CN102208362B - 一种穿透硅通孔背部连接端的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种穿透硅通孔背部连接端的制备方法，包括：从半导体衬底背面减薄该半导体衬底，使预先在该半导体衬底中制备的穿透硅通孔从该半导体衬底背面露出；化学机械抛光所述半导体衬底背面，使所述穿透硅通孔背部表面低于所述半导体衬底背部表面；在所述穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层，所述辅助金属层与填充所述穿透硅通孔的主金属在穿透硅通孔背部表面形成金属叠层结构；刻蚀所述半导体衬底背面，使所述金属叠层结构凸出于所述半导体衬底背部表面，形成穿透硅通孔的背部连接端。本发明利用化学机械抛光工艺的凹陷效应，以免掩模、低温制备的方式，在穿透硅通孔背部表面叠加辅助金属层，提高了使用穿透硅通孔实现多层微电子芯片堆叠集成的可实施性和成品率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制备和三维集成技术领域，尤其涉及一种穿透硅通孔背部连接端的制备方法。
背景技术
三维集成技术使用穿透硅通孔(Through-Silicon-Via，TSV)实现多层芯片的通讯，可以有效缩短芯片间互连线长度并提供异质集成能力，是微电子技术发展的一个重要方向。要实现三维集成，需要穿透硅通孔制备、芯片减薄与转移和堆叠键合等三方面的关键技术。穿透硅通孔的背部与另一层芯片获得有效电连接，是实现三维集成的核心技术之一，目前在这方面主要依靠金属键合的方式。
传统的三维集成方案，在半导体衬底上制作完成穿透硅通孔之后，借助临时键合的晶圆支撑，对所述半导体衬底进行背部减薄露出穿透硅通孔的背部，并进行再布线层(Redistribution Layer，RDL)和金属键合盘的加工。衬底减薄之后的这些工艺步骤牵涉到介质层沉积等高温步骤，往往会使临时键合提前失效，导致薄晶圆损毁，严重影响制备的成品率。如新加坡微电子研究所(IME)在文献【XW Zhang，et al.Proc.2009 ElectronicComponents and Technology Conference，pp.305-312.】中所述的集成方案，即是此种类型。
如果不在减薄之后进行再布线层和金属键合盘的加工，则可以避免高温工艺过程，能够解决临时键合提前失效的问题，如比利时IMEC在文献【B.Swinnen，et al.Proc.2006 International Electron Devices Meeting，pp.1-4】中所述的方案，在减薄并抛光硅衬底背面使穿透硅通孔的背部露出之后，反刻硅衬底背面，使穿透硅通孔背部表面高于硅衬底背部表面，之后使用纯铜键合实现与下层衬底的堆叠。这种方式虽然在芯片背面工艺中避免了高温过程，但在与下层衬底进行铜-铜键合过程中需要使用至少300℃的高温，而且对铜表面的平坦度要求较高，严重影响制备成品率。
在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：芯片背面包含再布线层加工等工艺时，存在高温过程，可能会使临时键合提前失效；直接反刻衬底背露穿透硅通孔时，后续键合工艺对温度、表面平坦度要求高，成品率难以保证。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种穿透硅通孔背部连接端的制备方法，以解决现有技术中芯片背面包含再布线层加工等工艺时，存在高温过程，可能会使临时键合提前失效，及直接反刻衬底背露穿透硅通孔时，后续键合工艺对温度、表面平坦度要求高，成品率难以保证等问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种穿透硅通孔背部连接端的制备方法，在半导体衬底上已经完成穿透硅通孔的制备，所述穿透硅通孔由主金属填充，该方法包括：
从半导体衬底背面减薄该半导体衬底，使预先在该半导体衬底中制备的穿透硅通孔从该半导体衬底背面露出；
化学机械抛光所述半导体衬底背面，使所述穿透硅通孔背部表面低于所述半导体衬底背部表面；
