CN102017126A - 多层半导体晶片的处理 - Google Patents

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Abstract

一种用来加工带图案硅片或在带图案硅片形成特征的方法和装置，其特征在于包括：利用具有1-1000ps脉冲宽度的第一脉冲激光器(4)光束去除晶片表面层的一部分；以及利用具有200-1100nm波长的第二脉冲激光器(5)光束去除晶片表面层下面的体硅(1)的一部分。再沉积的硅可通过腐蚀处理从晶片上去除。

Description

多层半导体晶片的处理
本发明涉及多层半导体晶片的处理。
半导体晶片表面上通常包括多层金属和绝缘体，用于限定从晶片上产生的装置的有效电路。随着晶片技术的发展，这些层在从晶片产生有效装置所必需形成之后的处理上存在一定问题。
这些问题主要由在表面层中所使用的新材料以及为实现更低成本、更薄晶片和更小装置的较小尺寸特征的要求而造成的。存在问题的具体处理是晶片切割和互连形成处理，切割处理通常包括利用研磨锯将晶片切割成小块，而互连形成处理通常使用线缆焊接将一个区域连接到另一个区域以形成线缆焊接互连。进行线缆焊接的一个有竞争力的方法是在晶片的两个相反表面之间钻互连的通道，以及在所得到的装置下面或另一个装置上形成互连。该技术被称为“通孔”技术。类似地，盲孔允许与晶片的内层电接触。通常使用这些处理作为公知的“后通孔”处理的一部分，其中互连孔是在已加工的晶片上进行钻孔。
尽管已知的腐蚀技术能够至少在钻孔处理中提供解决上述问题的方法，然而由于诸如具体的低生产量、孔的几何形状以及材料感光性等原因使成本通常较高。简言之，孔的锥形角度通常要求其不是特别直的，因此很难通过腐蚀来实现，而是可通过激光打孔来实现。此外，在金属和绝缘体层堆叠时，通常需要对每一层进行不同的腐蚀处理，这些处理通常很慢。
本发明的一个目的在于至少改善现有技术中存在的上述缺陷。
根据本发明的第一方面，提供一种用来加工带图案硅片或在带图案硅片上形成特征的方法，其包括：利用具有1-1000ps脉冲宽度的第一脉冲激光束去除晶片表面层的一部分；以及利用具有200-1100nm波长的第二脉冲激光束去除晶片表面层下面的体硅的一部分。
便利地，该方法还包括利用腐蚀方法去除晶片上的再沉积硅。
有利地，第一脉冲激光束具有1000-1100nm的波长。
有利地，第二脉冲激光束由具有1-500ns脉冲宽度的调Q激光器产生。
可选地，第二脉冲激光束具有1-1000ps的脉冲宽度。
便利地，该方法包括利用二氟化氙进行腐蚀。
便利地，该方法包括湿法化学腐蚀。
可选地，该方法包括干法化学腐蚀。
有利地，使用腐蚀处理来清除晶片表面和晶片经加工的壁中至少之一上的碎屑。
有利地，该方法包括在晶片中形成互连的通孔或盲孔。
可选地，该方法包括对晶片进行切割或划分处理。
根据本发明的第二方面，提供一种被布置成用来加工带图案硅片或在带图案硅片上形成特征的装置，其包括：第一激光器，被布置成提供具有1-1000ps脉冲宽度的第一脉冲激光束以便去除晶片表面层的一部分；第二激光器，被布置成提供具有200-1100nm波长的第二脉冲激光束以便去除晶片表面层下面的体硅的一部分；和用来将第一和第二激光束定位在晶片相同位置上的装置。
有利该装置还包括腐蚀装置以通过腐蚀去除晶片上的再沉积硅。
有利地，第一脉冲激光束具有1000-1100nm的波长。
有利地，第二激光器是具有1-500ns脉冲宽度的调Q激光器。
有利地，第二脉冲激光束具有1-1000ps的脉冲宽度。
有利地，该装置包括对准装置，以便将第一和第二激光束的路径同轴对准，以定位在晶片的相同位置上。
便利地，腐蚀装置被布置成利用二氟化氙进行腐蚀。
便利地，腐蚀装置被布置成提供湿法化学腐蚀。
可选地，腐蚀装置被布置成提供干法化学腐蚀。
