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JP2014067992A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】サポート基板を必要とせず、基板同士の貼り合せの前の表面荒れや反りの発生も防止できると共に、高段差のエッチングも良好に行って貫通電極構造を形成できるようにする。
【解決手段】貫通孔３ａ上を架橋するようにマスク材１０を形成すると共に、マスク材１０のうち貫通孔３ａと対応する位置に穴１０ａを形成し、この穴１０ａを通じて絶縁膜５にコンタクトホール５ａを形成する。このような製造方法とすれば、第２半導体基板３の表面から貫通孔３ａの底部まで高段差があったとしても、フォトリソグラフィ工程で露光するのは貫通孔３ａ上に架橋されたマスク材１０のみであり、高段差のフォトリソグラフィ工程は必要ない。このため、マスク材１０に良好に穴１０ａを形成できると共に、この穴１０ａを通じた異方性ドライエッチングにて高段差のエッチングでも良好にコンタクトホール５ａを形成できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、２枚の半導体基板を貼り合わせると共に、一方の半導体基板の表面から他方の半導体基板との電気的接続を行う貫通電極構造を形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
従来より、半導体チップの高機能化や外部環境からＭＥＭＳ（micro eletro mechanical systems）構造のセンサを構成する素子の保護などを目的として、２枚の半導体基板を貼り合わせた多層構造が用いられている。このような構造の半導体装置においては、基板間の電気的導通を取ったり、貼り合わせられた半導体基板の内部に形成された各部の電位を外部に引き出すために、貫通電極構造を用いている。このような貫通電極構造の形成には、例えば特許文献１に示される方法を用いるのが一般的である。
具体的には、２枚の半導体基板を貼り合わせる前に、一方の半導体基板に対して貫通孔を開けておき、熱酸化工程によりその貫通孔の周囲などに絶縁膜を形成する。その後、貫通孔内を絶縁膜で覆った半導体基板をサポート基板に貼り付けたのち、メッキ工程にて貫通孔内を金属で充填する。そして、半導体基板をサポート基板から剥離したのち、もう一方の半導体基板への貼り合わせを実施する。このように、一方の半導体基板に対して貫通孔を形成すると共に内部に金属を充填しておいてから、もう一方の半導体基板と貼り合わせることにより貫通電極構造を形成している。
特許第３７５１６２５号公報
しかしながら、特許文献１に示される方法で貫通電極構造を形成する場合、サポート基板を用いることによる製造工程の煩雑化の問題や、基板貼り合せ前に各種工程を行っているために基板の表面荒れや反りが発生して貼り合せ品質に影響するという問題があった。例えば、表面荒れに関しては、サポート基板からの剥離による影響などで発生し、基板の反りに関しては、貫通孔や内部に充填された金属と半導体基板との膨張係数の差などに起因して発生する。
したがって、２枚の半導体基板の貼り合わせ後に貫通電極を形成することが望ましい。ところが、この場合、基板表面側から貫通孔の底部に位置する絶縁膜にコンタクトホールを形成したり、貫通孔内部の金属膜を保護して配線パターンをパターニングするなど、実現が難しい高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程が必要になる。よって、高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程を良好に実現できるようにすることが望まれる。
なお、ここでは高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程が必要になる場合の一例として、２枚の半導体基板を張り合わせた多層構造の半導体装置における貫通電極構造を例に挙げたが、他にも高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程が必要とされ得る。すなわち、半導体基板の一面側に形成された凹部の底部の所望位置において、凹部内に配置した薄膜をエッチングする場合に、高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程が必要になり、この工程を良好に実現できるようにすることが望まれる。