在所述穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层，所述辅助金属层与填充所述穿透硅通孔的主金属在穿透硅通孔背部表面形成金属叠层结构；
刻蚀所述半导体衬底背面，使所述金属叠层结构凸出于所述半导体衬底背部表面，形成穿透硅通孔的背部连接端。
上述方案中，所述化学机械抛光所述半导体衬底背面使所述穿透硅通孔背部表面低于所述半导体衬底背部表面之后，还包括腐蚀或刻蚀所述穿透硅通孔内填充材料的步骤。
上述方案中，所述在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层包括：在半导体衬底背部表面沉积辅助金属层；或者在穿透硅通孔背部表面选择性生长辅助金属层。
上述方案中，所述在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层是在半导体衬底背部表面沉积辅助金属层，在所述沉积辅助金属层之前，还包括对半导体衬底背部表面进行化学腐蚀或等离子活化或离子轰击的步骤。
上述方案中，所述在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层是在半导体衬底背部表面沉积辅助金属层，所述沉积辅助金属层的方式为溅射或蒸发。
上述方案中，所述在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层是在穿透硅通孔背部表面选择性生长辅助金属层，所述选择性生长辅助金属层的方式为化学镀。
上述方案中，所述形成金属叠层结构之后，还包括：第二次化学机械抛光所述半导体衬底背面，去除所述穿透硅通孔背部表面之外所述半导体衬底背部表面的辅助金属层。所述第二次化学机械抛光使用无化学腐蚀性成份或低化学腐蚀性成份的抛光液。
上述方案中，所述化学机械抛光半导体衬底背面，使用标准抛光液或含化学腐蚀性成份比标准抛光液偏高的抛光液。
上述方案中，所述从半导体衬底背面减薄该半导体衬底之前，还包括将所述半导体衬底正面与另一衬底键合的步骤。
上述方案中，所述填充所述穿透硅通孔的主金属采用铜或钨。
上述方案中，其特征在于，所述辅助金属层采用的材料为下列材料的一种或多种的组合：金、银、锡、铟、镍、钛、钛钨、铬。
(三)有益效果
利用本发明提出的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，能够以免掩模、低温制备的方式，在穿透硅通孔背部表面叠加辅助金属层，提高使用穿透硅通孔实现多层微电子芯片堆叠集成的可实施性和成品率，解决了现有技术中芯片背面包含再布线层加工等工艺时，存在高温过程，可能会使临时键合提前失效，及直接反刻衬底背露穿透硅通孔时，后续键合工艺对温度、表面平坦度要求高，成品率难以保证等问题。
附图说明
图1是本发明提供的一种穿透硅通孔背部连接端的制备方法流程图；
图2是本发明实施例使用的半导体衬底剖面结构示意图，1为半导体衬底材料，2为填充穿透硅通孔的主金属材料，3为填充穿透硅通孔侧壁的隔离层材料，4为半导体衬底表面的器件层，5为半导体衬底表面的互连层；
图3是本发明实施例对应的背面减薄所述半导体衬底使穿透硅通孔背部露出的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例对应的在第一次化学机械抛光后，穿透硅通孔背部表面低于所述半导体衬底背部表面的剖面结构示意图；
图5是本发明实施例对应的在所述半导体衬底背部表面沉积辅助金属层6之后的剖面结构示意图，辅助金属层与填充穿透硅通孔的主金属在穿透硅通孔背部表面形成金属叠层结构；
图6是本发明实施例对应的第二次化学机械抛光所述半导体衬底背部表面，去除穿透硅通孔背部表面之外半导体衬底背部表面的辅助金属层之后的剖面结构示意图；
图7是本发明实施例对应的刻蚀所述半导体衬底背部表面使所述金属堆叠结构凸出于所述半导体衬底背部表面形成穿透硅通孔背部连接端的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明通过利用化学机械抛光工艺的凹陷效应，在背面减薄衬底使穿透硅通孔背部露出之后，利用第一次化学机械抛光，使穿透硅通孔背部表面低于所述衬底背部表面，接着在所述衬底背部表面沉积辅助金属层，该辅助金属层与填充穿透硅通孔的主金属在穿透硅通孔背部表面形成金属叠层结构，经第二次化学机械抛光去除所述穿透硅通孔背部表面之外所述衬底背部表面的辅助金属层，并刻蚀所述衬底背部表面，使所述金属叠层结构凸出于所述衬底背部表面，形成穿透硅通孔的背部连接端。
