JP2011517427A - 多層半導体ウエハの処理 - Google Patents

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Abstract

パターン形成されたシリコンウエハに加工しあるいは特徴を形成する方法および装置であって、パルス幅が１ｐｓから１０００ｐｓの間の第１のパルス状レーザビーム（４）を用いてウエハ上の表面層の一部を除去し、波長が２００ｎｍから１１００ｎｍの間の第２のパルス状レーザビーム（５）を用いて表面層の下にあるバルクシリコン（１）の一部をウエハから除去することを含む。再付着したシリコンはエッチングによってウエハから除去することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は多層半導体ウエハの処理に関する。
半導体ウエハは通常、表面に多数の金属や絶縁体の層を有し、それらの層を利用して、そのウエハから製造されるデバイスの能動回路を定める。ウエハ技術は発展しつつあるが、これらの層の形成に続く工程である、ウエハから能動デバイスを作るために必要な工程において、これらの層が問題となる。
これらの問題が引き起こされるのは、主に、表面層において用いられる新しい材料のためであり、また、より少ない費用、より薄いウエハ、より小さなデバイスを求めてより小さな形状が要求されるためである。問題となる特定の工程は、ウエハのダイシング（この工程は、ウエハを個々のダイに切断するために、研磨ソーの使用を伝統的に伴う）や、インターコネクト形成工程（この工程は、ワイヤボンドインターコネクトを形成するために、１つの領域から隣の領域へボンディングされた配線を伝統的に利用してきた）である。ワイヤボンドと競合する方法は、ウエハの対抗面間を相互接続するビアを穿孔し、穿孔されたデバイスの下面に、あるいは他のデバイスへ、相互接続（インターコネクト）を形成することである。この技術は「スルービア」技術と呼ばれている。同様に、ブラインドビアによってウエハの内層との電気的な接触が可能になる。これらの工程は、製造ウエハに相互接続ビアが穿孔される「ビアラスト（ｖｉａ ｌａｓｔ）」処理として知られる処理の一部として用いられる。
これらの処理上の問題に対し、少なくともビア穿孔においては、既知のエッチング技術が一つの解決策を提供することができるものの、スループットが非常に低いことや、ビアの形状、材料の敏感さなどの技術的な障害のためにコストが一般に高い。簡潔に言えば、通常要求されるビアテーパ角は完全な直線ではなく、エッチングでそれを実現するのは難しいが、レーザドリルでは可能である。また、金属と絶縁体が積層されている場合、各層に対して異なるエッチング工程がしばしば必要であるが、それらの工程には時間がかかる。
先行技術における前記問題点を少なくとも改善することが本発明の一つの目的である。
本発明の第１の側面によれば、パターン形成されたシリコンウエハに加工しあるいは特徴を形成する方法であって、パルス幅が１ｐｓから１０００ｐｓの間の第１のパルス状レーザビームを用いてウエハ上の表面層の一部を除去し、波長が２００ｎｍから１１００ｎｍの間の第２のパルス状レーザビームを用いて前記表面層の下にあるバルクシリコンの一部を前記ウエハから除去することを含む方法が提供される。
その方法が、再付着したシリコンをエッチングによって前記ウエハから除去することを更に含むのは好都合である。
前記第１のパルス状レーザビームが１０００ｎｍから１１００ｎｍの間の波長を有するのは有利である。
前記第２のパルス状レーザビームが１ｎから５００ｎｓの範囲のパルス幅のＱスイッチレーザにより生成されるのは有利である。
あるいは、前記第２のパルス状レーザビームは１ｐｓから１０００ｐｓの間のパルス幅を有する。
前記方法が二フッ化キセノンでエッチングすることを含むのは好都合である。
前記方法が湿式化学エッチングを含むのは好都合である。
あるいは、前記方法は乾式化学エッチングを含む。
前記ウエハの表面と前記ウエハの加工壁とのうち少なくとも一つから屑を除くために前記エッチング工程を用いるのは有利である。
前記方法が前記ウエハに相互接続スルービアあるいはブラインドビアを形成することを含むのは有利である。
あるいは、前記方法はウエハのダイシングあるいはシンギュレーションを含む。
本発明の第２の側面によれば、パターン形成されたシリコンウエハに加工しあるいは特徴を形成するように構成された装置であって、
