(57)【要約】【課題】撮像デバイスを製造するための方法を提示する。【解決手段】本方法は、開口部を備えた膜が基板に接合されているウェーハを提供することから始まる。膜及びウェーハ表面の上にフォトレジスト層を付着させる。膜の中央部の下の基板の裏面の一部分に異方性エッチングを施す。フォトレジスト層の第１の領域を除去し、膜内の開口部を露出し、その結果、膜の開口部を通して基板の第１の等方性エッチングを実行する。フォトレジスト層の第２の領域を剥離し、膜の第２の開口部を露出し、膜の第１及び／又は第２の開口部を通して基板の第２の等方性エッチングを可能にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像デバイスを製造するための方法であって、
第１の層、第２の層、及び第３の層を備えるウェーハを提供するステップであって、前記第２の層が前記第１の層に隣接する前面と前記第３の層に隣接する裏面とを有する、ステップと、
前記第１の層の中央部の下の前記第２の層の裏面の一部分に異方性エッチングを施すステップと、
前記第１の層の第１の開口部を通して前記第２の層の前面の第１の部分について第１の等方性エッチングを実行するステップと、を含む、方法。
【請求項２】
前記第１の層が、膜とサーモパイル構造とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の層が、半導体基板を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記半導体基板が、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、及びガリウムヒ素からなるグループのうちの１つ又は複数を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記異方性エッチングが、実質的に前記第２の層の厚さ全体を貫通する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第３の層の開口部が、前記第１の層の前記開口部及び前記第２の層のＣＭＯＳ構造と位置合わせされる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の層が、５０〜６００μｍの厚さである、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記第１の層の第１の開口部及び／又は前記第１の層の第２の開口部を通して前記第２の層の前面の第２の部分について第２の等方性エッチングを実行するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１及び／又は第２の等方性エッチングが、前面パターンと位置合わせされる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の層から第１のマスクを除去するステップと、
前記第１の層から第２のマスクを除去するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のマスク及び／又は前記第２のマスクが、フォトレジストを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のマスク及び／又は前記第２のマスクが、金属マスクを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
撮像デバイスを製造するための方法であって、
第１の表面及び前記第１の表面とは反対の第２の表面を有する基板と、前記第１の表面に添付された膜と、を備えたウェーハを提供するステップであって、前記膜が前記第１の表面を露出する開口部を含む、ステップと、
前記膜及びウェーハの第１の表面の上にフォトレジスト層を付着させるステップと、
前記フォトレジスト層の一部分をマスクして第１の領域と第２の領域とを形成するステップと、
前記膜の中央部の下の前記基板の第２の表面の一部分に異方性エッチングを施すステップと、
前記フォトレジスト層の前記第１の領域を除去するステップと、
前記膜の開口部を通して前記基板の第１の等方性エッチングを実行するステップと、
前記フォトレジスト層の前記第２の領域を剥離するステップと、
前記膜の開口部を通して前記基板の第２の等方性エッチングを実行するステップと、を含む、方法。
【請求項１４】
前記異方性エッチングが、ＤＲＩＥを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記異方性エッチングが、実質的に前記基板の厚さ全体を貫通する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板が、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、及びガリウムヒ素からなるグループのうちの１つ又は複数を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
ウェーハを提供する前記ステップが、
