成することができる。

表面にマスク２が形成されたシリコン基板１にボッシュプロセスを用いて縦穴構造を形成する工程を図１に示す。ボッシュプロセスでは、シリコン基板を等方的にエッチングする等方性エッチング工程（図１(a)）、エッチングにより形成した縦穴３の内壁（側壁及び底面）に保護膜４を堆積する保護膜堆積工程（図１(b)）、及び底面の保護膜を除去する底面エッチング工程（図１(c)）の３つの工程を１周期としたプロセスを複数周期繰り返す。ボッシュプロセスにより柱構造を形成する場合も同様に、上記各工程を繰り返し、目的とする柱構造以外の部分をエッチングにより除去する。

等方性エッチング工程ではラジカルにより等方的にシリコンをエッチングする。一方、底面エッチング工程ではイオンにより縦穴３の底面の保護膜４を選択的に除去する。具体的には、シリコン基板１に負のバイアス電圧を印加してプラズマからシリコン基板１に向かう方向に電気力線を発生させ、エッチングガスから生成されたイオンを該電気力線に沿って加速する。加速されたイオンはエッチングされた部分の底面に衝突し、底面の保護膜４を除去する（図２(a)）。

エッチング工程（等方性エッチング工程及び底面エッチング工程）では、一般的にSF₆ガスがエッチングガスとして用いられる。SF₆ガスは絶縁性を有するため放電させることが難しいものの、大きな高周波電力を供給してプラズマ化すると大量にイオンやラジカルが生成される。従って、SF₆ガスをエッチングガスとして用いると高速エッチングを行うことができる。

特開2007-311584号公報 国際公開第2008/75715号

底面エッチング工程において縦穴３に入射するイオンの量や加速方向は、エッチングガスをプラズマ化することにより生成されるイオン量や、シリコン基板１に印加するバイアス電圧の大きさによって決まる。底面の保護膜４を選択的にエッチングするためには、適切な量のイオンが適切な方向に加速されるような適正値にバイアス電圧を設定することが重要となる。そこで、エッチングガスをプラズマ化する際に供給する高周波電力の大きさからプラズマ化により生成されるイオン量を想定してバイアス電圧の大きさの適正値を設定する。

しかし、エッチングガスとしてSF₆を用いる場合、バイアス電圧の大きさを適正値に設定して、適切な量のイオンを適切な方向に加速することが困難である。
その理由は、SF₆ガスのような絶縁性を有するガスは、大きな高周波電力を供給して一気にプラズマ化するため、イオンの密度が大きくなり、縦穴３に入射するイオンの進行方向には大きなばらつきが存在するからであると考えられる。

縦方向のイオン加速が不充分な状態でイオンが縦穴３に入射すると、底面だけでなく底面近傍の側壁の保護膜４までエッチングしてしまう（図２(b)）。また、縦穴３に入射するイオンの量が不足すると、底面の保護膜４が除去されないまま底面エッチング工程が終了し、次の等方性エッチング工程に移行してしまう（図２(c)）。このような非正常な底面エッチング工程が繰り返し行われると、最終的に逆テーパ状（縦穴構造の上部から縦穴構造の下部に向かって内径が徐々に大きくなる形状）やテーパ状を有する縦穴構造が形成されてしまう。
ここではシリコン基板１に縦穴構造を形成する場合を例に説明したが、シリコン基板１に柱構造を形成する場合にも同じ問題が生じる。

本発明は、ボッシュプロセスを用いて、シリコン基板にアスペクト比の大きい（すなわち、高アスペクト比の）、かつ、垂直性の高い縦穴等の凹凸構造を形成することができるシリコン基板の製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、プラズマエッチング装置を用いて、シリコン基板を等方的にエッチングする等方性エッチング工程と、エッチングされた部分の内壁に保護膜を堆積させる保護膜堆積工程と、前記シリコン基板に負のバイアス電圧を印加しつつ前記保護膜をエッチングする底面エッチング工程と、を繰り返し行う工程を有する高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法であって、
前記等方性エッチング工程ではSF ₆ ガスを含むエッチングガスを用い、
前記底面エッチング工程ではCF₄ガス、NF₃ガス、F₂ガス及びCOF₂ガスのうちの少なくとも１種類のガスを含み、SF ₆ ガスを含まないエッチングガスを用いることを特徴とする。

本発明に係る高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法では、底面エッチング工程において、CF₄ガス、NF₃ガス、F₂ガス及びCOF₂ガスのうちの少なくとも１種類のガスを含むエッチングガスを用いる。これらのガスはいずれもSF₆ガスに比べて容易に放電するため、大きな高周波電力を供給してプラズマ化させる必要がない。そのため、低い電圧で放電を行うことが可能となりイオンの過剰な生成を抑えることができる。従って、バイアス電圧の大きさを適正値に設定して適切な量のイオンをシリコン基板の縦穴に入射し、垂直性の高い縦穴構造や柱構造を形成することができる。

