CN102903672A

CN102903672A - 一种通孔结构的制作方法

Info

Publication number: CN102903672A
Application number: CN2012104053278A
Authority: CN
Inventors: 胡正军
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明提供一种通孔结构的制作方法，包括在衬底上形成通孔结构；对通孔结构进行圆化处理，增大通孔结构顶部的开口面积，形成圆化通孔结构；在圆化通孔结构表面依次淀积介质层、阻挡层和籽晶层；在圆化通孔结构内部填充铜。通过本发明的制作方法，不仅可以避免淀积过程中形成的材料堆积,有利于后续电镀铜工艺的顺利完成，还能够增大电镀窗口，提高后续铜电镀的填隙能力。

Description

一种通孔结构的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种通孔结构的制作方法。

背景技术

器件的小型化、功能集成化以及器件性能的改善和功耗的降低等需求加快了集成电路向三维方向发展。为达到减小硅片使用面积、提高硅利用率并缩短互连长度的目的，封装技术从二维结构转到三维堆叠（引线、焊球和微通孔），再又转到通孔互连的三维集成电路。

通孔技术与常规封装技术相比，其制作可以集成到制造工艺的不同阶段，目前通孔工艺有三种典型工艺: 通孔优先(Via-First)、通孔居中(Via-Middle)、通孔最后(Via-Las)。通孔优先是指硅片投入之后立刻进行通孔的光刻、刻蚀金属化和化学机械研磨等过程；通孔居中,是指在硅化合物之后形成的；通孔最后,一般是指互连全都完成之后形成的，在封装阶段实现通孔工艺。前两种方案都可以在代工厂前端金属互连之前进行，而第三种方案（通孔最后方案）目前在微处理器等高性能器件领域研究较多，主要作为系统及芯片（SoC）的替代方案。第三种方案的明显优势是可以不改变现有集成电路流程和设计。封装厂对此方案比较感兴趣。部分厂商已开始在高端的非挥发存储器和动态存储器领域采用Via-last技术，即在芯片的周边进行通孔，然后进行芯片或晶圆的层叠。

常规的通孔结构的制作步骤为：在衬底上刻蚀形成通孔结构，在通孔结构表面依次淀积介质层、阻挡层和籽晶层，然后通过铜电镀填充通孔结构，最后对通孔结构外部的表面区域的铜进行化学机械研磨。

在上述制备过程中，铜电镀是一个关键的步骤，也是需要攻克的技术难题。填充铜的覆盖率直接影响到器件的性能。由于通孔结构刻蚀的深度一般在5-10um，是半导体工艺的孔刻蚀深度的10倍以上，这使得通孔结构具有很大的深宽比，要实现无缝金属填充是具有挑战性的。对于大深宽比的通孔工艺，铜电镀与传统的铜互连工艺相差很大。通孔结构的铜电镀工艺中，铜生长是从底部向上生长的。铜电镀的填隙能力受到前序淀积层的覆盖率和铜生长速率的影响。常规情况下，可以使用各种添加剂来配合电镀铜的生长，比如，在通孔底部有加速剂，从而加快底部向上生长的速度，在通孔顶部和侧壁有抑制剂和平整剂，从而减慢侧壁和顶部的生长速度。因此，如果铜电镀的过程中铜的生长可以利用添加剂来调控，那么铜电镀的成败很大程度受前序工艺影响，急需找到能够提高铜电镀填隙能力的解决方法。

为提高铜电镀填隙能力和实现无缝填充，要求前序淀积介质层、阻挡层和籽晶层具有高的台阶覆盖率，如果通孔内部覆盖不良，会造成电镀不良，严重影响器件性能。然而，通孔结构顶部处的接触角大，从而导致介质层、阻挡层、籽晶层的淀积速率相对底部和侧壁淀积速率大，容易在通孔顶端形成薄膜材料堆积(cusping)，严重影响后续的铜电镀填充过程。

在美国专利 US7564115B2中提出了一种底部倾斜的TSV结构，但这种底部倾斜TSV结构在集成中底部倾斜的角度和深度较难控制，并且对TSV的电性能有一定的影响。