前記ウェーハの第１の表面上に誘電体層を付着させるステップと、
前記ウェーハの第２の表面に裏側マスクを付着させるステップと、
を更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記異方性エッチングが、前記膜の中央部の下に位置する前記裏側マスク内の開口部を通して実行される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記裏側マスクが、金属マスク、フォトレジスト・マスク、及び誘電体マスクからなるグループから選択される、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスに関し、詳細には、半導体ウェーハ製造プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線撮像器（infrared imager）は多数の適用例で使用されている。赤外線撮像器は一般に複数ピクセルのアレイを含む。赤外線撮像器を生産するコストに関する制限の１つはピクセル・サイズである。一般に、ピクセル・サイズが小さくなると、撮像器チップはより小さい寸法を有することができ、従って、コストが低減される。しかし、赤外線感知構造としてサーモパイル（thermopile）に基づく赤外線撮像器に関する以前の製造技法は、より小さいピクセル、例えば、１２０μｍ未満の寸法を有するピクセルを生産するには不正確すぎるものであった。
【０００３】
感知構造としてサーモパイルを使用する撮像デバイスは、半導体基板内の空洞の上に吊り下げられたサーモパイル構造を含むことができ、サーモパイルの誘電体膜は空洞まで貫通した開口部を有する。従来の製造方法は、膜の下の空洞の適切な形状を保証すること並びにこの空洞をサーモパイル・ピクセルの位置に位置合わせする際のかなり高い精度が要求されていた。これらの特徴は、サイズがより小さい（例えば、１２０μｍ以下）サーモパイル・ピクセルを形成する時に特に必要である。
【０００４】
サーモパイル・ピクセルに関する膜を解放するための以前の方法は、膜の裏からの異方性エッチング、例えば、深掘り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を使用することに基づくものであった。しかし、ＤＲＩＥは、一般に、膜の下の空洞の正確な位置決めを保証するのに十分なほど精密ではない。以前の方法は典型的に＋／−５μｍの精度レートに限られている。
【０００５】
他の方法は、膜内の開口部による半導体基板の異方性ウェット・エッチングを伴うものである。この方法は、膜の位置及び形状に対して空洞の位置及び形状を適切に制御するものであるが、使用するアグレッシブなエッチング液、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）エッチング液は非常にアグレッシブであり、ウェーハ上に存在するその他の構造を攻撃することになり、この方法がＣＭＯＳとの集積化に適していないものになる。
【０００６】
これに反して、等方性ドライ・エッチング液、例えば、フッ化キセノン（ＸｅＦ２）は非常に選択的であり、ウェーハ上に存在するその他の構造を攻撃することがなく、この方法がＣＭＯＳとの集積化に適したものになる。残念ながら、等方性エッチングは、正方形／長方形の空洞形状を生産する際の難しさのために、膜内の開口部を通して半導体基板に深い空洞をエッチングするのに適していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の製造方法に関するその他の問題は、膜の解放が比較的遅いことと、Ｃ４Ｆ８の消費量が比較的多いことを含む。従って、業界では上述の欠陥のうちの１つ又は複数を改善する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の諸実施形態は、異方性及び等方性エッチングを使用することによる基板上のサーモパイル・ピクセルの解放のためのＣＭＯＳ集積方法（integrated method）を提供する。簡単に説明すると、本発明は、第１の層、第２の層、及び第３の層を備えるウェーハを提供するステップであって、第２の層が第１の層に隣接する前面と第３の層に隣接する裏面とを有する、ステップと、第１の層の中央部の下の第２の層の裏面の一部分に異方性エッチングを施すステップと、第１の層の第１の開口部を通して第２の層の前面の第１の部分について第３の層の開口部による第１の等方性エッチングを実行するステップと、を含む、撮像デバイスを製造するための方法を対象とする。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の表面及び第１の表面とは反対の第２の表面を有する基板と、第１の表面に添付された膜と、を備えたウェーハを提供するステップであって、その膜が第１の表面を露出する開口部を含む、ステップと、膜及びウェーハの第１の表面の上にフォトレジスト層を付着させるステップと、フォトレジスト層の一部分をマスクして第１の領域と第２の領域とを形成するステップと、膜の中央部の下の基板の第２の表面の一部分に異方性エッチングを施すステップと、フォトレジスト層の第１の領域を除去するステップと、膜の開口部を通して基板の第１の等方性エッチングを実行するステップと、フォトレジスト層の第２の領域を剥離するステップと、膜の開口部を通して基板の第２の等方性エッチングを実行するステップと、を含む、撮像デバイスを製造するための方法を対象とする。
