(57)【要約】【課題】表層部に銅とシリコンが存在する基板を対象として、六フッ化硫黄をプラズマ発生用ガスとして用いたプラズマエッチングにおいて、硫化銅の生成に起因して生じる銅部分への異物付着や形状不良を防止することができるプラズマエッチング方法およびプラグ形成方法を提供することを目的とする。【解決手段】シリコン基板の表面をプラズマエッチングによって除去することにより、シリコン基板に埋設された銅電極の一端をシリコン基板の表面から突出させてプラグを形成する目的で行われるプラズマエッチングにおいて、プラズマ発生用ガスとして六フッ化硫黄を主成分とする混合ガスを使用し、シリコン基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行う。これによりプラズマ処理過程で生成した硫化銅の付着を抑制することができる。【選択図】図４
2006024633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表層部にシリコンと銅が存在する基板を対象とし、この基板の表面に対してプラズマエッチングを行うことにより前記シリコンの表面を除去するプラズマエッチング方法であって、
プラズマ発生用ガスとして、六フッ化硫黄もしくは六フッ化硫黄を主成分とする混合ガスを使用し、前記基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
前記基板を裏面から冷却する冷却手段を使用して、前記プラズマエッチング過程における基板の表面温度を６５℃以下に保つことを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング方法。
【請求項３】
平板型の上部電極および下部電極を上下に対向して配置した平行平板電極型プラズマ処理装置の前記下部電極に基板を載置し、下部電極を冷却しながらプラズマエッチングを行うことにより、プラズマエッチング過程における前記基板の表面温度を６５℃以下に保つことを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
前記プラズマエッチングを間欠的に行うことを特徴とする請求項２または３記載のプラズマエッチング方法。
【請求項５】
表層部にシリコンと銅が存在する基板を対象とし、この基板の表面に対してプラズマエッチングを行うことにより前記シリコンの表面を除去するプラズマエッチング方法であって、
プラズマ発生用ガスとして、主成分となる六フッ化硫黄に加えて少なくとも酸素とアルゴンを含んだ混合ガスを使用し、前記基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項６】
前記基板を裏面から冷却する冷却手段を使用して、前記プラズマエッチング過程における基板の表面温度を６５℃以下に保つことを特徴とする請求項５記載のプラズマエッチング方法。
【請求項７】
平板型の上部電極および下部電極を上下に対向して配置した平行平板電極型プラズマ処理装置の前記下部電極に基板を載置し、下部電極を冷却しながらプラズマエッチングを行うことにより、プラズマエッチング過程における基板を表面温度を６５℃以下に保つことを特徴とする請求項５記載のプラズマエッチング方法。
【請求項８】
前記プラズマエッチングを間欠的に行うことを特徴とする請求項６または７記載のプラズマエッチング方法。
【請求項９】
シリコン基板の表面をプラズマエッチングによって除去することにより、前記シリコン基板に埋設された銅電極の一端をシリコン基板の表面から突出させてプラグを形成するプラグ形成方法であって、
プラズマ発生用ガスとして、六フッ化硫黄もしくは六フッ化硫黄を主成分とする混合ガスを使用し、前記シリコン基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行うことを特徴とするプラグ形成方法。
【請求項１０】
前記シリコン基板を裏面から冷却する冷却手段を使用して、前記プラズマエッチング過程におけるシリコン基板の表面温度を６５℃以下に保つことを特徴とする請求項９記載のプラグ形成方法。
【請求項１１】
平板型の上部電極および下部電極を上下に対向して配置した平行平板電極型プラズマ処理装置の前記下部電極に前記シリコン基板を載置し、下部電極を冷却しながらプラズマエッチングを行うことにより、プラズマエッチング過程におけるシリコン基板の表面温度を６５℃以下に保つことを特徴とする請求項９記載のプラグ形成方法。
【請求項１２】
前記プラズマエッチングを間欠的に行うことを特徴とする請求項１０または１１記載のプラグ形成方法。
【請求項１３】
