ITRM20080610A1 - Procedimento per passivazione in umido di piazzole di unione per protezione contro un trattamento successivo basato su tmah. - Google Patents

Procedimento per passivazione in umido di piazzole di unione per protezione contro un trattamento successivo basato su tmah.

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ITRM20080610A1
ITRM20080610A1 IT000610A ITRM20080610A ITRM20080610A1 IT RM20080610 A1 ITRM20080610 A1 IT RM20080610A1 IT 000610 A IT000610 A IT 000610A IT RM20080610 A ITRM20080610 A IT RM20080610A IT RM20080610 A1 ITRM20080610 A1 IT RM20080610A1
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IT
Italy
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aluminum
bonding pad
protective layer
solution
silicon
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IT000610A
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Mattia Cichocki
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Aptina Imaging Corp
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Description

<PROCEDIMENTO PER PASSIVAZIONE IN UMIDO DI PIAZZOLE
DI UNIONE PER PROTEZIONE CONTRO UN TRATTAMENTO
SUCCESSIVO BASATO SU TMAH>
DESCRIZIONE
CAMPO DELL'INVENZIONE
Le forme di realizzazione descritte fanno genericamente riferimento a circuiti a semiconduttori e, più in particolare, ad un procedimento per formare uno strato protettivo sulla superficie delle piazzole di unione in alluminio che protegge la superficie delle piazzole di unione durante un successivo trattamento.
FONDAMENTO DELL'INVENZIONE
In circuiti e dispositivi a semiconduttori, sono utilizzate piazzole di unione per effettuare contatti elettrici tra i vari componenti del circuito o dispositivo. Per semplicità di discussione, la discussione che segue si focalizza su piazzole di unione per dispositivi di formazione di immagine; tuttavia, l'ambito dell'invenzione non dovrebbe essere limitato a questo, e può essere utilizzato per qualsiasi tipo di dispositivo a circuito integrato.
Dispositivi di formazione di immagine, che includono dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD), schiere di fotodiodi, dispositivi ad iniezione di carica (CID), schiere piane focali ibride e dispositivi di formazione di immagine a semiconduttori di metallo-ossido complementare (CMOS) sono stati comunemente utilizzati in applicazioni di rappresentazione di immagine fotografica. Applicazioni correnti di dispositivi di formazione di immagine allo stato solido includono videocamere, dispositivi di scansione, sistemi a macchina di visione, sistemi di navigazione per veicoli, dispositivi di inseguimento di stelle, e sistemi di rilevazione di movimento, tra gli altri.
Un dispositivo di formazione di immagini CMOS di norma include una schiera planare focale di celle di pixel, ciascuna delle celle includendo un fotosensore, ad esempio, un "photogate", un fotoconduttore o un fotodiodo per accumulare carica fotogenerata. Ciascuna cella di pixel ha una zona di immagazzinamento di carica che è collegata alla porta di un transistore di uscita che è parte di un circuito di lettura in estrazione. La zona di immagazzinamento di carica può essere strutturata come una zona di diffusione flottante. In taluni dispositivi di formazione di immagine, ciascuna cella di pixel può includere almeno un singolo dispositivo elettronico, ad esempio un transistore, per trasferire la carica dal fotosensore alla zona di immagazzinamento, ed un singolo dispositivo, oppure di norma un transistore, per ripristinare la zona di immagazzinamento ad un livello di carica predeterminato prima del trasferimento di carica.
Per consentire ai fotosensori di catturare un'immagine a colori, i fotosensori devono essere in grado di rilevare separatamente componenti di colore dell'immagine catturata. Di conseguenza, ciascun pixel deve essere sensibile soltanto ad un singolo colore o banda spettrale. Perciò, una schiera di filtri di colore (CFA) è di norma posta davanti al percorso ottico verso i fotosensori, in modo tale che ciascun fotosensore riveli la luce del colore del suo filtro associato.
Inoltre, dal momento che l'ampiezza del segnale prodotta da ciascun pixel è proporzionale alla quantità di luce che urta sul fotosensore, è pure desiderabile migliorare la fotosensibilità del dispositivo di formazione di immagini raccogliendo luce da un'ampia area di raccolta di luce e focalizzandola su una piccola area fotosensibile del fotosensore. Ciò può essere effettuato utilizzando una schiera di microlenti formata sulla schiera di pixel.