有利地，腐蚀装置被布置成提供湿法化学腐蚀以清除晶片表面和晶片经加工的壁上的碎屑。
有利地，该装置被布置成在晶片中形成互连的通孔或盲孔。
可选地，该装置被布置成对晶片进行切割或划分处理。
有利地，该装置还包括同步装置，其被布置成使脉冲从第一和第二激光器按顺序发射，以便以预定顺序将各激光器的脉冲传送到晶片上。
有利地，该装置还包括机器视觉系统，其被布置成沿着激光束路径成像，以易于实现晶片和第一、第二激光束之间的相对位置。
有利地，该装置还包括转换装置，以便在第一激光器和第二激光器之间转换控制脉冲。
便利地，该转换装置被布置成在接收到由转换装置接收到的一串控制脉冲中的触发脉冲之后，即在第一激光器与第二激光器之间转换输出控制脉冲。
下面以举例的方式并结合附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是根据本发明的装置的示意图；
图2A和2B是根据本发明实施方式所述方法的流程图；
图3-6是利用皮秒脉冲激光器打孔的表面层的俯视图的光学显微照片；
图7-12是利用皮秒脉冲激光器打孔的表面层的俯视图、侧视图和斜视图的扫描电子显微照片；
图13是利用皮秒脉冲激光器打孔的表面层的反向散射模式的扫描电子显微照片；
图14和15是本发明对晶片的衬底进行激光打孔方法的第二步骤之后孔的俯视图和斜视图的扫描电子显微照片；
图16和17是在本发明所述方法第二步骤之后孔的反向散射模式的扫描电子显微照片；
图18是本发明所述方法第二步骤之后的孔轮廓的扫描电子显微照片；
图19是本发明所述方法第二步骤之后的孔轮廓的反向散射模式的扫描电子显微照片；
图20和21是本发明的腐蚀处理的扫描电子显微照片，示出侧壁；
图22是本发明腐蚀处理的扫描电子显微照片，以散射光示出侧壁；和
图23是示出硅滴部分被去除和清洁金属层的扫描电子显微照片。
在附图中，使用相同的附图标记来表示相同的部件。
参考图1，在根据本发明的装置中，第一和第二激光器4和5提供平行的激光束。第一激光器5的激光束入射在折叠式反射镜14上，以便在朝向来自第一激光器的激光束的方向上将激光束偏折90°角。因而两个激光束相互垂直地入射在分束管13上，分束管13将来自第二激光器4的激光束沿着远离来自第一激光器5的激光束的方向偏转90°角，以使两激光束交替地同轴入射在准直透镜7上，准直透镜7将激光束聚焦在具有衬底1和表面层2的晶片上。
第一和第二激光器由各自的信号脉冲9、10控制。设置开关12以便在第一和第二激光器之间切换来自源(未示出)的一串信号脉冲。开关12由该一串信号脉冲中的触发脉冲11控制，由开关12将一串信号脉冲切换到第一激光器5或第二激光器4。
因而，该装置通过将各激光束投射在晶片1、2的相同位置上来执行对半导体晶片的处理。可以理解，具有许多可以用来进行该处理的方法。在图1所示的方法中，两激光束如图所示沿着在分束管13中合成的光束路径线性传播。尽管激光束具有不同的波长，然而分束管可以透过激光器5的第一激光束和来自激光器4的第二激光的反射光。本领域普通技术人员应该知道，还可以使用极化等其它光束合成方法。这要求对每条光束路径的光学参数进行认真的设计。该光束可以通过标准透镜7传播，标准透镜7可以是被设计成以便在每个光束的焦点提供所需光束直径的复透镜。本领域普通技术人员应该知道，可以通过使用常规的机器视觉系统和晶片或光束运动系统以使激光束交替入射在晶片的规定位置上。在图1所示的实施例中，机器视觉照相机15与分束管13和折叠式反射镜14是线性的，以便允许在晶片加工之前、之中或之后对加工实况及晶片成像。