シリコン基板の表面をプラズマエッチングによって除去することにより前記シリコン基板に埋設された銅電極の一端をシリコン基板の表面から突出させてプラグを形成するプラグ形成方法であって、
プラズマ発生用ガスとして、主成分となる六フッ化硫黄に加えて少なくとも酸素とアルゴンを含んだ混合ガスを使用し、前記シリコン基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行うことを特徴とするプラグ形成方法。
【請求項１４】
前記シリコン基板を裏面から冷却する冷却手段を使用して、前記プラズマエッチング過程におけるシリコン基板の表面温度を６５℃以下に保つことを特徴とする請求項１３記載のプラグ形成方法。
【請求項１５】
平板型の上部電極および下部電極を上下に対向して配置した平行平板電極型プラズマ処理装置の前記下部電極に前記シリコン基板を載置し、下部電極を冷却しながらプラズマエッチングを行うことによりプラズマエッチング過程におけるシリコン基板の表面温度を６５℃以下に保つことを特徴とする請求項１３記載のプラグ形成方法。
【請求項１６】
前記プラズマエッチングを間欠的に行うことを特徴とする請求項１４または１５記載のプラグ形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表層部に銅とシリコンが存在する基板を対象とし、シリコンの表面を除去するために行われるプラズマ処理方法およびこのプラズマ処理によりシリコンの表面から銅電極を突出させてプラグを形成するプラグ形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年ＬＳＩチップなどの半導体装置の集積度の向上や高速化を図るため、複数枚の半導体素子を積層した構造の三次元実装型の半導体装置が開発されている。このような三次元実装用の半導体素子には、半導体素子を厚さ方向に貫通する貫通電極が設けられており、積層された半導体素子はこれらの貫通電極を介して相互に接合固着されるとともに電気的に接続される（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
前述の貫通電極は半導体素子を貫通して埋設された銅などの導電金属の電極体より成り、積層状態において貫通電極相互を接合するバンプ形成のため、前述の電極体の一端部を半導体素子本体を構成するシリコン基板の表面からわずかにプラグ状に突出させる必要がある。このため半導体素子の製造過程においては、シリコン基板の表面をエッチングにより除去することによって、電極体の端部を基板表面から突出させてプラグを形成するためのプラズマエッチング処理が行われる。このプラズマエッチング処理の方法として、フッ素系ガスをプラズマ発生用ガスとして用い、プラズマによって発生したフッ素ラジカルなどの活性物質によって基板表層部のシリコンのみを除去する方法が知られている。
【特許文献１】特開２００１−５３２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のプラズマ発生用ガスとしては、六フッ化硫黄（ＳＦ6）や四フッ化炭素（ＣＦ4）などのフッ素系ガスが用いられるが、このとき、エッチング後の表面品質や均一性、さらにはエッチング効率の面からは、１分子あたりのフッ素原子数が多い六フッ化硫黄を用いることが望ましい。しかしながら、六フッ化硫黄をプラズマ発生用ガスとして用いた場合には、ガス中に含まれる硫黄が電極体の銅と反応して生成される硫化銅が貫通電極に付着することによって、貫通電極の端部となるプラグ部への異物付着や形状不良の発生頻度が高くなり、プラグ形成加工の歩留りが低下するという問題が発生していた。
【０００５】
そこで本発明は、表層部に銅とシリコンが存在する基板を対象として、六フッ化硫黄をプラズマ発生用ガスとして用いたプラズマエッチングにおいて、硫化銅の生成に起因して生じる銅部分への異物付着や形状不良を防止することができるプラズマエッチング方法およびプラグ形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のプラズマエッチング方法は、表層部にシリコンと銅が存在する基板を対象とし、この基板の表面に対してプラズマエッチングを行うことにより前記シリコンの表面を除去するプラズマエッチング方法であって、プラズマ発生用ガスとして、六フッ化硫黄もしくは六フッ化硫黄を主成分とする混合ガスを使用し、前記基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行う。
【０００７】
また本発明のプラズマエッチング方法は、表層部にシリコンと銅が存在する基板を対象とし、この基板の表面に対してプラズマエッチングを行うことにより前記シリコンの表面を除去するプラズマエッチング方法であって、プラズマ発生用ガスとして、主成分となる
