TWI637431B - 晶背金屬化製程 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種晶背金屬化製程，包括：提供一晶圓；於晶圓之背面形成一種子層；以及利用化學鍍於種子層上形成一金屬層。

Description

晶背金屬化製程

本發明係有關於一種半導體製程，特別係有關於一種半導體晶圓製造過程中的晶背金屬化製程。

目前，在互補式金氧半導體(Complementary metal oxide semiconductor；CMOS)製程中，對於晶圓處理的後段製程包括背面研磨、表面處理、清洗、背面金屬化等步驟。在背面金屬化步驟中，一般利用蒸鍍(evaporation)或濺鍍(sputter)在晶圓背面形成一層或多層金屬層，此金屬層可做為接合/導熱用的金屬層，也可再接合基材以達到較佳的散熱及導電效果。然而，在背面金屬化步驟之前的背面研磨、表面處理、清洗等所造成的表面處理效果，通常會影響到後續背面金屬化的品質。舉例來說，如果晶圓背面的研磨、表面處理、清洗等步驟的結果不佳，則會影響金屬層與晶圓之間接合的效果，造成例如：金屬層剝離、阻抗上升、影響產品良率及半導體元件的可靠性等問題。

此外，一般製程所使用的蒸鍍機台或濺鍍機台之設備成本高昂，產量較小，尤其是蒸鍍系統因受限於手動操作，導致其產量難以提升。並且，因為蒸鍍或濺鍍對於金屬鍍膜的位置不具有選擇性，因此，當利用蒸鍍或濺鍍在晶圓背面 鍍上金屬層時，金屬會被鍍到整個反應室(chamber)上，因而需要進行額外的清潔工作來刮除不需要的鍍層部份，這樣的程序不僅耗費製程時間也造成原料上的浪費。

因此，亟需一種改良的晶背金屬化製程，其可節省製程時間和設備及原料的成本，並可在晶圓和金屬層之間提供良好的附著性。

根據一實施例，本發明提供一種晶背金屬化製程，包括：提供一晶圓；於晶圓之背面形成一種子層；以及利用化學鍍於種子層上形成一金屬層。

根據另一實施例，本發明提供一種晶背金屬化製程，包括：提供一晶圓；以及利用化學鍍於晶圓之背面形成一金屬層。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100、300‧‧‧方法

102、104、106、302、304、306‧‧‧步驟

202、402‧‧‧晶圓

204‧‧‧種子層

206‧‧‧金屬層

406‧‧‧導電層

208‧‧‧黏著層

210‧‧‧阻障層

404‧‧‧觸發層

第1圖為根據本發明第一樣態實施例顯示晶背金屬化製程的方法流程圖；第2A~2D圖顯示在一些實施例中晶背金屬化製程各階段的剖面圖；第3圖為根據本發明第二樣態實施例顯示晶背金屬化製程的方法流程圖； 第4A~4C圖顯示在一些實施例中晶背金屬化製程各階段的剖面圖。

本說明書請配合圖式一起參閱，在全文中相似的參數通常用以表示相似的元件，其中各種結構未必依照比例繪製。以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本說明書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下說明書不同範例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。

化學鍍也稱無電解鍍(Electroless plating)或者自催化鍍(Auto-catalytic plating)，是在無外加電流的情況下藉助合適的還原劑，使鍍液中金屬離子還原成金屬，並沉積到零件表面的一種鍍覆方法。化學鍍技術是在金屬的催化作用下，通過可控制的氧化還原反應產生金屬的沉積過程。與電鍍相比，化學鍍技術具有鍍層均勻、不需直流電源設備、能在非導體上沉積和具有某些特殊性能等特點。同時化學鍍也具有鍍層厚度與零件形狀無關等優點，一般可用於如線路製作、形成塑膠上 的金屬層等。此外，相較於蒸鍍或濺鍍，化學鍍的設備成本便宜且產量大，同時還可透過選擇性上鍍以避免不必要的原料浪費，大幅節省生產成本。

目前為止，並沒有將化學鍍運用在晶背金屬化製程的先前技術，主要是因為化學鍍直接與晶圓的結合和藥水的維護與控制上極不容易。本發明克服上述困難，提供一種利用化學鍍進行晶背金屬化製程的方法。

