CN102738066A - 形成硅通孔开口的方法 - Google Patents
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Abstract
一种形成硅通孔(TSV)开口的方法包括穿过衬底形成TSV开口。利用第一化学产品去除在该TSV开口的侧壁上的衬底材料的重铸物。利用第二化学产品基本上去除第一化学产品的残留物来清洁TSV开口的侧壁。
Description
技术领域
本发明大体上涉及的是半导体领域，并且具体地涉及形成硅通孔的方法。
背景技术
自从发明了集成电路，由于各种电子组件(即，晶体管、二极管、电阻器、电容器等)的集成密度不断提高，半导体工业经历了持续的成长。很大程度上，集成密度的提高源于再三地减小最小的部件尺寸，从而允许在所给定的区域中集成更多的组件。
在实质上，这种集成的改进基本上是二维的(2D)，其中，集成组件所占用的体积基本上都处在半导体晶圆的表面上。虽然光刻技术的巨大进步使2D的集成电路的形成产生了相当大的进步，但对二维上可实现的密度而言仍存在物理性限制。这些限制中的其中一个便是制造这些组件所需的最小尺寸。同时，当更多器件被装入到一个芯片中时，需要更为复杂的设计。
由此产生出三维的集成电路(3D IC)以解决上述限制。在传统的形成3D IC的工艺中形成两个晶圆，每个都包含集成电路。这些晶圆随后与对齐的器件结合在一起。深通孔形成用于互连该第一晶圆和第二晶圆上的器件。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一个方面，提供了一种形成硅通孔(TSV)开口的方法，所述方法包括：穿过衬底形成TSV开口；利用第一化学产品去除在TSV开口侧壁上的衬底材料的重铸物；以及利用第二化学产品基本上去除所述第一化学产品的残留物来清洁所述TSV开口的侧壁。
在该方法中，形成所述TSV开口包括：激光钻孔所述衬底，以形成穿过所述衬底的所述TSV开口，其中，所述激光钻孔工艺在所述TSV开口的所述侧壁上产生所述重铸物。
该方法进一步包括：在所述衬底的表面上形成介电层，其中，激光钻孔形成穿过所述介电层的所述TSV开口。
在该方法中，所述第一化学产品包括含卤素的化学产品，或者所述第一化学产品包括二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)和六氟化硫(SF6)中的至少一种。
在该方法中，所述第二化学产品包括基本上不与所述衬底材料反应的第一成分以及基本上与所述含卤素的化学产品的卤素成分反应的第二成分，所述第一成分选自由氦、氖、氩、氪、氙和氡构成的组，并且所述第二成分包括氢化物，所述第二化学产品包括二氢化氙(XeH2)，所述第二化学产品具有大约为3标况毫升每分(sccm)或更大的流量以及大约为按体积计20％或以上的XeH2浓度。
根据本发明的另一方面，提供了一种形成硅通孔(TSV)开口的方法，所述方法包括：激光钻孔所述衬底，以形成穿过所述衬底的TSV开口，其中，激光钻孔工艺在所述TSV开口的所述侧壁上产生衬底材料的重铸物；利用第一化学产品去除在所述TSV开口的侧壁上的重铸物，其中，第一化学产品包括含卤素的化学产品；以及利用第二化学产品基本上去除所述第一化学产品的残留物来清洁所述TSV开口的侧壁。
该方法进一步包括：在所述衬底的表面上形成介电层，其中，所述激光钻孔形成所述穿过所述介电层的TSV开口；或者所述第一化学产品包括二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)和六氟化硫(SF6)中的至少一种。
在该方法中，所述第二化学产品包括基本上不与所述衬底材料反应的第一成分以及基本上与所述含卤素的化学产品的卤素成分反应的第二成分，所述第一成分选自由氦、氖、氩、氪、氙和氡构成的组，并且所述第二成分包括氢化物，所述第二化学产品包括二氢化氙(XeH2)，所述第二化学产品具有大约为3标况毫升每分(sccm)或更大的流量以及大约为按体积计20％或以上的XeH2浓度。
根据本发明的又一方面，提供了一种形成硅通孔(TSV)开口的方法，所述方法包括：在含硅的衬底的表面上形成介电层；激光钻孔所述衬底和所述含硅的衬底，以形成穿过所述介电层和所述含硅的衬底的TSV开口，其中，所述激光钻孔工艺在所述TSV开口的所述侧壁上产生所述含硅的衬底的硅重铸物；利用含XeF2的气体去除在所述TSV开口的侧壁上的硅重铸物；以及利用含XeH2的气体基本上去除所述含XeF2的气体的残留物来清洁所述TSV开口的侧壁。
在该方法中，所述含XeH2的气体具有大约为3标况毫升每分(sccm)或更大的流量以及大约为按体积计20％或以上的XeH2浓度。
附图说明
