TWI534883B - 晶圓通孔蝕刻劑及晶圓通孔蝕刻方法 - Google Patents

Description

晶圓通孔蝕刻劑及晶圓通孔蝕刻方法

本發明有關一種晶圓蝕刻劑以及晶圓蝕刻方法，尤其有關一種可對晶圓上之通孔進行濕式蝕刻而獲得晶圓通孔孔口平整且晶圓通孔孔側壁平滑之晶圓蝕刻劑以及晶圓通孔蝕刻方法。

隨著電子設備之發展朝向追求小型化，輕量化的趨勢，對於搭載於電子設備上之晶片亦要求小型化。為了使元件得到較小之形成體積獲得較大之元件封裝密度，目前技術均朝將晶片三維堆疊配置發展。為了使堆疊之晶片彼此電路能夠有效地達成電性連接，而於晶片中形成晶圓通孔，並於晶圓通孔中填入導電金屬，形成導電栓柱，利用該導電栓柱使上下堆疊之晶片之電路間彼此進行電性連接而達到上下晶圓於垂直方向相互導通之目的，此法可達到減少電阻，增加輸入/輸出密度，及減低寄生電容等優點。

本發明提出之晶圓通孔形成技術，主要利用雷射先對晶圓打出通孔，隨後對所鑿出之晶圓通孔進行蝕刻，以對晶圓通孔進行整飾，亦稱為晶圓通孔(Through-silicon-via，TSV)蝕刻。目前常用之蝕刻技術為Bosch深反應性離子蝕刻製程(Bosch deep reactive ion etching process，簡稱Bosch DRIE製程)，主要包含循環複數次之下述步驟：電漿蝕刻步驟，係利用SF₆蝕刻矽；表面鈍化步驟，係以聚合物氣體C₄F₈保護晶圓通孔側壁；以及離子轟擊步驟，係去除晶圓通孔底部之保護層等步驟。

Bosch DRIE製程可用以製造約10~20之高長寬比之深且幾近垂直側壁之晶圓通孔。對於TSV製造而言，Bosch DRIE製程為最廣泛被使用之製程，因為以此製程可製得自次微米至數百微米之 任何直徑之晶圓通孔。惟Bosch DRIE製程係快速交替進行上述之電漿蝕刻步驟、表面鈍化步驟及離子轟擊步驟，故所形成之晶圓通孔通常呈扇貝形。若為較大扇貝形，則對於隨後製程會有負面影響，如絕緣層沉積及金屬填充製程。扇貝形大小對於蝕刻速率極為敏感，藉由謹慎調整蝕刻及鈍化製程條件，扇貝形尺寸最快僅能藉由約5μm/min之蝕刻率來製作出100nm之扇貝形尺寸。但此蝕刻速率不足以滿足矽深蝕刻之TSV製造需求。而且，DRIE製程尚牽涉到遮罩及光微影製程，且其製程成本較高，因而其在工業上之應用受到限制。

由於此種晶圓通孔之孔口平滑度及側壁粗糙度已知會引起障壁膜(barrier film)缺陷，最後會導致金屬填充失效。而且增加側壁粗糙度亦會增加後續金屬填充製程中所填充之金屬自晶圓通孔脫層之危險性，故而若能增進雷射鑿孔產生之晶圓通孔之孔口平整及孔側壁平滑度，則可使後續步驟更易於進行，且亦將使電連接之良率增加。

本發明人等基於上述情況，針對如何增進晶圓通孔之孔口平整性及孔側壁平滑度進行廣泛研究，發現利用包含特定化合物以特定組成之晶圓蝕刻劑，可獲得孔口平整且孔側壁平滑度高的晶圓通孔，因而完成本發明。

