本發(fā)明總體上涉及制造硅通孔(through silicon via，簡(jiǎn)稱(chēng)TSV)的方法和包括硅通孔的芯片，這種硅通孔可以廣泛地應(yīng)用于芯片之間的互連和疊層芯片的封裝技術(shù)中，以便于形成3D封裝結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)、通訊、汽車(chē)電子、航空航天工業(yè)和其他消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品對(duì)微電子封裝提出了很高的要求，即更小、更薄、更輕、高可靠、多功能、低功耗和低成本。這促使更高密度的三維疊層封裝技術(shù)不斷涌現(xiàn)。三維疊層封裝可以分為封裝體的堆疊和硅晶片的堆疊。目前，封裝體的堆疊技術(shù)可以通過(guò)堆疊薄小外形封裝(TSOP)或堆疊基于傳統(tǒng)封裝技術(shù)的芯片尺寸封裝(CSP)來(lái)獲得。然而，芯片之間較長(zhǎng)的互連線限制了封裝體三維堆疊的高頻性能。硅晶片的堆疊技術(shù)通過(guò)在硅晶片上制作出許多垂直的互連通孔來(lái)實(shí)現(xiàn)不同芯片之間的電互連。由于芯片間更短的互連線，所以圓片級(jí)三維集成能夠減小互連線的延遲。此外，相當(dāng)數(shù)量的MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))器件帶有立體結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行氣密性封裝，但普通的氣密性封裝不僅成本高，難以引出MEMS器件的信號(hào)線。為此，以硅晶片作為MEMS封裝的封帽并在其上制作出垂直互連通孔以引出信號(hào)線的方式能夠較好地解決該問(wèn)題，并能為MEMS提供圓片級(jí)封裝和更好的頻率特性。從以上發(fā)展趨勢(shì)可得知，穿透性硅通孔(TSV)互連技術(shù)的應(yīng)用范圍正在不斷地拓展。

相對(duì)于以往的軟鉛焊、絲焊和芯片凸點(diǎn)倒裝技術(shù)而言，TSV技術(shù)被稱(chēng)為第四代封裝技術(shù)，在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通從而實(shí)現(xiàn)芯片間互連，具有眾多的優(yōu)點(diǎn)。例如，TSV可以大幅提高電子元器件的集成度，減少封裝的幾何尺寸，可以大幅縮短電互連的長(zhǎng)度，進(jìn)而降低寄生電容和耗電量，可以將不同的功能芯片(如射頻、內(nèi)存、邏輯、數(shù)字和MEMS等)集成在一起，實(shí)現(xiàn)電子元器件的多功能化，還可以降低成本，在成熟條件下比2D封裝更具成本效益。由于硅的導(dǎo)電性，必須在TSV的硅襯底與導(dǎo)體層(如銅層)之間形成電絕緣層。硅通孔內(nèi)的電絕緣層一般使用SiO₂，因?yàn)槠湓诠柰變?nèi)制作方便且與IC工藝兼容。可是，Cu在SiO₂介質(zhì)中擴(kuò)散速度很快，易使其介電性能?chē)?yán)重退化；Cu對(duì)半導(dǎo)體的載流子具有很強(qiáng)的陷阱效應(yīng)；Cu擴(kuò)散到半導(dǎo)體本體材料中將嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的電性特征；而且Cu與SiO₂的粘附強(qiáng)度較差。因此，僅有絕緣層是不夠的，還必須在硅襯底與導(dǎo)體層之間淀積一層擴(kuò)散阻擋層，以防止銅擴(kuò)散并提高導(dǎo)體層的粘附強(qiáng)度。此外，對(duì)于多晶硅導(dǎo)電層和導(dǎo)電膠而言基本不存在銅擴(kuò)散的問(wèn)題，只需電絕緣層就能夠滿(mǎn)足硅通孔互連的要求。

