JP2017041539A

JP2017041539A - 金属充填構造体及びその製造方法

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Publication number: JP2017041539A
Application number: JP2015162442A
Authority: JP
Inventors: 広章佐藤; Hiroaki Sato
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-02-23

Abstract

【課題】寸法精度の高い金属充填構造体及び金属が異常析出発生することを防止できる金属充填構造体の製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板の第１面に第１絶縁層を形成し、第１絶縁層に開口パターンを形成し、開口パターンの下方に、第１面から所定の深さにアンダーカットを有し、底部が前記所定の深さよりも深い有底孔を、半導体基板に形成し、有底孔の側壁及び底部に第２絶縁層を形成し、有底孔の底部の第２絶縁層を除去し、有底孔に金属充填材料を充填することを含む金属充填構造体の製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は、金属充填構造体及びその製造方法に関する。特に、電解めっき法による金属充填構造体及びその製造方法に関する。

近年、電子機器等の小型化の要求から、半導体製造プロセスを応用したＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術が実用化され、電子機器分野のみならず光学機器等の多様な分野での利用が進められている。ＭＥＭＳにおいては、高アスペクトに加工した貫通孔や有底孔等の開口部に金属等の金属充填材料を充填した微細構造が用いられることがある。

このような開口部に金属充填材料を充填した微細構造は、３次元的な電気接続に用いられる貫通電極や、Ｘ線の透過性や位相を制御するＸ線画像撮像用グリッドなどの幅広い分野で採用されている。特に、高アスペクト比の開口部が設けられた微細構造に金属充填材料を充填するには、電解めっき法により開孔部の底部からボトムアップ式に金属充填材料を充填する技術が利用されている。

高アスペクト比の開口部が設けられた微細構造に対して電解めっき法により金属充填材料を充填する場合、金属充填材料の内部にボイドが生じると製品の性能及び歩留まりを低下させてしまう。上記のボイド発生を防ぐためには、開口部内での金属充填材料の成長方向や成長速度を一様に制御する必要がある。また、ＭＥＭＳやＸ線画像撮像用グリッドにおいて微細構造が形成される基材は、シリコンなどの半導体基材が広く用いられている。半導体基材は基材自体が導電性を有するため、めっき層を一方向から成長させるためには開口部の側壁を絶縁する必要があった。開口部の側壁が適切に絶縁されていない場合、絶縁されていない半導体基材の側壁から金属充填材料が成長することにより、金属充填材料の内部にボイドを発生することがあった。

特許文献１には、シリコン基板の主面上にレジスト層を形成するレジスト層形成工程と、レジスト層をパターニングしてパターニングした部分のレジスト層を除去するパターニング工程と、ドライエッチング法によってレジスト層を除去した部分に対応するシリコン基板をエッチングして所定の深さの凹部を形成するエッチング工程と、堆積法によって、シリコン基板における凹部を形成した主面側の表面全体に絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、凹部の底部に形成された絶縁層の部分を除去する除去工程と、電鋳法によって、シリコン基板に電圧を印加して凹部を金属で埋める電鋳工程とを備えることを特徴とする金属格子の製造方法が記載されている。

特開２０１２−１４９９５３号公報

しかしながら、特許文献１では、ドライエッチングによってトレンチ加工形成した後に、トレンチ溝内底部の絶縁膜を選択的に除去する際に、開口縁近傍の酸化膜は構造的に除去され易く、電鋳法によって金属を成長させる際に絶縁不良となり異常析出の起点となり易いといった課題がある。

本発明は、そのような課題に鑑みてなされたものであり、寸法精度の高い金属充填構造体及び金属が異常析出発生することを防止できる金属充填構造体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法は、半導体基板の第１面に第１絶縁層を形成し、第１絶縁層に開口パターンを形成し、開口パターンの下方に、第１面から所定の深さにアンダーカットを有し、底部が前記所定の深さよりも深い有底孔を、半導体基板に形成し、有底孔の側壁及び底部に第２絶縁層を形成し、有底孔の底部の第２絶縁層を除去し、有底孔に金属充填材料を充填することを含む。

このような金属充填構造体の製造方法によれば、有底孔の底部の第２絶縁層を除去する際に、開口縁近傍の絶縁層の膜減りを抑制することができるため、開口縁近傍で半導体基板が露出することを防止することができる。これによって、半導体基板に電流を供給する電解めっき法によって、有底孔に金属充填材料を充填する際に、金属充填材料を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