六フッ化硫黄に加えて少なくとも酸素とアルゴンを含んだ混合ガスを使用し、前記基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行う。
【０００８】
本発明のプラグ形成方法は、シリコン基板の表面をプラズマエッチングによって除去することにより、前記シリコン基板に埋設された銅電極の一端をシリコン基板の表面から突出させてプラグを形成するプラグ形成方法であって、プラズマ発生用ガスとして、六フッ化硫黄もしくは六フッ化硫黄を主成分とする混合ガスを使用し、前記基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行う。
【０００９】
また本発明のプラグ形成方法は、シリコン基板の表面をプラズマエッチングによって除去することにより、前記シリコン基板に埋設された銅電極の一端をシリコン基板の表面から突出させてプラグを形成するプラグ形成方法であって、プラズマ発生用ガスとして、六フッ化硫黄もしくは六フッ化硫黄を主成分とする混合ガスを使用し、前記基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行う。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、表層部に銅とシリコンが存在する基板を対象とするプラズマエッチングにおいて、プラズマ発生用ガスとして六フッ化硫黄もしくは六フッ化硫黄を主成分とする混合ガスを使用し、基板の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行うことにより、硫化銅の生成を抑制した条件下で効率的にシリコン除去のためのエッチングを行うことができ、硫化銅の生成に起因する銅部分の形状不良を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の断面図、図２は本発明の一実施の形態のプラズマエッチング処理の対象となるシリコン基板の平面図、図３は本発明の一実施の形態のプラズマエッチング処理の対象となるシリコン基板の部分拡大斜視断面図、図４は本発明の一実施の形態のプラズマエッチングによるプラグ形成方法における歩留まり率を示すグラフ、図５は本発明の一実施の形態のプラズマエッチング対象のシリコン基板表面の処理前の状態を示す図、図６，図７，図８，図９，図１０は本発明の一実施の形態のプラズマエッチング対象のシリコン基板表面におけるプラグ形成状態を示す図、図１１は本発明の一実施の形態のプラズマエッチング処理の対象となるシリコン基板の断面図である。
【００１２】
まず図１を参照して、プラズマ処理装置の構造を説明する。このプラズマ処理装置は、表層部にシリコンと銅が存在する基板を対象とし、基板の表面に対してプラズマエッチングを行うことにより、シリコンの表面を除去するためのプラズマエッチングに使用されるものである。本実施の形態では、三次元実装型の半導体装置に積層して用いられる半導体素子の製造過程において、表面をプラズマエッチングによって除去することにより、シリコンウェハに作り込まれた半導体素子に埋設された銅電極の一端をシリコン基板の表面から突出させて、貫通電極の端部のプラグを形成する用途に用いられる。
【００１３】
図１において、真空チャンバ１の内部は上述のプラズマエッチング処理を行う処理室２となっており、減圧下でプラズマを発生させるための密閉空間が形成可能となっている。処理室２の内部の下方には平板型の下部電極３が配置されており、下部電極３の上方には同様に平板型の上部電極４が、下部電極３に対向して配置されている。すなわち、このプラズマ処理装置は、平板型の上部電極４および下部電極３を上下に対向して配置した平行平板電極型プラズマ処理装置となっている。
【００１４】
下部電極３はアルミニウムなどの導電体によって製作されており、平板状の電極体３ａから下方に支持部３ｂを延出させた形状となっている。そして支持部３ｂを絶縁体５を介して真空チャンバ１に保持させることにより、電気的に絶縁された状態で装着されている。上部電極４は下部電極３と同様にアルミニウムなどの導電体で製作されており、平板状の電極体４ａから上方に支持部４ｂを延出させた形状となっている。支持部４ｂは真空チャンバ１と電気的に導通しており、電極体４ａと電極体３ａとの間は、プラズマエッチング処理のためのプラズマ放電を発生する放電空間となっている。
【００１５】
