説明

ビアホールの形成方法

【課題】異なる種類の絶縁体が積層された構造を有する絶縁膜に、高精度の加工形状を有するビアホールを形成することができるビアホールの形成方法を提供する。
【解決手段】
ドライエッチングによって第2の絶縁層に第1の貫通孔を形成する工程と、第1の絶縁層及び第2の絶縁層の第1の貫通孔からの露出部分を同一組成からなる絶縁体にする同一化工程と、第1の貫通孔から露出する第1の絶縁層をドライエッチングにより除去して下層配線に達するビアホールを形成する工程と、を有すること。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、絶縁膜を貫通し、半導体基板の上に形成された電極との電気的な接続を得るために形成されるビアホールの形成方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年の携帯電話の小型化及び高性能化に伴い、携帯電話に用いられるカメラモジュールの高画素対応及び低背化が進んでいる。また、携帯電話用のカメラモジュールに内蔵されるセンサ部品にも小型化が要求されている。従来からセンサの実装にはワイヤーボンド方式やフリップチップ方式等が採用されていたが、近年においてはセンサをCSP(Chip Scale Package又はChip Size Package)として実装する方式が注目されている。この方式は、センサがチップサイズに近い超小型・薄型で形成されるため、高密度実装が可能になる。また、この方式は、プリント基板へのセンサの実装に、従来の表面マウント技術を用いることができる。なお、以下においては、このようなセンサをセンサCSPと称する。
【0003】
センサCSPには、多数の種類がある。例えば、パッケージ側面に配線を形成する方式と、各センサCSP(すなわち、センサチップごと)に貫通孔であるビアホールを設けるTSV(Through Silicon Via)方式とが知られている。例えば、ビアホールの形成方法の具体的な例は、特許文献1に記載されている。
【0004】
また、半導体装置の動作速度(動作周波数)及び信頼性の向上の観点から、配線を覆う絶縁膜を2層構造とし、配線容量の引き下げ及びリーク電流の抑制を図る技術が知られている。このような2層構造を有する絶縁膜にビアホールを形成する方法として、例えば、特許文献2にその技術内容が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2000−164566
【特許文献2】特開2001−77086
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、2層構造からなる絶縁膜にドライエッチングによってビアホールを形成する場合には、絶縁膜と配線とのエッチング選択比、下層絶縁体(すなわち、配線上に形成される絶縁体)と上層絶縁体とのエッチングレートの相違、下層及び上層の絶縁体に用いられる材料の相違により、高精度の加工形状を形成できない場合がある。
【0007】
より具体的には、絶縁膜と配線とのエッチング選択比を小さく設定すると、配線が削れてしまい、配線の一部(当該削れによって生成された金属)がビアホールの側面に付着し、ビアホールの開口寸法がばらついてしまう問題がある。かかる問題を回避するためにエッチング選択比を大きく設定するとエッチング時間が長くなり、下層絶縁体が上層絶縁体よりもエッチングレートが遅い場合には、下層絶縁体のエッチング中に上層絶縁体の側面もエッチングされることがある。このため、上層絶縁体における開口寸法が下層絶縁体における開口寸法よりも大きくなる問題が生じてしまう。すなわち、高精度の加工形状を有するビアホールの形成が困難になる。
【0008】
本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、異なる種類の絶縁体が積層された構造を有する絶縁膜に、高精度の加工形状を有するビアホールを形成することができるビアホールの形成方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上述した課題を解決するために、本発明のビアホールの形成方法は、半導体基板の上に形成された下層配線を覆う第1の絶縁層及び第1の絶縁層とは異なる組成を有して第1の絶縁層を覆う第2の絶縁層を貫通して下層配線に達するビアホールを形成する方法であって、ドライエッチングによって第2の絶縁層に第1の貫通孔を形成する工程と、第1の絶縁層及び第2の絶縁層の第1の貫通孔からの露出部分を同一組成からなる絶縁体にする同一化工程と、第1の貫通孔から露出する第1の絶縁層をドライエッチングにより除去して下層配線に達するビアホールを形成する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明のビアホールの形成方法は、本発明のビアホールの形成方法は、半導体基板の上に形成された下層配線を覆う第1の絶縁層及び第1の絶縁層とは異なる組成を有して第1の絶縁層を覆う第2の絶縁層を貫通して下層配線に達するビアホールを形成する方法であって、ドライエッチングによって第2の絶縁層に第1の貫通孔を形成する工程と、第1の絶縁層及び第2の絶縁層の第1の貫通孔からの露出部分を同一組成からなる絶縁体にする同一化工程と、第1の貫通孔から露出する第1の絶縁層をドライエッチングにより除去して下層配線に達するビアホールを形成する工程と、を有している。
