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形成硅通孔開口的方法.pdf

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形成 硅通孔 開口 方法
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摘要
申請專利號:

CN201110317983.8

申請日:

2011.10.18

公開號:

CN102738066B

公開日:

2015.01.14

當前法律狀態:

有效性:

法律詳情: 專利權的轉移號牌文件類型代碼:1602號牌文件序號:101726929636IPC(主分類):H01L 21/768專利號:ZL2011103179838登記生效日:20151231變更事項:專利權人變更前權利人:元芯光電股份有限公司變更后權利人:晶元光電股份有限公司變更事項:地址變更前權利人:中國臺灣新竹變更后權利人:中國臺灣新竹科學園區力行五路5號|||專利權的轉移IPC(主分類):H01L 21/768變更事項:專利權人變更前權利人:臺灣積體電路制造股份有限公司變更后權利人:元芯光電股份有限公司變更事項:地址變更前權利人:中國臺灣新竹變更后權利人:中國臺灣新竹登記生效日:20150911|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 21/768申請日:20111018|||公開
IPC分類號: H01L21/768 主分類號: H01L21/768
申請人: 臺灣積體電路制造股份有限公司
發明人: 陳其賢; 吳欣賢; 張鈞琳; 夏興國; 郭鴻毅
地址: 中國臺灣新竹
優先權: 2011.04.14 US 13/086,542
專利代理機構: 北京德恒律師事務所 11306 代理人: 陸鑫;高雪琴
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110317983.8

授權公告號:

||||||102738066B||||||

法律狀態公告日:

2016.01.20|||2015.10.07|||2015.01.14|||2012.12.12|||2012.10.17

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||專利申請權、專利權的轉移|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種形成硅通孔(TSV)開口的方法包括穿過襯底形成TSV開口。利用第一化學產品去除在該TSV開口的側壁上的襯底材料的重鑄物。利用第二化學產品基本上去除第一化學產品的殘留物來清潔TSV開口的側壁。

權利要求書

1.一種形成硅通孔(TSV)開口的方法,所述方法包括:
穿過襯底形成TSV開口;
利用第一化學產品去除在TSV開口側壁上的襯底材料的重鑄物;以及
利用第二化學產品基本上去除所述第一化學產品的殘留物來清潔所述
TSV開口的側壁。
2.根據權利要求1所述的方法,其中,形成所述TSV開口包括:
激光鉆孔所述襯底,以形成穿過所述襯底的所述TSV開口,其中,所
述激光鉆孔工藝在所述TSV開口的所述側壁上產生所述重鑄物。
3.根據權利要求2所述的方法,進一步包括:
在所述襯底的表面上形成介電層,其中,激光鉆孔形成穿過所述介電
層的所述TSV開口。
4.根據權利要求1所述的方法,其中,所述第一化學產品包括含鹵素
的化學產品,或者所述第一化學產品包括二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)
和六氟化硫(SF6)中的至少一種。
5.根據權利要求4所述的方法,其中,所述第二化學產品包括基本上
不與所述襯底材料反應的第一成分以及基本上與所述含鹵素的化學產品的
鹵素成分反應的第二成分,所述第一成分選自由氦、氖、氬、氪、氙和氡
構成的組,并且所述第二成分包括氫化物,所述第二化學產品包括二氫化
氙(XeH2)所述第二化學產品具有大約為3標況毫升每分(sccm)或更大
的流量以及大約為按體積計20%或以上的XeH2濃度。
6.一種形成硅通孔(TSV)開口的方法,所述方法包括:
激光鉆孔所述襯底,以形成穿過所述襯底的TSV開口,其中,激光鉆
孔工藝在所述TSV開口的所述側壁上產生襯底材料的重鑄物;
利用第一化學產品去除在所述TSV開口的側壁上的重鑄物,其中,第
一化學產品包括含鹵素的化學產品;以及
利用第二化學產品基本上去除所述第一化學產品的殘留物來清潔所述
TSV開口的側壁。
7.根據權利要求6所述的方法,進一步包括:
在所述襯底的表面上形成介電層,其中,所述激光鉆孔形成所述穿過
所述介電層的TSV開口;或者
所述第一化學產品包括二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)和六氟化
硫(SF6)中的至少一種。
8.根據權利要求6所述的方法,其中,所述第二化學產品包括基本上
不與所述襯底材料反應的第一成分以及基本上與所述含鹵素的化學產品的
鹵素成分反應的第二成分,所述第一成分選自由氦、氖、氬、氪、氙和氡
構成的組,并且所述第二成分包括氫化物,所述第二化學產品包括二氫化
氙(XeH2),所述第二化學產品具有大約為3標況毫升每分(sccm)或更
大的流量以及大約為按體積計20%或以上的XeH2濃度。
9.一種形成硅通孔(TSV)開口的方法,所述方法包括:
在含硅的襯底的表面上形成介電層;
激光鉆孔所述襯底和所述含硅的襯底,以形成穿過所述介電層和所述
含硅的襯底的TSV開口,其中,所述激光鉆孔工藝在所述TSV開口的所
述側壁上產生所述含硅的襯底的硅重鑄物;
利用含XeF2的氣體去除在所述TSV開口的側壁上的硅重鑄物;以及
利用含XeH2的氣體基本上去除所述含XeF2的氣體的殘留物來清潔所
述TSV開口的側壁。
10.根據權利要求9所述的方法,其中,所述含XeH2的氣體具有大約
為3標況毫升每分(sccm)或更大的流量以及大約為按體積計20%或以上
的XeH2濃度。