次に下部電極３の構造および処理対象のシリコンウェハ６（シリコン基板）について説明する。電極体３ａの上面は、シリコンウェハ６を載置する載置面となっており、載置されたシリコンウェハ６は電極体３ａ上に真空吸着や静電吸着などの吸着手段（図示省略）によって保持される。シリコンウェハ６には三次元実装構造の半導体装置を構成する半導体素子６ａが複数作り込まれており、図２に示すように半導体素子６ａには、複数の貫通電極７が各半導体素子６ａの周辺に沿った配列で形成されている。
【００１６】
貫通電極７は、複数の半導体素子を積層した三次元実装構造において、上下に隣接する半導体素子相互を固着するとともに電気的に接続する。貫通電極７は、回路形成面側にエッチングにより設けられたブラインドビアの内面に電解メッキによって銅を付着させることによってシリコンウェハ６内に銅電極を埋設し、回路形成面側を平坦化した後に反対面側を機械研削して銅電極を表面に露呈させることによって形成されている。すなわちシリコンウェハ６は、表層部にシリコンと銅が存在する基板となっている。
【００１７】
図３（ａ）は、シリコンウェハ６を部分的に取り出した破断部６ｂ（図２）の拡大図であり、シリコンウェハ６は配線回路が形成された回路形成面６ｃの反対側のエッチング対象面６ｄを上向きの表面側にした姿勢、すなわち回路形成面６ｃを裏面側にして電極体３ａの上面に接触させた姿勢で下部電極３上に載置される。シリコンウェハ６は前工程において機械研削によって厚さ寸法ｔが約５０μｍまで薄化されており、この厚さ方向を貫通して貫通電極７が設けられている。貫通電極７の平断面形状は辺寸法ｂが約１０μｍの正方形であり（図３（ｂ）の符号ｂの前の□は正方形を示す。）、破断部６ｂの断面に現れているように、中心部の銅電極７ａの周囲を二酸化珪素（ＳｉＯ2）より成る絶縁層７ｂで囲んだ構成となっている。
【００１８】
図１に示すように、電極体３ａには下部電極３の内部に設けられた冷媒流路３ｃを介して、冷却ユニット１０に接続された冷却孔３ｄが設けられている。冷却ユニット１０を駆動して冷却孔３ｄ内に冷媒を循環させることにより、プラズマ処理時に発生した熱によって昇温した下部電極３や、電極体３ａ上に回路形成面６ｃ側を向けて載置されたシリコンウェハ６が冷却される。内部に冷却孔３ｄが設けられた下部電極３および冷却ユニット１０は、シリコンウェハ６を裏面から冷却する冷却手段となっている。なお冷却手段としては、シリコンウェハの裏面にヘリウムガスを接触させてシリコンウェハから熱を奪うバックヘリウム冷却方式を用いてもよい。
【００１９】
処理室２に連通して設けられた排気口１ａには、排気ユニット１１が接続されている。排気ユニット１１を駆動することにより、処理室２の内部が真空排気され、処理室２の内部が減圧される。処理室２は内部の圧力を検出する圧力センサ（図示省略）を備えており、この圧力センサの計測結果に基づいて排気ユニット１１を制御することにより、処理室２内部の圧力を所望圧力に設定することができ、これによりプラズマエッチング時の放電圧力が設定される。
【００２０】
次に上部電極４の構造を説明する。電極体４ａの内部には下面に開口するガス噴出孔４ｄが設けられており、ガス噴出孔４ｄの開口面にはガス放散板４ｅが装着されている。ガス放散板４ｅは、内部に多数の微細孔を有する多孔質材料を板状に加工した部材であり、ガス噴出孔４ｄから供給されるプラズマ発生用ガスは、これらの微細孔を介して放電空間
内に満遍なく吹き出され、均一な状態で供給される。
【００２１】
支持部４ｂ内にはガス噴出孔４ｄと連通するガス供給孔４ｃが設けられており、ガス供給孔４ｃはガス供給部１３に接続されている。ガス供給部１３は、プラズマ発生用ガスを処理室２内に供給する。プラズマ発生用ガスとして、六フッ化硫黄（ＳＦ6）もしくは六フッ化硫黄を主成分とする混合ガスを用いることができる。本実施の形態においては、主成分となる六フッ化硫黄に加えて、酸素（Ｏ2）とアルゴン（Ａｒ）を混合して用いる。この場合の混合ガスの比率（ＳＦ6：Ｏ2：Ａｒ）は、体積比で約４：１：１が好ましい。
【００２２】
六フッ化硫黄を主成分として用いることにより、他のフッ素系ガス、例えば四フッ化炭素を用いる場合と比較して、一分子あたりのフッ素分子数が多くエッチング効率に優れているとともに、装置構造が簡易な平行平板型プラズマ処理装置を用いる場合にあっても均一なエッチング効果が得られるという特長を備えており、さらに四フッ化炭素を用いる場合に生じるエッチング面の白濁化が発生しにくいという利点を有している。
【００２３】
下部電極３は、支持部３ｂを介して高周波電源１２に電気的に接続されている。処理室２内を排気ユニット１１によって減圧し、ガス供給部１３によってプラズマ発生用ガスを供給した状態で高周波電源１２を駆動することにより、上部電極４（アース電位）と下部電極３との間には高周波電圧が印加される。これにより処理室２内部では、上部電極４と下部電極３との間の放電空間においてプラズマ放電が発生し、処理室２内に供給された上述成分のプラズマ発生用ガスがプラズマ状態に移行する。
