JP2014204062A

JP2014204062A - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JP2014204062A
Application number: JP2013081075A
Authority: JP
Inventors: 知行野中; Tomoyuki Nonaka; 有輝野田; Yuki Noda
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】Si等の基板の周縁部の近傍におけるエッチングの垂直性の低下を抑制可能なプラズマエッチング方法を提供する。
【解決手段】基板と該基板の上に形成されたマスク用層を有する処理対象基板の前記マスク用層の上にフォトレジスト層を形成する工程と、前記フォトレジスト層にフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジスト層のうち、前記処理対象基板の周縁部の部分を除去するエッジリンスを行う工程と、エッジリンス後の前記処理対象基板の周縁部の上面を枠状の遮蔽部材で覆いつつ第１のプラズマエッチングを行い、前記マスク用層にマスクパターンを形成する工程と、前記マスク用層に前記マスクパターンが形成された前記処理対象基板に対し、前記遮蔽部材を用いることなく第２のプラズマエッチングを行う工程と、を有することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリコン等の基板に垂直性の高い凹凸構造を形成可能なプラズマエッチング方法に関する。

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素子を半導体基板上に形成したものであり、単体の素子を形成したものから多数の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（Si）基板にビア（Via）と呼ばれる貫通孔を形成し、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。

Si基板に貫通孔等のエッチング穴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、エッチング穴のアスペクト比（穴径に対する穴深さの比、柱径に対する柱高さの比）を大きくしたい際には、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）。ボッシュプロセスを用いると、アスペクト比100以上のエッチング穴を形成することができる。

ボッシュプロセスは、Siに対する選択比の高いSiO₂のマスクをSi基板に形成した後に行われる。SiO₂のマスクは、Si基板の上にSiO₂層を形成し、その上にフォトレジストを塗布し、露光等によりフォトレジストに所定のパターンを形成した後、プラズマエッチングを行うことにより形成される。

このマスク形成工程では、SiO₂層の上にフォトレジストを塗布する際、フォトレジストの一部がSi基板の裏面に回り込み、該裏面に付着することがある。フォトレジストがSi基板の裏面に付着していると、プラズマエッチングを行う際にSi基板が載置台から僅かに浮いて、静電チャック等によってSi基板を強く保持することができなくなる。そのため、SiO₂層の上にフォトレジストを塗布した後、その周縁部のフォトレジスト及びSi基板の裏面に回り込んだフォトレジストを除去する処理が行われる。この処理は、「エッジリンス」と呼ばれる。

このようにエッジリンスにより周縁部のフォトレジストを除去した後、フォトレジストにパターンを形成し、プラズマエッチングによりSiO₂層にマスクパターンを形成する。このマスクパターンを形成するためのプラズマエッチングの際、フォトレジストの周縁部が除去されているため、フォトレジストの周縁部でSiO₂層が露出した状態となっており、SiO₂層の周縁部もプラズマによりエッチングされ、除去されてしまう。このように周縁部が除去されたSiO₂層をマスクとしてSi基板へのプラズマエッチング（ボッシュプロセス）を行うと、Si基板の周縁部もエッチングされ、Si基板の径が小さくなり、プラズマエッチング後の搬送等の工程で支障をきたす。そのため、従来は、Si基板の周縁部を枠状の遮蔽部材で覆ったうえで、該Si基板へのプラズマエッチングを行っていた。遮蔽部材の材料としては通常、石英が用いられる。

特開2007-311584号公報

プラズマエッチングを行う際に遮蔽部材等の固体があると、その近傍のプラズマ密度が変化する。このプラズマ密度の変化により、遮蔽部材の近傍（すなわち、Si基板の周縁部の近傍）におけるSi基板のエッチングの垂直性が低下する（斜めにエッチングされる）という問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、Si等の基板の周縁部の近傍におけるエッチングの垂直性の低下を抑制可能なプラズマエッチング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に係るプラズマエッチング方法は、
基板と該基板の上に形成されたマスク用層を有する処理対象基板の前記マスク用層の上にフォトレジスト層を形成する工程と、
前記フォトレジスト層にフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記フォトレジスト層のうち、前記処理対象基板の周縁部の部分を除去するエッジリンスを行う工程と、
エッジリンス後の前記処理対象基板の周縁部の上面を枠状の遮蔽部材で覆いつつ第１のプラズマエッチングを行い、前記マスク用層にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスク用層に前記マスクパターンが形成された前記処理対象基板に対し、前記遮蔽部材を用いることなく第２のプラズマエッチングを行う工程と、
を有することを特徴とする。

