CN102208363A - 一种形成穿透硅通孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形成穿透硅通孔的方法，属于半导体制造、微电子封装和三维集成技术领域。所述方法包括在硅衬底正面刻蚀环形槽的步骤；对所述环形槽进行热氧化处理的步骤；在所述硅衬底正面制作电互连层的步骤；从所述硅衬底背面减薄所述硅衬底的步骤；刻蚀所述被氧化硅层封闭的环形槽内部的硅衬底，使其被全部移除，在所述环形槽内侧形成深孔的步骤；向所述深孔中填充导电材料，形成穿透硅通孔的步骤。使用本发明提供的方法能够获得同时使用高质量厚氧化硅层、金属作为侧壁隔离和导电填充材料的穿透硅通孔，提高穿透硅通孔的可靠性和电学性能。

Description

一种形成穿透硅通孔的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造、微电子封装和三维集成技术领域，特别是涉及一种形成穿透硅通孔的方法。

背景技术

穿透硅通孔（Through-Silicon-Via, TSV）是一种贯穿芯片的电连接，可以将信号从芯片的一面传导至芯片的另一面，并通过结合芯片堆叠技术，实现多层芯片的三维集成。与传统的引线键合技术相比，使用穿透硅通孔可以有效缩短芯片间互连线的长度，从而提高电子系统的信号传输性能和工作频率，是未来半导体技术发展的重要方向，而如何形成穿透硅通孔，是实现多层芯片三维集成的核心。

现有技术中，形成穿透硅通孔的方案包括三种，即先通孔型（Via-First）、中通孔型（Via-Middle）和后通孔型（Via-Last）。他们的特点和缺陷分别在于：

1）对于先通孔型集成方案，穿透硅通孔在半导体器件制作之前完成刻蚀、侧壁隔离和填充，这些过程均是在高温条件下完成的，所使用的材料都是耐高温材料，一般侧壁绝缘层使用硅的热氧化层，导电材料填充使用掺杂多晶硅，这种集成方式可以保证穿透硅通孔的侧壁隔离性能，但是，由于掺杂多晶硅的电阻率较高，导致穿透硅通孔的导电性能受到很大限制。

2）对于中通孔型集成方案，穿透硅通孔在半导体器件制作之后、后道互连（Back-End-Of-Line, BEOL）制作之前加工，刻蚀及填充均在硅衬底的器件面进行，可以使用金属材料实现穿透硅通孔的填充，以保证其导电性能。但是，由于衬底上已经存在半导体器件，一方面，侧壁绝缘层的加工一般不能使用热氧化工艺，只能使用等离子增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）等低温方式，穿透硅通孔与硅衬底的侧壁隔离性能受到很大限制；另一方面，穿透硅通孔填充之后的抛光操作在器件面进行，容易损伤已有的半导体器件，成品率低。

3）对于后通孔型集成方案，穿透硅通孔在后道互连（BEOL）制作之后加工。由于衬底上已包含金属材料层，穿透硅通孔的加工只能使用低温工艺，侧壁绝缘层生长一般只能使用低温的等离子增强化学气相沉积（PECVD）等方式，难以保证侧壁绝缘层的台阶覆盖性能和电隔离性能。

此外，在上述三种集成方案中，穿透硅通孔的刻蚀、侧壁隔离、导电材料填充是连续进行的，出于薄膜应力及工艺效率的考虑，一般侧壁隔离层较薄，使得穿透硅通孔的寄生电容较大，限制了穿透硅通孔高频性能的提高。

发明内容

为了解决现有技术中穿透硅通孔形成方法难以同时保证穿透硅通孔的侧壁隔离性能和电导通性能；侧壁绝缘层较薄，穿透硅通孔的高频性能受限的问题，本发明提出了一种新的形成穿透硅通孔的方法，使用该方法能够获得同时使用高质量厚氧化硅层、金属作为侧壁隔离和导电填充材料的穿透硅通孔，提高穿透硅通孔的可靠性和电学性能。