【0011】
上述するように、本発明においては、第1の貫通孔からの第1の絶縁層及び第2の絶縁層の露出部分を同一組成からなる絶縁体にする同一化工程を有することで、第2の貫通孔形成時における下層配線の剥がれ及び第1の貫通孔の後退を抑制することができる。これによって、異なる種類の絶縁体が積層された構造を有する絶縁膜に、高精度の加工形状を有するビアホールを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施例1であるビアホールの形成方法を含む半導体装置の製造方法の各工程における断面図である。
【図2】本発明の実施例1であるビアホールの形成方法を含む半導体装置の製造方法の各工程における断面図である。
【図3】本発明の実施例1であるビアホールの形成方法を含む半導体装置の製造方法の各工程における断面図である。
【図4】本発明の実施例2であるビアホールの形成方法を含む半導体装置の製造方法の各工程における断面図である。
【図5】本発明の実施例2であるビアホールの形成方法を含む半導体装置の製造方法の各工程における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【実施例1】
【0014】
図1乃至3を参照しつつ、本発明のビアホールの形成方法について詳細に説明する。図1乃至図3は、本発明のビアホールの形成方法を含む半導体装置の製造方法の各工程における断面図である。
【0015】
先ず、8インチの半導体素子基板11が準備される(図1(a))。ここで、半導体素子基板11は、シリコン(Si)からなるシリコン基板11aと、シリコン基板11aに形成されたドレイン領域、ドレイン電極、ソース領域、ソース電極、ゲート絶縁膜、ゲート電極、素子分離領域及びこれらを覆う絶縁膜からなる半導体素子層11bとからなる。なお、図面上においては、便宜上のために半導体素子層11bを構成する各部分を省略する。
【0016】
次に、半導体素子基板11の上に所望の形状を有する下層配線12が形成される(図1(b))。下層配線12は、上述したドレイン電極、ソース電極、ゲート電極に接続されている。より具体的には、スパッタリングによって半導体素子基板11の上に銅が堆積される。続いて、堆積した銅の上にレジストが塗布される。フォトリソグラフィによって当該レジストに所望のパターニングが施される。更に、パターニングされたレジストをマスクとしてドライエッチングが施され、所望の形状を有する下層配線12が形成される。なお、下層配線12の形成後に当該レジストは除去される。
【0017】
次に、半導体素子基板11の主面及び下層配線12を覆うように、第1の絶縁層13が、熱エネルギーを用いる化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法である熱CVD法によって形成される(図1(c))。ここで、第1の絶縁層13は酸窒化シリコン(SiON)からなる。更に、第1の絶縁層13を覆うように、第2の絶縁層14が、プラズマエネルギーを用いるCVD法であるプラズマCVD法によって形成される(図1(d))。ここで、第2の絶縁層14は酸化シリコン(SiO)からなる。かかる工程を経ることで、組成の異なる2種類の絶縁体から積層絶縁体15が構成される。また、第1の絶縁層14は、後述するエッチングガスを用いたエッチングにおいては、第2の絶縁層よりもエッチングレートが遅く、エッチングが進行しにくい。
【0018】
次に、積層絶縁体15の上にレジスト21が塗布される。続いて、フォトリソグラフィによってレジスト21に所望のパターニングが施される(すなわち、開口22が形成される)(図2(a))。
【0019】
次に、ドライエッチングにより、第2の絶縁層14を貫通する第1の貫通孔23が形成される(図2(b))。第1の貫通孔23は、第1の絶縁層13と第2の絶縁層14との界面にまで到達している。具体的なエッチング条件は、以下の通りである。先ず、エッチングガスとして、C、O、Arが使用される。エッチングガスの流量は、Cが20sccm(standard cc/min)、Oが12sccm、Arが500sccmである。エッチング時間は100秒、圧力は40ミリトール(mTorr)、高周波電源の電力(RF Power)は1700ワット(W)、温度は約摂氏50度〜60度(50℃〜60℃)ある。なお、本実施例においては異方性エッチング技術を用いているので、第1の貫通孔23の開口寸法は開口17の開口寸法とほぼ同一になる。すなわち、エッチングは第2の絶縁層14の膜厚方向に進行するが、膜厚方向と直交する方向にはほとんど進行しない。
