CN102956543B - 一种硅通孔的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅通孔的制作方法，包括如下步骤：步骤1，在硅衬底上沉积栅极与金属层之间的层间介质膜；步骤2，栓孔与硅通孔PAD光刻与刻蚀；步骤3，硅通孔光刻与刻蚀；步骤4，栓孔与硅通孔金属填充。该方法可以避免在氧化膜的交界面形成横向的底切(undercut)，有利于后续金属的填充。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造工艺，尤其是一种硅通孔的制作方法。
背景技术
硅通孔(Through Si via，TSV)工艺是一种新兴的集成电路制作工艺，将制作在硅片上表面的电路通过硅通孔中填充的金属连接至硅片背面，结合三维封装工艺，使得IC布局从传统二维并排排列发展到更先进的三维堆叠，这样元件封装更为紧凑，通过缩短芯片引线距离，可以极大的提高电路的频率特性和功率特性。硅通孔工艺应用广泛，适合用作多方面器件性能提升。如将其用于无线局域网与手机中功率放大器，将极大的提高电路的频率特性和功率特性。
硅通孔工艺制作中，一般采用先进的刻蚀工艺在硅基体中制作出具有极大深宽比的孔或沟槽，孔或沟槽深度大致为100微米。在该孔或沟槽中填充金属，将硅片背面减薄后将电极通过背面引出。根据通孔的形成阶段，可分为两种不同的工艺：通孔先(via-first)和通孔后(via-last)。前者是在CMOS IC制作工艺前或者在CMOS IC制作工艺中后端制程(BEOL)之前形成硅通孔结构，后者是在CMOS IC制作完成之后，再完成硅通孔的制作。目前在与IC工艺相兼容的via-first制作工艺中，通常是在BEOL(制程的后道)工艺之前与栓孔(Contact)集成在一起完成的。
上述所述的via-first硅通孔工艺，由于与栓孔工艺相集成，难度在于100微米深沟槽硅刻蚀和金属填充，特别的对于深沟槽的硅刻蚀。通常做法是：第一步，先进行栓孔刻蚀工艺，刻蚀栅极与金属层之间的氧化膜(PMD layer)，同时也要把硅通孔的表面的氧化膜刻蚀干净。第二步，涂胶，曝光，栓孔区域被光刻胶保护，然后就是硅通孔的刻蚀，可以看到，硅通孔结构要进行两次刻蚀。第一次是氧化膜介质刻蚀，第二次是硅深槽刻蚀(硅基刻蚀)，在该步工艺中，为了刻蚀出＞100um(微米)深度的沟槽，需要用高强度的离子轰击和高刻蚀速率的SF6，硅刻蚀以后，在氧化膜与硅的交界面，容易在硅界面以下的区域形成横向的底切(undercut)(见图1)，这种深沟槽形貌不利于后续的金属填充，容易产生缝隙。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种硅通孔的制作方法，该方法可以避免在氧化膜的交界面形成横向的底切(undercut)，有利于后续金属的填充。
为解决上述技术问题，本发明提供一种硅通孔的制作方法，包括如下步骤：
步骤1，在硅衬底上沉积栅极与金属层之间的层间介质膜；
步骤2，栓孔与硅通孔PAD(垫)光刻与刻蚀；
步骤3，硅通孔光刻与刻蚀；
步骤4，栓孔与硅通孔金属填充。
所述硅通孔结构为深孔或深沟槽，其深度为50-250微米，宽度为1.5-5微米。优选的，所述硅通孔的深度为50-100微米，宽度为2-3微米。
在步骤1中，所述层间介质膜的厚度为5000～10000埃，所述层间介质膜采用SACVD或PECVD工艺淀积。
在步骤2中，所述硅通孔PAD指在栓孔层版图设计的时候，将硅通孔表面的区域设计为一整块类似PAD的图形，该PAD的边界与下层的硅通孔边界有2～6微米的overlay(套准)，该步骤在刻蚀栓孔的同时将该硅通孔PAD区域的层间介质膜去除。
在步骤2中，所述刻蚀采用干法刻蚀工艺，温度为10～50℃，压力为20～60mTorr，刻蚀气体为C4F8、O2和Ar混合气体。
在步骤3中，所述硅通孔的刻蚀为等离子体干法刻蚀，所用刻蚀气体包括SF6和CF4混合气体，压力范围为70～120mTorr，温度为10～45℃。
在步骤4中，栓孔金属填充与硅通孔金属填充同时进行，栓孔的尺寸比硅通孔的尺寸小，所以硅通孔填满金属时，栓孔也被填满金属。
在步骤4中，所述硅通孔金属填充包括垫层金属填充及填孔金属填充，垫层金属采用Ti或Ti/TiN，垫层金属的厚度为200～1000埃，填孔金属采用钨或铜；对于金属钨填充，由于硅通孔的高深宽比，填充工艺可与回刻工艺交替使用；钨淀积厚度为硅通孔宽度的1/5～1/2，优选1/4～1/3，厚度不超过15000埃；钨回刻采用终点刻蚀方式，过刻蚀10％～50％，优选20％～30％；钨沉积与回刻可重复进行，直至将栓孔与硅通孔填满。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用了一种新的via-first硅通孔的制作工艺方法，是在BEOL工艺之前与栓孔(Contact)模块集成在一起。在栓孔层版图设计的时候，将硅通孔表面的区域设计为一整块类似PAD的图形，该PAD的边界与下层的硅通孔边界有2～6um的overlay，与在刻蚀栓孔的同时将该PAD区域的氧化膜去除。后续工艺直接刻蚀硅体形成硅通孔。与传统的方法相比，可以避免在氧化膜的交界面形成横向的底切(undercut)，有利于后续金属的填充。该工艺方法便于与现有集成电路工艺集成，并利用现有生产设备进行加工，可以降低工艺难度和成本。
附图说明
图1是采用传统工艺两次硅通孔刻蚀后形成的底切(undercut)示意图；
