專利名稱：一種硅通孔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路制造工藝，尤其是一種硅通孔的制作方法。
背景技術(shù)：
硅通孔(Through Si via，TSV)工藝是一種新興的集成電路制作工藝，將制作在硅片上表面的電路通過硅通孔中填充的金屬連接至硅片背面，結(jié)合三維封裝工藝，使得IC布局從傳統(tǒng)二維并排排列發(fā)展到更先進(jìn)的三維堆疊，這樣元件封裝更為緊湊，通過縮短芯片引線距離，可以極大的提高電路的頻率特性和功率特性。硅通孔工藝應(yīng)用廣泛，適合用作多方面器件性能提升。如將其用于無線局域網(wǎng)與手機中功率放大器，將極大的提高電路的頻 率特性和功率特性。硅通孔工藝制作中，一般采用先進(jìn)的刻蝕工藝在硅基體中制作出具有極大深寬比的孔或溝槽，孔或溝槽深度大致為100微米。在該孔或溝槽中填充金屬，將硅片背面減薄后將電極通過背面引出。根據(jù)通孔的形成階段，可分為兩種不同的工藝通孔先(Via-first)和通孔后(via-last)。前者是在CMOS IC制作工藝前或者在CMOS IC制作工藝中后端制程(BEOL)之前形成硅通孔結(jié)構(gòu)，后者是在CMOS IC制作完成之后，再完成硅通孔的制作。目前在與IC工藝相兼容的via-f irst制作工藝中，通常是在BEOL (制程的后道)工藝之前與栓孔(Contact)集成在一起完成的。上述所述的via-f irst娃通孔工藝，由于與栓孔工藝相集成,難度在于100微米深溝槽硅刻蝕和金屬填充，特別的對于深溝槽的硅刻蝕。通常做法是第一步，先進(jìn)行栓孔刻蝕工藝，刻蝕柵極與金屬層之間的氧化膜(PMD layer)，同時也要把硅通孔的表面的氧化膜刻蝕干凈。第二步，涂膠，曝光，栓孔區(qū)域被光刻膠保護(hù)，然后就是硅通孔的刻蝕，可以看至IJ，硅通孔結(jié)構(gòu)要進(jìn)行兩次刻蝕。第一次是氧化膜介質(zhì)刻蝕，第二次是硅深槽刻蝕(硅基刻蝕)，在該步工藝中，為了刻蝕出> IOOum(微米)深度的溝槽，需要用高強度的離子轟擊和高刻蝕速率的SF6，硅刻蝕以后，在氧化膜與硅的交界面，容易在硅界面以下的區(qū)域形成橫向的底切(undercut)(見圖I)，這種深溝槽形貌不利于后續(xù)的金屬填充，容易產(chǎn)生縫隙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種硅通孔的制作方法，該方法可以避免在氧化膜的交界面形成橫向的底切(undercut),有利于后續(xù)金屬的填充。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種硅通孔的制作方法，包括如下步驟步驟1，在硅襯底上沉積柵極與金屬層之間的層間介質(zhì)膜；步驟2，栓孔與硅通孔PAD (墊)光刻與刻蝕；步驟3，硅通孔光刻與刻蝕；步驟4,栓孔與娃通孔金屬填充。所述硅通孔結(jié)構(gòu)為深孔或深溝槽，其深度為50-250微米，寬度為I. 5-5微米。優(yōu)選的，所述硅通孔的深度為50-100微米，寬度為2-3微米。
在步驟I中，所述層間介質(zhì)膜的厚度為5000 10000埃，所述層間介質(zhì)膜采用SACVD或PECVD工藝淀積。在步驟2中，所述硅通孔PAD指在栓孔層版圖設(shè)計的時候，將硅通孔表面的區(qū)域設(shè)計為一整塊類似PAD的圖形，該PAD的邊界與下層的硅通孔邊界有2 6微米的overlay (套準(zhǔn))，該步驟在刻蝕栓孔的同時將該硅通孔PAD區(qū)域的層間介質(zhì)膜去除。在步驟2中，所述刻蝕采用干法刻蝕工藝，溫度為10 50°C，壓力為20 60mTorr,刻蝕氣體為C4F8、O2和Ar混合氣體。在步驟3中，所述硅通孔的刻蝕為等離子體干法刻蝕，所用刻蝕氣體包括SF6和CF4混合氣體，壓力范圍為70 120mTorr，溫度為10 45°C。在步驟4中，栓孔金屬填充與硅通孔金屬填充同時進(jìn)行，栓孔的尺寸比硅通孔的尺寸小，所以硅通孔填滿金屬時，栓孔也被填滿金屬。 