フォトレジストパターンを形成する工程とエッジリンスを行う工程は、どちらを先に行っても良い。

本発明に係るプラズマエッチング方法では、フォトレジスト層のうち、処理対象基板の周縁部の部分をエッジリンスによって除去した後、該周縁部の上を遮蔽部材で覆った状態で第１のプラズマエッチングを行う。これによりマスク用層の周縁部及びフォトレジスト層で覆われた部分はエッチングされずに残り、その他の部分はエッチングされる。その結果、マスク用層にマスクパターンが形成される。その後、遮蔽部材を取り除いた状態で第２のプラズマエッチングが行われ、それにより、基板のうちマスク用層で覆われていない部分がエッチングされる。このとき、処理対象基板から遮蔽部材を外しても、基板の周縁部は、マスク用層が残っているため、エッチングから保護される。また、第２のプラズマエッチングを行う際に遮蔽部材を用いないことにより、基板の周縁部においてプラズマ分布が乱されることがなく、均一なプラズマ密度が得られる。従って、基板の周縁部近傍のエッチングを、基板の中央部のエッチングと同じレベルの垂直性で行うことが可能となる。

なお、本発明に係るプラズマエッチング方法では、マスク用層にマスクパターンを形成する際に遮蔽部材を用いているため、マスク用層の周縁部近傍におけるエッチングの垂直性が低下する。しかし、マスク用層の厚みは、数百μmの基板の厚みに対して、高々数μmであり、マスク用層にマスクパターンを形成する際にエッチングが斜めに進行しても、基板のエッチングに及ぼす影響は小さい。

前記第２のプラズマエッチングには、ボッシュプロセスを用いることができる。

本発明に係るプラズマエッチング方法では、第１のプラズマエッチングの際に、マスク用層の周縁部（エッジリンスが施された部分）の上面を遮蔽部材で覆うことにより、該周縁部のマスク用層を第１のプラズマエッチングから保護するため、第２のプラズマエッチングを行う際に処理対象基板から遮蔽部材を外しても、基板の周縁部はエッチングから保護される。また、第２のプラズマエッチングを行う際に処理対象基板から遮蔽部材から取り除くことにより、基板の周縁部においてもプラズマ密度が均一になる。これにより、基板の周縁部近傍のエッチングを、基板の中央部のエッチングと同じレベルの垂直性で行うことができる。

従来例のプラズマエッチング方法の各工程を示す概略図。別の従来例のプラズマエッチング方法の各工程を示す概略図。本発明の一実施例に係るプラズマエッチング方法の各工程を示す概略図。本実施例のプラズマエッチング装置における基板の流れを示す概略図。

本発明に係るプラズマエッチング方法を説明する前に、従来例のプラズマエッチング方法について図１及び２を参照して説明する。

図１は、従来例１のプラズマエッチング方法の各工程を示す概略図である。このプラズマエッチング方法は、基板１０の上にマスク用層１１を形成し、その更に上にフォトレジスト層１２を形成する前処理工程(a)と、フォトレジスト層１２のうち、基板１０及びマスク用層１１の周縁部の部分を除去するエッジリンス工程(b)と、露光等の処理によりフォトレジスト層１２にフォトレジストパターンを形成するフォトレジストパターン形成工程(c)と、第１のプラズマエッチングを行うことにより、マスク用層１１にマスクパターンを形成するマスクパターン形成工程(d)と、マスク用層１１の上のフォトレジスト層１２を除去するフォトレジスト除去工程(e)と、第２のプラズマエッチングを行うことにより、基板１０にエッチング穴１０１を形成する基板エッチング工程(f)と、を有する。