在本發明之第一樣態實施例中，提供一種晶背金屬化製程，包括：提供一晶圓，利用例如蒸鍍、濺鍍、或化學鍍等任何合適的金屬鍍膜方法於晶圓之背面形成一種子層，接著再利用化學鍍於前述之種子層上形成一金屬層。

上述化學鍍包括：化學氣相沈積(CVD)、無電解電鍍(electroless plating)、自催化鍍(auto-catalytic plating)、電化學沉積(electrochemical deposition)等。

第1圖為根據本發明一實施例顯示晶背金屬化製程的方法100流程圖。參照第1圖，方法100首先進行至步驟102，提供一晶圓202，如第2A圖所示。此晶圓202可為任何合適的半導體晶圓，例如：半導體製程中使用的矽晶圓。在一實施例中，在進入下一個步驟104之前，可先對晶圓202之背面實施一薄化研磨製程，以得到一個薄化後的晶圓202。在另一實施例中，在進入下一個步驟104之前，更可視情況對經薄化之晶圓202背面實施一蝕刻製程、一表面處理製程或其他合適的製程，用以減低晶背研磨後可能產生的應力(stress)和翹曲(warpage)，適當地增加晶圓表面的粗糙化特性，使得晶圓背面 與後續金屬化製程所鍍上的金屬層具有更好的附著性。

接著，方法100進行至步驟104，於晶圓202之背面形成一種子層204，如第2B圖所示。在一實施例中，種子層204可透過例如蒸鍍、濺鍍、化學鍍、或任何合適的金屬鍍膜方法來形成。其中，上述之金屬鍍膜方法可為本技術領域具有通常知識者所習知的方法。蒸鍍、濺鍍、化學鍍的製程步驟如本技術領域具有通常知識者所周知者，故不在此贅述。此外，本技術領域具有通常知識者亦可依照需求，視情況調整金屬鍍膜製程的參數以形成所需要的種子層204厚度。在一實施例中，種子層204可為一單層或多層，且可包括下列導電層中的至少一層：鈦(Ti)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉻(Cr)、銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、碳(C)、或錫(Sn)。舉例來說，在一實施例中，種子層204的材料可例如為鈦/銅(Ti/Cu)、鈦/鎳(Ti/Ni)、鈦/鉻(Ti/Cr)、鉻/銅(Cr/Cu)、鉻/鎳(Cr/Ni)、鉻/銀(Cr/Ag)、鉻/金(Cr/Au)、鈦/銀(Ti/Ag)、或鈦/金(Ti/Au)，但本發明所使用的種子層204不在此限。在一些實施例中，種子層204可具有一厚度介於約0.01μm至約1μm。當種子層204的厚度太薄時，種子層對於基板的附著性不好且本身均勻性也不好。相對的，當種子層204的厚度太大時，製程的花費可能會增加。

應注意的是，雖然種子層可透過例如蒸鍍、濺鍍、化學鍍、或任何合適的金屬鍍膜方法來形成，但如前所述，由於一般製程所使用的蒸鍍機台或濺鍍機台之設備成本高昂，且對於金屬鍍膜的位置不具有選擇性，因此，若選擇使用化學鍍形成種子層，則可利用化學鍍選擇性地將種子層形成於目標基 材上，使得後續以化學鍍進行金屬層之鍍膜時，可直接在形成有種子層的基材鍍上金屬層。如此一來，相較於不具有選擇性的蒸鍍或濺鍍，在形成種子層時就選擇使用化學鍍的方式，不僅可進一步地節省設備成本及製程時間，更可避免原料的不必要浪費。

