實(shí)施方式涉及具有硅通孔(through-siliconvia，tsv)結(jié)構(gòu)的多重堆疊器件(multi-stackeddevice)。

背景技術(shù)：

已經(jīng)以各種方式對(duì)其中多個(gè)半導(dǎo)體器件堆疊以形成系統(tǒng)的多重堆疊器件進(jìn)行了研究。例如，已經(jīng)提出一種多重堆疊半導(dǎo)體器件，其中圖像傳感器、邏輯器件和存儲(chǔ)器件堆疊以形成系統(tǒng)。該多重堆疊器件中的半導(dǎo)體器件必須電連接到彼此。已經(jīng)提出使用硅通孔(tsv)結(jié)構(gòu)作為電連接多重堆疊器件中的半導(dǎo)體器件的方法，其是穩(wěn)定的并具有最快的響應(yīng)速度。然而，需要非常先進(jìn)的光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)來形成垂直地穿過至少兩個(gè)半導(dǎo)體器件的tsv結(jié)構(gòu)。具體地，形成穿過幾十微米至幾百微米厚的半導(dǎo)體基板和多個(gè)絕緣層的tsv結(jié)構(gòu)是非常困難的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

實(shí)施方式提供一種具有硅通孔(tsv)結(jié)構(gòu)的多重堆疊器件。

另一些實(shí)施方式提供一種形成具有tsv結(jié)構(gòu)的多重堆疊器件的方法。

根據(jù)實(shí)施方式的一方面，一種多重堆疊器件包括：下部器件，具有下基板、在下基板上的第一絕緣層以及在第一絕緣層上的硅通孔(tsv)焊盤；中間器件，具有中間基板、在中間基板上的第二絕緣層以及在第二絕緣層上的第一tsv凸塊；上部器件，具有上基板、在上基板上的第三絕緣層以及在第三絕緣層上的第二tsv凸塊；以及tsv結(jié)構(gòu)，配置為穿過上基板、第三絕緣層、第二絕緣層以及中間基板以與第一tsv凸塊、第二tsv凸塊和tsv焊盤連接。中間器件包括在中間基板和tsv結(jié)構(gòu)的下部之間的絕緣的第一tsv間隔物。上部器件包括在上基板和tsv結(jié)構(gòu)的上部之間的絕緣的第二tsv間隔物。tsv結(jié)構(gòu)的側(cè)表面與第二絕緣層和第三絕緣層直接接觸。

根據(jù)實(shí)施方式的另一方面，一種多重堆疊器件包括：下部器件，具有下基板、在下基板上的多個(gè)第一絕緣層以及在第一絕緣層上的tsv焊盤；中間器件，具有中間基板、配置為穿過中間基板的絕緣的第一tsv間隔物、在中間基板上的多個(gè)第二絕緣層以及在第二絕緣層上的第一tsv凸塊；上部器件，具有上基板、配置為穿過上基板的絕緣的第二tsv間隔物、在上基板上的多個(gè)第三絕緣層、以及在第三絕緣層上的第二tsv凸塊；以及tsv結(jié)構(gòu)，配置為穿過上基板、所述多個(gè)第三絕緣層、所述多個(gè)第二絕緣層以及中間基板以與第二tsv凸塊和tsv焊盤接觸。第一tsv間隔物使中間基板與tsv結(jié)構(gòu)電絕緣，第二tsv間隔物使上基板與tsv結(jié)構(gòu)電絕緣。第一tsv結(jié)構(gòu)和第二tsv結(jié)構(gòu)彼此間隔開。

根據(jù)實(shí)施方式的另一方面，一種多重堆疊器件包括：下部器件，具有下基板、在下基板上的第一絕緣層以及在第一絕緣層上的硅通孔(tsv)焊盤；中間器件，具有中間基板、在中間基板上的第二絕緣層以及在第二絕緣層上的第一tsv凸塊；上部器件，具有上基板、在上基板上的第三絕緣層以及在第三絕緣層上的第二tsv凸塊；以及tsv結(jié)構(gòu)，配置為穿過上基板、第三絕緣層、第二絕緣層以及中間基板以與第一tsv凸塊、第二tsv凸塊和tsv焊盤電連接。中間器件包括在中間基板和tsv結(jié)構(gòu)之間的絕緣的第一tsv間隔物，上部器件包括在上基板和tsv結(jié)構(gòu)之間的絕緣的第二tsv間隔物。第三絕緣層在垂直地彼此間隔開的第一tsv間隔物和第二tsv間隔物之間。

附圖說明

通過參照附圖詳細(xì)描述示范性實(shí)施方式，各特征對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得明顯，附圖中：

圖1a至1f示出根據(jù)各個(gè)實(shí)施方式的多重堆疊器件的縱向截面圖；

圖2a至2c示出根據(jù)各個(gè)實(shí)施方式的硅通孔(tsv)結(jié)構(gòu)的沿圖1a的線i-i'和ii-ii'截取的截面圖和縱向截面圖；

圖3a至3c示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成下部器件的方法中的階段；

圖4a至4g示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成中間器件的方法中的階段；

圖5a至5g示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成上部器件的方法中的階段；以及

圖6a至6d示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的通過堆疊下部器件、中間器件和上部器件來形成多重堆疊器件的方法中的階段。

