KR102383378B1 - 실리콘 관통 비아 금속화를 위한 접착층 - Google Patents

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Abstract

전술한 바를 달성하기 위해 그리고 본 발명의 목적에 따라, 실리콘 웨이퍼 내에 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처를 형성하는 방법이 제공된다. 실리콘 관통 비아는 웨이퍼 내에서 에칭된다. 실리콘 관통 비아 내에 절연층이 형성된다. 실리콘 관통 비아 내에 배리어층이 형성된다. 배리어층 위에 산화물을 함유하지 않는 실리콘 접착층, 게르마늄 접착층, 또는 SiGe 접착층이 증착된다. 접착층 위에 씨드층이 증착되고 그 후 웨이퍼가 어닐링된다. 피처는 구리 또는 구리 합금으로 충진된다. 스택은 어닐링된다.

Description

실리콘 관통 비아 금속화를 위한 접착층{ADHESION LAYER FOR THROUGH SILICON VIA METALLIZATION}
본 발명은 반도체 웨이퍼 상에 반도체 디바이스들을 형성하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 관통 비아 금속화를 형성하는 것에 관한 것이다.
실리콘 관통 비아 (through silicon (Si) via) 를 함유하는 실리콘 반도체는 이미징 프로덕트 및 메모리로부터 고속 로직 및 고전압 디바이스 프로덕트까지, 다양한 기술들에 사용된다. 실리콘 반도체 웨이퍼를 관통하여 형성된 비아들을 매우 필요로 하는 하나의 기술은 3차원 (3D) 집적 회로 (IC) 이다. 3D IC는 박막 반도체 웨이퍼 칩을 스택 (stack) 하고 박막 반도체 웨이퍼 칩을 실리콘 관통 비아 (Through Silicon Via) (TSV) 와 상호 접속함으로써 생성된다.
전술한 바를 달성하기 위해 그리고 본 발명의 목적에 따라, 실리콘 웨이퍼 내에 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 (copper filled through silicon via feature) 를 형성하는 방법이 제공된다. 실리콘 관통 비아는 웨이퍼 내에서 에칭된다. 실리콘 관통 비아 내에 절연층이 형성된다. 실리콘 관통 비아 내에 배리어층 (barrier layer) 이 형성된다. 배리어층 위에 산화물을 함유하지 않는 (oxide free) 실리콘 접착층, 게르마늄 접착층, 또는 SiGe 접착층이 증착된다. 접착층 위에 씨드층 (seed layer) 이 증착된다. 이 단계에 어닐링 (annealing) 이 이어진다. 피처는 구리 또는 구리 합금으로 충진 (filling) 되고 두번째 어닐링으로 진행한다.
본 발명의 다른 현상에서, 실리콘층 내에 구리 충진된 피처를 형성하는 방법이 제공된다. 실리콘층의 피처 내에 배리어층이 형성된다. 배리어층 위에 실리콘 접착층, 게르마늄 접착층, 또는 SiGe 접착층이 증착된다. 접착층 위에 씨드층이 증착된다. 피처는 구리 또는 구리 합금으로 충진되고 웨이퍼는 어닐링된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들이 본 발명의 상세한 설명 및 이하의 도면들과 관련하여 이하에 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 플로우 차트이다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 프로세스를 사용하는 구조물의 형성의 개략도이다.
본 발명은 제한이 아닌 예시로서 유사한 참조 번호들이 유사한 엘리먼트들을 참조하는 첨부된 도면들에 예시된다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들에 예시된 바와 같이 본 발명의 몇몇 바람직한 실시예들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 이하의 설명에서, 다수의 구체적인 상세들은 본 발명의 전체적인 이해를 제공하기 위해 언급된다. 그러나, 본 발명이 이들 구체적인 상세들의 일부 또는 전부가 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 다른 예시들에서, 공지의 프로세스 단계들 및/또는 구조물들은 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 설명되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예의 하이 레벨 플로우 차트이다. 실리콘 관통 비아가 제공된다 (단계 104). 실리콘 관통 비아 위에 절연체층 (insulator layer) (주로 산화 실리콘 또는 산화 실리콘계) 이 형성된다 (단계 108). 실리콘 비아 위에 배리어층이 형성된다 (단계 112). 배리어층 위에 접착층이 형성된다 (단계 116). 접착층 위에 씨드층이 형성되고 (단계 120) 그 후 웨이퍼가 어닐링된다 (단계 124). 실리콘 관통 비아가 충진된다 (단계 128). 스택이 어닐링된다 (단계 132). 스택은 평탄화된다 (단계 136).
