CN104465445B - 一种硅通孔底部衬垫露出的检测方法 - Google Patents

一种硅通孔底部衬垫露出的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅通孔底部衬垫露出的检测方法，包括步骤：（1）提供带有硅通孔结构的晶圆，对硅通孔底部沉积有绝缘层的衬垫进行刻蚀露出衬垫表面；（2）采用金属溶液对衬垫进行表面染色处理或对衬垫表面直接氧化处理使衬垫进行表面改性；（3）对表面改性处理后的衬垫采用光学仪器检测衬垫的颜色变化或是X射线衍射仪检测是否有新的金属元素；（4）表面改性处理后的衬垫在光学仪器检测下颜色由亮白色变红或变暗，判断绝缘层去除完全；X射线衍射仪检测有新的金属元素出现判断绝缘层去除完全；（5）若绝缘层未完全去除重复上述步骤直至去除完全。本发明检测方法简单，检测速度快且成本较低，操作方便准确度高。

Description

一种硅通孔底部衬垫露出的检测方法
技术领域
本发明涉及一种硅通孔底部衬垫露出的检测方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术
随着半导体技术的发展，集成电路的特征尺寸不断缩小，器件互连密度不断提高。同时用户对高性能、低功耗的要求不断提高。而传统的二维小型化策略已经达到了性能、功能多样性和制造成本的极限，其正在逐渐被三维半导体集成技术所取代。
在各种三维集成技术中，基于硅通孔垂直互连的叠层封装方式以其短距离互连和高密度集成的关键技术优势，引领三维封装技术发展的趋势。硅通孔技术包括如下的关键工艺：通孔蚀刻，制作绝缘层，通孔填充，芯片减薄与堆叠等。其中制作绝缘层是不可被忽视的一步，这直接影响了硅通孔的互联特性。氧化硅、氮化硅等都是半导体工艺中最常用的绝缘材料，传统的绝缘层制作一般是利用PECVD的方式在通孔内直接沉积绝缘材料，这样本来应该用作互联的衬垫金属也被绝缘层覆盖住，因此必须应用后续工艺对其表面进行绝缘层移除。
在衬垫表面绝缘层移除的时候还需要考虑到前面硅通孔的工艺，通常硅通孔的刻蚀工艺分两种情况：1）硅通孔的刻蚀直接刻蚀到衬垫表面，即通过一步或者多步刻蚀直接打通背部硅层和前面的IMD氧化层，刻蚀停在衬垫表面，这种刻蚀工艺因为要穿过的材料比较复杂，因此对工艺的要求较高；2）还有一种刻蚀工艺是只刻蚀硅，刻蚀最后停在衬垫上面IMD氧化层上，那么在硅通孔再沉积一层绝缘层后，硅通孔底部衬垫上面的绝缘层厚度就会增加，就要相应调整后续刻蚀方法和程式，这种刻蚀工艺对前面硅通孔的刻蚀要求降低了，但是因为后续沉积绝缘层后，衬垫表面既有绝缘层又有IMD氧化层，这样就增加了后续衬垫表面绝缘层刻蚀的难度；
现有技术中对衬垫表面绝缘层的移除用主要采用干法蚀刻，但因为氧化硅之类的绝缘层材料本身就是透明的，在光学显微镜下能够被光线透过，因此采用光学显微镜无法准确判断该绝缘层是否被完全移除，并且硅通孔直径很小，通常在1~100um之间，深度在10~400um之间，光学厚度测量设备无法对孔底进行直接的测试。目前，若采用扫描电镜，对孔底进行监控，资金投入较高，速度较慢；另一种方式就是直接切片，但该种方法破坏了晶圆，不能进行量产作业。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供了一种方法简单、成本较低检测速度快且准确度高的硅通孔底部衬垫露出的检测方法。
本发明采用如下技术方案：一种硅通孔底部衬垫露出的检测方法，包括如下步骤：
（1）提供带有硅通孔结构的晶圆，对硅通孔底部沉积有绝缘层的衬垫进行刻蚀露出衬垫表面；
（2）采用金属溶液对衬垫进行表面染色处理或对衬垫表面直接氧化处理使衬垫进行表面改性；
（3）对表面改性处理后的衬垫采用光学仪器检测衬垫的颜色变化或是X射线衍射仪检测是否有新的金属元素；
（4）表面改性处理后的衬垫在光学仪器检测下颜色由亮白色变红或变暗，判断绝缘层去除完全；X射线衍射仪检测有新的金属元素出现判断绝缘层去除完全；
（5）若绝缘层未完全去除重复上述步骤直至去除完全。
进一步的，所述衬垫中的金属为铝、铜、锡、铟或银。
进一步的，所述刻蚀为直接刻蚀或光阻涂布、曝光、显影后的刻蚀。
进一步的，所述绝缘层为氧化物、氮化物、碳化物或氮氧化物形成的薄膜。
进一步的，所述硅通孔为圆形、方形、倒梯形或倒锥形。
进一步的，所述光阻涂布包括喷胶、旋涂光阻和干膜直接贴附。
进一步的，所述金属溶液为硫酸铜溶液、氯化铜溶液、硝酸铜溶液、镀镍溶液、硝酸银溶液或碱式碳酸铜的氨溶液。
进一步的，衬垫表面直接氧化处理时采用含有氧离子、氮离子、碳离子的等离子体处理5-30min。
进一步的，所述绝缘层的厚度为1-5μm。