前記バイアス電圧は、例えば前記シリコン基板の載置台に設けられた電極に対し、ブロッキングコンデンサを介して高周波電圧を印加することにより生じさせることができる。

本発明に係る高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法では、底面エッチング工程において、容易に放電するエッチングガスを使用する。これらのガスを用いると、プラズマ化によるイオンの過剰な生成を抑えることができる。従って、バイアス電圧の大きさを適正値に設定して適切な量のイオンを適切な方向に加速してシリコン基板の縦穴に入射し、垂直性の高い縦穴構造や柱構造を形成することができる。

ボッシュプロセスにおけるエッチング工程を説明する図。 従来のボッシュプロセスにおける問題点について説明する図。 本発明に係る一実施例において用いた誘導結合型反応性イオンエッチング装置の要部構成図。 実施例及び比較例の各工程における処理条件を示す表。 実施例及び比較例の方法により形成した縦穴構造の電子顕微鏡写真。

以下、本発明に係る高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。本実施例は、MEMSデバイスを製造するためにシリコン基板を掘り進めて縦穴構造をシリコン基板に形成する例である。

図３に、本実施例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-800iPB。サムコ株式会社製。以下「エッチング装置」とする。）の要部構成図を示す。エッチング装置は、反応室１０を有する。エッチングを行う反応室１０の底部には、シリコン基板１１を載置する平板状の下部電極（カソード）１２が備えられており、該下部電極１２はブロッキングコンデンサ１６、第１整合器１７を介して第１高周波電源１８に接続されている。下部電極１２には、ヘリウムガスを流通させる冷却ガス流路（図示なし）が設けられている。また、反応室１０の側壁にはエッチングガスを導入するガス導入口１４及び反応室１０内を図示しない真空ポンプを用いて排気するためのガス排気口１５が設けられている。反応室１０の上部には、誘電体窓１３を介して渦巻状のコイル２１が備えられている。渦巻状のコイル２１の片端は第２整合器２２を介して第２高周波電源２３に接続されており、他端は直接、第２高周波電源２３に接続されている。

エッチングガスを反応室１０のガス導入口１４から導入した状態で渦巻状のコイル２１に第２高周波電源２３から高周波電力を供給すると、プラズマが発生してエッチングガスからラジカル、イオン、電子などが生成される。この状態で下部電極１２に第１高周波電源１８から高周波電力を供給すると、プラズマ中の電子は高周波により形成される電場の変動に追従して下部電極１２に飛び込む。下部電極１２にはブロッキングコンデンサ１６が接続されているため、電子が飛び込むと下部電極１２に負のバイアス電圧（自己バイアス）が印加され、下部電極１２に向かってイオンが加速されるようになる。

以下、本実施例の高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法について説明する。本実施例は、図１に示したようにボッシュプロセスを用いて縦穴構造を形成するものであり、シリコン基板を等方的にエッチングする等方性エッチング工程（図１(a)）、エッチングにより形成した縦穴３の内壁（側壁及び底面）に保護膜を堆積する保護膜堆積工程（図１(b)）、及び底面の保護膜を除去する底面エッチング工程（図１(c)）からなる。

本実施例の製造方法の効果を確認するため、図４(a)に示す処理条件（実施例）と図４(b)に示す処理条件（比較例）によりシリコン基板に縦穴構造を形成した。比較例は従来、縦穴構造を形成するために用いられている縦穴構造の形成方法である。
等方性エッチング工程及び保護膜堆積工程は実施例と比較例で同じ処理条件で行い、底面エッチング工程のみ異なる処理条件で行った。実施例と比較例のいずれにおいても、等方性エッチング工程では高速エッチングを行うため、従来と同様に、プラズマ化により大量のイオンやラジカルが生成されるSF₆ガスをエッチングガスとして用いた。

底面エッチング工程において、実施例ではCF₄ガスを800WのICP電力でプラズマ化し、比較例ではSF₆ガスを1000WのICP電力でプラズマ化した。供給したICP電力の大きさが異なるのは、CF₄ガスが容易にプラズマ化することができるのに対し、SF₆ガスは絶縁性を有するため大きなICP電力の供給により一気にプラズマ化する必要があるためである。実施例、比較例のいずれにおいても、エッチングガスの流量（100sccm）とICP電力の大きさから、生成されるイオン量を想定し、適切な量のイオンを縦穴に入射させることができるバイアス電圧を生じさせる高周波電力の大きさ（60W）と処理時間（2秒）を設定した。この高周波電力の大きさと処理時間は実施例と比較例で共通である。
実施例、比較例のいずれにおいても、等方性エッチング工程、保護膜堆積工程、及び底面エッチング工程の３つの工程を１周期とする処理を100周期行った。