具體實(shí)施方式

圖1a至1f是概念地示出根據(jù)各個(gè)實(shí)施方式的多重堆疊器件(10a至10f)的縱向截面圖。

參照?qǐng)D1a，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的多重堆疊器件10a可以包括：多重堆疊的下部器件100a、中間器件200a和上部器件300a；以及硅通孔(tsv)結(jié)構(gòu)400，穿過上部器件300a和中間器件200a以電連接下部器件100a、中間器件200a和上部器件300a。例如，下部器件100a可以包括存儲(chǔ)器例如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(dram)，中間器件200a可以包括邏輯器件例如微處理器，上部器件300a可以包括傳感器例如圖像傳感器。

下部器件100a可以包括形成在下基板101中的多個(gè)隔離區(qū)105和掩埋單元柵結(jié)構(gòu)110、以及形成在下基板101上的外圍柵結(jié)構(gòu)115、位線結(jié)構(gòu)120、絕緣層141至145、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)130、下金屬層151至153、下tsv過孔插塞163、下tsv焊盤173和下鈍化層148。單元柵結(jié)構(gòu)110、位線結(jié)構(gòu)120和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)130可以在單元區(qū)域ca中，外圍柵結(jié)構(gòu)115、下tsv過孔插塞163和下tsv焊盤173可以在外圍區(qū)域pa中。絕緣層141至145可以包括下層間絕緣層141、模制絕緣層142、中間層間絕緣層143、蓋絕緣層144和上層間絕緣層145。

下基板101可以包括半導(dǎo)體基板諸如硅基板、硅鍺基板和絕緣體上硅(soi)基板中的一種。隔離區(qū)105可以包括填充在溝槽中的硅氧化物。例如，隔離區(qū)105可以具有淺溝槽隔離(sti)的形狀。

每個(gè)單元柵結(jié)構(gòu)110可以包括形成在柵溝槽中的單元柵絕緣層111、單元柵電極112和單元柵蓋層113。單元柵絕緣層111可以共形地形成在柵溝槽的內(nèi)壁上，單元柵電極112的下表面和側(cè)表面可以被單元柵絕緣層111圍繞。單元柵蓋層113可以形成在單元柵絕緣層111和單元柵電極112上以填充柵溝槽。單元柵絕緣層111可以包括硅氧化物或金屬氧化物，單元柵電極112可以包括導(dǎo)電的金屬阻擋材料和金屬電極材料。單元柵蓋層113可以包括硅氮化物。

每個(gè)外圍柵結(jié)構(gòu)115可以包括形成在下基板101上的外圍柵絕緣層116和外圍柵電極117。外圍柵絕緣層116可以包括硅氧化物或金屬氧化物，外圍柵電極117可以包括導(dǎo)電的金屬阻擋材料和金屬電極材料。

位線結(jié)構(gòu)120可以形成在下基板101上且在單元柵結(jié)構(gòu)110之間。每個(gè)位線結(jié)構(gòu)120可以包括位線接觸插塞121和位線電極122。位線接觸插塞121可以包括導(dǎo)體諸如例如摻雜的硅、金屬、金屬硅化物或金屬化合物。位線電極122可以包括導(dǎo)體，諸如金屬、金屬合金或金屬化合物。

每個(gè)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)130可以包括存儲(chǔ)接觸插塞131和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)132。存儲(chǔ)接觸插塞131可以垂直地(即，沿堆疊方向)穿過下層間絕緣層141以電連接下基板101和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)132。存儲(chǔ)接觸插塞131可以包括摻雜的硅、金屬或金屬化合物。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)132可以垂直地穿過模制絕緣層142以與存儲(chǔ)接觸插塞131連接。存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)132可以包括摻雜的硅或金屬。

下層間絕緣層141可以覆蓋位線結(jié)構(gòu)120和外圍柵結(jié)構(gòu)115，并圍繞存儲(chǔ)接觸插塞131的側(cè)表面。模制絕緣層142可以圍繞存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)132的側(cè)表面。下層間絕緣層141可以與存儲(chǔ)接觸插塞131共平面，并且模制絕緣層142可以與存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)132共平面。中間層間絕緣層143可以形成在模制絕緣層142與下金屬層151至153之間。下層間絕緣層141、模制絕緣層142和中間層間絕緣層143可以包括硅氧化物或硅氮化物。

下金屬層151至153可以形成在中間層間絕緣層143上。例如，下金屬層151至153可以包括在單元區(qū)域ca中的下單元金屬層151以及在外圍區(qū)域pa中的下外圍金屬層152和下tsv互連153。下金屬層151、152和153可以包括互連形狀，例如具有水平延伸部、圓形焊盤形狀或多邊形焊盤形狀。

蓋絕緣層144可以圍繞下金屬層151至153的側(cè)表面和/或與下金屬層151至153共平面。蓋絕緣層144可以包括硅氮化物或硅氧化物。上層間絕緣層145可以覆蓋蓋絕緣層144和下金屬層151至153。上層間絕緣層145可以包括硅氧化物、硅氮化物或其組合。