前記ウエハの表面層の一部を除去するように調整したパルス幅が１ｐｓから１０００ｐｓの間の第１のパルス状レーザビームを供給するように構成された第１のレーザと、前記表面層の下にあるバルクシリコンの一部を前記ウエハから除去するように調整した波長が２００ｎｍから１１００ｎｍ間の第２のパルス状レーザビームを供給するように構成された第２のレーザと、前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームを前記ウエハ上の同じ位置に向けるための手段とを有する装置が提供される。
前記装置が再付着したシリコンをエッチングによって前記ウエハから除去するように構成されたエッチング手段を更に有するのは有利である。
前記第１のパルス状レーザビームが１０００ｎｍから１１００ｎｍの間の波長を有するのは有利である。
前記第２のレーザが、パルス幅が１ｎｓから５００ｎｓの範囲のＱスイッチレーザであるのは有利である。
あるいは、前記第２のパルス状レーザビームが１ｐｓから１０００ｐｓの間のパルス幅を有する。
前記装置が前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとのパスを前記ウエハ上の同じ位置に向けるために同軸的に整列させるための整列手段を有するのは有利である。
前記エッチング手段が二フッ化キセノンによってエッチングするように構成されているのは好都合である。
湿式化学エッチングを行なうように前記エッチング手段が構成されているのは好都合である。
あるいは、乾式化学エッチングを行なうように前記エッチング手段が構成されている。
前記ウエハの表面と前記ウエハの加工壁とから屑を除くために湿式化学エッチングを行なうように前記エッチング手段が構成されているのは有利である。
前記装置が前記ウエハに相互接続スルービアあるいはブラインドビアを形成するように構成されているのは有利である。
前記装置がウエハをダイシングするあるいはシンギュレーションを行なうように構成されているのは有利である。
前記装置が、各レーザからのパルスを所定のシーケンスで前記ウエハに照射するように前記第１のレーザおよび前記第２のレーザからのパルス放出を順序付けするように構成された同期手段を更に有するのは有利である。
前記装置が、前記ウエハと前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームとの相対的位置決めを容易にするためにレーザビーム経路を通して像を得るように構成されたマシンビジョンシステムを更に有するのは有利である。
前記装置が、制御パルスを前記第１のレーザと前記第２のレーザとの間で切り替えるスイッチ手段を更に有するのは有利である。
前記スイッチ手段により受信される制御パルス列中にトリガーパルスを受信する時に出力制御パルスを前記第１のレーザと前記第２のレーザとの間で切り替えるように前記スイッチ手段が構成されているのは好都合である。
ここで本発明を、次の添付図面を参照しつつ例によって説明する。
図１は、本発明による装置の概略図である。 図２Ａは、本発明の実施形態による方法を示すフローチャートである。 図２Ｂは、本発明の実施形態による方法を示すフローチャートである。 図３は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的に見た光学顕微鏡写真である。 図４は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的に見た光学顕微鏡写真である。 図５は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的に見た光学顕微鏡写真である。 図６は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的に見た光学顕微鏡写真である。 図７は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的、側面図的、斜視図的に見た、走査電子顕微鏡写真である。 図８は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的、側面図的、斜視図的に見た、走査電子顕微鏡写真である。 図９は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的、側面図的、斜視図的に見た、走査電子顕微鏡写真である。 