JPS6015148B2 - 被加工層内の凹みの側壁の傾斜を制御する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体装置を食刻によって作る方法、特に半
導体装置にスパッタリング付着した石英を反応性プラズ
マによって食刻する方法に関する。

半導体構造の２酸化珪素の層並びにスパッタリング付着
した石英層内に普通の食刻法によって形成されるスルー
・ホールの断面には、尖った緑が出来る。

スパッタリング付着した石英層内のスルー・ホールには
、側壁が層の上面と出合う所に比較的尖った上側の緑が
出釆るのが普通である。こういう尖った縁は、特に側壁
の急峻な面と組合さる時、メタラィズしたスルー・パッ
ド、並びに導体が細くなっている所にある相互接続用金
層条片の厚さを薄くする漠れがあり、導体のひゞ割れを
招き、半導体装置の信頼性を低下させる。従来この問題
に対処するのに、食刻する石英層をスパッタリングによ
って付着する時、厚さ方向に変化する可変の食亥Ｕ性を
持つ様にしていた。

層の主要部、例えば底部は普通のスパッタリングによっ
て作る。層の上部は速い食刻速度を持つように付着され
る。

これはスパッタリング装置内の条件を変えることにより
、スパッタリング速度を下げることによって行なわれる
。然し、スパッタリング付着する石英の食刻速度を厚さ
に伴なつて変わる様に制御することは、いつまでも一様
には出来ないことが判った。従来のこの方法によって作
られるスルー・ホールの孔の傾斜は、ーゥェーハ毎に又
はバッチ毎に確実に一様にすることが出釆ない。従って
、この発明の目的は、改善された方法で傾斜したスルー
・ホールの壁を作ることである。

この発明の別の目的は、再現性を持つ様な形で傾斜した
スルー・ホールの壁を作ることである。この発明の別の
目的は、予め選ばれた角度が得られる様に、スルー・ホ
ールの壁の傾斜を正確に制御することである。この発明
の上言己並びにその他の目的、特徴及び利点が、以下説
明する様な反応性プラズマ食刻法によって食刻される２
酸化珪素の層の側壁の傾斜を制御する方法によって達成
される。

この方法は、食刻されるウェーハの裏側の選ばれた一部
分の区域をプラズマの食刻に対して抵抗力を持つ材料で
被覆することを含む。次に、２酸化珪素又はスパッタリ
ング付着された石英の層を担持するウェーハの表側をプ
ラズマ食刻速度が温度に対する依存性を持つ様な有機材
料の被覆で被覆し、２酸化珪素層内にスルー・ホールを
形成する場所を区画する。更にこの方法は、ウェーハを
反応性プラズマ食刻室内で露出することを含む。反応性
プラズマ食刻工程で食刻されるスルー・ホールの側壁は
予め選ばれた傾斜を持ち、この傾斜は、、スルー・ホー
ルの周緑に沿って有機層を食刻する速度を左右する食刻
工程の操作温度に対するウェーハの裏側の選ばれた露出
区域の相関性によって制御する。この発明は、反応性プ
ラズマによって食刻されるスルー・ホールの側壁の傾斜
を制御する方法を提供する。

反応性プラズマ食刻法を行なう装置の１例が米国特許第
３８０６３６５号に記載されている。反応室を４弗化炭
素の様な有機ハロゲン化物のガスの源並びに酸素の供給
源に接続する。無線周波数発生器に接続した無線周波数
励振コイルで反応室を取巻く。反応室内のガスの圧力を
真空ポンプで制御する。無線周波数発生器が反応室を取
巻〈励振コイルを付勢すると、その中にある有機ハロゲ
ン化物の分子並びに酸素分子がプラズマ状態に変換され
る。こうして反応室内に得られたプラズマに対して露出
される材料は、この食刻される材料に特有な速度で化学
食刻を受ける。有機材の反応性プラズマ内での食刻速度
は、その操作を行なう温度に比例する。