說明書

形成硅通孔開口的方法

技術領域

本發明大體上涉及的是半導體領域,并且具體地涉及形成硅通孔的方
法。

背景技術

自從發明了集成電路,由于各種電子組件(即,晶體管、二極管、電
阻器、電容器等)的集成密度不斷提高,半導體工業經歷了持續的成長。
很大程度上,集成密度的提高源于再三地減小最小的部件尺寸,從而允許
在所給定的區域中集成更多的組件。

在實質上,這種集成的改進基本上是二維的(2D),其中,集成組件
所占用的體積基本上都處在半導體晶圓的表面上。雖然光刻技術的巨大進
步使2D的集成電路的形成產生了相當大的進步,但對二維上可實現的密度
而言仍存在物理性限制。這些限制中的其中一個便是制造這些組件所需的
最小尺寸。同時,當更多器件被裝入到一個芯片中時,需要更為復雜的設
計。

由此產生出三維的集成電路(3D?IC)以解決上述限制。在傳統的形成
3D?IC的工藝中形成兩個晶圓,每個都包含集成電路。這些晶圓隨后與對齊
的器件結合在一起。深通孔形成用于互連該第一晶圓和第二晶圓上的器件。

發明內容

為了解決現有技術中所存在的缺陷,根據本發明的一個方面,提供了
一種形成硅通孔(TSV)開口的方法,所述方法包括:穿過襯底形成TSV
開口;利用第一化學產品去除在TSV開口側壁上的襯底材料的重鑄物;以
及利用第二化學產品基本上去除所述第一化學產品的殘留物來清潔所述
TSV開口的側壁。

在該方法中,形成所述TSV開口包括:激光鉆孔所述襯底,以形成穿
過所述襯底的所述TSV開口,其中,所述激光鉆孔工藝在所述TSV開口
的所述側壁上產生所述重鑄物。

該方法進一步包括:在所述襯底的表面上形成介電層,其中,激光鉆
孔形成穿過所述介電層的所述TSV開口。

在該方法中,所述第一化學產品包括含鹵素的化學產品,或者所述第
一化學產品包括二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)和六氟化硫(SF6)
中的至少一種。

在該方法中,所述第二化學產品包括基本上不與所述襯底材料反應的
第一成分以及基本上與所述含鹵素的化學產品的鹵素成分反應的第二成
分,所述第一成分選自由氦、氖、氬、氪、氙和氡構成的組,并且所述第
二成分包括氫化物,所述第二化學產品包括二氫化氙(XeH2),所述第二
化學產品具有大約為3標況毫升每分(sccm)或更大的流量以及大約為按
體積計20%或以上的XeH2濃度。