下tsv過孔插塞163可以穿過上層間絕緣層145以使下tsv互連153與下tsv焊盤173連接。下tsv過孔插塞163可以包括金屬或金屬化合物。

下tsv焊盤173可以與下tsv互連153和下tsv過孔插塞163一起布置。下tsv焊盤173可以包括金屬，例如銅(cu)。

下鈍化層148可以圍繞下tsv焊盤173的側(cè)表面。下鈍化層148可以與下tsv焊盤173共平面。下鈍化層148可以包括硅氧化物以接合到中間器件200a。

中間器件200a可以包括：在中間基板201中的多個(gè)隔離區(qū)205和下tsv間隔物280；在中間基板201上的邏輯柵結(jié)構(gòu)210、絕緣層241、243和245、中間金屬層251至253、中間過孔插塞261和263、中間凸塊271和273以及中間鈍化層248；以及后表面鈍化層249。絕緣層241至245可以包括下層間絕緣層241、中間層間絕緣層243和上層間絕緣層245。中間金屬層251至253可以包括在單元區(qū)域ca中的中間單元金屬層251以及在外圍區(qū)域pa中的中間外圍金屬層252和中間tsv互連253。中間過孔插塞261和263可以包括中間單元過孔插塞261和中間tsv過孔插塞263。中間凸塊271和273可以包括在單元區(qū)域ca中的中間單元凸塊271和在外圍區(qū)域pa中的中間tsv凸塊273。

中間基板201可以包括半導(dǎo)體基板諸如硅基板、硅鍺基板和soi基板中的一種。隔離區(qū)205可以包括硅氧化物并具有sti的形狀。

下tsv間隔物280可以形成在中間基板201和tsv結(jié)構(gòu)400之間。例如，下tsv間隔物280可以僅形成在中間基板201中。下tsv間隔物280可以包括絕緣材料，例如硅氧化物或硅氮化物。下tsv間隔物280可以圍繞tsv結(jié)構(gòu)400的側(cè)表面的一部分以使tsv結(jié)構(gòu)400與中間基板201的塊體區(qū)域電絕緣。

每個(gè)邏輯柵結(jié)構(gòu)210可以包括在中間基板201上的邏輯柵絕緣層211和邏輯柵電極212。邏輯柵絕緣層211可以包括硅氧化物或金屬氧化物。邏輯柵電極212可以包括金屬化合物或金屬。

下層間絕緣層241可以覆蓋邏輯柵結(jié)構(gòu)210。

中間金屬層251至253可以包括在單元區(qū)域ca中的中間單元金屬層251以及在外圍區(qū)域pa中的中間外圍金屬層252和中間tsv互連253。中間金屬層251至253可以具有互連形狀和/或焊盤形狀。中間金屬層251至253可以包括金屬或金屬化合物。

中間層間絕緣層243可以圍繞中間金屬層251至253的側(cè)表面。中間層間絕緣層243可以包括硅氮化物或硅氧化物。

上層間絕緣層245可以在中間層間絕緣層243和中間金屬層251至253上。上層間絕緣層245可以包括硅氧化物、硅氮化物或其組合。

垂直穿過上層間絕緣層245的中間過孔插塞261和263可以包括連接到中間單元金屬層251的中間單元過孔插塞261以及連接到中間tsv互連253的中間tsv過孔插塞263。

中間凸塊271和273可以包括在中間單元過孔插塞261上的中間單元凸塊271以及在中間tsv過孔插塞263上的中間tsv凸塊273。中間過孔插塞261和263以及中間凸塊271和273可以包括金屬(例如銅(cu)或鎢(w))或金屬化合物。

中間鈍化層248可以圍繞中間凸塊271和273的側(cè)表面。中間鈍化層248可以包括硅氧化物以接合到上部器件300a。

后表面鈍化層249可以形成在中間基板201的底表面上。后表面鈍化層249可以包括硅氧化物以接合到下部器件100a的下鈍化層148。

上部器件300a可以包括：在上基板301中的光電二極管303、隔離區(qū)305和上tsv間隔物380；在上基板301的底表面(即面對(duì)中間器件200a的表面)上的晶體管310、絕緣層341、343和345、金屬層351至353、上過孔插塞361和363、上凸塊371和373以及上鈍化層348；以及在上基板301的頂表面上的抗反射層391、器件蓋層392、濾色器393和微透鏡394。上部器件300a可以設(shè)置為使得上基板301面朝上并且絕緣層341、343和345面朝下，即絕緣層341、343和345在上基板301和中間器件200a之間。

上基板301可以包括半導(dǎo)體基板諸如硅基板、硅鍺基板和soi基板中的一種。隔離區(qū)305可以包括硅氧化物并具有sti的形狀。每個(gè)光電二極管303可以包括n摻雜區(qū)和p摻雜區(qū)。

上tsv間隔物380可以在上基板301和tsv結(jié)構(gòu)400之間。例如，上tsv間隔物380可以僅形成在上基板301中。上tsv間隔物380可以包括絕緣材料，諸如硅氧化物或硅氮化物。上tsv間隔物380可以圍繞tsv結(jié)構(gòu)400的側(cè)表面的一部分以使tsv結(jié)構(gòu)400與上基板301的塊體區(qū)域電絕緣。

