JP6093929B2 - 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主な方法に、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）プロセスがある。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、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）。ボッシュプロセスは、SF₆ガス等のエッチングガスを用いて穴を形成するプラズマエッチングの工程と、C₄F₈ガス等の堆積ガスを用いてフロロカーボン系ポリマーを保護膜として穴の内壁面に堆積させるプラズマデポジションの工程を交互に繰り返すプロセス（交番プロセス）により穴を掘り進めていく方法であり、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。

特開2007-311584号公報 国際公開第2008/75715号

図１に、ボッシュプロセスにより縦穴構造を形成する工程を示す。ボッシュプロセスでは、表面にマスク２が形成されたシリコン基板１に対して等方性エッチングを行う工程（図１(a)）、エッチングにより形成した穴３の内壁（側壁及び底面）に保護膜４を堆積させる工程（図１(b)）、及び底面の保護膜を除去するエッチング工程（図１(c)）の３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。

しかし、上記プロセスを繰り返してシリコンのエッチングを行うと、図１(d)に示すように縦穴構造の内側壁にスキャロップと呼ばれる凹凸５が形成される。ボッシュプロセスを用いて形成した縦穴構造の内側壁にCVD法などを用いて絶縁膜を堆積させる際、スキャロップの角部が核となり、局所的に堆積膜が成長してしまうため、均一な膜の成長が望めない。また、上記プロセスにより柱構造を形成する場合にも、柱構造の外側壁にスキャロップが形成され、その凹凸が柱構造の外側壁に均一な絶縁膜などを形成する妨げとなる。

本発明が解決しようとする課題は、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）エッチングを行って縦穴構造等を形成する場合にその内側壁等を平坦化することができる、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を提供することにある。ここでいう「凹凸構造」は上述した縦穴構造や柱構造を意味する。

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、
a) シリコン基板を反応性イオンエッチングプロセスによりエッチングする工程と、エッチングされた部分の内壁に保護膜を堆積させる工程を交互に繰り返すことにより、前記シリコン基板に縦壁を形成する第１工程と、
b)酸素ガス、一酸化二窒素ガス、一酸化窒素ガス、一酸化炭素ガス、及び水蒸気のうちの少なくとも１種類のガスを含む処理ガスを用いるとともに、前記シリコン基板に負のバイアス電圧を印加しつつ行う、前記縦壁の表面の凹凸の角部を選択的にエッチングして前記表面を平坦化する反応性イオンエッチングプロセスによりエッチングする第２工程と
を有することを特徴とする。

第１工程は上述したボッシュプロセスであり、エッチング工程（図１(a)及び(c)）と堆積工程（図１(b)）を交互に繰り返し行うことによりシリコン基板を掘り進めていくプロセスである。第１工程で縦穴構造を形成する場合は、該縦穴構造の内側壁が縦壁であり、そこに保護膜が堆積される。また、柱構造を形成する場合は、該柱構造の外側壁が縦壁であり、そこに保護膜が堆積される。すなわち、いずれの場合もエッチングされた部分の側壁である縦壁に保護膜が堆積される。この段階では、縦壁には、エッチング工程と堆積工程の繰り返しに伴い形成されるスキャロップが存在する。

第２工程が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特徴的な工程である。第２工程ではシリコン基板に負のバイアス電圧を印加する。これによりプラズマからシリコン基板に向かう方向に電気力線が発生するが、該電気力線はシリコン基板に形成された縦壁に存在するスキャロップの角部に集中する。処理ガスから生成されたイオンは電気力線に沿って加速されるため、スキャロップの角部が選択的にエッチングされる。
また、第２工程では、酸素ガス、一酸化二窒素ガス、一酸化窒素ガス、一酸化炭素ガス、及び水蒸気のうちの少なくとも１種類のガスを含む処理ガスを用いる。プラズマ化後の処理ガスに含まれる酸素ガスや酸素ラジカルは縦壁表面のシリコンを酸化して酸化シリコンを形成する。酸化シリコンのエッチングレートはシリコンより低いため、酸化シリコンの形成により、ラジカルによる等方性エッチングは抑制され、縦壁表面が保護される。
これらの結果、酸化シリコンで保護された縦壁表面のうち、スキャロップの角部においてのみ選択的にエッチングが進行する。
従って、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を用いると、シリコン基板に高アスペクト比エッチングを行う場合に、その縦壁（縦穴の内側壁あるいは柱構造の外側壁）を平坦化することができる。