従来例１のプラズマエッチング方法では、エッジリンス工程(b)においてフォトレジスト層１２にエッジリンス処理が施されていることにより、マスクパターン形成工程(d)においてマスク用層１１の周縁部もエッチングされ、除去される。基板エッチング工程(e)では、このように周縁部が除去されたマスク用層１１をマスクとして基板１０へのプラズマエッチングを行うため、基板１０の周縁部もエッチングされる。ただし、基板１０に形成されるエッチング穴１０１の垂直性が低下することはない。

図２は、従来例２のプラズマエッチング方法の各工程を示す概略図である。このプラズマエッチング方法では、上記の基板エッチング工程(f)を、基板１０の周縁部の上面に枠状の遮蔽部材２０を載置する工程(f-1)と、遮蔽部材２０を載置したまま第２のプラズマエッチングを行う工程(f-2)の２段階で行う。その他の工程は、従来例１のプラズマエッチング方法と同じである。

従来例２のプラズマエッチング方法では、従来例１のプラズマエッチング方法と同様、エッジリンス工程(b)においてフォトレジスト層１２にエッジリンス処理が施されていることにより、マスクパターン形成工程(d)においてマスク用層１１の周縁部がプラズマエッチングによって除去される。しかし、基板エッチング工程(f-2)では、基板１０の周縁部の上面を遮蔽部材２０により覆っているため、この周縁部はエッチングされない。ただし、遮蔽部材２０は、その近傍のプラズマ密度を変化させるため、遮蔽部材２０の近傍では基板１０のエッチングが斜めに進行し、垂直性が低下する。

本発明の一実施例に係るプラズマエッチング方法について、図３及び４を参照して説明する。

図３は、本実施例のプラズマエッチング方法の各工程を示す概略図である。このプラズマエッチング方法では、上記のマスクパターン形成工程(d)を、マスク用層１１の周縁部の上面に遮蔽部材２０を載置する工程(d-1)と、遮蔽部材２０を載置したまま第１のプラズマエッチングを行う工程(d-2)と、第１のプラズマエッチング後、マスク用層１１から取り外す工程(d-3)の３段階で行う。その他の工程は、従来例１のプラズマエッチング方法と同じである。

本実施例のプラズマエッチング方法では、マスクパターン形成工程(d-2)において、マスク用層１１の周縁部の上面を遮蔽部材２０により覆っているため、この周縁部はエッチングされない。ただし、遮蔽部材２０により、その近傍のプラズマ密度が変化するため、遮蔽部材２０の近傍では、マスク用層１１のエッチングが斜めに進行し、垂直性が低下する。一方、基板エッチング工程(f)では、マスク用層１１の周縁部が残っているため、遮蔽部材２０がなくても、基板１０の周縁部はエッチングされない。また、基板１０に形成されるエッチング穴１０１の垂直性が低下することはない。

一般的に、マスク用層１１は、基板１０に比べて十分に薄く、数百μmという基板１０の厚みに対してマスク用層１１の厚みは数μm程度である。例えば、基板１０の厚みが500μm、マスク用層１１の厚さが2μmであり、遮蔽部材２０によって、その近傍のプラズマエッチングが斜めに10°ずれるとすると、従来例２のプラズマエッチング方法では、基板１０に設ける貫通孔の位置が、対応するフォトレジストパターンの上面から基板１０の下面までで約88μmずれる（基板１０の上面ではずれない）のに対し、本実施例のプラズマエッチング方法では、約0.35μmずれるだけである（ただし基板１０の上面でも同じ方向に約0.35μmずれる）。このように、本実施例のプラズマエッチング方法では、基板１０に設ける貫通孔の位置ずれを小さく抑えることが可能となる。
また、図３の基板エッチング工程(f)においてボッシュプロセスを用いることにより、アスペクト比の高い貫通孔を、高い垂直性で以て基板１０に形成することが可能となる。

なお、上記実施例では、エッジリンス工程の後にフォトレジストパターン工程を行うものとしたが、フォトレジストパターン工程の後にエッジリンス工程を行っても良い。

本実施例のプラズマエッチング方法において用いる遮蔽部材２０は、マスク用層１１と同じ材料で構成されていることが望ましい。このようにマスク用層１１と遮蔽部材２０が同じ材料で構成されていると、マスクパターン形成工程(d-2)においてマスク用層１１のプラズマエッチングを行う際に、遮蔽部材２０の近傍のプラズマ密度の変化を低く抑えることが可能となる。
例えば、マスク用層１１がSiO₂で構成されている場合、遮蔽部材２０には石英を用いることが望ましい。