半導体ゥェーハに対する従釆の反応性プラズマ食刻法で
は、有機フオトレジスト材料をウェーハの表側又は回路
側に被覆し、ウヱーハ上の食刻すべき領域を区画する。
半導体ゥェーハに対する従来の反応性プラズマ食刻では
、半導体ウェーハの裏側は被覆しないま）で周囲のプラ
ズマに露出される。例えばシリコン・ウェーハのこうし
て露出された裏側が対応的に食刻され、この操作によっ
てウェーハの温度が上昇する。ウェーハの表側にあるフ
オトレジスト層がそれに対応して温度上昇し、この為、
それが低い温度にある場合より、一層著しく反応性プラ
ズマの食刻作用を受ける。高い操作温度では、反応性プ
ラズマ室内での露出の間、食刻すべき区域の周りの緑領
域（孔の周にあって、この孔から離れた所にある層の厚
さよりも、孔に向って厚さが薄くなっている部分、以下
単に緑領域と言う。）にあるフオトレジストが完全に食
刻されてしまう。この様な時規尚早の腐食により、食刻
を希望する区域を取巻く領域で半導体装置工作物の望ま
しくない食刻が起る。この発明の方法は、反応性プラズ
マの食刻からシリコンを保護する材料の層でゥェーハの
裏面の選ばれた一部分を覆うことにより、シリコン・ゥ
ェーハの温度を制御することによって、２酸化珪素スル
ー・ホールの壁の傾斜を制御する方法である。ウェーハ
の裏側の面積全体の内、フオトレジストによって覆われ
る部分の割合は、最終的に得られる側壁の勾配並びにウ
ェーハの表側にある食刻される構造と相関性を持たせる
ことが出来る。第ｌａ図は、シリコンの面を反応性プラ
ズマの食刻から保護する材料の層１２で被覆した半導体
ゥェーハ１０（第ｌｂ図参照）の裏側の一部分を示す。

材料１２は例えば米国ニュージャージー州アゾプレート
・コーポレーションによって製造されるＡＺ１３５０Ｊ
型の様なフオトレジスト層であってよく、厚さは約３０
０００Ａで、約１４０ｑｏの温度で約３０分間焼成され
る。第ｌａ図では、半導体ゥェーハ１０の裏側は全く層
１２から露出していないことが判る。第ｌｂ図は第ｌａ
図のゥェーハの断面図で、約１００００Ａの厚さになる
まで、スパッタリング付着した石英又は熟成長ごせた酸
化物の層１６を示す。

層１６がこの代りに窒化珪素、シリコン、耐火金属、有
機不動態化材料又はプラズマによる食刻が出来るその他
の任意の材料であってよいことは云う迄もない。有機フ
オトレジスト１８の層が層１６の上に付着され、３００
００Ａの厚さを持ち、これは例えばニュージャージー州
アゾプレート・コーポレーションによって製造されるＡ
Ｚ１５０Ｊ型であってよい。層１８は約１４０℃の温度
で約３０分間焼成する。層１８はこの特定の材料に制限
する必要はなく、電子ビームに露出させられるポリメタ
ル・メタクリート、の様なしジスト、或いは反応性プラ
ズマ食刻速度が温度依存性を持つ様なその他の任意の被
覆材料であってよい。第ｌｃ図は第ｌｂ図及び第ｌａ図
に示したウェーハの断面図である。

スパッタリング付着した石英層１６にスルー・ホールを
形成することが望まれる。この目的の為、所望の最終的
なスルー・ホールと略同じ寸法の孔２０をフオトレジス
ト層１８に形成する。第ｌｃ図に示す様な断面を持つウ
ェーハを反応性プラズマ食刻室に入れ、例えば約１．１
トルの圧力を有し、且つ４弗化炭素と８％の酸素とから
成る組成物で構成されたプラズマに露出する。

酸素はプラズマ反応の触媒として作用する。酸素の割合
を変えて、反応速度、従って食刻速度を調節することが
出来る。露出時間は無線周波数ヱネルギを３００ワット
にした時、約４０分である。反応性プラズマが全ての露
出面、即ち層１８、スパッタリング付着した石英層１６
及びフオトレジスト層１２の露出面を食刻する。ゥェー
ハ１２の裏面は周囲の反応性プラズマに全く露出されな
いから、食刻過程が行なわれるウェーハの温度は比較的
低い。孔２０の周囲にあるフオトレジスト層１８は比較
的遅い速度で食刻される。従って、スパッタリング付着
した石英層１６の中に出来るスルー・ホール２０の側壁
は割合垂直で、約８００の傾斜角ａ′を有する（第ｌｄ
図）。第２ａ図乃至第２ｄ図に示す様に、別の反応性プ
ラズマ食刻実験を行なった。