所定の深さは、４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよい。

このような金属充填構造体の製造方法によれば、有底孔の底部の第２絶縁層を除去する際に、開口縁付近の絶縁層の膜減りを抑制することができるため、開口縁近傍で半導体基板が露出することを防止することができる。これによって、有底孔に金属充填材料を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

有底孔を形成することは、等方性エッチングと保護膜の堆積とを繰り返すボッシュプロセスであってもよい。

このような金属充填構造体の製造方法によれば、高アスペクト比のエッチングを高速で処理することが可能である。

金属充填材料を充填することは、電界めっき法により、有底孔の底部から有底孔の開口端部へ向けて金属充填材料を充填することであってもよい。

このような金属充填構造体の製造方法によれば、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

金属充填材料を充填することは、半導体基板の第１面から１０００ｎｍ以上の深さまで金属充填材料を充填することであってもよい。

このような金属充填構造体の製造方法によれば、所望の寸法の金属充填構造体を容易に形成することができる。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法は、半導体基板の第１面に第１絶縁層を形成し、第１絶縁層に開口パターンを形成し、開口パターンの下方に、第１面から所定の深さにアンダーカットを有する貫通孔を半導体基板に形成し、貫通孔の側壁に第２絶縁層を形成し、貫通孔に金属充填材料を充填することを含む。

このような金属充填構造体の製造方法によれば、開口縁近傍の絶縁層の膜減りを抑制することができるため、開口縁近傍で半導体基板が露出することを防止することができる。これによって、貫通孔に金属充填材料を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

所定の深さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよい。

このような金属充填構造体の製造方法によれば、開口縁付近の絶縁層の膜減りを抑制することができるため、開口縁近傍で半導体基板が露出することを防止することができる。これによって、貫通孔に金属充填材料を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

半導体基板を開口することは、等方性エッチングと保護膜の堆積とを繰り返すボッシュプロセスであってもよい。

金属充填材料を充填することは、電解めっき法により、貫通孔の第１面と反対の第２面側の端部から前記第１面側の端部へ向けて金属充填材料を充填することであってもよい。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体は、第１面に、複数の有底孔及び複数の有底孔の各々の開口縁を周回する凹部を有する半導体基板と、半導体基板の第１面、凹部及び有底孔の側壁を覆う絶縁層と、有底孔の一部を充填する金属充填材料とを備える。

このような構成を有することによって、その製造工程において、特に開口縁近傍の絶縁層の膜減りを抑制することができるため、有底孔の開口縁近傍で半導体基板が露出することを防止することができる。これによって、半導体基板に電流を供給する電解めっき法によって、有底孔に金属充填材料を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を提供することができる。

第１面上の絶縁層は、有底孔の内側へ突出した形状を有してもよい。

このような構成を有することによって、有底孔の開口縁付近の絶縁層の膜減りへの耐性を有し、開口縁近傍で半導体基板が露出することを抑制することができる。これによって、電界めっき法によって金属充填材料を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならず、寸法精度の高い金属充填構造体を提供することができる。

金属充填材料は、有底孔の底部から凹部の下方まで充填してもよい。

このような構成を有することによって、所望の寸法の金属充填構造体を容易に提供することができる。

本発明によると、寸法精度の高い金属充填構造体及び金属が異常析出発生することを防止できる金属充填構造体の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の構成を説明する平面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の構成を説明するＡ−Ａ’断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法を説明する断面図である。本発明の一実施形態に係る金属充填構造体の製造方法によって作製された金属充填構造体を説明する断面写真である。従来の金属充填構造体の製造方法によって作製された金属充填構造体を説明する断面写真である。

以下、図面を参照して本発明に係る金属充填構造体及びその製造方法について説明する。但し、本発明の金属充填構造体及びその製造方法は多くの異なる態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、説明の便宜上、上方又は下方という語句を用いて説明するが、上下方向が逆転してもよい。