본 발명의 바람직한 실시예에서, 기판 내에 실리콘 관통 비아가 제공된다 (단계 104). 도 2a는 실리콘 관통 비아 (208) 를 갖는 기판 (204) 을 갖는 스택 (200) 의 개략적인 단면도이다. 실리콘 관통 비아 (208) 는 실리콘 기판 (204) 을 전체적으로 관통할 수 있거나 실리콘 기판 (204) 을 부분적으로 관통할 수 있다. 보통, 실리콘 관통 비아 (208) 가 실리콘 기판 (204) 을 전체적으로 관통하지 않으면, 실리콘 관통 비아 (208) 가 나머지 기판 (204) 을 관통하도록 실리콘 관통 비아 (208) 가 관통하지 않는 실리콘 기판 (204) 의 일부를 제거하기 위한 후속 프로세스가 제공된다. 바람직하게, 실리콘 관통 비아 (208) 는 15㎛보다 작은 폭을 갖는다. 더 바람직하게, 실리콘 관통 비아 (208) 는 8:1보다 큰 애스팩트 비 (aspect ratio) 를 갖는다. 바람직하게, 실리콘 관통 비아 (208) 는 5㎛보다 큰 깊이를 갖는다.
실리콘 관통 비아 위에 절연체층이 형성된다 (단계 108). 도 2b는 실리콘 관통 비아 (208) 위에 절연체층 (212) 이 형성된 후 스택 (200) 의 개략적인 단면도이다. 가장 일반적으로 사용되는 유전체인 산화 실리콘이 CVD (chemical vapor deposition) 또는 ALD (atomic layer deposition) 프로세스에 의해 증착될 수 있고 또는 절연체층 (212) 을 형성하기 위해 산화 분위기에서 Si로부터 열적 성장될 될 수 있다.
비아들 위에 배리어층이 형성된다 (단계 112). 도 2c는 절연체층 (212) 위에 배리어층 (216) 이 형성된 후 스택 (200) 의 개략적인 단면도이다. 바람직하게, 배리어층 (216) 은 질화 텅스텐, TiN, TiW, TiSN, WSiN, 또는 RuTiN 중 적어도 하나를 포함한다. 더 바람직하게, 배리어층 (216) 은 질량으로 10% 더 많은 텅스텐을 포함한다. 배리어층 (216) 은 또한 PVD (physical vapor deposition), CVD, 또는 ALD 프로세스에 의해 증착될 수 있지만, CVD 및 ALD는 매우 높은 애스팩트 비 비아들 (>17:1) 에서도 도금을 제공하기 때문에, CVD 및 ALD가 제공할 수 있는 층의 더 높은 정형성 (conformality) 으로 인해 CVD 및 ALD가 선호된다. 다른 실시예들에서, 배리어층 (216) 은 하나 이상의 W, Ti, Ta, N, Si, O, 또는 C의 조합을 포함한다.
배리어층 위에 접착층이 형성된다 (단계 116). 바람직하게, 접착층은 실리콘층, 게르마늄층, 또는 실리콘 게르마늄 (SiGe) 층을 증착하는 ELD (electroless deposition), ALD, 또는 CVD 프로세스에 의해 형성된다. 이러한 접착층은 SiH4, GeH4, 실리콘 및/또는 게르마늄을 함유하는 다른 수소 화합물을 사용함으로써 형성될 수 있다. 이러한 층의 두께는 20Å 내지 500Å, 바람직하게 50Å 내지 100Å의 범위일 수 있다. 도 2d는 배리어층 (216) 위에 접착층 (220) 이 형성된 후 스택 (200) 의 개략적인 단면도이다.
접착층 위에 씨드층이 형성된다 (단계 120). 본 실시예에서, 씨드층은 무전해 증착 (ELD) 또는 전기도금 (ECP; electroplating) 에 의해 형성된다. 씨드층의 증착의 예에서, ELD 용액은 4.0과 12.5 사이의 pH, 더 바람직하게 7.5와 10.5 사이의 pH를 갖는다. 증착은 실온과 95℃ 사이의 온도, 더 바람직하게, 65℃ 내지 85℃의 온도에서 수행된다. 이 용액은 적어도 하나 이상의 금속 화합물 (제한되는 것은 아니지만 금속(들)의 염화물 또는 황산염 (sulfate salt) 과 같은), 부가적인 착화제가 필요하다면, 착화제로서 또한 기능하는 pH 어저스트(들) (adjustor), 및 하나 이상의 환원제를 함유한다. 무전해 도금 용액은 또한 계면활성제 (surfactant), 스테빌라이저 (stabilizer), 스트레스 감소제 (stress reducer) 등과 같은 다른 첨가제를 함유할 수 있다. 도 2e는 접착층 (220) 위에 씨드층 (224) 이 형성된 후 스택 (200) 의 개략적인 단면도이다.
