DE102012002129A1

DE102012002129A1 - Verfahren und vorrichtung zum freilegen von in einem halbleiter-substrat ausgebildeten durchkontaktierungen

Info

Publication number: DE102012002129A1
Application number: DE201210002129
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: HQ Dielectrics GmbH
Current assignee: HQ Dielectrics GmbH
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Verfahren zum Freilegen einer Vielzahl von Durchkontaktierungen (4), die in einem Substrat (3) aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium ausgebildeten sind, und die sich von einer ersten Seite (3b) des Substrats (3) in Richtung einer zweiten Seite (3a) desselben erstrecken, bei dem Halbleitermaterial von der zweiten Seite (3a) abgetragen wird, bis die Durchkontaktierungen (4) an der zweiten Seite freiliegen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – leiten einer Gasströmung (32) derart durch ein Mikrowellenplasma hindurch auf einen Teilbereich (62) der zweiten Seite (3a) des Substrats (3), dass durch das Plasma erzeugte Radikale in der Gasströmung einen Abtrag von Halbleitermaterial bewirken, wobei der Teilbereich (62), in dem die Gasströmung (32) auf das Substrat (3) auftrifft, weniger als 1/10 der Fläche der zweiten Seite (3a) abdeckt und wobei der Teilbereich (62) eine Vielzahl der metallischen Durchkontaktierungen (4) abdeckt; – Überstreichen der Gasströmung (32) über die zweite Seite (3a) des Substrats (3) durch eine Relativbewegung zwischen Substrat (3) und Gasströmung (32), um über die zweite Seite hinweg einen Abtrag von Halbleitermaterial vorzusehen, wobei die Gasströmung (32) Teilbereiche (62) des Substrats in denen eine Abtrag erfolgt, mehrfach überstreicht; – Richten eines ersten Strahlenbündels (54) auf die zweite Seite des Substrats (3) und detektieren eines zweiten, reflektierten Strahlenbündels (56), das durch Reflektion des ersten Strahlenbündels (54) an der entsprechenden Oberfläche des Substrats (3) entsteht, in einem Detektierbereich (64) auf der Oberfläche des Substrats (3), wobei in dem Detektierbereich (64) eine Vielzahl der Durchkontaktierungen (4) angeordnet ist, und wobei der Detektierbereich (64) die zweite Seite des Substrats (3) mit der Gasströmung (32) überstreicht; – Steuern einer durch die Gasströmung (32) erzeugten Abtragsrate des Halbleitermaterials im Teilbereich (62) anhand der Detektion des reflektierten Strahlenbündels (56).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freilegen einer Vielzahl von in einem Siliziumsubstrat ausgebildeten Durchkontaktierungen.
Unter dem Begriff einer Durchkontaktierung versteht man in der Halbleitertechnik eine sich meist vertikale durch ein Halbleitersubstrat erstreckende elektrische Verbindung aus Metall, die in der Regel wenigstens teilweise von einem isolierenden Mantel umgeben ist. Insbesondere ist es bekannt Durchkontaktierungen mit einem Kupferkern und einem Siliziumdioxidmaterial in einem Siliziumsubstrat auszubilden. Solche Durchkontaktierungen sind für eine Realisierung elektrischer Verbindungen zwischen Teilchips bei der 3D-Integration von integrierten Schaltkreisen vorteilhaft.
Bei einem 3D-integrierten Schaltkreis handelt es sich um einen integrierten Schaltkreis, der aus einem vertikalen Stapel von Einzelchips besteht, die über die Durchkontaktierungen miteinander verbunden sind. Ein solcher Schaltkreis erscheint nach außen wie ein monolithischer Schaltkreis, ist aber streng genommen ein Hybridschaltkreis. Durch die 3D-Integration kann eine höhere Funktionalität der Schaltkreise bei gleicher Gehäusegrundfläche erreicht werden. Die Durchkontaktierung dienen beispielsweise zum Verbinden einzelner Ebenen in dem 3D-integrierten Schaltkreis. In einem Substrat ausgebildete Durchkontaktierungen können jedoch auch zu anderen Zwecken eingesetzt werden, in denen eine elektrische Kontaktierung in unterschiedlichen Ebenen erforderlich ist.
Bei der Herstellung von Durchkontaktierungen wird üblicherweise zunächst in einem Substrat, beispielsweise aus Silizium, eine Vielzahl von Sacklöchern ausgehend in der Regel ausgehend von einer Vorderseite des Substrats ausgebildet. Die Sacklöcher werden anschließend üblicherweise mit einer isolierenden Schicht, beispielsweise aus Siliziumdioxid ausgekleidet. Die so ausgekleideten Sacklöcher werden nun mit einem metallischen Kern, wie beispielsweise aus Kupfer gefüllt. Es gibt jedoch auch Verfahren zur Herstellung von Durchkontaktierungen, wobei die Sacklöcher von der Rückseite des Substrats ausgehen.
Um die Durchkontaktierung zu vervollständigen, ist es zunächst notwendig, die Auskleidung und den Kern zur Rückseite des Substrats hin freizulegen. Abschließend wird dann auch wenigstens ein Teil der Auskleidung entfernt, um über den Kern eine entsprechende elektrische Leitung durch das Substrat hindurch vorzusehen. In der Regel ist in einem Substrat eine große Vielzahl von Durchkontaktierungen vorgesehen. So sind beispielsweise für Leistungsanwendungen 1 bis 2500 Durchkontaktierungen pro mm² üblich. Für logische Anwendungen kann die Anzahl noch wesentlich höher sein.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Freilegen der Durchkontaktierungen zur Rückseite eines Substrats. Hierzu wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Verfahren eingesetzt. In der nachfolgenden Beschreibung wird als Substrat ein Siliziumsubstrat genannt, das Durchkontaktierungen aus einer Siliziumdioxidauskleidung und einem Kupferkern aufweist. Für den Fachmann ergibt sich aber, dass das Substrat auch aus einem anderen Halbleitermaterial bestehen kann und die Auskleidung und der Kern der Durchkontaktierungen aus anderen geeigneten Materialien bestehen können.
So ist es beispielsweise bekannt, ein chemisch mechanisches Schleif- oder Polierverfahren einzusetzen, um eine Siliziumdeckschicht von der Rückseite eines Siliziumsubstrats abzutragen, in dem ausgehend von der Vorderseite eine Vielzahl von Durchkontaktierungen ausgebildet ist. Als Deckschicht ist hier die Siliziumschicht zwischen dem Boden der Durchkontaktierungen in den Sacklöchern und der Rückseite des Siliziumsubstrats gemeint. Diese Deckschicht kann fertigungsbedingt lokal unterschiedliche Dicken aufweisen. Ein solches Schleif- oder Polierverfahren kann eine hohe Siliziumabtragsrate vorsehen. Sofern es nicht rechtzeitig abgebrochen wird, besteht jedoch die Gefahr, dass auch die Durchkontaktierungen wenigstens teilweise abgetragen werden. Hierdurch ergibt sich die Gefahr eines unkontrollierten Verteilens des Kupfermaterials, wenn die Siliziumdioxidauskleidungen beschädigt werden. Dies ist jedoch in der Regel zu vermeiden, da es das Siliziummaterial verunreinigen würde.
Daher wird ein solches Schleif- oder Polierverfahren üblicherweise vor dem Erreichen der Durchkontaktierungen beendet. Darüber hinaus ist ein solches Polierverfahren in der Regel nicht in der Lage lokal unterschiedliche Dicken der Siliziumdeckschicht auszugleichen, sodass es zu einem ungleichmäßigen Freilegen der Durchkontaktierungen kommen würde. Vielmehr kann gerade auch das Schleif- oder Polierverfahren dazu führen, dass in unterschiedlichen Bereichen des Siliziumsubstrats lokal unterschiedlich dicke Deckschichten entstehen.
Um die Durchkontaktierungen zur Rückseite hin freizulegen, werden daher in der Regel nach einem Schleif- oder Polierverfahren Ätzverfahren eingesetzt, welche die Siliziumoberfläche ätzen, aber die Siliziumdioxidauskleidungen in der Regel nicht angreifen.