シリコン・ウェーハの裏側を第２ａ図に示す様な格子模
様で被覆した。ウェーハの厚さは例えば０．３８脚であ
る。ウェーハ１０の表側の温度分布を一様にする為、ウ
ェーハの裏側に於ける格子模様の周期を０．１８肋にす
る。耐熱材料の４角の部分は、シリコン面１４の露出す
る４角の部分と同じ寸法に選ぶ。こうすると、ウェーハ
１０の裏側の５０％が周囲の反応性プラズマに対して露
出される。第２ｂ図は第２ａ図のウェーハを２一２′で
切った断面図である。

ウェーハ１０の表側には約１００００Ａの厚さのスパッ
タリング付着した石英又は熟成長させた酸化物の層１６
がある。層１６の上に第ｌｂ図について述べたのと同様
な厚さ２００００Ａのフオトレジスト材料の層１８があ
る。スパッタリング付着した石英層１６を通抜ける様に
スルー・ホールを食刻したい場合、第２ｃ図に示す様に
所望のののスルー・ホールと略同じ寸法の孔２０を層１
８に形成する。第２ｄ図は、第２ｃ図のウェーハが、第
ｌｄ図について述べたのと同様な周囲の反応性プラズマ
に露出された後の状態を示す。

ゥェーハ１０の裏側の５０％が周囲の反応性プラズマに
露出するから、表側の食刻が行なわれるゥェーハの操作
温度は、第ｌｄ図のウェーハの場合よりかなり高い。反
応性プラズマ食刻過程の操作温度が一層高いことにより
、第ｌｄ図に示す様にゥェーハの裏側を保護層１２で完
全に被覆した場合より、有機フオトレジスト層１８の食
刻速度が高くなる。主にウェーハの裏側の領領域１４に
於けるシー」コンとプラズマとの間の熱を発生する反応
により、ゥェーハの温度が上昇すると、緑領域２２のフ
オトレジスト層１８が一層急速に食刻され始める。フオ
トレジスト層１８の縁領域２２の食刻の界面が水平の半
径方向に進行し、こうしてスパッタリング付着した石英
層１６の緑領域が反応性プラズマの食刻を受ける様に露
出される。この為、スパッタリング付着た石英層１６の
スルー・ホールに勾配が来る。この結果、スパッタリン
グ付着した石英届１６に於けるスルー・ホールの壁には
、約６００の角度ａ″を持つ傾斜が生ずる（第２ｄ図）
。傾斜角８″はフオトレジスト層１８及び緑領域２２が
スルー・ホールの周緑から上方に取去られる速度と１対
１の関係有する。次にこれを第３ａ図乃至第３ｄ図に例
示した別の実験について説明する。第３ａ図は耐熱材料
の四角１２の相隔たる配列によって、露出を７０％にし
た半導体ウェーハ１０の裏側を示す。

耐熱材料１２は、前に第ｌａ図について述べたフオトレ
ジスト材料であってよい。ウェーハ１０の裏側を７０％
露出する為、四角１２は１辺が０．１５側で、周期が０
．１８肌である。この周期を選んだのはゥェーハの厚さ
が０．３８肋の場合で、ゥェーハの裏側の区域１４が反
応性プラズマによって食刻されることによって生ずる温
度をその表側にわたって一様に分布させる。第３ｂ図は
第ｌｂ図及び第２ｂ図について述べたのと同様に、スパ
ッタリングによる石英層１６の付着並びにフオトレジス
ト層１８の付着を例示している。

第２ｃ図は、スパッタリング付着した石英層１６内にス
ルー・ホールを作ることが出釆る様に、有機フオトレジ
スト層１８に孔２０を作る工程示す。

第３ｄ図は第３ｃ図に示すゥェーハを前に第ｌｄ図及び
第２ｄ図について述べたのと同様な反応性プラズマ食刻
室に入れる工程を示す。

この場合、試験ウェーハの裏側の７０％が反応性プラズ
マに露出するから、食刻が進められる操作温度は第２ｄ
図又は第ｌｄ図の場合よりかなり高い。この為、有機フ
オトレジスト材料１８の食刻速度も、第２ｄ図の層１８
又は第ｌｄ図の層１８の場合より対応的に高くなる。こ
れに応じて、ウェーハ１０を反応性プラズマ食刻室内で
露出する期間の間、有機フオトレジスト層１８の緑領域
１２の一層し、部分が除去される。スパッタリング付着
した石英層１６内に出来るスルー・ホールの側壁の傾斜
も引続いて大きくなり、傾斜角８川は約４５ｏになる（
第３ｄ図）。従って、反応性プラズマ食刻法によって食
刻されるスルー・ホール又はその他の構造の側壁の懐斜
角は、半導体の裏面の選ばれた一部分をマスクして、食
刻が進められる操作温度を制御することによって、制御
することが出来る。