图1示出典型的结构。每个激光器可以同步发射脉冲，以确保从表面层的连续曝光到之后的体硅是瞬时的且按正确顺序进行。一个这样的实施方式利用如图1所示的电路，信号脉冲串9通过该电路被提供给第一激光器5以提供用来为层状结构2打孔的激光束脉冲6。一旦已传播足够数量的脉冲，则利用较大的转换或其它触发信号脉冲11切换适当的电开关12，从而进行电路转换，以将一串信号脉冲10切换到第二激光器4。然后该第二激光器4发射激光束脉冲3以便为体硅1打孔。本领域普通技术人员应该知道，存在许多用来控制脉冲发射的机构，本发明并不局限于所述的内容。
可选地，激光束可以彼此置换。本领域普通技术人员应该知道，实际上该处理需要使用前面提到的机器视觉和晶片放置的已知方法施加到每个激光器上的已知激光器放置处理。
在根据本发明的方法中，通过利用一系列的激光打孔或加工步骤执行所需的操作，来克服与已知腐蚀处理相关的问题。这些处理步骤可以用于钻互连的孔和/或对硅片进行划线和切割。
为了理解该处理，有必要考虑所使用的激光器。在形成通孔、划线或切割处理中，可以使用例如在EP 1201108、EP 1328372、EP 1404481、EP 1825507和WO 2007/088058中描述的紫外线调Q激光器等已知的纳秒激光器。然而，在某些情况下，单独使用这些纳秒脉冲激光器会过分损坏晶片表面上的金属层和绝缘体层。
因此，使用具有1-1000皮秒(ps)脉冲宽度的激光器来去除或钻透晶片表面上的金属和绝缘体，而不会带来附带的损害。根据本发明使用较短脉冲激光器来去除或钻透层堆。
参考图1和图2A，因此完整的激光处理包括以下步骤：
步骤1：利用具有1-1000ps脉冲宽度的一个或多个激光脉冲6的第一激光器5，钻通晶片表面上包含一层或多层的分层介质2(21)。
步骤2：利用具有200-1500nm波长和1-1000ns的脉冲3的调Q脉冲激光器4，钻通体硅片2(22)。可选地，在可得到具有足够功率密度的激光来获得预期的处理量的情况下，可以利用与在表面层去除或钻孔中所使用的皮秒脉冲激光器类似的短脉冲激光器来钻孔(23)。
步骤3：对已进行打孔或加工的硅片的壁结构进行腐蚀处理，以去除由硅钻孔处理产生的硅的碎屑堆积(24)。
实施例：由处理的第一个步骤产生的结果：利用皮秒脉冲激光束切开有效层
图3-6中示出单独使用皮秒激光器钻孔后的表面层的光显微镜图象。从图7-13所示的SEM(扫描电子显微)图像中可以看出，已露出的有效层是清晰的并且各层很容易识别。此外，表面上的颗粒和碎屑极少。
处理的第二个步骤产生的结果：内部体积的硅激光打孔
在与之前在有效层中利用皮秒脉冲激光器加工的具有～28微米直径的孔手动对准之后，钻出直径为～24微米且深60-70微米孔的内部体积。图14-19示出所得到通孔的SEM图像。
从SEM得到的横截面图和倾斜视图明显可知，皮秒激光器单独干净地钻透结构层，每一层都完整且轮廓分明。当随后使用纳秒脉冲激光器来钻硅衬底时，在有效层上会覆盖有重铸的硅。
如果不使用皮秒激光脉冲，则通孔的内部通常会含有金属颗粒。使用皮秒脉冲激光器来给有效层钻孔，则在通孔中不会出现金属。由于晶片表面的大部分是构成用于腐蚀通孔内壁的自对齐掩膜的金属和聚酰亚胺，使用与硅起反应而不与金属起反应的腐蚀剂，能将再沉积的硅腐蚀而不用掩膜。
处理的第三个步骤的结果：腐蚀
参考图20-23，为了去除多层堆叠周围附着的硅碎屑，对该样品进行短期XeF2的腐蚀循环，在各视图中可以看出良好的结果。
本发明并不局限于使用XeF2作为腐蚀剂。也可以使用液态或气态形式的“惰性卤素”或“相互卤化物”等其它腐蚀剂。也可以选择本领域普通技术人员公知使用KOH的湿法化学腐蚀、氢氧化四甲铵(TmaH)或其它化学方法来去除硅。最后，也可以使用等离子腐蚀和反应离子腐蚀来执行最后的步骤。
参考图2B，在本发明的另一个实施方式中，可以通过颠倒皮秒脉冲激光器和体硅纳秒脉冲激光器的顺序来获得类似的结果。在此例子中为了获得相同的效果，利用体硅激光器粗糙地加工表面上的层，作为体硅加工处理的一部分(25)。在该步骤之后，金属层和绝缘层暴露给皮秒激光器光束轮廓，以便进行金属层的加工以加宽金属层和绝缘层中通孔的宽度，提供与先加工金属绝缘层的情况类似的清洁切割和修整(26)。