Bei einem bekannten Ätzverfahren wird beispielsweise ein induktiv gekoppeltes HF-Plasma verwendet, das benachbart zur abzutragenden Seite des Siliziumsubstrats Radikale erzeugt, welche Silizium ätzen. Üblicherweise werden hier Fluorradikale eingesetzt, die aus einem fluorhaltigen Gas in dem HF-Plasma erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist in der Lage, einen im Wesentlichen homogen Siliziumabtrag über das Substrat hinweg vorzusehen. Es ist jedoch nicht in der Lage, auf lokal unterschiedliche Dicken der Siliziumdeckschicht zu reagieren, sodass es lokal zu einem Unterätzen oder einem Überätzen der Siliziumdeckschicht kommen kann. Beim Unterätzen werden lokal nicht alle Durchkontaktierungen freigelegt, während beim Überätzen die Durchkontaktierungen zu weit freigelegt werden, wodurch zum Beispiel die mechanische Integrität des Siliziumsubstrats leiden kann. Im schlimmsten Fall des Überätzens könnte das Siliziumsubstrat lokal durchgeätzt werden. Beides kann die Verwendbarkeit des die Durchkontaktierungen enthaltenden Substrats für nachfolgende Prozesse erheblich beeinträchtigen. Gegebenenfalls kann schon ein ungleichmäßiges freilegen der Durchkontaktierungen die Verwendbarkeit des Substrats einschränken.
Bei einem weiteren Verfahren werden entfernt vom Siliziumsubstrat über ein Mikrowellenplasma Radikale erzeugt, die anschließend über einen Verteilerkopf gleichmäßig über die Vorderseite des Siliziumsubstrats verteilt werden, um die Siliziumdeckschicht abzutragen. Auch dieses Verfahren sieht einen im Wesentlichen homogenen Siliziumabtrag an der Vorderseite des Siliziumsubstrats vor. Lokal unterschiedliche Dicken der Siliziumdeckschicht können wiederum nicht berücksichtigt werden, was zu den oben genannten Problemen führen kann.
Bei einem weiteren Verfahren werden zwischen parallelen Platten Radikale über ein kapazitiv gekoppeltes HF-Plasma benachbart zur Substratoberfläche erzeugt. Auch bei diesem Verfahren wird über die Oberfläche des Substrats hinweg ein im Wesentlichen gleichmäßiger Siliziumabtrag vorgesehen. Bei einem solchen Ätzvorgang ist wiederum keine Kompensation hinsichtlich lokal unterschiedlicher Dicken der Siliziumdeckschicht möglich. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass dieses Ätzverfahren auch zu einem Abtrag der Siliziumdioxidauskleidung der Durchkontaktierungen führen kann. Daher ergeben sich neben den oben genannten Problemen ferner die Gefahr einer Kontamination des Siliziumsubstrats durch den Kupferkern, wenn die Siliziumdioxidauskleidung beschädigt wird.
Ein weiterer Ansatz verwendet eine Nassätzung der Vorderseite des Siliziumsubstrats mit einer Ätzflüssigkeit. Dieser Ansatz bietet im Wesentlichen die höchste Siliziumätzrate und auch eine ausreichende Selektivität hinsichtlich der Siliziumdioxidauskleidung. Es sieht jedoch wiederum einen im Wesentlichen gleichmäßigen Siliziumabtrag an der Rückseite des gesamten Siliziumsubstrats vor, sodass eine Kompensation von lokal unterschiedlichen Dicken der Siliziumdeckschicht nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Freilegen einer Vielzahl von in einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Durchkontaktierungen vorzusehen, das in der Lage ist, lokal unterschiedliche Dicken einer Deckschicht über das Halbleitersubstrat hinweg zu berücksichtigen, um die Durchkontaktierungen gleichmäßig freizulegen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 15 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Freilegen einer Vielzahl von Durchkontaktierungen, die in einem Substrat aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, ausgebildeten sind, und die sich von einer ersten Seite des Substrats in Richtung einer zweiten Seite desselben erstrecken, beschrieben, bei dem Halbleitermaterial von der zweiten Seite abgetragen wird, bis die Durchkontaktierungen an der zweiten Seite freiliegen. Bei dem Verfahren wird eine Gasströmung derart durch ein Mikrowellenplasma hindurch auf einen Teilbereich der zweiten Seite des Substrats geleitet, dass durch das Plasma erzeugte Radikale in der Gasströmung einen Abtrag von Halbleitermaterial bewirken, wobei der Teilbereich, in dem die Gasströmung auf das Substrat auftrifft, weniger als 1/10 der Fläche der zweiten Seite abdeckt und wobei der Teilbereich eine Vielzahl der metallischen Durchkontaktierungen abdeckt. Die Abtragsfläche ist dabei entsprechend der Gaußschen Verteilung derart definiert, dass der Abtrag innerhalb dieser Fläche 68% des Gesamtabtrages entspricht. Die Gasströmung wird über die zweite Seite des Substrats gestrichen durch eine Relativbewegung zwischen Substrat und Gasströmung, um über die zweite Seite hinweg einen Abtrag von Halbleitermaterial vorzusehen, wobei die Gasströmung Teilbereiche des Substrats, in denen ein Abtrag erfolgt, mehrfach überstreicht. Somit ist es möglich, großflächige Inhomogenitäten in der Dicke der abzutragenden Schicht zu kompensieren und eine gleichmäßige Dickenverteilung nach dem Abtrag zu erreichen. Zur Kontrolle des Abtrages bzw. der Freilegung der Durchkontaktierungen wird ein erstes Strahlenbündel (z. B. Laserstrahl) auf die zweite Seite des Substrats gerichtet und ein zweites, reflektiertes Strahlenbündel, das durch Reflektion des ersten Strahlenbündels an der entsprechenden Oberfläche des Substrats entsteht, in einem Detektierbereich auf der Oberfläche des Substrats detektiert, wobei in dem Detektierbereich eine Vielzahl der Durchkontaktierungen angeordnet ist, und wobei der Detektierbereich die zweite Seite des Substrats mit der Gasströmung überstreicht. Eine durch die Gasströmung erzeugte Abtragsrate des Halbleitermaterials in dem Teilbereich wird anhand der Detektion des reflektierten Strahlenbündels gesteuert. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht primär in dem Teilbereich in dem die Gasströmung auf das Substrat auftrifft einen lokalen Materialabtrag vor, der durch die Überstreichung Substratweit erfolgen kann. Über das Messen der Reflektion des ersten Strahlenbündels ergibt sich eine In-situ-Überwachung des lokalen Materialabtrags. Diese ermöglicht nun die Abtragsrate lokal zu steuern, um die Durchkontaktierungen gleichmäßig freizulegen. Dabei bezeichnet die Abtragsrate einen flächenmäßigen Materialabtrag bei einem Überstreichen der Gasströmung über die jeweilige Fläche. Durch das Verfahren ist es möglich, auf lokal unterschiedliche Dicken der Deckschicht, die Durchkontaktierungen abdeckt, anzusprechen. Das Verfahren ermöglicht einen lokal unterschiedlichen Materialabtrag, sodass über die zweite Seite hinweg ein im Wesentlichen gleichmäßiges Freilegen der Durchkontaktierungen möglich ist.
Für eine gute Steuerung der Abtragsrate liegt der Detektierbereich vorzugsweise innerhalb des Teilbereichs, oder in Überstreichrichtung des Teilbereichs vor diesem. Hierdurch kann sich auch ein leichter Aufbau für die Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens ergeben.
Bei einer Ausführungsform ist das auf die Substratoberfläche fallende erste Strahlenbündel ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserlichtstrahl, der eine gute Reflektion an der Substratoberfläche und eine gute Erkennbarkeit vorsieht. Vor der Detektierung des reflektierten Strahlenbündels kann dieses gefiltert werden, um beispielsweise nicht vom ersten Strahlenbündel stammende Strahlung zu unterdrücken.
Die Gasströmung kann direkt nach dem Durchgang durch das Mikrowellenplasma einen ersten Bereich aufweisen, in dem die Anzahl von Elektronen gegenüber Radikalen höher ist, und angrenzend an diesen ersten Bereich einen zweiten Bereich, in dem die Anzahl von Radikalen gegenüber Elektronen höher ist, wobei die Oberfläche des Substrats in dem zweiten Bereich liegt. Hierdurch kann die Substratoberfläche gezielt durch Radikale des Prozessgases abgetragen werden. Vorzugsweise wird die Gasströmung durch eine rohrförmige Plasmaelektrode hindurch, in der das Plasma ausgebildet wird, im Wesentlichen senkrecht auf die zweite Seite des Substrats geleitet.