現(xiàn)有技術(shù)的硅通孔制作過(guò)程大體上包括以下步驟：通過(guò)刻蝕或激光熔化在硅晶片中形成通孔；通過(guò)PECVD(等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積)來(lái)淀積氧化層(如SiO₂層)，例如可以使用硅烷(SiH₄)或TEOS(硅酸乙酯)通過(guò)CVD(化學(xué)氣相淀積)工藝沉積獲得；通過(guò)磁控濺射、蒸鍍或CVD工藝淀積阻擋層/籽晶層；通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)往通孔中淀積銅金屬，在此一般采用電鍍銅方法；通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光或研磨、刻蝕工藝來(lái)去除平坦表面上的銅金屬。在阻擋層/籽晶層的制作過(guò)程中，現(xiàn)有的濺射技術(shù)在制造小孔徑、高厚徑比的硅通孔時(shí)，很難完成通孔內(nèi)的完整成膜，導(dǎo)致后續(xù)無(wú)法電鍍。硅通孔的深寬比通常大于7:1，甚至高達(dá)12:1~15:1，常規(guī)的磁控濺射技術(shù)難以在高深寬比通孔的側(cè)壁上淀積連續(xù)的導(dǎo)體層，設(shè)備廠商為此開(kāi)發(fā)了高離子化金屬等離子磁控濺射技術(shù)。然而，這些濺射技術(shù)均未能改變?yōu)R射粒子能量低、均勻性欠佳的問(wèn)題，導(dǎo)致膜層經(jīng)常存在缺陷，在后續(xù)電鍍銅層時(shí)出現(xiàn)空洞。此外，濺射法制作的阻擋層和籽晶層與硅晶片之間的結(jié)合不牢固，導(dǎo)致硅通孔內(nèi)的導(dǎo)體層容易脫落。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是鑒于上述問(wèn)題而作出的，其目的在于，提供一種制造硅通孔的方法和包括硅通孔的芯片，其中阻擋層和籽晶層與硅晶片之間的結(jié)合較為牢固，硅通孔內(nèi)的導(dǎo)體層不容易脫落。

本發(fā)明的第一技術(shù)方案為一種制造硅通孔的方法，其包括以下步驟：在硅晶片中形成通孔(步驟S1)；在通孔的孔壁上形成絕緣層(步驟S2)；在絕緣層上形成擴(kuò)散阻擋層(步驟S3)；在擴(kuò)散阻擋層上形成籽晶層(步驟S4)；以及在籽晶層上形成導(dǎo)體層(步驟S5)，其中，步驟S3包括通過(guò)離子注入將第一材料注入到絕緣層的表面下方以形成第一離子注入層，步驟S4包括通過(guò)離子注入將第二材料注入到擴(kuò)散阻擋層的表面下方以形成第二離子注入層。

本發(fā)明的第二技術(shù)方案為，在上述第一方案中，硅晶片包括單塊硅晶片或者層疊在一起的多塊硅晶片，各硅晶片的厚度為10-40μm。

本發(fā)明的第三技術(shù)方案為，在上述第一方案中，利用金屬蒸汽真空弧離子源進(jìn)行離子注入，在離子注入中，第一材料的離子獲得1-500keV的能量，被注入到絕緣層的表面下方1-100nm的范圍內(nèi)而形成第一離子注入層，第二材料的離子獲得1-500keV的能量，被注入到擴(kuò)散阻擋層的表面下方1-100nm的范圍內(nèi)而形成第二離子注入層。

本發(fā)明的第四技術(shù)方案為，在上述第一至第三方案的任何一種中，第一材料包括Ta、TaN/Ta、TiN、TiW、Cr、Ti中的一種或多種，第二材料包括Ti、Cr、Ni、Cu、Ag、Au、V、Zr、Mo、Nb以及它們之間的合金中的一種或多種。

本發(fā)明的第五技術(shù)方案為，在上述第一至第三方案的任何一種中，步驟S3還包括通過(guò)等離子體沉積或?yàn)R射沉積在第一離子注入層的上方形成第一沉積層，并且/或者步驟S4還包括通過(guò)等離子體沉積或?yàn)R射沉積在第二離子注入層的上方形成第二沉積層，其中利用磁過(guò)濾陰極真空弧離子源進(jìn)行等離子體沉積。

本發(fā)明的第六技術(shù)方案為，在上述第五方案中，利用第一材料形成第一沉積層，利用第二材料形成第二沉積層。

本發(fā)明的第七技術(shù)方案為，在上述第一至第三方案的任何一種中，步驟S5包括利用Al、Mn、Fe、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Ag、Au、V、Zr、Mo、Nb、W以及它們之間的合金、高分子導(dǎo)體、或者摻雜多晶硅中的一種或多種，形成厚度為0.1-100μm的導(dǎo)體層或者填滿(mǎn)通孔的導(dǎo)體層。

本發(fā)明的第八技術(shù)方案為，在上述第一至第三方案的任何一種中，步驟S2包括通過(guò)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝在通孔的孔壁上淀積SiO₂作為絕緣層，步驟S5包括通過(guò)電鍍工藝在籽晶層上鍍上一層Cu作為導(dǎo)體層。

本發(fā)明的第九技術(shù)方案為，在上述第一至第三方案的任何一種中，所述方法還包括步驟S6：通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光、研磨或刻蝕工藝，對(duì)硅晶片的表面進(jìn)行平整化處理。