＜第１実施形態＞
図１乃至図６を用いて、本実施形態に係る金属充填構造体１００の構成、及び製造方法について説明する。

［構成］
図１は、本実施形態に係る金属充填構造体１００の構成を説明する平面図である。また、図２は、本実施形態に係る金属充填構造体１００の構成を説明する断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態に係る金属充填構造体１００は、半導体基板１０２、絶縁層１１２及び金属充填材料１１４を有する。

半導体基板１０２は、その第１面１０４に、複数の有底孔１０８を有する。更に、複数の有底孔１０８の各々の開口縁を周回する凹部１０８ａを有する。絶縁層１１２は、半導体基板１０２の第１面１０４、有底孔１０８の凹部１０８ａ及び側壁を覆う。金属充填材料１１４は、複数の有底孔１０８の各々の一部を充填する。

このような構成を有することによって、その製造工程において、特に開口縁近傍の絶縁層１１２の膜減りを抑制することができるため、有底孔１０８の開口縁近傍で半導体基板１０２が露出することを防止することができる。これによって、半導体基板１０２に電流を供給する電解めっき法によって、有底孔１０８に金属充填材料１１４を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体１００を提供することができる。

図１では、半導体基板１０２が方形である構成を例示したが、この構成に限定されない。例えば、半導体基板１０２は円形であってもよい。この場合、金属充填材料１１４は円形の外周付近まで配置されていてもよく、円形内部の方形の領域に配置されていてもよい。

半導体基板１０２としては、単結晶シリコンウェハを用いることができる。しかし、これに限られず、単結晶シリコンウェハ以外にも多結晶基板やアモルファス基板を用いることもできる。多結晶基板やアモルファス基板は基板上に物理蒸着法（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ法）又は化学蒸着法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ法）を用いて形成することができる。ＰＶＤ法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、めっき法、及び分子線エピタキシー法などを用いることができる。また、ＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、触媒ＣＶＤ法（Ｃａｔ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ）−ＣＶＤ法又はホットワイヤＣＶＤ法）などと用いることができる。

また、半導体基板１０２の他にもステンレス基板等の導電性基板や、少なくとも有底孔１０８によって露出される領域に導電性を有する材料が配置された絶縁基板を用いることができる。絶縁基板としては、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、樹脂基板等の基板を用いることができる。

半導体基板１０２の厚さは特に制限はないが、例えば、１００μｍ以上８００μｍ以下の厚さの基板を使用することができる。上記の範囲よりも基板が薄くなると、半導体基板１０２のたわみが大きくなる。その影響で、製造過程におけるハンドリングが困難になる。一方、上記の範囲よりも半導体基板１０２が厚くなると、半導体基板１０２の重量が増加し、ハンドリングを行う装置への負担が大きくなる。また、金属充填構造体１００をＸ線画像撮影用グリッドとして用いる場合、Ｘ線が半導体基板１０２を透過する距離が長くなるため、半導体基板１０２によるＸ線の散乱及び吸収が大きくなり、Ｘ線映像を撮影するための信号が弱くなってしまう。

図２に示すように、第１面１０４上の絶縁層１１２は、有底孔１０８の内側へ突出した形状を有していてもよい。換言すると、第１面１０４上の絶縁層１１２は、有底孔１０８の開口縁近傍において庇形状を有していてもよい。

このような構成を有することによって、有底孔１０８の開口縁付近の絶縁層１１２の膜減りへの耐性が向上し、開口縁近傍で半導体基板１０２が露出することを抑制することができる。これによって、半導体基板１０２に電流を供給する電解めっき法によって、有底孔１０８に金属充填材料１１４を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならず、寸法精度の高い金属充填構造体１００を提供することができる。

後述するが、金属充填構造体１００の製造工程において、有底孔１０８を周回する凹部１０８ａよりも下方の部分は、開口パターンを有する第１面１０４上の絶縁層１１２をマスクとした比較的異方性の高いエッチングによって形成される。一方、有底孔１０８を周回する凹部１０８ａの部分は、開口パターンを有する第１面１０４上の絶縁層１１２をマスクとしたエッチングによって形成されるが、比較的等方性が高く、半導体基板１０２の垂直方向のみならず、平面方向にもエッチングが進行する条件を用いる。これによって、有底孔１０８を周回する凹部１０８ａの断面形状のばらつきは、当該凹部１０８ａよりも下方の断面形状のばらつきに比べて大きくなる。