Bei einer Ausführungsform wird die Relativbewegung zwischen Gasströmung und Substrat wenigstens teilweise durch eine Bewegung des Substrats in seiner Ebene erzeugt. Insbesondere wenn die Relativbewegung vollständig durch eine Bewegung des Substrats erzeugt wird, können die Gasströmung und die Strahlenbündel während des Verfahrens lokal unverändert bleiben. Die Bewegung kann eine Drehbewegung um eine Drehachse und wenigstens eine Bewegung senkrecht zur Drehachse des Substrats aufweisen, was insbesondere für das Überstreichen runder Substrate geeignet ist. Die Bewegung kann auch entlang wenigstens zwei zueinander abgewinkelter, vorzugsweise senkrecht zueinander stehender Bewegungsachsen erfolgen, was insbesondere für das Überstreichen von eckigen Substraten geeignet ist. Die Bewegung kann auch in Abhängigkeit der Substratform eine Kombination dieser Bewegungen umfassen.
Die Abtragsrate kann in vorteilhafter Weise wenigstens teilweise durch den Volumenstrom der Gasströmung und/oder ihre Zusammensetzung und/oder durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung gesteuert werden. Diese Parameter lassen eine rasche und effiziente Steuerung der Abtragsrate zu. Der lokale Abtrag kann optional auch durch den Mikrowelleneintrag in das Plasma und die Anzahl von Überstreichungen eines jeweiligen Teilbereichs des Substrats gesteuert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, vorgesehen wobei das Substrat eine Vielzahl von Durchkontaktierungen aufweist, die zunächst gemäß dem oben beschriebenen Verfahren in einer Behandlungsvorrichtung freigelegt werden und eine Oberfläche des Substrats anschließend in der selben Behandlungsvorrichtung gereinigt wird. Für die Reinigung wird einer Verunreinigungen entfernende Gasströmung durch ein Mikrowellenplasma hindurch auf einen Teilbereich der zweiten Seite des Substrats geleitet, wobei die Gasströmung direkt nach dem Durchgang durch das Plasma einen ersten Bereich aufweist, in dem die Anzahl von Elektronen gegenüber Radikalen höher ist, wobei die zweite Seite des Substrats in dem ersten Bereich liegt, und wobei der Teilbereich in dem die Gasströmung auf das Substrat auftrifft weniger als 1/10 der Fläche der zweiten Seite abdeckt. Anschließend wird die Gasströmung über die zweite Seite des Siliziumsubstrats hinweg bewegt durch eine Relativbewegung zwischen Substrat und Gasströmung, um über die zweite Seite hinweg eine Reinigung vorzusehen. Vorzugsweise weisen die Verunreinigungen Fluor auf, und die Verunreinigungen entfernende Gasströmung enthält Wasserstoff. Hierdurch können in-situ gezielt durch den vorherigen Materialabtrag entstehende Verunreinigungen entfernt werden.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Oxidieren oder Nitridieren einer Oberfläche eines Substrats aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, vorgesehen, wobei das Substrat eine Vielzahl von Durchkontaktierungen aufweist, die zunächst gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren in einer Behandlungsvorrichtung freigelegt werden und eine die Oberfläche des Substrats optional gemäß dem obigen Verfahren gereinigt wird. Anschließend wird zum Oxidieren oder Nitridieren der Substratoberfläche in derselben Behandlungsvorrichtung eine sauerstoff- oder stickstoffhaltigen Gasströmung durch ein Mikrowellenplasma hindurch auf einen Teilbereich der zweiten Seite des Substrats geleitet, wobei die Gasströmung direkt nach dem Durchgang durch das Plasma einen ersten Bereich aufweist, in dem die Anzahl von Elektronen gegenüber Radikalen höher ist und angrenzend an diesen ersten Bereich einen zweiten Bereich, in dem die Anzahl von Radikalen gegenüber Elektronen höher ist, wobei die zweite Seite des Substrats in dem ersten Bereich liegt, und wobei der Teilbereich in dem die Gasströmung auf das Substrat auftrifft weniger als 1/10 der Fläche der zweiten Seite abdeckt. Die Gasströmung wird über die zweite Seite des Substrats hinweg bewegt durch eine Relativbewegung zwischen Substrat und Gasströmung, um über die zweite Seite hinweg ein Oxidieren oder Nitridieren der Halbleiteroberfläche des Substrats zu bewirken. Insbesondere kann das sauerstoff- oder stickstoffhaltige Gas darüberhinaus auch noch Wasserstoff enthalten. Hierdurch kann verhindert werden, dass eventuell zuvor freigelegte Kontakte nicht oxidiert bzw. nitridiert werden. Dieses Verfahren erlaubt in-situ direkt im Anschluss an ein Freilegen von Durchkotaktierungen die gezielte Ausbildung einer Oxid-/Nitirdschicht an der Oberfläche des Substrats.
Bei dem Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn zu einem Zeitpunkt des Oxidierens oder Nitridierens der Oberfläche des Substrats eine sauerstoff- oder stickstoffhaltige Gasströmung derart durch das Mikrowelienplasma hindurch auf einen Teilbereich der zweiten Seite des Substrats geleitet wird, dass die zweite Seite des Substrats in dem zweiten Bereich des Gasströmung liegt, und die Gasströmung dann über die zweite Seite des Substrats hinweg bewegt wird. Durch die Positionierung der Oberfläche des Substrats in dem zweiten Bereich der Gasströmung kann ein unterschiedlicher Reaktionsmechanismus für das Oxidieren oder Nitridieren der Oberfläche eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Freilegen einer Vielzahl von Durchkontaktierungen, die in einem Substrat aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium ausgebildet sind und die sich von einer ersten Seite des Substrats in Richtung einer zweiten Seite desselben erstrecken weist folgendes auf: eine Prozesskammer, die einen Prozessraum umgibt, eine Substrataufnahme zur Aufnahme des Substrats derart, dass die zweite Seite von der Substrataufnahme weg weist, eine rohrförmige Mikrowellenelektrode, die ein geschlossenes und ein offenes Ende aufweist, wobei das offene Ende sich in den Prozessraum hinein öffnet, und wobei eine Längmittelsachse der Mikrowellenelektrode auf die Substrataufnahme gerichtet ist, wenigstens eine erste Gasversorgung, die mit dem geschlossenen Ende der Mikrowellenelektrode verbunden ist, um durch die Mikrowellenelektrode hindurch eine erste Gasströmung derart in den Prozessraum einleiten zu können, dass die Gasströmung in einem Teilbereich auf die zweite Seite eines auf der Substrataufnahme aufgenommenen Substrats auftrifft, wobei der Teilbereich eine Fläche aufweist, die kleiner als 1/10 der Oberfläche der zweiten Seite des Substrats ist, eine mit der Mikrowellenelektrode verbundene Mikrowellenquelle, die zum Erzeugen eines Plasmas in der Mikrowellenelektrode geeignet ist, Mikrowellen in die Mikrowellenelektrode einzuspeisen, wenigstens eine Bewegungseinheit, die geeignet ist die Substrataufnahme in ihrer Ebene derart zu bewegen, dass der Teilbereich im Wesentlichen die gesamte zweite Seite eines auf der Substrataufnahme aufgenommenen Substrats überstreichen kann, eine Sensoreinheit mit einem Sender und einem Detektor, wobei der Sender derart angeordnet ist, dass er in der Lage ist ein erstes Strahlenbündel auf einen Oberflächenbereich eines auf der Substrataufnahme aufgenommenen Substrats zu richten, und wobei der Detektor so angeordnet ist, dass er in der Lage ist wenigstens einen Teil eines zweiten, reflektierten Strahlenbündels, das durch Reflektion des ersten Strahlenbündels an der entsprechenden Oberfläche des Substrats entsteht, in einem Detektierbereich auf der Oberfläche des Substrats zu detektieren, und eine Steuereinheit zum Steuern der Gasströmung, der Mikrowellenquelle und/oder der Bewegungseinheit in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Detektors. Eine solche Vorrichtung ermöglicht auf einfache und vorteilhafte Weise die Durchführung wenigstens eines der oben beschriebenen Verfahren.
Vorzugsweise ist der Detektierbereich durch eine entsprechende Bewegung des Detektors und optional des Senders so einstellbar Ist, dass er innerhalb des Teilbereichs liegt, in dem die Gasströmung auf die Oberfläche des Substrats trifft, oder in einer Überstreichrichtung des Teilbereichs vor diesem.
Bei einer Ausführungsform ist der Sender des Typs, der als Strahlenbündel einen Lichtstrahl, insbesondere einen Laserlichtstrahl ausgibt. Es sind aber auch andere Strahlenbündel elektromagnetische Strahlung geeignet, deren Reflektion sich durch das Freilegen der Durchkontaktierungen verändert.
