專利名稱：用于形成硅通孔的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造エ藝，特別涉及用于形成硅通孔的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，芯片中所含器件的數(shù)量不斷増加，器件的尺寸也因集成度的提升而不斷地縮小，生產(chǎn)線上使用的線路寬度已進(jìn)入了亞微米的范圍。集成電路技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)カ來源于對(duì)更高性能、更多功能、更小尺寸、更低功耗和成本的需求，經(jīng)濟(jì)的新型小尺寸3D娃通孔(TSV, Through -Silicon-Via)封裝技術(shù)也由此應(yīng)運(yùn)而生。3D硅通孔技術(shù)是通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯 片之間互連的最新技木。與以往集成電路封裝鍵合和使用凸點(diǎn)的疊加技術(shù)不同，硅通孔能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗的性能。它也被稱為繼線鍵合(Wire Bonding)、TAB和倒裝芯片(FC)之后的第四代封裝技術(shù)。硅通孔封裝的主要優(yōu)勢(shì)為具有最小的尺寸和重量，將不同種類的技術(shù)集成到單個(gè)封裝中，用短的垂直互連代替長的2D互連，降低寄生效應(yīng)和功耗等。然而，當(dāng)采用上述エ藝過程形成硅通孔時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)較嚴(yán)重的缺陷。圖I(A)-I(G)是說明使用現(xiàn)有技術(shù)形成硅通孔時(shí)存在缺陷的示意圖，如圖I(A)所示，在半導(dǎo)體襯底102的正面102A上已經(jīng)形成有硬掩膜層，例如具體為氧化物層104和氮化硅層106、并經(jīng)過例如刻蝕エ藝而形成凹槽108，作為硅通孔的凹槽，并且在凹槽108的內(nèi)壁沉積了氧化物層110，例如氧化硅層。現(xiàn)有技術(shù)中常常遇到的ー個(gè)問題是，在完成硅通孔結(jié)構(gòu)的最后步驟，即在硅通孔凹槽108中填充導(dǎo)電材料如金屬材料時(shí),通常會(huì)發(fā)生污染(contamination),并且填充的金屬材料無法承受封裝半導(dǎo)體器件時(shí)的高溫。針對(duì)上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中的一種解決方案是提前在硅通孔的凹槽108中填充多晶硅。如圖I (B)所示，112表示填充進(jìn)硅通孔凹槽108中的多晶硅。如圖I(C)所示，接下來去除半導(dǎo)體襯底102的正面102A上的硬掩膜層，例如通過蝕刻去除氮化硅層106，并繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，用以去除氧化物層104。如圖I(D)所示，對(duì)半導(dǎo)體襯底102進(jìn)行前段エ序和后段エ序的處理。如圖I(E)所示，對(duì)半導(dǎo)體襯底的背面102B進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，用以露出硅通孔凹槽108。這時(shí)，出現(xiàn)了另ー個(gè)問題，即多晶硅112的高阻抗特性會(huì)導(dǎo)致器件的性能變差，并且在之前填充到凹槽108中的多晶硅112很難從襯底的背面102B完全去除。如圖I(F)所示，多晶硅112沒有完全被去掉，從而會(huì)產(chǎn)生粗糙的多晶硅薄膜表面114?；蛘撸鐖DI(G)所示，即使多晶硅112完全被去棹，可能在硅通孔的上部形成粗糙的硅化物表面116。上述兩個(gè)問題都會(huì)在硅通孔凹槽108中填充金屬材料后影響半導(dǎo)體器件的性能。因此，本領(lǐng)域需要一種改進(jìn)形成硅通孔的方法，即能夠有效地克服在硅通孔的凹槽中填充金屬材料時(shí)發(fā)生的污染，又能夠在之后的エ藝中防止殘留不必要的材料以及克服可能在硅通孔中形成粗糙的硅化物表面的影響，從而提高制造半導(dǎo)體器件的良品率，并且同時(shí)具有簡單的制造流程和較低的成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了能夠有效地克服在硅通孔凹槽中填充金屬材料時(shí)發(fā)生的污染，又能夠在之后的エ藝中防止殘留不必要的材料以及克服可能在硅通孔中形成粗糙的硅化物表面的影響的技術(shù)問題，本發(fā)明對(duì)形成硅通孔的方法進(jìn)行了改進(jìn)。