CN103985666A - 一种环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法 - Google Patents

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沈哲敏
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Abstract

本发明提供一种环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法，包括：提供一硅衬底，于所述硅衬表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔；于所述环形硅深孔的表面形成绝缘层及阻挡层；于所述绝缘层表面形成种子层；于所述种子层表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满；采用机械化学抛光法对所述硅衬底表面进行抛光。本发明提供了一种环形硅深孔以及能有效地在环形硅深孔内制作铜电极的方法，可以有效避免铜与硅衬底的分层现象，获得性能稳定的硅深孔电极结构。本发明工艺简单，可以有效提高产品的良率，适用于工业生产。

Description

一种环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法
技术领域
本发明涉及硅穿孔技术领域，特别是涉及一种环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法。
背景技术
硅穿孔(Through Silicon Via,TSV)，也叫硅通孔，是一种穿透硅晶圆或芯片的垂直互连。TSV是一种让3D IC封装遵循摩尔定律（Moore's Law）的互连技术，TSV可堆栈多片芯片，其设计概念来自于印刷电路板（PCB）,在芯片钻出小洞（制程又可分为先钻孔及后钻孔两种,ViaFist，Via Last），从底部填充入金属,硅晶圆上以蚀刻或雷射方式钻孔（via），再以导电材料如铜、多晶硅、钨等物质填满。此一技术能够以更低的成本有效提高系统的整合度与效能。
TSV技术在三维封装和三维集成电路中具有重要应用，对于跨入3D IC相当具有优势。2006年4月韩国三星（Samsung）表示成功的将TSV技术应用在“晶圆级堆栈封装”（Waferlevel process stack package,WSP）NAND Flash堆栈的技术，堆栈八个2Gb NAND Flash芯片，以雷射钻孔打造出TSV制程，高度是0.56mm。2007年4月三星公布其以WSP技术应用在DRAM的产品，共堆栈了4颗512Mb的DRAM芯片。到目前为止，硅穿孔技术已广泛应用于CMOS（CIS）影像传感器、MEMS器件等领域，并逐步向其他芯片领域发展。
然而，硅穿孔技术还有很多有待解决的问题。其中一个重要的问题是，具有TSV制程的电极在后续的可靠性测试中发现有分层的问题，位置本身并不固定，随机发生在通孔的上部和底部，如图1的SEM图所示，可以清晰的看到，分层发生在通孔的上部。
如图2a~图2b所示，将TSV分为Cu填满和未填满状态，在未填满的状态下，Cu的填充厚度为TSV孔径的四分之一。在两种状态下比较了孔径和深宽比对应力数值的影响，同时也对两种填充状态进行了比较。比较过程中选择了四个点，分别为位于顶端的Cu和SiO2内部的A、B点，以及位于TSV中间的Cu和SiO2内部的C、D点。通过对Cu全填充和未填满的情况的对比可以看到，当Cu填充厚度为TSV孔径的四分之一时，四个研究点处的应力均有了大幅度下降。并且点A和B处的应力变化趋势也发生了改变，当Cu填满时，两个研究点处的应力随着孔径的增加而增加，而当Cu未填满时，则是随着孔径的增加而减小。这主要是因为当Cu未填满时，在孔的内部可以给Cu的塑性形变提供较大的空间，有利于应力的释放。而当孔径变大时，内部的空间也会随之变大，Cu可以获得更多的变形空间，从而使得残余应力随着孔径的增加而变小。
TSV目前有分层及孔洞现象，主要原因为铜跟硅之间的热膨胀系数差的比较大，具体数值Si大致是2.3，Cu大致是17左右，但是因为Cu具有更好的导电能力，所以我们不希望将Cu替换掉。因此，提供一种有效避免铜在硅深孔中分层现象的新型结构实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法，用于解决现有技术中硅深孔中的铜电极容易出现分层的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种环形硅深孔的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，于所述硅衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；
2）采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔。
作为本发明的环形硅深孔的制备方法的一种优选方案，所述环形硅深孔的内径为10~15μm，外径为16~25μm。
作为本发明的环形硅深孔的制备方法的一种优选方案，步骤2）中，对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。