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。こうして生じさせたバイアス電圧は自己バイアスと呼ばれる。

前記処理ガスには、プラズマ化によりフッ素ラジカルを生成するガスを混合することが望ましい。これにより、酸化シリコンのエッチング効率が高いフッ素ラジカルでスキャロップ角部のエッチングを行うことができる。
特に、SF₆ガスを混合することが望ましい。SF₆ガスからプラズマを発生させるとフッ素ラジカルが安定的に供給される。従って、第２工程におけるエッチングの効率をさらに高めることができる。

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は、酸素原子を含む処理ガスを用いて縦壁（縦穴構造の内側壁または柱構造の外側壁）のスキャロップの角部を選択的にエッチングする第２工程を有している。そのため、シリコン基板を深掘りして縦穴構造等を形成する場合に、その縦壁を平坦化することができる。

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。 本発明に係る一実施例において用いる誘導結合型反応性イオンエッチング装置の要部構成図。 本実施例における第１工程のエッチング条件を示す表。 本実施例の第２工程におけるエッチングについて説明する模式図。 本実施例における第１工程終了時点でシリコン基板に形成された縦穴構造の内壁の電子顕微鏡写真。 本実施例における第２工程終了時点でシリコン基板に形成された縦穴構造の内壁の電子顕微鏡写真。

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２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の各工程について説明する。本実施例は、大きく分けて、シリコン基板に縦穴を形成する第１工程と、シリコン基板に形成された縦穴の側壁を平坦化する第２工程からなる。本実施例では、直径8インチ（200mm）、厚さ725μmのシリコン基板を用い、その上面に200μm四方の窓が設けられた厚さ5μmのフォトレジスト膜（マスク）を形成して、以下に説明する各工程を行った。

第１工程は、上述した、いわゆるボッシュプロセスである。第１工程では、表面にマスク２が形成されたシリコン基板１に対して等方性エッチングを行う工程（図１(a)）、エッチングにより形成した穴３の内壁（側壁及び底面）に保護膜４を堆積させる工程（図１(b)）、及び底面の保護膜を除去するエッチング工程（図１(c)）の３工程を１周期としたプロセスを100周期繰り返し、深さ400μmの縦穴構造を形成した。第１工程に含まれる上記３工程の各処理条件（エッチング条件あるいは堆積条件）を図３に示す。図中のICPは第２高周波電源２３から渦巻状のコイル２１に供給する高周波電力、BIASは第１高周波電源１８から下側電極に供給する高周波電力である。BIASは、底部の保護膜４を除去するエッチング工程においてシリコン基板に負のバイアス電圧を印加し、イオンを穴３の底部に向かって加速させて底部の保護膜を選択的にエッチングする際に使用する。これと対照的に、フッ素ラジカルにより等方性エッチングを行う工程ではBIASを使用しない。

第１工程終了後、続いて第２工程を行った。第１工程は３つの工程を周期的に行う工程であったが、第２工程は単一の工程である。エッチング条件は、SF₆とO₂の混合ガスの総流量を100〜1000sccm（流量比はSF₆：O₂＝60：40〜30：70の範囲で制御）、ICP電力を1000W、BIAS電力を100Wとし、エッチング時間を300秒とした。

第２工程におけるエッチングについて説明する模式図を図４に示す。図４では理解を容易にするため、縦穴構造の一部を拡大し、またスキャロップ５の形状を実際よりも大きく示している。
第２工程ではシリコン基板に負のバイアス電圧を印加する。これによりプラズマからシリコン基板に向かう方向に電気力線６が発生するが、該電気力線６はシリコン基板に形成された縦穴構造の内側壁に存在するスキャロップ５の角部５１に集中する（図４(a)）。処理ガスから生成されたイオンは電気力線６に沿って加速されるため、スキャロップ５の角部５１にイオンが集中する。
また、第２工程では、酸素ガスを含む処理ガスを用いる。酸素ガスや、酸素ガスのプラズマ化により生成される酸素ラジカルは、縦穴構造の内壁のシリコンを酸化し、シリコンよりもエッチングレートが低い酸化シリコンを形成する。
これらの結果、酸化シリコンで保護された内壁表面のうち、スキャロップ５の角部５１において集中的にエッチングが進行し、その他の内壁表面ではゆっくりエッチングが進行する。