本発明は上記点に鑑みて、半導体基板の一面側に形成された凹みの底部の所望位置をエッチングするという高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程を良好に実現できるようにした半導体装置の製造方法を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、サポート基板を必要とせず、基板同士の貼り合せの前の表面荒れや反りの発生も防止できると共に、高段差のエッチングも良好に行って貫通電極構造を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを第２の目的とする。
上記目的を達成するため、一面側に凹部（３ａ、２０ａ）が形成された半導体基板（１〜３、２０）を用意する工程と、凹部の内壁面に薄膜（５、２１）を形成する工程と、薄膜を形成したのち、凹部内を空洞として残しつつ該凹部上を架橋するように、薄膜の上にマスク材（１０、２２）を配置する工程と、フォトリソグラフィにより、マスク材のうち凹部と対応する位置に穴（１０ａ、２２ａ）を形成する工程と、マスク材を用いた異方性ドライエッチングにより、穴を通じて該穴と対応する位置において薄膜を除去する加工を行う工程と、を含んでいることを特徴としている。
このように、凹部上を架橋するようにマスク材を形成すると共に、マスク材のうち凹部と対応する位置に穴を形成し、この穴を通じて薄膜をエッチング加工する。このような製造方法とすれば、半導体基板の表面から凹部の底部まで高段差があったとしても、フォトリソグラフィ工程で露光するのは凹部上に架橋されたマスク材のみであり、高段差のフォトリソグラフィ工程は必要ない。このため、マスク材に良好に穴を形成できると共に、この穴を通じた異方性ドライエッチングにて高段差のエッチングでも良好にコンタクトホールを形成できる。したがって、実現が難しい高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程を良好に実現することが可能となる。
また、請求項２ないし７に記載の発明では、素子および接続部（４）を形成した第１半導体基板（１）を用意する工程と、第１半導体基板の一面側に第２半導体基板（３）を貼り合わせる工程と、第１半導体基板に貼り合わせた後の第２半導体基板のうち接続部と対応する位置を第１半導体基板と反対側の表面よりエッチングすることで、貫通孔（３ａ）を形成する工程と、貫通孔の内壁面および該貫通孔内において露出させられた接続部を含め、第２半導体基板の表面に絶縁膜（５）を形成する工程と、絶縁膜を形成したのち、貫通孔内を空洞として残しつつ該貫通孔上を架橋するように、絶縁膜の上に第１マスク材（１０）を配置する工程と、フォトリソグラフィにより、第１マスク材のうち貫通孔と対応する位置に穴（１０ａ）を形成する工程と、第１マスク材を用いた異方性ドライエッチングにより、穴を通じて該穴と対応する位置において絶縁膜を除去し、接続部を露出させて導体層と接触させるコンタクトホール（５ａ）を形成する工程と、を含んでいることを特徴としている。
このように、貫通孔上を架橋するように第１マスク材を形成すると共に、第１マスク材のうち貫通孔と対応する位置に穴を形成し、この穴を通じて絶縁膜にコンタクトホールを形成している。このような製造方法とすれば、第２半導体基板の表面から貫通孔の底部まで高段差があったとしても、フォトリソグラフィ工程で露光するのは貫通孔上に架橋された第１マスク材のみであり、高段差のフォトリソグラフィ工程は必要ない。このため、マスク材に良好に穴を形成できると共に、この穴を通じた異方性ドライエッチングにて高段差のエッチングでも良好にコンタクトホールを形成できる。したがって、実現が難しい高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程を行わなくても良くなる。