食刻すべきスル−・ホールを区画する有機フオトレジス
トが温度依存性を持つ結果、このフオトレジスト材料の
内の縁領域が制御され形で除去され、この為、食刻すべ
き構造の上側部分が段々広く露出されるが、これも制御
された形で行なわれる。この為、側壁の傾斜を制御する
ことが出来る。圧力を一層高くすると、プラズマ分子の
平均自由行路が短くなる為、過度のアンダカット作用が
起こるがこれを避ける為の最適の圧力は約１．０トルで
ある。

反応性プラズマの操作圧力が０．３トルの場合、スルー
・ホールの側壁の傾斜を有効に制御することが出来る。
スルー・ホールの壁の勾配と操作温度との間の相関性は
、夫々の操作圧力について実験的に決定しなければなら
ない。スパッタリング付着した石英層内では食刻過程が
２段階に分けて進む。

初期段階では、反応性プラズマが石英を略垂直方向に食
刻し、第４ａ図及び第５ａ図に示す略垂直の壁３２を形
成する。主にウェーハの裏側で起るシリコンとプラズマ
との発熱反応によって、ウェーハの温度が上昇すると、
フオトレジスト層１ ８が臨界温度Ｔｃに達し、スルー
・ホールの緑領域２２で水平方向に食刻が始まる。Ｔｃ
は、反応性プラズマによって材料の実質な侵食が始まる
様な、層１８の材料に特有の臨界温度である。石英層１
６内で食刻界面が垂直方向に進行すると共に、フオトレ
ジストの食刻界面が垂直方向に進行して、石英の食刻界
面がその為水平方向に進行することの組合せにより、合
成の食刻界面は第４ａ図及び第５ａ図に示すスルー・ホ
ールの傾斜した壁３４の様になる。第４ａ図は、ウェー
ハの裏側が第３ａ図に示す様に比較的大きな部分が露出
している時のスルー・ホールの側壁の形を詳しく示して
いる。これに対応するウェーハの温度が時間の関数とし
て第４ｂ図に示されている。フオトレジスト層１８の温
度は、食刻期間中の比較的早期に臨界温度Ｔｃに達し、
この後、その食刻速度が高くなる。この結果生ずるスル
ー・ホールの壁の輪郭は傾斜した壁３４が支配的であり
、垂直な壁成分３２はごく僅かしか残らない。平均値斜
角８″は、壁面３２，３４を結ぶ弦が垂直と成す角度と
して測定する。食刻によるアンダカットは、こうして得
られたスルー・ホールの頂部に於ける直径Ｃと、フオト
レジスト１８内の初めの孔２０の直径Ｄとの差と定義す
る。平均傾斜角並びに食刻によるアンダカットは、ウェ
ーハの裏側の露出部分が比較的大きいことに対応して比
較的大きくなる。第５ａ図は、ウェーハの裏側の露出部
分が第５ｂ図に示す様に比較的小さい時のスルー・ホー
ルの側壁の形を詳しく示している。

フオトレジスト層１８の温度は食刻期間中の比較的後期
に臨界温度Ｔｃに達し、この後食刻速度が高くなる。こ
うして出来るスルー・ホールの壁の輪郭は、第５ａ図に
示す略垂直な壁部分３２と頭斜した壁部分３４とで構成
される。平均傾斜角８″及び食刻によるアンダカットＣ
−Ｄは、ウェーハの裏側の露出部分が比較的小さいこと
に対応して、第４ａ図の場合より小さい。アンダカツト
が小さければ、スルー・ホールを一層密にウェーハ１川
こ詰込むことが出釆る。第５ａ図に示すスルー・ホール
が制御された合成の側壁の輪郭を持つことは、この後、
その中に付着される金属接点の信頼性を高める。