方法100進行至步驟106，利用化學鍍於種子層204上形成一金屬層206，如第2C圖所示。化學鍍的製程步驟如本技術領域具有通常知識者所周知者，故不在此贅述。本技術領域具有通常知識者亦可依照需求，視情況調整化學鍍製程的參數以形成所需要的金屬層206厚度。在一實施例中，金屬層206可為一單層或多層，且可包括下列金屬層中的至少一層：鈦(Ti)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉻(Cr)、銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、或鈀(Pd)。舉例來說，在一實施例中，金屬層206的材料可例如為銀(Ag)、金(Au)、銅/金(Cu/Au)、銅/銀(Cu/Ag)、鎳/金(Ni/Au)、鎳/銀(Ni/Ag)、銅/鎳/金(Cu/Ni/Au)、或鎳/鈀/金(Ni/Pd/Au)，但本發明所使用的金屬層206不在此限。在另一實施例中，金屬層206也可例如為一具有低導電係數的單層或多層金屬層，例如：銀(Ag)。在一些實施例中，金屬層206可具有一厚度介於約0.01μm至約1μm。當金屬層206的厚度太薄時，種子層對於基板的附著性不好且本身均勻性也不好。相對的，當金屬層206的厚度太大時，製程的花費可能會增加。

應注意的是，於本案之實施例中，上述種子層204和金屬層206可包括各種排列組合，這些排列組合主要是基於附著性(adhesion)、電子遷移(electron migration)的考量而進行 選擇。舉例來說，當使用的晶圓基板為矽(silicon)時，如果直接在矽基板上沈積銅，其與基板之間的附著性較差，因此，通常會先沈積一層活性較大的金屬層(例如：鈦)於矽基板上作為黏著層208以增加附著性，接著再沈積銅或鎳作為一阻障層210，如第2D圖所示。最後再沈積低導電係數的金屬層(例如：銀)。然而，這些金屬層在後續元件使用時仍會因為受到電流通過或溫度帶來的應力(stress)影響而使金屬層產生電子遷移的現象。如果單純只選用一種金屬，例如：鋁，當持續施加應力，鋁層可能就會因此被侵蝕，甚至不見。然而，透過層與層之間的疊加或是疊層的方式，電子遷移之間會產生互補的作用，使得金屬層比較不會被侵蝕。所以，在選擇種子層和金屬層的材料時，可因應各種考量因素而採用適合的材料形成不同排列組合的多層結構。

在本案一實施例中，晶圓202上之種子層204為鈦/銅(Ti/Cu)層，金屬層206為銀(Ag)層。在此實施例中，晶圓202上的種子層204的形成是透過蒸鍍或濺鍍先後分別沉積鈦和銅，以在晶圓202上沈積鈦/銅(Ti/Cu)層，金屬層206的形成是對種子層204提供包含銀(Ag)金屬離子的溶液，並在種子層204上沈積銀(Ag)層。

類似於上述種子層及金屬層的形成方法，在本案另一實施例中，晶圓202上之種子層204為鉻/銅(Cr/Cu)層，金屬層206為鎳/銀(Ni/Ag)層，在本案另一實施例中，晶圓202上之種子層204為鉻/銅(Cr/Cu)層，金屬層206為鎳/金(Ni/Au)層。

另外，值得一提的是，在目前的晶背金屬化製程 中，最後一層金屬通常是使用貴重金屬，例如：金、鎳、銀，尤其是銀來作為鍍膜材料。而在此步驟中，習知技術所使用的蒸鍍或濺鍍不僅設備成本高昂、產量小，還需要花費較多的原料成本。明確地說，蒸鍍機台因受限於手動操作，通常一次只能處理較少的基板，而濺鍍機台一次能處理的基板數目雖然比蒸鍍多，但是化學鍍取決於其框架的大小，舉例而言，已知目前一次已可處理約25片，只要反應的槽體夠大，甚至可以一次將兩個25片一起進行反應，也就是一次可處理約50片的基板。以單位產量來說，化學鍍優於蒸鍍，以速度來說，化學鍍也比濺鍍來得快。

此外，因為蒸鍍或濺鍍對於金屬鍍膜的位置不具有選擇性，因此，當利用蒸鍍或濺鍍在晶圓背面鍍上金屬層時，金屬會被鍍到整個反應室(chamber)上，因而需要進行額外的清潔工作來刮除不需要的鍍層部份，造成貴重金屬的浪費。相較之下，化學鍍因具有選擇性，所以只會在有種子層的位置沈積金屬層，不會造成多餘的浪費。