本发明通过简单的化学或者物理方式对硅通孔底部衬垫或者晶圆表面的绝缘层进行表面改性，然后利用光学显微镜等较简单的设备对比改性前后衬垫表面的变化就能判断衬垫表面是否还有绝缘层残留，该种方法工艺简单且成本较低，操作方便准确度高。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一：
一种带有圆形硅通孔结构的晶圆，硅通孔底部的衬垫上沉积有1-5um的二氧化硅材质的绝缘层，通过直接刻蚀的方法露出衬垫表面，衬垫为铝金属，在室温条件下，将晶圆置于质量浓度为1%-30%的硫酸铜溶液中上下浮动5-30min，在频率为200kHz超声震荡5min，取出晶圆，离子水冲洗2-3次，在温度180℃下烘干后置于光学显微镜下拍图，与处理前的衬垫图片比较，处理前的衬垫表面在光学显微镜下为亮白色，当处理后的衬垫图片反光系数减小，表面变为红色或者变暗时，则证明硅通孔底部的绝缘层已经完全移除；若反光系数变化很小或者没有变化，则证明硅通孔底部绝缘层未去除完全，则需要进行重复蚀刻。检测时采用X射线衍射仪检测，若检测到硅通孔底部的衬垫上出现铜元素，即可证明绝缘层已移除，若衬垫上无铜元素出现重复刻蚀工艺步骤；
实施例二：
一种带有方形硅通孔结构的晶圆，硅通孔底部的衬垫上沉积有1-5um的氮化硅材质的绝缘层，通过旋涂光阻、曝光、显影后进行刻蚀露出衬垫表面，衬垫为铝金属，在25-90℃条件下，将晶圆置于镀镍溶液中上下浮动5-30min，频率为200kHz超声震荡50min，取出晶圆，去离子水冲洗2-3次，在温度180℃下烘干后置于光学显微镜下拍图，与处理前的衬垫图片比较，处理前的衬垫表面在光学显微镜下为亮白色，当处理后的衬垫图片反光系数减小，表面变暗，即证明硅通孔底部绝缘层已经被移除，若反光系数变化很小或者没有变化，则证明硅通孔底部绝缘层未完全移除，则需要进行重复蚀刻的流程。采用X射线衍射仪检测时，若硅通孔底部衬垫上出现镍元素，则证明绝缘层移除成功，若衬垫上无镊元素出现重复刻蚀工艺步骤。
实施例三：
一种带有倒梯形硅通孔结构的晶圆，硅通孔底部的衬垫上沉积有1-5um的碳化硅材质的绝缘层，通过喷胶、曝光、显影后进行刻蚀露出衬垫表面，衬垫为铝金属，将晶圆置于含有氧离子的等离子体中5-30min，取出样品，与未处理的衬垫图片进行比较，未处理的衬垫表面在光学显微镜下显示亮白色，当处理后图片反光系数减小，表面变暗，则证明硅通孔底部绝缘层已经被成功移除，如果反光系数变化很小或者没有变化，则证明硅通孔底部绝缘层没有完全移除，或者蚀刻力度不够，则需要进行重复蚀刻的流程。采用SEM观察衬垫表面，若衬垫表面粗糙度增大，则说明绝缘层已被移除完全，若衬垫表面粗糙度不变，则需要重复蚀刻的流程。
实施例四：
一种带有圆形硅通孔结构的晶圆，硅通孔底部的衬垫上沉积有1-5um氮化物材料的绝缘层，通过直接刻蚀的方法露出衬垫表面，衬垫为铜金属，在室温条件下，将晶圆置于40g/L的碱式碳酸铜的氨溶液中进行染色，在溶液中上下浮动5-30min，然后取出晶圆，去离子水冲洗2-3次，在温度180℃下烘干后置于光学显微镜下拍图，与未处理的衬垫图片进行比较，未处理的衬垫表面在光学显微镜下显示亮白色，若处理过的衬垫图片颜色显示染料颜色或变暗，则证明硅通孔底部绝缘层已经完全移除，如果反光系数没有变化，则证明硅通孔底部绝缘层没有移除完全，或者蚀刻力度不够，则需要进行重复蚀刻的流程；
实施例五：
一种带有倒锥形硅通孔结构的晶圆，硅通孔底部的衬垫上沉积有1-5um二氧化硅材料的绝缘层，通过旋涂光阻、曝光、显影后进行刻蚀露出衬垫表面，衬垫为铜金属，将晶圆置于含有氧离子的等离子体中5-30min，取出晶圆，与未处理的衬垫图片进行比较，未处理的衬垫表面在光学显微镜下显示红色或者暗红色，如果处理过的衬垫图片反光系数减小，表面变暗，则证明硅通孔底部绝缘层已经被完全移除，如果反光系数变化很小或者没有变化，则证明硅通孔底部绝缘层没有完全移除，或者蚀刻力度不够，则需要进行重复蚀刻的流程；
实施例六：
一种带有方形硅通孔结构的晶圆，硅通孔底部的衬垫上沉积有1-5um二氧化硅材料的绝缘层，通过喷胶、曝光、显影后进行刻蚀露出衬垫表面，衬垫为铜金属，在25-90℃温度条件下，将晶圆置于质量浓度为0.1%-10%的硝酸银溶液中上下浮动5-30min，在20kHz超声震荡30min，取出晶圆，去离子水冲洗2-3次，在温度180℃下烘干后置于光学显微镜下拍图，然后跟未处理的衬垫图片进行比较，未处理的衬垫表面在光学显微镜下显示红色或者暗红色若处理过的衬垫图片反光系数增大，则证明硅通孔底部绝缘层已完全移除，如果反光系数变化很小或者没有变化，则证明硅通孔底部绝缘层没有完全移除，或者蚀刻力度不够，则需要进行重复蚀刻的流程。

