TWI614806B - 提升矽晶穿孔製程速度之方法 - Google Patents

Description

提升矽晶穿孔製程速度之方法

本創作提供一種提升矽晶穿孔製程速度之方法，尤指用於矽晶穿孔蝕刻製程，透過矽深穿孔蝕刻以及批次式蝕刻製程之複合式製程，以提升整體矽晶穿孔製程的速度。

近年來，電子產品朝向輕薄短小化以及低功耗的方向進行研發設計，現階段係透過將晶圓面積進行縮減，並透過將多個晶圓進行堆疊，而各晶圓的垂直方向具有上、下貫穿的矽晶穿孔（Through-Silicon Via；TSV），且於該矽晶穿孔填充導電材料，以提供堆疊後的各晶圓透過矽晶穿孔進行電性連接，如此一來，可降低晶圓的面積以及晶圓間的阻值，以達到輕薄短小以及低功耗之目的。

請一併參考圖1、以及圖2A至圖2D，現有技術矽晶穿孔製程係採用深反應式離子蝕刻（Deep Reactive Ion Etching；DRIE）之方法，先將晶圓20放置於密閉空間（S10）中，接著，於密閉空間中充滿六氟化硫氣體（SF₆ ）（S11），進一步，控制電極驅使六氟化硫氣體進行電解離，使六氟化硫氣體之原子離子化（S12），同時，藉由控制電極驅使六氟化硫氣體的離子將與晶圓20之預定圖形進行反應，以對晶圓20進行蝕刻（S13），隨後，於密閉空間中充滿八氟環丁烷（C₄ F₈ ），以停止六氟化硫氣體的離子對晶圓20進行蝕刻（S14），據此，將於晶圓20形成一扇形孔（Scallop）21，經由重複前述之形成扇形孔21的步驟，達到預定之矽晶穿孔22的深度，形成具有扇形21之孔壁的矽晶穿孔22，接著，於矽晶穿孔22內進行濺鍍以及電鍍處理，使矽晶穿孔22具有導電材料，以提供晶圓的上、下表面間之電連接。

然而，現有技術之矽晶穿孔製程，若欲使矽晶導通穿孔之扇形孔之孔壁的粗糙度Ra小於100nm，則需重複更多次的深反應式離子蝕刻之步驟，而前述之方式，其最高蝕刻率僅能達到每分鐘小於10μm，透過降低蝕刻速度，方才能使矽晶穿孔之扇形孔孔壁的粗糙度Ra小於100nm。

再者，現有技術若大量晶圓需進行矽晶導通穿孔之製作，需依序將每一片晶圓依據排程，每片晶圓單獨進行深反應式離子蝕刻，俾能較為精準的控制電極，使每片晶圓形成之矽晶穿孔皆能較為一致。

由上述可知，上述之方式將致使晶圓於製作矽晶穿孔時，整體的效率大幅降低，據此，如何提升矽晶穿孔製程速度，使每片晶圓之 矽晶穿孔具有表面粗糙度小於100nm之孔壁，且較為一致，實乃目前業界極需解決之問題。

由上述可知，若欲使矽晶導通穿孔之孔壁的粗糙度小於100nm，則需重複更多次的蝕刻以及鈍化之步驟，透過花費大量時間，方才能使孔壁小於100nm，且若需進行大量晶圓的矽晶導通穿孔製作，則需每片依序進行深反應離子蝕刻，整體的效率將大幅降低；因此本創作主要目的在提供一種提升矽晶穿孔製程速度之方法，其利用複合式製程，解決製程速度降低之問題。

為解決上述之問題，本創作提供一種提升矽晶穿孔製程速度之方法，包含： 　　以大於10μm/min的速率對一矽基材進行一矽深穿孔蝕刻，使該矽基材上形成一個以上的矽晶穿孔； 　　對完成該矽深穿孔蝕刻的該矽基材進行一矽晶穿孔孔壁平坦化步驟，該矽晶穿孔孔壁平坦化係對複數矽基材同時進行之批次式蝕刻製程。

透過前述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，藉此，欲使矽基材取得較小粗糙度孔壁的矽晶穿孔，可透過將多數矽基材同時進行批次式蝕刻製程，即可使多數矽基材上的矽晶穿孔同時獲得平坦化，而不需以每分鐘10μm的蝕刻率，依序蝕刻每片晶圓，致使整體製程花費大量時間，因此，可使製程速度獲得有效提升。