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以理解本发明。应该注意的是，根据工业中的标准实践，各个部件没有被按比例绘制并且仅仅用于说明的目的。实际上，为了清楚地论述，各个部件的数量和尺寸可以被任意增加或减少。
图1是穿过衬底形成硅通孔(TSV)开口的示例性方法的流程图；
图2A-2D是在各个制造阶段在集成电路中形成TSV开口的示意性截面图。
具体实施方式
申请人已知的形成用于3D IC的TSC开口的方法使用了六氟化硅离子作为蚀刻剂。可以发现，该蚀刻工艺导致在TSV开口的侧壁上出现了贝壳状物。沉积在TSV开口的贝壳状侧壁上的衬里层或阻挡层/晶种层的阶梯状覆盖层被损坏。衬里层或阻挡层/晶种层的缺损的阶梯状覆盖层破坏了在TSV开口中形成的导电结构的电气特征。
另一种申请人已知的方法是使用激光消融来去除硅衬底的硅材料，形成TSV开口。然而，可以发现：硅颗粒和/或碎片掉落在TSV开口的表面和侧壁上导致侧壁表面像贝壳般粗糙。
可以理解的是，以下公开的内容提供了多种不同实施例或实例，用于实现本发明的不同部件。以下将描述组件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不旨在限制本发明。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复用于简化和清楚的目的，其本身并不表示所述各个实施例和/或配置之间的关系。另外，在下面的本公开内容中部件“位于”、“连接到”、“耦合到”另一个部件上而形成可以包括这些部件直接接触而形成，也可以包括额外部件介于这些部件之间使其不直接接触而形成的实施例。此外，在此可使用诸如“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…顶部”、“在…底部”等空间关系术语以及它们的派生词(例如，“水平地”，“垂直地”，“向上地”等)，来容易地描述本发明中一个部件与另一部件的关系。空间关系术语旨在覆盖包括有部件的装置的各种不同方位。
图1是形成穿过衬底的硅通孔(TSV)开口的示例性方法的流程图。图2A-2D是在各个制造阶段在集成电路中形成TSV开口的示意性截面图。应该理解的是，为了更好地理解本发明的理念，图1和图2A-2D被简化。因此，应该注意，在图1和图2A-2D的方法之前、之中和之后可以提供额外的工艺，并且仅在此简要地描述这些其他的工艺。
现参考图1，方法100可以包括穿过衬底形成TSV开口(方框110)。方法100可以包括利用第一化学产品去除TSV开口的侧壁上的衬底材料的重铸物(方框120)。方法100还可以包括在基本上去除残留的第一化学产品时利用第二化学产品清洁TSV开口的侧壁(方框130)。
例如，集成电路200可以包括如图2A所示的衬底201。在一些实施例中，集成电路200可以包括各种无源和有源的微电子器件(未示出)诸如，电阻器、电容器、电感器、二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、互补MOS晶体管、双极型结式晶体管(BJT)、横向扩散式MOS(LDMOS)晶体管、高功率MOS晶体管、FinFET晶体管、其他类型的晶体管和/或其任意组合。在其他实施例中，集成电路200被用于发光二极管(LED)。
在一些实施例中，衬底201可以包括元素半导体，该元素半导体包括晶体、多晶体或非结晶结构的硅或锗；包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟的化合物半导体；包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP的合金半导体；任意其他适当的材料；或其组合。在至少一个实施例中，该合金半导体衬底可以具有渐变的SiGe部件，其中，从该渐变的SiGe部件的一个位置到另外一个位置上，Si和Ge成分从一个比例变化成另外一个比例。在另外的实施例中，合金SiGe形成在硅衬底上。在另外的实施例中，SiGe衬底是应变的。另外，该半导体衬底可以是绝缘体上半导体诸如，绝缘体上硅(SOI)或薄膜晶体管(TFT)。在一些实例中，该半导体衬底可以包括掺杂的外延(epi)层或埋层。在其他实施例中，化合物半导体衬底具有多层结构或该衬底包括多层的化合物半导体结构。
参考图2A，在一些实施例中，可以将介电层205形成在衬底201的表面201a上。在其他实施例中，可以与衬底201的另一个表面201b相邻地形成介电层203。介电层203和介电层205均可以包括至少一种材料，诸如，氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、碳氧氮化硅、其他介电材料和/或其任意组合。介电层205和介电层203可以分别阻止表面201a和表面201b被下面结合图2C所述的去除工艺220中的化学产品起反应。