为了实现上述目的，本发明提供的形成穿透硅通孔的方法包括以下步骤：

第一步，在硅衬底正面刻蚀环形槽；

第二步，对所述环形槽进行热氧化处理，使得所述环形槽被氧化硅层封闭；

第三步，在所述硅衬底正面制作电互连层，所述电互连层的底部贴于所述环形槽内部的硅衬底上；

第四步，从所述硅衬底背面减薄所述硅衬底，直至被所述氧化硅层封闭的所述环形槽的背部露出；

第五步，刻蚀被所述氧化硅层封闭的所述环形槽内部的硅衬底，使其被全部移除，在所述环形槽内侧形成深孔；

第六步，向所述深孔中填充导电材料，形成所述穿透硅通孔。

作为优选，所述环形槽的宽度范围为0.5μm～3μm，所述环形槽的深度等于或者大于要获得的所述穿透硅通孔的长度。

作为进一步的优选，所述环形槽在开口处的宽度等于或者大于所述环形槽在其深处的宽度。

作为优选，用于对所述热氧化处理过程为表面反应控制的类型。

作为优选，所述电互连层包含至少一层导电材料。

作为优选，所述电互连层所选用的导电材料是铜或者铝。

作为优选，在从所述硅衬底背面减薄所述硅衬底之前，先将所述硅衬底与另一由玻璃、硅或者蓝宝石制成的衬底键合。

作为进一步的优选，从所述硅衬底背面减薄所述硅衬底时采用研磨结合抛光的方法进行。

作为优选，在刻蚀被所述氧化硅层封闭的所述环形槽内部的硅衬底之前，在所述环形槽外部的硅衬底背面制作电介质层。

作为优选，对被所述氧化硅层封闭的所述环形槽内部的硅衬底进行刻蚀的方法是深反应离子刻蚀方法或者湿法腐蚀方法。

本发明提供的形成穿透硅通孔的方法的有益效果在于：

应用本发明提供的形成穿透硅通孔的方法能够获得同时使用高质量厚氧化硅层、金属作为侧壁隔离和导电填充材料的穿透硅通孔，提高穿透硅通孔的可靠性和电学性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法在硅衬底正面刻蚀环形槽之后的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法从图2所示的A-A’位置平切对应的俯视示意图；

图4为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法环形槽被氧化硅层封闭的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法从图4所示的A-A’位置平切对应的俯视示意图；

图6为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法在硅衬底正面加工电互连层之后的剖面结构示意图；

图7为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法从背面减薄所述硅衬底使由氧化硅层封闭的环形槽背端露出的剖面结构示意图；

图8为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法将由氧化硅层封闭的环形槽内侧的硅衬底刻蚀并全部移除之后在环形槽内侧形成深孔的剖面结构示意图；

图9为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法在向氧化硅层封闭的环形槽内侧深孔填充导电材料之后的剖面结构示意图；

图10为本发明实施例提供的形成穿透硅通孔的方法从图9所示的A-A’位置平切对应的俯视示意图。

具体实施方式

为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

如图1所示，本发明提供的形成穿透硅通孔的方法包括以下步骤：

第一步，如图2和图3所示，在硅衬底1正面刻蚀环形槽2。

环形槽2的宽度范围可以为0.5μm～3μm，环形槽2的深度等于或者大于要获得的所述穿透硅通孔的长度，以保证加工可行性和后续步骤的顺利进行；环形槽2在开口处的宽度等于或者大于环形槽2在其深处的宽度，其中环形槽2在开口处的宽度与环形槽2在其深处的宽度的差的范围是0～2μm，以利于后续处理中氧化硅层3将环形槽2封闭。本实施例中，刻蚀环形槽2采用的方法是深反应离子刻蚀方法。

第二步，如图4和图5所示，对所述环形槽2进行热氧化处理，使得所述环形槽2被氧化硅层3封闭。

所述热氧化处理过程为表面反应控制的类型，以获得环形槽2由底到上均匀的氧化层填充。在此过程中，硅参与反应，根据半导体物理理论，每消耗0.44μm厚度的硅层，可以获得约1μm厚度的氧化硅层3。

第三步，如图6所示，在所述硅衬底1正面制作电互连层4，所述电互连层4的底部贴于所述环形槽2内部的硅衬底1上。

电互连层4包含至少一层导电材料，且电互连层4底部直接贴于环形槽2内部的硅衬底1上，目前，主流技术可以包含10层或更多层导电材料，导电材料层数越多，对应的布线自由度越多，电互连层4所选用的导电材料可以为铜或者铝，并且，在电互连层4加工之前，还可以在硅衬底1上制造半导体器件。

