CN103633067B - 基于tsv立体集成工艺的十字环形对准标记 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于TSV立体集成工艺的十字环形对准标记，与硅晶圆表面开有TSV通孔的平面上开有环形盲孔，所述环形盲孔的外边和内边均为十字形结构且两个十字形结构同轴，环形盲孔的宽度小于TSV通孔直径W4；所述环形盲孔由外向内依次包括二氧化硅绝缘层、氮化钽阻挡层和铜种子层，内部填充铜。本发明不需要额外引入其他工艺流程，具有成本低、高效等优点，而且其图形占用面积小，尺寸小于TSV通孔直径，解决了因“Loading”效应导致TSV通孔背面减薄无法露铜的工艺缺陷，增加了TSV立体集成器件可靠性。

Description

基于TSV立体集成工艺的十字环形对准标记

技术领域

本发明涉及微电子技术领域。

背景技术

目前，需要进行同时TSV立体集成的晶圆多采用Stepper（步进式）光刻机完成IC工艺，而TSV立体集成工艺均采用接触式光刻机。二者所需光刻对位标记不同，因此采用Stpper光刻机完成IC工艺的晶圆进行TSV立体集成时必须进行对准标记的转换，需要重新设计辨识度高、结构科学合理的对准标记，才能使接触式光刻机迅速定位，精确套准，从而减小对准偏差，保证TSV光刻及后续键合工艺质量。目前，TSV立体集成工艺中的对准标记通常为二维平面集成电路中所用的实心“十”字图形，为增加辨识度，采用金属铝材质及凸起结构来提高与硅的色彩对比度（参见图1）。制作时，首先需要淀积二氧化硅层及铝金属层，然后涂胶、显影、曝光出刻蚀窗口，最后刻蚀铝及二氧化硅，从而形成硅晶圆表面凸起的“十”字形结构对准标记。虽然此对准标记可实现高分辨率对比度，但是需要额外引入铝金属层淀积、涂胶、曝光、显影、刻蚀等额外步骤，因此工艺繁琐，制作效率低。为了简化制作流程，提高效率，后续有研究对上述对准标记结构做了改进，将凸起结构变成通孔结构。制作时，直接在TSV通孔刻蚀阶段刻蚀出“十”字形通孔，然后与TSV通孔一并完成后续绝缘层淀积、氮化钽阻挡层/铜种子层溅射及铜填充工艺，最终形成铜金属“十”字通孔结构对准标记（参见图2）。虽然改进后的制作流程短、高效，但是由于“十”字形对准标记的开口尺寸（为100μm～150μm）通常大于TSV孔径（直径为5μm～30μm），所以在刻蚀阶段存在“Loading（负载）”效应，刻蚀离子和刻蚀副产物更易从尺寸较大的“十”字通孔进入与排出，因此导致“十”字形通孔深度大于TSV通孔（参见图2（a））。在后续减薄露铜工艺中，由于“十”字形通孔比TSV通孔深，所以会优先露铜，减薄工艺会因此提前停止，最终导致减薄厚度不满足要求，TSV通孔无法露铜（参见图3），为后续键合工艺留下工艺隐患，甚至造成立体集成器件层间互连不导通，进而功能失效，降低TSV立体集成器件可靠性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于TSV立体集成工艺的十字环形对准标记，采用环形十字图形及通孔结构，制作流程与TSV通孔制作流程兼容，不需要额外引入其他工艺流程，具有成本低、高效等优点，而且其图形占用面积小，尺寸小于TSV通孔直径，解决了因“Loading”效应导致TSV通孔背面减薄无法露铜的工艺缺陷，增加了TSV立体集成器件可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：与硅晶圆表面开有TSV通孔的平面上开有环形盲孔，所述环形盲孔的外边和内边均为十字形结构且两个十字形结构同轴，外边所在十字形结构一端的端面宽度为L1，长度为W1，内边所在十字形结构一端的端面宽度为L2，长度为W2，L1＞L2，W1=W2，环形盲孔的宽度W3=（L1-L2）/2且W3小于TSV通孔直径W4；所述环形盲孔由外向内依次包括二氧化硅绝缘层、氮化钽阻挡层和铜种子层，内部填充铜。

所述十字形结构的一条轴线与TSV通孔的一条轴线平行。

本发明的有益效果是：本发明提出的基于TSV立体集成工艺的“十”字环形对准标记其图形和结构设计科学合理，辨识度高，可满足TSV立体集成工艺高精度对准要求，为高质量完成光刻及键合工艺打下基础。与常用的实心“十”字对准标记相比，该对准标记采用环形“十”字图形和通孔结构，其刻蚀尺寸小于TSV通孔直径，避免了刻蚀工艺中“Loading”效应的发生，不存在TSV通孔背面减薄无法露铜的工艺缺陷，不会发生因层间互连不导通而导致立体集成器件功能失效问题，提高立体集成器件可靠性。此外，采用此对位标记，其制作工艺方法与TSV通孔制作工艺兼容，制作TSV通孔时可一并完成该对准标记的制作，不需要额外引入金属化工艺，具有工艺流程短，制作效率高等优点。