以下配合圖式及本創作之較佳實施例，進一步闡述本創作為達成預定創作目的所採取的技術手段。

本創作提供一種提升矽晶穿孔製程速度之方法，透過矽基材於矽深穿孔蝕刻時，以較為快速之方法，於矽基材的垂直方向上形成矽晶穿孔，接著，以批次式蝕刻的方式，同時對複數矽基材進行矽晶穿孔孔壁平坦化步驟，因此，欲於大量矽基材上形成矽晶穿孔時，透過前述矽深穿孔蝕刻以及批次式蝕刻製程之方式，可達到提升整體製程速度之效果。

具體而言，請參考圖4，係本創作提升矽晶穿孔製程速度之方法的流程圖。本創作之方法包含下列步驟，以大於10μm/min的速率對一矽基材進行一矽深穿孔蝕刻，使該矽基材上形成一個以上的矽晶穿孔(S40)，接著，對完成該矽深穿孔蝕刻的該矽基材進行一矽晶穿孔孔壁平坦化步驟(S41)，該矽晶穿孔孔壁平坦化係對複數矽基材同時進行之批次式蝕刻製程。

關於在矽基材定義圖形之方法，請參考圖5所示的流程圖。其中，於該矽基材上塗佈一光阻(S50)，隨後對該光阻進行一烘烤步驟(S51)，接著透過一黃光配合一光罩之一圖形對該光阻進行一曝光步驟(S52)，進一步對該曝光後的該光阻進行一顯影(S53)，俾該矽基材上定義出與光罩上的該圖形（pattern）。

更進一步，請參考圖6，圖6係本創作矽深穿孔蝕刻步驟的流程圖。以一氟化硫氣體對該矽基材於前定義圖形之步驟所定義出的圖形進行蝕刻（S60）；以一氟化碳氣體，停止該氟化硫氣體對該矽基材進行蝕刻，以形成一扇形孔（S61）；接著，重複形成該扇形孔之步驟，俾於該矽基材上形成該等矽晶穿孔（S62）。

接著，請參考圖7，圖7係本創作矽晶穿孔孔壁平坦化步驟的流程圖。以一蝕刻劑對已進行該矽深穿孔蝕刻的該等矽基材進行一蝕刻步驟（S70）；對該等矽基材進行一沖水清洗步驟，以停止該蝕刻劑對該等矽基材之該孔壁進行該蝕刻步驟（S71）；於該沖水清洗步驟後，以一乾燥方式對該等矽基材進行一乾燥步驟（S72）。

詳細而言，請一併參考圖8A以及圖8B，於該矽基材80上形成該圖形後，將該矽基材80置入至一密閉腔室中，隨後，於該密閉腔室灌入一氧化硫氣體，接著，通電至電極，以進行一電漿製程，該電漿製程係將該氧化硫氣體進行離子化，進一步，透過電極，驅使該氧化硫的離子對該圖形以大於10μm/min的速率，對該矽基材80進行蝕刻，當該氟化硫氣體的離子對該矽基材80進行蝕刻時，將形成一孔洞，接著，於該密閉空間中，灌入一氟化碳氣體，將該氟化碳氣體進行離子化，以停止該氟化硫氣體的離子對該矽基材80進行蝕刻，透過該氟化碳氣體，使該氟化硫氣體不再對該矽基材80進行物理反應以及化學反應，隨後形成一扇形孔81，接著，經由重複形成該扇形孔81之步驟，使該矽基材80形成與矽基材80垂直的該矽晶穿孔82，由於該矽晶穿孔82係由複數扇形孔81組成，因此，該矽晶穿孔81之孔壁具有一粗糙度Ra1，該粗糙度Ra1係該孔壁之最高點與最低點之平均值，於此，該矽晶穿孔82的該孔壁之該粗糙度Ra1係大於100nm。

進一步，當該矽基材形成該矽晶穿孔82後，可同時將複數矽基材80(例如20片)以一蝕刻劑對該等矽基材80進行一濕蝕刻步驟，且時間控制在小於2分鐘，於該濕蝕刻步驟後，對該等矽基材80進行一清洗步驟，以停止該蝕刻劑對該等矽基材80之該孔壁進行該蝕刻步驟，於該清洗步驟後，以一乾燥方式對該等矽基材進行一乾燥步驟，據此，該等矽晶穿孔80之該孔壁的粗糙度小於100nm。

接著，當該等矽晶穿孔之該孔壁的粗糙度小於100nm後，以濺鍍以及電鍍方式，將導電材料填滿於該矽晶穿孔82內，俾該矽基材80可提供上、下表面的元件之電連接的效果。

另外，請參考圖9，該矽基材90上各矽晶穿孔92、93的粗糙度Ra2、Ra3具有一差值，該差值介於1μm至2μm（即第一矽晶穿孔92之孔壁的粗糙度Ra2與第二矽晶穿孔93之孔壁的粗糙度Ra3，兩者的粗糙度差值介於1μm至2μm間），俾於進行批次式蝕刻時，該等矽晶穿孔92、93之該孔壁具有較為相近之粗糙度，使後續濺鍍以及電鍍導電材料時，能具有較佳的導電品質。