よって、良好に貫通電極構造を形成することができる。そして、このような半導体装置の製造方法では、貫通孔を形成する前に、第１半導体基板と第２半導体基板とを貼り合わせている。このため、従来のようにサポート基板を用いる必要もないし、基板同士の貼り合せの前の表面荒れや反りの発生も防止できる。したがって、サポート基板を必要とせず、基板同士の貼り合せの前の表面荒れや反りの発生も防止できると共に、高段差のエッチングも良好に行って貫通電極構造を形成することができる。
請求項３に記載の発明は、穴を形成する工程では、穴の口径を貫通孔の口径よりも小さく形成することを特徴としている。
このような穴とすれば、穴を通過する第２半導体基板の法線が絶縁膜のうち貫通孔の側壁面上に形成された部分は通らないようにできる。このため、異方性ドライエッチングの際に、貫通孔の側壁にはダメージを与えることなく、絶縁膜のうち貫通孔の底部に位置する部分のみを除去できる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
本発明の第１実施形態にかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の貫通電極構造部分の拡大断面図である。 図１に示す半導体装置の貫通電極構造部分についての製造工程を示した断面図である。 図２に続く製造工程を示す断面図である。 図３に続く製造工程を示す断面図である。 コンタクトホール５ａ近傍の部分拡大図である。 貫通孔３ａの各部の寸法やマスク材１０の各部の寸法の関係を示した断面図である。 他の実施形態ににかかる半導体装置の製造方法により製造される半導体装置のエッチング加工部分についての製造工程を示した断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。ここでは、２枚の半導体基板を貼り合せて構成する半導体装置のうちの貫通電極構造の部分についてのみ説明するが、実際には他にも素子などが形成されている。このような貫通電極構造が備えられる様々な半導体装置に対して、本発明を適用することができる。例えば、集積回路を形成した半導体基板に対して、配線パターンを構成するもう一枚の半導体基板を貼り合せる半導体装置に対して本発明を適用できる。また、加速度センサのようなＭＥＭＳ構造のセンサが形成された半導体基板の表面に、キャップを構成する半導体基板を貼り合せる半導体装置に対しても本発明を適用できる。
まず、図１を参照して、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法により製造された半導体装置における貫通電極構造について説明する。
図１に示すように、集積回路やＭＥＭＳ構造のセンサなどが形成された第１半導体基板１の表面に、酸化膜などで構成された絶縁膜２を介して第２半導体基板３が貼り合わされている。第１半導体基板１および第２半導体基板３には、例えばシリコン基板が用いられている。
第１半導体基板１の表面には接続部４が形成されており、絶縁膜２のうち接続部４と対応する位置に形成されたコンタクトホール２ａを通じて接続部４が絶縁膜２から露出させられている。接続部４は、第１半導体基板１の所望部位に電気的に接続される部分である。例えば、第１半導体基板１に対して集積回路などが備えられる場合には、接続部４は、第１半導体基板１の表面において集積回路から引き出された配線パターンに繋がるパッド等とされる。また、例えば、第１半導体基板１に対してＭＥＭＳ構造のセンサなどが備えられる場合には、接続部４は、ＭＥＭＳ構造の各部、例えば可動電極および固定電極を有する加速度センサ等の場合であれば固定電極もしくは可動電極との電気的接続を図る拡散層等とされる。拡散層等は、一般的にはＭＥＭＳ構造の各部まで延設されることで電気的に接続されるが、不純物がドープされた第１半導体基板１そのものを配線として用いる場合もある。その場合には拡散層にて構成される接続部４は、第１半導体基板１を介してＭＥＭＳ構造の各部に接続される。
第２半導体基板３には、接続部４と対応する位置において、表裏を貫通する貫通孔３ａが形成されている。上記した絶縁膜２に形成されたコンタクトホール２ａは、この貫通孔３ａと対応する位置に形成されている。
また、第２半導体基板３のうちの貫通孔３ａの内壁面を含む表面および接続部４の露出表面は、絶縁膜５で覆われている。この絶縁膜５のうち接続部４と対応する位置にもコンタクトホール５ａが形成されている。このため、貫通孔３ａ内において、コンタクトホール５ａを通じて接続部４が絶縁膜５からも露出した状態となっている。