本發(fā)明提出一種用于形成硅通孔的方法，包括下列步驟提供半導(dǎo)體襯底；對(duì)襯底進(jìn)行刻蝕，以形成凹槽；在所述凹槽中填充犧牲材料層；回蝕刻所述犧牲材料層，并在所述凹槽上部沉積多晶硅層；對(duì)所述襯底的背面進(jìn)行拋光，用以暴露出凹槽；剝離所述凹槽中的犧牲材料層；在凹槽中沉積金屬材料層，并使其與所述多晶硅層反應(yīng)形成金屬硅化物；在凹槽中填充導(dǎo)電材料以形成所述硅通孔。其中所述形成凹槽的步驟進(jìn)一歩包括在所述襯底的正面形成硬掩膜層，用以形成圖案以對(duì)所述襯底進(jìn)行蝕刻，并且在所述回蝕刻步驟之后以及所述拋光步驟之前進(jìn)ー步包 括去除所述硬掩膜層。其中在所述形成凹槽的步驟完成后以及在所述填充犧牲材料層之前，進(jìn)ー步包括在所述凹槽的內(nèi)壁上形成氧化層。其中在所述回蝕刻步驟之后以及在所述拋光步驟之前進(jìn)ー步包括對(duì)所述襯底執(zhí)行前段エ序和后段エ序。 其中所述多晶硅層的材料為摻雜的多晶硅。其中所述多晶硅層的厚度為所述凹槽深度的1/20至1/10。其中所述金屬材料層的材料為CoWP。其中所述金屬材料層的材料為鎳、鎢或鈷。其中所述金屬材料層的厚度為50至500埃。其中所述導(dǎo)電材料為銅。其中剝離所述凹槽中的犧牲材料層使用O2和C02。其中所述犧牲材料層的材料為大硬度的含碳材料層，具體可為不定型碳。其中對(duì)所述襯底的背面進(jìn)行拋光使用化學(xué)機(jī)械拋光エ藝。其中形成所述多晶硅層使用化學(xué)氣相沉積エ藝或物理氣相沉積エ藝。根據(jù)本發(fā)明的用于形成硅通孔的方法，能夠有效克服在硅通孔凹槽中填充金屬材料時(shí)發(fā)生的污染，又能夠在之后的エ藝中防止殘留不必要的材料以及克服可能在硅通孔中形成粗糙的硅化物表面的影響，并且能夠提高硅通孔金屬接ロ的性能，從而提高制造半導(dǎo)體器件的良品率，并且同時(shí)具有簡單的制造流程和較低的成本。


本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。在附圖中，
圖I(A)-I(G)是說明使用現(xiàn)有技術(shù)形成硅通孔時(shí)存在缺陷的示意 圖2(A)-2(H)為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的形成硅通孔的方法示意 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的形成硅通孔的方法流程圖；以及 圖4(A)-4(D)為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的硅通孔的凹槽示意圖。
具體實(shí)施例方式接下來，將結(jié)合附圖更加完整地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例。但是，本發(fā)明能夠以不同形式實(shí)施，而不應(yīng)當(dāng)解釋為局限于這里提出的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例將使公開徹底和完全，并且將本發(fā)明的范圍完全地傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，為了清楚，層和區(qū)的尺寸以及相對(duì)尺寸可能被夸大。自始至終相同附圖標(biāo)記表示相同的元件。除非另外定義，在此使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所通常理解的相同的含義。還將理解，諸如普通使用的字典中所定義的術(shù)語應(yīng)當(dāng)理解為具有與它們?cè)谙嚓P(guān)領(lǐng)域和/或本規(guī)格書的環(huán)境中的含義一致的含義，而不能在理想的或過度正式的意義上解釋，除非這里明示地這樣定義。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明對(duì)形成硅通孔的方法進(jìn)行了改進(jìn)，并通過圖2(A)-2(H)對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行示例性的說明。如圖2(A)所示，提供半導(dǎo)體襯底202，在半導(dǎo)體襯底202的正面202A上形成硬掩膜層，例如可以依次包括氧化物層204、氮化 硅層206，氧化物層204具體為氧化硅。并對(duì)硬掩膜層和襯底經(jīng)過例如刻蝕エ藝而形成凹槽208，以作為硅通孔的凹槽。然后在凹槽208的內(nèi)壁沉積氧化物層210，氧化物層210具體為氧化硅。如圖2 (B)所示，在凹槽208中填充犧牲材料層212，然后進(jìn)行回蝕刻以去除部分犧牲材料層212，在犧牲材料層212的上部沉積多晶硅層214，其中犧牲材料層212為具有大硬度的含碳材料層，具體可以為不定型碳，也可以是例如金剛石等具有相當(dāng)硬度的并易于剝離的含碳材料。