図１０は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的、側面図的、斜視図的に見た、走査電子顕微鏡写真である。 図１１は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的、側面図的、斜視図的に見た、走査電子顕微鏡写真である。 図１２は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層を平面図的、側面図的、斜視図的に見た、走査電子顕微鏡写真である。 図１３は、ピコ秒パルスレーザによりビア用に穿孔された表面層の後方散乱モードによる走査電子顕微鏡写真である。 図１４は、本発明のウエハ基板穿孔方法の第２ステップ後のビアのそれぞれ平面図的、斜視図的な走査電子顕微鏡写真である。 図１５は、本発明のウエハ基板穿孔方法の第２ステップ後のビアのそれぞれ平面図的、斜視図的な走査電子顕微鏡写真である。 図１６は、本発明の方法の第２ステップ後のビアの後方散乱モードによる走査電子顕微鏡写真である。 図１７は、本発明の方法の第２ステップ後のビアの後方散乱モードによる走査電子顕微鏡写真である。 図１８は、本発明の方法の第２ステップ後のビア形状の走査電子顕微鏡写真である。 図１９は、本発明の第２ステップ後のビア形状の後方散乱モードによる走査電子顕微鏡写真である。 図２０は、本発明のエッチング工程の走査電子顕微鏡写真であり、側壁を示している。 図２１は、本発明のエッチング工程の走査電子顕微鏡写真であり、側壁を示している。 図２２は、本発明のエッチング工程の走査電子顕微鏡写真であり、散乱光に照射された側壁を示している。 図２３は、シリコン小滴を一部除去した清浄な金属層を示す走査電子顕微鏡写真である。
これらの図において、同じ参照番号は同じ部分を示している。
図１を参照すると、本発明による装置においては、第１および第２のレーザ４，５が平行レーザビームを供給する。第１のレーザ５からのレーザビームは折り畳みミラー１４に入射して、そのレーザビームは、第２のレーザからのレーザビームに向かう方向へと９０度曲げられる。したがって、両方のレーザビームはビームスプリッタ１３に互いに直角に入射し、ビームスプリッタ１３は第２のレーザ４からのレーザビームを第１のレーザ５からのレーザビームから離れる方向へと９０度曲げるので、２つのビーム経路はコリメーションレンズ７に交互に同軸的に入射し、コリメーションレンズ７は基板１および表面層２を有するウエハ上にそれらのレーザビームを集束させる。
第１および第２のレーザはそれぞれの信号パルス９，１０により制御される。スイッチ１２は、図示されていない源からの信号パルス列を第１のレーザと第２のレーザとに切り替えるために設けられている。第１のレーザ５または第２のレーザ４へと切り替えられるパルス列中のトリガーパルス１１によってスイッチ１２が制御される。
このように本装置は、ウエハ１，２上の同じ位置にそれぞれのレーザビームを照射することによって半導体ウエハに対する工程を実行するために用いられる。当然のことであるが、これを達成するために用いることのできるアプローチは多く存在する。図１に図示されたアプローチでは、ビームスプリッタ１３におけるビーム経路の結合に続いて図示されているように、両方のレーザビームが共線的に伝播する。レーザビームが異なる波長を有している場合、ビームスプリッタは、レーザ５からの第１のレーザビームに対しては透過的であって、レーザ４からの第２のレーザビームに対しては反射的であるとすることができる。あるいは、偏光や他のビーム結合手段を用いることができることを当業者は認めるであろう。そのためには、各ビーム経路における光学パラメータを注意深く策定する必要がある。ビームは標準的なレンズ７を通して照射することができ、そのレンズ７は、各ビームの焦点において所要のビーム直径を実現するように設計した複合レンズとすることができる。当業者は気づくであろうが、レーザビームがウエハ上の必要とされる位置に交互に入射するように、既知で定評のあるマシンビジョンシステムとウエハモーションシステムあるいはビームモーションシステムを用いてウエハの位置決めを実現することができる。図１に示された例の場合、マシンビジョンカメラ１５がビームスプリッタ１３と折り畳みミラー１４とに対して同一線上にあり、加工前、加工中そして加工後の加工シーンおよびウエハの画像化が可能となっている。