さらに、貫通孔３ａやコンタクトホール５ａ内を含めた絶縁膜５の表面に対して金属にて構成された導体層６がパターニングされている。この導体層６がコンタクトホール５ａを通じて接続部４に接触させられることにより、導体層６を通じて、第２半導体基板３の表面側から接続部４に対しての電気的接続が行える。このため、貫通孔３ａやコンタクトホール２ａ、５ａを通じて、第２半導体基板３のうち第１半導体基板１と反対側の表面から第１半導体基板１に備えられた接続部４の電位引き出しが可能となっている。
なお、必要に応じて、導体層６の表面を覆うようにパッシベーション膜７が形成されており、導体層６および第１半導体基板１に形成された素子等の保護が図られる。この場合には、所望位置においてパッシベーション膜７が除去されて導体層６が露出させられ、その露出箇所をパッドとして接続部４からの電位引き出しを行うことが可能とされる。
続いて、上記のように構成される半導体装置の製造方法について、図２〜図４を参照して説明する。なお、ここでも半導体装置のうちの貫通電極構造の部分についてのみ図示しているが、実際には他にも素子などが形成される。
〔図２（ａ）に示す工程〕
まず、周知の手法により集積回路やＭＥＭＳ構造のセンサなどの素子および接続部４を形成した第１半導体基板１を用意する。また、第２半導体基板３を用意し、第２半導体基板３の裏面、つまり第１半導体基板１と貼り合わされる側の一面に絶縁膜２を形成する。例えば、熱酸化などによる酸化膜を形成することで、第２半導体基板３の裏面に絶縁膜２を形成している。そして、第１半導体基板１の表面、つまり接続部４が形成された側の一面の上に、第２半導体基板３を配置し、絶縁膜２を介して第１半導体基板１および第２半導体基板３を例えば直接接合によって貼り合せる。そして、必要に応じて第２半導体基板３を表面から研削研磨することで、貫通電極構造の形成に適した厚みに調整する。例えば、第２半導体基板３を数十〜２００μｍ（例えば１００μｍ）程度の厚みに設定すると好ましい。
〔図２（ｂ）に示す工程〕
第２半導体基板３の表面に、貫通孔３ａの形成予定領域が開口するエッチングマスク（図示せず）を配置する。そして、そのエッチングマスクを用いて第２半導体基板３をエッチングすることで第２半導体基板３の表裏を貫通する貫通孔３ａを形成すると共に、絶縁膜２にコンタクトホール２ａを形成する。貫通孔３ａについては、貫通孔３ａの側壁面が第２半導体基板３の表面に対して垂直方向となるように形成しても良いが、第２半導体基板３の表面から裏面に進むにしたがって開口面積が徐々に縮小された順テーパ形状となるようにするのが望ましい。このようにすることで、後工程において絶縁膜５や導体層６などを貫通孔３ａ内に成膜するときに、貫通孔３ａの側壁面上への膜付きが良好になるようにできる。
貫通孔３ａを順テーパにする手法は従来から知られているため詳細については省略するが、エッチング条件の設定のみで容易に行える。例えば、第２半導体基板３の表面側での貫通孔３ａの口径が５０〜１５０μｍ程度となるように設定し、テーパ角度、つまり第２半導体基板３の裏面と貫通孔３ａの内壁面との成す角度が７０〜８０°になるようにすると好ましい。
〔図２（ｃ）に示す工程〕
ＣＶＤ法や熱酸化などにより、貫通孔３ａの内壁面や貫通孔３ａから露出している接続部４の表面を含めて第２半導体基板３の表面に絶縁膜５を成膜する。このときに、ＣＶＤ法を用いる場合であっても、上記したように貫通孔３ａの内壁面が順テーパ形状となるようにしてあれば、膜付き良く貫通孔３ａの内壁面上にも絶縁膜５が形成されるようにできる。
〔図２（ｄ）に示す工程〕
感光性レジストのスピンコーティングまたはドライフィルム貼り付け等により、第２半導体基板３の表面にテンティング法による成膜を行うことでマスク材１０を形成する。このときのマスク材１０は、貫通孔３ａ内は空洞として残しつつ貫通孔３ａ上において架橋され、貫通孔３ａ内を含めて母材となる絶縁膜５や第２半導体基板３を覆った構成となる。そして、フォトリソグラフィ工程を経て、マスク材１０における貫通孔３ａと対応する位置に貫通孔３ａの口径よりも小さな、例えば２０〜５０μｍ程度の口径の穴１０ａを形成する。マスク材１０の厚みは任意であるが、フォトリソグラフィ工程における露光前のベーク時に貫通孔３ａ内に構成される空洞内の気体の熱膨張を押さえ込める程度の厚みにされるように厚み調整している。