【0020】
次に、第1の貫通孔23からの第2の絶縁層14の露出部分(すなわち、第1の貫通孔23の側部に接する領域)が、公知の斜め入射イオン注入法により窒化され、これによってSiONからなる保護膜24が形成される(図2(c))。より具体的には、積層絶縁体15が形成された半導体素子基板11を約400℃で加熱処理しつつ、加速エネルギーが約10〜数100エレクトロンボルト(eV)、ドーズ量が約1×1015〜1×1018cm−2で窒素イオンを第2の絶縁層14の露出部分に注入する。例えば、保護膜24の膜厚(第2の絶縁層14の膜厚方向に直交する方向の厚み)は、30〜60ナノメートル(nm)である。ここで加熱温度を400℃以上にすると、下層配線12が加熱の影響を受けるので、加熱温度を400℃以下に調整することが好ましい。本工程を経ることにより、第2の絶縁層14の露出部分が第1の絶縁層13の組成と同一であるSiONからなる絶縁体に変化し、第1の貫通孔23によってSiOが露出することがなくなる。なお、本工程を同一化工程と称する。
【0021】
次に、ドライエッチングにより、第1の絶縁層13を貫通する第2の貫通孔31が形成される(図3(a))。第2の貫通孔31は、下層配線12と第1の絶縁層13との界面にまで到達している。ここで、本工程におけるドライエッチングの条件は、第1の貫通孔23を形成する工程におけるドライエッチングの条件よりも、下層配線12と積層絶縁体15とのエッチング選択比が小さくなるように設定される。このような設定により、本工程のエッチング中における下層配線12の削れ及びこれによって生成された金属生成物の第2の絶縁層14への付着を防止することができる。また、第1の貫通孔23によって露出している面は全てSiONからなる絶縁体(すなわち、第1の絶縁層13及び保護膜24)であるため、エッチング時間が長くなっても積層絶縁体15の膜厚方向に直交する方向にはエッチングが進行することなく、第1の貫通孔23の開口寸法が広がることはない。
【0022】
具体的なエッチング条件は、以下の通りである。先ず、エッチングガスとして、C、O、Arが使用される。エッチングガスの流量は、Cが20sccm、Oが7sccm、Arが500sccmである。エッチング時間は45秒、圧力は40mTorr、高周波電源の電力は1700W、温度は約40℃〜60℃ある。また、このようなエッチング条件によって、レジスト21の開口17の開口寸法の拡大(レジスト21の後退)を抑制する効果もある。
【0023】
本実施例においては異方性エッチング技術を用いているので、第2の貫通孔31の開口寸法は第1の貫通孔23の開口寸法とほぼ同一になる。すなわち、エッチングは第1の絶縁層13の膜厚方向に進行するが、膜厚方向と直交する方向にはほとんど進行しない。また、本工程が完了することで、第1の貫通孔23と第2の貫通孔31とが連通し、第1の貫通孔23及び第2の貫通孔31からなるビアホール32が形成される。
【0024】
次に、レジスト21が除去される。続いて、CVDによってビアホール32にタングステン(W)が充填され、コンタクトプラグ33が形成される(図3(b))。なお、タングステンを充填した後に、化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法によって第2の絶縁層14及びコンタクトプラグ33を平坦化しても良い。
【0025】
次に、半導体素子基板11の上に所望の形状を有する上層配線34が形成される(図3(c))。より具体的には、スパッタリングによって半導体素子基板11の上に銅が堆積される。続いて、堆積した銅の上にレジストが塗布される。フォトリソグラフィによって当該レジストに所望のパターニングが施される。更に、パターニングされたレジストをマスクとしてドライエッチングが施され、所望の形状を有する上層配線34が形成される。なお、上層配線34の形成後に当該レジストは除去される。これらの全ての工程を経ることにより、半導体装置40が完成する。
【0026】
以上のように本発明のビアホールの形成方法は、本発明のビアホールの形成方法は、半導体基板の上に形成された下層配線を覆う第1の絶縁層及び第1の絶縁層とは異なる組成を有して第1の絶縁層を覆う第2の絶縁層を貫通して下層配線に達するビアホールを形成する方法であって、ドライエッチングによって第2の絶縁層に第1の貫通孔を形成する工程と、第1の絶縁層及び第2の絶縁層の第1の貫通孔からの露出部分を同一組成からなる絶縁体にする同一化工程と、第1の貫通孔によって露出する第1の絶縁層をドライエッチングにより除去して下層配線に達するビアホールを形成する工程と、を有している。
【0027】