在步驟4中，所述硅通孔金屬填充包括墊層金屬填充及填孔金屬填充，墊層金屬采用Ti或Ti/TiN，墊層金屬的厚度為200 1000埃，填孔金屬采用鎢或銅；對于金屬鎢填充，由于硅通孔的高深寬比，填充工藝可與回刻工藝交替使用；鎢淀積厚度為硅通孔寬度的1/5 1/2，優(yōu)選1/4 1/3，厚度不超過15000埃；鎢回刻采用終點刻蝕方式，過刻蝕10% 50 %，優(yōu)選20 % 30 % ;鎢沉積與回刻可重復(fù)進(jìn)行，直至將栓孔與硅通孔填滿。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明采用了一種新的via-first硅通孔的制作工藝方法，是在BEOL工藝之前與栓孔(Contact)模塊集成在一起。在栓孔層版圖設(shè)計的時候，將硅通孔表面的區(qū)域設(shè)計為一整塊類似PAD的圖形，該PAD的邊界與下層的娃通孔邊界有2 6um的overlay,與在刻蝕栓孔的同時將該PAD區(qū)域的氧化膜去除。后續(xù)工藝直接刻蝕硅體形成硅通孔。與傳統(tǒng)的方法相比，可以避免在氧化膜的交界面形成橫向的底切(undercut),有利于后續(xù)金屬的填充。該工藝方法便于與現(xiàn)有集成電路工藝集成，并利用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行加工，可以降低工藝難度和成本。


圖I是采用傳統(tǒng)工藝兩次娃通孔刻蝕后形成的底切(undercut)示意圖；圖2是本發(fā)明中硅通孔PAD的示意圖；圖3是本發(fā)明方法的步驟I完成后的示意圖；圖4是本發(fā)明方法的步驟2完成后的示意圖；圖5是本發(fā)明方法的步驟3完成后的示意圖；圖6是本發(fā)明方法的步驟4完成后的示意圖；圖7是圖6中硅通孔結(jié)構(gòu)的放大示意圖；其中，11為栓孔,12為娃通孔PAD, 13為娃通孔,I為娃襯底,2為層間介質(zhì)膜(PMD)，3為墊層金屬，4為填孔金屬。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明的一種硅通孔的制作方法，主要包括如下步驟步驟I :如圖3所示，在硅襯底I上沉積柵極與金屬層之間的層間介質(zhì)膜2 ;該層間介質(zhì)膜2的厚度為5000 10000埃，該層間介質(zhì)膜2 —般采用氧化膜，可采用SACVD (次常壓化學(xué)汽相沉積)或PECVD (等離子體增強化學(xué)氣相沉積)工藝淀積。步驟2 :如圖4所示，栓孔11與硅通孔PAD 12光刻與刻蝕；具體刻蝕工藝為干法刻蝕，溫度10 50°C，壓力20 60mTorr，刻蝕氣體為C4F8, O2和Ar混合氣體。在栓孔層版圖設(shè)計的時候，將硅通孔表面的區(qū)域設(shè)計為一整塊類似PAD (墊)的圖形，該PAD的邊界與下層的硅通孔(TSV)邊界有2 6um(微米)的overlay (套準(zhǔn))，見圖2 ;該步驟在刻蝕栓孔11的同時將該硅通孔PAD 12區(qū)域的層間介質(zhì)膜2去除，這樣可以避免采用傳統(tǒng)工藝硅通孔的兩次刻蝕所形成的底切形貌。步驟3 :如圖5所示，硅通孔13光刻與刻蝕；硅通孔13可為深孔或深溝槽，一般硅通孔13的寬度為I. 5um 5um,最佳為2 3um ;娃通孔13的深度為50 250um,最佳為50 lOOum。硅通孔的刻蝕為等離子體干法刻蝕，所用刻蝕氣體包括SF6和CF4混合氣體，壓力范圍7O I2OmTorr,溫度10 45°C。
步驟4 :如圖6和圖7所示，栓孔11與硅通孔13金屬填充(栓孔11金屬填充與硅通孔13金屬填充同時進(jìn)行，栓孔11的尺寸較小，一般為0. 2 0. 4um，所以硅通孔13填滿金屬時，栓孔11也是滿的)；硅通孔13的金屬填充包括墊層金屬3填充及填孔金屬4填充，墊層金屬3采用Ti或Ti/TiN(Ti和TiN結(jié)合)，墊層金屬3的總厚度為200 1000埃，填孔金屬4采用鎢(W)，或銅(Cu)。對于金屬鎢填充，由于硅通孔13的高深寬比，填充工藝可與回刻工藝交替使用。鎢淀積厚度為硅通孔13寬度的1/5 1/2，最佳為1/4 1/3，厚度不超過15000埃。鎢回刻采用終點刻蝕方式(鎢回刻的工藝控制可采用終點檢測的方式，通常用光學(xué)方法，刻蝕時檢測到鎢與埋層金屬的界面，停止主刻蝕工藝步驟，然后進(jìn)行過刻蝕步驟)，過刻蝕10 % 50 %，最佳為20 % 30 %。鎢沉積與回刻可重復(fù)進(jìn)行，直至將栓孔11與硅通孔13填滿。