このようなマスク材１０を構成するレジスト材としては、例えば東京応化工業（株）製のＰＭＥＲ Ｐ−ＣＴ７００ＸＰ（商品名）を用いることができる。また、必要に応じてこのレジスト材に添加剤を調合することでレジスト材の表面張力を高めて低速スピンコーティング等を行えば、より確実に貫通孔３ａ内に落ち込むことなく、テンティング状にマスク材１０を成膜することができる。
〔図３（ａ）に示す工程〕
マスク材１０を用いた異方性ドライエッチングにて絶縁膜５を部分的に除去することで、絶縁膜５に対して基板法線方向において穴１０ａを投影した位置においてコンタクトホール５ａを形成する。このようなエッチングでは、穴１０ａを通過する第２半導体基板３の法線が絶縁膜５のうち貫通孔３ａの側壁面上に形成された部分は通らないため、貫通孔３ａの側壁にはダメージを与えることなく、絶縁膜５のうち貫通孔３ａの底部に位置する部分のみを除去できる。また、このようにしてコンタクトホール５ａを形成した場合、図５に示す拡大図のように、コンタクトホール５ａの側壁面が丸みを帯びた形状となる。このため、後工程で形成する導体層６のコンタクトホール５ａ内への埋め込み性（カバレッジ性）を良好にすることが可能となる。
〔図３（ｂ）、（ｃ）に示す工程〕
図３（ｂ）に示すようにマスク材１０を除去したのち、図３（ｃ）に示すように金属にて構成される導体層６をコンタクトホール５ａ内を含む絶縁膜５の表面全面に成膜する。例えば、スパッタやＣＶＤ法などにより導体層６を形成している。
〔図３（ｄ）に示す工程〕
マスク材１０と同様にテンティング法により、再びマスク材１１を成膜する。このときにも、マスク材１１は、貫通孔３ａ内は空洞として残しつつ貫通孔３ａ上において架橋され、貫通孔３ａ内を含めて母材となる導体層６や第２半導体基板３を覆った構成となる。そして、フォトリソグラフィ工程を経て、マスク材１１における導体層６の不要部分と対応する位置を除去して開口させる。
〔図４（ａ）に示す工程〕
マスク材１１を用いたエッチングにて導体層６を部分的に除去することで、導体層６をパターニングする。このようなエッチングでは、マスク材１１にて貫通孔３ａを覆っていることから、貫通孔３ａの側壁にはダメージを与えることなく導体層６を除去できる。
〔図４（ｂ）、（ｃ）に示す工程〕
図４（ｂ）に示すようにマスク材１１を除去したのち、図４（ｃ）に示すように窒化膜などのパッシベーション膜７を貫通孔３ａ内を含む導体層６の表面全面を覆うように成膜する。例えば、スピンコート法などによりパッシベーション膜７を形成している。
〔図４（ｄ）に示す工程〕
マスク材１０、１１と同様にテンティング法により、もう一度マスク材１２を成膜する。このときにも、マスク材１２は、貫通孔３ａ内は空洞として残しつつ貫通孔３ａ上において架橋され、貫通孔３ａ内を含めて母材となる導体層６などを覆った構成となる。そして、フォトリソグラフィ工程を経て、マスク材１２におけるパッシベーション膜７の不要部分と対応する位置を除去して開口させる。その後、マスク材１２を用いたエッチングにより、パッシベーション膜７の不要部分を除去し、さらにマスク材１２を除去することで、図１に示した貫通電極構造を有する半導体装置が完成する。
以上説明したように、本実施形態では、貫通孔３ａ上を架橋するようにマスク材１０を形成すると共に、マスク材１０のうち貫通孔３ａと対応する位置に穴１０ａを形成し、この穴１０ａを通じて絶縁膜５にコンタクトホール５ａを形成している。このような製造方法とすれば、第２半導体基板３の表面から貫通孔３ａの底部まで高段差があったとしても、フォトリソグラフィ工程で露光するのは貫通孔３ａ上に架橋されたマスク材１０のみであり、高段差のフォトリソグラフィ工程は必要ない。このため、マスク材１０に良好に穴１０ａを形成できると共に、この穴１０ａを通じた異方性ドライエッチングにて高段差のエッチングでも良好にコンタクトホール５ａを形成できる。したがって、実現が難しい高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程を良好に実現することが可能となる。