下tsv間隔物280和上tsv間隔物380可以彼此垂直地間隔開，即沿堆疊方向分離。換言之，下tsv間隔物280和上tsv間隔物380可以是不連續(xù)的。下tsv間隔物280和上tsv間隔物130的僅一部分可以在豎直方向上交疊。中間器件200a的絕緣層241、243、245和248以及上部器件300a的絕緣層341、343、345和348可以插置在下tsv間隔物280和上tsv間隔物380之間。

晶體管310可以包括在上基板301上的晶體管絕緣層311和晶體管電極312。晶體管絕緣層311可以包括硅氧化物或金屬氧化物，晶體管電極312可以包括摻雜的硅、金屬、金屬硅化物或金屬化合物。

絕緣層341、343和345可以包括下層間絕緣層341、中間層間絕緣層343和上層間絕緣層345。為了便于理解，下層間絕緣層341被示出在上側(cè)以靠近上基板301，上層間絕緣層345被示出在下側(cè)以遠(yuǎn)離上基板301。下層間絕緣層341可以覆蓋晶體管310。中間層間絕緣層343可以圍繞金屬層351、352和353的側(cè)表面。中間層間絕緣層343可以與金屬層351、352和353共平面。中間層間絕緣層343可以包括硅氮化物或硅氧化物。上層間絕緣層345可以覆蓋金屬層351、352和353以及中間層間絕緣層343。下層間絕緣層341和上層間絕緣層345可以包括硅氧化物、硅氮化物或其組合。

金屬層351、352和353可以包括在單元區(qū)域ca中與光電二極管303布置在一起的上單元金屬層351、在外圍區(qū)域pa中與晶體管310布置在一起的上外圍金屬層352、以及上tsv互連353。金屬層351、352和353可以包括金屬或金屬化合物。

垂直穿過上金屬層345的上過孔插塞361和363可以包括連接到上單元金屬層351的上單元過孔插塞361以及連接到上tsv互連353的上tsv過孔插塞363。

上凸塊371和373可以形成在上層間絕緣層345上。上凸塊371和373可以包括連接到上單元過孔插塞361的上單元凸塊371以及連接到上tsv過孔插塞363的上tsv凸塊373。

上鈍化層348可以圍繞上凸塊371和373的側(cè)表面，并與其共平面。上鈍化層348可以包括硅氧化物以接合到中間器件200a的中間鈍化層248。

抗反射層391可以共形地形成在上基板301的整個(gè)上表面上。器件蓋層392可以共形地形成在整個(gè)抗反射層391上?？狗瓷鋵?91和器件蓋層392的每個(gè)可以包括硅氮化物、硅氧化物和硅氮氧化物中的一種。濾色器393和微透鏡394可以包括有機(jī)材料。

tsv結(jié)構(gòu)400可以垂直地穿過上部器件300a和中間器件200a以電連接到下部器件100a的下tsv焊盤173。tsv結(jié)構(gòu)400可以包括相對(duì)寬同時(shí)穿過上部器件300a的上部分400u以及相對(duì)窄同時(shí)穿過中間器件200a的下部分400l。上部器件300a的上tsv凸塊373的一部分可以暴露到上部分400u的底部的一部分。tsv結(jié)構(gòu)400的上部分400u可以通過在其間電絕緣的上tsv間隔物380而與上基板301的塊體區(qū)域間隔開。tsv結(jié)構(gòu)400的上部分400u的側(cè)表面可以被下層間絕緣層341、中間層間絕緣層343和上層間絕緣層345圍繞并與它們直接接觸。tsv結(jié)構(gòu)400的下部分400l可以通過在其間電絕緣的下tsv間隔物280而與中間基板201的塊體區(qū)域間隔開。tsv結(jié)構(gòu)400的下部分400l的側(cè)表面可以被上部器件300a中的上鈍化層348、中間器件200a中的中間鈍化層248、上層間絕緣層245、中間層間絕緣層243、下層間絕緣層241和后表面鈍化層249圍繞并與它們直接接觸。tsv結(jié)構(gòu)400的下部分400l可以與下部器件100a的下tsv焊盤173直接接觸。tsv結(jié)構(gòu)400可以包括tsv插塞420和圍繞tsv插塞420的tsv阻擋層410。

參照?qǐng)D1b，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，多重堆疊器件10b可以包括下部器件100b、中間器件200a和上部器件300a，其中下部器件100b可以包括靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(sram)。因此，下部器件100b可以包括在單元區(qū)域ca中的多個(gè)單元柵結(jié)構(gòu)135。單元柵結(jié)構(gòu)135可以形成sram單元。每個(gè)單元柵結(jié)構(gòu)135可以包括單元柵絕緣層136和單元柵電極137。單元柵結(jié)構(gòu)135可以包括nmos和pmos，并配置各種邏輯電路。沒有描述的其它元件可以參照?qǐng)D1a理解。

參照?qǐng)D1c，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的多重堆疊器件10c可以包括下部器件100c、中間器件200a和上部器件300a，其中下部器件100c可以包括磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(mram)。因此，下部器件100c可以包括單元柵181、源極接觸184和源極互連185、單元下電極186、磁阻單元187、上電極188和位線互連189。每個(gè)單元柵181可以包括單元柵絕緣層182和單元柵電極183。沒有描述的其它元件可以參照?qǐng)D1a理解。