Claims (7)

1.一种硅通孔底部衬垫露出的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）提供带有硅通孔结构的晶圆，对硅通孔底部沉积有绝缘层的衬垫进行刻蚀露出衬垫表面，
（2）采用金属溶液对衬垫进行表面染色处理或对衬垫表面直接氧化处理使衬垫进行表面改性；
（3）对表面改性处理后的衬垫采用光学仪器检测衬垫的颜色变化；
（4）表面改性处理后的衬垫在光学仪器检测下，
（4.1）当衬垫为铝金属，绝缘层为二氧化硅材质采用硫酸铜溶液染色处理，处理前的衬垫表面颜色为亮白色，处理后的衬垫表面颜色变红或变暗时判断绝缘层去除完全；
（4.2）当衬垫为铝金属，绝缘层为氮化硅材质采用镀镍溶液对衬垫进行表面染色处理，处理前衬垫的颜色为亮白色，处理后的衬垫表面颜色变暗时判断绝缘层去除完全；
（4.3）当衬垫为铝金属，绝缘层为碳化硅材质采用氧离子等离子体对衬垫表面直接氧化处理，处理前衬垫的颜色为亮白色，处理后的衬垫表面变暗时判断绝缘层去除完全；
（4.4）当衬垫为铜金属，绝缘层为氮化物材质采用碱式碳酸铜的氨溶液对衬垫表面染色处理，处理前衬垫的颜色为亮白色，处理后的衬垫颜色变暗时判断绝缘层去除完全；
（4.5）当衬垫为铜金属，绝缘层为二氧化硅材质采用氧离子的等离子体对衬垫表面直接氧化处理，处理前衬垫的颜色为红色或暗红色，处理后的衬垫表面颜色变暗时判断绝缘层去除完全；
（4.6）当衬垫为铜金属，绝缘层为二氧化硅材质采用硝酸银溶液对衬垫表面染色处理，处理前衬垫的颜色为红色或暗红色，处理后的衬垫颜色变亮白色时判断绝缘层去除完全；
（5）若绝缘层未完全去除重复上述步骤直至去除完全。
2.如权利要求1所述的硅通孔底部衬垫露出的检测方法，其特征在于：所述刻蚀为直接刻蚀或光阻涂布、曝光、显影后的刻蚀。
3.如权利要求1所述的硅通孔底部衬垫露出的检测方法，其特征在于：所述硅通孔为圆形、方形、倒梯形或倒锥形。
4.如权利要求2所述的硅通孔底部衬垫露出的检测方法，其特征在于：所述光阻涂布包括喷胶、旋涂光阻和干膜直接贴附。
5.如权利要求1所述的硅通孔底部衬垫露出的检测方法，其特征在于：所述金属溶液为硫酸铜溶液、镀镍溶液、硝酸银溶液或碱式碳酸铜的氨溶液。
6.如权利要求1所述的硅通孔底部衬垫露出的检测方法，其特征在于：所述对衬垫表面直接氧化处理时采用含有氧离子的等离子体处理5-30min。
7.如权利要求1所述的硅通孔底部衬垫露出的检测方法，其特征在于：所述绝缘层的厚度为1-5μm。
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