如图1所示，图1是本发明提供的一种穿透硅通孔背部连接端的制备方法流程图，该方法包括：
步骤S101，从半导体衬底背面减薄该半导体衬底，使预先在该半导体衬底中制备的穿透硅通孔从该半导体衬底背面露出；
步骤S102，化学机械抛光所述半导体衬底背面，使所述穿透硅通孔背部表面低于所述半导体衬底背部表面；
步骤S103，在所述穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层，所述辅助金属层与填充所述穿透硅通孔的主金属在穿透硅通孔背部表面形成金属叠层结构；
步骤S104，刻蚀所述半导体衬底背面，使所述金属叠层结构凸出于所述半导体衬底背部表面，形成穿透硅通孔的背部连接端。
在上述方案中，在所述半导体衬底上已经完成穿透硅通孔的制备，填充所述穿透硅通孔的材料为主金属。在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层包括：在半导体衬底背部表面沉积辅助金属层或者在穿透硅通孔背部表面选择性生长辅助金属层。本发明提供的这种穿透硅通孔背部连接端的制备方法，以免掩模、低温制备的方式，在穿透硅通孔背部表面叠加辅助金属层，提高使用穿透硅通孔实现多层微电子芯片堆叠集成的可实施性和成品率。
实施例：
本实施例将以穿透硅通孔背部连接端的完整制备过程为例进行说明。本实施例所用的半导体衬底如图2所示。在所述半导体衬底1上已经完成穿透硅通孔的制备，填充所述穿透硅通孔的材料包括主金属2和侧壁隔离层材料3，在所述半导体衬底1上还完成了半导体器件层4和互连层5的加工。主金属是铜或钨，隔离层材料是以下材料的一种或多种组合：氧化硅、氮化硅、钛、钽、氮化钛、氮化钽、钌。后续的穿透硅通孔背部连接端的制备包括以下步骤：
步骤1：背面减薄所述半导体衬底1，使所述穿透硅通孔(2和3的组合)从该半导体衬底背面露出，如图3所示。
减薄使用以下方式的一种或多种组合：机械研磨、机械抛光、化学腐蚀、等离子刻蚀。在减薄之前，可以先将所述半导体衬底与一个支撑衬底键合，以保证所述半导体衬底在减薄过程中的安全。
步骤2：第一次化学机械抛光，使所述穿透硅通孔(2和3的组合)背部表面低于所述半导体衬底1背部表面，如图4所示。
在第一次化学机械抛光过程中，使用腐蚀性能偏强的抛光液，在抛光完成之后，由于过腐蚀效应，使填充所述穿透硅通孔的主金属2(如铜或钨)和侧壁隔离层3背部表面比半导体衬底1背部表面偏低。另一种实现方式是使用标准的化学机械抛光溶液，在完成化学机械抛光之后，腐蚀或刻蚀所述主金属2和侧壁隔离层3，使其背部表面低于所述半导体衬底1背部表面。
步骤3：在所述半导体衬底背部表面沉积辅助金属层6，该辅助金属与填充穿透硅通孔的主金属2在穿透硅通孔背部顶端形成金属叠层结构，如图5所示。
沉积方式为溅射或蒸发，优选的沉积方式为溅射，为提高金属界面性能，在沉积辅助金属层之前，对芯片表面进行离子轰击或者湿法腐蚀处理，保证主金属表面在溅射辅助金属层时的清洁度和纯度。辅助金属层是以下材料的一种或者多种组合：金、银、锡、铟、镍、钛、钛钨、铬。辅助金属层厚度不超过步骤2之后穿透硅通孔背部表面与半导体衬底背部表面间的台阶高度。
步骤4：第二次化学机械抛光，去除所述穿透硅通孔背部表面之外半导体体衬底1背部表面的辅助金属层6，如图6所示。
在第二次化学机械抛光中，使用无化学腐蚀成份或者低化学腐蚀成份的抛光液，在去除半导体衬底背部表面辅助金属层的过程中，不损伤穿透硅通孔背部表面的辅助金属层。
步骤5：刻蚀半导体衬底1背部表面，使填充穿透硅通孔的主金属2与辅助金属6构成的金属叠层结构凸出于所述半导体衬底背部表面，形成穿透硅通孔背部连接端，如图7所示。
刻蚀半导体衬底采用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etch，RIE)、高密度等离子体刻蚀(High Density Plasma Etch，HDPE)或者湿法腐蚀的方式。