附图说明

图1是实心“十”字形对准标记结构示意图；

图2是铜金属“十”字结构对准标记结构及制作流程示意图；其中，（a）是刻蚀“十”字通孔及TSV通孔；（b）是淀积二氧化硅绝缘层、溅射氮化钽阻挡层/铜种子层；（c）是填充铜；

图3是铜金属“十”字结构对准标记背面减薄露铜后存在的工艺隐患示意图；其中，（a）是横截面图，（b）是顶视图；

图4是十字环形结构对准标记结构图；其中，（a）是顶视图，（b）是横截面图；

图5是“十”字环形对准标记套准示意图；

图中，1-硅衬底，2-二氧化硅绝缘层，3-氮化钽阻挡层/铜种子层，4-填充的铜柱，5-减薄后TSV通孔背面未露铜，6-铝金属“十”字对准标记。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提出一种基于TSV立体集成工艺的“十”字环形对准标记，此对准标记的技术特征在于：制作在硅晶圆表面，与TSV通孔在同一水平面，径向平行。环形“十”字对准标记的环形区域夹在两个尺寸不同的“十”字图形之间，且这两个“十”字呈同轴结构（参见图4）。两“十”字结构4个凸起指装结构的长与宽尺寸分别为：L1和W1（大“十”字）、L2和W2（小“十”字），其中L1＞L2，W1=W2。由于同轴“十”字图形间的环形区域等宽，因此可通过上述尺寸计算出环形区域的宽度W3为（L1-L2）/2。设计时，为避免环形“十”字开口宽度W3大于TSV通孔直径造成后续刻蚀发生严重负载效应，所以W3=(L1-L2)/2应小于TSV通孔直径W4。环形“十”字对准标记纵向呈环形通孔结构，环形通孔结构区域由外向内依次由二氧化硅绝缘层、氮化钽阻挡层/铜种子层，及铜组成，其工艺制作方法与TSV通孔制作工艺兼容。对准时可采用环形“十”字结构对准标记与常用实心“十”字结构对准标记进行套准（参见图5上半部分），也可采用两个环形“十”字结构对准标记进行套准（参见图5下半部分），当水平方向套准尺寸W5或者竖直方向套准尺寸W6都小于或者等于套准精度要求时，即完成了图形对准。

实施例1：

如图4所示，TSV直径W4为20μm时，环形“十”字对位标记的相应尺寸为：L1为50μm，L2为30μm，W1为30μm，W2为30微米。环形“十”字开口尺寸W3为（L1-L2）/2=10μm，其内部填充的二氧化硅绝缘层2厚度1μm，氮化钽阻挡层/铜种子层3厚度0.5μm，其中氮化钽0.2厚，铜种子层0.3μm厚，填充的铜柱4宽度为8.5μm。

如图5所示，对准时，将光刻板上实心“十”字对准标记与晶圆上的“十”字环形对准标记进行套准，通过接触式光刻机手动调整上述两对准标记的相隔尺寸W5与W6，当W5与W6都小于或等于套准精度0.4μm时，即完成图形对准。

实施例2：

如图4所示，TSV直径W4为30μm时，环形“十”字对位标记的相应尺寸为：L1为40μm，L2为20μm，W1为40μm，W2为40微米。环形“十”字开口尺寸W3为（L1-L2）/2=10μm，其内部填充的二氧化硅绝缘层2厚度1μm，氮化钽阻挡层/铜种子层3厚度0.5μm，其中氮化钽0.2厚，铜种子层0.3μm厚，填充的铜柱4宽度为8.5μm。

对准时，将光刻板上“十”字环形对准标记与晶圆上的“十”字环形对准标记进行套准，通过接触式光刻机手动调整上述两对准标记的相隔尺寸W5与W6，当W5与W6小于或等于套准精度0.5μm时，即完成图形对准。

实施例3：

如图4所示，TSV直径W4为40μm时，环形“十”字对位标记的相应尺寸为：L1为60μm，L2为30μm，W1为30μm，W2为30微米。环形“十”字开口尺寸W6为（L1-L2）/2=15μm，其内部填充的二氧化硅绝缘层2厚度1μm，氮化钽阻挡层/铜种子层3厚度0.5μm，其中氮化钽0.2厚，铜种子层0.3μm厚，填充的铜柱4宽度为13.5μm。

对准时，将光刻板上“十”字环形对准标记与晶圆上的“十”字环形对准标记进行套准，通过接触式光刻机手动调整上述两对准标记的相隔尺寸W5与W6，当W5与W6小于或等于套准精度0.6μm时，即完成图形对准。

Claims (2)

1.一种基于TSV立体集成工艺的十字环形对准标记，其特征在于：与硅晶圆表面开有TSV通孔的平面上开有环形盲孔，所述环形盲孔的外边和内边均为十字形结构且两个十字形结构同轴，外边所在十字形结构一端的端面宽度为L1，长度为W1，内边所在十字形结构一端的端面宽度为L2，长度为W2，L1＞L2，W1=W2，环形盲孔的宽度W3=（L1-L2）/2且W3小于TSV通孔直径W4；所述环形盲孔由外向内依次包括二氧化硅绝缘层、氮化钽阻挡层和铜种子层，内部填充铜。

2.根据权利要求1所述的基于TSV立体集成工艺的十字环形对准标记，其特征在于：所述十字形结构的一条轴线与TSV通孔的一条轴线平行。