図４は、本実施例のプラズマエッチング装置における基板１０の流れを示す概略図である。このプラズマエッチング装置は、バッファ室３０とプラズマ処理室４０とを有する。バッファ室３０には遮蔽部材２０が収容され、枠状の遮蔽部材保持部３１によって保持されている。プラズマ処理室４０は真空容器であり、その内部に、対向配置された上部電極４１と、基板１０の載置台を兼ねた下部電極４２とを備えている。また、図示はしていないものの、基板１０を搬送するためのベルトコンベア等の搬送路やハンド、プラズマ発生用のガス供給源、真空排気装置、上部電極４１と下部電極４２に高周波電圧を印加するための高周波電源等を備えている。

図３(c)に示すフォトレジストパターン形成工程により、マスク用層１１の上のフォトレジスト層１２にフォトレジストパターンが形成された基板１０（これを「処理対象基板Ｓ１」とする）は、バッファ室３０内の遮蔽部材保持部２１の直下に搬送される。そして、遮蔽部材保持部２１の枠内を通過するように上昇させることにより、処理対象基板Ｓ１の周縁部に遮蔽部材２０が載置される。処理対象基板Ｓ１は、周縁部に遮蔽部材２０が載置された状態でプラズマ処理室４０に搬送され、下部電極４２の上に載置される。続いて、プラズマ処理室４０内が減圧されると共にエッチングガスが導入され、上部電極４１及び下部電極２２に高周波電圧が印加される。これにより、エッチングガスがプラズマ化し、処理対象基板Ｓ１がエッチングされ、図３(d-2)に示す状態となる。この状態の処理対象基板を「処理対象基板Ｓ２」とする。

処理対象基板Ｓ２を、バッファ室３０の遮蔽部材保持部２１の直上に搬送し、遮蔽部材保持部２１の枠内を通過するように下降させる。これにより、処理対象基板Ｓ２の周縁部に載置された遮蔽部材２０は、遮蔽部材保持部２１に保持されて残り、処理対象基板Ｓ２から取り外された状態となる（図３(d-3)）。この処理対象基板Ｓ２からフォトレジスト層１２を除去することにより、処理対象基板Ｓ２は図３(e)に示す状態となる。この状態の処理対象基板を「処理対象基板Ｓ３」とする。
この処理対象基板Ｓ３は再びプラズマ処理室４０に搬送され、下部電極４２の上に載置される（遮蔽部材２０は、バッファ室３０内で遮蔽部材保持部２１に保持されている）。続いて、プラズマ処理室４０内が減圧されると共にエッチングガスが導入され、上部電極４１及び下部電極２２に高周波電圧が印加される。これにより、エッチングガスがプラズマ化し、処理対象基板Ｓ３がエッチングされ、図３(f)に示す状態となる。

１０…基板
１０１…エッチング穴
１１…マスク用層
１２…フォトレジスト
２０…遮蔽部材
３０…バッファ室
３１…遮蔽部材保持機構
４０…プラズマ処理室
４１…上部電極
４２…下部電極

Claims

基板と該基板の上に形成されたマスク用層を有する処理対象基板の前記マスク用層の上にフォトレジスト層を形成する工程と、
前記フォトレジスト層にフォトレジストパターンを形成する工程と、
前記フォトレジスト層のうち、前記処理対象基板の周縁部の部分を除去するエッジリンスを行う工程と、
エッジリンス後の前記処理対象基板の周縁部の上面を枠状の遮蔽部材で覆いつつ第１のプラズマエッチングを行い、前記マスク用層にマスクパターンを形成する工程と、
前記マスク用層に前記マスクパターンが形成された前記処理対象基板に対し、前記遮蔽部材を用いることなく第２のプラズマエッチングを行う工程と、
を有することを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記第２のプラズマエッチングが、ボッシュプロセスであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。