本發明之第一目的係提供一種晶圓通孔蝕刻劑，係用以蝕刻晶圓上之通孔者，其特徵為包括硝酸、氫氟酸及乙酸為主要成分。

本發明之晶圓通孔蝕刻劑中，上述乙酸係發揮作為界面活性劑之作用，用以調整蝕刻劑之表面張力。

本發明之晶圓通孔蝕刻劑中，上述硝酸、氫氟酸及乙酸以體積比計為4~6：2~4：1~2，_[j1]且較佳為以體積比計為5：3：1或5：3：2。

本發明之第二目的係提供一種晶圓通孔蝕刻方法，其包括以雷射光對晶圓鑿出通孔，接著利用上述之本發明之蝕刻劑對該晶圓通孔進行蝕刻。

本發明之晶圓通孔蝕刻方法中，上述雷射光為脈衝雷射光， 可以為奈秒、皮秒、飛秒脈衝寬度之雷射光，雷射光波長可以為265-1064nm。

可利用本發明之晶圓通孔蝕刻劑以及晶圓通孔蝕刻方法進行處理之晶圓通孔，其直徑為10μm以上且深度為50~725μm之範圍均可。

依據本發明之晶圓通孔蝕刻劑及晶圓通孔蝕刻方法，可獲得孔口平整且孔側壁平滑度高的通孔，而極有利於後續之金屬填充製程，因而可獲得通孔導通性良好的矽晶圓。

圖1為利用本發明之晶圓通孔蝕刻劑進行蝕刻處理前之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片，圖1(a)為孔口之SEM照片，圖1(b)為孔側壁之SEM照片。

圖2為利用本發明之晶圓通孔蝕刻劑進行蝕刻處理後之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片，圖1(a)為孔口之SEM照片，圖1(b)為孔側壁之SEM照片。

本發明之晶圓通孔蝕刻劑，包括硝酸、氫氟酸及乙酸為主要成分且該硝酸、氫氟酸及乙酸以體積比計為4~6：2~4：1~2。亦即，硝酸之體積為乙酸體積之4~6倍，且氫氟酸之體積為乙酸體積之2~4倍。

在以往之晶圓濕蝕刻中，使用HF-HNO₃混合物作為濕蝕刻之蝕刻劑已為悉知，其蝕刻反應機制，係以HNO₃使矽晶圓之矽氧化形成氧化矽(SiO₂)，接著利用HF蝕刻去除所形成之氧化矽。其反應機制如下。

NO₂形成：HNO₂+HNO₃ → 2NO₂+H₂O (1)

矽之氧化反應：2NO₂+Si → Si²⁺+2NO₂ ^- (2)

SiO₂之形成：Si²⁺+2(OH)^- → SiO₂+H₂ (3)

SiO₂之蝕刻：SiO₂+6HF → H₂SiF₆+2H₂O (4)

然單純以HF-HNO₃混合物作為晶圓通孔濕蝕刻之蝕刻劑時，對於通孔進行濕蝕刻產生之孔口之平整性以及孔側壁之平滑性尚 不能說令人滿意。而本發明人發現藉由於HF-HNO₃混合物中添加乙酸，能夠使蝕刻所產生之通孔孔口平整且孔側壁平滑而且以與晶圓平面幾近垂直地形成孔口，可使後續之填充導體膏而形成導電栓柱之步驟更易於進行，且亦將使電連接之良率增加。

於HF-HNO₃混合物添加乙酸作為蝕刻劑用於晶圓通孔時，可使通孔孔口平整及孔側壁平滑之作用機制尚不清楚，但推測係由於乙酸在混合物中發揮作為界面活性劑發揮之功能，而使蝕刻劑易於順利地通過孔徑約80~120μm大小之相當狹小直徑之孔內，而進行孔內之均勻蝕刻。

本發明之另一目的之晶圓通孔蝕刻方法，係包括以雷射光對晶圓鑿出晶圓通孔，接著利用包括硝酸、氫氟酸及乙酸為主要成分之蝕刻劑對該晶圓通孔進行蝕刻。其中可用之雷射光為脈衝雷射光，雷射可為奈秒、皮秒、飛秒脈衝寬度之雷射光，雷射光波長可為265-1064nm之範圍。

