CN104347490B

CN104347490B - 硅通孔填充的方法

Info

Publication number: CN104347490B
Application number: CN201310347354.9A
Authority: CN
Inventors: 成鑫华; 程晓华; 高杏
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: CN104347490A

Abstract

本发明公开了一种硅通孔填充的方法，包括：1）在硅衬底上，淀积一层介质层，刻蚀介质层和硅衬底，形成沟槽或孔；2）在介质层表面、沟槽或孔的侧壁和底部淀积一层氧化层；3）在步骤2）形成的氧化层表面上，依次淀积金属黏附层和金属阻挡层，并以金属黏附层和金属阻挡层作为金属垫层；4）通过钨的同步刻蚀填充方法，在金属阻挡层表面淀积钨；5）去除介质层上方的钨。本发明的方法操作简单，同时便与现有集成电路工艺集成，并利用现有生产设备进行加工，因此，可以降低工艺难度和成本。

Description

硅通孔填充的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路中的填充方法，特别是涉及一种硅通孔填充的方法。

背景技术

硅通孔工艺（Through Si Via，TSV）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，将极大地提高电路的频率特性和功率特性。由于硅通孔工艺将制作在硅片上表面的电路通过硅通孔中填充的金属连接至硅片背面，结合三维封装工艺，使得IC（Integrated Circuit）布局从传统二维并排排列发展到更先进三维堆叠，这样元件封装更为紧凑，芯片引线距离更短，从而可以极大地提高电路的频率特性和功率特性。

硅通孔工艺制作中，需要通过先进的刻蚀工艺在硅基体中制作出具有极大深宽比的孔或沟槽，孔或沟槽深度大致为100微米。在该孔或沟槽中填充金属，将硅片背面减薄后，将电极通过背面引出。该工艺的难度在于100微米沟槽刻蚀和金属填充。有工艺在硅片减薄后，在硅片背面制作通孔和金属填充，该方法需要特殊的通孔刻蚀设备进行减薄后硅片加工。也有工艺通过在前段工艺中制作沟槽并采用二氧化硅填充沟槽，然后，硅片减薄后，将二氧化硅填充的沟槽露出来，湿法刻蚀去除沟槽内二氧化硅后进行金属填充，该方法可以避免减薄后进行通孔刻蚀，但工艺较复杂，且成本较高。

另外，还有工艺报道了采用钨填充工艺和钨回刻工艺结合，虽然可以实现高深宽比硅通孔填充，但由于单次钨填充的厚度较一般工艺温度高、厚度厚，因而，在沉积工艺结束后，由于晶圆表面的钨和硅基体之间存在较大的热膨胀系数差异（即由于应力作用），导致硅片有很大的翘曲度，容易产生金属钨的剥落，严重时甚至导致碎片。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硅通孔填充的方法。该方法通过采用同步刻蚀的填充方法，解决了钨剥落（peeling）的工艺难题，而且本发明的方法具有工艺简单、成本低等优点。

为解决上述技术问题，本发明的硅通孔填充的方法，包括步骤：

1）在硅衬底上，淀积一层介质层，刻蚀介质层和硅衬底，形成沟槽或孔；

2）在介质层表面、沟槽或孔的侧壁和底部淀积一层氧化层；

3）在步骤2）形成的氧化层表面上，依次淀积金属黏附层和金属阻挡层，并以金属黏附层和金属阻挡层作为金属垫层；

4）通过钨的同步刻蚀填充方法，在金属阻挡层表面淀积钨；

5）去除介质层上方的钨。

所述步骤1）中，淀积的方法包括：次大气压化学气相沉积法（SACVD）、等离子体化学气相沉积法或高密度等离子体化学气相沉积法；介质层的材质包括：硼磷硅玻璃（BPSG）或磷硅玻璃（PSG）；沟槽或孔的深度为50～250微米，宽度为1.5～5微米，优选地，沟槽或孔的深度为50～100微米，宽度为2～3微米。

所述步骤2）中，淀积的方法包括：低压化学气相沉积法（LPCVD）或次大气压化学气相沉积法（SACVD）；氧化层的材质包括：二氧化硅；氧化层的厚度为500～3000埃，优选为1000～2000埃。

所述步骤3）中，淀积的方法包括：物理气相沉积法或化学气相沉积法；金属黏附层的材质包括：钛，该金属黏附层的厚度为100～800埃，优选为300～500埃；金属阻挡层的材质包括：氮化钛，该金属阻挡层的厚度为200～1000埃，优选为300～800埃。

