(57)【要約】【課題】品質を低下させることなく、生産性を向上させることが可能な半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。【解決手段】本製造方法では、まず、改質領域形成工程において、レーザ光Ｌの集光点Ｐを半導体基板１０の内部の任意の１つの点に固定して半導体基板１０の厚さ方向に照射し、改質領域Ｋを連続的に成長させる。そして、エッチング工程において、改質領域形成工程を経た半導体基板１０を、一方面１０ａ側からエッチングするのみで改質領域Ｋを除去し、半導体基板１０に貫通孔１４又は凹部１６を形成し、半導体装置を製造する。【選択図】図２
2013251456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１０）の内部の任意の１つの点に集光点（Ｐ）を固定し、前記半導体基板（１０）の一方面（１０ａ）側からレーザ光（Ｌ）を前記半導体基板（１０）の厚さ方向に照射し、前記集光点（Ｐ）を起点として前記厚さ方向に改質領域（Ｋ）を連続的に成長させる改質領域形成工程と、
前記改質領域形成工程を経た前記半導体基板（１０）を、前記一方面（１０ａ）側からエッチングするのみで前記改質領域（Ｋ）を除去し、前記半導体基板（１０）に貫通孔（１４）又は凹部（１６）を形成するエッチング工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置（１、１０１）の製造方法。
【請求項２】
前記集光点（Ｐ）は、前記半導体基板（１０）の内部において前記一方面（１０ａ）とは反対側の他方面（１０ｂ）寄りの位置に固定されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置（１、１０１）の製造方法。
【請求項３】
前記エッチング工程は、ウェットエッチングを用いて行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置（１、１０１）の製造方法。
【請求項４】
前記エッチング工程は、ドライエッチングを用いて行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置（１、１０１）の製造方法。
【請求項５】
前記半導体基板（１０）は、シリコンを主体として構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置（１、１０１）の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置（１、１０１）の製造方法によって製造されたことを特徴とする半導体装置（１、１０１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体基板に貫通孔や凹部などを形成し、半導体装置を製造することが行われている。例えば、半導体基板を加工する方法としては、反応性ガスを用いたプラズマエッチングなどにより加工する手法が広く知られている。そして、近年では、マスクを必要とせず、比較的加工時間が短いなどといったメリットから、レーザ光を用いて半導体基板を加工する技術が開発されつつあり、例えば下記特許文献１に示すものがある。
【０００３】
特許文献１には、ＳＯＩ基板（１０）の犠牲層（１２）（ＳｉＯ２）にレーザ光を照射することにより、犠牲層（１２）を多孔質化した後、開口部（１５）からエッチング媒体を導入し、多孔質化した犠牲層（１２）（改質領域）をエッチングして除去する技術が開示されている。そして、この特許文献１では、犠牲層（１２）がレーザ光のスポット径よりも厚い場合に、レーザ光のスポットを犠牲層（１２）の厚さ方向に移動させて犠牲層（１２）の厚さ方向全体にレーザ光を照射するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１６４３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、半導体基板に貫通孔や凹部を形成する場合は、加工面（貫通孔や凹部が形成された側壁面）の表面粗さはできる限り小さくする（より平滑にする）ことが望ましい。例えば、貫通孔内や凹部内に薄膜を形成しようとした場合、この表面粗さが薄膜の特性（例えば導電性など）に影響を及ぼす虞があるからである。