專利名稱：具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及三維系統(tǒng)級(jí)封裝中垂直互連結(jié)構(gòu)中的硅通孔結(jié)構(gòu)及其制備工藝。
背景技術(shù)：
集成電路工業(yè)發(fā)展之初，人們就通過不斷地縮小關(guān)鍵尺寸，持續(xù)提高芯片的集成度，以獲得高性能的半導(dǎo)體芯片。當(dāng)關(guān)鍵尺寸達(dá)到數(shù)納米后，繼續(xù)縮小關(guān)鍵尺寸帶來了光刻工藝實(shí)施成本劇增以及材料物理特性局限等諸多問題。較已有的通過芯片邊緣引線互連的方式形成三維堆疊封裝，硅通孔技術(shù)將帶來具有更高的傳輸速度、更短的RC延遲、更小的能量消耗、更小的芯片面積的三維堆疊封裝。這一技術(shù)還可以將工藝不同的集成電路與MEMS芯片集成，使得封裝具有更多的功能。硅通孔形成于半導(dǎo)體襯底上，整個(gè)結(jié)構(gòu)包括通孔內(nèi)的絕緣層、粘附層、阻擋層以及與襯底器件相連的橫向互連結(jié)構(gòu)。圖1示出了一種現(xiàn)有的普通硅通孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底100，襯底上有集成電路101 (未標(biāo)出細(xì)節(jié))、集成電路焊盤102，以及形成于襯底100中的兩個(gè)硅通孔結(jié)構(gòu)。 硅通孔結(jié)構(gòu)包括沉積在通孔側(cè)壁的絕緣層107，粘附層、阻擋層108，種子層109，填充金屬 llOUllo種子層109還將集成電路焊盤102與填充金屬110連接起來。種子金屬層109 通過粘附阻擋層108良好的粘結(jié)在絕緣層107上。圖1將各通孔之間電鍍速率不均勻的現(xiàn)象明顯表示出來。由于通孔內(nèi)微小結(jié)構(gòu)的差異，電鍍縮小開口后內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，電鍍過程本身的差異，將導(dǎo)致電鍍速率不盡相同， 就極有可能出現(xiàn)電鍍后凸出高度不同，這一問題將在化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)、鍵合工藝中引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致硅片破裂，使得整個(gè)硅片報(bào)廢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，能夠容忍電鍍填孔過程中局部電鍍速率差異引起的銅柱凸出高度差異，避免在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝、鍵合工藝中由于前述問題引起的硅片破裂。本發(fā)明的另一目的在于提供上述具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)的制備工藝。一種具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底和貫穿所述半導(dǎo)體襯底的具有臺(tái)階的通孔，所述臺(tái)階通孔側(cè)壁依次沉積有絕緣層、粘附層、阻擋層，通孔內(nèi)填充有金屬導(dǎo)體，半導(dǎo)體襯底表面上還依次沉積有由絕緣層、粘附層、阻擋層、導(dǎo)電層沉積構(gòu)成的互連結(jié)構(gòu)，互連結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層與金屬導(dǎo)體相連接。進(jìn)一步地，還包括與所述的金屬導(dǎo)體表面相連的焊盤或/和焊球。所述焊盤或/和焊球與金屬導(dǎo)體垂直相連。所述焊盤或/和焊球與填充導(dǎo)體不垂直相連。所述焊盤或/和焊球采用銅、鎢、鋁中的任意一種。
一種具有臺(tái)階的通孔結(jié)構(gòu)制備工藝，包括步驟(1)在半導(dǎo)體襯底上雙面刻蝕形成具有臺(tái)階的通孔；(2)在所述的通孔側(cè)壁和半導(dǎo)體襯底表面上依次沉積絕緣層、粘附層、阻擋層和種子層；(3)首先電鍍封閉通孔小直徑端口，再?gòu)耐状笾睆蕉丝陔婂兲畛浣饘賹?dǎo)體；(4)去除襯底表面多余的絕緣層、粘附層、阻擋層和種子層形成用于器件和通孔相連的互連結(jié)構(gòu)。所述刻蝕采用深反應(yīng)離子刻蝕方法。所述深反應(yīng)離子刻蝕采用的掩膜從光刻膠、鋁、SiO2、氮化硅的組合中選??；所述絕緣層從氧化硅和氮化硅的集合中選取，厚度為200nm至2 μ m。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明公開了一種具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過增大襯底低端孔的尺寸，電鍍填充孔的過程中，在同樣的條件下，降低了先完成填充的銅柱上的電流密度，也就降低了其向下增長(zhǎng)的速率，能夠較好的容忍因電鍍速率差異引起的襯底下表面銅柱凸出高度不同對(duì)后續(xù)的化學(xué)機(jī)械研磨或者鍵合工藝引起的影響。


圖1為一種現(xiàn)有的普通硅通孔結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明的硅通孔結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明硅通孔結(jié)構(gòu)的制備工藝。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參考