접착층 상에 씨드층이 형성된 후 웨이퍼가 어닐링된다 (단계 124). 본 실시예에서, 어닐링은 150℃ 내지 450℃의 범위의 온도로 1분 내지 60분 동안 수행된다. 더 바람직하게, 어닐링은 250℃ 내지 400℃의 온도로 5분 내지 30분 동안 수행된다.
그 후 비아들이 충진된다 (단계 128). 충진 프로세스의 예에서, 충진에 사용된 구리 또는 구리 합금을 전기도금하는 용액은 산성이고 15℃와 90℃ 사이, 더 바람직하게, 20℃와 45℃ 사이의 온도에서 동작한다. 이 용액은 적어도 하나 이상의 금속 화합물 (제한되는 것은 아니지만 금속(들)의 염화물 또는 황산염과 같은), pH 어저스터(들) 및 보텀 업 충진 (bottom up fill) 을 제공하는 서프레서 (suppressor), 액셀러레이터 (accelerator) 및 레벨러 (leveler) 의 그룹으로부터 필수적인 첨가제를 함유한다. 도 2f는 비아들이 구리 또는 구리 합금 필 (fill) (228) 로 충진된 후 스택 (200) 의 개략적인 단면도이다. 다른 실시예들에서, 구리 또는 구리 합금 필 (228) 을 제공하기 위해 ELD, CVD, 또는 ALD가 사용될 수 있다.
스택 (200) 은 또 한번 어닐링된다 (단계 132). 본 실시예에서, 어닐링은 150℃ 내지 450℃의 범위의 온도로 1분 내지 60분 동안 수행된다. 더 바람직하게, 어닐링은 250℃ 내지 400℃의 온도로 5분 내지 30분 동안 수행된다.
그 후 스택 (200) 은 평탄화된다 (단계 136). 본 실시예에서, 실리콘 관통 비아 (208) (필드) 외측의 구리 또는 구리 합금 필 (228) 은 8000Å보다 작은 두께를 갖는다. 평탄화 프로세스는 실리콘 관통 비아 (208) 위의 구리 또는 구리 합금 필 (228), 씨드층 (224), 접착층 (220), 배리어층 (216), 및 절연체층 (212) 을 제거하기 위해 스택 (200) 을 평탄화하도록 사용될 수 있다. CMP (Chemical mechanical polishing) 는 이러한 평탄화 프로세스의 예이다. 도 2g는 CMP 프로세스를 사용하여 스택 (200) 을 평탄화한 후 스택 (200) 의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 실시예들은 감소된 비용으로 실리콘 관통 비아를 충진할 수 있게 한다. 게다가, 다양한 실시예들이 TSV의 애스팩트 비가 20:1 이상이더라도 균일한 배리어층을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들은 부가적인 라이너, 배리어 또는 씨드층들을 제공할 수 있다. 실시예들은 바람직하게 Co, Ni, Fe, W, Mo, P, B, Re, Mn, Cr, Ge, Sn, In, Ga, 또는 Cu를 포함하는 합금 원소들인, Co 또는 Ni 합금의 ELD 배리어층을 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 바람직하게 Co, Ni, Fe, W, Mo, P, B, Re, Mn, Cr, Ge, Sn, In, 또는 Ga를 포함하는 합금 원소들인 Co, Ni, 또는 Cu 합금을 포함하는 무전해 라이너 또는 씨드층을 사용한다. 다른 실시예들에서, 전기도금 씨드는 TSV 구조물을 충진하기 위해 사용된 종래의 산성 전기도금 용액들에 낮은 용해도를 갖는 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 예를 들어, 씨드는 CuNi, CuCo, CuMn, CuSn, 및 CuAg로 제한되지는 않지만, Cu 또는 Cu 합금일 수 있고, 그렇지만 Ni, NiCo, Pd, Ru, 등과 같은 다른 금속 합금 조합일 수 있다. 이는 전기도금된 층이 전기도금된 씨드와 거의 같게 한다.
다른 실시예들에서, 비아들이 충진 (단계 128) 되기 전에 어닐링하지 않고 비아들이 충진 (단계 128) 된 후에 단일 어닐링이 제공될 수 있다. 이러한 어닐링은 접착층 (220) 과 씨드층 (224) 사이의 내부확산 (interdiffusion) 을 촉진하고 구리 또는 구리 합금 필의 그레인 (grain) 을 성장시키기 위해 사용되었다.