Die wenigstens eine Bewegungseinheit kann in der Lage sein die Substrataufnahme um eine Drehachse und in wenigstens eine Richtung senkrecht zur Drehachse und/oder wenigstens entlang zwei zueinander abgewinkelter, vorzugsweise senkrecht zueinander stehender Bewegungsachsen zu bewegen. Eine solche Bewegungseinheit ermöglicht unterschiedlichste Überstreichmuster, die in Abhängigkeit der Substratform gewählt werden können.
Bevorzugt ist die wenigstens eine Bewegungseinheit in der Lage, die Substrataufnahme im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Aufnahmeebene zu bewegen, um einen Abstand zum Ausgang der Mikrowellenelektrode einstellen zu können.
Für ein kontrolliertes Auftreffen der Gasströmung auf die Oberfläche des Substrats ist die Längsmittelachse der Mikrowellenelektrode im Wesentlichen senkrecht auf die Substrataufnahme gerichtet.
Die Steuereinheit ist zur Einstellung einer lokalen Abtragsrate vorzugsweise in der Lage, den Volumenstrom der Gasströmung und/oder ihre Zusammensetzung und/oder eine Geschwindigkeit, mit der die Bewegungseinheit die Substrataufnahme bewegt, zu steuern.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine Behandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
2a bis d schematische Teilschnittansichten durch ein eine Vielzahl von Durchkontaktierungen aufweisendes Substrat in unterschiedliche Stadien während des Freilegens der Durchkontaktierungen;
3 eine schematische Draufsicht auf ein Substrat während eines Behandlungsvorgangs in der in 1 gezeigten Behandlungsvorrichtung.
In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Begriffe, wie oben, unten, rechts und links beziehen sich auf die Darstellung in den Figuren und sind nicht einschränkend zu sehen, obwohl sie eine bevorzugte Ausrichtung darstellen können. Der Begriff im Wesentlichen soll bezogen auf Winkel eine Abweichung von maximal 10°, vorzugsweise maximal 5° umfassen, und bezogen auf sonstige Angaben eine Abweichung von maximal 10%, vorzugsweise maximal 5%.
1 zeigt eine schematische Behandlungsvorrichtung 1 für Halbleitersubstrate, insbesondere Siliziumsubstrate 3, die eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 4 aufweisen, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert wird. Übliche Siliziumsubstrate 3 für Leistungsanwendungen weisen beispielsweise eine Substratdicke von ungefähr 100 μm und Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von ungefähr 10 μm auf. Die Dichte der Durchkontaktierungen liegt bei Leistungsanwendungen üblicherweise im Bereich von 1 bis 2500 pro mm². Dabei bilden die freigelegten Durchkontaktierungen ungefähr bis zu 25% der Substratobenfläche 3a. Bei logischen Anwendungen besitzen die Substrate eine Dicke von ungefähr 50 μm und die Durchkontaktierungen (DK) üblicherweise einen Durchmesser von ungefähr 3 μm. Die Dichte der DK ist üblicherweise so gewählt, dass sie zwischen 30 bis 60% der Substratoberfläche 3a abdecken. Die obigen Werte sind natürlich nur beispielhaft zu sehen, um ein Beispiel für die Größenordnungen zu geben, die hier beachtet werden müssen.
Die Behandlungsvorrichtung 1 weist eine Prozesskammer 6 auf, die einen Prozessraum 7 bildet, sowie eine Plasmaeinheit 9, eine Sensoreinheit 11 und eine Absaugeinheit 13. Die Prozesskammer 6 weist eine umlaufende Seitenwand 15, eine Bodenwand 16 sowie eine Deckwand 17 auf, die gemeinsam den Prozessraum 7 umschließen. In der Seitenwand 15, die auch aus einzelnen Seitenwandelementen gebildet sein kann, ist in bekannter Weise eine Öffnung 19 vorgesehen, die durch einen Türmechanismus 20 geöffnet und verschlossen werden kann. In der Bodenwand 16 ist eine Auslassöffnung 22 ausgebildet, die, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, mit der Absaugeinheit 13 in Verbindung steht.
In der Deckwand 17 ist eine Plasmaöffnung 24 vorgesehen, die wie nachfolgend noch näher erläutert wird, mit der Plasmaeinheit 9 in Verbindung steht. Ferner sind in der Deckwand 17 zwei Sichtfenster 26, 27 ausgebildet, die mit der Sensoreinheit 11 zusammen arbeiten, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Die Sichtfenster 26, 27 bestehen aus einem für von der Sensoreinheit verwendete elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen transparenten Material, wie beispielsweise Saphirglas mit optionalem UV-Filter. Ansonsten bestehen die Wandelemente 15, 16, 17 der Prozesskammer aus irgendeinem geeigneten Material, das einerseits einen Ätzvorgang innerhalb des Prozessraums nicht negativ beeinflusst und andererseits durch diesen auch selbst nicht oder nicht wesentlich beeinflusst wird, wie beispielsweise Aluminium.
Innerhalb des Prozessraums 7 ist eine Substrataufnahme 30 angeordnet, die über eine nur schematisch dargestellte Bewegungseinheit 31 bewegbar ist. Die Substrataufnahme 30 ist ein im Wesentlichen plattenförmiges Element aus einem geeigneten, den Behandlungsvorgang innerhalb der Behandlungsvorrichtung 1 nicht beeinträchtigenden Material, wie beispielsweise Aluminium oder Quarzglas. Die Substrataufnahme 30 besitzt eine im Wesentlichen horizontal angeordnete, nach oben weisende ebene Auflagefläche, auf der ein Siliziumsubstrat 3, wie in 1 dargestellt ist, aufnehmbar ist. Natürlich kann ein Siliziumsubstrat 3 auch auf Auflageelementen der Substrataufnahme 30 aufgenommen werden.
Die Bewegungseinheit 31 weist eine Dreheinheit auf, die die Substrataufnahme trägt, und die geeignet ist die Substrataufnahme 30 um eine Drehachse zu drehen. Die Drehachse erstreckt sich senkrecht durch einen Mittelpunkt der Auflagefläche der Substrataufnahme 30 hindurch. Darüber hinaus weist die Bewegungseinheit 31 zwei erste Linearbewegungseinheiten auf, welche geeignet sind die Dreheinheit und somit die Substrataufnahme entlang zweier zueinander abgewinkelter, vorzugsweise senkrecht zueinander stehender Achsen zu bewegen. Diese Bewegung erfolgt im Wesentlichen parallel zur Ebene der Auflagefläche der Substrataufnahme. Gemäß 1 ermöglichen die Linearbewegungseinheiten eine Links-/Rechtsbewegung beziehungsweise eine Vor-/Rückbewegung, d. h. senkrecht zur Blattebene.
Die zuvor genannten Bewegungen dienen dazu, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, einen Gasstrom, der in 1 bei 32 dargestellt ist, über die nach oben weisende Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 zu bewegen. Die Dreheinheit in Kombination mit den Linearbewegungseinheiten ermöglichen unterschiedliche Überstreichungsmuster für den Gasstrom 32, die in Abhängigkeit von der Form des Siliziumsubstrats 3 gewählt werden können. Bei runden Substraten bietet sich zum Beispiel ein Überstreichen auf unterschiedlichen Kreisbahnen an (Kombination aus Dreh- und wenigstens einer Linearbewegung), während zum Beispiel eckige Substrate eher Mäanderförmig oder in parallelen Bahnen überstrichen werden (Kombination zweier Linearbewegungen). Je nach der Art, wie der Gasstrom 32 die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats überstreichen soll kann optional auf die Dreheinheit oder eine der Linearbewegungseinheiten verzichtet werden, wie der Fachmann erkennen kann.