并且多晶硅層214優(yōu)選使用摻雜的多晶硅。優(yōu)選地，其中多晶硅層214處于凹槽208中靠近所述半導(dǎo)體襯底202的正面202A的一方。優(yōu)選地，其中多晶硅層214的厚度為凹槽208的深度的1/20至1/10。如圖2(C)所示，接下來去除半導(dǎo)體襯底202的正面202A上的硬掩膜層，例如通過蝕刻去除氮化硅層206，并繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，用以去除氧化物層204。如圖2(D)所示，對(duì)半導(dǎo)體襯底202進(jìn)行前段エ序(FEOL)和后段エ序(BEOL)的處理。如圖2(E)所示，對(duì)半導(dǎo)體襯底202的背面202B進(jìn)行拋光，優(yōu)選為化學(xué)機(jī)械拋光，用以露出凹槽208。如圖2(F)所示，剝離凹槽208中的犧牲材料層212。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，犧牲材料層212為不定型碳層，通過使用O2和CO2剝離犧牲材料層212。如圖2 (G)所示，在凹槽208中形成金屬材料層218，例如通過化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積，所述金屬材料層218用干與摻雜的多晶硅反應(yīng)形成金屬硅化物。具體可以為鎳、鈷、鎢等金屬，優(yōu)選地，所述金屬材料層218的材料為CoWP。使所述金屬材料層218與所述多晶硅層反應(yīng)以使多晶硅層214的可能粗糙的表面變成硅化物216，金屬材料層218可用以平坦上述粗糙的表面，并提高金屬接ロ性能。優(yōu)選地，金屬材料層218的厚度為50至500埃。如圖2(H)所示，向凹槽208中填充導(dǎo)電材料220，例如金屬材料，優(yōu)選為銅。從而形成了硅通孔結(jié)構(gòu)200。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的形成硅通孔的方法流程圖。如圖3所示，在步驟302中，提供半導(dǎo)體襯底，并對(duì)襯底經(jīng)過例如刻蝕エ藝而形成凹槽，以作為硅通孔的凹槽。在步驟304中，在凹槽中填充犧牲材料層。其中犧牲材料層為具有大硬度的含碳材料層，具體可以為不定型碳，也可以是例如金剛石等具有相當(dāng)硬度的并易于剝離的含碳材料。在步驟306中，進(jìn)行回蝕刻以去除部分犧牲材料層，在犧牲材料層的上部沉積多晶硅層。其中多晶硅層優(yōu)選為摻雜的多晶硅層。在步驟308中，對(duì)半導(dǎo)體襯底的背面進(jìn)行拋光，優(yōu)選為化學(xué)機(jī)械拋光，用以露出凹槽。在步驟310中，剝離凹槽中的犧牲材料層。優(yōu)選地，通過使用O2和CO2剝離犧牲材 料層。在步驟312中，在凹槽中沉積金屬材料層，使金屬材料層與多晶硅層反應(yīng)以使多晶娃層的可能粗糖的表面變成娃化物。在步驟314中，向凹槽中填充導(dǎo)電材料，例如金屬材料，優(yōu)選為銅。從而形成了硅通孔結(jié)構(gòu)。圖4(A)_4(D)為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的硅通道凹槽示意圖。如圖4(A)_4(D)所示，例如在步驟302中形成的硅通孔的凹槽可以是任何有利于本發(fā)明的技術(shù)方案的形狀，它的剖面形狀包括但不限于圖4(A)-4(D)中所示的形狀。其中，402A-402D為半導(dǎo)體襯底，在半導(dǎo)體襯底402A-402D上形成有硬掩膜層，硬掩膜層例如具體為氧化物層404A-404D和氮化硅層406A-406D，并且在凹槽408A-408D的內(nèi)壁上形成有氧化物層410A-410D。其中氧化物層404A-404D和氧化物層410A-410D可以分別具體為氧化硅。本發(fā)明使用的金屬材料層與多晶硅層形成硅化物，以形成平滑的表面，并且保護(hù)硅通孔中的銅材料使其不會(huì)受到エ序中的干法刻蝕或濕法刻蝕時(shí)的化學(xué)物質(zhì)或氣體的損害；采用具有大硬度的含碳材料例如不定型碳作為所述犧牲材料層能夠被很容易地剝離，而不會(huì)對(duì)硅通孔或其它部分造成損傷；此外，CoWP具有良好的金屬-金屬接ロ性能。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，能夠有效克服在硅通孔凹槽中填充金屬材料時(shí)發(fā)生的污染，又能夠在之后的エ藝中防止殘留不必要的材料以及克服可能在硅通孔中形成粗糙的表面的影響，并且能夠提高硅通孔金屬接ロ的性能，從而提高制造半導(dǎo)體器件的良品率，并且同時(shí)具有簡單的制造流程和較低的成本。盡管本文中描述了多個(gè)實(shí)施例，但是應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到多種其他修改和實(shí)施例，他們都將落入本發(fā)明公開的構(gòu)思的精神和范圍內(nèi)。更特別地，在本發(fā)明公開、附圖、以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以在主題的結(jié)合排列的排列方式和/或組成部分方面進(jìn)行各種修改和改變。除了組成部分和/或排列方式的修改和改變以外，可替換方式的使用對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是顯而易見的選擇。