よって、金属充填材料１１４は、有底孔１０８の底部から、開口縁を周回する凹部１０８ａの下方まで充填してもよい。つまり、金属充填材料１１４は、当該凹部１０８ａが位置する高さまでは充填されなくてもよい。よって、金属充填材料１１４の上面視における形状は、当該凹部１０８ａよりも下方における有底孔１０８の断面形状で決定される。

このような構成を有することによって、所望の寸法の金属充填構造体１００を容易に提供することができる。

金属充填材料１１４は、白金、金、銀、銅、ニッケル等を用いることができ、用途に応じて適宜選択するとよい。例えば、金属充填構造体１００を貫通電極基板として用いる場合は、金属充填材料１１４として銅を用いることができる。

尚、金属充填構造体１００をＸ線画像撮影用グリッドとして用いる場合、金属充填材料１１４は、半導体基板１０２に比べてＸ線に対する透過率が低い材料を用いることができる。例えば、金属として金、白金、ロジウム、ルテニウム、又はイリジウム等を含む材料を用いることができる。

図１では、金属充填材料１１４の平面形状は一方向に沿って延びる複数の線がそれぞれ独立に配列された形状を例示したが、この形状に限定されない。例えば、複数の線がそれぞれ異なる方向に延び、一部の線が交差する又は一部の線が連結してもよい。また、金属充填材料１１４の平面形状は線状に限らず、円形又は多角形の点状であってもよい。また、金属充填材料１１４の平面形状は線状及び点状等の組み合わせであってもよい。金属充填材料１１４の幅、つまり有底孔１０８の幅は、用途に応じて適宜選択でき、例えば、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲で選択することができる。

以上、本実施形態に係る金属充填構造体１００の構成について説明した。本実施形態によれば、寸法精度の高い金属充填構造体１００を提供することができる。

［製造方法］
図３乃至図６を用いて、本実施形態に係る金属充填構造体１００の製造方法について説明する。図３乃至図６において、図１及び図２に示す要素と同じ要素には同一の符号を付した。

半導体基板１０２としては上述の各種基板を用いることができるが、本実施形態においては、半導体基板１０２として単結晶シリコンウェハを用いる場合について説明する。

先ず、半導体基板１０２の第１面１０４に第１絶縁層１１２ａを形成する（図３（ａ））。本実施形態では、半導体基板１０２を熱酸化し、少なくとも第１面１０４に第１絶縁層１１２ａとして熱酸化膜を形成する。熱酸化膜の厚さは、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、本実施形態においては５００ｎｍとする。

次いで、第１絶縁層１１２ａに開口パターンを形成する（図３（ｂ））。開口パターンは、フォトリソグラフィ工程により、複数の有底孔１０８が形成される領域が露出するように形成される。

次いで、開口パターンの下方に、第１面１０４から所定の深さにアンダーカットを有し、底部が所定の深さよりも深い有底孔１０８を形成する。有底孔１０８は、開口パターンを有する第１絶縁層１１２ａをマスクとしたエッチングによって形成する。

エッチング工程においてアンダーカットとは、一般に、マスクの真下における横方向のエッチング進行量を意味する。本実施形態におけるアンダーカットとは、第１絶縁層１１２ａが有する開口パターンの端部から、第１絶縁層１１２ａの直下において横方向のエッチング進行量を意味する。よって、有底孔１０８の開口縁の形状は、第１絶縁層１１２ａの開口パターンの形状に対して、アンダーカットの分だけ外側に広くなる。

上記のような有底孔１０８の形成は、２段階に分けて行う。つまり、第１段階として、開口パターンを有する第１絶縁層１１２ａをマスクとして、アンダーカットが生じるエッチング条件によって、所定の深さだけ半導体基板１０２をエッチングする（図４（ａ））。つまり、比較的等方性の高いエッチング条件によって、半導体基板１０２をエッチングする。第２段階として、第１絶縁層１１２ａをマスクとして、第１段階よりもアンダーカットが抑えられるエッチング条件によって、更に半導体基板１０２をエッチングする（図４（ｂ））。つまり、第１段階よりも、等方性の低いエッチング条件によって、半導体基板１０２をエッチングする。

このようにして有底孔１０８を形成することによって、有底孔１０８の開口縁部は第１絶縁層１１２ａの下部に配置するように仕上がる。換言すると、第１絶縁層１１２ａは、有底孔１０８の開口縁近傍において庇形状を有するように仕上がる。