在一些实施例中，方法100可选地包括：在每个介电层203和/或205上涂布水溶性层(未示出)。该水溶性层被提供用于阻止从下面结合图2B所述的钻孔工艺中产生的颗粒掉落到该介电层203和介电层205上。
参考图2B，方法100可以形成穿过衬底201的TSV开口215。在一些包括介电层203和/或介电层205的实施例中，该TSV开口215也穿过该介电层203和/或介电层205形成。可以通过例如，激光钻孔、机械钻孔、化学蚀刻工艺或任意其他的钻孔工艺形成该TSV开口215。在一些通过激光钻孔210形成TSV开口215的实施例中，该激光钻孔210可以使用波长大约为355纳米(nm)或波长更短的激光。该激光源可以是掺杂有钕的钇铝石榴石(Nd；YAG)激光源。激光钻孔210的源功率可以大约为10.8瓦(Watt)以上。激光钻孔210可以具有大约为100KHz的重复频率以及在大约20ns至大约75ns范围内的脉冲持续时间。在一些实施例中，激光钻孔210被称作激光消融。
在一些通过激光钻孔210形成TSV开口215的实施例中，可以如图2B所示，在TSV开口215的每个侧壁上形成重铸物。在激光钻孔210的过程中，激光的能量融化了衬底210的材料例如，硅。融化的硅然后被冷却，从而转变成非晶硅重铸物213。在侧壁上具有重铸物213的TSV开口215造成沙漏状的和/或粗糙的侧壁表面。
参考图2C，方法100可以包括去除工艺220，以利用化学产品去除TSV开口215的侧壁上的衬底201材料的重铸物213。在一些实施例中，该化学产品可以包括含卤素的化学产品，例如，二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)、六氟化硫(SF6)、其他的含卤素的化学产品和/或其任意的组合。含卤素的化学产品被提供用于使重铸物213起反应，从而基本上去除该重铸物213，以使TSV开口215的侧壁215a变平滑。在一些使用XeF2的实施例中，该去除工艺220可以具有大约22标况毫升每分(sccm)的流量，大约为120秒或更长的处理时间以及大约为35℃或更高的处理温度。
虽然示出的是在不同的步骤中实施激光钻孔210和去除工艺230，但是本申请的范围不限于此。在一些实施例中，可以在激光钻孔工艺过程中供应去除工艺230的去除气体。
如上面结合图2A所述，方法100可选地包括在介电层203和/或介电层205上涂布水溶性层(未示出)。可以注意到，由激光钻孔210产生的颗粒和/或碎屑溅射到该水溶性层上。至少在该实施例中，方法100可以包括利用去离子水(DI water)去除水溶性层的工艺，从而去除水溶性层上的颗粒和/或碎屑。
在一些实施例中，如图2C所示，在去除工艺220之中和/或之后，在TSV开口215的侧壁215a上留有至少一种残留物例如，残留物223。参考图2D，方法100可以包括清洁工艺230，以利用化学产品通过基本上去除残留物223(图2C所示)来清洁TSV开口215的侧壁215a。例如，残留物223可以是含卤素的残留物。在一些实施例中，清洁工艺230的化学产品可以包括基本上不与衬底201的材料反应的第一成分以及基本上与含卤素的化学产品的卤素成分反应的第二成分。在其他实施例中，第一成分选自由氦、氖、氩、氪、氙和氡构成的组。第二成分包括氢化物。
例如，去除工艺220的化学产品包括XeF2。清洁工艺230的化学产品包括二氢化氙(XeH2)。XeH2的氙成分基本上不与衬底210的材料反应。XeH2的氢化物成分(H+)基本上与XeF2的氟化物成分(F+)相互作用。XeH2的氢化物成分(H+)有效地与XeF2的氟化物成分(F+)反应，以形成在清洁工艺230中容易被带走的氟化氢(HF)。在一些实施例中，清洁工艺230的化学产品具有大约为3标况毫升每分(sccm)或更大的流量以及大约为按体积计20％或更大的XeH2浓度。
在一些实施例中，在清洁工艺230之后，可以在TSV开口215中形成导电结构(未示出)。在一些实施例中，该导电结构可以包括例如，阻挡材料(例如，钛、氮化钛、钽、氮化钽、其他的阻挡材料和/或其组合)、导电材料(铝、铜、铜铝、多晶硅、其他导电材料和/或其组合)、适合用于形成导电结构的其他材料和/或其任意的组合。
在本申请的实施例中，形成硅通孔(TSV)开口的方法包括穿过衬底形成TSV开口。利用第一化学产品去除在TSV开口的侧壁上的衬底材料的重铸物。利用第二化学产品通过基本上去除第一化学产品的残留物来清洁TSV开口的侧壁。
上面论述了若干实施例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或更改其他用于达到与这里所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。
Claims (10)