在本發明所提供的晶背金屬化製程中，最後形成金屬層的步驟特別利用化學鍍的方式取代習知技術所使用的蒸鍍或濺鍍，不僅在硬體設備上較容易建置且成本較低、原料不會被浪費，且在製程和產量的效率上也具有優勢。

並且，值得注意的是，蒸鍍和濺鍍是以物理性的方式堆疊金屬層，其品質好壞取決於晶圓表面的處理，例如在背面金屬化步驟之前的背面研磨、表面處理、清洗等步驟的影響。然而，本發明所採用的化學鍍是透過化學性的方式進行組 裝，例如：氧化還原反應，使得層與層之間透過化學的共價鍵(covalent bond)互相連結，由於分子與分子之間產生鍵結，層與層之間的結合比起物理性的堆疊更加緊密。舉例來說，種子層或金屬層與矽(基板)之間因為產生共價鍵結而具有較強的鍵結力，比起蒸鍍或濺鍍形成的物理性堆疊會具有更好的附著性。

在本發明之第二樣態實施例中，提供一種晶背金屬化製程，包括提供一晶圓，並利用化學鍍於晶圓之背面形成一金屬層。透過化學鍍，以較少的設備、時間和原料成本使得晶圓和金屬層之間以共價鍵形成鍵結，增加晶圓和金屬層之間的附著性。

第3圖為根據本發明另一實施例顯示晶背金屬化製程的方法300流程圖。參照第3圖，方法300首先進行至步驟302，提供一晶圓402，如第4A圖所示。此晶圓402可為任何合適的半導體晶圓，例如：半導體製程中使用的矽晶圓。在一實施例中，在進入下一個步驟404之前，可先對晶圓402之背面實施一薄化研磨製程，以得到一個薄化後的晶圓402。在另一實施例中，在進入下一個步驟204之前，更可視情況對經薄化之晶圓背面實施一蝕刻製程、一表面處理製程或其他合適的製程，用以減低晶背研磨後可能產生的應力(stress)和翹曲(warpage)，適當地增加晶圓表面的粗糙化特性，使得晶圓背面與後續金屬化製程所鍍上的金屬層具有更好的附著性。

接下來，方法300進行至步驟304，於晶圓之背面形成一觸發層，此觸發層可包括下列導電層之至少一層：鈀 (Pd)、銀(Ag)、或碳(C)。

接著，方法300進行至步驟306，於觸發層404上形成一導電層406。在一實施例中，導電層406是透過化學鍍的方法來形成。其中，化學鍍的製程步驟一如本技術領域具有通常知識者所周知者，故不在此贅述。此外，本技術領域具有通常知識者亦可依照需求，視情況調整化學鍍製程的參數以形成所需要的金屬層厚度。在一實施例中，導電層406可為一單層或多層，且可包括下列導電層中的至少一層：鈦(Ti)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉻(Cr)、銀(Ag)、金(Au)、碳(C)、錫(Sn)、或鈀(Pd)。舉例來說，在一實施例中，導電層可例如為鈦/銅(Ti/Cu)、鈦/鎳(Ti/Ni)、鉻/銅(Cr/Cu)、鉻/鎳(Cr/Ni)、鉻/銀(Cr/Ag)、鉻/金(Cr/Au)、鈦/銀(Ti/Ag)、鈦/金(Ti/Au)、銅/金(Cu/Au)、銅/銀(Cu/Ag)、鎳/金(Ni/Au)、鎳/銀(Ni/Ag)、鈀/銀(Pd/Ag)、銅/鎳/金(Cu/Ni/Au)、銅/鎳/銀(Cu/Ni/Ag)、鎳/鈀/金(Ni/Pd/Au)、鈀/鎳/金(Pd/Ni/Au)、碳/銅(C/Cu)、碳/銀(C/Ag)、或碳/鎳(C/Ni)，但本發明所使用的導電層406不在此限。