図５(a)に実施例の方法により形成した縦穴構造の電子顕微鏡写真、図５(b)に比較例の方法により形成した縦穴構造の電子顕微鏡写真をそれぞれ示す。
実施例では縦穴上部から下部まで一定の幅でエッチングされ、垂直性の高い縦穴構造が形成されている。これは、底面エッチング工程において、適切な量のイオンを縦穴の底面に入射して底面の保護膜のみを選択的にエッチングすることができた結果である。
これに対し、比較例では縦穴構造上部の幅に比べて下部の幅が狭くなった、縦穴構造上部から見てテーパ状を有する縦穴構造が形成されている。これは、底面エッチング工程において縦穴の底面に入射したイオンの量が不足しており、底面の保護膜が除去されないまま底面エッチング工程が終了してしまい、次の等方性エッチング工程に移行してしまうことが繰り返された結果である。

上述したとおり、実施例と比較例のいずれにおいても、エッチングガスの流量（100sccm）とICP電力の大きさから生成されるイオン量を想定し、適切な量のイオンを縦穴に入射させることができるバイアス電圧の適正値と処理時間を設定した。それにもかかわらず、上記のように実施例と比較例で形成された縦穴構造の形状に違いが生じたのは、底面エッチング工程において用いたエッチングガスの特性が異なるためである。

一般に、同じ大きさの高周波電力を供給してエッチングガスをプラズマ化しても、生成されるイオン量にばらつきが生じる。比較例で用いたSF₆ガスのように絶縁性を有するガスは、大きな高周波電力を供給して一気にプラズマ化するため、同じ大きさの高周波電力を供給した場合であっても、生成されるイオン量が大きく変動する。そのため、バイアス電圧の大きさを適正値に設定しても、縦穴に入射するイオンの量に過不足が生じる。上記の比較例では縦穴に入射するイオン量が不足していたが、同じ処理条件でイオン量が過剰になる場合もある。
底面エッチング工程においてシリコン基板に印加されるバイアス電圧（60W）はイオンの進行方向を完全に揃えるほどの大きさではないため、イオンが大量に生成された場合、縦穴に入射するイオンの進行方向には大きなばらつきが存在する。過剰な量のイオンがばらついた方向に加速されて縦穴に入射すると、上記実施例と逆に、逆テーパ状を有する縦穴構造が形成される。
実施例では、SF₆ガスよりも容易に放電させることができるCF₄ガスをエッチングガスとして用いた。これにより、プラズマ化によって生成されるイオン量のばらつきを抑え、適切な量のイオンを縦穴に入射して垂直性の高い縦穴構造を形成することに成功した。

上記実施例では、底面エッチング工程においてCF₄ガスをエッチングガスとして用いたが、SF₆ガスよりも容易に放電させることができるフッ素系ガスであれば他のガスを用いてもよい。例えば、NF₃ガス、F₂ガス及びCOF₂ガスを用いることができる。
また、上記実施例では底面エッチング工程におけるエッチングガスとしてCF₄ガスのみを用いたが、CF₄ガス、NF₃ガス、F₂ガス及びCOF₂ガスのうちの少なくとも１種類のガスを含む混合ガスを用いてもよい。この場合でも、SF₆ガスよりも容易に放電させることができるフッ素系ガスを含んでいるため、プラズマ化により生成されるイオン量の変動を抑え、適切な量のイオンを縦穴に入射して垂直性の高い縦穴構造等を形成することができる。

１、１１…シリコン基板
２…マスク
３…縦穴
４…保護膜
１０…反応室
１２…下部電極
１３…誘電体窓
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
２１…コイル
２２…第２整合器
２３…第２高周波電源

Claims (2)

1. プラズマエッチング装置を用いて、シリコン基板を等方的にエッチングする等方性エッチング工程と、エッチングされた部分の内壁に保護膜を堆積させる保護膜堆積工程と、前記シリコン基板に負のバイアス電圧を印加しつつ前記保護膜をエッチングする底面エッチング工程と、を繰り返し行う工程を有する高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法であって、
   前記等方性エッチング工程ではSF ₆ ガスを含むエッチングガスを用い、
   前記底面エッチング工程ではCF₄ガス、NF₃ガス、F₂ガス及びCOF₂ガスのうちの少なくとも１種類のガスを含み、SF ₆ ガスを含まないエッチングガスを用いることを特徴とする高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法。
2. 前記バイアス電圧を、前記シリコン基板の載置台に設けられた電極に対し、ブロッキングコンデンサを介して高周波電圧を印加することにより生じさせることを特徴とする請求項１に記載の高アスペクト比の凹凸構造を有するシリコン基板の製造方法。