本發(fā)明的第十技術(shù)方案為一種芯片，其包括硅晶片和設(shè)置于硅晶片中的通孔，在通孔的孔壁上從內(nèi)到外依次覆蓋有由絕緣材料組成的絕緣層、擴(kuò)散阻擋層、籽晶層和導(dǎo)體層，其中擴(kuò)散阻擋層包括由絕緣材料和第一注入材料組成的第一離子注入層、以及緊鄰籽晶層且由第一沉積材料組成的第一沉積層，籽晶層包括由第一沉積材料和第二注入材料組成的第二離子注入層。

本發(fā)明的第十一技術(shù)方案為，在上述第十方案中，硅晶片包括單塊硅晶片或?qū)盈B在一起的多塊硅晶片，各硅晶片的厚度為10-40μm。

本發(fā)明的第十二技術(shù)方案為，在上述第十方案中，第一離子注入層是由絕緣材料和第一注入材料組成的摻雜結(jié)構(gòu)，并具有1-100nm的厚度；第二離子注入層是由第一沉積材料和第二注入材料組成的摻雜結(jié)構(gòu)，并具有1-100nm的厚度。

本發(fā)明的第十三技術(shù)方案為，在上述第十至第十二方案的任何一種中，第一材料包括Ta、TaN/Ta、TiN、TiW、Cr、Ti中的一種或多種，第二材料包括Ti、Cr、Ni、Cu、Ag、Au、V、Zr、Mo、Nb以及它們之間的合金中的一種或多種。

本發(fā)明的第十四技術(shù)方案為，在上述第十至第十二方案的任何一種中，第一沉積層附著于第一離子注入層上并包括等離子體沉積層或?yàn)R射沉積層，第一沉積材料與第一注入材料相同。

本發(fā)明的第十五技術(shù)方案為，在上述第十至第十二方案的任何一種中，籽晶層還包括位于第二離子注入層的上方且由第二沉積材料組成的第二沉積層。

本發(fā)明的第十六技術(shù)方案為，在上述第十五方案中，第二沉積層包括等離子體沉積層或?yàn)R射沉積層，并且第二沉積材料與第二注入材料相同。

本發(fā)明的第十七技術(shù)方案為，在上述第十至第十二方案的任何一種中，導(dǎo)體層具有0.1-100μm的厚度或者填滿(mǎn)通孔，并且由Al、Mn、Fe、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Ag、Au、V、Zr、Mo、Nb、W以及它們之間的合金、高分子導(dǎo)體、或者摻雜多晶硅中的一種或多種組成。

本發(fā)明的第十八技術(shù)方案為，在上述第十至第十二方案的任何一種中，絕緣層由SiO₂組成，導(dǎo)體層由Cu組成。

依照本發(fā)明，在離子注入期間，導(dǎo)電材料的離子以很高的速度強(qiáng)行地注入到先前形成的絕緣層或擴(kuò)散阻擋層的內(nèi)部，與絕緣層或擴(kuò)散阻擋層形成了摻雜結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在絕緣層或擴(kuò)散阻擋層的表面下方形成了數(shù)量眾多的基樁。在等離子體沉積期間，導(dǎo)電材料的離子在加速電場(chǎng)的作用下以較高速度飛向離子注入層的表面，并且沉積在該表面上方。由于存在“基樁”且后續(xù)制得的沉積層與該基樁相連，因而在最終制得的硅通孔(TSV)中，導(dǎo)體層與擴(kuò)散阻擋層之間、以及擴(kuò)散阻擋層與絕緣層之間均具有較高的結(jié)合力，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)濺射法獲得的結(jié)合力，而且不會(huì)產(chǎn)生濺射法那樣導(dǎo)體層掉落的現(xiàn)象。此外，用于離子注入和等離子體沉積的導(dǎo)電材料離子通常具有納米級(jí)的尺寸，在注入或沉積期間分布較均勻，而且到孔壁的入射角度也基本一致。因此，導(dǎo)體層與擴(kuò)散阻擋層之間、以及擴(kuò)散阻擋層與絕緣層之間的接合面具有良好的均勻度和致密性，不容易出現(xiàn)針孔、漏鍍等不良現(xiàn)象。而且，擴(kuò)散阻擋層與絕緣層之間的接合面相當(dāng)平坦，表面粗糙度可低至0.02μm左右，在用于高頻信號(hào)傳輸時(shí)可以明顯地降低信號(hào)損失。