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１のように、レーザ光のスポット（集光点）を犠牲層（１２）の厚さ方向に移動させながら照射する場合には、改質領域が不連続になりやすく、この不連続な改質領域の影響によって、加工面の表面粗さを小さく抑えることが難しかった。また、半導体基板表面にレーザ光の集光点が合ってしまうと、半導体基板表面が溶融して、デブリやヒュームが発生し、半導体装置の品質が低下するといった問題もあった。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、品質を低下させることなく、生産性を向上させることが可能な半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者が鋭意研究した結果、半導体基板の内部の任意の１つの点に集光点を固定してレーザ光を照射し続けると、この集光点を起点として改質領域がレーザ光の出射側へ向けて成長する（改質領域が広がる）ことを見出した。
すなわち、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の内部の任意の１つの点に集光点を固定し、前記半導体基板の一方面側からレーザ光を前記半導体基板の厚さ方向に照射し、前記集光点を起点として前記厚さ方向に改質領域を連続的に成長させる改質領域形成工程と、前記改質領域形成工程を経た前記半導体基板を、前記一方面側からエッチングするのみで前記改質領域を除去し、前記半導体基板に貫通孔又は凹部を形成するエッチング工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る半導体装置の製造方法では、レーザ光の集光点を半導体基板の内部の任意の１つの点に固定して半導体基板の厚さ方向に照射し、改質領域を厚さ方向に連続的に成長させるようにしている。このように、改質領域を連続的に成長させることで、エッチング後に得られる貫通孔や凹部の加工面をより滑らかにすることができる。そして、半導体基板の内部に集光点を固定してレーザ光を照射するため、半導体基板表面でのレーザ光のエネルギー密度を低くでき、半導体基板表面でのデブリやヒュームの発生が抑えられ、半導体装置の品質を向上させることができる。また、レーザ光の集光点を半導体基板の厚さ方向に移動させて改質領域を複数形成する必要が無いため、加工時間を短縮でき、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、半導体基板にレーザ光の照射を行うレーザ光照射装置の説明図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における改質領域形成工程を説明する図であり、図２（Ａ）は、半導体基板の一方面側にレーザ光を照射する様子を説明する断面説明図であり、図２（Ｂ）は、半導体基板内部に改質領域を連続的に成長させる様子を説明する断面説明図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるエッチング工程を説明する図であり、図３（Ａ）は、エッチング媒体に半導体基板を浸漬させた様子を説明する断面説明図であり、図３（Ｂ）は、半導体基板に貫通孔が形成された様子を説明する断面説明図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る半導体装置であって、（１１０）面のシリコン単結晶基板に貫通孔が形成された様子を説明する断面説明図である。
【図５】図５は、第１実施形態の変形例に係る半導体装置を示す説明図であり、半導体基板に凹部が形成された様子を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１実施形態］
以下、この発明に係る半導体装置の製造方法について、図を参照して説明する。
本発明では、半導体基板１０の内部の任意の１つの点に集光点Ｐを固定して半導体基板１０の一方面１０ａ側からレーザ光Ｌを照射して改質領域Ｋを形成した後、この改質領域Ｋをエッチングにより除去することで、貫通孔１４又は凹部１６を形成するようにしている。
【００１２】
まず、本発明で用いる半導体基板１０について説明する。