アンダーカットの幅としては、５０ｎｍ以上５００以下となるように形成する。上記エッチングの第１段階における所定の深さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。

有底孔１０８を形成することは、等方性エッチングと保護膜の堆積とを繰り返すボッシュプロセスを用いることができる。

次いで、有底孔１０８の側壁及び底部に第２絶縁層１１２ｂを形成する（図５（ａ））。本実施形態では、半導体基板１０２を熱酸化し、複数の有底孔１０８の側壁及び底部に、第２絶縁層１１２ｂとして熱酸化膜を形成する。熱酸化膜の厚さは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下が好ましく、本実施形態においては１００ｎｍとする。

次いで、有底孔１０８の底部の第２絶縁層１１２ｂを除去する（図５（ｂ））。第２絶縁層１１２ｂの膜厚が比較的薄い場合には、半導体基板１０２のエッチングに適したガスを用いた深堀エッチング（ＤＲＩＥ）によって、第２絶縁層１１２ｂを除去することができる。これによって、有底孔１０８の底部の第２絶縁層１１２ｂが除去された後、有底孔１０８の底部の半導体基板１０２が、テーパー形状を有するようにエッチングされる。これによって、有底孔１０８の底部において露出した半導体基板１０２の面積が増加する。これによって、後の電解めっき処理において、金属充填材料１１４に供給される電流が増えるため、金属充填材料１１４の充填速度が速くなる。

また、有底孔１０８の底部の第２絶縁層１１２ｂを除去するための他の方法として、第２絶縁層１１２ｂのエッチングに適したガスを用いてもよい。

ここで、有底孔１０８の底部の第２絶縁層１１２ｂを除去する工程において、多段階のエッチング工程を用いない従来の金属充填構造体の製造方法においては、有底孔の開口縁付近を覆う絶縁層が膜減りしやすく、そこで半導体基板が露出してしまうことがある。これによって、有底孔に金属充填材料を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点となってしまい、金属充填材料の内部にボイドが発生してしまう問題があった。

本実施形態のような金属充填構造体の製造方法によれば、有底孔１０８の底部の絶縁層１１２を除去する際に、有底孔１０８の開口縁付近の絶縁層１１２の膜減りを抑制することができるため、開口縁近傍で半導体基板１０２が露出することを防止することができる。これによって、後の工程において有底孔１０８に金属充填材料１１４を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

次いで、有底孔１０８に金属充填材料１１４を充填する（図６）。金属充填材料１１４を充填することは、電解めっき法により、有底孔１０８の底部から有底孔１０８の開口端部へ向けて金属充填材料１１４を充填することができる。半導体基板１０２に通電する電解めっき法によって、有底孔１０８の底部によって露出された半導体基板１０２からめっき層を成長させる。つまり、半導体基板１０２から有底孔１０８の開口端に向けてめっき層を形成することで、金属充填材料１１４を充填する。

金属充填材料１１４を充填することは、有底孔１０８の底部から、開口縁を周回する凹部１０８ａの下方まで充填してもよい。特に、金属充填材料１１４を充填することは、半導体基板１０２の第１面１０４から１０００ｎｍ以上の深さまで金属充填材料１１４を充填してもよい。

これによって、金属充填材料１１４の上面視における形状は、上記の第２段階目のエッチングで形成される有底孔１０８の断面形状で決定される。上記の第２段階目のエッチングは、異方性の高いエッチング条件が好ましく、第１絶縁層１１２ａをマスクとし、第１絶縁層１１２ａが有する開口パターンの形状で有底孔１０８が形成される。

一方、上記の第１段階目のエッチングで形成される有底孔１０８の断面形状は、第１絶縁層１１２ａの真下のアンダーカットによって決定される。つまり、第１段階のエッチングで形成される有底孔１０８の断面形状は、第２段階のエッチングで形成される有底孔１０８の断面形状よりも制御し難い。

以上、本実施形態に係る金属充填構造体の製造方法について説明した。以上のような金属充填構造体の製造方法によれば、有底孔１０８の底部の絶縁層１１２を除去する際に、開口縁近傍の絶縁層１１２の膜減りを抑制することができるため、開口縁近傍で半導体基板１０２が露出することを防止することができる。これによって、有底孔１０８に金属充填材料１１４を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