附圖說(shuō)明

在參照附圖閱讀以下的詳細(xì)描述之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將更容易理解本發(fā)明的這些及其他的特征、方面和優(yōu)點(diǎn)。為了清楚起見(jiàn)，附圖不一定按比例繪制，而是其中有些部分可能被夸大以示出具體細(xì)節(jié)。在所有附圖中，相同的參考標(biāo)號(hào)表示相同或相似的部分，其中：

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的制造硅通孔的方法的流程圖；

圖2(a)至2(e)表示與圖1所示方法的各個(gè)步驟相應(yīng)的產(chǎn)品的剖面示意圖；

圖3表示離子注入和等離子體沉積的工作原理示意圖；

圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一種包括硅通孔的芯片的剖面示意圖；并且

圖5表示根據(jù)本發(fā)明的又一種包括硅通孔的芯片的剖面示意圖。

參考標(biāo)號(hào)：

100 芯片

10 硅晶片

12 通孔

14 通孔的孔壁

16 絕緣層

18 擴(kuò)散阻擋層

181 第一離子注入層

182 第一沉積層

20 籽晶層

201 第二離子注入層

202 第二沉積層

22 導(dǎo)體層。

具體實(shí)施方式

以下，將參照附圖，詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些描述僅僅列舉了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，而決不意圖限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。例如，在本發(fā)明的一個(gè)附圖或?qū)嵤├忻枋龅脑鼗蛱卣骺梢耘c在一個(gè)或更多其它附圖或?qū)嵤├忻枋龅钠渌鼗蛱卣飨嘟Y(jié)合。此外，為了便于描述各個(gè)材料層之間的位置關(guān)系，在本文中使用了空間相對(duì)用語(yǔ)，例如“上方”和“下方”、以及“內(nèi)”和“外”等，這些術(shù)語(yǔ)均是相對(duì)于基材的表面或孔壁而言的。例如，如果A材料相對(duì)于B材料位于朝向基材或孔壁外部的方向上，則認(rèn)為A材料位于B材料的上方或外側(cè)，反之亦然。

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的制造硅通孔的方法的流程圖。該方法包括以下步驟：在硅晶片中形成通孔(步驟S1)；在通孔的孔壁上形成絕緣層(步驟S2)；在絕緣層上形成擴(kuò)散阻擋層(步驟S3)；在擴(kuò)散阻擋層上形成籽晶層(步驟S4)；以及，在籽晶層上形成導(dǎo)體層(步驟S5)。其中，作為本發(fā)明的特征點(diǎn)，步驟S3包括通過(guò)離子注入將第一材料注入到絕緣層的表面下方以形成第一離子注入層，步驟S4包括通過(guò)離子注入將第二材料注入到擴(kuò)散阻擋層的表面下方以形成第二離子注入層。圖2(a)至2(e)表示與圖1所示方法的各個(gè)步驟相應(yīng)的產(chǎn)品的剖面示意圖，分別對(duì)應(yīng)于上述的步驟S1至S5。

硅晶片包括通過(guò)常規(guī)的直拉法或區(qū)熔法制備的單晶硅圓片，例如直徑為6英寸、8英寸、12英寸、18英寸等各種規(guī)格的硅圓片，也包括通過(guò)外延法生長(zhǎng)了單晶硅薄膜的晶片。在本發(fā)明中，硅晶片可以包括單塊硅晶片或者層疊在一起的多塊硅晶片(例如10塊以上)，各塊硅晶片的厚度可以為10-40μm，優(yōu)選地為20-30μm，這是現(xiàn)有的等離子開(kāi)孔及金屬沉積技術(shù)比較適用的厚度，同時(shí)也幾乎是整個(gè)器件層的厚度。為了獲取這種厚度的硅晶片以便制得整體厚度很小的封裝體，同時(shí)盡可能小地?fù)p傷晶片的表面和亞表面，可以采用機(jī)械磨削加化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)、機(jī)械磨削加濕式刻蝕、機(jī)械磨削加干法刻蝕或者機(jī)械磨削加干式拋光等減薄工藝對(duì)硅晶片進(jìn)行減薄。此外，如前文所述，對(duì)于多晶硅導(dǎo)電層和導(dǎo)電膠而言基本不存在銅擴(kuò)散的問(wèn)題，只需要電絕緣層就能夠滿(mǎn)足硅通孔互連的要求。也就是說(shuō)，在多晶硅基材中形成導(dǎo)電通孔的情況下，不再需要設(shè)置擴(kuò)散阻擋層，即可以省略上述步驟S3，而是直接在絕緣層上形成籽晶層，繼而在籽晶層上形成導(dǎo)體層。此時(shí)，在步驟S4中形成籽晶層時(shí)，可以通過(guò)離子注入將導(dǎo)電材料注入到絕緣層的表面下方以形成離子注入層。