因此，需要一种通孔结构的制作方法，能够有效避免介质层、阻挡层和籽晶层淀积过程中形成的cusping对后续的电镀工艺的影响，从而提高电镀填充能力。

发明内容

本发明的主要目的为，针对上述问题，提出一种通孔结构的制作方法,该方法与传统工艺相比具有更大的铜电镀工艺窗口，避免cusping的形成对后续铜电镀造成的影响，即增加了后续铜电镀工艺的填隙能力，有利于制备高性能器件。

为达到上述目的，本发明提供一种通孔结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤S01：在衬底上形成通孔结构；

步骤S02：对所述的通孔结构进行圆化处理，增大所述的通孔结构顶部的开口面积，形成圆化通孔结构；

步骤S03：在所述的圆化通孔结构的内部依次淀积介质层、阻挡层和籽晶层；

步骤S04：在所述的圆化通孔结构内部填充铜。

优选地，所述的通孔结构的直径为5-10μm,所述的通孔结构的深度为50-100μm。

优选地，所述的步骤S02中的圆化处理，是采用物理轰击的方法对所述的通孔结构的顶部区域进行刻蚀，形成所述圆化通孔结构。

优选地，所述圆化通孔结构的顶部的刻蚀宽度为所述通孔结构的通孔直径的5%-8%，其中所述的刻蚀宽度为从所述通孔结构顶部的通孔边界到所述圆化通孔结构顶部的通孔边界的距离。

优选地，所述的圆化处理是在物理气相沉积刻蚀腔内进行的。

优选地，所述的圆化处理的参数为：偏压功率为200-800W,侧部功率为200-800W，氩气流量5-20sccm，压力为2-5mTorr，轰击时间为5-20秒。

优选地，所述的圆化处理的参数为：偏压功率为400W、600W或800W；侧部功率功率为400W、600W或800W；氩气流量为8 cssm、10 cssm或15cssm；压力为2 mTorr、3 mTorr或4 mTorr。

优选地，步骤S03中，所采用的淀积方法是化学气相沉积法。

优选地，所采用的填充方法是电镀法。

优选地，步骤S04中还包括采用化学机械平坦化法去除所述的圆化通孔结构的通孔外部的衬底表面区域的介质层、阻挡层、籽晶层和填充的铜，直至所述的填充的铜的顶部与所述的圆化通孔结构的通孔外部的衬底表面在同一平面上。

优选地，所述的介质层的材料为氧化硅或氮化硅。

从上述技术方案可以看出，本发明的一种通孔结构的制作方法，通过对通孔结构的顶部进行圆化处理，增大了通孔结构顶部的开口面积，从而可以避免介质层、阻挡层和籽晶层在淀积过程中形成的cusping, 有利于后续电镀工艺的顺利完成，同时，与传统工艺相比，圆化通孔结构具有更大的电镀工艺窗口，能够提高后续金属电镀的填隙能力，巧妙地克服了电镀工艺中的技术难题，从而提高器件的性能。

附图说明

图1为本发明的通孔结构的制作方法的一个较佳实施例的流程示意图；

图2至图6是本发明的通孔结构制作方法的具体步骤对应的示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。

上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图1-7对本发明的一种通孔结构的制作方法进行详细说明。

请参阅图1，图1是本发明的通孔结构的制作方法的一个较佳实施例的流程示意图。在本实施例中，通孔结构的制作方法包括步骤S01-S05，步骤S01-S05分别通过附图2-6以说明本发明图1所述的制作方法具体步骤时所形成的剖面结构。

请参阅图1，如图所示，在本发明的该实施例中，一种通孔结构的制作方法包括如下步骤：

步骤S01：请参阅图2，在衬底上形成通孔结构。需要进一步说明的是，这里所用的衬底材料可以是N型硅，也可以是P型硅，也可以是绝缘层上的硅，还可以是锗。

然后，经过光刻、刻蚀和湿法去胶处理，在衬底上形成通孔结构。在本实施例中的通孔结构的通孔直径为5-10μm,通孔结构的通孔深度为50-100μm，但是并不是对本发明的范围进行限制。

步骤S02：请参阅图3，对步骤S01中的通孔结构进行圆化处理，增大通孔结构顶部的开口面积，形成圆化通孔结构。

需要说明的是，在本实施例中的圆化处理是采用物理轰击的方法在物理气相沉积（PVD）刻蚀腔内对所述的通孔结构的顶部区域进行刻蚀，但是并不限制本发明的范围。

值得一提的是，本实施例中，圆化处理所采用的参数为：偏压功率为200-800W,侧部功率为200-800W，氩气流量为5-20sccm，压力为2-5mTorr，轰击时间为5-20秒。但是，这不是限制本发明的范围。

