CN103258789A - 一种通孔互联结构的制作方法及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通孔互联结构的制作方法，包括：（a）在基片的一个表面上加工制得盲孔；（b）在加工盲孔的整个基片表面上依次淀积绝缘层和阻挡层；（c）在基片含阻挡层的表面上平铺贴合感光干膜并对其执行曝光显影处理，形成露出盲孔的开口；（d）以干膜作为掩膜，在盲孔底部的阻挡层上形成种子层，同时保持淀积于盲孔侧壁的阻挡层上没有种子层覆盖；（e）以通孔底部的种子层为引导介质实现自底向上的生长，然后对基片另一表面执行减薄处理，直至盲孔被形成为通孔。本发明还公开了相应的通孔互联结构产品。通过本发明，能够以便于操控、低成本、高效率的方式执行通孔电镀过程，并获得填充效果更好的通孔互联结构产品。

Description

一种通孔互联结构的制作方法及其产品

技术领域

本发明属于半导体封装技术领域，更具体地，涉及一种通孔互联结构的制作方法及其产品。

背景技术

集成电路工业发展之初，人们就通过不断地缩小关键尺寸，持续提高芯片的集成度，以获得高性能的半导体芯片。但是当关键尺寸继续缩小时，带来了光刻工艺实施成本剧增以及材料物理特性局限等诸多问题。为了更好地实现三维堆叠封装，硅通孔（TSV，Through Silicon Via）技术应需而生。所谓硅通孔技术，是通过在芯片与芯片之间、晶圆与晶圆之间制作垂直导通，由此实现芯片之间互联的新型方案。由于硅通孔技术能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互联线最短且外形尺寸最小，因此与已有的通过芯片边缘引线互连的方式相比，能够带来更高传输速度、更短RC延迟、更小能量消耗、更小芯片面积的三维堆叠封装。

TSV技术的关键之一在于通孔的填充实现电信号互连。现有技术中通常采用电镀的方式来执行通孔填充，其中一种通孔电镀方式是在通孔内壁上溅射种子层，然后进行电镀；这种电镀方法由于是整个通孔在纵向上同时电镀，需要特殊的电镀设备，而且电镀速度慢，对电镀液要求高，在硅片表面的镀层较厚，且会存在通孔上下端口先封闭，导致铜柱内部有孔洞、空心等缺陷，同时降低芯片的电性能和密封性，影响器件寿命。

另一种通孔电镀方式是自底向上电镀技术，电镀过程是铜从TSV通孔的一端开始沉积，沿通孔向上生长，最终填充整个通孔。自底向上的电镀方法一般需要提供一个通孔，采用辅助圆片作为电镀阴极，或利用电镀横向生长的特性在圆片一面封闭硅通孔，由此实现自底向上的电镀。与保形电镀相比，自底向上的电镀不需要特殊设备，速度快，而且对电镀液的要求低，硅片表面的镀层也可以控制。但是，此方法种子层制作一般需要额外的工艺步骤，如制作辅助圆片、辅助圆片临时键合；或需要在待电镀圆片背面预先进行种子层填充、电镀；因此存在工艺流程长，效率低下等缺陷。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种通孔互联结构的制作方法及其产品，其中通过对通孔填充材料的生长机理及过程进行研究并相应调整工艺步骤，能够以便于操控、低成本、高效率的方式执行通孔电镀过程，并获得填充效果更好的通孔互联结构产品。

按照本发明的一个方面，提供了一种通孔互联结构的制作方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）在基片的一个表面上加工制得盲孔，并使得盲孔的深度不小于其直径；

（b）在加工制得盲孔的整个基片表面上依次淀积绝缘层和阻挡层；

（c）在基片淀积有阻挡层的表面上平铺贴合感光干膜，然后对其执行曝光及显影处理，并形成露出盲孔的开口；

（d）以形成有开口的干膜作为掩膜，在淀积于盲孔底部的阻挡层上形成种子层，同时保持淀积于盲孔侧壁的阻挡层上没有种子层覆盖；

（e）向所述盲孔中填充导电材料，在此过程中，以盲孔底部的种子层作为引导介质，利用导电材料在盲孔内种子层与阻挡层上的生长差异性完成自底向上的生长；然后对基片未加工盲孔的另一表面执行减薄处理，直至盲孔被形成为通孔，由此获得所需的通孔互联结构产品。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述盲孔的数量为1个或多个，其中盲孔孔径在1微米～1000微米之间，深度在10微米～1000微米之间，，并且盲孔的深度为其直径的1～50倍。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，通过深反应离子刻蚀、激光烧蚀或湿法腐蚀来加工制得盲孔。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，所述绝缘层的材料选自二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚苯并环丁烯或光刻胶以及上述材料的混合物或复合体，并优选采用热氧化、物理气相淀积或化学气相淀积的方式形成；所述阻挡层为钛阻挡层、钛-钨双层阻挡层、钛-氮化钛双层阻挡层或钽-氮化钽双层阻挡层，并优选采用原子层淀积、物理气相淀积或化学气相淀积的方式形成。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，感光干膜曝光显影后所形成开口的直径小于盲孔的直径，由此使盲孔部分露出。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，采用热压方式将一层或多层感光干膜平铺贴合在所述阻挡层上，并通过激光、电子束或离子束方式执行曝光；在曝光后对干膜执行加热坚膜处理，然后浸泡于显影液中或是通过喷洒显影液来执行显影处理。