在步驟S1中形成通孔時(shí)，可以采用常規(guī)的濕法腐蝕、干法刻蝕、光輔助電化學(xué)刻蝕以及激光鉆孔中的任何一種。濕法腐蝕是將晶片放置于液態(tài)化學(xué)腐蝕液中進(jìn)行的腐蝕，在腐蝕過(guò)程中腐蝕液通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將接觸的材料逐步侵蝕溶解掉。干法刻蝕是用以等離子體形式存在的氣體進(jìn)行薄膜刻蝕的一項(xiàng)技術(shù)。等離子體氣體的化學(xué)活性較強(qiáng)，可以更快地與材料發(fā)生反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)刻蝕目的，而且還可以利用電場(chǎng)對(duì)等離子體進(jìn)行引導(dǎo)和加速以使其具有一定的能量，用該等離子體轟擊被刻蝕物的表面以剝離材料。電化學(xué)刻蝕是采用液態(tài)腐蝕劑的濕法腐蝕工藝，必須有空穴的參與才能實(shí)現(xiàn)硅溶解的過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)刻蝕，通過(guò)光生空穴并控制空穴的輸運(yùn)過(guò)程將空穴輸送到反應(yīng)點(diǎn)，這就是所謂的光輔助電化學(xué)刻蝕技術(shù)。由于利用光生載流子效應(yīng)產(chǎn)生具有可控性的空穴，因此該方法能夠?qū)崿F(xiàn)較高的深寬比，例如達(dá)200以上。激光鉆孔利用激光的高能量、高聚焦等特性，分為CO₂激光鉆孔和UV激光鉆孔這兩種方式。CO₂激光鉆孔基于光熱燒蝕機(jī)理在極短的時(shí)間以波長(zhǎng)大于760nm的紅外光將有機(jī)板材予以強(qiáng)熱熔化或汽化，使之被持續(xù)移除而成孔。UV激光鉆孔基于光化學(xué)裂蝕機(jī)理，通過(guò)發(fā)射波長(zhǎng)小于400nm的紫外高能量光子，使基板材料的化學(xué)鍵斷裂，在眾多碎粒體積增大和外力抽吸下快速移除基材，從而形成微孔。如圖2(a)所示，在硅晶片10中形成了具有孔壁14的通孔12。圖2(a)中所示的通孔12是圓柱形的通孔，孔徑可以為2-200μm，優(yōu)選為5-50μm。通孔的形狀隨著鉆孔方式而改變，除了圓柱形之外，還可以是梯臺(tái)形等各種其它的形狀。

在步驟S2中形成絕緣層時(shí)，可以利用硅烷(SiH₄)或TEOS(硅酸乙酯)等作為原料，通過(guò)化學(xué)氣相淀積(CVD)或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)工藝，在通孔的孔壁上淀積一層SO₂，作為絕緣層。在采用PECVD工藝時(shí)，原料氣體將在電場(chǎng)中成為等離子體狀態(tài)，產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)非常活潑的激發(fā)態(tài)分子、原子、離子和原子團(tuán)等，可以在較低溫度下成膜，從而抑制與襯底的反應(yīng)。此外，還可以通過(guò)熱氧化擴(kuò)散方式來(lái)形成絕緣層。例如，可以將硅晶片放入溫度很高(如900-1400℃)的反應(yīng)室中，并充入氧氣或者臭氧，在保持一定時(shí)間后使通孔內(nèi)壁表面的硅原子完全反應(yīng)而成為SiO₂。如圖2(b)所示，在硅晶片10中的通孔的孔壁14上形成了絕緣層16，該絕緣層的厚度可以為數(shù)十納米至數(shù)十微米。

在步驟S3中形成擴(kuò)散阻擋層時(shí)，首先通過(guò)離子注入將第一材料注入到絕緣層的表面下方以形成第一離子注入層。離子注入可通過(guò)以下方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：使用導(dǎo)電材料作為靶材，在真空環(huán)境下，通過(guò)電弧作用使靶材中的導(dǎo)電材料電離而產(chǎn)生離子，從而形成例如金屬蒸汽真空弧(MEVVA)離子源；然后，使該離子在高電壓的電場(chǎng)下加速而獲得很高的能量(例如5-1000keV，如10keV、50keV、100keV、200keV、500keV等)；高能的導(dǎo)電材料離子接著以很高的速度直接撞擊孔壁上的絕緣層，并且注入到絕緣層的表面下方一定的深度范圍內(nèi)(例如1-100nm，如5nm、10nm、20nm、50nm等)，在所注入的導(dǎo)電材料離子與絕緣層的材料分子之間形成了化學(xué)鍵或填隙結(jié)構(gòu)，從而組成摻雜結(jié)構(gòu)。由此得到的第一離子注入層的外表面(或稱(chēng)為上表面)與之前形成的絕緣層的表面相齊平，而其內(nèi)表面(或稱(chēng)為下表面)則深入到絕緣層的內(nèi)部，例如，位于絕緣層的表面下方1-100nm(例如5-50nm)的深度處。此時(shí)，之前形成的絕緣層的外側(cè)部分由于形成有離子注入層而構(gòu)成為擴(kuò)散阻擋層的一部分。