Le figure 1A e 1B illustrano un dispositivo di formazione di immagini 10 che include una schiera di filtri di colore 30 e una schiera di microlenti 35 su una schiera di pixel 25. Come si può osservare nella figura 1A, la parte di formazione di immagine 15 può essere circondata da una circuiteria periferica 18 e piazzole di unione 20. Le piazzole di unione 20 sono collegate elettricamente alla circuiteria di dispositivo del dispositivo di formazione di immagini 10. La circuiteria periferica 18 controlla la parte di formazione di immagine 15 e converte i segnali elettrici ricevuti dalla parte di formazione di immagine 15 in una immagine digitale. Come si può osservare nella figura 1B, la schiera di pixel 25, la circuiteria periferica 18 e le piazzole di unione 20 sono formate nel wafer 50 a semiconduttori. Altre parti convenzionali del dispositivo di formazione di immagini 10 non sono mostrate o descritte in questa sede.
Il procedimento per formare la schiera dei filtri di colore 30 e/oppure la schiera di microlenti 35 sulla schiera di pixel 25 richiede un procedimento di produzione a più passi. Un metodo comune per formare queste strutture include una soluzione di sviluppo basata su idrossido di tetrametilammonio (TMAH). Di norma, soluzioni di sviluppo basate su TMAH utilizzate per la formazione della schiera di filtri di colore hanno una concentrazione di TMAH che varia da circa lo 0,6% a circa il 2,6%. L'intero procedimento di formazione di microlenti/CFA coinvolge di norma circa 6 passi di sviluppo dove questa soluzione di sviluppo viene a contatto con la piazzola di unione per approssimativamente da 30 secondi ad un minuto per ciascun passo. Il TMAH contenuto in questa soluzione di sviluppo è molto aggressivo sull'alluminio di cui sono di norma formate le piazzole di unione 20. Come si può osservare in figura 2, quando una piazzola di legame di alluminio 20 è esposta ad una soluzione di sviluppo 55 su base di TMAH, questa viene attaccata e lentamente incisa, creando cavità 60 sulla superficie dell'alluminio, rendendo la superficie molto scabrosa. Attraverso un intero procedimento di formazione di microlenti/CFA, dalla superficie di una piazzola di unione non protetta possono essere rimossi circa 100-200 nm di alluminio. Questa formazione di cavità e rimozione di alluminio può determinare problemi in un trattamento successivo e nell'utilizzazione del dispositivo di formazione di immagini. La scabrosità, determinata dalla formazione di cavità, aumenta la diffusione di luce e fa sembrare le piazzole molto buie quando vengono osservate attraverso un microscopio. Inoltre, l'eccessiva rimozione di alluminio può determinare problemi di legame, determinati da una eccessiva topografia nello strato di alluminio o da alluminio non sufficiente che rimane nella piazzola di unione.
Uno strato protettivo organico oppure uno strato di ossido può essere formato sulle piazzole di unione 20 prima del procedimento di formazione di microlenti/CFA per proteggere le piazzole di unione 20 dalla soluzione TMAH. Tuttavia questi strati devono essere rimossi dopo il procedimento di formazione di microlenti/CFA per evitare problemi (ad esempio, problemi di unione durante l'imballaggio del dispositivo di formazione di immagini) durante successivi passi di trattamento. Inoltre, lo strato di ossido, ad esempio, deve essere rimosso utilizzando un procedimento costoso a rivestimento duro.
Di conseguenza, c'è la necessità e il desiderio di un procedimento più semplice mediante cui le piazzole di unione possono essere protette durante un successivo trattamento di un dispositivo a semiconduttori, ad esempio un dispositivo di formazione di immagini.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La figura 1A è una versione schematica di una vista dall'alto di un dispositivo di formazione di immagini convenzionale.
La figura 1B è una vista laterale schematica in sezione del dispositivo di formazione di immagini in figura 1A.
La figura 2 illustra l'effetto di una soluzione di sviluppo basata su TMAH su una piazzola di alluminio non protetta.
La figura 3 illustra un procedimento per formare uno strato protettivo Al-Si-O sulle piazzole di unione, secondo forme di realizzazione descritte.
La figura 4 illustra risultati sperimentali del profilo di profondità di silicio di otto piazzole di unione trattate con il procedimento descritto.
La figura 5 illustra risultati sperimentali del profilo di profondità dell'ossigeno di otto piazzole di unione trattate con il procedimento descritto.
La figura 6 illustra risultati sperimentali del profilo di profondità di alluminio di otto piazzole di unione trattate con il procedimento descritto.
La figura 7 illustra l'effetto di una soluzione di sviluppo a base di TMAH su una piazzola di unione di alluminio protetta, secondo forme di realizzazione descritte.
