CN103378060A - 硅通孔及其填充方法 - Google Patents

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薛凯
陈帆
潘嘉
陈曦
周克然
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Abstract

本发明公开了一种硅通孔，由完全填充于深沟槽或孔中的原位掺杂的P型无定形硅、钛和氮化钛层和钨层组成，钛和氮化钛层位于钨层和P型无定形硅之间并作为钨层的粘附层和阻挡层，P型无定形硅作为缓冲层用于缓解钨层和硅片之间的应力。本发明公开了一种硅通孔填充方法。本发明能够缓解钨层或硅片之间的应力，减少硅片的翘曲度，同时还能保证硅通孔和硅片衬底实现良好的接触。

Description

硅通孔及其填充方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种硅通孔(TSV)；本发明还涉及一种硅通孔填充方法。
背景技术
在高端模拟应用领域以及3d封装领域，硅通孔的需求及应用越来越广泛。通常硅通孔会采用铜填充制程，但是其工艺成本高昂阻碍了TSV更加广泛的应用。目前业界正在研究采用钨(W)填充的TSV工艺来取代铜(Cu)填充的TSV工艺。由于W填充工艺和现有CMOS工艺相兼容，因此其工艺成本可以大幅降低，扩展TSV的应用领域。
现有技术中，由于TSV需要穿透体硅，因此通常深度比较大，业界范围来看大约在10微米～200微米，这是对TSV刻蚀的一大挑战。为了满足刻蚀深度的要求以及平衡刻蚀能力与产出率，TSV的尺寸通常会比较大，达到数个微米(1微米～10微米)。在这样的大尺寸下，通常的W填充工艺是无法满足要求的，因为W通常填充尺寸小于0.5微米的孔。其主要原因在于金属W对于硅来说，其应力差异较大，沉积的厚度有限。由实验可以看出，W一次沉积厚度在8000埃以上对硅片的翘曲度就能产生较大的影响，导致硅片的曲率半径发生明显变化。而针对较大的TSV尺寸，仅仅8000埃的W沉积是无法完全填充满TSV的。因此需要多次填充，从而导致硅片翘曲度进一步恶化，甚至导致超过设备所允许的极限从而无法作业。
由于硅片翘曲度恶化的原因是由于硅片与W之间应力失配造成的，因此通过减少应力失配是减少硅片翘曲度恶化的方法之一。现有技术中一种改善上述应力失配的方法是在金属W和硅片之间嵌入一层200埃～1000埃厚度的二氧化硅缓冲层，通过二氧化硅的缓冲作用缓解W与硅片之间的应力差，与之相比，没有二氧化硅缓冲层的情况下，在TSV中沉积同样厚度的W带来的硅片翘曲度通过曲率半径来衡量会恶化很多。但是由于二氧化硅是绝缘层，导致TSV与衬底之间是互相隔离的，这样就限制了TSV在一些领域中的应用，例如射频应用领域，TSV的一大作用是实现器件的良好的接地，同时为了降低衬底串扰，也希望衬底能够实现良好的接地。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硅通孔，能够缓解钨层或硅片之间的应力，减少硅片的翘曲度，同时还能保证硅通孔和硅片衬底实现良好的接触；为此，本发明还提供一种硅通孔填充方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的硅通孔包括：深沟槽或孔，所述深沟槽或孔由硅片上的硅被刻蚀后形成；原位掺杂的P型无定形硅，该P型无定形硅填充于所述深沟槽或孔中并直接和所述深沟槽或孔的侧壁的硅相接触；钛和氮化钛层，该钛和氮化钛层填充于所述深沟槽或孔中并直接和所述P型无定形硅的相接触；钨层，该钨层填充于所述深沟槽或孔中并直接和所述钛和氮化钛层的相接触。所述钨层、所述钛和氮化钛层和所述P型无定形硅将所述深沟槽或孔完全填充，所述钛和氮化钛层位于所述钨层和所述P型无定形硅之间并作为所述钨层的粘附层和阻挡层，所述P型无定形硅作为缓冲层用于缓解所述钨层和所述硅片之间的应力。
进一步的改进是，所述P型无定形硅的掺杂元素为硼，掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3，厚度为500埃～3000埃，采用低压化学气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃。