通過(guò)控制離子注入過(guò)程中的各種相關(guān)參數(shù)，例如注入電流、電壓、注入劑量等，可以調(diào)整離子注入層進(jìn)入到絕緣層內(nèi)部的深度，即，離子注入層的內(nèi)表面在絕緣層的表面下方所處的深度。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，注入離子的能量為5-1000keV，注入的劑量為1.0×10¹²至1.0×10¹⁸ions/cm²(更特定地，注入劑量為1.0×10¹⁵至5.0×10¹⁶ions/cm²)，從而使離子注入層的內(nèi)表面位于絕緣層的表面下方5-50nm的深度處。在離子注入過(guò)程中，根據(jù)后續(xù)形成導(dǎo)體層所用的材料來(lái)選擇靶材，使得擴(kuò)散阻擋層能夠阻擋導(dǎo)體層的材料擴(kuò)散透過(guò)絕緣層。例如，可以使用Ta、TaN/Ta合金、TiN、TiW、Cr、Ti中的一種或多種作為靶材，其中Ti、TiN、Ta、TaN尤其適用于導(dǎo)體層由Cu組成的情形。在采用多種材料的情況下，可以在一個(gè)靶材中同時(shí)包括多種材料，也可以使用多個(gè)靶材，其中各個(gè)靶材包括一種或多種材料。

在形成注入到絕緣層表面下方的第一離子注入層之后，還可以通過(guò)等離子體沉積或者濺射沉積方式在該第一離子注入層的上方形成第一沉積層，由第一離子注入層和第一沉積層組成擴(kuò)散阻擋層。其中，等離子體沉積可以采用與離子注入相似的方式來(lái)進(jìn)行，只不過(guò)在沉積期間施加較低的電壓。即，同樣使用導(dǎo)電材料作為靶材，在真空環(huán)境下，通過(guò)電弧作用使靶材中的導(dǎo)電材料電離而產(chǎn)生離子，然后在加速電場(chǎng)下驅(qū)使該離子加速而獲得一定的能量且沉積到離子注入層的表面上，從而構(gòu)成等離子體沉積層。在此期間，通過(guò)調(diào)節(jié)加速電壓而使導(dǎo)電材料的離子獲得1-1000eV(例如5、10、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900eV等)的能量，并且通過(guò)控制沉積時(shí)間而得到厚度為10-1000nm(例如50、100、200、300、400、500、600、700、800、900nm等)的等離子體沉積層。如圖2(c)所示，在絕緣層16上形成的擴(kuò)散阻擋層18包括第一離子注入層181和第一沉積層182。第一沉積層的材料可以與第一離子注入層的材料相同，也可以不相同，只要能夠阻擋導(dǎo)體層的材料擴(kuò)散透過(guò)絕緣層即可。