La figura 8 illustra un profilo di profondità della composizione di elemento di una piazzola di unione di alluminio trattata secondo il procedimento descritto e attraverso un procedimento a schiera di filtri a colore.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE
Nella seguente descrizione dettagliata, si fa riferimento ai disegni annessi che ne formano una parte, ed in cui sono mostrati, a titolo di esempio, forme specifiche di realizzazione che possono essere attuate. Si dovrebbe comprendere che numeri di riferimento identici rappresentano elementi simili in tutti i disegni. Queste forme di realizzazione esemplificative sono descritte in dettaglio sufficiente a consentire a coloro che sono esperti nel ramo di realizzarle. Si deve comprendere che possono essere utilizzate altre forme di realizzazione, e che possono essere effettuate modifiche strutturali, di materiale ed elettriche, soltanto alcune delle quali sono discusse appresso in dettaglio.
Le forme di realizzazione descritte fanno riferimento ad un procedimento eseguito su un dispositivo di formazione di immagini prima della formazione della schiera dei filtri di colore e/oppure di una schiera di microlenti, anche se, come osservato, il procedimento può essere utilizzato con piazzole di unione di altri dispositivi e circuiti a semiconduttori.
Il procedimento descritto è in grado di proteggere efficacemente le piazzole di unione di alluminio da un danneggiamento non voluto di norma determinato da un procedimento di sviluppo a base di TMAH utilizzato nel procedimento di formazione di microlenti/CFA. Prima della formazione della CFA o della schiera di microlenti, viene eseguito un procedimento in umido che crea uno strato molto sottile di un composto di alluminio-silicio-ossigeno (AlxSixOx) sulla superficie della piazzola di unione. La presenza di silicio in questo strato sottile di AlxSixOxsulla superficie della piazzola di unione rende resistente rispetto al TMAH l'alluminio con il quale è formata la piazzola di unione.
La figura 3 illustra il procedimento in umido mediante cui il composto Alx-Six-Oxè formato sulla superficie di una piazzola di unione 20a. La piazzola di unione 20a viene esposta in un procedimento ad umido ad una soluzione 65 comprendente acqua deionizzata, silicio (Si), persolfato di ammonio (AP) e TMAH (TMA+ e OH-) ed avente un pH di 12+/-0,1. Durante l'esposizione alla soluzione 65, silicio e ossigeno sono incorporati nella superficie della piazzola di unione di alluminio 20a formando perciò uno strato sottile di un composto 70 Alx-Six-Oxed avendo come conseguenza una piazzola di unione 20b protetta. La soluzione 65 è costituita tra circa il 3,0% e circa il 3,4% di silicio, tra circa il 2,2% e circa il 2,8% di persolfato di ammonio e tra circa il 6,5% e circa l'8,5% di ioni TMAH+ . La piazzola di unione 20a è esposta alla soluzione 65, seguita da un breve risciacquo in acqua DI e un breve risciacquo Marangoni, che essicca il wafer.
Anche se il meccanismo esatto di reazione per la formazione dello strato protettivo non è noto, si pensa che la soluzione presenti un'interazione ionica con l'alluminio sulla superficie della piazzola di unione. Alcuni atomi di alluminio sono portati nella soluzione e sostituiti con gli atomi di silicio, formando perciò un legame più resistente sulla superficie della piazzola di unione. Questa interazione si arresta quando la superficie è stata impiantata in modo uniforme con la quantità massima di silicio rispetto alla temperatura ed al pH al quale viene trattata.
In una forma di realizzazione, la soluzione 65 di trattamento comprende acqua deionizzata contenente circa il 3,2% di silicio, circa il 2,5% di persolfato di ammonio e circa il 7,5% di TMAH+ , ed a un pH di 12+/-0,1. La piazzola di unione 20a viene esposta alla soluzione 65 per circa 6 minuti, mantenendo la temperatura a circa 90°C, seguita da un breve risciacquo in acqua DI a circa 40°C e un breve risciacquamento Marangoni, che essicca il wafer. Può essere inoltre possibile esporre la piazzola di unione alla soluzione 65 di trattamento a temperature tanto basse quanto circa 60°C. La variazione nella temperatura ha come conseguenza una variazione nella concentrazione di silicio nello strato protettivo.
Lo strato sottile del composto 70 di Al-Si-O può avere spessore di fino a circa 3,5 nm. Preferibilmente, lo spessore è di circa 2 nm. Questo spessore è sufficiente a proteggere la piazzola di unione 20b da attacco da parte della soluzione TMAH utilizzata in un trattamento successivo, ad esempio durante la formazione di una CFA e/oppure una schiera di microlenti, sottile abbastanza da consentire un'unione di cablaggio non inibita in successivi passi di trattamento (senza la necessità di rimuovere lo strato protettivo).