＜第２実施形態＞
図７を用いて、本実施形態に係る金属充填構造体２００の構成、及び製造方法について説明する。

［構成］
図７は、本実施形態に係る金属充填構造体２００の構成を説明する断面図である。本実施形態に係る金属充填構造体２００と、第１実施形態に係る金属充填構造体１００との構成を比較すると、本実施形態に係る金属充填構造体２００は、貫通孔１１０を有し、当該貫通孔１１０内に金属充填材料１１４が充填されている点で異なっている。
［製造方法］

半導体基板１０２の第１面１０４に第１絶縁層１１２ａを形成し、第１絶縁層１１２ａに開口パターンを形成する工程は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においては、開口パターンの下方に、第１面１０４から所定の深さにアンダーカットを有する貫通孔１１０を、半導体基板１０２に形成する。

本実施形態においても、上記のような貫通孔１１０の形成は、２段階に分けて行う。本実施形態においては、第２段階のエッチングは、半導体基板１０２を貫通するまで行う点で第１実施形態と異なる。

アンダーカットの幅としては、５０ｎｍ以上５００以下となるように形成する。所定の深さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であってもよい。

このような金属充填構造体の製造方法によれば、開口縁付近の絶縁層１１２の膜減りを抑制することができるため、開口縁近傍で半導体基板１０２が露出することを防止することができる。これによって、有底孔１０８に金属充填材料１１４を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

半導体基板１０２を開口することは、等方性エッチングと保護膜の堆積とを繰り返すボッシュプロセスであってもよい。

次いで、貫通孔１１０の側壁に第２絶縁層１１２ｂを形成する。本実施形態においても、第１実施形態と同様の条件で第２絶縁層１１２ｂを形成する。

次いで、貫通孔１１０に金属充填材料１１４を充填する。金属充填材料１１４を充填することは、電解めっき法により、貫通孔１１０の第１面１０４と反対の第２面１０６側の端部から第１面１０４側の端部へ向けて金属充填材料１１４を充填してもよい。

この電解めっき工程では、半導体基板１０２の第２面１０６に金属充填材料１１４が析出するとともに、電界密度の高い開口部に集中的に金属充填材料１１４が析出して、第２面１０６側の開口部が閉塞される。つまり、第２面１０６側の開口部に蓋めっきが形成される。

金属充填材料１１４を充填することは、半導体基板１０２の第１面１０４から１０００ｎｍ以上の深さまで金属充填材料１１４を充填してもよい。

本実施形態に係る金属充填構造体２００の構成及び製造方法について説明した。以上のような金属充填構造体の製造方法によれば、開口縁近傍の絶縁層１１２の膜減りを抑制することができるため、開口縁近傍で半導体基板１０２が露出することを防止することができる。これによって、貫通孔１１０に金属充填材料１１４を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

＜比較例＞
本発明のような多段階のエッチングを用いない、従来の金属充填構造体の製造方法を用いて作製した金属充填構造体について図面を用いて説明する。図９は、従来の金属充填構造体の製造方法を用いて作製した金属充填構造体の断面写真である。本比較例においては、以下の製造工程によって金属充填構造体を作製した。

半導体基板２０２としては単結晶シリコンウェハを用いた。先ず、半導体基板２０２の第１面に第１絶縁層２１２ａとして熱酸化膜を形成した。熱酸化膜の厚さは、５００ｎｍとした。

次いで、第１絶縁層２１２ａに開口パターンを形成した。開口パターンは、フォトリソグラフィ工程により、複数の有底孔２０８が形成される領域が露出するように形成した。

次いで、開口パターンの下方に、有底孔２０８を形成した。有底孔２０８は、開口パターンを有する第１絶縁層２１２ａをマスクとしたエッチングによって形成する。

ここで、有底孔２０８の形成には、等方性エッチングと保護膜の堆積とを繰り返すボッシュプロセスを用いた。本比較例で用いた第１段階及び第２段階のエッチング条件を表１に示す。