所述步骤4）中，钨的同步刻蚀填充方法的步骤包括：单次淀积钨后，直接在腔体中进行同步刻蚀，并且淀积钨和同步刻蚀还能重复进行，直至将沟槽或孔填满钨。

其中，单次淀积的钨厚度为沟槽或孔宽度的1/5～1/2，优选为1/4～1/3，钨厚度不超过1.5微米；沉积的温度为350～500摄氏度，沉积的压力范围为50～120托（Torr）；淀积钨的反应原理是采用六氟化钨和氢气的还原反应生成金属钨。

同步刻蚀中的工艺条件如下：刻蚀气体为六氟化二碳（C₂F₆）、八氟化二碳（C₂F₈）或三氟化氮（NF₃），刻蚀气体的压力为0.4～4托，刻蚀温度为350～500摄氏度；单次刻蚀量为钨淀积厚度的50%～80%；

另外，同步刻蚀中还对刻蚀气体进行解离，其解离方法包括：采用在腔体中应用微波直接解离的方法或采用在腔体外解离成氟离子后，再将氟离子导入腔体中进行刻蚀的方法。其中，微波的功率范围为200～1500瓦特，优选为300～800瓦特。

所述步骤5）中，去除的方法包括：采用化学机械研磨（CMP）或反刻（etch back）的方法。

本发明采用钨填充工艺和钨回刻工艺结合，即通过钨同步刻蚀填充工艺，采用金属钨沉积、刻蚀、金属钨再次沉积这样的循环使用，可以实现高深宽比（>30：1）硅通孔的填充。另外，本发明的方法操作简单，同时便与现有集成电路工艺集成，并利用现有生产设备进行加工，因此，可以降低工艺难度和成本。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是淀积介质层后的示意图；

图2是硅沟槽或孔刻蚀完成后的示意图；

图3是硅沟槽或孔的侧壁和底部以及介质层表面淀积氧化层后的示意图；

图4A是淀积钛/氮化钛后的局部示意图；

图4B是淀积金属垫层后的示意图；

图5是第一次钨淀积完成后的示意图；其中，淀积厚度为沟槽宽度的1/5～1/2，一般不超过15000埃；

图6是第一次钨同步刻蚀完成后的示意图；其中，该步钨刻蚀为全面刻蚀，由于高温下，钨和金属垫层及氧化层的选择比较小，采用固定时间刻蚀方式，剩余钨的厚度为沉积厚度的50%～80%；

图7是第二次钨淀积完成后的示意图；其中，淀积厚度为沟槽宽度的1/5～1/3，一般不超过15000埃；

图8是第二次钨同步刻蚀完成后的示意图；其中，该步钨刻蚀为全面刻蚀，由于高温下，钨和金属垫层及氧化层的选择比较小，采用固定时间刻蚀方式，剩余钨的厚度为5千埃以下，以便于后续化学机械研磨工艺等的实施；

图9是化学机械研磨后的示意图；

图10是经本发明的硅通孔填充后，最终形成的器件示意图。

图中附图标记说明如下：

1为硅衬底，2为介质层，3为硅沟槽或孔，4为氧化层，51为金属黏附层，52为金属阻挡层，5为金属垫层，6为钨，7为金属导线，8为上层结构，9为背面金属。

具体实施方式

本发明的硅通孔填充的方法，包括步骤：

1）通过次大气压化学气相沉积法（SACVD）、等离子体化学气相沉积法或高密度等离子体化学气相沉积法等在硅衬底1上淀积一层介质层2（如图1所示）；其中，介质层的材质可为硼磷硅玻璃（BPSG）或磷硅玻璃（PSG）；

然后，采用光刻胶作掩模，刻蚀介质层2和硅衬底1，形成沟槽或孔3（如图2所示）；以沟槽或孔3作为硅通孔；

沟槽或孔3的深度为50～250微米，宽度为1.5～5微米，优选地，沟槽或孔3的深度为50～100微米，宽度为2～3微米。

2）通过低压化学气相沉积法（LPCVD）或次大气压化学气相沉积法（SACVD）等，在介质层2表面、沟槽或孔3的侧壁和底部淀积一层二氧化硅作为氧化层4（如图3所示）；

其中，氧化层4淀积需要在沟槽或孔3中具有很好的台阶覆盖能力；氧化层4的厚度为500～3000埃，优选为1000～2000埃。

3）通过物理气相沉积法或化学气相沉积法等，在步骤2）形成的氧化层4表面上（包括：沟槽或孔的侧壁和底部的氧化层4表面），淀积钛，作为金属黏附层51，并在金属黏附层51表面通过物理气相沉积法或化学气相沉积法等淀积氮化钛，作为金属阻挡层52，并以金属黏附层51和金属阻挡层52作为金属垫层5（如图4A、4B所示）；