上述するように、本発明においては、第1の貫通孔からの第1の絶縁層及び第2の絶縁層の露出部分を同一組成からなる絶縁体にする同一化工程を有することで、第2の貫通孔形成時における下層配線の剥がれ及び第1の貫通孔の後退を抑制することができる。これによって、異なる種類の絶縁体が積層された構造を有する絶縁膜に、高精度の加工形状を有するビアホールを形成することができる。更に、本発明によれば、レジストマスクの後退も抑制することができる。
【0028】
また、本実施例においては、ビアホール32の断面が矩形となるようにドライエッチングの条件を設定したが、ビアホール32の開口寸法が下層配線に向かうにつれて徐々に小さくなるようにエッチング条件を設定しても良い(すなわち、断面がテーパー形状にしても良い)。かかる場合には、イオン注入による保護膜24の形成が容易に実施できる。
【0029】
また、本実施例においては、保護膜24を形成するために公知の斜め入射イオン注入法を用いたが、例えば、窒素ガス、窒素と水素との混合ガス、又はアンモニアガスのいずれかを導入しつつ所定の加熱処理を施すことで保護膜24を形成しても良い。
【0030】
更に、本実施例においては、レジスト21をビアホール32の形成後に除去しているが、第1の貫通孔23の形成後に除去しても良い。かかる場合には、その後のイオン注入の実施が容易になる。
【実施例2】
【0031】
実施例1においては、第1の貫通孔23によって露出したSiO(第2の絶縁層14の一部)を窒化させてSiONからなる保護膜24を形成し、第1の貫通孔23によって露出する全面(すなわち第1の貫通孔23の側部及び底部に露出した面)を同一の組成の絶縁体にしたが、第1の貫通孔23の底部に露出したSiON(第1の絶縁層13の一部)から窒素除去してSiOからなる絶縁体を形成し、露出する全面を同一の組成の絶縁体にしても良い。かかる場合のビアホールの形成方法を、図4及び図5を参照しつつ、詳細に説明する。なお、実施例1と同一部分は、同一符号を付し、その説明を省略する。
【0032】
半導体素子基板11の上に下層配線12、第1の絶縁層13、第2の絶縁層14及びレジスト21を形成する工程は、図1(a)から図2(a)までに示された工程と同一であるので、その説明は省略する。
【0033】
第1の絶縁層13及び第2の絶縁層14からなる2層構造の積層絶縁体15が形成された後に、ドライエッチングによって第2の絶縁層14を貫通する第1の貫通孔41が形成される(図4(a))。第1の貫通孔41は、第1の絶縁層13と第2の絶縁層14との界面にまで到達している。具体的なエッチング条件は、以下の通りである。先ず、エッチングガスとして、C、O、Arが使用される。エッチングガスの流量は、Cが20sccm、Oが12sccm、Arが500sccmである。エッチング時間は20秒、圧力は40mTorr、高周波電源の電力は1700W、温度は約50℃〜60℃ある。なお、本実施例においては異方性エッチング技術を用いているので、第1の貫通孔41の開口寸法は開口17の開口寸法とほぼ同一になる。すなわち、エッチングは第2の絶縁層14の膜厚方向に進行するが、膜厚方向と直交する方向にはほとんど進行しない。
【0034】
次に、レジスト21が除去される(図4(b)。続いて、プラズマCVD装置を用いた加熱処理により、第1の貫通孔41の底部に露出した第1の絶縁層13の露出部分から窒素原子が離脱され、SiOからなる第3の絶縁層42が形成される(図4(c))。ここで窒素原子が離脱される露出部分とは、第1の貫通孔41の底部に位置する第1の絶縁層13である。すなわち、第1の貫通孔41の底部に位置する第1の絶縁層13が、その露出面から下層配線12との界面までの窒素原子が離脱され、第1の貫通孔41の底部に第3の絶縁層42のみが形成されることになる。このような反応が起こる理由は、二窒化酸素(NO)を用いた加熱処理により、第1の貫通孔41の底部に位置する第1の絶縁層13の露出部分において、SiONの窒素原子とNOの酸素原子との置換が起こり、SiONから窒素原子が脱離するためである。具体的な加熱処理の条件は、使用ガスがNO、短波電源の電力(HF POWER)が40W、温度が1700℃、圧力が20Torr、処理時間が20秒である。なお、上述した条件では、窒素原子を脱離できる膜厚は30〜60nmであるため、第1の絶縁層13の膜厚が60nmを超える場合には処理時間を20秒以上に変更し、30nm未満であれば処理時間を20秒未満に変更して対応する必要がある。本工程に経ることにより、第1の絶縁層13の露出部分が第2の絶縁層14の組成と同一であるSiOからなる絶縁体に変化し、第1の貫通孔41によってSiOが露出することがない。なお、本工程を同一化工程と称する。
【0035】
次に、ドライエッチングにより、第1の絶縁層13を貫通する第2の貫通孔51が形成される(図5(a))。第2の貫通孔51は、下層配線12と第1の絶縁層13との界面にまで到達している。具体的なエッチング条件は、第1の貫通孔41の形成工程と同一条件である。このようにエッチング条件を同一にすることができるのでは、第1の貫通孔41の底部において露出する絶縁体が、第2の絶縁層14と同一組成のSiOからなるからである。これによって、エッチング処理時間を従来よりも短縮することが可能になる。
