CN107611081A - 半导体结构与其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体结构与其制造方法，该半导体结构包含有：一基板、一沟槽以及一穿孔。基板具有一上表面与一下表面；沟槽与穿孔形成于基板的上表面；穿孔的一端具有一圆导角部。半导体结构制造方法包含以下步骤：准备一基板；于该基板上加工一盲孔；于该盲孔的孔缘形成一圆导角部；加工一沟槽至每一该盲孔的四周；以及切割该基板，以使该盲孔形成一穿孔；由此，相较于习知技术，本发明能降低热应力集中于硅导穿孔的现象，降低最大热应力值，降低硅导穿孔结构产生缺陷的机率，提升半导体结构的可靠度。

Description

半导体结构与其制造方法

技术领域

本发明系关于一种半导体结构与其制造方法，更明确地说，系关于一种具备有圆导角结构硅导穿孔的半导体结构与其制造方法。

背景技术

近年来半导体发展已越来越接近物理极限，摩尔定律也开始遭遇瓶颈，成长有趋缓的现象，预计在2020年前可能就会失效，因此，为了让成长速度能够继续维持，More-than-Moore的新概念随即被提出，三维积体电路(3D IC)构装技术成为一个有效的解决方案。

3D IC技术又可以分为3D IC Packaging、3D IC Integration以及3D IC SiIntegration三种，透过垂直方向堆叠取代原本的二维空间上的排列，在空间的使用上更加有效率。然而3D IC Packaging需要透过接线技术(Wire Bonding)连接各层，因此讯号在晶片间的传输会受到接线长度的影响降低效能，在体积的表现上也无法来的这么好；而3D IC Integration与3D IC Si Integration则是以硅导穿孔技术(Through Silicon Via,TSV)做为垂直方向讯号传输的通道，可以有效缩短传输距离，达到传输速度更快、杂讯较小、减少消耗功率、增加散热等优势。

由于三维积体电路中是透过垂直堆叠的方式来摆放各元件，而各层元件间的讯号传输需仰赖硅导穿孔的结构，如果其中一个或数个硅导通孔结构含有缺陷无法顺利导通，可能会严重影响3D IC的整体效能，甚至会让整个3D IC元件无法正常作动，造成产品的良率下降，同时也会增加制造成本，对于生产者来讲这并不是一个乐见的问题。

然而，除了考量在制程上影响硅导穿孔可靠度的因素之外，3D IC仍存在着其他的问题，包含电性、热与晶片结构本身皆会相互影响，硅导穿孔结构在CMP制程之后，可能还会经过高温退火制程以及封装制程，这些高温制程中会使3D IC暴露在高温的环境中，使得硅导穿孔结构带来温度上的变化，造成材料间的膨胀或收缩，尤其硅导穿孔结构为了讯号传输需填入金属做为导通媒介，不同的材料历经温度变化其体积变化量也相异，材料彼此间会有拉扯的交互作用，即为热应力。过大的热应力可能会破坏硅导穿孔结构而产生发生裂痕(Crack)的现象；而当3D IC运行一段时间后也会产生高温，如何将这些热能有效的散出避免产生过大的热应力也考验着设计者的一个难题，因此，热应力的问题为当今三维积体电路需要被解决的问题之一。

发明内容

因应前述问题，本发明的目的在于提供一种半导体结构与其制造方法，能有效降低因为半导体制程中产生的热应力，或是使用时产生的热应力，致使半导体晶圆或积体电路因而受损的机率。

为实现上述目的，本发明公开了一种半导体结构，其特征在于包含：

一基板，具有一上表面与一下表面；

一沟槽，该沟槽形成于该基板的该上表面，并形成一封闭区域；以及

一穿孔，该穿孔形成于该封闭区域内，贯穿该上表面与该下表面，该穿孔具有一圆导角部，该圆导角部形成于该穿孔的一端，并暴露于该上表面。

其中，该圆导角部的导角半径范围为该穿孔直径的10％至20％之间。

其中，该穿孔的形成方式包含：湿蚀刻技术、雷射钻孔以及Bosch深离子反应蚀刻。

其中，该圆导角部与该沟槽以湿蚀刻制程来制作。

其中，该半导体结构应用在三维积体电路堆叠时，该穿孔作为该半导体结构堆叠时的一对位孔使用。

还公开了一种半导体结构制造方法，其特征在于包含以下步骤：

S1：准备一基板，该基板具有一上表面与一下表面；

S2：于该基板的该上上表面加工出一盲孔；

S3：于该盲孔的孔缘形成一圆导角部；

S6：电镀一金属至该上表面与该盲孔的表面；

S7：加工一沟槽至每一该盲孔的四周，以使该沟槽形成一封闭区域；以及

S8：切割该基板，以使该盲孔形成一穿孔。

其中，该圆导角部的导角半径范围为该盲孔直径的10％至20％之间。

其中，该穿孔得作为三维积体电路堆叠时的一对位孔使用。

其中，于步骤S3与S6之间进一步包含以下步骤：

S4：形成一绝缘层于该上表面与该盲孔的表面；以及

S5：先后形成一阻障层与一种子层于该绝缘层的表面。

其中，该盲孔的形成方式包含：湿蚀刻技术、雷射钻孔以及Bosch深离子反应蚀刻；该圆导角部与该沟槽以湿蚀刻制程来制作。

相较于习知技术，本发明藉由具有圆导角的硅导穿孔设计，能有效降低热应力集中于硅导穿孔的现象，降低最大热应力值，减缓硅导穿孔结构产生缺陷的机率，提升可靠度，结合由沟槽所形成的空气隔热层结构的优点，可同时达到降低硅导穿孔本身热应力以及周围元件承受热应力的功效。