根據本發明的另一方面,提供了一種形成硅通孔(TSV)開口的方法,
所述方法包括:激光鉆孔所述襯底,以形成穿過所述襯底的TSV開口,其
中,激光鉆孔工藝在所述TSV開口的所述側壁上產生襯底材料的重鑄物;
利用第一化學產品去除在所述TSV開口的側壁上的重鑄物,其中,第一化
學產品包括含鹵素的化學產品;以及利用第二化學產品基本上去除所述第
一化學產品的殘留物來清潔所述TSV開口的側壁。

該方法進一步包括:在所述襯底的表面上形成介電層,其中,所述激
光鉆孔形成所述穿過所述介電層的TSV開口;或者所述第一化學產品包括
二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)和六氟化硫(SF6)中的至少一種。

在該方法中,所述第二化學產品包括基本上不與所述襯底材料反應的
第一成分以及基本上與所述含鹵素的化學產品的鹵素成分反應的第二成
分,所述第一成分選自由氦、氖、氬、氪、氙和氡構成的組,并且所述第
二成分包括氫化物,所述第二化學產品包括二氫化氙(XeH2),所述第二
化學產品具有大約為3標況毫升每分(sccm)或更大的流量以及大約為按
體積計20%或以上的XeH2濃度。

根據本發明的又一方面,提供了一種形成硅通孔(TSV)開口的方法,
所述方法包括:在含硅的襯底的表面上形成介電層;激光鉆孔所述襯底和
所述含硅的襯底,以形成穿過所述介電層和所述含硅的襯底的TSV開口,
其中,所述激光鉆孔工藝在所述TSV開口的所述側壁上產生所述含硅的襯
底的硅重鑄物;利用含XeF2的氣體去除在所述TSV開口的側壁上的硅重
鑄物;以及利用含XeH2的氣體基本上去除所述含XeF2的氣體的殘留物來
清潔所述TSV開口的側壁。

在該方法中,所述含XeH2的氣體具有大約為3標況毫升每分(sccm)
或更大的流量以及大約為按體積計20%或以上的XeH2濃度。

附圖說明

當結合附圖進行閱讀時,根據下面詳細的描述可以理解本發明。應該
注意的是,根據工業中的標準實踐,各個部件沒有被按比例繪制并且僅僅
用于說明的目的。實際上,為了清楚地論述,各個部件的數量和尺寸可以
被任意增加或減少。

圖1是穿過襯底形成硅通孔(TSV)開口的示例性方法的流程圖;

圖2A-2D是在各個制造階段在集成電路中形成TSV開口的示意性截面
圖。

具體實施方式

申請人已知的形成用于3D?IC的TSC開口的方法使用了六氟化硅離子
作為蝕刻劑。可以發現,該蝕刻工藝導致在TSV開口的側壁上出現了貝殼
狀物。沉積在TSV開口的貝殼狀側壁上的襯里層或阻擋層/晶種層的階梯狀
覆蓋層被損壞。襯里層或阻擋層/晶種層的缺損的階梯狀覆蓋層破壞了在
TSV開口中形成的導電結構的電氣特征。

另一種申請人已知的方法是使用激光消融來去除硅襯底的硅材料,形
成TSV開口。然而,可以發現:硅顆粒和/或碎片掉落在TSV開口的表面
和側壁上導致側壁表面像貝殼般粗糙。

可以理解的是,以下公開的內容提供了多種不同實施例或實例,用于
實現本發明的不同部件。以下將描述組件和布置的特定實例以簡化本發明。
當然,這些僅是實例并且不旨在限制本發明。另外,本發明可以在各個實
例中重復參考標號和/或字符。這種重復用于簡化和清楚的目的,其本身并
不表示所述各個實施例和/或配置之間的關系。另外,在下面的本公開內容
中部件“位于”、“連接到”、“耦合到”另一個部件上而形成可以包括
這些部件直接接觸而形成,也可以包括額外部件介于這些部件之間使其不
直接接觸而形成的實施例。此外,在此可使用諸如“下部的”、“上部的”、
“水平的”、“垂直的”、“在…之上”、“在…之下”、“在…上面”、
“在…下面”、“在…頂部”、“在…底部”等空間關系術語以及它們的
派生詞(例如,“水平地”,“垂直地”,“向上地”等),來容易地描
述本發明中一個部件與另一部件的關系。空間關系術語旨在覆蓋包括有部
件的裝置的各種不同方位。