依據本發明之晶圓通孔蝕刻方法，由於利用包括硝酸、氫氟酸及乙酸為主要成分之蝕刻劑對該晶圓通孔進行蝕刻，而可獲得孔口平整且孔側壁平滑度高的通孔，而極有利於後續之金屬填充製程，因而可獲得通孔導通性良好的矽晶圓。

以下將以實施例具體說明本發明，但本發明不受該等實施例之限制，在不脫離本發明精神範圍內，可進行各種變更及改良，應了解該等變更及改良均屬於本發明之範圍。

實施例

1.晶圓通孔(TSV)形成：此步驟中使用之雷射源為市售之Q-光調二極體泵固態工業奈秒綠光雷射(Q-switched diode pumped solid state industrial ns green laser)，其在100kHz以28奈秒脈衝以34W之平均功率輸送波長532nm。此雷射束經由100mm焦點長度之遠心透鏡(telecentric lens)進行聚焦，以達到35μm光點尺寸及約600μm之焦點深度，而有效地對厚晶圓進行鑿孔。使用雙軸檢流計(galvanometer)快速將雷射束定位於X-Y平面進行開孔製程(trepanning)。雷射開孔製程使用之雷射束小於標的直徑且藉由 圓形移動雷射束而切除通孔。以奈秒脈衝之開孔製程可獲得85-90°錐角及100μm直徑之孔形。用以穿孔之晶圓為具有(100)結晶定向、200mm(8吋)直徑、400μm厚之單面拋光p-型單晶矽晶圓。 所得經開孔之孔口表面品質、側壁及TSV型態利用日立-4800SEM進行測量及評估。雷射系統、鑽孔材料、製程參數及標的值之規格示於下表1。進行雷射鑽孔後之孔口之SEM照片示於圖1，圖1(a)為孔口之SEM照片，圖1(b)為孔側壁之SEM照片。

2.蝕刻劑之調製：將硝酸(HNO₃)(50ml)、氫氟酸(HF)(30ml)及乙酸(CH₃COOH)(10ml)(即以體積比計為5：3：1之比例)加以混合，獲得本發明之蝕刻劑混合物。

3.濕式化學蝕刻：將上述經雷射穿孔之矽晶圓固定於晶圓固定夾具上，於濕式化學蝕刻裝置中水平放置，並以拋光表面朝上，並將上述所得之蝕刻劑維持在20℃進行濕蝕刻。以日立-4800SEM評估經化學濕蝕刻後之晶圓通孔品質，結果示於圖2，圖2(a)為孔口之SEM照片，圖2(b)為孔側壁之SEM照片。

由圖1之經化學濕蝕刻前之晶圓通孔照片及圖2之經化學濕蝕刻後之晶圓通孔照片之比較可知，以本發明之蝕刻劑蝕刻後之孔口平整且側壁平滑，可獲得孔口品質相當良好之通孔。

由上述可知，在以雷射光對晶圓進行鑿孔後，藉由本發明之以特定組成比包括硝酸、氫氟酸及乙酸為主要成分之蝕刻劑，可使通孔修整至孔口相當平整且孔側壁相當平滑之通孔。據此，在後續之於通孔中填入導電性金屬而進行埋孔之步驟中，可進行相當良好的填充，而可獲得相對良好之導電性，故而可增進電導通良率，於製作晶圓通孔中具有相當優異之利用性。

Claims (2)

1. 一種晶圓通孔蝕刻劑，係用以蝕刻晶圓上之通孔者，其特徵為包括硝酸、氫氟酸及乙酸為主要成分，前述硝酸、氫氟酸及乙酸以體積比計為5：3：2。
2. 一種晶圓通孔蝕刻方法，其包括以雷射光對晶圓鑿出通孔，接著利用一晶圓通孔蝕刻劑對該晶圓通孔進行蝕刻，該晶圓通孔蝕刻劑包含有硝酸、氫氟酸及乙酸，前述硝酸、氫氟酸及乙酸以體積比計為5：3：2，該雷射光為脈衝雷射光，該脈衝雷射光為奈秒、皮秒、飛秒脈衝寬度之雷射光，且雷射光波長為265-1064nm之範圍內。