參照?qǐng)D1d，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的多重堆疊器件10d可以包括下部器件100d、中間器件200b和上部器件300b。下部器件100d和中間器件200b可以通過多個(gè)凸塊171、173、271和273接合。例如，與圖1a至圖1c中示出的中間器件200a相比，中間器件200b可以被顛倒。

與圖1a中示出的下部器件100a相比，下部器件100d還可以包括垂直地穿過上層間絕緣層145以與下單元金屬層151連接的下單元過孔插塞161以及在下單元過孔插塞161上的下單元凸塊171。下鈍化層148可以圍繞下單元凸塊171的側(cè)表面。下單元凸塊171和中間單元凸塊271可以彼此直接接觸并接合。

中間器件200b的中間tsv凸塊273可以與下tsv焊盤173直接接觸并接合。因此，tsv結(jié)構(gòu)400的下部分400l的底部可以與中間tsv凸塊273的上表面直接接觸。

上部器件300b還可以包括在上鈍化層348上的緩沖層347。上鈍化層348和緩沖層347可以包括硅氧化物、硅氮化物或其組合。

參照?qǐng)D1e，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的多重堆疊器件10e可以包括下部器件100e、中間器件200b和上部器件300b。下部器件100e可以包括sram。沒有描述的其它元件可以參照?qǐng)D1d理解。

參照?qǐng)D1f，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的多重堆疊器件10f可以包括下部器件100f、中間器件200b和上部器件300b。下部器件100f可以包括mram。沒有描述的其它元件可以參照?qǐng)D1d理解。

圖2a至圖2c是根據(jù)各個(gè)實(shí)施方式的tsv結(jié)構(gòu)400的沿圖1a的線i-i'和ii-ii'截取的截面圖和縱向截面圖。如在其中可見的，上tsv間隔物380可以在平面圖中是連續(xù)的，并可以完全圍繞tsv結(jié)構(gòu)400的鄰近上基板301的上部分400u。下tsv間隔物280可以在平面圖中是連續(xù)的，并可以完全圍繞tsv結(jié)構(gòu)的鄰近中間基板201的下部分400l。如在其中還可見的，上tsv間隔物380可以在垂直于堆疊方向的第一方向上比下tsv間隔物280寬，但是可以在垂直于第一方向和堆疊方向的第二方向上具有相同的寬度。

參照?qǐng)D2a，tsv結(jié)構(gòu)400的上部分400u和下部分400l可以分別與上tsv間隔物380和下tsv間隔物280接觸，例如直接接觸。

參照?qǐng)D2b，tsv結(jié)構(gòu)400的上部分400u和下部分400l可以分別與上tsv間隔物380和下tsv間隔物280間隔開。上基板301的一部分可以在tsv結(jié)構(gòu)400與上tsv間隔物380之間的空間中，和/或中間基板201的一部分可以在tsv結(jié)構(gòu)400與下tsv間隔物280之間的空間中。

參照?qǐng)D2c，tsv結(jié)構(gòu)400的上部分400u和下部分400l的一部分可以分別與上tsv間隔物380和下tsv間隔物280間隔開，另一部分可以與其接觸，例如直接接觸。

再次參照?qǐng)D2a至圖2c，應(yīng)當(dāng)完全理解，tsv結(jié)構(gòu)400以及上tsv間隔物380和下tsv間隔物280可以形成為各種形狀。在所有的情況下，tsv結(jié)構(gòu)400可以通過上tsv間隔物380和下tsv間隔物280分別與上基板301和中間基板201的塊體區(qū)域電絕緣。

圖3a至圖3c示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成下部器件100a的方法中的階段。圖4a至圖4g示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成中間器件200a的方法中的階段。圖5a至圖5g示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成上部器件300a的方法中的階段。圖6a至圖6d示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的通過堆疊下部器件100a、中間器件200a和上部器件300a來形成多重堆疊器件10a的方法中的階段。

參照?qǐng)D3a，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成下部器件100a的方法可以包括在下基板101中形成多個(gè)隔離區(qū)105和掩埋單元柵結(jié)構(gòu)110以及在下基板101上形成外圍柵結(jié)構(gòu)115、位線結(jié)構(gòu)120、下層間絕緣層141、模制絕緣層142和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)130。單元柵結(jié)構(gòu)110、位線結(jié)構(gòu)120和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)130可以形成在單元區(qū)域ca中，外圍柵結(jié)構(gòu)115可以形成在外圍區(qū)域pa中。

形成隔離區(qū)105可以包括在下基板101中形成溝槽以及在溝槽中填充硅氧化物。

形成掩埋單元柵結(jié)構(gòu)110可以包括：在下基板101中形成柵溝槽；在柵溝槽的下部分的內(nèi)壁上共形地形成單元柵絕緣層111；在單元柵絕緣層111上形成填充柵溝槽的下部分的單元柵電極112；以及在單元柵絕緣層111和單元柵電極112上形成填充柵溝槽的單元柵蓋層113。單元柵絕緣層111可以包括硅氧化物或金屬氧化物，并可以使用氧化工藝、化學(xué)氣相沉積(cvd)工藝或原子層沉積(ald)工藝形成。單元柵電極112可以包括金屬或金屬化合物，并可以使用物理氣相沉積(pvd)工藝、cvd工藝或鍍覆工藝形成。單元柵蓋層113可以包括硅氮化物或硅氧化物，并可以使用cvd工藝形成。