圖1是形成穿過襯底的硅通孔(TSV)開口的示例性方法的流程圖。
圖2A-2D是在各個制造階段在集成電路中形成TSV開口的示意性截面圖。
應該理解的是,為了更好地理解本發明的理念,圖1和圖2A-2D被簡化。
因此,應該注意,在圖1和圖2A-2D的方法之前、之中和之后可以提供額
外的工藝,并且僅在此簡要地描述這些其他的工藝。

現參考圖1,方法100可以包括穿過襯底形成TSV開口(方框110)。
方法100可以包括利用第一化學產品去除TSV開口的側壁上的襯底材料的
重鑄物(方框120)。方法100還可以包括在基本上去除殘留的第一化學
產品時利用第二化學產品清潔TSV開口的側壁(方框130)。

例如,集成電路200可以包括如圖2A所示的襯底201。在一些實施例
中,集成電路200可以包括各種無源和有源的微電子器件(未示出)諸如,
電阻器、電容器、電感器、二極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管
(MOSFET)、互補MOS晶體管、雙極型結式晶體管(BJT)、橫向擴散
式MOS(LDMOS)晶體管、高功率MOS晶體管、FinFET晶體管、其他
類型的晶體管和/或其任意組合。在其他實施例中,集成電路200被用于發
光二極管(LED)。

在一些實施例中,襯底201可以包括元素半導體,該元素半導體包括
晶體、多晶體或非結晶結構的硅或鍺;包括碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、磷
化銦、砷化銦和/或銻化銦的化合物半導體;包括SiGe、GaAsP、AlInAs、
AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP的合金半導體;任意其他適當的材
料;或其組合。在至少一個實施例中,該合金半導體襯底可以具有漸變的
SiGe部件,其中,從該漸變的SiGe部件的一個位置到另外一個位置上,Si
和Ge成分從一個比例變化成另外一個比例。在另外的實施例中,合金SiGe
形成在硅襯底上。在另外的實施例中,SiGe襯底是應變的。另外,該半導
體襯底可以是絕緣體上半導體諸如,絕緣體上硅(SOI)或薄膜晶體管
(TFT)。在一些實例中,該半導體襯底可以包括摻雜的外延(epi)層或
埋層。在其他實施例中,化合物半導體襯底具有多層結構或該襯底包括多
層的化合物半導體結構。

參考圖2A,在一些實施例中,可以將介電層205形成在襯底201的表
面201a上。在其他實施例中,可以與襯底201的另一個表面201b相鄰地
形成介電層203。介電層203和介電層205均可以包括至少一種材料,諸
如,氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氧氮化硅、其他
介電材料和/或其任意組合。介電層205和介電層203可以分別阻止表面
201a和表面201b被下面結合圖2C所述的去除工藝220中的化學產品起反
應。

在一些實施例中,方法100可選地包括:在每個介電層203和/或205
上涂布水溶性層(未示出)。該水溶性層被提供用于阻止從下面結合圖2B
所述的鉆孔工藝中產生的顆粒掉落到該介電層203和介電層205上。

參考圖2B,方法100可以形成穿過襯底201的TSV開口215。在一些
包括介電層203和/或介電層205的實施例中,該TSV開口215也穿過該介
電層203和/或介電層205形成。可以通過例如,激光鉆孔、機械鉆孔、化
學蝕刻工藝或任意其他的鉆孔工藝形成該TSV開口215。在一些通過激光
鉆孔210形成TSV開口215的實施例中,該激光鉆孔210可以使用波長大
約為355納米(nm)或波長更短的激光。該激光源可以是摻雜有釹的釔鋁
石榴石(Nd;YAG)激光源。激光鉆孔210的源功率可以大約為10.8瓦(Watt)
以上。激光鉆孔210可以具有大約為100KHz的重復頻率以及在大約20ns
至大約75ns范圍內的脈沖持續時間。在一些實施例中,激光鉆孔210被稱
作激光消融。