1.一种形成硅通孔(TSV)开口的方法，所述方法包括：
穿过衬底形成TSV开口；
利用第一化学产品去除在TSV开口侧壁上的衬底材料的重铸物；以及
利用第二化学产品基本上去除所述第一化学产品的残留物来清洁所述TSV开口的侧壁。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述TSV开口包括：
激光钻孔所述衬底，以形成穿过所述衬底的所述TSV开口，其中，所述激光钻孔工艺在所述TSV开口的所述侧壁上产生所述重铸物。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
在所述衬底的表面上形成介电层，其中，激光钻孔形成穿过所述介电层的所述TSV开口。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一化学产品包括含卤素的化学产品，或者所述第一化学产品包括二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)和六氟化硫(SF6)中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二化学产品包括基本上不与所述衬底材料反应的第一成分以及基本上与所述含卤素的化学产品的卤素成分反应的第二成分，所述第一成分选自由氦、氖、氩、氪、氙和氡构成的组，并且所述第二成分包括氢化物，所述第二化学产品包括二氢化氙(XeH2)所述第二化学产品具有大约为3标况毫升每分(sccm)或更大的流量以及大约为按体积计20％或以上的XeH2浓度。
6.一种形成硅通孔(TSV)开口的方法，所述方法包括：
激光钻孔所述衬底，以形成穿过所述衬底的TSV开口，其中，激光钻孔工艺在所述TSV开口的所述侧壁上产生衬底材料的重铸物；
利用第一化学产品去除在所述TSV开口的侧壁上的重铸物，其中，第一化学产品包括含卤素的化学产品；以及
利用第二化学产品基本上去除所述第一化学产品的残留物来清洁所述TSV开口的侧壁。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
在所述衬底的表面上形成介电层，其中，所述激光钻孔形成所述穿过所述介电层的TSV开口；或者
所述第一化学产品包括二氟化氙(XeF2)、四氟化硫(SF4)和六氟化硫(SF6)中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二化学产品包括基本上不与所述衬底材料反应的第一成分以及基本上与所述含卤素的化学产品的卤素成分反应的第二成分，所述第一成分选自由氦、氖、氩、氪、氙和氡构成的组，并且所述第二成分包括氢化物，所述第二化学产品包括二氢化氙(XeH2)，所述第二化学产品具有大约为3标况毫升每分(sccm)或更大的流量以及大约为按体积计20％或以上的XeH2浓度。
9.一种形成硅通孔(TSV)开口的方法，所述方法包括：
在含硅的衬底的表面上形成介电层；
激光钻孔所述衬底和所述含硅的衬底，以形成穿过所述介电层和所述含硅的衬底的TSV开口，其中，所述激光钻孔工艺在所述TSV开口的所述侧壁上产生所述含硅的衬底的硅重铸物；
利用含XeF2的气体去除在所述TSV开口的侧壁上的硅重铸物；以及
利用含XeH2的气体基本上去除所述含XeF2的气体的残留物来清洁所述TSV开口的侧壁。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述含XeH2的气体具有大约为3标况毫升每分(sccm)或更大的流量以及大约为按体积计20％或以上的XeH2浓度。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150911 Address after: Hsinchu, Taiwan, China Patentee after: TAIWAN SEMICONDUCTOR MANUFACTURING CO., LTD. Address before: Hsinchu, Taiwan, China Patentee before: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20151231 Address after: Taiwan, China Hsinchu Science Park Road, No. five, No. 5 Patentee after: Jingyuan Optoelectronics Co., Ltd. Address before: Hsinchu, Taiwan, China Patentee before: TAIWAN SEMICONDUCTOR MANUFACTURING CO., LTD. |