半導体基板１０には、例えば、薄板円盤形状（すなわちウェハ形状）に構成された基板面（結晶面方位）が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いることができる。また、半導体基板１０の厚さは、例えば、１００μｍ程度のものを用いることができる。なお、半導体基板１０には、拡散工程等を経て形成された素子（図示略）が形成されている。
【００１３】
次に、レーザ光Ｌを照射するレーザ光照射装置３０について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、レーザ光照射装置３０は、レーザ光源３２と、ビームエキスパンダ３４と、ビームスプリッタ３６と、ガルバノスキャナ３８と、集光レンズ４０と、パワーメータ４２とを備えて構成されている。
【００１４】
レーザ光源３２としては、例えば、発振波長が１０６４ｎｍ、発振周波数が１００ｋＨｚのＹＡＧレーザを用いることができる。レーザ光の波長は、１０００〜１１００ｎｍ程度であることが好ましい。１０００ｎｍより短い波長になると半導体基板１０の内部ではなく表面側で吸収されてしまうためであり、１１００ｎｍより大きくなると半導体基板１０で吸収され難くなるためである。レーザ光Ｌは、例えば、５０ｎｓのナノ秒パルスで照射することができる。
【００１５】
ビームエキスパンダ３４は、レーザ光源３２からのレーザ光Ｌの径を拡大すると共に、レーザ光Ｌを平行光とするためのものである。また、ビームスプリッタ３６は、計測用に一部のビームを分岐させ、パワーメータ４２側へ入射させるとともに、残りのビームをガルバノスキャナ３８を介して集光レンズ４０側へ入射させるようにしている。
【００１６】
ガルバノスキャナ３８は、１対のガルバノミラー３９（図１では、説明の都合上、１つのガルバノミラー３９のみ示している）を備えており、これらガルバノミラー３９によりレーザ光Ｌの照射位置を加工エリア内で任意の位置に移動させることができるようになっている。
【００１７】
集光レンズ４０は、レーザ光源３２から発せられ、ガルバノミラー３９で反射したレーザ光Ｌを入射して集光するものである。本発明では、半導体基板１０の内部の任意の１つの点に集光レンズ４０の集光点Ｐを固定し、この集光点Ｐに焦点を当て続けている。とりわけ集光点Ｐは、半導体基板１０の内部において一方面１０ａとは反対側の他方面１０ｂ寄りの位置に固定されるようにするとよい。具体的には、半導体基板１０の厚さαを１００μｍ程度とした場合、一方面１０ａからの深さβが９０μｍ程度の位置（すなわち、他方面１０ｂからの深さが１０μｍ程度の位置）に固定されるようにするとよい。
【００１８】
ここで、レーザ光Ｌのエネルギー密度は、スポット径の２乗に反比例するようになっている。本実施形態では、この集光レンズ４０により、レーザ光Ｌは、例えば４２度程度の角度で集光されるようになっている。すなわち、集光の角度が比較的大きな集光レンズ４０を用いることで、例えば、半導体基板１０の一方面１０ａでのレーザ光Ｌのスポット径を、集光点でのスポット径に比べて比較的大きくでき、半導体基板１０の一方面１０ａ（表面）でのエネルギー密度を比較的小さくでき、基板表面でのデブリやヒュームの発生を抑えることができる。
【００１９】
なお基板表面でのレーザ光Ｌのエネルギー密度は、５×１０８（Ｗ／ｃｍ２）以下であることが好ましく、より好ましくは、３×１０８（Ｗ／ｃｍ２）程度である。また、集光点Ｐでのレーザ光Ｌのエネルギー密度は、５×１０９（Ｗ／ｃｍ２）以上が好ましく、より好ましくは、１×１０１０（Ｗ／ｃｍ２）程度である。このエネルギー密度の差によって基板表面での加工を起こさないまま、基板内部に改質領域Ｋを確実に形成することができる。
【００２０】
次に、半導体基板に貫通孔を形成する工程について、図２〜図４を参照しながら説明する。なお、図２では、レーザ光照射装置３０を簡略して示している。本実施形態では、半導体基板の内部に改質領域Ｋを連続的に成長させる改質領域形成工程と、この改質領域Ｋをエッチングにより除去するエッチング工程とを主に説明する。また、基板の厚さαが１００μｍで、基板面（結晶面方位）が（１００）面のシリコン単結晶基板を半導体基板１０として用いた場合を例に挙げ説明する。
【００２１】
（改質領域形成工程）
まず、改質領域形成工程について説明する。