【００２４】
次に、上述構成のプラズマ処理装置によって、シリコンウェハ６を対象としてプラズマエッチング処理を行う過程におけるウェハ表面の温度条件について説明する。このプラズマエッチング処理は、シリコンウェハ６の表層部に存在するシリコンを、プラズマ放電によって発生したフッ素ラジカルなどの活性物質と反応させて除去することにより、図３（ｂ）に示すように、シリコンウェハ６のエッチング対象面６ｄから銅電極７ａを所定寸法ｔ１（≒５μｍ）だけ突出させて、貫通電極７の端部にプラグを形成することを目的として行われる。
【００２５】
銅電極７ａの突出部分は、シリコンウェハ６を三次元実装構造とする際の接合用電極として用いられることから、銅電極７ａの端部は極力初期形状を保った状態で異物付着が少ないことが望ましい。ところが、プラズマ発生用ガスとして六フッ化硫黄を含む混合ガスを用いる場合には、プラズマ発生用ガス中の硫黄と銅電極７ａの表面の銅とが反応して硫化銅を生成する反応が生じる。
【００２６】
そして硫化銅はプラズマ処理条件によっては銅電極７ａの端部表面に沿って生成するのみならず、硫化銅の結晶が針状に成長して銅電極７ａから外側にはみ出した形で生成する場合がある。そしてこのような場合は銅電極７ａの端部は初期形状と不規則に異なる不正規形状となり、貫通電極としての正常な機能を損なう。このように、六フッ化硫黄をプラズマ発生用ガスの主成分として用いる場合には前述のように四フッ化炭素と比較して優れた利点を有するにもかかわらず、実生産用に適用することが困難であった。そしてこの硫化銅の生成に起因する不具合を防止するための方途が求められていた。
【００２７】
この課題を解決するため、発明者は六フッ化硫黄を用いたプラズマエッチングのテストをテストワークを対象として種々の条件下で反復実行した。そしてこれらのテスト実行過程で、硫化銅の発生度合はプラズマエッチング過程におけるシリコン基板の表面温度に依存するという知見を得た。すなわち、エッチング対象であるシリコン表面の温度をある温度以下に保った状態でプラズマエッチングを実行することにより、エッチング対象面に存
在する銅部分に硫化銅を生成させることなく、表層部のシリコンのみを効率よくプラズマエッチングによって除去できるということを実験的に確認した。
【００２８】
このため本実施の形態においては、この硫化銅の生成度合いの温度依存性に基づき、プラズマエッチング過程におけるシリコンウェハ６の表面温度を、予め定められた上限温度以下に保つことにより、硫化銅の生成を極力抑制して銅電極７ａの端部へ硫化銅が付着することによる不具合を防止するようにしている。ここで、シリコンウェハ６の表面温度を上限温度以下に保つためには、プラズマ処理条件の設定によりプラズマ放電による発熱自体を抑制する方法、もしくはシリコンウェハ６を冷却することによって表面温度の上昇を抑制する方法などを選択的にまたはこれらを組み合わせて用いることができる。
【００２９】
プラズマ放電による発熱を抑制する方法としては、排気ユニット１１、ガス供給部１３を調整して処理室２内の放電圧力を高く設定（例えば２００Ｐａ以上）する方法や、プラズマ放電を間欠的に行う方法、高周波電源１２の出力を調整する方法など、各種の方法を選択的に組み合わせて用いることができる。そして本実施の形態に示すプラズマエッチング方法においては、冷却ユニット１０によって下部電極３を冷却してシリコンウェハ６の裏面を直接冷却する方法と他の方法とを組み合わせることにより、シリコンウェハ６の表面温度が上限温度以下になるように温度制御する方法を採用している。
【００３０】
そして、プラズマ発生用ガスとして、主成分の六フッ化硫黄に加えて酸素とアルゴンを含む混合ガスを使用することにより、以下に説明するような効果を得る。まず酸素を含んだ混合ガスを使用することにより、プラズマ処理過程において、六フッ化硫黄中の硫黄と酸素とを化合させて二酸化硫黄（ＳＯ2）を生成させる。これにより銅と反応する硫黄分子の数量を低減することができ、銅電極７ａ上の硫化銅の生成が抑制される。
【００３１】
またアルゴンガスを混合することにより、プラズマエッチングの過程において銅電極７ａの表面に生成付着する硫化銅を、プラズマ状態のアルゴンイオンのスパッタリング作用によって同時並行的に除去することができる。なお、放電圧力を下げる（例えば６００Ｐａ以下）ことにより、同様に硫化銅の生成付着を抑制することができる。
【００３２】