作为进一步优选地，在步骤（d）中，通过电子束蒸发或磁控溅射的方式来淀积由铜或金等材料构成的种子层，并且种子层的厚度在10nm-10um之间。

作为进一步优选地，在步骤（e）中，所述填充材料选自铜、金、银或其混合物。

作为进一步优选地，在步骤（e）之后，还包括去除干膜、焊盘、线层重布和/或制作凸点的步骤。

作为进一步优选地，所述基片选自硅、锗等单质半导体或砷化稼、磷化锢、氮化稼等化合物半导体。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的硅通孔互联结构产品。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术特点：

1、通过对通孔填充材料的生长机理及过程进行研究，由于只在盲孔底部淀积种子层而在其侧壁不淀积种子层，而填充材料在种子层和阻挡层上存在很大的生长差异性，导致处于盲孔底部填充材料的生长速率将远大于盲孔侧壁的生长速率，填充材料将以盲孔底部的种子层为引导介质，从盲孔底部开始淀积，并实现自底向上的高速、高质量填充；

2、通过将干膜的开口直径形成为小于盲孔的直径，悬空在盲孔边缘的干膜有助于减小盲孔开口处及其侧壁的电场，使得填充材料在盲孔开口和侧壁处不易被沉积，从而进一步增强自底向上填充的效果；

3、按照本发明的制作方法便于操控、填充质量高，并能简化通孔互联结构的工艺步骤，降低工艺成本，因而尤其适用于大批量的工业化生产用途。

附图说明

图1是按照本发明的用于制作硅通孔互联结构的工艺流程示意图；

图2a是用于显示在基片上加工出盲孔的结构示意图；

图2b是用于显示在基片加工有盲孔的表面上依次淀积绝缘层、阻挡层的结构示意图；

图2c是用于显示在基片含阻挡层的表面贴上感光干膜，并形成干膜开口的结构示意图；

图2d是用于显示以干膜为掩膜，并在盲孔底部淀积种子层的结构示意图；

图2e是用于显示对淀积有种子层的盲孔进行填充的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-基片  2-绝缘层  3-阻挡层  4-干膜  5-种子层  6-导电材料

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的用于制作硅通孔互联结构的工艺流程示意图。如图1中所示，按照本发明的通孔互联结构的制作方法主要包括下列步骤：

首先，参照图2a中所示，在基片1上的一个表面（图中显示为上表面）上加工制得盲孔，并使得盲孔的深度不小于其直径。基片可选用半导体材料，如硅、锗等单质半导体或砷化稼、磷化锢、氮化稼等化合物半导体。基片的两个表面上可以有制作完成的半导体器件、多层电学互连层或者微传感器结构，还可以包括焊盘或钝化层。基片1的表面上加工制得一个多个盲孔，盲孔的直径从1微米到1000微米不等，其横截面一般是圆形或方形；盲孔的深度不小于其直径，在本发明中优选设定为其直径的1倍到50倍。上述盲孔可以通过深反应离子刻蚀（DRIE）、激光烧蚀或湿法腐蚀来加工制得。

接着，参照图2b中所示，在加工制得盲孔的整个基片表面上依次淀积绝缘层2和阻挡层3，由此在盲孔底部、盲孔侧壁以及未加工盲孔的基片表面其他部位依次形成有层状结构的绝缘层和阻挡层。绝缘层2的材料选自二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚苯并环丁烯或光刻胶以及上述材料的混合物或复合体，并优选采用热氧化、物理气相淀积（PVD）或化学气相淀积（CVD）的方式形成。阻挡层3为钛阻挡层、钛-钨（Ti-W）双层阻挡层、钛-氮化钛(Ti-TiN)双层阻挡层或钽-氮化钽(Ta-TaN)双层阻挡层，并优选采用原子层淀积（ALD）、物理气相淀积(PVD)或化学气相淀积（CVD）等方式形成。

接着，如图2c中所示，在阻挡层3的上表面沿着水平方向平铺贴合感光干膜，然后对其执行曝光及显影处理，由此形成暴露出盲孔的开口。干膜4是用热压的方式贴于基片上的，可以贴一层或多层。干膜4是光敏性质的，可以是负性光刻胶或正性光刻胶。曝光用特定的设备如光刻机，或者是用激光、电子束或离子束方法来执行。曝光后，优选可以选择用热板、烘箱或红外的方式加热贴于基片上的干膜4，进行坚膜步骤以提高光刻质量。显影是指将贴有干膜4的基片1浸泡于显影液中，或通过喷洒显影液的方法，去除一部分干膜4，形成所需的图形。