第２工程開始時には、電気力線６はシリコン基板に形成された縦穴構造の入口付近のスキャロップ５の角部５１に集中する（図４(a)）。該角部５１付近の内側壁が平坦化されると、縦穴構造のさらに奥にあるスキャロップの角部５２に電気力線６が到達し、同じ過程が繰り返される（図４(b)）。そして、縦穴構造の底面にまで電気力線６が到達すると、縦穴構造の全長にわたる内側壁の平坦化が完了する（図４(c)）。

第１工程終了時点での縦穴構造の内側壁の電子顕微鏡写真を図５に、第２工程終了後の縦穴構造の内側壁の電子顕微鏡写真を図６に、それぞれ示す。図５(b)は図５(a)の拡大図、図６(b)は図６(a)の拡大図である。
図５と図６の比較から、第１工程終了時点で縦穴構造の内側壁に形成されていたスキャロップが、第２工程を行うことにより平坦化されていることが分かる。

上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に沿って適宜変更や修正を行うことが可能である。上記実施例は特定の装置及び対象基板についてエッチングの条件を最適化したものであり、各処理条件は適宜に変更することができる。例えば、上記実施例では、ブロッキングコンデンサ１６を介して下部電極１２に高周波電流を供給することにより該下部電極１２に負のバイアス電圧を印加する構成としたが、直流電圧により下部電極１２に負のバイアス電圧を印加するようにしてもよい。

上記実施例はシリコン基板に縦穴構造を形成する例であるが、シリコン基板に柱構造を形成する場合にも上記実施例と同様の工程を行うことによりその外側壁を平坦化することができる。シリコン基板に柱構造を密に形成する場合には、上記実施例と同様に、柱構造の上部に存在するスキャロップ角部から順にエッチングされて外側壁が平坦化される。一方、柱構造を疎に形成する場合には、外側壁に形成されているスキャロップの各角部がほぼ同時に平坦化される。これは、スキャロップ角部に電気力線が集中する状態が異なるためであるが、スキャロップの角部に電気力線を集中させて該角部に向かってイオンを加速し、選択的にエッチングするという本願発明の技術的思想においては同じである。

上記実施例では、第２工程においてSF₆とO₂からなる混合ガスをエッチングガスとして用いたが、酸素ガスのみを用いても上記実施例と同様にエッチングを行うことができる。また、プラズマ化によって酸素ガス及び酸素ラジカルを生成させることができる一酸化二窒素ガスや一酸化窒素ガス、一酸化炭素ガス、水蒸気を用いても、上記実施例と同様に縦壁のシリコンを酸化して酸化シリコンを形成し、スキャロップの角部を選択的にエッチングすることができる。さらに、上記実施例ではエッチング効率を高めるフッ素ラジカルを供給するガスとしてSF₆ガスを用いたが、他のフッ素系ガスを用いてフッ素ラジカルを供給してもよい。

１、１１…シリコン基板
２…マスク
３…穴（縦穴構造）
４…保護膜
５…スキャロップ（凹凸）
５１、５２…角部
６…電気力線
１０…反応室
１２…下部電極
１３…誘電体窓
１４…ガス導入口
１５…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 (4)

1. プラズマエッチング装置を用いる、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、
   a) シリコン基板を反応性イオンエッチングプロセスによりエッチングする工程と、エッチングされた部分の内壁に保護膜を堆積させる工程を交互に繰り返すことにより、前記シリコン基板に縦壁を形成する第１工程と、
   b)酸素ガス、一酸化二窒素ガス、一酸化窒素ガス、一酸化炭素ガス、及び水蒸気のうちの少なくとも１種類のガスを含む処理ガスを用いるとともに、前記シリコン基板に負のバイアス電圧を印加しつつ行う、前記縦壁の表面の凹凸の角部を選択的にエッチングして前記表面を平坦化する反応性イオンエッチングプロセスによりエッチングする第２工程と
   を有す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。
3. 前記処理ガスに、プラズマ化によりフッ素ラジカルを生成するガスを混合することを特徴とする請求項１または２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。
4. 前記フッ素ラジカルを生成するガスがSF₆ガスであることを特徴とする請求項３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。