圖3示出了離子注入和等離子體沉積的工作原理示意圖。如圖所示，用于執(zhí)行離子注入的設(shè)備主要由等離子體形成區(qū)(觸發(fā)系統(tǒng))和離子束形成區(qū)(引出系統(tǒng))這兩部分組成。等離子體形成區(qū)包括陰極、陽(yáng)極和觸發(fā)電極，離子束形成區(qū)一般由一組多孔三電極構(gòu)成。在觸發(fā)電壓的作用下，陰極和陽(yáng)極之間形成高密度的等離子體并向引出區(qū)擴(kuò)散。在引出電場(chǎng)的加速作用下，等離子體中的帶電離子被引出并加速形成離子束，該離子束的種類(lèi)和純度由陰極靶材料決定。典型地，陰極觸發(fā)電極和陽(yáng)極為同軸結(jié)構(gòu)。陰極為圓柱形并由所需離子的導(dǎo)電材料制成。陽(yáng)極為圓柱筒形且套在陰極外面，中心開(kāi)孔為等離子體通道。采用脈沖高壓觸發(fā)方式，例如將觸發(fā)電極套在陰極外，之間用氮化硼絕緣，觸發(fā)電壓為10kV左右，觸發(fā)脈寬為10ms左右。當(dāng)觸發(fā)電壓施加在陰極和觸發(fā)電極上時(shí)，由火花放電產(chǎn)生的等離子體使陰極和陽(yáng)極電路接通而形成真空弧放電，在陰極表面形成只有微米級(jí)大小但電流密度高達(dá)10⁶A/cm²的陰極斑，致使陰極靶材料蒸發(fā)并高度電離成等離子體。等離子體以大約10⁴m/s的速度噴射，一部分通過(guò)陽(yáng)極中心孔擴(kuò)散到引出電極。然后，等離子體在引出電場(chǎng)的作用下被引出，形成高速的離子束。施加在陰、陽(yáng)電極之間的弧電壓越高，弧電流就越大，所產(chǎn)生的等離子體密度也就越高，從而有可能引出更大的束流。引出束流大小還與離子源的工作參數(shù)、引出電壓、引出結(jié)構(gòu)和陰極材料等有關(guān)。例如，離子束形成區(qū)(引出系統(tǒng))的引出電壓越高，帶電粒子的離子束就被加速到越高的速度，從而可以注入到基材的內(nèi)部越深的部位。另外，真空弧放電在產(chǎn)生等離子體的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很多尺寸在0.1-10μm的不帶電微粒。這些微粒的存在對(duì)所沉積薄膜的性能有極大的影響，造成薄膜表面粗糙，致密性差，光澤度和與基材的結(jié)合力下降等。為了去掉或減少陰極真空弧產(chǎn)生的大顆粒，可以采用磁過(guò)濾器，即，建立一個(gè)彎曲的磁場(chǎng)，過(guò)濾到不帶電的大顆粒，僅將需要的帶電等離子體沿著彎曲的磁場(chǎng)導(dǎo)向到基材的表面，此時(shí)得到的等離子體可稱(chēng)為磁過(guò)濾陰極真空弧(FCVA)離子源。

此后進(jìn)入步驟S4，即，在擴(kuò)散阻擋層上形成籽晶層。類(lèi)似于上述步驟S3，步驟S4也包括通過(guò)離子注入將第二材料注入到擴(kuò)散阻擋層的表面下方以形成第二離子注入層。如圖2(d)所示，第二材料被注入到之前形成的圖2(c)所示擴(kuò)散阻擋層18的表面下方，形成了第二離子注入層201，由該第二離子注入層201組成籽晶層20。此時(shí)，之前形成的擴(kuò)散阻擋層的外側(cè)部分由于形成有離子注入層而構(gòu)成為籽晶層的至少一部分。在該步驟中使用的離子注入技術(shù)與上文描述的技術(shù)相同，只是采用不同于擴(kuò)散阻擋層的靶材。可以選擇與導(dǎo)體層結(jié)合力較強(qiáng)的金屬或合金來(lái)進(jìn)行離子注入，例如可以采用Ti、Cr、Ni、Cu、Ag、Au、V、Zr、Mo、Nb以及它們之間的合金中的一種或多種，其中Ti、Cr、Ni、Cu尤其適用于導(dǎo)體層由Cu組成的情形。

除了第二離子注入層之外，步驟S4還可以像步驟S3中那樣，通過(guò)等離子體沉積或者濺射沉積方式在該離子注入層的上方形成第二沉積層，由第二離子注入層和第二沉積層組成籽晶層。第二沉積層并非必需的，在離子注入層足以保證導(dǎo)體層與擴(kuò)散阻擋層之間具有較強(qiáng)結(jié)合力的情況下，也可以不形成第二沉積層，而是直接在第二離子注入層的上方形成導(dǎo)體層。

在步驟S5中形成導(dǎo)體層時(shí)，可以采用電鍍、化學(xué)鍍、真空蒸發(fā)鍍、磁控濺射等方法中的一種或多種，在籽晶層的上方形成導(dǎo)體層。電鍍的速度快、成本低、可適用的材料范圍非常廣泛，而且可以通過(guò)控制電鍍過(guò)程中的各種相關(guān)參數(shù)(例如電鍍電流、電壓、時(shí)間等)而容易地調(diào)整導(dǎo)體層的厚度，因而是最常用的。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用電鍍法，在籽晶層的上方形成由Al、Mn、Fe、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Ag、Au、V、Zr、Mo、Nb、W以及它們之間的合金中的一種或多種組成的導(dǎo)體層，其中Cu是最常用的導(dǎo)體層材料。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以使用高分子導(dǎo)體或者摻雜多晶硅來(lái)進(jìn)行填孔。如果填孔材料是W或者多晶硅，還可以不需要籽晶層，而是取消步驟S4，直接在擴(kuò)散阻擋層的上方形成由W或多晶硅組成的導(dǎo)體層。導(dǎo)體層可以具有0.1-100μm的厚度(例如1μm、5μm、12μm、20μm、70μm等)，也可以進(jìn)行完全填孔(即，填滿(mǎn)硅晶片中的通孔)。