図１は典型的な構成を示すものである。各レーザからのパルス放射を同期させることにより、表面層のシーケンシャル露光からそれに続くバルクシリコンの露光への移行が即時にまた正しい順番で確実に行なわれる。そのような実施形態の一つは、図１に示されるような電気回路を用いるものであり、それによれば、層状構造２の穿孔のためにレーザビームパルス６を与えるため、第１のレーザ５に信号パルス列９が供給される。十分な数のパルスが与えられた時点で、大き目のスイッチング信号パルスあるいは他のトリガー信号パルス１１を用いて適切な電気スイッチ１２を切り替えることにより、信号パルス列１０を第２のレーザ４に供給するように回路が切り替えられる。次いで、この第２のレーザ４がバルクシリコン１の穿孔のためにレーザビームパルス３を放射する。当業者が認めるように、レーザからのパルス放射を制御する多くの仕組みがあり、本発明は記載されたものに限定されるわけではない。
あるいは、レーザビームを互いに置き換えることができる。当業者が認めるように、事実上この工程は、先に言及した既知のマシンビジョンおよびウエハ配置の方法を用いることにより、既知のレーザ配置工程を各レーザに適用することを必要とする。
本発明による一方法によれば、一連のレーザドリルあるいはレーザ加工ステップを用いて所要の作業を実行することにより、既知のエッチング工程に関連した問題を克服する。この工程ステップは、ビアインターコネクトの穿孔、および／またはシリコンウエハのスクライビングおよびダイシングのために用いることができる。
この工程を理解するためには、使用するレーザを考慮する必要がある。ＥＰ１２０１１０８、ＥＰ１３２８３７２、ＥＰ１４０４４８１、ＥＰ１８２５５０７、ＷＯ２００７／０８８０５８に記載されているような、Ｑスイッチレーザなどの既知のナノ秒レーザは、ビア形成、スクライビング、あるいはダイシングに用いることができる。しかしある場合には、これらのナノ秒パルスレーザだけを用いると、ウエハ表面上の金属および絶縁体の層が過度に損傷を受ける。
したがって、パルス幅が１ｐｓ（ピコ秒）から１０００ｐｓの間のレーザを用いて、ウエハ上の金属および絶縁体を除去あるいは穿孔すると、副次的な損傷を引き起こさない。本発明によれば、短パルスレーザを用いることにより積層が除去あるいは穿孔される。
したがって、図１および図２Ａを参照すると、全レーザ工程は次のステップを含む。
ステップ１： 第１のレーザ５を用いて、パルス幅が１ｐｓから１０００ｐｓの間の１以上のレーザパルス６により、ウエハ表面上の１以上の層を有する層状媒質２を穿孔する２１。
ステップ２： 波長が２００ｎｍから１５００ｎｍの間で、パルス３が１ｎｓから１０００ｎｓの間のＱスイッチパルス状レーザ４を用いて、バルクシリコンウエハ２を穿孔する２２。あるいは、所望のスループットを達成するために十分な出力密度のレーザが利用できる場合は、表面層の除去あるいは穿孔に使用されたピコ秒パルスレーザと同様の短パルスレーザにより穿孔２３を実行することができる。
ステップ３： シリコン穿孔工程により生じたシリコン屑の蓄積を除去するために、穿孔されたあるいは加工されたシリコンの壁構造をエッチングする２４。
例：工程の第１ステップの結果：ピコ秒パルスレーザビームによる能動層の切断
ｐｓレーザだけによってビア用に穿孔された表面層の光学顕微鏡画像が図３ないし図６に示されている。露光された能動層はシャープであり、図７ないし図１３に示されているＳＥＭ画像で観察されるように、層が良く区別されている。加えて、表面上の粒子や屑は最小量である。
工程の第２ステップの結果：容積内 (intra volume) Ｓｉレーザドリル
能動層においてピコ秒パルスにより加工された直径〜２８μｍのビアに対して手操作により整列して、容積内 (intra volume) に深さ６０−７０μｍ、直径〜２４μｍのビアを穿孔する。図１４ないし図１９は、その結果得られたビアのＳＥＭ画像を示す。
ＳＥＭにより得られた断面図および斜視図から明らかなように、ピコ秒レーザだけによって構造層を通してきれいに穿孔され、各層は損傷なく境界が明瞭なままである。シリコン基板を穿孔するために続いてナノ秒パルスレーザを使用すると、能動層はリキャストされたシリコンで覆われるようになる。