图2是本发明中硅通孔PAD的示意图；
图3是本发明方法的步骤1完成后的示意图；
图4是本发明方法的步骤2完成后的示意图；
图5是本发明方法的步骤3完成后的示意图；
图6是本发明方法的步骤4完成后的示意图；
图7是图6中硅通孔结构的放大示意图；
其中，11为栓孔，12为硅通孔PAD，13为硅通孔，1为硅衬底，2为层间介质膜(PMD)，3为垫层金属，4为填孔金属。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明的一种硅通孔的制作方法，主要包括如下步骤：
步骤1：如图3所示，在硅衬底1上沉积栅极与金属层之间的层间介质膜2；该层间介质膜2的厚度为5000～10000埃，该层间介质膜2一般采用氧化膜，可采用SACVD(次常压化学汽相沉积)或PECVD(等离子体增强化学气相沉积)工艺淀积。
步骤2：如图4所示，栓孔11与硅通孔PAD 12光刻与刻蚀；具体刻蚀工艺为干法刻蚀，温度10～50℃，压力20～60mTorr，刻蚀气体为C4F8，O2和Ar混合气体。在栓孔层版图设计的时候，将硅通孔表面的区域设计为一整块类似PAD(垫)的图形，该PAD的边界与下层的硅通孔(TSV)边界有2～6um(微米)的overlay(套准)，见图2；该步骤在刻蚀栓孔11的同时将该硅通孔PAD 12区域的层间介质膜2去除，这样可以避免采用传统工艺硅通孔的两次刻蚀所形成的底切形貌。
步骤3：如图5所示，硅通孔13光刻与刻蚀；硅通孔13可为深孔或深沟槽，一般硅通孔13的宽度为1.5um～5um，最佳为2～3um；硅通孔13的深度为50～250um，最佳为50～100um。硅通孔的刻蚀为等离子体干法刻蚀，所用刻蚀气体包括SF6和CF4混合气体，压力范围70～120mTorr，温度10～45℃。
步骤4：如图6和图7所示，栓孔11与硅通孔13金属填充(栓孔11金属填充与硅通孔13金属填充同时进行，栓孔11的尺寸较小，一般为0.2～0.4um，所以硅通孔13填满金属时，栓孔11也是满的)；硅通孔13的金属填充包括垫层金属3填充及填孔金属4填充，垫层金属3采用Ti或Ti/TiN(Ti和TiN结合)，垫层金属3的总厚度为200～1000埃，填孔金属4采用钨(W)，或铜(Cu)。对于金属钨填充，由于硅通孔13的高深宽比，填充工艺可与回刻工艺交替使用。钨淀积厚度为硅通孔13宽度的1/5～1/2，最佳为1/4～1/3，厚度不超过15000埃。钨回刻采用终点刻蚀方式(钨回刻的工艺控制可采用终点检测的方式，通常用光学方法，刻蚀时检测到钨与埋层金属的界面，停止主刻蚀工艺步骤，然后进行过刻蚀步骤)，过刻蚀10％～50％，最佳为20％～30％。钨沉积与回刻可重复进行，直至将栓孔11与硅通孔13填满。
Claims (7)
1.一种硅通孔的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在硅衬底上沉积栅极与金属层之间的层间介质膜；
步骤2，栓孔与硅通孔PAD光刻与刻蚀；所述硅通孔PAD指在栓孔层版图设计的时候，将硅通孔表面的区域设计为一整块类似PAD的图形，该PAD的边界与下层的硅通孔边界有2～6微米的套准，该步骤在刻蚀栓孔的同时将该硅通孔PAD区域的层间介质膜去除；所述刻蚀采用干法刻蚀工艺，温度为10～50℃，压力为20～60mTorr,刻蚀气体为C4F8、O2和Ar混合气体；
步骤3，硅通孔光刻与刻蚀；
步骤4，栓孔与硅通孔金属填充；在步骤4中，所述硅通孔金属填充包括垫层金属填充及填孔金属填充，垫层金属采用Ti或Ti/TiN，垫层金属的厚度为200～1000埃，填孔金属采用钨或铜；对于金属钨填充，由于硅通孔的高深宽比，填充工艺与回刻工艺交替使用；钨淀积厚度为硅通孔宽度的1/5～1/2，厚度不超过15000埃；钨回刻采用终点刻蚀方式，过刻蚀10％～50％；钨沉积与回刻重复进行，直至将栓孔与硅通孔填满。
2.如权利要求1所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，所述硅通孔结构为深孔或深沟槽，其深度为50-250微米，宽度为1.5-5微米。
3.如权利要求2所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，所述硅通孔的深度为50-100微米，宽度为2-3微米。
4.如权利要求1所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步骤1中，所述层间介质膜的厚度为5000～10000埃，所述层间介质膜采用SACVD或PECVD工艺淀积。
5.如权利要求1所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步骤3中，所述硅通孔的刻蚀为等离子体干法刻蚀，所用刻蚀气体包括SF6和CF4混合气体，压力范围为70～120mTorr，温度为10～45℃。
6.如权利要求1所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，在步骤4中，栓孔金属填充与硅通孔金属填充同时进行，栓孔的尺寸比硅通孔的尺寸小，所以硅通孔填满金属时，栓孔也被填满金属。
7.如权利要求1所述的硅通孔的制作方法，其特征在于，所述钨淀积厚度为硅通孔宽度的1/4～1/3；所述钨回刻采用终点刻蚀方式，过刻蚀20％～30％。
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