形成外圍柵結(jié)構(gòu)115可以包括：在下基板101上形成絕緣層和導(dǎo)電層以及通過進(jìn)行光刻工藝和蝕刻工藝來形成外圍柵絕緣層116和外圍柵電極117。外圍柵絕緣層116可以包括硅氧化物或金屬氧化物，并可以使用cvd工藝和ald工藝形成。外圍柵電極117可以包括金屬或金屬化合物，并可以使用cvd工藝形成。

形成位線結(jié)構(gòu)120可以包括在下基板101上形成導(dǎo)電的位線接觸插塞121以及在位線接觸插塞121上形成位線電極122。位線接觸插塞121可以包括摻雜的硅、金屬或金屬化合物，并可以使用外延生長(zhǎng)工藝、cvd工藝或pvd工藝形成。位線電極122可以包括金屬或金屬化合物，并可以使用cvd工藝或pvd工藝形成。

形成存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)130可以包括形成穿過下層間絕緣層141以連接到下基板101的存儲(chǔ)接觸插塞131以及在模制絕緣層142中形成存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)132。

下層間絕緣層141和模制絕緣層142的形成可以包括執(zhí)行cvd工藝或涂覆工藝以形成硅氧化物。

參照?qǐng)D3b，形成下部器件100a的方法可以包括在模制絕緣層142和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)132上形成中間層間絕緣層143、蓋絕緣層144、金屬層151至153以及上層間絕緣層145。中間層間絕緣層143可以包括硅氧化物。蓋絕緣層144可以包括比中間層間絕緣層143中的絕緣材料密度大的絕緣材料，例如硅氮化物。蓋絕緣層144可以圍繞金屬層151至153的側(cè)表面并與金屬層151至153共平面。金屬層151至153可以包括在單元區(qū)域ca中的下單元金屬層151以及在外圍區(qū)域pa中的下外圍金屬層152和下tsv互連153。金屬層151至153可以包括使用cvd工藝形成的金屬或金屬化合物。上層間絕緣層145可以包括硅氧化物或硅氮化物。中間層間絕緣層143、蓋絕緣層144和上層間絕緣層145可以使用cvd工藝形成。

參照?qǐng)D3c，形成下部器件100a的方法可以包括形成垂直穿過上層間絕緣層145以連接到下tsv互連153的下tsv過孔插塞163以及在下tsv過孔插塞163上形成下tsv焊盤173。下tsv過孔插塞163和下tsv焊盤173可以包括金屬或金屬化合物。形成下部器件100a的方法還可以包括使用cvd工藝和化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)工藝形成與下tsv焊盤173共平面的下鈍化層148。下鈍化層148可以包括硅氧化物。

參照?qǐng)D4a，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成中間器件200a的方法可以包括在中間基板201中形成多個(gè)隔離區(qū)205。隔離區(qū)205的形成可以包括在中間基板201中形成溝槽以及在該溝槽中填充硅氧化物。

參照?qǐng)D4b，形成中間器件200a的方法可以包括在中間基板201上形成下溝槽掩模281以及通過使用下溝槽掩模281作為蝕刻掩模進(jìn)行蝕刻工藝而形成下tsv溝槽282。下tsv溝槽282可以比隔離區(qū)205的溝槽深，例如可以在堆疊方向上較長(zhǎng)。下溝槽掩模281可以包括光致抗蝕劑、硅氧化物和硅氮化物中的一種或多種。然后，可以去除下溝槽掩模281。下tsv溝槽282可以在俯視圖中具有四邊形形狀或圓形形狀。也就是，附圖中示出的兩個(gè)溝槽可以空間地彼此連接(例如見圖2a至2c)。

參照?qǐng)D4c，形成中間器件200a的方法可以包括在下tsv溝槽282中填充絕緣材料以形成下tsv間隔物280。下tsv間隔物280可以包括利用cvd工藝、ald工藝或涂覆工藝填充在下tsv溝槽282中的絕緣材料，例如硅氧化物或硅氮化物。然后，該方法還可以包括進(jìn)行平坦化工藝諸如cmp，使得中間基板201與下tsv間隔物280共平面。

參照?qǐng)D4d，形成中間器件200a的方法可以包括在中間基板201上形成邏輯柵結(jié)構(gòu)210、層間絕緣層241、243和245以及金屬層251至253。每個(gè)邏輯柵結(jié)構(gòu)210可以包括邏輯柵絕緣層211和邏輯柵電極212。邏輯柵絕緣層211可以包括使用cvd工藝形成的硅氧化物或金屬氧化物。邏輯柵電極212可以包括使用cvd工藝形成的金屬化合物或金屬。金屬層251至253可以包括中間單元金屬層251、中間外圍金屬層252和中間tsv互連253。金屬層251至253可以包括使用cvd工藝形成的金屬或金屬化合物。層間絕緣層241、243和245可以包括覆蓋邏輯柵結(jié)構(gòu)210的下層間絕緣層241、圍繞金屬層251至253的側(cè)表面并與金屬層251至253共平面的中間層間絕緣層243、以及上層間絕緣層245。下層間絕緣層241、中間層間絕緣層243和上層間絕緣層245可以包括使用cvd工藝形成的硅氧化物或硅氮化物。