第四步，如图7所示，从所述硅衬底1背面减薄所述硅衬底1，直至被所述氧化硅层3封闭的所述环形槽2的背部露出。

在从硅衬底1背面减薄硅衬底1之前，可以先将所述硅衬底1与另一由玻璃、硅或者蓝宝石制成的衬底键合，以保证硅衬底1的操作安全。从硅衬底1背面减薄硅衬底1时可以采用研磨结合抛光的方法进行，研磨可以迅速减薄硅衬底1，抛光可以提高硅衬底1背面表面的平坦度，并消除研磨过程在硅衬底1中引入的残余应力和机械损伤，确保后续工艺的有效进行。

第五步，如图8所示，刻蚀被所述氧化硅层3封闭的所述环形槽2内部的硅衬底1，使其被全部移除，在所述环形槽2内侧形成深孔。

在刻蚀被氧化硅层3封闭的环形槽2内部的硅衬底1之前，在环形槽2外部的硅衬底1背面可以制作电介质层5，以保证硅衬底1背面表面电绝缘。电介质层5可以以氧化硅、氮化硅或者有机聚合物为材料，采用溅射、等离子增强化学气相沉积、旋涂烘烤、喷涂烘烤等方式制作。本实施例中，所述将环形槽2内部的硅衬底1刻蚀的方法优选深反应离子刻蚀方法或者是对氧化硅具有高选择比的湿法腐蚀方法或者等离子刻蚀方法。

第六步，如图9和图10所示，向所述深孔中填充导电材料6，形成所述穿透硅通孔。

向深孔中填充导电材料6可以选用溅射、电镀、化学镀中的一种或多种方法；填充材料可以为铜、镍、铝、金、钛、钛钨、氮化钛、钽、氮化钽中的一种或者多种的组合；填充方式可以为完全填充或者部分填充。最终，利用导电材料6可以使硅衬底1正面的电互连层4电连接至硅衬底1的背面，形成穿透硅通孔。

以上所述的具体实施方式，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方式而已，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 (10)

1.一种形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，在硅衬底正面刻蚀环形槽；

第二步，对所述环形槽进行热氧化处理，使得所述环形槽被氧化硅层封闭；

第三步，在所述硅衬底正面制作电互连层，所述电互连层的底部贴于所述环形槽内部的硅衬底上；

第四步，从所述硅衬底背面减薄所述硅衬底，直至被所述氧化硅层封闭的所述环形槽的背部露出；

第五步，刻蚀被所述氧化硅层封闭的所述环形槽内部的硅衬底，使其被全部移除，在所述环形槽内侧形成深孔；

第六步，向所述深孔中填充导电材料，形成所述穿透硅通孔。

2.根据权利要求1所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：所述环形槽的宽度范围为0.5μm～3μm，所述环形槽的深度等于或者大于要获得的所述穿透硅通孔的长度。

3.根据权利要求2所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：所述环形槽在开口处的宽度等于或者大于所述环形槽在其深处的宽度。

4.根据权利要求1所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：所述热氧化处理过程为表面反应控制的类型。

5.根据权利要求1所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：所述电互连层包含至少一层导电材料。

6.根据权利要求1所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：所述电互连层所选用的导电材料是铜或者铝。

7.根据权利要求1所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：在从所述硅衬底背面减薄所述硅衬底之前，先将所述硅衬底与另一由玻璃、硅或者蓝宝石制成的衬底键合。

8.根据权利要求7所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：从所述硅衬底背面减薄所述硅衬底时采用研磨结合抛光的方法进行。

9.根据权利要求1所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：在刻蚀被所述氧化硅层封闭的所述环形槽内部的硅衬底之前，在所述环形槽外部的硅衬底背面制作电介质层。

10.根据权利要求1所述的形成穿透硅通孔的方法，其特征在于：对被所述氧化硅层封闭的所述环形槽内部的硅衬底进行刻蚀的方法是深反应离子刻蚀方法或者湿法腐蚀方法。

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