Darüber hinaus kann die Bewegungseinheit 31 optional eine Hubeinheit aufweisen, die geeignet ist, die Substrataufnahme 30 in Vertikalrichtung, d. h. zur Deckwand 17 hin und von ihr weg zu bewegen. Eine solche Hubbewegung ist für die Einstellung unterschiedlicher Prozesse von Vorteil, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Wie zuvor erwähnt, steht die Plasmaeinheit 9 mit der Plasmaöffnung 24 in der Deckwand 17 der Prozesskammer 6 in Verbindung. Die Plasmaeinheit 9 wird im Wesentlichen aus einem Mikrowellengenerator 34, einer Mikrowellenleitung 36, sowie einer rohrförmigen Plasmaelektrode 38 gebildet. Von dem Mikrowellengenerator 34 erzeugte Mikrowellen werden über die Mikrowellenleitung 36 zu der rohrförmigen Plasmaelektrode 38 geleitet, um in dieser ein Plasma zu erzeugen. Die rohrförmige Plasmaelektrode 38 besitzt ein oberes, im Wesentlichen geschlossenes Ende mit einem Gaseinlass 40, der mit einer Gasversorgungseinheit 41 in Verbindung steht. Das untere Ende der rohrförmigen Plasmaelektrode 38 ist offen und steht mit der Plasmaöffnung 24 in der Deckwand 17 der Prozesskammer 6 in Verbindung. Die rohrförmige Plasmaelektrode 38 öffnet sich somit in Richtung des Prozessraums 7, wie in 1 gut zu erkennen ist. Die rohrförmige Plasmaelektrode 38 weist eine Längsmittelachse auf, die im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 auf der Substrataufnahme 30 gerichtet ist. Über die Gasversorgungseinheit 41 und den Gaseinlass 40 kann ein geeignetes Prozessgas, das zum Ätzen des Siliziumsubstrats 3 beispielsweise ein fluorhaltiges Gas ist, wie beispielsweise SF₆ oder CF₄ mit 20% Sauerstoff. Natürlich können, wie nachfolgend erläutert wird, über die Gasversorgungseinheit 41 und den Gaseinlass 40 auch andere Prozessgase durch die rohrförmige Plasmaelektrode 38 in den Prozessraum eingeleitet werden.
Wenn im Betrieb Mikrowellen vom Mikrowellengenerator 34 in die rohrförmige Plasmaelektrode 38 eingeleitet werden, entsteht innerhalb der rohrförmigen Plasmaelektrode 38 ein Plasma aus Prozessgas mit einer hohen Elektronenkonzentration direkt innerhalb der Plasmaelektrode und benachbart hierzu. Bei kontinuierlicher Einleitung des Prozessgases über die Gasversorgungseinheit 41 und den Gaseinlass 40 strömt ein Gasstrom 32 in den Prozessraum hinein, der wie in 1 dargestellt ist, schlussendlich auf das Siliziumsubstrat 3a auftrifft. Dieser Gasstrom 32 besitzt direkt im Ausgangsbereich der Plasmaelektrode 38 einen ersten Reaktionsbereich 42 sowie angrenzend hierzu einen zweiten Reaktionsbereich 44. Innerhalb des ersten Reaktionsbereichs 42 herrscht eine hohe Elektronenkonzentration, sodass die Anzahl von Elektronen die Anzahl von Radikalen des Prozessgases übersteigt. In dem zweiten Reaktionsbereich 44 herrschen jedoch primär Radikale des Prozessgases vor, da die Elektronenkonzentration aufgrund von Rekombination mit dem Abstand zur Plasmaquelle abnimmt.
Der Gasstrom 32 trifft beispielsweise als Strahl mit einem runden Querschnitt und einem Durchmesser von 3 bis 5 cm auf die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 auf. Siliziumsubstrat 3 kann beispielsweise ein rundes Substrat mit einem Durchmesser von 30 cm sein. Diese Werte sind natürlich nur beispielhaft zu sehen, sollen aber andeuten, dass der Gasstrom 32 zu jedem Zeitpunkt jeweils nur auf einem geringen Teilbereich des Siliziumsubstrats gerichtet ist. Dieser Teilbereich sollte weniger als 1/10 der Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 abdecken, um wie nachfolgend erläutert wird eine Kompensation für lokale unterschiede hinsichtlich der Dicke einer Siliziumdeckschicht vorsehen zu können. Dabei sollte der Teilbereich einen Bereich abdecken, der eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 4 abdeckt. Durch eine entsprechende Bewegung der Substrataufnahme 30 ist es möglich, die gesamte Oberfläche 3a oder zumindest alle gewünschten Oberflächenbereiche des Siliziumsubstrats mit dem Gasstrom 32 zu überstreichen.
Wenn der Gasstrom 32 im Reaktionsbereich 44 beispielsweise einen hohen Anteil von Fluorradikalen enthält, wie es bei Einleitung eines fluorhaltigen Gases der Fall wäre, würden diese selektiv die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 abtragen bzw. ätzen. Je nach dem eingeleiteten Prozessgas können aber in der Behandlungsvorrichtung 1 auch noch andere Prozesse unterstützt werden, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Sensoreinheit 11 weist einen Sender 50 sowie einen Detektor 52 auf. Der Sender 50 ist in der Lage ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel, insbesondere ein im Wesentlichen paralleles Lichtstrahlenbündel 54 auszusenden. Beispielsweise kann der Sender 50 ein Laser und das Strahlenbündel 54 Laserlicht sein. Das Strahlenbündel 54 ist durch das Sichtfenster 26 in der Deckwand 17 der Prozesskammer 6 auf einen Oberflächenbereich des Siliziumsubstrats 3 gerichtet. Das Strahlenbündel 54 wird an der Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 wenigstens teilweise derart reflektiert, dass sich ein Strahlenbündel 56 aus reflektierten Strahlen ergibt. Dabei ist der Einfallswinkel des Strahlenbündels 54 auf die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 derart gewählt, dass das Strahlenbündel 56 aus reflektierten Strahlen wenigstens teilweise durch das Sichtfenster 27 in der Deckwand 17 der Prozesskammer 6 austritt. Das Sichtfenster 27 ist wiederum im Wesentlichen für die Strahlung des Strahlenbündels 56 transparent. Der Detektor 52 ist derart angeordnet, dass er wenigstens einen Teilbereich des Strahlenbündels 56 empfangen und detektieren kann. Dabei weist der Detektor 52 beispielsweise eine Blende auf, die nur solche Strahlen des Strahlenbündels 56 hindurch lässt, die innerhalb eines definierten Detektierbereichs von der Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 reflektiert wird.
Der Detektierbereich kann, wie unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert wird, in demselben Bereich liegen, in dem die Strömung 32 auf die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 auftrifft, wie in 3 angedeutet ist. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf das Siliziumsubstrat 3 während einer Behandlung desselben. Das Siliziumsubstrat 3 ist über die Bewegungseinheit 31 um eine Mittelachse 60 herum drehbar, sowie in die dargestellte x- und/oder y-Richtung verschiebbar. Bei 62 ist der Teilbereich der Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 dargestellt, auf den die Gasströmung 32 auftrifft, und 64 zeigt den Detektierbereich des Detektors 52 an. Natürlich ist der Sender 50 derart ausgerichtet, dass das entsprechende Strahlenbündel 54 in den Detektierbereich 64 fällt, und diesen vorzugsweise vollständig abdeckt. Bei der Darstellung gemäß 3 liegt der Detektierbereich 64 innerhalb des Teilbereichs 62, in dem der Gasstrom 32 auf die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats auftrifft. Es ist allerdings auch möglich, den Detektierbereich 64 außerhalb des Teilbereichs 62 anzuordnen. Die Anordnung gemäß 3 ist aber besonders vorteilhaft, da der Detektierbereich 64 bezüglich des Teilbereichs 62 unabhängig von der Rotationsposition des Siliziumsubstrats sowie einer Verschiebung in x- und/oder y-Richtung gleich bleibt und somit immer eine lokale Überwachung des Behandlungsfortschritts ermöglicht, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Absaugeinheit 13 steht mit der Auslassöffnung 22 in der Bodenwand 16 der Prozesskammer 6 in Verbindung und ist irgendeiner geeigneten Bauart, um Prozessgas aus dem Prozessraum 7 abzusaugen.
Wie zuvor beschrieben ist die Behandlungsvorrichtung 1 zum Freilegen einer Vielzahl von in einem Siliziumsubstrat ausgebildeten metallischen Durchkontaktierungen geeignet. Der Betrieb der Behandlungsvorrichtung 1 während eines solchen Vorgangs wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Zunächst wird das Siliziumsubstrat 3 auf der Substrataufnahme 30 plaziert, und der Prozessraum 7 zur Umgebung hin verschlossen. Über die Plasmaelektrode 38 wird ein Prozessgas, wie beispielsweise SF₆ oder CF₄ mit einem 20% Sauerstoffanteil über die Plasmaelektrode 38 in dem Prozessraum 7 eingeleitet. In der Plasmaelektrode 38 wird ein Plasma aus dem Prozessgas erzeugt. Das Substrat 3 ist zunächst so positioniert, dass dessen Oberfläche 3a hinsichtlich eines aus der Plasmaelektrode 38 austretenden Gasstroms 32 im zweiten Reaktionsbereich 44 liegt, d. h. in dem Bereich, in dem Radikale innerhalb des Gasstroms 32 vorherrschen. Hierzu ist das Siliziumsubstrat 3 beispielsweise mit einem Abstand zwischen 10 und 60 cm zur Deckwand 17 angeordnet. Der Gasstrom 32 trifft in einem Teilsbereich 62 der Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 auf diese auf und im Gasstrom enthaltene Fluorradikale bewirken einen Siliziumabtrag in diesem Bereich.