發(fā)明的典型實(shí)施方法。如圖2所示，該結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體硅襯底100，襯底上有集成電路101(未標(biāo)出細(xì)節(jié))、集成電路焊盤102，以及形成于襯底100中的兩個(gè)具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)。硅通孔結(jié)構(gòu)包括沉積在通孔側(cè)壁的絕緣層Si02107，Ti粘附阻擋層108，銅種子層109，填充金屬銅 llOUllo在襯底100上表面的部分銅種子層109還作為橫向互連將集成電路焊盤102與填充金屬110連接起來。在襯底100上表面的銅種子金屬層109通過粘附阻擋層108良好的粘結(jié)在襯底上的絕緣層107上。圖3為制作該硅通孔結(jié)構(gòu)的典型方法示意圖。其基本步驟為a在提供的半導(dǎo)體襯底的上下兩面沉積一層掩膜光刻膠103，并通過雙面光刻工藝和使得欲刻蝕的襯底暴露出來；b使用深反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備從上面刻蝕襯底至一定深度，再?gòu)南旅婵涛g形成通孔 112,113 ；c使用熱氧化工藝在通孔側(cè)壁、半導(dǎo)體襯底兩表面形成絕緣層107，光刻去除集成電路焊盤102上的部分絕緣層，使用濺射工藝在通孔側(cè)壁、上表面沉積粘附阻擋層Til08、 種子層Cu 109 ；d在半導(dǎo)體襯底上表面通過光刻工藝使得光刻膠104將不需要電鍍的種子層保護(hù)起來，使陽極與上表面相對(duì)，通過電鍍工藝在環(huán)周圍電鍍的金屬層將開口封閉；e將陽極與下表面相對(duì)，通過電鍍工藝完成通孔的金屬填充，形成填充金屬110、111 ； f光刻保護(hù)去除多余的種子層，留下橫向互連結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底和貫穿所述半導(dǎo)體襯底的具有臺(tái)階的通孔，所述臺(tái)階通孔側(cè)壁依次沉積有絕緣層、粘附層、阻擋層，通孔內(nèi)填充有金屬導(dǎo)體，半導(dǎo)體襯底表面上還依次沉積有由絕緣層、粘附層、阻擋層、導(dǎo)電層沉積構(gòu)成的互連結(jié)構(gòu)，互連結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層與金屬導(dǎo)體相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括與所述的金屬導(dǎo)體表面相連的焊盤或/和焊球。
3.如權(quán)利要求2所述的具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述焊盤或/和焊球與金屬導(dǎo)體垂直相連。
4.如權(quán)利要求2所述的具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述焊盤或/和焊球與填充導(dǎo)體不垂直相連。
5.如權(quán)利要求2或3或4所述的具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述焊盤或/和焊球采用銅、鎢、鋁中的任意一種。
6.一種具有臺(tái)階的通孔結(jié)構(gòu)制備工藝，包括步驟(1)在半導(dǎo)體襯底上雙面刻蝕形成具有臺(tái)階的通孔；(2)在所述的通孔側(cè)壁和半導(dǎo)體襯底表面上依次沉積絕緣層、粘附層、阻擋層和種子層；(3)首先電鍍封閉通孔小直徑端口，再?gòu)耐状笾睆蕉丝陔婂兲畛浣饘賹?dǎo)體；(5)去除襯底表面多余的絕緣層、粘附層、阻擋層和種子層形成用于器件和通孔相連的互連結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利6要求的通孔結(jié)構(gòu)制備工藝，其特征在于，所述刻蝕采用深反應(yīng)離子刻蝕方法。
8.如權(quán)利要求7的通孔結(jié)構(gòu)制備工藝，其特征在于，深反應(yīng)離子刻蝕采用的掩膜從光刻膠、鋁、SiO2、氮化硅的組合中選取。
9.如權(quán)利要求7所述的通孔結(jié)構(gòu)制備工藝，其特征在于，所述絕緣層從氧化硅和氮化硅的集合中選取，厚度為200nm至2 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有臺(tái)階的硅通孔結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底和貫穿所述半導(dǎo)體襯底的具有臺(tái)階的通孔，所述臺(tái)階通孔側(cè)壁依次沉積有絕緣層、粘附層、阻擋層，通孔內(nèi)填充有金屬導(dǎo)體，半導(dǎo)體襯底表面上還依次沉積有由絕緣層、粘附層、阻擋層、導(dǎo)電層沉積構(gòu)成的互連結(jié)構(gòu)，互連結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電層與金屬導(dǎo)體相連接。本發(fā)明提供了上述硅通孔結(jié)構(gòu)的制備工藝。本發(fā)明硅通孔中的臺(tái)階能夠容忍電鍍填孔過程中局部電鍍速率差異引起的銅柱凸出高度差異，避免在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝、鍵合工藝中由于前述問題引起的硅片破裂。
文檔編號(hào)H01L23/538GK102376689SQ20111026628
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者劉勝, 張卓, 徐明海, 徐春林, 汪學(xué)方, 王宇哲, 胡暢 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)