本发明还提供一种环形硅深孔电极的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，于所述硅衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；
2）采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔；
3）于所述环形硅深孔的表面形成绝缘层及阻挡层；
4）于所述绝缘层表面形成种子层；
5）于所述种子层表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满；
6）采用机械化学抛光法对所述硅衬底表面进行抛光。
作为本发明的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，所述环形硅深孔的内径为10~15μm，外径为16~25μm。
作为本发明的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤2）中，对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。
作为本发明的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤3）所述的绝缘层为二氧化硅层，所述的阻挡层为氮化钽层及钽层组成的叠层。
作为本发明的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤4）中，采用溅射法形成所述种子层，并于所述溅射铜靶外侧增加一与所述溅射铜靶表面呈15~30°夹角的环形铜靶。
作为本发明的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤5）中，采用脉冲电镀法进行电镀铜，每个电镀周期包括用于电镀铜的200~300ms正向电压、用于电解铜的50~100ms反向电压以及100~200ms的零电压。
作为本发明的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，所述正向电压和反向电压逐渐增大。
作为本发明的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤5）中，采用Cu2+含量为70~90g/L、H+含量为55~75g/L，Cl-含量为30~60ppm的镀液进行电镀。
作为本发明的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，所述镀液还包括浓度为1.5~3ml/L的加速剂聚二硫二丙烷磺酸钠、浓度为2.5~4ml/L的抑制剂聚乙二醇、以及浓度为0.2~1ml/L的平整剂苯并三唑。
如上所述，本发明的环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法，包括：提供一硅衬底，于所述硅衬表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔；于所述环形硅深孔的表面形成绝缘层及阻挡层；于所述绝缘层表面形成种子层；于所述种子层表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满；采用机械化学抛光法对所述硅衬底表面进行抛光。本发明提供了一种环形硅深孔以及能有效地在环形硅深孔内制作铜电极的方法，可以有效避免铜与硅衬底的分层现象，获得性能稳定的硅深孔电极结构。本发明工艺简单，可以有效提高产品的良率，适用于工业生产。
附图说明
图1显示为现有技术中的柱形硅深孔电极分层现象的SEM图。
图2a~图2b显示为填满的和未填满的硅深孔电极示意图。
图3显示为柱状硅深孔和不同内径的环形硅深孔的裂缝长度及能量释放率的关系曲线图。
图4~图8显示为本发明的环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
图9~图13显示为本发明的环形硅深孔电极的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
101    硅衬底
102    光刻掩膜
103    环形硅深孔
104    绝缘层及阻挡层
105    种子层
106    环形硅深孔电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅3~图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
首先，如图3所示，该图是全填充的硅深孔和环状硅深孔的能量释放率的比较，这图很直观的表现出环状的比全填充的好，并且环状的内径越大越好。裂缝长度可以理解为在硅深孔里填充铜的深度，能量释放率则是深度不同时产生的内应力，对于不同直径的硅深孔，这个内应力都会随着深度的增加而增加，但是这个增加都有一个最大值，当深度超过这个值的时候，内应力不会因为深度的增加而增加，即可以说它达到了稳态。对于环状硅深孔来说，当其外径与柱状硅深孔一样时，这个内应力达到稳定状态时的深度值会随其内径的数值改变的改变而改变，内径越大，环形硅深孔越快达到稳定状态。基于此设计分析，我们可以得出环形硅深孔较佳的内外径数值。一个优选的环形硅深孔内外径的数值为，内径10~15μm，外径16~25μm。以下详述本发明的具体实施方式。