同様に、導体層６やパッシベーション膜７のパターニングにおいても、マスク材１１、１２を貫通孔３ａ上に架橋している。このため、導体層６やパッシベーション膜７の表面から貫通孔３ａの底部まで高段差があったとしても、フォトリソグラフィ工程で露光するのは貫通孔３ａ上に架橋されたマスク材１１、１２のみであり、高段差はない。よって、上記と同様、実現が難しい高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程を行わなくてもよくなる。
したがって、良好に貫通電極構造を形成することができる。そして、このような半導体装置の製造方法では、貫通孔３ａを形成する前に、第１半導体基板１と第２半導体基板３とを貼り合わせている。このため、従来のようにサポート基板を用いる必要もないし、基板同士の貼り合せの前の表面荒れや反りの発生も防止することが可能となる。よって、サポート基板を必要とせず、基板同士の貼り合せの前の表面荒れや反りの発生も防止できると共に、高段差のエッチングも良好に行って貫通電極構造を形成することができる。
また、貫通孔３ａの口径や第２半導体基板３の裏面と貫通孔３ａの内壁面との成すテーパ角、マスク材１０における穴１０ａの口径、貫通孔３ａが形成される第２半導体基板３の厚み、つまり貫通孔３ａの深さの好ましい設定値を上述した値としている。この理由について、図６を参照して説明する。
上記したように、穴１０ａの口径を貫通孔３ａの口径よりも小さくすることで、穴１０ａを通過する第２半導体基板３の法線が絶縁膜５のうち貫通孔３ａの側壁面上に形成された部分は通らないため、エッチング時に貫通孔３ａの側壁にはダメージを与えないで済む。ただし、実際には、図５において説明したように、絶縁膜５のうち貫通孔３ａの底部に位置する部分を除去してコンタクトホール５ａを形成する場合に、コンタクトホール５ａの側壁面が丸みを帯びた形状となる。これは、テンティング状にマスク材１０を配置していて、貫通孔３ａ内に空洞が残った状態になっているために、図６に示すように、コンタクトホール５ａを形成する際のエッチングが放射状に広がりながら行われるからである。
このようにエッチングが放射状に広がりながら行われることから、上記したように導体層６のコンタクトホール５ａ内への埋め込み性を良好にすることが可能になる。しかしながら、その反面、エッチングが放射状に広がって行われるため、貫通孔３ａの口径が狭すぎたり、貫通孔３ａのテーパ角によっては、貫通孔３ａの側面上に形成された絶縁膜５までエッチングされてしまう。したがって、貫通孔３ａおよびマスク材１０に形成する穴１０ａの口径や貫通孔３ａのテーパ角については、貫通孔３ａの側壁面に形成される絶縁膜５がエッチングされないように設定される必要がある。これら貫通孔３ａおよび穴１０ａの口径については、次のように求めることができる。
まず、貫通孔３ａの開口側の口径（第１半導体基板１と反対側表面における口径）をＬ１、貫通孔３ａのうちの第１半導体基板１側の口径をＬ２、穴１０ａの口径をＬ３とする。また、貫通孔３ａのテーパ角をα、エッチングの広がり角をβ、貫通孔３ａの深さ、本実施形態の場合は第２半導体基板３の厚みをＤ１、貫通孔３ａの外側における絶縁膜５の表面から第２半導体基板３のうちの第１半導体基板１側の面までの距離をＤ２とする。
このように定義すると、貫通孔３ａの深さＤ１については数式１で表すことができる。また、数式１中における貫通孔３ａのうちの第１半導体基板１側の口径Ｌ２については数式２で表すことができる。
（数１）
Ｄ１＝（Ｌ１−Ｌ２）／２ｔａｎα
（数２）
Ｌ２＝Ｌ１−２Ｄ１／ｔａｎα
また、貫通孔３ａのうちの第１半導体基板１側の端での絶縁膜５のエッチング口径が貫通孔３ａのうちの第１半導体基板１側の口径Ｌ２未満である必要があることから、数式３が導出される。また、距離Ｄ２はほぼ第２半導体基板３の厚みＤ１と等しい（Ｄ１≒Ｄ２）ことから、Ｄ２をＤ１と置き換えることができる。
（数３）
Ｌ２≧Ｌ３＋２Ｄ２ｔａｎβ（≒Ｌ３＋２Ｄ１ｔａｎβ）
そして、エッチングの広がり角βについては、エッチング条件などに応じて決まる定数である。したがって、エッチング条件に応じて決まる広がり角βを加味しつつ、上記数式１〜３を満たすように、貫通孔３ａの深さＤ１、各口径Ｌ１〜Ｌ３を設定することで、貫通孔３ａの側壁面に形成された絶縁膜５までエッチングされないようにすることができる。