【００１０】
本発明のその他のシステム、方法、及び特徴は、以下の図面及び詳細な説明について考察すると、当業者にとって明らかなものになるであろう。このような追加のシステム、方法、及び特徴は、この説明に含まれ、本発明の範囲内に入り、特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【００１１】
添付図面は、本発明を更に理解するために含まれており、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の諸実施形態を例示しており、この説明とともに本発明の原理を説明する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図２によって示される模範的な方法の開始時のウェーハ断面の概略図である。
【図１Ｂ】フォトレジスト層を有し、図２によって示される模範的な方法のウェーハの概略断面図である。
【図１Ｃ】フォトレジスト層の一領域を露出した後の図２によって示される模範的な方法のウェーハの概略断面図である。
【図１Ｄ】異方性エッチング後の図２によって示される模範的な方法のウェーハの概略断面図である。
【図１Ｅ】前に露出されたフォトレジストの領域を現像することにより除去した後の図２によって示される模範的な方法のウェーハの概略断面図である。
【図１Ｆ】第１の等方性エッチング後の図２によって示される模範的な方法のウェーハの概略断面図である。
【図１Ｇ】フォトレジストの第２の領域を除去した後の図２によって示される模範的な方法のウェーハの概略断面図である。
【図１Ｈ】第２の等方性エッチング後の図２によって示される模範的な方法のウェーハの概略断面図である。
【図２】撮像デバイスを形成する第１の模範的な方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の定義は、本明細書に開示されている諸実施形態の特徴に適用される用語を解釈するために有用であり、本明細書内の諸要素を定義するためのみのものである。特許請求の範囲内に使用される用語に関する制限は全く意図されていないか、或いはそれにより導出されるべきではない。特許請求の範囲内に使用される用語は、適用可能な技術分野内で通例の意味によってのみ制限されるべきものである。
【００１４】
本明細書内で使用される「等方性」は、例えば、エッチング・ステップなどの工業プロセス中に、方向にかかわらず、同じ速度でプロセスが進行することを意味する。酸、溶剤、又は反応ガスによる基板の単純な化学反応及び除去は、等方性に非常に近い場合が多い。逆に、「異方性」は、基板のアタックレートが特定の方向でより高いことを意味する。垂直エッチング速度が高いが水平エッチング速度が非常に低い異方性エッチング・プロセスは、集積回路及びＭＥＭＳデバイスの超微細加工において不可欠なプロセスである。
【００１５】
次に、本発明の諸実施形態について詳細に言及するが、その例は添付図面に示されている。可能な場合は必ず、同じか又は同様の部分を参照するために同じ参照番号を図面及び説明で使用する。
【００１６】
本発明の模範的な諸実施形態は撮像デバイスを製造するためのプロセスを含む。撮像デバイスは、例えば、３２×３２ピクセル、６４×６４ピクセル、及び１２８×１２８ピクセルのアレイに限定されない複数ピクセルのアレイを有する赤外線撮像器にすることができる。この撮像デバイスは、誘電体膜内に開口部を有する基板内の空洞の上に吊り下げられたサーモパイル構造を含む。サーモパイルは製造プロセス中に基板から解放される。膜の中央部の下のシリコン基板の異方性エッチングはウェーハの裏から実行される。膜の外側領域の下のシリコン基板の１回又は複数回の上側等方性エッチングは膜の開口部を通して実行される。
【００１７】
撮像デバイスを製造するための第１の模範的な方法のフローチャートは図２に示されている。フローチャート内のいずれのプロセス説明又はブロックも、プロセス内の特定の論理機能を実現するための１つ又は複数の命令を含むモジュール、セグメント、コードの一部分、又はステップを表すものと理解しなければならず、本発明の当業者によって理解されるように、関係する機能次第で、実質的に同時又は逆の順序を含む、図示又は考察されている順序から外れてその諸機能を実行できる代替実現例は本発明の範囲内に含まれることに留意されたい。第１の模範的な実施形態の様々なステップにおける撮像デバイスの状態は図１Ａ〜図１Ｈによって断面図で示されている。
【００１８】