Die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 ist so angeordnet, dass ein von dem Sender 50 ausgehendes Strahlenbündel 54 von der Substratoberfläche reflektiert wird und als Strahlenbündel 56 wenigstens teilweise in den Detektor 52 fällt. Hierbei wird ein Detektierbereich 64 auf der Substratoberfläche gebildet, wie in 3 dargestellt ist. Dieser Detektierbereich 64 liegt innerhalb des Teilsbereichs 62, in dem der Gasstrom 32 auf die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats geleitet wird.
Der Gasstrom 32 kann beispielsweise zunächst auf einen Mittelbereich des Siliziumsubstrats 3 gerichtet sein. Durch eine entsprechende Bewegung der Aufnahmeeinheit 30 überstreicht der Teilbereich 62, in dem der Gasstrom 32 auf die Substratoberfläche auftrifft, nacheinander alle Bereiche der Substratoberfläche 3a. In 3 ist eine Situation dargestellt, bei der das Siliziumsubstrat 3 gedreht und beispielsweise in y-Richtung verschoben wird, um alle Teilbereiche der Substratoberfläche zu überstreichen. Babel wird der Prozess so geregelt, dass jeder Teilbereich mehrfach überstrichen wird. Beispielsweise kann das Siliziumsubstrat 3 bei gleichbleibender x- und y-Position mehrfach um die Mittelachse 60 gedreht werden, bis innerhalb des Detektierbereichs 64 angezeigt wird, dass im Bereich des Drehkreises 66 die Durchkontaktierungen 4 vollständig freigelegt sind. Wie der Prozessfortschritt einer Ätzung überwacht wird, wird anhand der 2a bis d näher erläutert.
Dabei zeigen die 2a bis d Teilschnittansichten eines Siliziumsubstrats 3 mit einer Vielzahl von Durchkontaktierungen 4 während unterschiedlicher Prozessstufen. Die 2a bis d zeigt jeweils am Boden 3b des Siliziumsubstrats 3 eine Struktur 70, welche z. B. die elektronische Schaltung auf der Waferfrontseite darstellt, die mit den Durchkontaktierungen 4 in bekannter Art und Weise in Verbindung steht. Die Durchkontaktierungen 4 weisen jeweils einen metallischen Kern 72, sowie einen Mantel 74 auf, der zwischen Siliziumsubstrat 3 und Kern 72 angeordnet ist. Der Kern 72 kann beispielsweise aus Kupfer und der Mantel 74 aus Siliziumdioxid bestehen.
Das Siliziumsubstrat 3 besitzt zunächst eine Höhe, die höher ist als die der Durchkontaktierungen 4, so dass oberhalb der Durchkontaktierungen 4 eine Siliziumdeckschicht gebildet wird, die während eines Ätzvorgangs abgetragen werden soll. Das Siliziumsubstrat 3 besitzt zunächst eine raue Oberfläche 3a, die beispielsweise durch einen Schleif- oder Poliervorgang erzeugt wurde. Wenn ein Strahlenbündel 54 vom Sender 50 auf diese raue Oberfläche trifft, wird das Strahlenbündel 54 diffus reflektiert. Das reflektierte Strahlenbündel 56 erzeugt an dem Detektor 52 ein erstes Signal entsprechend der Intensität des reflektierten Lichtes, wie in dem Intensitätsdiagramm unterhalb der 2 angedeutet ist.
Wenn der Ätzvorgang durch Überstreichen des Gasstroms 32 über die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 fortfährt, wird zunächst eine glatte Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 erzeugt. Durch die glatte Oberfläche wird das Strahlenbündel 54 besser, d. h. weniger diffus an der Oberfläche des Siliziumsubstrats 3 reflektiert. Das reflektierte Strahlenbündel 56 erzeugt nun ein Signal am Detektor 52, dass eine höhere Intensität des reflektierten Lichtes anzeigt, wie in 2b und dem darunter liegenden Abschnitt des Intensitätsdiagramms dargestellt ist.
Bei einem weiteren Fortschritt des Ätzvorgangs wird die Siliziumdeckschicht des Siliziumsubstrats 3, d. h. der oberhalb der Durchkontaktierungen 4 liegende Bereich vollständig abgetragen, wie in 2c dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Strahlenbündel 54 sowohl an den Oberflächen des metallischen Kerns 72 als auch der zwischen den Durchkontaktierungen 4 liegenden Siliziumoberfläche des Siliziumsubstrats 3 reflektiert. Dabei sei bemerkt, dass der Mantel 74 aus Siliziumdioxid für die Strahlung des Strahlenbündels 54 im Wesentlichen transparent ist, und somit eine Reflektion im Wesentlichen an der metallischen Oberfläche des Kerns 72 auftritt ist. Da die metallische Oberfläche 72 eine höhere Reflektivität besitzt als die Siliziumoberfläche wird zu diesem Zeitpunkt an dem Detektor 52 ein Signal erzeugt, dass gegenüber der Situation gemäß 2b und eine höhere Intensität des reflektierten Lichtes anzeigt.
Bei einem noch weiteren Fortschreiten des Ätzvorgangs sinkt die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 unter die Oberfläche der Kerne 72 der Durchkontaktierungen 4 ab, so dass Teile des einfallenden Strahlenbündels 54 nicht mehr in Richtung des Detektors 52 reflektiert werden, An dem Detektor 52 wird nun ein Signal erzeugt, das gegenüber der Situation gemäß 2c eine geringere Intensität des reflektierten Lichtes anzeigt. Je nachdem wie weit die Durchkontaktierungen 4 über die Substratoberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 vorstehen, können gegebenenfalls nur noch die Teile des Strahlenbündels 54 direkt in Richtung des Detektors reflektiert werden, die auf die Oberseiten der Kerne 72 fallen.
Über den Detektor 52 ist es somit möglich, innerhalb des Detektierbereichs 64 lokal den Fortschritt des Ätzvorgangs zu überwachen.
Anhand dieser lokalen Überwachung ist es möglich, durch Verändern unterschiedlicher Prozessparameter, wie beispielsweise der Überstreichgeschwindigkeit oder der Zusammensetzung des Gasstroms 32, der Mikrowelleneinkopplung etc. die lokale Abtragsrate innerhalb des Teilbereichs 62, d. h. den Bereich, in dem der Gasstrom 32 auf das Substrat trifft, einzustellen. Dabei ist hier als Abtragsrate nicht eine Abtragsrate pro Zeiteinheit zu sehen, sondern eine Abtragsrate pro Überstreichvorgang. So wird deutlich, dass zum Beispiel eine langsame Überstreichbewegung bei gleichbleibendem Gasstrom eine höhere Abtragsrate vorsieht als eine schnellere Bewegung. Somit ist es möglich, selbst bei unterschiedlichen Dicken der Deckschicht ein im Wesentlichen gleichmäßiges und vollständiges Freilegen der Durchkontaktierungen 4 zu ermöglichen, da zum Beispiel in Bereichen, wo die Durchkontaktierungen 4 schon freigelegt sind die Abtragsrate während oder bei einer erneuten Überstreichung dieses Bereichs reduziert werden kann. In Bereichen, in denen die Durchkontaktierungen 4 noch nicht freigelegt sind kann sie hingegen erhöht werden. Die entsprechende Steuerung kann jeweils während der eigentlichen Überstreichung erfolgen oder für eine nachfolgende Überstreichung, wie der Fachmann erkennen kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise innerhalb derselben Anlage optional auch eine Reinigung und/oder eine Oxidation/Nitridation des Siliziumsubstrats, die beispielsweise einem entsprechenden Ätzvorgang folgen kann.