进一步的改进是，所述钨层采用气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，沉积次数能为多次，每次沉积厚度为5000埃～15000埃。
进一步的改进是，所述钛和氮化钛层采用气相沉积工艺形成，沉积温度为400℃以下，所述钛和氮化钛层中的钛层的厚度为在50埃～200埃，氮化钛层的厚度为100埃～800埃。
为解决上述技术问题，本发明提供的硅通孔填充方法包括如下步骤：
步骤一、在硅片上沉积一层金属前层间膜，利用光刻定义出硅通孔区域，依次刻蚀所述硅通孔区域的所述金属前层间膜和所述硅片并形成深沟槽或孔。
步骤二、在所述深沟槽或孔侧壁和底部沉积一层原位掺杂的P型无定形硅。所述P型无定形硅同时也沉积到所述深沟槽或孔外部的表面区域。
步骤三、在形成有所述P型无定形硅的所述深沟槽或孔侧壁和底部沉积一层钛和氮化钛层；所述钛和氮化钛层同时也沉积到所述深沟槽或孔外部的表面区域。
步骤四、在所述钛和氮化钛层上沉积第一层钨，所述第一层钨将所述深沟槽或孔填满或不填满。
步骤五、对所述第一层钨进行回刻，该回刻以所述钛和氮化钛层的氮化钛层为刻蚀阻挡层，将形成于所述深沟槽或孔外部的表面区域的所述第一层钨去除。
步骤六、当所述第一层钨未将所述深沟槽或孔填满时，重复步骤四和步骤五，直至所述深沟槽或孔被填满，由多次沉积所述第一层钨组成填充于所述深沟槽或孔中的钨层。
步骤七、采用刻蚀工艺将形成于所述深沟槽或孔外部的表面区域的所述钛和氮化钛层和所述P型无定形硅去除。
步骤八、进行化学机械研磨，使所述硅片表面平坦化。
进一步的改进是，步骤一中的所述金属前层间膜的厚度为5000埃～10000埃。
进一步的改进是，步骤一中所述深沟槽或孔的深度为10微米～200微米、宽度为1微米～10微米。
进一步的改进是，步骤二中所述P型无定形硅采用低压化学气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，所述P型无定形硅的掺杂元素为硼，掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3，厚度为500埃～3000埃。
进一步的改进是，步骤三中所述钛和氮化钛层采用气相沉积工艺形成，沉积温度为400℃以下，所述钛和氮化钛层中的钛层的厚度为在50埃～200埃，氮化钛层的厚度为100埃～800埃。
进一步的改进是，步骤四中所述第一层钨采用气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，沉积厚度为5000埃～15000埃。
本发明硅通孔采用了在钨层和硅片之间插入一层原位掺杂的P型无定形硅的结构，能够取得以下有益效果：
1、能够缓解钨层和硅片之间的应力，减少硅片翘曲度。硅片翘曲度的减少能够使产品在生产设备中正常作业，大大提高良率。
2、钨层和硅片之间应力的减少，使得在大尺寸的TSV中能够采用钨填充的工艺，由于钨填充工艺和现有CMOS工艺相兼容，所以相对于在大尺寸的TSV中采用铜填充的工艺，钨填充工艺能够大大降低工艺成本。
3、P型无定形硅具有较低的方块电阻，这样有利于TSV与硅片衬底实现良好的接触，这样使得TSV的应用领域可以扩展到需要TSV与硅片衬底能良好接触的领域，如射频应用领域，这样就大大增加的TSV的应用范围。
4、本发明的P型无定形硅采用原位掺杂且采用低温低压化学气相沉积工艺就能形成，该形成工艺是前道的工艺，因此产品的制备过程中，该工艺不会带来交叉污染的危险；而且采用低温低压化学气相沉积工艺能对较深的TSV的实现比较理想的台阶覆盖率，并且不会导致已经形成的正常金属硅化钨的再合金化，这样就能和现有工艺实现良好的兼容。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说：
图1是本发明实施例硅通孔的结构示意图；
图2A-图2F是本发明实施例方法的制作过程中的器件结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明实施例硅通孔的结构示意图；本发明实施例硅通孔包括：
深沟槽或孔7，所述深沟槽或孔7由硅片1上的硅被刻蚀后形成。所述深沟槽或孔7的深度为10微米～200微米、宽度为1微米～10微米。