【0036】
本実施例においては異方性エッチング技術を用いているので、第2の貫通孔51の開口寸法は第1の貫通孔41の開口寸法とほぼ同一になる。すなわち、エッチングは第1の絶縁層13の膜厚方向に進行するが、膜厚方向と直交する方向にはほとんど進行しない。また、本工程が完了することで、第1の貫通孔41と第2の貫通孔51とが連通し、第1の貫通孔41及び第2の貫通孔51からなるビアホール52が形成される。
【0037】
次に、CVDによってビアホール32にタングステンが充填され、コンタクトプラグ53が形成される(図5(b))。なお、タングステンを充填した後に、CMP法によって第2の絶縁層14及びコンタクトプラグ53を平坦化させても良い。
【0038】
次に、半導体素子基板11の上に所望の形状を有する上層配線54が形成される(図5(c))。より具体的には、スパッタリングによって半導体素子基板11の上に銅が堆積される。続いて、堆積した銅の上にレジストが塗布される。フォトリソグラフィによって当該レジストに所望のパターニングが施される。更に、パターニングされたレジストをマスクとしてドライエッチングが施され、所望の形状を有する上層配線54が形成される。なお、上層配線54の形成後に当該レジストは除去される。これらの全ての工程を経ることにより、半導体装置60が完成する。
【0039】
上述したように、実施例2のビアホールの形成方法によれば、第1の貫通孔と第2の貫通孔を同一のエッチング条件でエッチング処理できるので、ビアホールの形成時間を更に短縮することができる。
【0040】
なお、本実施例においては、窒素原子を脱離する工程の前にレジスト21を除去したが、窒素原子を脱離する工程における加熱温度を下げることで、窒素原子の脱離後にレジスト21を除去することが可能になる。
【符号の説明】
【0041】
11 半導体素子基板
11a シリコン基板
11b 半導体素子層
12 下層配線
13 第1の絶縁層
14 第2の絶縁層
15 絶縁膜
21 レジスト
22 開口
23 第1の貫通孔
24 保護膜
31 第2の貫通孔
32 ビアホール
33 コンタクトプラグ
34 上層配線

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板の上に形成された下層配線を覆う第1の絶縁層及び前記第1の絶縁層とは異なる組成を有して前記第1の絶縁層を覆う第2の絶縁層を貫通して前記下層配線に達するビアホールを形成する方法であって、
ドライエッチングによって前記第2の絶縁層に第1の貫通孔を形成する工程と、
前記第1の絶縁層及び前記第2の絶縁層の前記第1の貫通孔からの露出部分を同一組成からなる絶縁体にする同一化工程と、
前記第1の貫通孔から露出する前記第1の絶縁層をドライエッチングにより除去して前記下層配線に達するビアホールを形成する工程と、を有することを特徴とする方法。
【請求項2】
前記第1の絶縁層が酸窒化シリコンからなり、前記第2の絶縁層が酸化シリコンからなり、前記同一化工程は前記第2の絶縁層の前記露出部分を窒化することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
当該露出部分の窒化は、前記露出部分への窒素イオンを注入によりなされることを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項4】
当該露出部分の窒化は、少なくとも窒素原子を含むガスを用いた加熱処理によりなされることを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項5】
前記第1の絶縁層が酸窒化シリコンからなり、前記第2の絶縁層が酸化シリコンからなり、前記同一化工程は前記第1の絶縁層の前記露出部分から窒素原子を脱離することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項6】
当該窒素原子の脱離は、二窒化酸素を用いた加熱処理によってなされることを特徴とする請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記ビアホールの断面形状は、テーパー形状であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1に記載の方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate


【公開番号】特開2011−9636(P2011−9636A)
【公開日】平成23年1月13日(2011.1.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−153854(P2009−153854)
【出願日】平成21年6月29日(2009.6.29)
【出願人】(308033711)OKIセミコンダクタ株式会社 (898)
【Fターム(参考)】