權(quán)利要求
1.一種用于形成硅通孔的方法，包括下列步驟 提供半導(dǎo)體襯底； 對(duì)所述襯底進(jìn)行刻蝕，以形成凹槽； 在所述凹槽中填充犧牲材料層； 回蝕刻所述犧牲材料層，并在所述凹槽上部沉積多晶硅層； 對(duì)所述襯底的背面進(jìn)行拋光，用以暴露出凹槽； 剝離所述凹槽中的犧牲材料層； 在凹槽中沉積金屬材料層，并使其與所述多晶硅層反應(yīng)形成金屬硅化物； 在凹槽中填充導(dǎo)電材料以形成所述硅通孔。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述形成凹槽的步驟進(jìn)一步包括在所述襯底的正面 >形成硬掩膜層，用以形成圖案以對(duì)所述襯底進(jìn)行蝕刻，并且在所述回蝕刻步驟之后以及所述拋光步驟之前進(jìn)一步包括去除所述硬掩膜層。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中在所述形成凹槽的步驟完成后以及在所述填充犧牲材料層之前，進(jìn)一步包括在所述凹槽的內(nèi)壁上形成氧化層。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中在所述回蝕刻步驟之后以及在所述拋光步驟之前進(jìn)一步包括對(duì)所述襯底執(zhí)行前段工序和后段工序。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述多晶硅層的材料為摻雜的多晶硅。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述多晶硅層的厚度為所述凹槽深度的1/20至1/10。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述金屬材料層的材料為CoWP。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述金屬材料層的材料為鎳、鎢或鈷。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述金屬材料層的厚度為50至500埃。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述導(dǎo)電材料為銅。
11.如權(quán)利要求I所述的方法，其中剝離所述凹槽中的犧牲材料層使用O2和C02。
12.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述犧牲材料層的材料為大硬度的含碳材料層。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述犧牲材料層的材料為不定型碳。
14.如權(quán)利要求I所述的方法，其中對(duì)所述襯底的背面進(jìn)行拋光使用化學(xué)機(jī)械拋光工藝。
15.如權(quán)利要求I所述的方法，其中形成所述多晶硅層使用化學(xué)氣相沉積工藝或物理氣相沉積工藝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于形成硅通孔的方法，包括下列步驟提供半導(dǎo)體襯底；對(duì)襯底進(jìn)行刻蝕，以形成凹槽；在所述凹槽中填充犧牲材料層；回蝕刻所述犧牲材料層，并在所述凹槽上部沉積多晶硅層；對(duì)所述襯底的背面進(jìn)行拋光，用以暴露出凹槽；剝離所述凹槽中的犧牲材料層；在凹槽中沉積金屬材料層，并使其與所述多晶硅層反應(yīng)形成金屬硅化物；在凹槽中填充導(dǎo)電材料以形成所述硅通孔。根據(jù)本發(fā)明的用于形成硅通孔的方法，能夠有效克服在硅通孔凹槽中填充金屬材料時(shí)發(fā)生的污染，又能夠在之后的工藝中防止殘留不必要的材料以及克服可能在硅通孔中形成粗糙的硅化物表面的影響，并且能夠提高硅通孔金屬接口的性能，從而提高制造半導(dǎo)體器件的良品率。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102832161SQ20111015722
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者李凡, 張海洋 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司