Il composto 70 di AlxSixOxformato sulla parte superiore della piazzola di unione 20b contiene tra circa il 4% e circa il 18% di silicio, tra circa il 40% e circa il 60% di ossigeno e tra circa il 5% e circa il 30% di alluminio. Il bilanciamento del composto avviene con piccole quantità di altri elementi quali carbonio, azoto, fluoro e solfuri presenti nella piazzola di unione 20a prima del trattamento. In una forma di realizzazione, il composto 70 di AlxSixOxformato sulla parte superiore della piazzola di unione 20b contiene circa il 15% di silicio, circa il 50% di ossigeno e circa il 20% di alluminio.
La figura 4 illustra risultati sperimentali del profilo di profondità di silicio di otto piazzole di unione trattate con il procedimento descritto. La figura 5 illustra i risultati sperimentali del profilo di profondità di ossigeno di otto piazzole di unione trattate con il procedimento descritto. La figura 6 illustra i risultati sperimentali del profilo di profondità di alluminio di otto piazzole di unione trattate con il procedimento descritto. Le figure 4-6 illustrano la concentrazione di silicio, ossigeno ed alluminio, effettivamente, in profondità crescenti sotto la superficie della piazzola di unione. Questi diagrammi mostrano il grado di incorporazione di silicio ed ossigeno nella superficie delle piazzole di legame di alluminio utilizzando il procedimento rivendicato. Questi profili di profondità sono stati creati in base ad un'analisi di spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) delle superfici della piazzola di unione.
Dopo che è stato eseguito il trattamento descritto, i wafer devono essere sottoposti ad un trattamento successivo, ad esempio formazione di microlenti/CFA utilizzando un procedimento noto, standard, senza che si verifichi una corrosione o formazione di cavità sulle piazzole di unione. Inoltre, non è necessario che lo strato protettivo sia rimosso prima del trattamento successivo. Come si può osservare in figura 7, quando la piazzola di unione di alluminio 20b protetta è esposta ad una soluzione di sviluppo 55 su base di TMAH, l'alluminio non viene rimosso dalla superficie della piazzola 20b. Perciò, vengono evitati i problemi associati alla formazione di cavità osservate in figura 2.
La figura 8 illustra un tipico profilo di profondità di composizione di elementi di una piazzola di unione trattata con la soluzione umida secondo le forme di realizzazione descritte e quindi un procedimento di formazione di schiera di filtri di colore. Di nuovo, questi profili di profondità sono stati creati in base ad un'analisi XPS delle superfici delle piazzole di unione. La figura 8 dimostra che lo strato protettivo (zona cerchiata in figura 8) è in grado di resistere al procedimento di rilavorazione eseguito nel procedimento CFA per consentire un nuovo trattamento dei wafer. Ciò significa che questo strato sottile può facilmente sopportare più procedimenti di microlenti/CFA senza la necessità di riapplicazione.
Anche se sono state descritte in dettaglio forme di realizzazione, si dovrebbe comprendere facilmente che l'invenzione rivendicata non è limitata alle forme di realizzazione descritte o all'utilizzazione con i dispositivi di formazione di immagini. Piuttosto, le forme di realizzazione descritte possono essere modificate in modo che incorporino qualsiasi un numero di varianti, modifiche, sostituzioni o disposizioni equivalenti non descritte precedentemente.

Claims (26)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per proteggere una piazzola di unione di alluminio da successivi passi di trattamento, il metodo comprendendo: esporre la superficie della piazzola di legame di alluminio ad una soluzione comprendente silicio, persolfato di ammonio e idrossido di tetrametilammonio per formare uno strato protettivo su una superficie della piazzola di unione di alluminio.
  2. 2. Metodo della rivendicazione 1, in cui lo strato protettivo comprende alluminio, silicio ed ossigeno.
  3. 3. Metodo della rivendicazione 1, in cui la soluzione comprende tra circa il 3,0% e circa il 3,4% silicio, tra circa il 2,2% e circa il 2,8% persolfato di ammonio e tra circa il 6,5% e circa l'8,5% ioni di tetrametilammonio.
  4. 4. Metodo della rivendicazione 1, in cui la soluzione comprende circa il 3,2% di silicio, circa il 2,5% di persolfato di ammonio e circa il 7,5% di ioni di tetrametilammonio.