ただし、貫通孔３ａの開口側および貫通孔３ａのうちの第１半導体基板１側の口径Ｌ１、Ｌ２が大きければ上記効果を得ることができるものの、開口側の口径Ｌ１が大き過ぎると、マスク材１０を架橋したときに貫通孔３ａ内にマスク材１０の一部が入り込むなどの問題が発生し得る。また、同様に、開口側の口径Ｌ１が大き過ぎると露光前のベーク時に貫通孔３ａ内に構成される空洞内の気体の熱膨張を押さえ込むのが困難になる。これらのことを考慮して、貫通孔３ａの開口側Ｌ１の上限値を設定するのが好ましい。
このようにして各値を設定すると良い。例えば、上記したように、第２半導体基板３の厚み、つまり貫通孔３ａの深さＤ１を数十〜２００μｍとする場合、貫通孔３ａの開口側の口径Ｌ１が５０〜１５０μｍ、テーパ角αが７０〜８０°、穴１０ａの口径Ｌ３が２０〜５０μｍとすると好ましい。
（他の実施形態）
上記実施形態では、図１に示すように、導体層６が第２半導体基板３の表面に延設される構成、例えば導体層６にて配線パターンを構成するような形態を示したが、導体層６が貫通孔３ａの周囲にのみ残されたパッドを構成するような形態とされても良い。
また、上記実施形態では、半導体装置の一例として集積回路やＭＥＭＳ構造が備えられるものを例に挙げたが、これも単なる一例に過ぎず、他の素子が形成されたものであっても良い。すなわち、第１、第２半導体基板１、３が貼り合わされ、第２半導体基板３の表面から第１半導体基板１側に貫通させられる貫通孔３ａを通じて第１半導体基板３に備えられる接続部４の電位引き上げを行う半導体装置であれば、どのようなものでも良い。
さらに、上記実施形態では、高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程が必要になる場合の一例として、第１、第２半導体基板１、３を張り合わせた多層構造の半導体装置における貫通電極構造を例に挙げた。つまり、絶縁膜２を介して貼り合わされた２枚の半導体基板１、３にて一体化した半導体基板を構成し、その一面側（第２半導体基板３側）に貫通孔３ａにより構成された凹部が備えられる構造において、凹部内に薄膜として絶縁膜５が備えられる構造を例に挙げた。しかしながら、他にも高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程が必要とされ得る。
すなわち、一面側に凹部が形成された半導体基板を用意し、凹部の底部の所望位置において凹部内に配置した薄膜をエッチングする工程を行う場合において、高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程が必要になる。この場合にも、以下の工程を順に行うことで、第１実施形態と同様の効果が得られる。まず、図７（ａ）に示すように、半導体基板２０を用意したのち、図７（ｂ）に示すように、半導体基板２０の一面に凹部２０ａを形成する工程を行う。そして、図７（ｃ）に示すように、凹部２０ａの内壁面に薄膜２１を形成する工程を行った後、図７（ｄ）に示すように、凹部２０ａ上を架橋するように、薄膜２１上にマスク材２２を配置する工程を行う。そして、フォトリソグラフィによりマスク材２２のうち凹部２０ａと対応する位置に穴２２ａを形成する工程を行った後、この穴２２ａを通じて異方性のドライエッチングにより、穴２２ａを通じ、穴２２ａと対応する位置において薄膜２１を除去する工程を行う。このようにすれば、凹部２０ａの底面において、薄膜２１をエッチング加工することができ、実現が難しい高段差のフォトリソグラフィ・エッチング工程を良好に実現することが可能となる。
１ 第１半導体基板
２ 絶縁膜
３ 第２半導体基板
３ａ 貫通孔
４ 接続部
５ 絶縁膜
６ 配線層
７ パッシベーション膜
５ａ、７ａ コンタクトホール
１０〜１２ マスク材（第１〜第３マスク材）
１０ａ 穴

Claims (7)

  1. 一面側に凹部（３ａ、２０ａ）が形成された半導体基板（１〜３、２０）を用意する工程と、
    前記凹部の内壁面に薄膜（５、２１）を形成する工程と、
    前記薄膜を形成したのち、前記凹部内を空洞として残しつつ該凹部上を架橋するように、前記薄膜の上にマスク材（１０、２２）を配置する工程と、
    フォトリソグラフィにより、前記第１マスク材のうち前記凹部と対応する位置に穴（１０ａ、２２ａ）を形成する工程と、