在一些通過激光鉆孔210形成TSV開口215的實施例中,可以如圖2B
所示,在TSV開口215的每個側壁上形成重鑄物。在激光鉆孔210的過程
中,激光的能量融化了襯底210的材料例如,硅。融化的硅然后被冷卻,
從而轉變成非晶硅重鑄物213。在側壁上具有重鑄物213的TSV開口215
造成沙漏狀的和/或粗糙的側壁表面。

參考圖2C,方法100可以包括去除工藝220,以利用化學產品去除TSV
開口215的側壁上的襯底201材料的重鑄物213。在一些實施例中,該化
學產品可以包括含鹵素的化學產品,例如,二氟化氙(XeF2)、四氟化硫
(SF4)、六氟化硫(SF6)、其他的含鹵素的化學產品和/或其任意的組合。
含鹵素的化學產品被提供用于使重鑄物213起反應,從而基本上去除該重
鑄物213,以使TSV開口215的側壁215a變平滑。在一些使用XeF2的實
施例中,該去除工藝220可以具有大約22標況毫升每分(sccm)的流量,
大約為120秒或更長的處理時間以及大約為35℃或更高的處理溫度。

雖然示出的是在不同的步驟中實施激光鉆孔210和去除工藝230,但
是本申請的范圍不限于此。在一些實施例中,可以在激光鉆孔工藝過程中
供應去除工藝230的去除氣體。

如上面結合圖2A所述,方法100可選地包括在介電層203和/或介電
層205上涂布水溶性層(未示出)。可以注意到,由激光鉆孔210產生的
顆粒和/或碎屑濺射到該水溶性層上。至少在該實施例中,方法100可以包
括利用去離子水(DI?water)去除水溶性層的工藝,從而去除水溶性層上的
顆粒和/或碎屑。

在一些實施例中,如圖2C所示,在去除工藝220之中和/或之后,在
TSV開口215的側壁215a上留有至少一種殘留物例如,殘留物223。參考
圖2D,方法100可以包括清潔工藝230,以利用化學產品通過基本上去除
殘留物223(圖2C所示)來清潔TSV開口215的側壁215a。例如,殘留
物223可以是含鹵素的殘留物。在一些實施例中,清潔工藝230的化學產
品可以包括基本上不與襯底201的材料反應的第一成分以及基本上與含鹵
素的化學產品的鹵素成分反應的第二成分。在其他實施例中,第一成分選
自由氦、氖、氬、氪、氙和氡構成的組。第二成分包括氫化物。

例如,去除工藝220的化學產品包括XeF2。清潔工藝230的化學產品
包括二氫化氙(XeH2)。XeH2的氙成分基本上不與襯底210的材料反應。
XeH2的氫化物成分(H+)基本上與XeF2的氟化物成分(F+)相互作用。
XeH2的氫化物成分(H+)有效地與XeF2的氟化物成分(F+)反應,以形
成在清潔工藝230中容易被帶走的氟化氫(HF)。在一些實施例中,清潔
工藝230的化學產品具有大約為3標況毫升每分(sccm)或更大的流量以
及大約為按體積計20%或更大的XeH2濃度。

在一些實施例中,在清潔工藝230之后,可以在TSV開口215中形成
導電結構(未示出)。在一些實施例中,該導電結構可以包括例如,阻擋
材料(例如,鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭、其他的阻擋材料和/或其組合)、
導電材料(鋁、銅、銅鋁、多晶硅、其他導電材料和/或其組合)、適合用
于形成導電結構的其他材料和/或其任意的組合。

在本申請的實施例中,形成硅通孔(TSV)開口的方法包括穿過襯底
形成TSV開口。利用第一化學產品去除在TSV開口的側壁上的襯底材料
的重鑄物。利用第二化學產品通過基本上去除第一化學產品的殘留物來清
潔TSV開口的側壁。

上面論述了若干實施例的部件,使得本領域普通技術人員可以更好地
理解本發明的各個方面。本領域普通技術人員應該理解,可以很容易地使
用本發明作為基礎來設計或更改其他用于達到與這里所介紹實施例相同的
目的和/或實現相同優點的處理和結構。本領域普通技術人員也應該意識
到,這種等效構造并不背離本發明的精神和范圍,并且在不背離本發明的
精神和范圍的情況下,可以進行多種變化、替換以及改變。

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