原位掺杂的P型无定形硅2，该P型无定形硅2填充于所述深沟槽或孔7中并直接和所述深沟槽或孔7的侧壁的硅相接触。所述P型无定形硅2的掺杂元素为硼，掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3，厚度为500埃～3000埃，采用低压化学气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃。
钛和氮化钛层3，该钛和氮化钛层3填充于所述深沟槽或孔7中并直接和所述P型无定形硅2的相接触。所述钛和氮化钛层3采用气相沉积工艺形成，沉积温度为400℃以下，所述钛和氮化钛层3中的钛层的厚度为在50埃～200埃，氮化钛层的厚度为100埃～800埃。
钨层4，该钨层4填充于所述深沟槽或孔7中并直接和所述钛和氮化钛层3的相接触。所述钨层4采用气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，沉积次数能为多次，每次沉积厚度为5000埃～15000埃。
所述钨层4、所述钛和氮化钛层3和所述P型无定形硅2将所述深沟槽或孔7完全填充，所述钛和氮化钛层3位于所述钨层4和所述P型无定形硅2之间并作为所述钨层4的粘附层和阻挡层，所述P型无定形硅2作为缓冲层用于缓解所述钨层4和所述硅片1之间的应力。
在实际应用中，在所述硅片1的形成所述硅通孔区域的外部区域还形成有产品的其它正面工艺，在所述硅片1的表面形成有金属前层间膜5以及其它正面金属互连线和正面工艺。所述硅片1的背面要减薄，使填充于所述深沟槽7中的所述钨层4、所述钛和氮化钛层3和所述P型无定形硅2在所述硅片1的背面露出。所述硅片11的背面还形成有背面金属图形和其它背面工艺。
如图2A至图2F所示，是本发明实施例方法的制作过程中的硅片剖面示意图。本发明实施例硅通孔填充方法包括如下步骤：
步骤一、如图2A所示，在硅片1上沉积一层金属前层间膜5，所述金属前层间膜5的厚度为5000埃～10000埃。所述金属前介质层2能为二氧化硅薄膜，如硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)。
利用光刻定义出硅通孔区域，所述硅通孔区域最后是有光刻胶6定义出来。所述光刻胶6形成的窗口宽度为1微米～10微米。
依次刻蚀所述硅通孔区域的所述金属前层间膜5和所述硅片1并形成深沟槽或孔7。所述深沟槽或孔7的深度为10微米～200微米、宽度为1微米～10微米。
步骤二、如图2B所示，在所述深沟槽或孔7侧壁和底部沉积一层原位掺杂的P型无定形硅2；所述P型无定形硅2同时也沉积到所述深沟槽或孔7外部的表面区域。所述P型无定形硅2采用低压化学气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，所述P型无定形硅2的掺杂元素为硼，掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3，厚度为500埃～3000埃。
步骤三、如图2C所示，在形成有所述P型无定形硅2的所述深沟槽或孔7侧壁和底部沉积一层钛和氮化钛层3；所述钛和氮化钛层3同时也沉积到所述深沟槽或孔7外部的表面区域。所述钛和氮化钛层3采用气相沉积工艺形成，沉积温度为400℃以下，所述钛和氮化钛层3中的钛层的厚度为在50埃～200埃，氮化钛层的厚度为100埃～800埃。
步骤四、如图2D所示，在所述钛和氮化钛层3上沉积第一层钨4a，所述第一层钨4a将所述深沟槽或孔7填满或不填满。所述第一层钨4a采用气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，沉积厚度为5000埃～15000埃。
步骤五、如图2E所示，对所述第一层钨4a进行回刻，该回刻以所述钛和氮化钛层3的氮化钛层为刻蚀阻挡层，将形成于所述深沟槽或孔7外部的表面区域的所述第一层钨4a去除。
步骤六、如图2D-图2F所示，当所述第一层钨4a未将所述深沟槽或孔7填满时，重复步骤四和步骤五，直至所述深沟槽或孔7被填满，由多次沉积所述第一层钨4a组成填充于所述深沟槽或孔7中的钨层4。
步骤七、如图2F所示，采用刻蚀工艺将形成于所述深沟槽或孔7外部的表面区域的所述钛和氮化钛层3和所述P型无定形硅2去除。
步骤八、如图1所示，进行化学机械研磨，使所述硅片1表面平坦化。
在实际应用中，结合本发明实施例硅通孔填充方法和半导体器件的制备工艺可以形成一个完整的半导体器件，具体方法为：
在步骤一之前，在所述硅片1的形成所述硅通孔区域的外部区域形成半导体器件产品的正面前段工艺。