改質領域形成工程では、まず、図２（Ａ）に示すように、ステージ５０上に載置された半導体基板１０の一方面１０ａからの深さβが９０μｍ（すなわち、他方面１０ｂからの深さが１０μｍ）の位置に、レーザ光として波長が１０６４ｎｍである近赤外光を、５０ｎｓのナノ秒パルス１００ｋＨｚで集光点Ｐを動かさずに１００００パルス照射する。
【００２２】
このように、半導体基板１０の内部の任意の１つの点に集光点Ｐを固定してレーザ光Ｌを照射し続けると、この集光点Ｐを起点として改質領域Ｋがレーザ光の出射側へ（一方面１０ａ側へ）向けて成長する（図２（Ｂ））。また、集光点Ｐの直下の裏面（他方面１０ｂ）側にも熱的な影響により改質領域Ｋが数μｍ程度形成される。なお、改質領域Ｋは、基板裏面に到達する程度に形成するようにしてもよい。また、このときの集光点Ｐでのレーザ光のスポット径は、２〜３μｍ程度、基板表面側（一方面１０ａ側）でのスポット径は３０μｍ程度となるように、集光レンズによって調整されている。また、集光点Ｐでのレーザ光Ｌのエネルギー密度は１×１０１０（Ｗ／ｃｍ２）程度、基板表面側でのエネルギー密度は１×１０７（Ｗ／ｃｍ２）程度となる。このように、レーザ光の集光点Ｐを半導体基板１０の内部の任意の１つの点に固定して照射し続けることで、図２（Ｂ）に示すように、連続的に成長した深穴形状の改質領域Ｋを得ることができる。
【００２３】
（エッチング工程）
次に、エッチング工程について説明する。
上述のようにレーザ光を照射して形成した改質領域Ｋは、光学的損傷により、一旦溶融した後に凝固して、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンに変化しており、結晶の結合が弱くなっているため、単結晶の部分に比べてエッチングされやすい。本実施形態のエッチング工程ではこの性質を利用し、上記改質領域形成工程によって形成された半導体基板１０における改質された部位にエッチングをするのみで貫通孔１４を形成している。具体的には、改質領域Ｋを起点としてエッチングを行い、貫通孔１４を形成するようにしている。このエッチング工程では、例えば、半導体基板１０を８０度のＫＯＨ４８ｗｔ％に１０分間浸漬させることで（図３（Ａ））、径２０μｍの貫通孔１４を形成することができる（図３（Ｂ））。
【００２４】
なお、貫通孔１４の形状はエッチングの時間を変更することによって、その径を制御することが可能であり、エッチングの時間をより長くすることにより、貫通孔１４の径をより大きくすることができる。また、半導体基板１０の結晶面方位によっても、貫通孔１４の形状を制御することも可能である。例えば、基板面（結晶面方位）が（１１０）面のシリコン単結晶基板を半導体基板１０として用いることで、貫通孔１４の側壁１４ａは、より基板面に対して垂直に形成することができる（図４）。例えば、（１１０）面のシリコン単結晶基板を半導体基板１０として用い、８０度のＫＯＨ４８ｗｔ％（エッチング媒体）に２５分間浸漬させることで、径１０μｍ、深さ１００μｍの貫通孔１４を形成することができる。
【００２５】
そして、このように得られた貫通孔１４にアルミ膜などの金属膜をスパッタなどの方法によって堆積させて貫通電極（図示略）を形成し、半導体装置１を製造することができる。
【００２６】
以上説明したように、本第１実施形態に係る半導体装置１の製造方法によれば、レーザ光Ｌの集光点Ｐを半導体基板１０の内部の任意の１つの点に固定して半導体基板１０の厚さ方向に照射し、改質領域Ｋを厚さ方向に連続的に成長させるようにしている。このように、改質領域Ｋを連続的に成長させることで、エッチング後に得られる貫通孔１４の加工面をより滑らかにすることができる。そして、半導体基板１０の内部に集光点Ｐを固定してレーザ光Ｌを照射するため、半導体基板表面でのレーザ光Ｌのエネルギー密度を低くでき、半導体基板表面でのデブリやヒュームの発生が抑えられ、半導体装置１の品質を向上させることができる。また、レーザ光Ｌの集光点Ｐを半導体基板１０の厚さ方向に移動させて改質領域Ｋを複数形成する必要が無いため、加工時間を短縮でき、生産性を向上させることができる。
【００２７】
また、集光点Ｐを、半導体基板１０の内部において一方面１０ａとは反対側の他方面１０ｂ寄りの位置に固定するようにしている。このように、集光点Ｐを固定することで、改質領域Ｋを半導体基板１０の厚さ方向に、より効率的に成長させることができる。
【００２８】