このプラズマ処理装置は上記のように構成されており、以下このプラズマ処理装置によって行われるプラズマエッチング方法、およびプラズマエッチングによって銅電極７ａに生成付着する硫化銅の付着状態とプラズマエッチング過程におけるシリコンウェハの表面温度との関連について説明する。
【００３３】
このプラズマエッチングにおいては、図１に示すように、平板型の上部電極４および下部電極３を上下に対向して配置した平行平板電極型プラズマ処理装置の下部電極３に、シリコンウェハ６を回路形成面６ｃを電極体３ａの上面に接触させて載置し、下部電極３を冷却しながらプラズマエッチングを行う。このプラズマエッチングは、下部電極３上に載置されたシリコンウェハ６の表面（回路形成面６ｃの反対面）をプラズマエッチングによって除去することにより、シリコンウェハ６に埋設された銅電極７ａの一端をシリコンウェハ６の表面から突出させて、プラグを形成する目的で行われる。
【００３４】
そしてプラズマ発生用ガスとして、主成分の六フッ化硫黄に加えて酸素とアルゴンを含む混合ガスを使用し、シリコンウェハ６を裏面から冷却することにより、シリコンウェハ６の表面温度を６５℃以下に保ちながらプラズマエッチングを行うようにしている。もちろん六フッ化硫黄のみを含むプラズマ発生用ガスを用いてもよいが、銅電極７ａへの硫化銅の付着を極力抑制する観点からは酸素とアルゴンを混合した混合ガスを使用することが望ましい。
【００３５】
次にテストワークとしてシリコンウェハ６と同様の構成のシリコン基板を対象として行ったプラズマエッチング処理の結果、すなわちシリコン基板の基板表面温度とプラズマエッチング処理によるプラグ形成結果との関係について、図４〜図９を参照して説明する。ここで図４はプラズマエッチング処理によるプラグ形成加工の歩留り（％）を、図６〜図９におけるシリコン基板の表面温度ごとにプロットしてグラフ表示したものである。
【００３６】
図５は、処理前のシリコン基板の表面、すなわちシリコンウェハ６における回路形成面６ｃの反対面を示している。図３（ａ）に示す状態と同様に、回路形成面６ｃの反対面には、回路形成面側を平坦化した後にグラインディングによる機械研削によって、シリコンウェハ６における貫通電極７と同様の貫通電極が規則配列で複数露呈している。そして貫通電極が露呈したシリコン基板の表面が、プラズマエッチングの対象面となる。
【００３７】
なお、プラズマエッチングの対象面としては、図５に示すように貫通電極がシリコン基板の表面に完全に露呈状態になるまで機械研削を行った状態である必要はなく、ブラインドビアの底面部分に相当する銅電極が露呈する直前で機械研削を中止した状態であってもよい。この場合には、プラズマエッチングの開始によってシリコンが表面から徐々に除去されて図５に示す状態となる。これにより、延性に富む銅材質によって形成された銅電極が、機械研削によって表面で引延ばされた状態でプラズマエッチングを行うことに起因する不具合、すなわち後述するように、銅電極が引延ばされて広い範囲で露呈された表面に硫化銅が大量に生成する不具合（図１０参照）を防止することができる。
【００３８】
図６〜図９は、前述のプラズマ処理装置によって上述のシリコン基板を対象として、異る温度条件下でプラズマエッチング処理を行って貫通電極の端部を基板表面から突出させた結果、すなわちシリコン基板の表面におけるプラグ形成状態を示している。なお、このテストにおいては、基板表面に貼り付けられた感熱テープの温度指標を観察しながら、冷却手段としての冷却ユニット１０を調整操作することにより、基板表面を所定温度に保つように温度管理を行った。
【００３９】
図６は、プラズマエッチング過程における基板表面温度が１３０℃である場合のプラグ形成状態を示している。図６から判るように、プラグの端面には硫化銅の結晶が針状に成長した状態で生成しており、図４に示すように、正常な形状のプラグが形成されて良品となった率を示す歩留りは、約１０％と極めて低率となっている。図７は基板表面温度が９５℃である場合のプラグ形成状態を示している。この条件では、上述のような結晶の針状の成長は少ないものの、プラグ表面の縁部には細かい硫化銅が結晶状に生成している。そしてこの場合の歩留りは、図４に示すように約４０％となっている。
【００４０】
図８は基板表面温度が７０℃である場合のプラグ形成状態であり、図７と比較してプラグ表面の縁部における硫化銅の生成量は明らかに減少し、これに伴って歩留りも図４に示すように、約５０％まで向上している。そして図９に示すように、基板表面温度が６５℃の場合には、プラグ表面の縁部における硫化銅の生成はほとんど観察されず、図４に示すように歩留りは１００％を示している。すなわち、プラズマエッチング過程における基板表面温度が６５℃以下となるように、プラズマエッチング条件を設定することにより、プラグ端面での硫化銅の生成を抑制して、歩留りを向上させることができることが判る。