ピコ秒レーザパルスを使用しない場合、通常ビアの内部には金属粒子が含まれる。能動層を穿孔するためにピコ秒パルスレーザを使用すると、ビア内に金属は存在しない。ウエハ表面の大部分は金属およびポリイミドであって、ビアの内壁のエッチングに対して自動的に整列されたマスクを形成しているので、シリコンと反応しても金属とは反応しないエッチング剤を用いれば、マスキングすることなく再付着したシリコンをエッチングできるであろう。
工程の第３ステップの結果：エッチング
図２０ないし図２３を参照すると、多層スタックの周りの付着したシリコン屑を取り除くために、試料をショートＸｅＦ２エッチングサイクルに処し、その好結果がそれらの図に示されている。
本発明は、エッチング剤としてＸｅＦ２を使用することに限定されない。液体あるいは気体の形体での「希ガスハロゲン化物」あるいは「ハロゲン間化合物」を代わりに用いることもできる。シリコンを除去するために、ＫＯＨ、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、あるいは当業者に既知の他の化学薬品を選択的に用いる湿式化学エッチングを代わりに用いることができる。そして、この最後のステップを実行するために、プラズマエッチングおよび反応性イオンエッチングを代わりに用いることができる。
図２Ｂを参照すると、本発明の他の実施形態として、ピコ秒パルスレーザとバルクシリコンナノ秒レーザの順番を逆にすることにより、同様の結果を得ることができる。この例において同じ結果を達成するために、表面上の層はバルクシリコン加工工程の一部としてバルクシリコンレーザにより粗く加工される２５。この工程に続いて、金属や絶縁体の層をピコ秒レーザに露光する。その場合、ビームプロフィールは、金属や絶縁体層のビア開口部を広げ、また、最初に金属や絶縁体層を加工する場合と同様のきれいな切り口や仕上げを実現する金属層の加工２６が行なわれるようなビームプロフィールによってそれを行なう。

Claims (27)

  1. パターン形成されたシリコンウエハに加工しあるいは特徴を形成する方法であって、
    ａ．パルス幅が１ｐｓから１０００ｐｓの間の第１のパルス状レーザビームを用いてウエハ上の表面層の一部を除去し、
    ｂ．波長が２００ｎｍから１１００ｎｍの間の第２のパルス状レーザビームを用いて前記表面層の下にあるバルクシリコンの一部を前記ウエハから除去する、
    ことを含む方法。
  2. 請求項１に記載の方法であって、再付着したシリコンをエッチングによって前記ウエハから除去することを含むことを特徴とする方法。
  3. 請求項１または請求項２に記載の方法であって、前記第１のパルス状レーザビームが１０００ｎｍから１１００ｎｍの間の波長を有することを特徴とする方法。
  4. 前記いずれか１項に記載の方法であって、前記第２のパルス状レーザビームが１ｎから５００ｎｓの範囲のパルス幅のＱスイッチレーザにより生成されることを特徴とする方法。
  5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の方法であって、前記第２のパルス状レーザビームが１ｐｓから１０００ｐｓの間のパルス幅を有することを特徴とする方法。
  6. 請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法であって、二フッ化キセノンでエッチングすることを含むことを特徴とする方法。
  7. 請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法であって、湿式化学エッチングを含むことを特徴とする方法。
  8. 請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の方法であって、乾式化学エッチングを含むことを特徴とする方法。
  9. 請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の方法であって、前記ウエハの表面と前記ウエハの加工壁とのうち少なくとも一つから屑を除くために前記エッチング工程を用いることを特徴とする方法。
  10. 前記請求項のいずれか１項に記載の方法であって、前記ウエハに相互接続スルービアあるいはブラインドビアを形成することを含むことを特徴とする方法。
  11. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の方法であって、ウエハのダイシングあるいはシンギュレーションを含むことを特徴とする方法。