Claims (27)

1.一种用来加工带图案硅片或在带图案硅片上形成特征的方法，包括：
a.利用具有1-1000ps脉冲宽度的第一脉冲激光束去除部分晶片表面层；以及
b.利用具有200-1100nm波长的第二脉冲激光束从晶片上去除表面层下面的部分体硅。
2.如权利要求1所述的方法，包括利用腐蚀处理去除晶片上的再沉积硅。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述第一脉冲激光束具有1000-1100nm的波长。
4.如上述任一项权利要求所述的方法，其中所述第二脉冲激光束由具有1-500ns脉冲宽度的调Q激光器产生。
5.如权利要求1-3之一所述的方法，其中所述第二脉冲激光束具有1-1000ps的脉冲宽度。
6.如权利要求2-5之一所述的方法，包括利用二氟化氙进行腐蚀。
7.如权利要求2-5之一所述的方法，包括湿法化学腐蚀。
8.如权利要求2-5之一所述的方法，包括干法化学腐蚀。
9.如权利要求2-8之一所述的方法，其中使用腐蚀处理来清除晶片表面和晶片经加工的壁中至少一个上的碎屑。
10.如上述任一项权利要求所述的方法，包括在晶片上形成互连的通孔或盲孔。
11.如权利要求1-9之一所述的方法，包括对晶片进行切割或划分处理。
12.一种被布置成用来加工带图案硅片或在带图案硅片上形成特征的装置，其包括：
a.第一激光器，被布置成提供具有1-1000ps脉冲宽度的第一脉冲激光束以便去除部分晶片表面层；
b.第二激光器，被布置成提供具有200-1100nm波长的第二脉冲激光束以便从晶片上去除表面层下面的部分体硅；和
c.用来将第一和第二激光束定位在晶片相同位置上的装置。
13.如权利要求12所述的装置，包括腐蚀装置以通过腐蚀去除晶片上的再沉积硅。
14.如权利要求12或13所述的装置，其中所述第一脉冲激光束具有1000-1100nm的波长。
15.如权利要求12-14之一所述的装置，其中所述第二激光器是具有1-500ns脉冲宽度的调Q激光器。
16.如权利要求12-14之一所述的装置，其中所述第二脉冲激光束具有1-1000ps的脉冲宽度。
17.如权利要求12-16之一所述的装置，包括对准装置，以便将第一和第二激光束的路径同轴对准，以定位在晶片的相同位置上。
18.如权利要求13-17之一所述的装置，其中所述腐蚀装置被布置成利用二氟化氙进行腐蚀。
19.如权利要求13-17之一所述的装置，其中所述腐蚀装置被布置成提供湿法化学腐蚀。
20.如权利要求13-17之一所述的装置，其中所述腐蚀装置被布置成提供干法化学腐蚀。
21.如权利要求13-20之一所述的装置，其中所述腐蚀装置被布置成提供湿法化学腐蚀以清除晶片表面和晶片经加工的壁上的碎屑。
22.如权利要求12-21之一所述的装置，其被布置成在晶片上形成互连的通孔或盲孔。
23.如权利要求12-21之一所述的装置，其被布置成切割或划分晶片。
24.如权利要求12-23之一所述的装置，包括同步装置，其被布置成使脉冲从第一和第二激光器按顺序发射，以便以预定顺序将各激光器的脉冲传送到晶片上。
25.如权利要求12-24之一所述的装置，包括机器视觉系统，其被布置成沿着激光束路径成像，以易于实现晶片和第一、第二激光束之间的相对位置。
26.如权利要求12-25之一所述的装置，包括转换装置，以便在第一激光器和第二激光器之间转换控制脉冲。
27.如权利要求26所述的装置，其中所述转换装置被布置成，在接收到由所述转换装置接收到的一串控制脉冲中的触发脉冲之后，即在第一激光器与第二激光器之间转换输出控制脉冲。
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