參照?qǐng)D4e，形成中間器件200a的方法可以包括：形成垂直穿過上層間絕緣層245以分別電連接到中間單元金屬層251和中間tsv互連253的中間過孔插塞261和263；在中間過孔插塞261和263上形成中間凸塊271和273；以及形成圍繞中間凸塊271和273的側(cè)表面并與中間凸塊271和273共平面的中間鈍化層248。中間過孔插塞261和263可以包括中間單元過孔插塞261和中間tsv過孔插塞263。中間凸塊271和273可以包括中間單元凸塊271和中間tsv凸塊273。中間凸塊271和273可以包括金屬或金屬化合物。中間鈍化層248可以包括硅氧化物。

參照?qǐng)D4f，形成中間器件200a的方法可以包括將中間基板201顛倒并反向以及使中間基板201的后表面bs凹進(jìn)。下tsv間隔物280的下端部分可以被暴露。在該工藝中，下tsv間隔物280的下端部分也可以被部分地去除。使中間基板201的后表面bs凹進(jìn)可以包括研磨工藝、cmp工藝或蝕刻工藝。

參照?qǐng)D4g，形成中間器件200a的方法可以包括在中間基板201的凹進(jìn)的后表面bs上形成后表面鈍化層249。后表面鈍化層249可以包括使用cvd工藝形成的硅氧化物。然后，該方法可以包括再次顛倒中間基板201。中間器件200a可以包括邏輯器件，例如微處理器。

參照?qǐng)D5a，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成上部器件300a的方法可以包括在上基板301中形成光電二極管303和隔離區(qū)305。上基板301可以包括半導(dǎo)體基板諸如硅基板、硅鍺基板和soi基板中的一種。光電二極管303可以包括n摻雜區(qū)和p摻雜區(qū)。隔離區(qū)305可以包括硅氧化物并具有sti形狀。

參照?qǐng)D5b，形成上部器件300a的方法可以包括在上基板301上形成上溝槽掩模381以及通過使用上溝槽掩模381作為蝕刻掩模進(jìn)行蝕刻工藝而形成上tsv溝槽382。上溝槽掩模381可以包括光致抗蝕劑、硅氧化物和硅氮化物中的一種或多種。然后，可以去除上溝槽掩模381。

參照?qǐng)D5c，形成上部器件300a的方法可以包括在上tsv溝槽382中填充絕緣材料以形成上tsv間隔物380。上tsv間隔物380可以包括使用cvd工藝或ald工藝形成的絕緣材料，諸如硅氧化物或硅氮化物。然后，該方法可以包括執(zhí)行平坦化工藝諸如cmp工藝使得上基板301與上tsv間隔物380共平面。上tsv溝槽382可以在俯視圖中具有四邊形形狀或圓形形狀。也就是，附圖中示出的兩個(gè)溝槽可以空間地彼此連接(例如見圖2a至2c)。

參照?qǐng)D5d，形成上部器件300a的方法可以包括：在上基板301上形成晶體管310；形成覆蓋晶體管310的下層間絕緣層341；在下層間絕緣層341上形成金屬層351至353；以及形成圍繞金屬層351至353的側(cè)表面的中間層間絕緣層343。下層間絕緣層341可以包括硅氧化物。金屬層351至353可以包括上單元金屬層351、上外圍金屬層352和上tsv互連353。金屬層351至353可以包括金屬或金屬化合物。中間層間絕緣層343可以包括硅氮化物或硅氧化物。中間層間絕緣層343可以與金屬層351至353共平面。

參照?qǐng)D5e，形成上部器件300a的方法可以包括：在金屬層351至353和中間層間絕緣層343上形成上層間絕緣層345；形成垂直穿過上層間絕緣層345的上過孔插塞361和363；在上過孔插塞361和363上分別形成上凸塊371和373；以及形成圍繞上凸塊371和373的側(cè)表面的上鈍化層348。上層間絕緣層345可以包括硅氧化物。上過孔插塞361和363可以包括上單元過孔插塞361和上tsv過孔插塞363。上凸塊371和373可以包括上單元凸塊371和上tsv凸塊373。上過孔插塞361和363以及上凸塊371和373可以包括金屬或金屬化合物。

參照?qǐng)D5f，形成上部器件300a的方法可以包括使上基板301顛倒以及使上基板301的后表面bs凹進(jìn)。在該工藝中，上tsv間隔物380的下端部分可以暴露并被部分地去除。上基板301的后表面bs的凹進(jìn)可以包括研磨工藝、cmp工藝或蝕刻工藝。

參照?qǐng)D5g，形成上部器件300a的方法可以包括在上基板301的凹進(jìn)的后表面bs上形成包裹層349。包裹層349可以包括硅氧化物以接合到中間器件200a。

參照?qǐng)D6a，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的形成多重堆疊器件10a的方法可以包括按順序堆疊下部器件100a、中間器件200a和上部器件300a。下部器件100a的前表面和中間器件200a的后表面可以接合，中間器件200a的前表面和上部器件300a的前表面可以接合。前表面可以指的是與其上形成隔離區(qū)105、205和305、柵結(jié)構(gòu)110、150和210或晶體管310的表面靠近的表面，后表面可以指的是沿堆疊方向與前表面相反的表面。