ここで、等方性エッチングは、エッチング工程１とエッチング工程２の２段階とした。つまり、エッチング工程１、エッチング工程２、保護膜形成工程を繰り返した。

次いで、有底孔２０８の側壁及び底部に第２絶縁層２１２ｂを形成した。本比較例では、半導体基板２０２を熱酸化し、複数の有底孔２０８の側壁及び底部に、第２絶縁層２１２ｂとして熱酸化膜を形成した。熱酸化膜の厚さは１００ｎｍとした。

次いで、有底孔２０８の底部の第２絶縁層２１２ｂを除去した。本比較例では、シリコン基板のエッチングに適したガスを用いた深堀エッチング（Ｄ−ＲＩＥ）によって、第２絶縁層２１２ｂを除去した。

図９は、金属充填構造体の製造工程において、以上の工程までを経た段階の断面写真を示している。図９に示したように、従来の製造工程では、有底孔２０８の開口縁近傍を覆う熱酸化膜の膜減りが著しい。このような熱酸化膜の膜減りが進行すると、有底孔２０８の開口縁近傍で単結晶シリコンウェハが露出してしまう場合がある。このような場合、後の製造工程において、単結晶シリコンウェハに電流を供給する電解めっき法を用いて有底孔２０８に金属充填材料を充填する際、開口縁近傍が異常析出の起点となってしまい、金属充填材料の内部にボイドが発生してしまう問題がある。

本発明による金属充填構造体の製造方法を用いて作製した金属充填構造体について図面を用いて説明する。図８は、本発明による金属充填構造体の製造方法を用いて作製した金属充填構造体の断面写真である。本実施例においては、以下の製造工程によって金属充填構造体を作製した。

本実施例においては、半導体基板１０２としては単結晶シリコンウェハを用いた。先ず、単結晶シリコンウェハの第１面１０４に、第１絶縁層１１２ａとして熱酸化膜を形成した。熱酸化膜の厚さは、５００ｎｍとした。

次いで、熱酸化膜に開口パターンを形成した。開口パターンは、フォトリソグラフィ工程により、複数の有底孔１０８が形成される領域が露出するように形成した。

次いで、開口パターンの下方に、第１面１０４から所定の深さにアンダーカットを有し、底部が所定の深さよりも深い有底孔１０８を形成した。有底孔１０８は、開口パターンを有する熱酸化膜をマスクとしたエッチングによって形成した。

上記のような有底孔１０８の形成は、２段階に分けて行った。つまり、第１段階として、開口パターンを有する熱酸化膜をマスクとして、アンダーカットが生じるエッチング条件によって、所定の深さだけ半導体基板１０２をエッチングした。つまり、比較的等方性の高いエッチング条件によって、半導体基板１０２をエッチングする。第２段階として、熱酸化膜をマスクとして、第１段階よりもアンダーカットが抑えられるエッチング条件によって、更に単結晶シリコンウェハ１０２をエッチングした。つまり、第１段階よりも、等方性の低いエッチング条件によって、半導体基板１０２をエッチングした。

ここで、有底孔１０８の形成には、等方性エッチングと保護膜の堆積とを繰り返すボッシュプロセスを用いた。本実施例で用いた第１段階及び第２段階のエッチング条件を表２に示す。

ここで、第１段階及び第２段階の各々において、等方性エッチングは、エッチング工程１とエッチング工程２の２段階とした。つまり、第１段階及び第２段階の各々において、エッチング工程１、エッチング工程２、保護膜形成工程を繰り返した。エッチング工程１では、エッチングガスとして、Ｃ_４Ｆ_８を用い、エッチング工程２では、エッチングガスとして、ＳＦ_６を用いた。図８からわかるように、Ｄ−ＲＩＥとしてボッシュプロセスを用いたことに伴い、有底孔の側壁にスキャロップと呼ばれる凹凸が形成されている。

アンダーカットの幅としては１００ｎｍ、上記エッチングの第１段階における所定の深さは５００ｎｍとした。

次いで、有底孔１０８の側壁及び底部に第２絶縁層１１２ｂを形成した。本実施例では、半導体基板１０２を熱酸化し、複数の有底孔１０８の側壁及び底部に、第２絶縁層１１２ｂとして熱酸化膜を形成した。熱酸化膜の厚さは１００ｎｍとした。

次いで、有底孔１０８の底部の熱酸化膜を除去した。本実施例では、シリコン基板のエッチングに適したガスを用いた深堀エッチング（Ｄ−ＲＩＥ）によって、熱酸化膜を除去した。

