CN103367280A - 穿硅通孔结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种穿硅通孔结构，包括一半导体基底，其中设有至少一导通孔；一导体材料层，填入该导通孔中；以及一空气胞，设于该半导体基底，并靠近该导体材料。由于空气胞中的空气，其介电常数为1，故此结构能够有效降低穿硅通孔之间的寄生电容，并提升半导体器件的运作效能。

Description

穿硅通孔结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体结构，特别是一种穿硅通孔(through silicon via，TSV)结构及其制作方法。
背景技术
穿硅通孔是一种贯穿硅基材的导体结构，主要功能是用来互连集成电路芯片，其制作方法大体上是先在各芯片预定处形成垂直通孔，再于各通孔内形成绝缘层，于绝缘层上形成晶种层，然后以电镀方法将通孔填满金属，再以晶背研磨使穿硅通孔的一端曝露出来。
晶圆经过切割后，多个集成电路芯片可堆栈在封装基板上，形成三维立体芯片封装，经由穿硅通孔在垂直方向实现相互连接。采用这种方式可以大幅缩小芯片尺寸，提高芯片的晶体管密度，改善层间电气互联性能，提升芯片运行速度，降低芯片的功耗。
图1例示一种习知的穿硅通孔结构，通常，先于半导体基底10中蚀刻出孔洞10a及10b，再填入铜金属20。由于半导体基底10与铜金属20之间还必须有绝缘层12以及阻障层14，因此在相邻的穿硅通孔之间产生不可忽视的寄生电容(parasitic capacitance)，影响到半导体器件的运作效能。
由此可知，目前该技术领域仍需要一种改良的穿硅通孔技术解决方案，以避免上述问题与缺点。
发明内容
本发明提供一种改良的穿硅通孔技术解决方案，能够降低穿硅通孔之间的寄生电容，并提升半导体器件的运作效能。
本发明公开了一种穿硅通孔结构，包括一半导体基底，其中设有至少一导通孔；一导体材料层，填入该导通孔中；以及一空气胞，设于该半导体基底，并靠近该导体材料。由于空气胞中的空气，其介电常数为1，故此结构能够有效降低穿硅通孔之间的寄生电容，并提升半导体器件的运作效能。
为让本发明上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附图式，作详细说明如下。然而如下的较佳实施方式与图式仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
附图说明
图1例示一种习知的穿硅通孔结构。
图2至图7例示本发明一优选实施例。
其中，附图标记说明如下：
10       半导体基底        10a      孔洞
10b      孔洞              12       绝缘层
14       阻障层            20       铜金属
100      半导体基底，      100a     孔洞
100b     孔洞              102      半导体器件层
104      硅氧层            104a     空气胞
104b    空气胞        106    光刻胶膜
106a    开口
110     导通孔        112    盖层
114     阻障层        120    铜金属
具体实施方式
图2至图7例示本发明一优选实施例。首先，如图2所示，提供一半导体基底100，例如硅基底，并在半导体基底100的一主动面上形成半导体器件层102。其中，半导体集成电路，包括半导体器件及内连结线路，即形成在半导体器件层102中。接着，如图3所示，利用蚀刻工艺于半导体基底100及半导体器件层102中形成孔洞100a及100b。
如图4所示，于半导体基底100沈积或涂布一硅氧层104(或二氧化硅层)，使硅氧层104覆盖住半导体器件层102的表面，并填入孔洞100a及100b。根据此优选实施例，孔洞100a及100b并未被硅氧层104填满，而是刻意的在孔洞100a及100b内形成空气胞104a及104b，其中，从剖面轮廓观察，空气胞104a及104b可以是狭长形状，约略从孔洞100a及100b开口处向下延伸至孔洞的底部。
根据此优选实施例，上述的硅氧层104可以是利用化学气相沈积(chemicalvapor deposition，CVD)工艺形成，或者可以利用旋涂式玻璃工艺(spin on glass，SOG)形成。当然，根据其它实施例，也可以利用低介电常数材料来进行填孔。此外，根据其它实施例，也可能选择以低介电常数材料层将孔洞100a或孔洞100b全部填满，而不形成空气胞。
如图5所示，接着于硅氧层104上形成一光刻胶膜106，并利用曝光及显影工艺于光刻胶膜106中形成一开口106a，使开口106a定义出即将形成于半导体基底100中的穿硅通孔的位置，且此开口106a位于孔洞100a或孔洞100b之间。
如图6所示，接着进行一干蚀刻工艺，经由开口106a向下蚀刻显露出来的硅氧层104、半导体器件层102及半导体基底100，直到所要的深度为止，形成一导通孔110。根据此优选实施例，导通孔110的深度可以约略与孔洞100a及100b的深度相同。接着，于导通孔110的底部及侧壁上形成一盖层112，其中，盖层112可以是硅氧层、氮化硅层或底部抗反射层等等。根据此优选实施例，盖层112更可以覆盖住硅氧层104的上表面。
如图7所示，于盖层112上形成一阻障层114，例如，(请发明人补充)，最后，将导通孔110填满铜金属120或其它导体材料层。根据此优选实施例，铜金属120可以利用电镀工艺、溅镀工艺、无电电镀工艺形成。之后可以利用化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)工艺研磨掉导通孔110外的铜金属120，再以晶背研磨工艺曝露出相对于主动面的铜金属120。
从图7可看出本发明穿硅通孔结构其特征在于：导通孔110的铜金属120是被孔洞100a及孔洞100b的空气胞104a及104b所包围，而空气胞104a及104b是由填入孔洞100a及100b的硅氧层104所形成，于硅氧层104与铜金属120之间，另形成有盖层112及阻障层114。由于空气胞104a及104b中的空气，其介电常数为1，而硅氧层104的介电常数约为3.9，故此结构能够有效降低穿硅通孔之间的寄生电容，并提升半导体器件的运作效能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种穿硅通孔结构，其特征在于，包含：
一半导体基底，其中设有至少一导通孔；
一导体材料层，填入该导通孔中；以及
一空气胞，设于该半导体基底，并靠近该导体材料。
2.根据权利要求1所述的穿硅通孔结构，其特征在于：该导体材料层包括铜金属。
3.根据权利要求1所述的穿硅通孔结构，其特征在于：该导体材料层与该半导体基底之间另包括一盖层。
4.根据权利要求3所述的穿硅通孔结构，其特征在于：该盖层包括硅氧层、氮化硅层或底部抗反射层。
5.根据权利要求1所述的穿硅通孔结构，其特征在于：该导体材料层与该半导体基底之间另包括一阻障层。
6.根据权利要求1所述的穿硅通孔结构，其特征在于：该空气胞是由形成于一孔洞内的硅氧层所形成。
7.根据权利要求6所述的穿硅通孔结构，其特征在于：该孔洞紧邻于该导通孔。
8.根据权利要求1所述的穿硅通孔结构，其特征在于：该空气胞是由一低介电常数材料层所形成。
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