在步骤八之后，在所述硅片1的形成正面金属互连线及正面后段工艺。
正面后段工艺完成后，对所述硅片1的背面进行减薄，使填充于所述深沟槽7中的所述钨层4、所述钛和氮化钛层3和所述P型无定形硅2在所述硅片1的背面露出。
之后，从所述硅片1的背面进行金属沉积形成背面金属并制作背面金属图形。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅通孔，其特征在于，硅通孔包括：
深沟槽或孔，所述深沟槽或孔由硅片上的硅被刻蚀后形成；
原位掺杂的P型无定形硅，该P型无定形硅填充于所述深沟槽或孔中并直接和所述深沟槽或孔的侧壁的硅相接触；
钛和氮化钛层，该钛和氮化钛层填充于所述深沟槽或孔中并直接和所述P型无定形硅的相接触；
钨层，该钨层填充于所述深沟槽或孔中并直接和所述钛和氮化钛层的相接触；
所述钨层、所述钛和氮化钛层和所述P型无定形硅将所述深沟槽或孔完全填充，所述钛和氮化钛层位于所述钨层和所述P型无定形硅之间并作为所述钨层的粘附层和阻挡层，所述P型无定形硅作为缓冲层用于缓解所述钨层和所述硅片之间的应力。
2.如权利要求1所述的硅通孔，其特征在于：所述P型无定形硅的掺杂元素为硼，掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3，厚度为500埃～3000埃，采用低压化学气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃。
3.如权利要求1所述的硅通孔，其特征在于：所述钨层采用气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，沉积次数能为多次，每次沉积厚度为5000埃～15000埃。
4.如权利要求1所述的硅通孔，其特征在于：所述钛和氮化钛层采用气相沉积工艺形成，沉积温度为400℃以下，所述钛和氮化钛层中的钛层的厚度为在50埃～200埃，氮化钛层的厚度为100埃～800埃。
5.一种硅通孔填充方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在硅片上沉积一层金属前层间膜，利用光刻定义出硅通孔区域，依次刻蚀所述硅通孔区域的所述金属前层间膜和所述硅片并形成深沟槽或孔；
步骤二、在所述深沟槽或孔侧壁和底部沉积一层原位掺杂的P型无定形硅；所述P型无定形硅同时也沉积到所述深沟槽或孔外部的表面区域；
步骤三、在形成有所述P型无定形硅的所述深沟槽或孔侧壁和底部沉积一层钛和氮化钛层；所述钛和氮化钛层同时也沉积到所述深沟槽或孔外部的表面区域；
步骤四、在所述钛和氮化钛层上沉积第一层钨，所述第一层钨将所述深沟槽或孔填满或不填满；
步骤五、对所述第一层钨进行回刻，该回刻以所述钛和氮化钛层的氮化钛层为刻蚀阻挡层，将形成于所述深沟槽或孔外部的表面区域的所述第一层钨去除；
步骤六、当所述第一层钨未将所述深沟槽或孔填满时，重复步骤四和步骤五，直至所述深沟槽或孔被填满，由多次沉积所述第一层钨组成填充于所述深沟槽或孔中的钨层；
步骤七、采用刻蚀工艺将形成于所述深沟槽或孔外部的表面区域的所述钛和氮化钛层和所述P型无定形硅去除；
步骤八、进行化学机械研磨，使所述硅片表面平坦化。
6.如权利要求5所述硅通孔填充方法，其特征在于：步骤一中的所述金属前层间膜的厚度为5000埃～10000埃。
7.如权利要求5所述硅通孔填充方法，其特征在于：步骤一中所述深沟槽或孔的深度为10微米～200微米、宽度为1微米～10微米。
8.如权利要求5所述硅通孔填充方法，其特征在于：步骤二中所述P型无定形硅采用低压化学气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，所述P型无定形硅的掺杂元素为硼，掺杂浓度为1E18cm-3～1E21cm-3，厚度为500埃～3000埃。
9.如权利要求5所述硅通孔填充方法，其特征在于：步骤三中所述钛和氮化钛层采用气相沉积工艺形成，沉积温度为400℃以下，所述钛和氮化钛层中的钛层的厚度为在50埃～200埃，氮化钛层的厚度为100埃～800埃。
10.如权利要求5所述硅通孔填充方法，其特征在于：步骤四中所述第一层钨采用气相沉积工艺形成，沉积温度为300℃～550℃，沉积厚度为5000埃～15000埃。
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