优选地，圆化处理的参数为：偏压功率为400W、600W或800W；侧部功率功率为400W、600W或800W；氩气流量为：8 cssm、10 cssm或15cssm；压力为2 mTorr、3 mTorr或4 mTorr。这里，sccm是在标准状态下，也就是1个大气压、25摄氏度下每分钟每立方厘米的流量。

进一步说明的是，本发明中的圆化通孔结构的顶部可以呈任意形状，在本实施例中的圆化通孔结构的顶部呈圆环形状。可参阅图3 ，图3中A为圆化通孔结构的切面图，B为圆化通孔结构的俯视图。圆化通孔结构的顶部的刻蚀宽度为步骤S01中的通孔结构的通孔直径的5%-8%。具体地说，在图3中所显示的俯视图B中，内圆2为通孔结构顶部的通孔边界，外圆1为圆化通孔结构顶部的通孔边界。内圆2与外圆1之间的宽度表示圆化通孔结构的顶部的刻蚀宽度，该宽度为内圆2直径的5%-8%。

步骤S03：请参阅图4，在圆化通孔结构的底部、孔侧壁和孔外部的衬底表面区域淀积介质层，然后在介质层上依次淀积阻挡层和籽晶层。

需要说明的是，本实施例中的介质层的材料可以是氧化硅，也可以是氮化硅；本实施例中的阻挡层的材料可以是氮化钛，可以是钛，也可以是氮化钽，还可以是钽；本实施例中的籽晶层的材料可以是铜。

步骤S04：请参阅图5，采用铜电镀法把铜填充在圆化通孔结构底部、孔侧壁和孔外部的衬底表面区域。

步骤S05：请参阅图6，去除圆化通孔结构的孔外部的衬底表面区域的介质层、阻挡层、籽晶层和填充的铜，直至填充的铜的顶部与圆化通孔结构的孔外部的衬底表面在同一平面上。

具体地，本实施例中去除圆化通孔结构的外部表面的铜的方法可以是化学机械研磨方法。

综上所述，通过本发明的方法，对通孔结构顶部进行圆化处理，可以增大通孔结构顶部的开口面积，从而增大介质层、阻挡层和籽晶层的淀积覆盖率,并且同时增大通孔结构的铜电镀窗口，能够提高后续铜电镀的填隙能力。

以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种通孔结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01：在衬底上形成通孔结构；

步骤S03：在所述的圆化通孔结构的表面依次淀积介质层、阻挡层和籽晶层；

步骤S04：在所述的圆化通孔结构内部填充铜。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的通孔结构的直径为5-10μm,所述的通孔结构的深度为50-100μm。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的步骤S02中的圆化处理，是采用物理轰击的方法对所述的通孔结构的顶部区域进行刻蚀，形成所述圆化通孔结构。

4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述圆化通孔结构的顶部的刻蚀宽度为所述通孔结构的通孔直径的5%-8%，其中所述的刻蚀宽度为从所述通孔结构顶部的通孔边界到所述圆化通孔结构顶部的通孔边界的距离。

5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的圆化处理是在物理气相沉积刻蚀腔内进行的。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述的圆化处理的参数为：偏压功率为200-800W,侧部功率为200-800W，氩气流量5-20sccm，压力为2-5mTorr，轰击时间为5-20秒。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述的圆化处理的参数为：偏压功率为400W、600W或800W；侧部功率功率为400W、600W或800W；氩气流量为8 cssm、10 cssm或15cssm；压力为2 mTorr、3 mTorr或4 mTorr。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S03中，所采用的淀积方法是化学气相沉积法。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所采用的填充方法是电镀法。

10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤S04中还包括采用化学机械平坦化法去除所述的圆化通孔结构的通孔外部的衬底表面区域的介质层、阻挡层、籽晶层和填充的铜，直至所述的填充的铜的顶部与所述的圆化通孔结构的通孔外部的衬底表面在同一平面上。

11.根据权利要求书1所述的制作方法，其特征在于，所述的介质层的材料为氧化硅或氮化硅。