在本發明之第二樣態實施例中，係直接以化學鍍的方式於晶圓402背面形成導電層406，類似於本發明之第一樣態實施例，此導電層406也可包括各種排列組合，可因應各種考量因素而採用適合的材料形成不同排列組合的單層或多層結構。直接利用化學鍍的方式於晶圓背面形成導電層之優點與本發明第一樣態實施例中以化學鍍形成種子層及金屬層所述相同，故不再此贅述。

在本案一實施例中，晶圓402上之觸發層404為鈀 (Pd)層，導電層406為銀(Ag)層。在此實施例中，晶圓402上的觸發層404的形成是透過對晶圓402提供包含鈀(Pd)金屬離子的溶液，在晶圓402上沈積鈀(Pd)層，以形成觸發層404。類似的，導電層406的形成是對觸發層404提供包含銀(Ag)金屬離子的溶液，在觸發層404上沈積銀(Ag)層，以形成導電層406。

類似上述觸發層及導電層的形成方法，在本案另一實施例中，晶圓402上之觸發層404為鈀(Pd)層，導電層406為鎳/金(Ni/Au)層。

綜上所述，本發明提供一種晶背金屬化製程，其係透過化學鍍的方式習知技術所使用的蒸鍍或濺鍍，不僅在硬體設備上較容易建置且成本較低、原料不會被浪費，且在製程和產量的效率上也具有優勢。此外，本發明所採用的化學鍍是透過化學性的方式進行組裝，層與層之間產生的共價鍵結比起物理性的堆疊更加緊密，在晶圓和金屬層之間提供良好的附著性。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (11)

1. 一種晶背金屬化製程，包括：提供一晶圓；於該晶圓之背面形成一種子層，且該種子層係直接接觸該晶圓；以及利用化學鍍於該種子層上形成一金屬層，其中該金屬層的厚度在0.01μm至1μm的範圍內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之晶背金屬化製程，其中於該晶圓之背面形成一種子層包括以蒸鍍、濺鍍、或化學鍍來完成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之晶背金屬化製程，其中該種子層包括下列導電層中的至少一層：鈦(Ti)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉻(Cr)、銀(Ag)、金(Au)、鈀(Pd)、碳(C)、錫(Sn)、鈦/銅(Ti/Cu)、鈦/銀(Ti/Ag)、鈦/鎳(Ti/Ni)、鉻/銅(Cr/Cu)、鉻/銀(Cr/Ag)、或鉻/鎳(Cr/Ni)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之晶背金屬化製程，其中該金屬層包括下列金屬層中的至少一層：鈦(Ti)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉻(Cr)、銀(Ag)、金(Au)、錫(Sn)、鈀(Pd)、鎳/金(Ni/Au)、鎳/鈀/金(Ni/Pd/Au)、鎳/銀(Ni/Ag)、或銅/鎳/銀(Cu/Ni/Au)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之晶背金屬化製程，其中於該晶圓之背面形成一種子層之前，更包括對該晶圓之背面實施一薄化研磨製程。
6. 如申請專利範圍第5項所述之晶背金屬化製程，其中於該薄化研磨製程之後，更包括對經薄化之該晶圓背面實施一蝕刻製程或一表面處理製程。
7. 一種晶背金屬化製程，包括：提供一晶圓；於該晶圓之背面形成一觸發層，且該觸發層係直接接觸該晶圓；以及利用化學鍍於該觸發層上形成一導電層，其中該導電層的厚度在0.01μm至1μm的範圍內。
8. 如申請專利範圍第7項所述之晶背金屬化製程，其中該導電層包括下列導電層中的至少一層：鈦(Ti)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉻(Cr)、銀(Ag)、金(Au)、碳(C)、錫(Sn)、或鈀(Pd)。
9. 如申請專利範圍第7項所述之晶背金屬化製程，其中於該晶圓之背面形成一觸發層之前，更包括對該晶圓之背面實施一薄化研磨製程。
10. 如申請專利範圍第9項所述之晶背金屬化製程，其中於該薄化研磨製程之後，更包括對經薄化之該晶圓背面實施一蝕刻製程或一表面處理製程。
11. 如申請專利範圍第7項所述之晶背金屬化製程，其中該觸發層包括下列導電層中的至少一層：鈀(Pd)、銀(Ag)、或碳(C)。