其中，金属黏附层51的厚度为100～800埃，优选为300～500埃；金属阻挡层52的厚度为200～1000埃，优选为300～800埃。

4）通过钨的同步刻蚀填充方法，在金属阻挡层52表面（包括：沟槽或孔内的金属阻挡层52）淀积钨6；

该钨的同步刻蚀填充方法的步骤包括：单次淀积钨6后（如图5所示），直接在腔体中进行同步刻蚀（如图6所示），并且淀积钨6和同步刻蚀还能根据实际需要重复进行（如图7-8所示的进行2次沉积和刻蚀），直至将沟槽或孔3填满钨。

其中，单次淀积的钨6厚度为沟槽或孔3宽度的1/5～1/2，优选为1/4～1/3，钨6厚度不超过1.5微米；沉积的温度为350～500摄氏度，沉积的压力范围为50～120托（Torr）；淀积钨6的反应原理是采用六氟化钨和氢气的还原反应生成金属钨。

同步刻蚀中的工艺条件如下：刻蚀气体为六氟化二碳（C₂F₆）、八氟化二碳（C₂F₈）或三氟化氮（NF₃），刻蚀气体的压力为0.4～4托，刻蚀温度为350～500摄氏度；单次刻蚀量为钨6淀积厚度的50%～80%；

5）采用化学机械研磨（CMP）或反刻（etch back）的方法去除介质层2上方的钨6（如图9所示）。

另外，在上述步骤1）～5）的基础上，还可将通过钨填充的硅通孔的硅片正面金属连接到背面金属，在做钨填充的硅通孔时，可以根据要求考虑先做钨的硅通孔，也可以考虑在完成器件制造之后再做硅通孔，即所谓的VIA first和VIA last。当硅片正面工艺结束之后，再通过硅片减薄技术，对硅片的背面进行减薄，以让硅通孔中的金属钨裸露出来，通过背面金属化工艺以形成金属引线（如图10所示）。

本发明采用钨同步刻蚀填充工艺，可以实现高深宽比（>30:1）硅通孔填充，解决了钨剥落的工艺难题，而且本发明的方法简单、成本低。

Claims

1.一种硅通孔填充的方法，其特征在于，包括步骤：

1)在硅衬底上，淀积一层介质层，刻蚀介质层和硅衬底，形成沟槽或孔；沟槽或孔的深度为50～250微米，宽度为1.5～5微米；

2)在介质层表面、沟槽或孔的侧壁和底部淀积一层氧化层；

3)在步骤2)形成的氧化层表面上，依次淀积金属黏附层和金属阻挡层，并以金属黏附层和金属阻挡层作为金属垫层；

4)通过钨的同步刻蚀填充方法，在金属阻挡层表面淀积钨；

钨的同步刻蚀填充方法的步骤包括：单次淀积钨后，直接在腔体中进行同步刻蚀，并且淀积钨和同步刻蚀还能重复进行，直至将沟槽或孔填满钨；

其中，单次淀积的钨厚度为沟槽或孔宽度的1/5～1/2，钨厚度不超过1.5微米；

同步刻蚀中单次刻蚀量为钨淀积厚度的50％～80％；

5)去除介质层上方的钨。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，淀积的方法包括：次大气压化学气相沉积法、等离子体化学气相沉积法或高密度等离子体化学气相沉积法；

介质层的材质包括：硼磷硅玻璃或磷硅玻璃。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述沟槽或孔的深度为50～100微米，宽度为2～3微米。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，淀积的方法包括：低压化学气相沉积法或次大气压化学气相沉积法；

氧化层的材质包括：二氧化硅；氧化层的厚度为500～3000埃。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述氧化层的厚度为1000～2000埃。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，淀积的方法包括：物理气相沉积法或化学气相沉积法；

金属黏附层的材质包括：钛；金属黏附层的厚度为100～800埃；

金属阻挡层的材质包括：氮化钛；金属阻挡层的厚度为200～1000埃。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述金属黏附层的厚度为300～500埃；

金属阻挡层的厚度为300～800埃。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，单次淀积的钨的沉积的温度为350～500摄氏度，沉积的压力范围为50～120托；

同步刻蚀中的工艺条件还包括如下：

刻蚀气体为六氟化二碳、八氟化二碳或三氟化氮，刻蚀气体的压力为0.4～4托，刻蚀温度为350～500摄氏度；

同步刻蚀中还对刻蚀气体进行解离，其解离方法包括：采用在腔体中应用微波直接解离的方法或采用在腔体外解离成氟离子后，再将氟离子导入腔体中进行刻蚀的方法；其中，微波的功率范围为200～1500瓦特。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述单次淀积的钨厚度为沟槽或孔宽度的1/4～1/3；

所述微波的功率范围为300～800瓦特。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，去除的方法包括：采用化学机械研磨或反刻的方法。