  5. 5. Metodo della rivendicazione 1, in cui la soluzione ha un pH di 12 /- 0,1.
  6. 6. Metodo della rivendicazione 1, in cui lo strato protettivo ha spessore di fino a circa 3,5 nm.
  7. 7. Metodo della rivendicazione 1, in cui lo strato protettivo ha spessore di circa 2 nm.
  8. 8. Metodo della rivendicazione 1, in cui lo strato protettivo comprende tra circa il 4% e circa il 18% silicio, tra circa il 40% e circa il 60% ossigeno e tra circa il 5% e circa il 30% alluminio.
  9. 9. Metodo della rivendicazione 1, in cui lo strato protettivo comprende circa il 20% di alluminio, circa il 15% di silicio e circa il 50% di ossigeno.
  10. 10. Metodo della rivendicazione 1, in cui la concentrazione di alluminio nello strato protettivo aumenta nella direzione in allontanamento della superficie della piazzola di unione.
  11. 11. Metodo della rivendicazione 1, in cui la superficie della piazzola di unione è esposta alla soluzione per circa 6 minuti.
  12. 12. Metodo della rivendicazione 1, in cui la superficie della piazzola di unione è esposta alla soluzione ad una temperatura tra circa 60°C e circa 90°C.
  13. 13. Metodo della rivendicazione 1, in cui la superficie della piazzola di unione è esposta alla soluzione ad una temperatura di circa 90°C.
  14. 14. Metodo della rivendicazione 1, in cui lo strato protettivo protegge la piazzola di unione di alluminio dalla corrosione determinata da una formazione successiva di una schiera di filtri di colore.
  15. 15. Metodo della rivendicazione 1, in cui lo strato protettivo protegge la piazzola di unione di alluminio da corrosione determinata da formazione successiva di una schiera di microlenti.
  16. 16. Metodo della rivendicazione 1, in cui lo strato protettivo non viene rimosso dopo avere eseguito i successivi passi di trattamento.
  17. 17. Metodo per proteggere una piazzola di unione di alluminio dalla corrosione determinata da esposizione successiva a una soluzione di sviluppo su base di idrossido di tetrametilammonio, il metodo comprendendo: esporre la superficie della piazzola di alluminio, per circa 6 minuti ad una temperatura di circa 90°C, ad una soluzione avente pH di 12+/- 0,1 e che comprende circa il 3,2% di silicio, circa il 2,5% di persolfato di ammonio e circa il 7,5% di idrossido di tetrametilammonio, in cui l'esposizione ha come conseguenza la formazione di uno strato protettivo avente spessore di circa 2 nm sulla superficie della piazzola di unione di alluminio, lo strato protettivo comprendendo circa 20% di alluminio, circa 15% di silicio e circa il 50% di ossigeno.
  18. 18. Piazzola di unione di alluminio comprendente: un materiale di alluminio; e uno strato protettivo formato sulla superficie superiore del materiale di alluminio, lo strato protettivo comprendendo alluminio, silicio ed ossigeno, in cui lo strato protettivo agisce per proteggere il materiale di alluminio dalla corrosione da esposizione ad una soluzione di sviluppo.
  19. 19. Piazzola di unione di alluminio della rivendicazione 18, in cui la soluzione di sviluppo è una soluzione a base di idrossido di tetrametilammonio.
  20. 20. Piazzola di unione della rivendicazione 18, in cui lo strato protettivo ha uno spessore di fino a circa 3,5 nm.
  21. 21. Piazzola di unione di alluminio della rivendicazione 20, in cui lo strato protettivo ha uno spessore di circa 2 nm.
  22. 22. Piazzola di unione di alluminio della rivendicazione 18, in cui lo strato protettivo comprende circa il 20% di alluminio, circa il 15% di silicio e circa il 50% di ossigeno.
  23. 23. Piazzola di unione di alluminio della rivendicazione 18, in cui lo strato protettivo comprende una concentrazione minore di alluminio sulla superficie della piazzola di unione rispetto a punti al di sotto della superficie.
  24. 24. Piazzola di unione di alluminio della rivendicazione 18, in cui lo strato protettivo protegge la piazzola di unione di alluminio dalla corrosione durante un procedimento per formare una schiera di filtri di colore.
  25. 25. Piazzola di unione di alluminio della rivendicazione 18, in cui lo strato protettivo protegge la piazzola di unione di alluminio dalla corrosione durante un procedimento di formazione di una schiera di microlenti.
  26. 26. Piazzola di unione di alluminio della rivendicazione 18, in cui non è necessario che lo strato protettivo sia rimosso.
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