实施例1
如图4~图8所示，本实施例提供一种环形硅深孔的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
如图4~图6所示，首先进行步骤1），提供一硅衬底101，于所述硅衬底101表面制作具有环形窗口的光刻掩膜102。
在本实施例中，所述光刻掩膜102为二氧化硅，所述环形窗口的内径为10~15μm，外径为16~25μm。
如图7~图8所示，然后进行步骤2），采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底101，形成环形硅深孔103。
在本实施例中，采用深度反应离子刻蚀工艺，对所述硅衬底101交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底101进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底101进行钝化。本实施例采用Bosch DRIE工艺，其蚀刻对于光阻的选择比很高。Bosch DRIE所形成TSV的导孔侧壁(Via Sidewall)非常平直，由于交换蚀刻(Etching)和钝化(Passivation)两道步骤，所以可确保导孔侧壁几乎呈平直状态。
根据上述的光刻掩膜102，所述环形硅深孔103的内径为10~15μm，外径为16~25μm。在本实施例中，所述环形硅深孔103的内径为15μm，外径为20μm。
最后，将所述光刻掩膜102去除，获得环形硅深孔103结构。
实施例2
如图4~图13所示，本实施例提供一种环形硅深孔电极的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
如图4~图6所示，首先进行步骤1），提供一硅衬底101，于所述硅衬底101表面制作具有环形窗口的光刻掩膜102。
在本实施例中，所述光刻掩膜102为二氧化硅，所述环形窗口的内径为10~15μm，外径为16~25μm。
如图7~图8所示，然后进行步骤2），采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底101，形成环形硅深孔103。
在本实施例中，采用深度反应离子刻蚀工艺，对所述硅衬底101交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底101进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底101进行钝化。本实施例采用Bosch DRIE工艺，其蚀刻对于光阻的选择比很高。Bosch DRIE所形成TSV的导孔侧壁(Via Sidewall)非常平直，由于交换蚀刻(Etching)和钝化(Passivation)两道步骤，所以可确保导孔侧壁几乎呈平直状态。
根据上述的光刻掩膜102，所述环形硅深孔103的内径为10~15μm，外径为16~25μm。在本实施例中，所述环形硅深孔103的内径为15μm，外径为20μm。最后，将所述光刻掩膜102去除，获得环形硅深孔103结构。
如图9所示，接着进行步骤3），于所述环形硅深孔103的表面形成绝缘层及阻挡层104。
在本实施例中，采用溅射法或热氧化方法于所述环形硅深孔103表面形成绝缘层，然后采用溅射方法于所述绝缘层表面形成阻挡层，所述的绝缘层为二氧化硅层，所述的阻挡层为氮化钽层及钽层组成的叠层，由于所述阻挡层在溅射形成时具有二次溅射效应，因此可以在所述环形硅深孔103的侧壁形成一定厚度且较均匀的阻挡层，所述阻挡层在后续镀铜电极时，可以有效防止铜离子扩散进入到硅衬底101中。
如图10所示，接着进行步骤4），于所述绝缘层表面形成种子层105。
由于所述种子层105于所述环形硅深孔103的侧壁的形成较难，在本实施例中，采用溅射法形成所述种子层105，并于所述溅射铜靶外侧增加一与所述溅射铜靶表面呈15~30°夹角的环形铜靶，由于铜离子的二次溅射效果和增加的与所述溅射铜靶表面呈15~30°夹角的环形铜靶，可以在所述环形硅深孔103的侧壁上形成较厚且较均匀的铜种子层105，避免了由于种子层105不均匀而导致后续电镀工艺中容易出现孔洞等问题。
如图11所示，接着进行步骤5），于所述种子层105表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔103填满。
由于环形硅深孔103相比于传统的圆形硅深孔结构较复杂，电镀时需要增大镀液中铜的含量，为了避免由于铜含量过大而导致沉积的铜过厚，使后续的化学机械抛光法抛光难度增大，在本实施例中，采用脉冲电镀法进行电镀铜，每个电镀周期包括用于电镀铜的200~300ms正向电压、用于电解铜的50~100ms反向电压以及100~200ms的零电压。
优选地，所述正向电压和反向电压逐渐增大。
在本实施例中，采用Cu2+含量为70~90g/L、H+含量为55~75g/L，Cl-含量为30~60ppm的镀液进行电镀。为了保证电镀的平稳性，所述镀液还包括浓度为1.5~3ml/L的加速剂聚二硫二丙烷磺酸钠SPS、浓度为2.5~4ml/L的抑制剂聚乙二醇、以及浓度为0.2~1ml/L的平整剂苯并三唑。
当然，在其它的实施例中，所述加速剂、抑制剂及平整剂的组成和含量可以进行调整，以达到所需的工艺效果。