図８は、金属充填構造体の製造工程において、以上の工程までを経た段階の断面写真を示している。図９に示した多段階のエッチング工程を用いない従来の製造方法によって作製した金属充填構造体と比較すると、本実施例による金属充填構造体は、有底孔１０８の開口縁近傍において熱酸化膜の膜減りが少なく、単結晶シリコンウェハが熱酸化膜によって保護されている。これは、図８から容易にわかるように、単結晶シリコンウェハの第１面１０４上の庇形状を有する熱酸化膜による。この庇形状を有する熱酸化膜によって、有底孔１０８の底部の熱酸化膜を除去する工程において、開口縁近傍の熱酸化膜が保護される。

つまり、本発明による金属充填構造体の製造方法によれば、有底孔１０８の開口縁近傍で半導体基板１０２が露出することを防止することができる。これによって、後の製造工程において、単結晶シリコンウェハに電流を供給する電解めっき法を用いて有底孔１０８に金属充填材料１１４を充填する際に、開口縁近傍が異常析出の起点とならない。これによって、寸法精度の高い金属充填構造体を形成することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

金属充填構造体：１００、２００
半導体基板：１０２、２０２
第１面：１０４
第２面：１０６
有底孔：１０８、２０８
凹部：１０８ａ
貫通孔：１１０
絶縁層：１１２、１１２ａ、１１２ｂ、２１２ａ、２１２ｂ
金属充填材料：１１４

Claims

半導体基板の第１面に第１絶縁層を形成し、
前記第１絶縁層に開口パターンを形成し、
前記開口パターンの下方に、前記第１面から所定の深さにアンダーカットを有し、底部が前記所定の深さよりも深い有底孔を、前記半導体基板に形成し、
前記有底孔の側壁及び底部に第２絶縁層を形成し、
前記有底孔の底部の前記第２絶縁層を除去し、
前記有底孔に金属充填材料を充填することを含む金属充填構造体の製造方法。
前記所定の深さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金属充填構造体の製造方法。
前記有底孔を形成することは、等方性エッチングと保護膜の堆積とを繰り返すボッシュプロセスであることを特徴とする請求項１に記載の金属充填構造体の製造方法。
前記金属充填材料を充填することは、電界めっき法により、前記有底孔の底部から前記有底孔の開口端部へ向けて金属充填材料を充填することである請求項１に記載の金属充填構造体の製造方法。
前記金属充填材料を充填することは、前記半導体基板の第１面から１０００ｎｍ以上の深さまで前記金属充填材料を充填することである請求項１に記載の金属充填構造体の製造方法。
半導体基板の第１面に第１絶縁層を形成し、
前記第１絶縁層に開口パターンを形成し、
前記開口パターンの下方に、前記第１面から所定の深さにアンダーカットを有する貫通孔を、前記半導体基板に形成し、
前記貫通孔の側壁に第２絶縁層を形成し、
前記貫通孔に金属充填材料を充填することを含む金属充填構造体の製造方法。
前記所定の深さは、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の金属充填構造体の製造方法。
前記貫通孔を形成することは、等方性エッチングと保護膜の堆積とを繰り返すボッシュプロセスであることを特徴とする請求項６に記載の金属充填構造体の製造方法。
前記金属充填材料を充填することは、電界めっき法により、前記貫通孔の前記第１面と反対の第２面側の端部から前記第１面側の端部へ向けて前記金属充填材料を充填することである請求項５に記載の金属充填構造体の製造方法。
前記金属充填材料を充填することは、前記半導体基板の第１面から１０００ｎｍ以上の深さまで前記金属充填材料を充填することである請求項６に記載の金属充填構造体の製造方法。
第１面に、複数の有底孔及び前記複数の有底孔の各々の開口縁を周回する凹部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第１面、前記凹部及び前記有底孔の側壁を覆う絶縁層と、
前記有底孔の一部を充填する金属充填材料とを備える金属充填構造体。
前記第１面上の前記絶縁層は、前記有底孔の内側へ突出した形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の金属充填構造体。
前記金属充填材料は、前記有底孔の底部から前記凹部の下方まで充填されることを特徴とする請求項１１に記載の金属充填構造体。