従来、スルー・ホールの尖った緑は、金属層が尖った緑
の上を通る所で薄くなる為、その上に付着される金属接
点に応力を生じさせる傾向があることが知られている。
第５ａ図に示すスルー・ホールが制御された合成の側壁
の輪郭を持つことにより、縁の輪郭は一層緩やかになり
、緑の上を通る所で金属層の厚さを厚くするのを助け、
こうしてその信頼性を高める。反応性プラズマ食刻法が
進行する速度が、反応室内にある食刻すべき材料の量、
この操作を行なう圧力、プラズマ・ガスの流量、無線周
波数ェネルギ入力並びにその他のプロセス変数の関数で
あることは云う迄もない。反応室内の露出期間を変えて
、これらの変数の変化を補償することが出来る。こ〉に
説明した方法はスパッタリングした石英又は熟成長させ
た酸化物に限られるものではなく、種々の工作材料に適
用することが出釆る。

【図面の簡単な説明】

第ｌａ図は熱マスク材料で完全に被覆された半導体ゥェ
ーハの裏側の部分図、第ｌｂ図は第ｌａ図の線１一１′
で切った断面図で裏側を上側にしてある。 第ｌｃ図は第ｌａ図のゥェーハの有機被覆１８に孔を形
成した後の断面図で表側を上側にしてある。第ｌｄ図は
第ｌｃ図のウェーハを反応性プラズマ食刻法にかけた後
の断面図で表側を上側にしてある。第２ａ図は半導体ウ
ェーハの裏側の５０％を熱マスク層から露出した場合の
この裏側の一部分の図、第２ｂ図は第２ａ図のゥェーハ
を線２−２′で切った断面図で裏側を上側にしてある。
第２ｃ図は第２ａ図のゥェーハの有機層１８に孔を形成
した後の断面図で表側を上側にしてある。第２ｄ図は第
２ｃ図のウェーハを反応性プラズマ食刻法にかけた後の
断面図、第３ａ図は熱マス外こよって７０％を露出した
半導体ウェーハの裏側の一部分の図、第３ｂ図は第３ａ
図に示したゥェーハを線３一３′で切った断面図で裏側
を上側にしてある。第３ｃ図は第３ａ図のゥェーハの有
機層１８に孔２０を形成した後の断面図で表側を上側に
してある。第３ｄ図は第３ａ図のウェーハを反応性プラ
ズマ食刻法にかけた後の断面図で表側を上側にしてある
。第４ａ図はウェーハの裏側の露出部分を比較的大きく
したプラズマによって食刻されたスルー・ホールの壁の
輪郭を詳しく示す図、第４ｂ図はこの場合のゥェーハ温
度の変化を時間に対して示すグラフ、第５ａ図はウェー
ハの裏側の露出部分を比較的小さくした場合にプラズマ
によって食刻されるスルー・ホールの壁の輪郭を詳しく
示す図、第５ｂ図はこの場合のウェーハ温度の変化を時
間に対して示すグラフである。１０……ウェーハ、１２
…耐プラズマ材料の層、１６…・・・石英又は酸化物の
層、１８・・・・・・フオトレジスト層、２０……孔、
３２，３４……側壁。 ＦＩＧ１０ ＦＩＧ．ｌｂ ＦＩＧ．ｌｃ ＦＩＧ．ｌｄ ｎＧ．２ｑ ＦＩＧ．２ｂ ＦＩＧ．２ｃ ＦＩＧ．２ｄ ＦＩＧ．３０ ＦＩＧ．３ｂ ＦＩＧ．３ｃ ＦＩＧ．３ｄ ＦＩＧ．４ｏ ＦＩＧ．４ｂ ＦＩＧ．５ｑ ＦＩＧ．５ｂ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 表面に被加工層が設けられた板状被加工片の前記被
   加工層の中に反応性プラズマ食刻法によつて食刻される
   凹みの側壁の傾斜を制御する方法に於いて、食刻される
   べき被加工片の裏側の選ばれた一部分の領域をプラズマ
   の食刻に対して抵抗力を持つ第１の材料で被覆し、前記
   被加工片の表側に設けられた被加工層上のうち前記凹み
   が形成されるべき場所以外を温度に依存する反応性プラ
   ズマ食刻速度を持つ第２の材料で被覆し、前記被加工片
   を反応性プラズマ内に配置し、前記被加工片の裏側の前
   記選ばれた被覆領域の面積によつて食刻が行われる前記
   被加工片の表側の温度を制御して前記第２の材料の食刻
   速度を調整することにより、前記反応性プラズマ食刻工
   程によつて食刻される凹みの側壁の傾斜を制御すること
   を特徴とする被加工層内の凹みの傾斜を制御する方法。