  12. パターン形成されたシリコンウエハに加工しあるいは特徴を形成するように構成された装置であって、
    ａ．前記ウエハの表面層の一部を除去するようにしたパルス幅が１ｐｓから１０００ｐｓの間の第１のパルス状レーザビームを供給するように構成された第１のレーザと、
    ｂ．前記表面層の下にあるバルクシリコンの一部を前記ウエハから除去するように調整した波長が２００ｎｍから１１００ｎｍ間の第２のパルス状レーザビームを供給するように構成された第２のレーザと、
    ｃ．前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームを前記ウエハ上の同じ位置に向けるための手段と、
    を有する装置。
  13. 請求項１２に記載の装置であって、再付着したシリコンをエッチングによって前記ウエハから除去するように構成されたエッチング手段を有することを特徴とする装置。
  14. 請求項１２または請求項１３に記載の装置であって、前記第１のパルス状レーザビームが１０００ｎｍから１１００ｎｍの間の波長を有することを特徴とする装置。
  15. 請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載の装置であって、前記第２のレーザが、パルス幅が１ｎｓから５００ｎｓの範囲のＱスイッチレーザであることを特徴とする装置。
  16. 請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載の装置であって、前記第２のパルス状レーザビームが１ｐｓから１０００ｐｓの間のパルス幅を有することを特徴とする装置。
  17. 請求項１２ないし請求項１６のいずれか１項に記載の装置であって、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを前記ウエハ上の同じ位置に向けるために同軸的に整列させるための整列手段を有することを特徴とする装置。
  18. 請求項１３ないし請求項１７のいずれか１項に記載の装置であって、前記エッチング手段が二フッ化キセノンによってエッチングするように構成されていることを特徴とする装置。
  19. 請求項１３ないし請求項１７のいずれか１項に記載の装置であって、湿式化学エッチングを行なうように前記エッチング手段が構成されていることを特徴とする装置。
  20. 請求項１３ないし請求項１７のいずれか１項に記載の装置であって、乾式化学エッチングを行なうように前記エッチング手段が構成されていることを特徴とする装置。
  21. 請求項１３ないし請求項２０のいずれか１項に記載の装置であって、前記ウエハの表面と前記ウエハの加工壁とから屑を除くために湿式化学エッチングを行なうように前記エッチング手段が構成されていることを特徴とする装置。
  22. 請求項１２ないし請求項２１のいずれか１項に記載の装置であって、前記ウエハに相互接続スルービアあるいはブラインドビアを形成するように構成されていることを特徴とする装置。
  23. 請求項１２ないし請求項２１のいずれか１項に記載の装置であって、ウエハをダイシングするあるいはシンギュレーションを行なうように構成されていることを特徴とする装置。
  24. 請求項１２ないし請求項２３のいずれか１項に記載の装置であって、各レーザのパルスを所定のシーケンスで前記ウエハに照射するように前記第１のレーザおよび前記第２のレーザからのパルス放出を順序付けするように構成された同期手段を有することを特徴とする装置。
  25. 請求項１２ないし請求項２４のいずれか１項に記載の装置であって、前記ウエハと前記第１のレーザビームおよび前記第２のレーザビームとの相対的位置決めを容易にするためにレーザビーム経路を通して像を得るように構成されたマシンビジョンシステムを有することを特徴とする装置。
  26. 請求項１２ないし請求項２５のいずれか１項に記載の装置であって、制御パルスを前記第１のレーザと前記第２のレーザとの間で切り替えるスイッチ手段を有することを特徴とする装置。
  27. 請求項２６に記載の装置であって、前記スイッチ手段により受信される制御パルス列中にトリガーパルスを受信する時に出力制御パルスを前記第１のレーザと前記第２のレーザとの間で切り替えるように前記スイッチ手段が構成されていることを特徴とする装置。
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