CN103377984A - 硅通孔背面导通的制造工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅通孔背面导通的制造工艺方法，其是在硅片正面刻蚀出深沟槽并淀积金属阻挡层及无缝填充金属，然后对硅背面采用背面减薄工艺，实施湿法刻蚀去除硅损伤层后再用光刻胶定义出硅通孔干法刻蚀区域，以化学干法刻蚀掉硅通孔区域的硅直至硅正面的深沟槽底部完全露出，然后淀积背面金属层使硅通孔与背面导通。本发明消除了硅通孔不能全部导通和背面金属层容易脱落的风险，提高了工艺可控性及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造工艺，特别是一种硅通孔背面导通的制造工艺方法。
背景技术
硅通孔工艺是一种新兴的集成电路制作工艺，适合用作多方面性能提升，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。硅通孔工艺将制作在硅片正面的电路通过硅通孔(TSV：Through-Silicon-Via)中填充的金属连接至硅片背面，结合三维封装工艺，使得集成电路布局从传统二维排布发展到更先进的三维堆叠，这使得芯片引线距离更短，从而可以极大的提高电路的频率特性和功率特性。
硅通孔的制作工艺有很多种，其中一种是通过正面刻蚀深通孔或深沟槽、金属填充深通孔或深沟槽再加背面减薄和金属化来实现。这种硅通孔制作工艺对背面减薄和金属化工艺的挑战很高。深通孔的深度有一定的差异，而填充金属和硅衬底的硬度不同。传统的背面减薄工艺是采用机械研磨的方式，因此当研磨至部分硅通孔底部露出时，还有部分硅通孔底部尚未露出，而此时刀轮同时研磨硅和填充的金属，金属和硅的面积比在不停变化，设备容易报警，导致返工，且难于控制研磨终点。通常背面金属化之前需要用背面湿法刻蚀去除研磨产生的硅损伤层，防止背面金属剥落，而硅的湿法刻蚀液对于填充金属的选择比极高，会使得硅通孔的填充金属突出于硅衬底之上，后续的背面金属化会出现金属膜在某些区域断开的风险，影响导通。因此该工艺方法不能使用背面湿法刻蚀来去除硅损伤层，存在潜在的工艺风险。
上述硅通孔制作工艺，存在减薄工艺控制难度大，工艺返工率高的问题，还有硅通孔不能全部导通和背面金属容易剥落等潜在工艺风险。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种硅通孔背面导通的制造工艺方法，其包含如下工艺步骤：
步骤一，在硅片正面上制作沟槽，并淀积一层金属阻挡层；
步骤二，采用金属对硅片正面沟槽进行无缝填充；
步骤三，对硅片正表面进行化学机械研磨完全去除表面的填充金属及金属阻挡层，再完成正面金属互连线及正面常规后端工艺；
步骤四，采用传统的背面减薄工艺减薄硅片背面；
步骤五，进行硅片背面湿法刻蚀去除背面减薄工艺产生的硅损伤层；
步骤六，进行背面光刻，定义硅片背面所对应的的硅通孔导通区域；
步骤七，背面干法刻蚀去除硅通孔区域的硅，保证硅片背面所对应的硅通孔的底部全部露出；
步骤八，背面蒸镀金属，完成硅通孔的背面导通。
进一步地，所述步骤一中，硅正面刻蚀的沟槽深度为50～250微米，宽度为1.5～5微米，所述沟槽填充的金属阻挡层厚度为200～1500埃。
进一步地，所述步骤二中，沟槽填充金属包含钨和铜，实现沟槽的无缝填充。
进一步地，所述步骤四中，硅片背表面减薄到距离沟槽底部5～20微米。
进一步地，所述步骤五中，背面湿法刻蚀采用含氢氟酸和硝酸的混合酸液，刻蚀的硅损伤层厚度为3～15微米。
进一步地，所述步骤七中，背面干法刻蚀的刻蚀气体为含氟、氯卤素离子的气体，刻蚀量大于去除硅损伤层后硅片背表面与硅正面沟槽底部的距离，为2～5微米。
进一步地，所述步骤八中，背面淀积的金属包含铝、钛、镍、银、金，背面淀积金属的总厚度为1～3微米。
本发明硅通孔背面导通的制造工艺方法，用背面减薄、背面湿法刻蚀、背面光刻、背面干法刻蚀和背面金属化来实现硅通孔的背面导通，其湿法刻蚀去除了硅损伤层，防止了背面金属剥落，而干法刻蚀可精确控制刻蚀量保证所有硅通孔完全导通，提高了工艺可靠性及可控性。
附图说明
图1是硅片正面沟槽刻蚀后的剖面图；
图2是硅片正面沟槽金属无缝填充后的剖面图；
图3是硅片正面后端工艺完成的示意图；
图4是硅片背面减薄后的示意图；
图5是硅片背面湿法刻蚀后的示意图；
图6是硅片背面光刻后的示意图；
图7是硅片背面干法刻蚀之后的示意图；
图8是硅片背面金属化后的示意图；
图9是本制造工艺方法的总流程图。
附图标记说明
1是硅基片 2是沟槽
3是二氧化硅介质层 4是引线孔
5是金属阻挡层 6是填充金属
7是其他正面层 8是金属连线
9是硅损伤层 10是光刻胶
11是背面金属 d是沟槽深度