具體地，下部器件100a的下鈍化層148和中間器件200a的后表面鈍化層249可以接合，中間器件200a的中間鈍化層248和上部器件300a的上鈍化層348可以接合。在這種情形下，下部器件100a的下tsv焊盤173和中間器件200a的下tsv間隔物280可以對(duì)準(zhǔn)，中間器件200a的下凸塊271和273以及上部器件300a的上凸塊371和373可以被垂直地對(duì)準(zhǔn)。在一個(gè)實(shí)施方式中，下凸塊271和273以及上凸塊371和373可以直接接合。例如，下單元凸塊271和上單元凸塊371可以被直接對(duì)準(zhǔn)并接合，下tsv凸塊273和上tsv凸塊373可以被直接對(duì)準(zhǔn)并接合。

參照?qǐng)D6b，形成多重堆疊器件10a的方法可以包括在上部器件300a的后表面上形成tsv掩模m以及通過利用tsv掩模m作為蝕刻掩模使用蝕刻工藝而形成tsv孔h，該tsv孔h穿過上基板301、上部器件300a的絕緣層341、343、345、348和349、中間器件200b的絕緣層241、243、245、248和249以及中間基板201以暴露下部器件100a的下tsv焊盤173。

tsv掩模m可以包括光致抗蝕劑、硅氧化物、硅氮化物或其堆疊的層。

在tsv孔h的內(nèi)壁上，下tsv間隔物280和/或上tsv間隔物380可以被暴露。在tsv孔h中，上tsv凸塊373和tsv焊盤173可以被暴露。tsv孔h的穿過上部器件300a的上部分可以比tsv孔h的穿過中間器件200a的下部分寬。換言之，上tsv凸塊373可以用作用于tsv孔h的下部分的掩模。

因此，上tsv凸塊373的上表面的一部分可以暴露到tsv孔h的上部分的底部，并且下tsv焊盤173的上表面的一部分可以暴露到tsv孔h的下部分的底部。下基板101、中間基板201和上基板301沒有在tsv孔h中暴露。然后，可以去除tsv掩模m。

參照?qǐng)D6c，形成多重堆疊器件10a的方法可以包括形成tsv結(jié)構(gòu)400。更具體地，該方法可以包括：在tsv孔h的內(nèi)壁上共形地形成tsv阻擋層410；用金屬例如銅(cu)填充tsv孔h以形成tsv插塞420；以及執(zhí)行平坦化工藝諸如cmp工藝，從而形成包括tsv阻擋層410和tsv插塞420的tsv結(jié)構(gòu)400。包裹層349也可以通過cmp工藝去除。tsv阻擋層410可以包括金屬化合物，例如鈦氮化物(tin)或鉭氮化物(tan)。tsv插塞420可以包括金屬，例如銅(cu)或鎢(w)。tsv阻擋層410可以利用pvd工藝或cvd工藝形成，并且tsv插塞420可以通過鍍覆工藝、pvd工藝或cvd工藝形成。

參照?qǐng)D6d，形成多重堆疊器件10a的方法可以包括在上基板301上形成抗反射層391和器件蓋層392。抗反射層391可以包括硅氮化物層、硅氧化物層或其組合。器件蓋層392可以包括硅氧化物層、硅氮化物層或其組合。

然后，參照?qǐng)D1a，形成多重堆疊器件10a的方法可以包括在器件蓋層392上形成濾色器393和微透鏡394。濾色器393和微透鏡394可以包括有機(jī)材料。

根據(jù)實(shí)施方式，多重堆疊半導(dǎo)體器件能夠快速且電穩(wěn)定地操作，因?yàn)閠sv結(jié)構(gòu)可靠地電連接多重堆疊的器件。

根據(jù)實(shí)施方式，數(shù)據(jù)和信息能夠被快速傳輸，因?yàn)槎嘀囟询B的器件利用凸塊在單元區(qū)域中直接接合。

根據(jù)實(shí)施方式，具有高深寬比的tsv結(jié)構(gòu)能夠與基板電絕緣，因?yàn)閮H形成在基板中的tsv間隔物使tsv結(jié)構(gòu)與基板電絕緣。

根據(jù)實(shí)施方式，能夠形成更精細(xì)的tsv結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵趖sv孔中沒有形成任何額外的絕緣層。

根據(jù)實(shí)施方式，能夠防止孔不通(holenot-open)故障并能夠降低接觸電阻，因?yàn)闆]有額外的絕緣層形成在tsv孔中。

這里已經(jīng)公開了示例實(shí)施方式，盡管采用了特定的術(shù)語，但是它們僅以一般性和描述性的含義來使用和解釋，而不是為了限制的目的。在一些情況下，如到提交本申請(qǐng)時(shí)為止對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說將是顯然的，結(jié)合特定實(shí)施方式描述的特征、特性和/或元件可以被單獨(dú)地使用，或者可以與結(jié)合其它實(shí)施方式描述的特征、特性和/或元件結(jié)合地使用，除非另外明確地指出。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改變，而沒有脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明精神和范圍在權(quán)利要求書闡述。

于2016年1月19日在韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交且名稱為“具有tsv結(jié)構(gòu)的多重堆疊器件”的第10-2016-0006566號(hào)韓國(guó)專利申請(qǐng)通過引用被整體地結(jié)合于此。