權(quán)利要求
1.一種硅通孔的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1，在硅襯底上沉積柵極與金屬層之間的層間介質(zhì)膜； 步驟2，栓孔與硅通孔PAD光刻與刻蝕； 步驟3，硅通孔光刻與刻蝕； 步驟4，栓孔與硅通孔金屬填充。
2.如權(quán)利要求I所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，所述硅通孔結(jié)構(gòu)為深孔或深溝槽，其深度為50-250微米，寬度為I. 5-5微米。
3.如權(quán)利要求2所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，所述硅通孔的深度為50-100微米，寬度為2-3微米。
4.如權(quán)利要求I所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步驟I中，所述層間介質(zhì)膜的厚度為5000 10000埃，所述層間介質(zhì)膜采用SACVD或PECVD工藝淀積。
5.如權(quán)利要求I所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步驟2中，所述硅通孔PAD指 在栓孔層版圖設(shè)計的時候，將硅通孔表面的區(qū)域設(shè)計為一整塊類似PAD的圖形，該PAD的邊界與下層的硅通孔邊界有2 6微米的套準(zhǔn)，該步驟在刻蝕栓孔的同時將該硅通孔PAD區(qū)域的層間介質(zhì)膜去除。
6.如權(quán)利要求I或5所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步驟2中，所述刻蝕采用干法刻蝕工藝，溫度為10 50°C，壓力為20 60mTorr，刻蝕氣體為C4F8、O2和Ar混合氣體。
7.如權(quán)利要求I所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步驟3中，所述硅通孔的刻蝕為等離子體干法刻蝕，所用刻蝕氣體包括SF6和CF4-合氣體，壓力范圍為70 ·120mTorr，溫度為 10 45°C。
8.如權(quán)利要求I所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步驟4中，栓孔金屬填充與硅通孔金屬填充同時進(jìn)行，栓孔的尺寸比硅通孔的尺寸小，所以硅通孔填滿金屬時，栓孔也被填滿金屬。
9.如權(quán)利要求I或8所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步驟4中，所述硅通孔金屬填充包括墊層金屬填充及填孔金屬填充，墊層金屬采用Ti或Ti/TiN，墊層金屬的厚度為200 1000埃，填孔金屬采用鎢或銅；對于金屬鎢填充，由于硅通孔的高深寬比，填充工藝可與回刻工藝交替使用；鎢淀積厚度為硅通孔寬度的1/5 1/2，厚度不超過15000埃；鎢回刻采用終點刻蝕方式，過刻蝕10% 50%;鎢沉積與回刻可重復(fù)進(jìn)行，直至將栓孔與硅通孔填滿。
10.如權(quán)利要求9所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，所述鎢淀積厚度為硅通孔寬度的1/4 1/3 ;所述鎢回刻采用終點刻蝕方式，過刻蝕20% 30%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅通孔的制作方法，包括如下步驟步驟1，在硅襯底上沉積柵極與金屬層之間的層間介質(zhì)膜；步驟2，栓孔與硅通孔PAD光刻與刻蝕；步驟3，硅通孔光刻與刻蝕；步驟4，栓孔與硅通孔金屬填充。該方法可以避免在氧化膜的交界面形成橫向的底切(undercut)，有利于后續(xù)金屬的填充。
文檔編號H01L21/768GK102956543SQ20111024719
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者程曉華, 肖勝安, 彭虎 申請人:上海華虹Nec電子有限公司