【００４１】
図１０は上述のテスト実行過程において経験した失敗例を参考のために示している。ここではシリコン基板表面に露呈した銅電極が薄化工程でのグラインディングによって表面上で引延され、この部分に硫化銅が大量に生成した状態が示されている。この例に示すように、六フッ化硫黄を用いたプラズマエッチングにおいてエッチング対象面に存在する銅部分には、硫化銅が容易に生成する傾向があることが分かる。
【００４２】
なお図１１は、処理対象のシリコンウェハ６が極めて薄く単体では取扱いが難しい場合のシリコンウェハ６の保持方法を示している。この場合には、シリコンウェハ６の回路形成面６ｃ側に保持板８を接着層を介して貼付け、保持板８を下部電極３の電極体３ａ上に載置する。保持板８は、シリコンウェハ６からの分離工程において接着層の剥離を容易にするためにＵＶ照射が可能なように、ガラスなど透明体で製作されている。
【００４３】
このように保持板８の材質としてガラスなどの熱伝導率が低い材質を用いた場合、シリコンウェハ６から下部電極３への伝熱が保持板８によって阻害され、シリコンウェハ６を下部電極３に設けられた冷却手段によって冷却することが難しい。このような対象をエッチング処理する場合には、高周波電源１２を間欠的に駆動して、プラズマエッチングを間欠的に行う方法を用いる。これにより、プラズマ放電による熱の発生が間欠的に行われ、シリコンウェハ６に作用する熱そのものの総量を低く抑えることができる。したがって、下部電極３を介しての冷却作用がシリコンウェハ６に十分に及ばない場合にあっても、プラズマエッチング過程におけるシリコンウェハ６表面の温度を上限温度以下に保つことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のプラズマエッチング処理方法およびプラグ形成方法は、硫化銅の生成に起因して生じる銅部分への異物付着や形状不良を防止することができるという効果を有し、３次元実装型の半導体装置に用いられる半導体素子に銅のプラグを形成するためのプラズマエッチング処理において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置の断面図
【図２】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング処理の対象となるシリコン基板の平面図
【図３】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング処理の対象となるシリコン基板の部分拡大斜視断面図
【図４】本発明の一実施の形態のプラズマエッチングによるプラグ形成方法における歩留まり率を示すグラフ
【図５】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング対象のシリコン基板表面の処理前の状態を示す図
【図６】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング対象のシリコン基板表面におけるプラグ形成状態を示す図
【図７】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング対象のシリコン基板表面におけるプラグ形成状態を示す図
【図８】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング対象のシリコン基板表面におけるプラグ形成状態を示す図
【図９】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング対象のシリコン基板表面におけるプラグ形成状態を示す図
【図１０】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング対象のシリコン基板表面におけるプラグ形成状態を示す図
【図１１】本発明の一実施の形態のプラズマエッチング処理の対象となるシリコン基板の断面図
【符号の説明】
【００４６】
１  真空チャンバ
２  処理室
３  上部電極
３ｄ  冷却孔
４  上部電極
６  シリコンウェハ
６ａ  半導体素子
６ｃ  回路形成面
６ｄ  エッチング対象面
７  貫通電極
７ａ  銅電極
７ｂ  絶縁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１１】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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