如图12~图13所示，最后进行步骤6），采用机械化学抛光法对所述硅衬底101表面进行抛光，去除所述硅衬底101表面的铜，获得环形硅深孔电极106。
在具有环形硅深孔电极106结构的芯片成型之后，后续的电极与电极之间的连接采用Cu-Sn合金微球，直径约为50~200μm。具体制备方法是在Sn微球表面电沉积一层Cu，然后采用热回流的方法使其形成合金，热回流最高温度为200~280℃，在温度200℃以上保持90~150s，使合金处于熔融状态，将具有环形硅深孔电极106结构的芯片置于合金微球上下，位置对准无误后，在外力作用下使电极与合金微球实现连接。
综上所述，本发明的环形硅深孔及环形硅深孔电极106的制备方法，包括：提供一硅衬底101，于所述硅衬表面制作具有环形窗口的光刻掩膜102；采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底101，形成环形硅深孔；于所述环形硅深孔的表面形成绝缘层及阻挡层104；于所述绝缘层表面形成种子层105；于所述种子层105表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满；采用机械化学抛光法对所述硅衬底101表面进行抛光。本发明提供了一种环形硅深孔以及能有效地在环形硅深孔内制作铜电极的方法，可以有效避免铜与硅衬底101的分层现象，获得性能稳定的硅深孔电极结构。本发明工艺简单，可以有效提高产品的良率，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种环形硅深孔的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，于所述硅衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；
2）采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔。
2.根据权利要求1所述的环形硅深孔的制备方法，其特征在于：所述环形硅深孔的内径为10~15μm，外径为16~25μm。
3.根据权利要求1所述的环形硅深孔的制备方法，其特征在于：步骤2）中，对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。
4.一种环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
1）提供一硅衬底，于所述硅衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；
2）采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔；
3）于所述环形硅深孔的表面形成绝缘层及阻挡层；
4）于所述绝缘层表面形成种子层；
5）于所述种子层表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满；
6）采用机械化学抛光法对所述硅衬底表面进行抛光。
5.根据权利要求4所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于：所述环形硅深孔的内径为10~15μm，外径为16~25μm。
6.根据权利要求4所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于：步骤2）中，对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。
7.根据权利要求4所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于：步骤3）所述的绝缘层为二氧化硅层，所述的阻挡层为氮化钽层及钽层组成的叠层。
8.根据权利要求4所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于：步骤4）中，采用溅射法形成所述种子层，并于所述溅射铜靶外侧增加一与所述溅射铜靶表面呈15~30°夹角的环形铜靶。
9.根据权利要求4所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于：步骤5）中，采用脉冲电镀法进行电镀铜，每个电镀周期包括用于电镀铜的200~300ms正向电压、用于电解铜的50~100ms反向电压以及100~200ms的零电压。
10.根据权利要求9所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于：所述正向电压和反向电压逐渐增大。
11.根据权利要求4所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于：步骤5）中，采用Cu2+含量为70~90g/L、H+含量为55~75g/L，Cl-含量为30~60ppm的镀液进行电镀。
12.根据权利要求11所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于：所述镀液还包括浓度为1.5~3ml/L的加速剂聚二硫二丙烷磺酸钠、浓度为2.5~4ml/L的抑制剂聚乙二醇、以及浓度为0.2~1ml/L的平整剂苯并三唑。
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