按照本发明的一个优选实施方式，在上述步骤中，干膜4曝光显影后所形成开口的直径被设定为小于盲孔的直径，由此使盲孔部分露出。换而言之，如图2c中所示，在盲孔开口的周围，有一部分干膜4呈悬空状态。以此方式，由于干膜光刻中的开口小于盲孔的大小，悬空在盲孔边缘的干膜有助于减小盲孔开口处和侧壁处的电场，使盲孔开口处和侧壁处不易被电镀沉积，进而能够进一步增强自底向上填充的效果。

接着，参照图2d中所示，以形成有开口的干膜4作为掩膜，用电子束蒸发工艺来形成种子层。由于电子束蒸发的方向性很强，加上掩膜的存在，种子层5只在淀积于盲孔底部的阻挡层上形成，而在盲孔侧壁的阻挡层上并不形成。种子层5可以是铜、金等。当盲孔的深宽比不大时，也可以采用磁控溅射等方法，进一步降低工艺成本。该种子层的厚度优选为10纳米至10微米之间，以便后续的填充材料生长过程。

接着，参照图2e中所示，向盲孔中填满导电材料，填充一般是采用电镀或化学镀的方法，填充的材料一般是铜，也可以是金、银等材料或其他金属、合金的混合物。虽然盲孔侧壁上的阻挡层3也是带有导电性，但是由于没有种子层覆盖，其上的填充材料6生长速率要远小于在底部种子层5处的生长速率，填充材料6将以通孔底部的种子层5为引导介质，从盲孔底部开始沉积，实现自底向上的高速、高质量电镀填充。

最后，对基片未加工盲孔的另一表面执行减薄处理，直至盲孔被形成为通孔，由此获得所需的通孔互联结构产品。

综上所述，本发明中只在通孔底部淀积种子层，利用盲孔填充材料在种子层和阻挡层上的生长差异性，以通孔底部的种子层为引导介质，实现自底向上的生长。相应地，按照本发明的制作工艺可以简化通孔自底向上电镀填充的制作工艺，降低通孔互联结构制作的工艺成本，同时具备便于操控、填充质量高等优点，因而尤其适用于大批量的工业化生产用途。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通孔互联结构的制作方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）在基片的一个表面上加工制得盲孔，并使得盲孔的深度不小于其直径；

（b）在加工制得盲孔的整个基片表面上依次淀积绝缘层和阻挡层；

（c）在基片淀积有阻挡层的表面上平铺贴合感光干膜，然后对其执行曝光及显影处理，并形成露出盲孔的开口；

（d）以形成有开口的干膜作为掩膜，在淀积于盲孔底部的阻挡层上形成种子层，同时保持淀积于盲孔侧壁的阻挡层上没有种子层覆盖；

（e）向所述盲孔中填充导电材料，在此过程中，以盲孔底部的种子层作为引导介质，利用导电材料在盲孔内种子层与阻挡层上的生长差异性完成自底向上的生长；然后对基片未加工盲孔的另一表面执行减薄处理，直至盲孔被形成为通孔，由此获得所需的通孔互联结构产品。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（a）中，所述盲孔的数量为1个或多个，其中盲孔孔径在1微米～1000微米之间，深度在10微米～1000微米之间，并且盲孔的深度为其直径的1～50倍。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤（a）中，通过深反应离子刻蚀、激光烧蚀或湿法腐蚀来加工制得盲孔。

4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤（b）中，所述绝缘层的材料选自二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚苯并环丁烯或光刻胶以及上述材料的混合物或复合体，并优选采用热氧化、物理气相淀积或化学气相淀积的方式形成；所述阻挡层为钛阻挡层、钛-钨双层阻挡层、钛-氮化钛双层阻挡层或钽-氮化钽双层阻挡层，并优选采用原子层淀积、物理气相淀积或化学气相淀积的方式形成。

5.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤（c）中，感光干膜曝光显影后所形成开口的直径小于盲孔的直径，由此使盲孔部分露出。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤（c）中，采用热压方式将一层或多层感光干膜平铺贴合在所述阻挡层上，并通过激光、电子束或离子束方式执行曝光；在曝光后对干膜执行加热坚膜处理，然后浸泡于显影液中或是通过喷洒显影液来执行显影处理。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在步骤（d）中，通过电子束蒸发或磁控溅射的方式来淀积由铜或金等材料构成的种子层，并且种子层的厚度在10纳米～10微米之间。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤（e）中，所述填充材料选自铜、金、银或其混合物。

9.如权利要求1-8任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤（e）之后，还包括去除干膜、焊盘、线层重布和/或制作凸点的步骤。

10.如权利要求1-9任意一项所述的方法所制得的硅通孔互联结构产品。

Images