撮像デバイスを製造するための方法の第１の実施形態２００は以下のステップを含む。ブロック２１０及び図１Ａによって示されるように、基板１１０上に付着させ、１つ又は複数の開口部１５２、１５４を有する膜１５０を含むウェーハ１００を提供する。膜１５０は基板１１０の第１の（上部）表面上に付着させる。膜の開口部１５２、１５４は基板１１０の上面の一部分を露出する。膜の開口部１５２、１５４は様々な形状、例えば、円形のものである場合もあれば、膜の開口部１５２、１５４は膜１５０内の直線又は曲線状のスロットである場合もある。膜１５０は一般に、二酸化シリコン及び窒化シリコンなどの１つ又は複数の誘電体層で形成され、ポリシリコンなどの材料内に形成されたサーモパイル構造を取り入れている。膜１５０は、当業者が熟知しているいくつかの技法、例えば、数ある技法の中で低圧蒸着又はプラズマ・エンハンス蒸着を介して基板１１０上に付着させることができる。
【００１９】
ウェーハ１００の基板１１０は一般に膜１５０より厚い。基板１１０の非限定的で模範的な厚さの範囲は３００〜６００μｍにすることができ、膜１５０の非限定的で模範的な厚さの範囲は０．５〜１．５μｍにすることができる。図１Ａ〜図１Ｈのウェーハ１００の様々な要素の寸法は一定の尺度で描写されていない可能性があることに留意されたい。
【００２０】
基板１１０は一般に、ＣＭＯＳ構造１２０の形成に対応するために適切にドーピングされた適切な半導体材料、例えば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、又はガリウムヒ素で形成される。また、ウェーハ１００は、例えば、シフトレジスタ及び／又はＮＭＯＳスイッチに限定されない１つ又は複数のＣＭＯＳ構造１２０も含むことができる。ＣＭＯＳ構造１２０は一般に異方性及び／又は等方性エッチング剤及び手順に対して脆弱であり、従って、異方性エッチングが実行される領域からＣＭＯＳ構造１２０を分離及び／又は隔離することが望ましい。図１Ａ〜図１Ｈはウェーハ１００上の単一位置にある単一ＣＭＯＳ構造１２０を描写しているが、代替の諸実施形態はウェーハ１００の複数の異なる位置に２つ以上のＣＭＯＳ構造を含むことができることに留意されたい。
【００２１】
マスク層１６０は基板１１０の第２の（裏）側に付着させる。マスク層１６０は、深掘り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）に使用する異方性ドライ・エッチング剤、例えば、フッ素ベースの薬剤に耐えるように、フォトレジスト層、誘電体マスク、又は金属層、例えば、アルミニウム又はクロムにすることができる。マスク層１６０内の開口部１６２は基板１１０の裏側を露出する。開口部１６２は、膜１５０の中央部分１５５（図１Ｄ）の後ろの基板１１０内に形成すべき空洞の所望の形状に応じて成形される。例えば、開口部１６２の形状は、数ある形状の中で長方形又は円形にすることができる。開口部１６２は一般に膜１５０の中央部分１５５（図１Ｄ）の位置に応じて配置される。
【００２２】
ブロック２２０及び図１Ｂによって示されるように、例えば、膜１５０、ＣＭＯＳ構造１２０、及び膜１５０内の穴１５２、１５４を通して露出された基板１１０の上面の一部分の上に、スピニング又はスプレーコーティングにより、フォトレジスト層１７０を付着させる。フォトレジスト層１７０は一般にポジティブ・レジストであり、露光されたフォトレジスト１７５の一部分（図１Ｃ）はフォトレジスト現像液に対して可溶性になる。未露光のフォトレジスト層１７０の残りの部分はフォトレジスト現像液に対して不溶性のままである。
【００２３】
ブロック２３０及び図１Ｃによって示されるように、フォトレジスト層の選択的部分１７５を露光し、残りの部分をフォトレジスト層１７０に塗布されたマスク（図示せず）によって光からマスクする。フォトレジスト層の選択的部分１７５は一般に膜１５０の中央部分１５５（図１Ｄ）並びに膜１５０内の１つ又は複数の内側開口部１５２を覆う。しかし、フォトレジスト層の選択的部分１７５は膜１５０内の１つ又は複数の外側開口部１５４まで伸びていない。
【００２４】
ブロック２４０及び図１Ｄによって示されるように、膜１５０の中央部分１５５の下の基板１１０の裏面の一部分に異方性エッチングによってエッチングを施して、基板１１０内に空洞１８０を形成する。ここで、膜１５０は、異方性エッチングに対するエッチング・ストップ層として作用する。例えば、空洞１８０は、膜１５０の中央部分１５５のすぐ下に位置する基板１１０の一領域に形成することができる。空洞１８０は、マスク層１６０内の穴１６２（図１Ｃ）によって明らかにされた基板１１０の一部分を除去することによって形成される。空洞は一般に膜１５０の中央部分１５５のエッジまで伸びていない。特に、膜１５０内の１つ又は複数の内側開口部１５２は空洞１８０内まで伸びていない可能性がある。
【００２５】
このエッチングは、異方性エッチング・プロセス、例えば、ＤＲＩＥを使用して、基板１１０の裏から行われる。このエッチングは一般に基板１１０の厚さ全体を貫通する。一般に、ＤＲＩＥ後に残っている空洞１８０内のでこぼこは、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）ウェット・エッチング溶液によって浄化／除去することができる。ＴＭＡＨは非常にアグレッシブなエッチング液であり、予防措置を講じないと、ＣＭＯＳ構造１２０などのウェーハ１００上のその他の構造を攻撃することになることに留意されたい。しかし、ＣＭＯＳ構造１２０がＴＭＡＨに曝されないように、ＴＭＡＨをウェーハ１００の裏側から使用することができる。