    前記マスク材を用いた異方性ドライエッチングにより、前記穴を通じて該穴と対応する位置において前記薄膜を除去する加工を行う工程と、を含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 一面側に素子に接続される接続部（４）が形成された第１半導体基板（１）と、
    前記第１半導体基板の前記一面側に貼り合わされた第２半導体基板（３）とを有し、
    前記第２半導体基板には、前記第１半導体基板と反対側の表面から該第２半導体基板に形成した貫通孔（３ａ）内に導体層（６）が配置されることで貫通電極構造が備えられており、
    前記第１半導体基板の前記一面側に前記第２半導体基板が貼り合わされることで、前記導体層が前記接続部に接続されるように構成された半導体装置の製造方法であって、
    前記素子および前記接続部を形成した前記第１半導体基板を用意する工程と、
    前記第１半導体基板の前記一面側に前記第２半導体基板を貼り合わせる工程と、
    前記第１半導体基板に貼り合わせた後に、前記第２半導体基板のうち前記接続部と対応する位置において、前記第１半導体基板と反対側の表面より前記第２半導体基板をエッチングすることで、前記貫通孔を形成する工程と、
    前記貫通孔の内壁面および該貫通孔において露出させられた前記接続部を含め、前記第２半導体基板の表面に絶縁膜（５）を形成する工程と、
    前記絶縁膜を形成したのち、前記貫通孔内を空洞として残しつつ該貫通孔上を架橋するように、前記絶縁膜の上に第１マスク材（１０）を配置する工程と、
    フォトリソグラフィにより、前記第１マスク材のうち前記貫通孔と対応する位置に穴（１０ａ）を形成する工程と、
    前記第１マスク材を用いた異方性ドライエッチングにより、前記穴を通じて該穴と対応する位置において前記絶縁膜を除去し、前記接続部を露出させて前記導体層と接触させるコンタクトホール（５ａ）を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 前記穴を形成する工程では、前記穴の口径を前記貫通孔の口径よりも小さく形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記貫通孔を形成する工程では、前記第２半導体基板における前記第１半導体基板と反対側の表面から開口面積が徐々に縮小される順テーパ形状にて前記貫通孔を形成することを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記コンタクトホールを形成する工程の後で、前記コンタクトホール内を含め前記絶縁膜の表面に前記導体層を成膜することで、前記コンタクトホールを通じて前記導体層と前記接続部とを接触させる工程を含んでいることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記導体層を形成したのち、前記貫通孔内を空洞として残しつつ該貫通孔上を架橋するように、前記導体層の上に第２マスク材（１１）を配置する工程と、
    フォトリソグラフィにより、前記第２マスク材のうち前記導体層の不要部分と対応する位置を開口させる工程と、
    前記第２マスク材を用いたエッチングにより、前記導体層の不要部分を除去して該導体層をパターニングする工程と、を含んでいることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記導体層をパターニングした後で、前記導体層の上にパッシベーション膜（７）を成膜する工程と、
    前記パッシベーション膜を形成したのち、前記貫通孔内を空洞として残しつつ該貫通孔上を架橋するように、前記パッシベーション膜の上に第３マスク材（１２）を配置する工程と、
    フォトリソグラフィにより、前記第３マスク材のうち前記パッシベーション膜の不要部分と対応する位置を開口させる工程と、
    前記第３マスク材を用いたエッチングにより、前記パッシベーション膜の不要部分を除去して該パッシベーション膜をパターニングする工程と、を含んでいることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
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