Für eine Reinigung kann das Siliziumsubstrat 3 zum Beispiel nach dem Freilegen der Durchkontaktierungen 4 über die Substrataufnahme 30 in den Reaktionsbereich 42 eines Gasstroms 32 hinein bewegt werden, in dem Elektronen vorherrschen. Der Reaktionsbereich 42 erstreckt sich dabei bis zu 10 cm vom Auslass der Plasmaquelle im Bereich der Deckwand 17 in die Prozesskammer 7 hinein, jedoch bevorzugt bis zu 6 cm. Der Gasstrom 32 besteht für Reinigungszwecke natürlich aus einer anderen Zusammensetzung. Bei Einstellung eines entsprechenden Prozessgases, das beispielsweise für eine Reinigung von Fluorresten H₂ und Ar enthält, ist es möglich, die Oberfläche 3a des Siliziumsubstrats 3 mit einem entsprechenden Gasstrom 32 zur Reinigung derselben zu überstreichen. Hier ist eine optische Überwachung des Behandlungsergebnisses nicht erforderlich.
In entsprechender Weise ist beispielsweise auch eine Oxidation der Substratoberfläche möglich, bei der das Siliziumsubstrat 3 wiederum derart angeordnet ist, dass die Oberfläche 3a im Bereich des Reaktionsbereichs 42 einer aus der Piasmaelektrode 38 austretenden Gasstroms 32 liegt. In diesem Fall ist das Prozessgas ein Sauerstoff enthaltendes Gas, das durch die Plasmaelektrode 38 hindurch auf die Substratoberfläche geleitet wird. Hierzu eignet sich beispielsweise ein O₂, H₂, und He oder Ar enthaltendes Gas. Insbesondere durch die Verwendung eines H₂-haltigen Gase kann eine selektive Oxidation erreicht werden, wodurch die Si-Oberfläche oxidiert wird, jedoch ein möglicherweise freiliegender metallischer Kontakt nicht oxidiert wird. Der oxidierende Gasstrom 32 wird dann wiederum über die Substratoberfläche 3a gestrichen, wobei eine Oxidation primär über Elektronen gesteuert wird. Entsprechend wäre beispielsweise auch ein Nitridieren der Substratoberfläche mit einem Stickstoff enthaltenden Prozessgas möglich. Sowohl bei der Oxidation als auch der Nitridation kann es von Vorteil sein, die Substratoberfläche 3a nacheinander im ersten Reaktionsbereich 42 und im zweiten Reaktionsbereich 44 des Gasstroms 32 anzuordnen und zu überstreichen. Hierdurch kann entweder eine primär durch Elektronen getriebene Oxidation/Nitridation (erster Reaktionsbereich 42) oder eine primär durch Radikale getriebene Oxidation/Nitridation (zweiter Reaktionsbereich 44) erreicht werden. Die Reihenfolge kann beliebig eingestellt werden.
Die Behandlungsvorrichtung 1 erlaubt somit nicht nur ein kontrolliertes Freilegen von Durchkontaktierungen 4 in einem Halbleitersubstrat, sondern im direkten Anschluss, das heißt, ohne dass das Halbleitersubstrat aus der Prozesskammer 6 entfernt werden muß, eine Reinigung der geätzten Oberfläche und/oder eine durch Plasma unterstützte Ausbildung einer isolierenden Oxid- oder Nitridschicht.
Wie der Fachmann erkennen kann, beeinflusst die Größe des Teilbereichs 62 bezüglich der Substratoberfläche einerseits die Genauigkeit mit der auf lokal unterschiedlich Dicke Siliziumdeckschichten reagiert werden kann und anderseits die erforderliche Prozesszeit. Für eine hohe Genauigkeit ist eine kleine Größe des Teilbereichs 62 von Vorteil, während für eine Prozesszeitverkürzung eine größere Größe von Vorteil ist. Für eine angemessene Genauigkeit sollte der Teilbereich 62 maximal 1/10, bevorzugt maximal 1/20 der Oberfläche abdecken. Entsprechend ist es von Vorteil, wenn der Teilbereich 62 wenigstens 1/150 der Oberfläche und bevorzugt wenigstens 1/100 der Oberfläche abdeckt.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert, ohne auf die konkrete Ausführungsform beschränkt zu sein. So könnte zum Beispiel die die Sensoreinheit 11 auch innerhalb der Prozesskammer 6 angeordnet und beispielsweise gegenüber dem Prozessraum 7 durch eine transparente Abdeckung isoliert sein. Auch könnten der Sender 50 und der Detektor 52 mit unterschiedlichen Winkeln als dargestellt auf die Substratoberfläche gerichtet sein. Diese Winkel können optional auch einstellbar sein, um eine Einstellung in Abhängigkeit der Position der Substrataufnahme zu ermöglichen. Zum Beispiel ist es auch nicht notwendig, dass der Detektierbereich 64 in dem Teilbereich 62 liegt in dem der Gasstrom 32 auf das Siliziumsubstrat 3 auftrifft. Zum Beispiel könnte der Detektierbereich 64 auch in Überstreichrichtung des Teilbereichs 62 jeweils vor diesem liegen. Auch ist es möglich den Gasstrom 32 wenigstens teileweise durch eine entsprechende Bewegung der Plasmaelektrode 38 über die Substratoberfläche zu bewegen.

Claims

Verfahren zum Freilegen einer Vielzahl von Durchkontaktierungen (4), die in einem Substrat (3) aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium ausgebildeten sind, und die sich von einer ersten Seite (3b) des Substrats (3) in Richtung einer zweiten Seite (3a) desselben erstrecken, bei dem Halbleitermaterial von der zweiten Seite (3a) abgetragen wird, bis die Durchkontaktierungen (4) an der zweiten Seite freiliegen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – leiten einer Gasströmung (32) derart durch ein Mikrowellenplasma hindurch auf einen Teilbereich (62) der zweiten Seite (3a) des Substrats (3), dass durch das Plasma erzeugte Radikale in der Gasströmung einen Abtrag von Halbleitermaterial bewirken, wobei der Teilbereich (62), in dem die Gasströmung (32) auf das Substrat (3) auftrifft, weniger als 1/10 der Fläche der zweiten Seite (3a) abdeckt und wobei der Teilbereich (62) eine Vielzahl der metallischen Durchkontaktierungen (4) abdeckt; – Überstreichen der Gasströmung (32) über die zweite Seite (3a) des Substrats (3) durch eine Relativbewegung zwischen Substrat (3) und Gasströmung (32), um über die zweite Seite hinweg einen Abtrag von Halbleitermaterial vorzusehen, wobei die Gasströmung (32) Teilbereiche (62) des Substrats in denen eine Abtrag erfolgt, mehrfach überstreicht; – Richten eines ersten Strahlenbündels (54) auf die zweite Seite des Substrats (3) und detektieren eines zweiten, reflektierten Strahlenbündels (56), das durch Reflektion des ersten Strahlenbündels (54) an der entsprechenden Oberfläche des Substrats (3) entsteht, in einem Detektierbereich (64) auf der Oberfläche des Substrats (3), wobei in dem Detektierbereich (64) eine Vielzahl der Durchkontaktierungen (4) angeordnet ist, und wobei der Detektierbereich (64) die zweite Seite des Substrats (3) mit der Gasströmung (32) überstreicht; – Steuern einer durch die Gasströmung (32) erzeugten Abtragsrate des Halbleitermaterials im Teilbereich (62) anhand der Detektion des reflektierten Strahlenbündels (56).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Detektierbereich (64) innerhalb des Teilbereichs (62), oder in Überstreichrichtung des Teilbereichs (62) vor diesem liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das auf die Substratoberfläche fallende erste Strahlenbündel (54) ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserlichtstrahl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasströmung (32) direkt nach dem Durchgang durch das Mikrowellenplasma einen ersten Bereich (42) aufweist, in dem die Anzahl von Elektronen gegenüber Radikalen höher ist und sich bis zu 10 cm, insbesondere bis zu 6 cm in den Prozessraum (7) hinein erstreckt, und angrenzend an diesen ersten Bereich (42) einen zweiten Bereich (44) von 10 cm bis 60 cm, insbesondere von 20 cm bis 40 cm, in den Prozessraum (6) hinein, in dem die Anzahl von Radikalen gegenüber Elektronen höher ist, wobei die Oberfläche (3a) des Substrats (3) in dem zweiten Bereich (44) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gasströmung (32) durch eine rohrförmige Plasmaelektrode (38) hindurch, in der das Plasma ausgebildet wird, im Wesentlichen senkrecht auf die zweite Seite (3a) des Substrats (3) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Relativbewegung zwischen Gasströmung (32) und Substrat (3) wenigstens teilweise durch eine Bewegung des Substrats (3) in seiner Ebene erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Bewegung eine Drehbewegung um eine Drehachse und wenigstens eine Bewegung senkrecht zur Drehachse des Substrats (3) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Bewegung entlang wenigstens zwei zueinander abgewinkelter, vorzugsweise senkrecht zueinander stehender Bewegungsachsen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtragsrate wenigstens teilweise durch den Volumenstrom der Gasströmung (32) und/oder ihre Zusammensetzung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtragsrate wenigstens teilweise durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung gesteuert wird.
Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche (3a) eines Substrats (3) aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, wobei das Substrat eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (4) aufweist, die zunächst gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Behandlungsvorrichtung (1) freigelegt werden und die zweite Seite des Substrats (3) anschließend in der selben Behandlungsvorrichtung mit den folgenden Schritten gereinigt wird: – Leiten einer Verunreinigungen entfernenden Gasströmung (32) durch ein Mikrowellenplasma hindurch auf einen Teilbereich (62) der zweiten Seite des Substrats (3), wobei die Gasströmung (32) direkt nach dem Durchgang durch das Plasma einen ersten Bereich aufweist, in dem die Anzahl von Elektronen gegenüber Radikalen höher ist und angrenzend an diesen ersten Bereich einen zweiten Bereich, in dem die Anzahl von Radikalen gegenüber Elektronen höher ist, wobei die zweite Seite (3a) des Substrats (3) in dem ersten Bereich liegt, und wobei der Teilbereich (62) in dem die Gasströmung (32) auf das Substrat auftrifft weniger als 1/10 der Fläche der zweiten Seite (3a) abdeckt; – Überstreichen der Gasströmung (32) über die zweite Seite des Substrats (3) durch eine Relativbewegung zwischen Substrat (3) und Gasströmung (32), um über die zweite Seite (3a) hinweg eine Reinigung vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Verunreinigungen Fluor aufweisen, und die Verunreinigungen entfernende Gasströmung (32) Wasserstoff enthält.
Verfahren zum Oxidieren oder Nitridieren einer Oberfläche (3a) eines Substrats (3) aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, wobei das Substrat eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (4) aufweist, die zunächst gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Behandlungsvorrichtung (1) freigelegt werden und eine Oberfläche (3a) des Substrats (3) optional gemäß einem Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 gereinigt wurde, wobei das Verfahren anschließend die folgenden Schritte aufweist, die in derselben Behandlungsvorrichtung (1) durchgeführt werden: – Leiten einer sauerstoff- oder stickstoffhaltigen Gasströmung (32) durch ein Mikrowellenplasma hindurch auf einen Teilbereich (62) der zweiten Seite des Substrats (3), wobei die Gasströmung direkt nach dem Durchgang durch das Plasma einen ersten Bereich aufweist, in dem die Anzahl von Elektronen gegenüber Radikalen höher ist und angrenzend an diesen ersten Bereich einen zweiten Bereich, in dem die Anzahl von Radikalen gegenüber Elektronen höher ist, wobei die zweite Seite des Substrats (3) in dem ersten Bereich liegt, und wobei der Teilbereich (62) in dem die Gasströmung (32) auf das Substrat (3) auftrifft weniger als 1/10 der Fläche der zweiten Seite abdeckt; – Überstreichen der Gasströmung über die zweite Seite (3a) des Substrats (3) durch eine Relativbewegung zwischen Substrat (3) und Gasströmung (32), um über die zweite Seite hinweg ein Oxidieren oder Nitridieren der Halbleiteroberfläche des Substrats (3) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die folgenden Schritte aufweist: – Leiten einer sauerstoff- oder stickstoffhaltigen Gasströmung durch das Mikrowellenplasma hindurch auf einen Teilbereich (62) der zweiten Seite (3a) des Substrats (3), wobei die zweite Seite des Substrats (3) in dem zweiten Bereich des Gasströmung (32) liegt, und – Überstreichen der Gasströmung über die zweite Seite (3a) des Substrats (3) durch eine Relativbewegung zwischen Substrat (3) und Gasströmung (32), um über die zweite Seite (3a) hinweg ein Oxidieren oder Nitridieren der Halbleiteroberfläche des Substrats (3) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 14 wobei die sauerstoff- oder stickstoffhaltige Gasströmung wenigstens auch Wasserstoff enthält.
Vorrichtung zum Freilegen einer Vielzahl von Durchkontaktierungen (4), die in einem Substrat (3) aus Halbleitermaterial, insbesondere Silizium ausgebildet sind, und die sich von einer ersten Seite (3b) des Substrats (3) in Richtung einer zweiten Seite (3a) desselben erstrecken, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – eine Prozesskammer (6), die einen Prozessraum (7) umgibt; – eine Substrataufnahme zur Aufnahme des Substrats (3) derart, dass die zweite Seite (3a) von der Substrataufnahme (30) weg weist; – eine rohrförmige Mikrowellenelektrode (38), die ein geschlossenes und ein offenes Ende aufweist, wobei das offene Ende sich in den Prozessraum (7) hinein öffnet, und wobei eine Längmittelsachse der Mikrowellenelektrode (38) auf die Substrataufnahme (30) gerichtet ist; – wenigstens eine erste Gasversorgung, die mit dem geschlossenen Ende der Mikrowellenelektrode (38) verbunden ist, um durch die Mikrowellenelektrode (38) hindurch eine erste Gasströmung (32) derart in den Prozessraum (7) einleiten zu können, dass die Gasströmung (32) in einem Teilbereich (62) auf die zweite Seite eines auf der Substrataufnahme (30) aufgenommenen Substrats (3) auftrifft, wobei der Teilbereich (62) eine Fläche aufweist, die kleiner als 1/10 der Oberfläche der zweiten Seite (3a) des Substrats (3) ist; – eine mit der Mikrowellenelektrode (38) verbundene Mikrowellenquelle (34), die zum Erzeugen eines Plasmas in der Mikrowellenelektrode (38) geeignet ist Mikrowellen in die Mikrowellenelektrode (38) einzuspeisen; – wenigstens eine Bewegungseinheit, die geeignet ist die Substrataufnahme (30) in ihrer Ebene derart zu bewegen, dass der Teilbereich (62) im Wesentlichen die gesamte zweite Seite (3a) eines auf der Substrataufnahme (30) aufgenommenen Substrats (3) überstreichen kann; – eine Sensoreinheit (11) mit einem Sender (50) und einem Detektor (52), wobei der Sender (50) derart angeordnet ist, dass er in der Lage ist ein erstes Strahlenbündel (52) auf einen Oberflächenbereich eines auf der Substrataufnahme (30) aufgenommenen Substrats (3) zu richten, und wobei der Detektor (52) so angeordnet ist, dass er in der Lage ist wenigstens einen Teil eines zweiten, reflektierten Strahlenbündels (56), das durch Reflektion des ersten Strahlenbündels (54) an der entsprechenden Oberfläche des Substrats (3) entsteht, in einem Detektierbereich (64) auf der Oberfläche (3a) des Substrats (3), zu detektieren; und – eine Steuereinheit zum Steuern der Gasströmung (32), der Mikrowellenquelle 34 und/oder der Bewegungseinheit in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Detektors (52).
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Detektierbereich (64) durch eine entsprechende Bewegung des Detektors (52) und optional des Senders (50) so einstellbar ist, dass er innerhalb des Teilbereichs (62), oder in einer Überstreichrichtung des Teilbereichs (62) vor diesem liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Sender (50) des Typs ist, der als Strahlenbündel (54) einen Lichtstrahl, insbesondere einen Laserlichtstrahl ausgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die wenigstens eine Bewegungseinheit (31) in der Lage ist die Substrataufnahme (30) um eine Drehachse und in wenigstens eine Richtung senkrecht zur Drehachse zu bewegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die wenigstens eine Bewegungseinheit (31) in der Lage ist die Substrataufnahme (30) wenigstens entlang zwei zueinander abgewinkelter, vorzugsweise senkrecht zueinander stehender Bewegungsachsen zu bewegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die wenigstens eine Bewegungseinheit (31) in der Lage ist die Substrataufnahme (30) im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Aufnahmeebene zu bewegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Längsmittelachse der Mikrowellenelektrode (38) im Wesentlichen senkrecht auf die Substrataufnahme (3) gerichtet ist.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 16 bis 22, wobei die Steuereinheit in der Lage Ist den Volumenstrom der Gasströmung (32) und/oder ihre Zusammensetzung zu steuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei die Steuereinheit in der Lage ist, eine Geschwindigkeit, mit der die Bewegungseinheit die Substrataufnahme (30) bewegt, zu steuern.