w是沟槽宽度 h是硅损伤层厚度
x是硅正面沟槽底部距硅背表面的距离
y是背面湿法蚀刻后沟槽底部与背表面的距离
t是背面金属的厚度
具体实施方式
本发明硅通孔背面导通的制造工艺方法的详细实施方式结合附图说明如下：
工艺步骤一：首先定义硅片承载制作半导体器件的一面为硅片正面，其相对的另一面为硅片背面，本发明附图中所示上方为硅片正面，下方为硅片背面。如图1所示，为工艺步骤一普通引线孔4和用于制作硅通孔的硅正面沟槽2刻蚀完成后示意图，本例在硅正面通过普通引线孔4刻蚀同时将硅沟槽2区域二氧化硅介质层3打开，再进行硅沟槽2光刻，采用光刻胶作为刻蚀阻挡层刻蚀得到深d为50～250微米、宽w为1.5～5微米的用于后续制作硅通孔的硅正面沟槽2。
工艺步骤二：如图2所示，为硅正面沟槽2填充完成后示意图。先在硅片正面淀积一层硅正面沟槽2的金属阻挡层5，再用填充金属6对正面沟槽2进行无缝填充，填充的金属包含但不仅限于钨、铜，淀积的金属阻挡层5的厚度为200～1500埃。
工艺步骤三：如图3所示，使用化学机械研磨去除硅片正表面的填充金属6及金属阻挡层5，然后制作硅正面金属连线8以及完成正面传统的后端工艺7。
工艺步骤四：进行硅片背面减薄，硅片背面减薄至硅正面沟槽2底部距硅片背表面的距离x为5～20微米，如图4所示，此步骤会导致硅背面产生厚度h为3～15微米的硅损伤层9，需要予以消除。
工艺步骤五：如图5所示，进行硅片背面湿法刻蚀，用含氢氟酸和硝酸的混合液将硅片背面的硅损伤层9完全去除，湿法刻蚀量为3～15微米，刻蚀完成后硅正面沟槽底部距硅片背表面距离y为2～5微米。
工艺步骤六：如图6所示，为背面光刻后示意图，硅背面涂敷光刻胶10，背面光刻在硅片背面定义出硅通孔2区域，即图中光刻胶10的开口处。
工艺步骤七：如图7所示，为背面干法刻蚀加剥胶后示意图，干法刻蚀去除光刻定义出的硅通孔2区域的硅，使得硅通孔2的底部金属完全露出。干法刻蚀使用的刻蚀气体为含氟、氯等卤素离子的气体，干法刻蚀刻蚀量大于图5所示的距离y，保证所有的硅通孔2底部都在硅背面能够完全露出，之后再去除光刻胶10。
工艺步骤八：如图8所示，为背面金属化后的示意图，在背面蒸镀导电金属层11，蒸镀的金属如铝、钛、镍、银等，后续工艺形成背面电极，蒸镀的背面金属层11的厚度t为1～3微米，此背面金属层11与正面通过通孔填充金属6连通，完成硅通孔2的背面导通，实现了本发明的技术目的。
以上即为本发明硅通孔背面导通的制造工艺方法的具体实施例的详细说明，但并不仅以本实施例来限定本发明的权利保护范围，本领域技术人员仍能通过略微修饰或者变形来同样实现本发明的技术效果，即凡以本发明设计思想作出的略微改动，都应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种硅通孔背面导通的制造工艺方法，其特征在于：包含如下工艺步骤：
步骤一，在硅片正面上制作沟槽，并淀积一层金属阻挡层；
步骤二，采用金属对硅正面沟槽进行无缝填充；
步骤三，对硅片正表面进行化学机械研磨完全去除表面的填充金属及金属阻挡层，再完成正面金属互连线及正面后端工艺；
步骤四，采用传统的背面减薄工艺减薄硅片背面；
步骤五，进行硅片背面湿法刻蚀去除背面减薄工艺产生的硅损伤层；
步骤六，进行硅片背面光刻，定义背面的硅通孔导通区域；
步骤七，背面干法刻蚀去除硅片背面所对应的硅通孔区域的硅，保证硅通孔的底部全部露出；
步骤八，背面蒸镀金属，完成硅通孔的背面导通。
2.如权利要求1所述的硅通孔背面导通的制造工艺方法，其特征在于：所述步骤一中硅正面刻蚀的沟槽深度为50～250微米，宽度为1.5～5微米，所述沟槽填充的金属阻挡层厚度为200～1500埃。
3.如权利要求1所述的硅通孔背面导通的制造工艺方法，其特征在于：所述步骤二中硅片正面沟槽填充金属包含钨和铜，实现沟槽的无缝填充。
4.如权利要求1所述的硅通孔背面导通的制造工艺方法，其特征在于：所述步骤四中，硅片背表面减薄到距离硅片正面沟槽底部5～20微米。
5.如权利要求1所述的硅通孔背面导通的制造工艺方法，其特征在于：所述步骤五中，背面湿法刻蚀采用含氢氟酸和硝酸的混合酸液，刻蚀的硅片背面硅损伤层厚度为3～15微米。
6.如权利要求1所述的硅通孔背面导通的制造工艺方法，其特征在于：所述步骤七中，背面干法刻蚀的刻蚀气体为含氟、氯卤素离子的气体，刻蚀量大于去除硅损伤层后硅片背表面与硅正面沟槽底部的距离，为2～5微米。
7.如权利要求1所述的硅通孔背面导通的制造工艺方法，其特征在于：所述步骤八中，硅片背面淀积的金属包含铝、钛、镍、银、金，背面淀积金属的总厚度为1～3微米。
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