【００２６】
ブロック２５０及び図１Ｅによって示されるように、例えば、フォトレジスト現像液を使用して、フォトレジスト層１７０の選択的部分（図１Ｄ）を除去する。選択的部分１７５によって除去されない残りのフォトレジスト層１７０は膜１５０内の外側の穴１５４並びにＣＭＯＳ構造１２０を覆う。膜１５０内の内側の穴１５２は明らかになり、空洞１８０のエッジにある基板１１０の材料を露出する。
【００２７】
ブロック２６０及び図１Ｆによって示されるように、膜１５０内の内側の穴１５２が明らかになると、膜の内側の穴１５２の開口部を通してウェーハ１００の前面から基板１１０の第１の等方性エッチングを実行する。第１の等方性エッチングは、気体のエッチング剤、例えば、フッ化キセノンＸｅＦ２を使用して、膜１５０の位置に対する空洞の位置の良好な制御を保証することができる。ＸｅＦ２の等方性は、正方形又は長方形の空洞形状を形成するには適していないが、空洞１８０を拡張するためには望ましい。特に、第１の等方性エッチングは第１の空洞拡張部１８２を形成し、この拡張部は、膜１５０の内側の穴１５２がウェーハ１００の上側から膜１５０を通って空洞１８０までのチャネルを提供するように、空洞１８０を拡張する。
【００２８】
ブロック２７０及び図１Ｇによって示されるように、フォトレジスト層１７０の残りの領域（図１Ｆ）を剥離する。フォトレジスト層１７０（図１Ｆ）のこの除去により、膜１５０内の外側開口部１５４並びにＣＭＯＳ構造１２０が露出される。基板１１０の上面は膜１５０内の外側開口部１５４を通して露出される。
【００２９】
ブロック２８０及び図１Ｈによって示されるように、膜１５０内の外側開口部１５４及び／又は膜１５０内の内側開口部１５２を通して基板１１０の第２の等方性エッチングを実行する。第２のエッチングは、第１の等方性エッチングと同じ等方性エッチング剤を使用する場合もあれば、異なる等方性エッチング剤を使用する場合もある。例えば、第２の等方性エッチングは、気体のエッチング剤、例えば、フッ化キセノンＸｅＦ２を使用することができる。
【００３０】
第２の等方性エッチングは第２の空洞拡張部１８４を形成し、この拡張部は、外側の穴１５４がウェーハ１００の上側から膜１５０を通って空洞１８０までのチャネルを提供するように、空洞１８０を拡張する。加えて、第２の等方性エッチングは、第１の空洞拡張部１８２を空洞１８０内に拡張することができる。
【００３１】
上記の通り、この模範的な方法は、膜１５０の下の空洞１８０の適切な形状を保証するとともに、従来の方法と比較した時に、この空洞をサーモパイル・ピクセルの位置に位置合わせする際にかなり高い精度を提供する。これは、特に、比較的サイズが小さい、例えば、１２０μｍ以下であるサーモパイル・ピクセルを形成する時に関連するものである。加えて、この方法を使用すると、従来の方法より約５倍速く膜が解放される。更に、この方法は、従来の方法と比較して、より少ないＣ４Ｆ８を発生する。
【００３２】
第１の模範的な方法は、１回の異方性エッチングとそれに続く２回の等方性エッチングとを含む。代替の諸実施形態では、例えば、膜の開口部の数、サイズ、位置、及び形状（複数も可）次第で、異方性エッチング・ステップに続いて、１回、３回、４回、又はそれ以上の等方性エッチングを行うことができる。
【００３３】
比較すると、異方性エッチングを単独で使用する従来の製造方法では、裏から行う異方性エッチングは、ウェーハの厚さ全体、約４００μｍの厚さを貫通しなければならなかった。これは、前面から裏面への位置合わせの変動性とともに、従来の方法がサイズ及び位置決めの点で約＋／−１μｍの精度で膜の下の開口部を確実に定義するのを妨げていた。
【００３４】
前面からの等方性エッチングのみを使用する従来技術の方法は、本質的に、前面側のパターンと適切に位置合わせすることができる。しかし、等方性エッチングの特徴により、このプロセスを単独で使用してピクセル全体を解放する場合、膜の下で外側に向かって大きいアンダーカットが発生する。上記の通り、ウェーハの裏側の異方性エッチングと、ウェーハの上側の等方性エッチングを連結すると、精度の向上が得られる。
【００３５】
要約すると、本発明の範囲又は精神から逸脱せずに本発明の構造に対して様々な変更及び変形が可能であることは、当業者にとって明らかになるであろう。上記を考慮して、本発明は、特許請求の範囲及びそれと同等のものの範囲内に入るものであれば、本発明の変更及び変形を包含することが意図されている。
【図１Ａ】
2015133472.tif 000003
【図１Ｂ】
2015133472.tif 000004
【図１Ｃ】
2015133472.tif 000005
【図１Ｄ】
2015133472.tif 000006
【図１Ｅ】
2015133472.tif 000007
【図１Ｆ】
2015133472.tif 000008
【図１Ｇ】
2015133472.tif 000009
【図１Ｈ】
2015133472.tif 000010
【図２】
2015133472.tif 000011
【外国語明細書】
2015133472000001.pdf