在上述实施例中，在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层是通过沉积方式实现的，即在半导体衬底背部表面沉积辅助金属层。在实际应用中，在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层也可以采用选择性生长的方式实现，即在穿透硅通孔背部表面选择性生长辅助金属层，该选择性生长辅助金属层的方式一般为化学镀。这样的技术方案与本实施例中描述的是一致的，这里不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，在半导体衬底上已经完成穿透硅通孔的制备，所述穿透硅通孔由主金属填充，该方法通过利用化学机械抛光工艺的凹陷效应，以免掩模、低温制备的方式，在穿透硅通孔背部表面叠加辅助金属层；该方法具体包括：
从半导体衬底背面减薄该半导体衬底，使预先在该半导体衬底中制备的穿透硅通孔从该半导体衬底背面露出；
化学机械抛光所述半导体衬底背面，使所述穿透硅通孔背部表面低于所述半导体衬底背部表面；
在所述穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层，所述辅助金属层与填充所述穿透硅通孔的主金属在穿透硅通孔背部表面形成金属叠层结构；
第二次化学机械抛光所述半导体衬底背面，去除所述穿透硅通孔背部表面之外所述衬底背部表面的辅助金属层；
刻蚀所述半导体衬底背面，使所述金属叠层结构凸出于所述半导体衬底背部表面，形成穿透硅通孔的背部连接端。
2.根据权利要求1所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述化学机械抛光所述半导体衬底背面使所述穿透硅通孔背部表面低于所述半导体衬底背部表面之后，还包括腐蚀或刻蚀所述穿透硅通孔内填充材料的步骤。
3.根据权利要求1所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层包括：
在半导体衬底背部表面沉积辅助金属层；或者
在穿透硅通孔背部表面选择性生长辅助金属层。
4.根据权利要求3所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层是在半导体衬底背部表面沉积辅助金属层，在所述沉积辅助金属层之前，还包括对半导体衬底背部表面进行化学腐蚀或等离子活化或离子轰击的步骤。
5.根据权利要求3所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层是在半导体衬底背部表面沉积辅助金属层，所述沉积辅助金属层的方式为溅射或蒸发。
6.根据权利要求3所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述在穿透硅通孔背部表面形成辅助金属层是在穿透硅通孔背部表面选择性生长辅助金属层，所述选择性生长辅助金属层的方式为化学镀。
7.根据权利要求1所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述第二次化学机械抛光使用无化学腐蚀性成份或低化学腐蚀性成份的抛光液。
8.根据权利要求1所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述化学机械抛光半导体衬底背面，使用标准抛光液或含化学腐蚀性成份比标准抛光液偏高的抛光液。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述从半导体衬底背面减薄该半导体衬底之前，还包括将所述半导体衬底正面与另一衬底键合的步骤。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述填充所述穿透硅通孔的主金属采用铜或钨。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的穿透硅通孔背部连接端的制备方法，其特征在于，所述辅助金属层采用的材料为下列材料的一种或多种的组合：金、银、锡、铟、镍、钛、钛钨、铬。
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