上述之該蝕刻劑包含一硝酸、一氫氧酸以及水，上述清洗步驟係以超純水進行清洗，而該乾燥方式係以旋乾或烘乾，且該氟化硫氣體係一六氟化硫氣體，該氟化碳係一八氟環丁烷。

透過本創作之矽深穿孔蝕刻以及批次式蝕刻製程的方式，以較快的速率使矽基材先形成矽晶穿孔後，在將已完成矽晶穿孔的複數矽基材進行濕蝕刻，透過濕蝕刻的快速蝕刻技術，於大量矽基材上形成矽晶穿孔時，除矽晶穿孔之孔壁的粗糙度係容許的範圍外，更者，能使整體效率有所提升，如此一來，不需透過降低製程速度，方才能達到孔壁的粗糙度係容許的範圍。

以上所述僅是本創作的較佳實施例而已，並非對本創作做任何形式上的限制，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本創作技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。

20‧‧‧晶圓
21、81、91‧‧‧扇形孔
22、82、92、93‧‧‧矽晶穿孔
80、90‧‧‧矽基材

圖1係深反應式離子蝕刻的流程圖。 圖2A至圖2D係晶圓之矽晶穿孔形成結構圖。 圖3係矽晶穿孔孔壁粗糙度示意圖。 圖4係本創作的流程圖。 圖5係於矽基材定義圖形之方法的流程圖。 圖6係本創作矽深穿孔蝕刻步驟的流程圖。 圖7係本創作矽晶穿孔孔壁平坦化步驟的流程圖。 圖8A以及圖8B係本創作之矽晶穿孔孔壁粗糙度示意圖。 圖9係本創作之矽晶穿孔孔壁粗糙度示意圖。

Claims (10)

1. 一種提升矽晶穿孔製程速度之方法，包含：以大於10μm/min的速率對一矽基材進行一矽深穿孔蝕刻，使該矽基材上形成一個以上的矽晶穿孔；對完成該矽深穿孔蝕刻的該矽基材進行一矽晶穿孔孔壁平坦化步驟，該矽晶穿孔孔壁平坦化係對複數矽基材以一濕蝕刻步驟同時進行之批次式蝕刻製程。
2. 如請求項1所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，以大於10μm/min的速率對該矽基材進行該矽深穿孔蝕刻，使該一個以上的矽晶穿孔孔壁具有一粗糙度，而該粗糙度係大於100nm。
3. 如請求項2所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，對完成該矽深穿孔蝕刻的該矽基材進行之該矽晶穿孔孔壁平坦化製程，使該等矽晶穿孔孔壁的粗糙度小於100nm。
4. 如請求項2所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，該矽基材上各矽晶穿孔孔壁的粗糙度具有一差值，該差值介於1μm至2μm。
5. 如請求項4所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，該矽晶穿孔孔壁平坦化步驟包含：以一蝕刻劑對已進行該矽深穿孔蝕刻的該等矽基材進行一蝕刻步驟；於該蝕刻步驟後，對該等矽基材進行一沖水清洗步驟，以停止該蝕刻劑對該等矽基材之該孔壁進行該蝕刻步驟；於該沖水清洗步驟後，以一乾燥方式對該等矽基材進行一乾燥步驟。
6. 如請求項5所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，該蝕刻步驟係小於2分鐘以該蝕刻劑對該具有矽深穿孔蝕刻的該等矽基材進行蝕刻。
7. 如請求項6所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，該蝕刻劑包含一硝酸、一氫氧酸以及水。
8. 如請求項1至7其中一項所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，該矽深穿孔蝕刻包含：以一氟化硫氣體對該矽基材進行蝕刻；以一氟化碳氣體，停止該氟化硫氣體對該矽基材進行蝕刻，以形成一扇形孔；重複形成該扇形孔之步驟，俾於該矽基材上形成該等矽晶穿孔。
9. 如請求項8所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，該氟化硫氣體係一六氟化硫氣體，且該氟化碳係一八氟環丁烷。
10. 如請求項9所述之提升矽晶穿孔製程速度之方法，其中，於進行該矽深穿孔蝕刻前，包含：於該矽基材上塗佈一光阻；對該矽基材之該光阻進行一烘烤步驟；以一光線透過一光罩對該矽基材之該光阻進行一曝光步驟；於該曝光步驟後，對該矽基材之該光阻進行一顯影步驟，以於該矽基材上定義一圖形。