산화 실리콘이 절연체이기 때문에 실리콘 접착층, 게르마늄 접착층, 또는 SiGe 접착층은 절연체층이 아니고, 따라서 산화물을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 더 바람직하게, 접착층이 실리콘이면, 접착층은 순수 실리콘이고, 또는 접착층이 게르마늄이면, 접착층은 순수 게르마늄이고, 또는 접착층이 SiGe이면, 접착층은 주입된 Si 또는 Ge가 또한 사용될 수 있지만 (이 경우에서 주입 농도는 1% 미만) 순수 SiGe이다. 실리콘 및 게르마늄은 구리로 이동할 수 있다. 실리콘 접착층, 게르마늄 접착층, 또는 SiGe 접착층은 접착을 개선하기 위해 어닐링으로 구리로 이동할 수 있다.
다른 실시예들이 실리콘 관통 비아가 아닌 깊은 피처를 충진할 수 있다. 그러나, 바람직하게 이러한 피처는 다양한 층들을 수용하기 위해 충분히 넓고 깊어야 한다.
본 발명이 몇몇 바람직한 실시예들로 기술되었지만, 본 발명의 범위 내에 속하는 변경들, 수정들, 치환들, 및 다양한 대체하는 등가물들이 있다. 본 발명의 방법들 및 장치들을 구현하는 많은 대안적인 방식들이 있다는 것을 또한 주의해야 한다. 따라서 이하에 첨부된 청구항들은 모든 이러한 본 발명의 범위 내에 속하는 변경들, 수정들, 치환들, 및 다양한 대체하는 등가물들을 포함하는 것으로 해석되도록 의도된다.

Claims (19)

  1. 실리콘 웨이퍼 내에 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 (copper filled through silicon via feature) 를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 웨이퍼 내의 실리콘 관통 비아를 에칭하는 단계;
    상기 실리콘 관통 비아 내에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 관통 비아 내에 배리어층 (barrier layer) 을 형성하는 단계;
    상기 배리어층 위에 산화물을 함유하지 않는 (oxide free) 실리콘 접착층, 게르마늄 접착층, 또는 SiGe 접착층을 증착하는 단계;
    상기 접착층 위에 씨드층 (seed layer) 을 증착하는 단계;
    스택 (stack) 을 어닐링 (annealing) 하는 단계;
    상기 피처를 구리 또는 구리 합금으로 충진 (filling) 하는 단계; 및
    상기 스택을 어닐링하는 단계를 포함하는, 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼의 화학적 기계 연마 (chemical mechanical polishing) 를 제공하는 단계를 더 포함하는, 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 형성 방법.
  3. 스택의 실리콘층 내에 구리 충진된 피처를 형성하는 방법에 있어서,
    상기 실리콘층 내의 피처 내에 배리어층을 형성하는 단계;
    상기 배리어층 위에 실리콘 접착층, 게르마늄 접착층 또는 SiGe 접착층을 증착하는 단계;
    상기 접착층 위에 씨드층을 증착하는 단계;
    구리 또는 구리 합금으로 상기 피처를 충진하는 단계; 및
    상기 스택을 어닐링하는 단계를 포함하는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구리 또는 구리 합금으로 피처를 충진하는 단계는 무전해 증착 프로세스 (electroless deposition process) 또는 전기도금 프로세스 (electroplating process) 인, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배리어층을 형성하는 단계 전에 상기 피처 내에 절연체층 (insulator layer) 을 증착하는 단계를 더 포함하는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 피처는 실리콘 관통 비아 피처인, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 실리콘층에서 피처를 에칭하는 단계를 더 포함하는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 접착층은 산화물을 함유하지 않는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 어닐링하는 단계는 상기 피처를 충진하는 단계 후에 수행되는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 어닐링하는 단계 후에 화학적 기계 연마를 제공하는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 어닐링하는 단계는 상기 씨드층을 증착하는 단계 후 및 상기 피처를 충진하는 단계 전에 수행되는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 피처를 충진하는 단계 후에 화학적 기계 연마를 제공하는 단계를 더 포함하는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 피처를 충진하는 단계 후에 제2 어닐링을 제공하는 단계를 더 포함하는, 구리 충진된 피처 형성 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 피처는 실리콘 관통 비아 피처인, 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 형성 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 웨이퍼에서 피처를 에칭하는 단계를 더 포함하는, 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 형성 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착층은 산화물을 함유하지 않는, 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 형성 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐링하는 단계는 상기 피처를 충진하는 단계 후에 수행되는, 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 형성 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 어닐링하는 단계 후에 화학적 기계 연마를 제공하는, 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 형성 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐링하는 단계는 상기 씨드층을 증착하는 단계 후 및 상기 피처를 충진하는 단계 전에 수행되는, 구리 충진된 실리콘 관통 비아 피처 형성 방법.
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