また、エッチング工程では、ウェットエッチングを用いて行うようにしている。ウェットエッチングでは大掛かりな装置が必要なく、比較的安価なエッチング液によりエッチングを行うことができるので、製造コストを抑えることができる。
【００２９】
また、半導体基板１０は、シリコンを主体として構成されている。このように、半導体装置の分野において広く用いられているシリコンを主体として構成された半導体基板１０を用いることで、本製造方法の汎用性をより高めることができる。
【００３０】
また、本第１実施形態の製造方法により製造された半導体装置１は、上述した効果と同様の効果を奏することができる。
【００３１】
次に、本発明の第１実施形態における変形例に係る半導体装置１０１について、図５を参照して説明する。本第１実施形態における変形例では、半導体基板１０に、貫通孔１４の代わりにメンブレン形状の凹部１６を形成する点が上記第１実施形態にて述べた半導体装置１と主に異なる。したがって、第１実施形態の半導体装置１と実質的に同一の構成部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
本変形例では、上述した第１実施形態の改質領域Ｋを形成する条件及びエッチング条件と異なる条件を用いて半導体基板を加工することで、図５に示すメンブレン形状の凹部１６を形成することができる。次に、この凹部１６を形成する工程について説明する。
【００３３】
本変形例では、例えば、他方面１０ｂに３μｍのｎ型半導体が形成されたｐ型シリコン基板を半導体基板１０として用い、半導体基板１０の一方面１０ａからの深さβが８０μｍ（すなわち、他方面１０ｂからの深さが２０μｍ）の位置に集光点Ｐを固定して、レーザ光として波長が１０６４ｎｍである近赤外光を、５０ｎｓのナノ秒パルス１００ｋＨｚで１００００パルス照射し、集光点Ｐから当該集光点Ｐの直上の基板表面および、当該集光点Ｐの直下の基板裏面近傍まで（基板裏面に到達しない程度に）改質領域Ｋを形成する（図示略）。なお、スポット径及びレーザ光Ｌのエネルギー密度は、第１実施形態と同程度になるように調整する。
【００３４】
そして、このように改質領域Ｋが形成された半導体基板１０に、５Ｖの電圧を印加しながら、８０度のＫＯＨ３２ｗｔ％（エッチング媒体）に３０分間浸漬させることで、径１００μｍ、深さ１００μｍの凹部１６を形成することができる（図５）。すなわち、所定の条件である程度エッチングを進行させ、ｐ−ｎ界面近傍で深さ方向のエッチングを停止することで、凹部１６を形成することができる。また、凹部１６の形状は、貫通孔１４と同様に、エッチングの時間を変更することによって、その径を制御することが可能である。
【００３５】
［他の実施形態］
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３６】
上記実施形態では、半導体基板１０がシリコンを主体として構成されている例を示したが、これに限定されず、例えば、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓなどの化合物半導体を主体として構成されていてもよい。
【００３７】
上記実施形態では、エッチング工程において、ウェットエッチングを用いる場合を例示したが、これに限定されず、ドライエッチングを用いることもできる。エッチング工程において、ドライエッチングを用いることで、エッチングに要する時間をより短縮化することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１、１０１…半導体装置
１０…半導体基板
１０ａ…一方面
１０ｂ…他方面
１４…貫通孔
１４ａ…側壁
１６…凹部
３０…レーザ光照射装置
３２…レーザ光源
３４…ビームエキスパンダ
３６…ビームスプリッタ
３８…ガルバノスキャナ
４０…集光レンズ
４２…パワーメータ
５０…ステージ
６０…エッチング媒体
Ｋ…改質領域
Ｌ…レーザ光
Ｐ…集光点
【図１】
2013251456.tif 000003
【図２】
2013251456.tif 000004
【図３】
2013251456.tif 000005
【図４】
2013251456.tif 000006
【図５】
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