在上述的步驟S1至S5中，除了設(shè)置于硅晶片中的通孔之外，還有可能不可避免地在硅晶片的表面上也形成絕緣層、擴(kuò)散阻擋層、籽晶層或者導(dǎo)體層等，這些材料層會(huì)影響芯片的最終使用性能。為了確保芯片的最終性能，本發(fā)明的制造硅通孔的方法還可以包括步驟S6：通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光、研磨或刻蝕工藝，對(duì)硅晶片的表面進(jìn)行平整化處理。通過(guò)平整化處理，可以去除位于硅晶片的表面上的不想要的材料。

通過(guò)上述的各步驟，制得了如圖2(e)所示的芯片100。如圖所示，芯片100包括硅晶片10和設(shè)置于硅晶片10中的通孔，在通孔的孔壁上從內(nèi)到外依次覆蓋有絕緣層16、擴(kuò)散阻擋層18、籽晶層20和導(dǎo)體層22，其中，絕緣層16由絕緣材料組成，擴(kuò)散阻擋層18包括由絕緣材料和第一注入材料組成的第一離子注入層181、以及緊鄰籽晶層20且由第一沉積材料組成的第一沉積層182(參見(jiàn)圖2(c))，籽晶層20包括由第一沉積材料和第二注入材料組成的第二離子注入層201(參見(jiàn)圖2(d))。容易理解，各個(gè)離子注入層可以包括一層或多層，各個(gè)沉積層也可以包括一層或多層。例如，在圖2(c)所示的第一離子注入層181和第一沉積層182之間，還可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)沉積層。

依照本發(fā)明的方法，在離子注入期間，導(dǎo)電材料的離子以很高的速度強(qiáng)行地注入到先前形成的絕緣層或擴(kuò)散阻擋層的內(nèi)部，與絕緣層或擴(kuò)散阻擋層形成了摻雜結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于在絕緣層或擴(kuò)散阻擋層的表面下方形成了數(shù)量眾多的基樁。在等離子體沉積期間，導(dǎo)電材料的離子在加速電場(chǎng)的作用下以較高速度飛向離子注入層的表面，并且沉積在該表面上方。由于存在“基樁”且后續(xù)制得的沉積層與該基樁相連，因而在最終制得的硅通孔(TSV)中，導(dǎo)體層與擴(kuò)散阻擋層之間、以及擴(kuò)散阻擋層與絕緣層之間均具有較高的結(jié)合力，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)濺射法獲得的結(jié)合力，而且不會(huì)產(chǎn)生濺射法那樣導(dǎo)體層掉落的現(xiàn)象。此外，用于離子注入和等離子體沉積的導(dǎo)電材料離子通常具有納米級(jí)的尺寸，在注入或沉積期間分布較均勻，而且到孔壁的入射角度也基本一致。因此，導(dǎo)體層與擴(kuò)散阻擋層之間、以及擴(kuò)散阻擋層與絕緣層之間的接合面具有良好的均勻度和致密性，不容易出現(xiàn)針孔、漏鍍等不良現(xiàn)象。而且，擴(kuò)散阻擋層與絕緣層之間的接合面相當(dāng)平坦，表面粗糙度可低至0.02μm左右，在用于高頻信號(hào)傳輸時(shí)可以明顯地降低信號(hào)損失。

圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一種包括硅通孔的芯片的剖面示意圖。與圖2(e)所示的芯片相比，圖4所示的芯片100具有完全填滿(mǎn)通孔的導(dǎo)體層22。圖5表示根據(jù)本發(fā)明的又一種包括硅通孔的芯片的剖面示意圖。與圖4所示的芯片相比，圖5所示的芯片100還具有介于第二離子注入層201與導(dǎo)體層22之間的第二沉積層202，由第二離子注入層201和第二沉積層202組成籽晶層20。

上文描述的內(nèi)容僅僅提及了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。然而，本發(fā)明并不受限于文中所述的特定實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易想到，在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種顯而易見(jiàn)的修改、調(diào)整及替換，以使其適合于特定的情形。實(shí)際上，本發(fā)明的保護(hù)范圍是由權(quán)利要求限定的，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員可預(yù)想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)差異的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言有非顯著性差異的等同結(jié)構(gòu)要素，那么它們將會(huì)落在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。