附图说明

图1：绘制了本发明的一具体实施例的半导体结构局部剖视图。

图1A：绘制了本发明的一具体实施例的半导体结构剖视图，其中图1即为图1A中局部区域C的放大图。

图1B：绘制了本发明的一具体实施例的半导体结构上视图，其中图1A即为图1B中线段I-I的剖视图。

图2至图4：绘示根据本发明的另一具体实施例的半导体结构制造方法中，各步骤的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明能更清楚的被说明，请参照以下本发明详细说明及其中所包括的实例，以更容易地理解本发明。

本发明提供一种半导体结构，能有效降低因为半导体制程中产生的热应力，或是使用时产生的热应力，致使半导体晶圆或积体电路因而受损的机率。

请参阅图1至图1B，其中图1绘制了本发明的一具体实施例的半导体结构局部剖视图。图1A绘制了本发明的一具体实施例的半导体结构剖视图，其中图1即为图1A中局部区域C的放大图。图1B绘制了本发明的一具体实施例的半导体结构上视图，其中图1A即为图1B中线段I-I的剖视图。

本发明提供的半导体结构1包含有：一基板10、一沟槽14以及一穿孔12。基板10具有一上表面A与一下表面B；沟槽14形成于基板10的上表面A，并形成一封闭区域，如图1B中的圆环区域，然而本发明并不以此为限，在不违背本发明的精神为前提下，沟槽14所形成的封闭区域得为其他图形样式，例如方形、矩形、三角形等。而沟槽14的形成方式包含湿蚀刻。

穿孔12形成于沟槽14所包围的封闭区域内，贯穿上表面A与下表面B，穿孔12得以使用湿蚀刻技术(Wet Etching)、雷射钻孔(Laser Drilling)以及Bosch深离子反应蚀刻(Bosch Deep Reactive Ion Etching,Bosch DRIE)等方式来加工形成。而穿孔12具有一圆导角部122，圆导角部122形成于穿孔12的一端，并暴露于上表面A。为了图式阅读方便，圆导角部122以较粗的线条绘制强调。其中，圆导角部122的形成方式包含湿蚀刻，于一实施例中，圆导角部122的导角半径得约为穿孔12直径的10％至20％的范围间。

本发明提供的半导体结构，除了得以避免因为半导体制程中产生的热应力，或是使用时产生的热应力，致使半导体晶圆或积体电路因而受损的情况发生，以本发明的半导体结构1所制成的积体电路进行三维积体电路堆叠时，穿孔12得用来当作各个积体电路之间堆叠的对位参考点。

接着请参阅图1A、以及图2至图4，图2至图4绘示根据本发明的另一具体实施例的半导体结构制造方法中，各步骤的剖面示意图。本发明的另一范畴在于提供一种半导体结构的制造方法2，其包含以下步骤：S1：准备一基板，该基板具有一上表面与一下表面；S2：于该上表面上加工一盲孔；S3：于该盲孔的孔缘形成一圆导角部；S4：形成一绝缘层于该上表面与该盲孔的表面；S5：先后形成一阻障层与一种子层于该绝缘层的表面；S6：电镀一金属至该上表面与该盲孔的表面；S7：加工一沟槽至每一该盲孔的四周，以使该沟槽形成一封闭区域；以及S8：切割该基板，以使该盲孔形成一穿孔。

以下将依步骤顺序说明如何制造本发明的半导体结构1，请先参阅图2，先进行步骤S1：准备一具有一上表面A与一下表面B的基板10；并接着进行步骤S2：于基板10的上表面A加工出一盲孔16。其中，盲孔16的加工形成方式包含：湿蚀刻技术(Wet Etching)、雷射钻孔(Laser Drilling)以及Bosch深离子反应蚀刻(Bosch Deep Reactive Ion Etching,Bosch DRIE)

接着请参阅图3，盲孔16的加工完成后，再进行步骤S3：在盲孔16的孔缘形成一圆导角部122。形成圆导角部122的方式包含湿蚀刻制程。而圆导角部122的导角半径具有一范围，大约是盲孔16的直径的10％至20％之间，而在进行圆导角部122的加工的同时，亦可对盲孔16内孔壁进行修饰，以得到平滑的孔壁品质。

接着，再进行步骤S4：形成一绝缘层于该上表面与该盲孔的表面；与步骤S5：先后形成一阻障层与一种子层于该绝缘层的表面。由于此二项步骤系习知技术中制作硅导穿孔的必要步骤，为了图式的简洁，故于图式中省略绘制，绝缘层系以高温湿氧法制成，而绝缘层的材质包含二氧化硅。阻障层与种子层则系以溅镀制程形成，其材质分别包含钛薄膜与铜薄膜。

进行步骤S6：电镀一金属至该上表面与该盲孔的表面。为了使之后形成的半导体结构能应用于三维积体电路堆叠，需先在盲孔16内电镀上一金属，以使电讯号能够穿过半导体结构而导通至相互堆叠的其他积体电路，同样为了图式的简洁，故于图式中省略绘制，而镀上的金属包含铜。

接着请同时参阅图4与图1B，进行步骤S7：加工一沟槽至每一该盲孔的四周，以使该沟槽形成一封闭区域。于此步骤中，利用湿蚀刻制程在基板10的上表面A加工出圆环状的沟槽14，然而本发明并不以此为限，在不违背本发明的精神为前提下，沟槽14所形成的封闭区域得为其他图形样式，例如方形、矩形、三角形等。加工后的沟槽14具有隔热的效果，让热应力无法直接透过沟槽14向外传递，同时也使基板10保有可以膨胀与收缩的空间，藉此来增加热应力的衰退幅度及减少影响范围，但此方法需要多一道黄光制程定义出沟槽的位置才能进行蚀刻。

再请参阅图4，最后进行步骤S8：切割该基板，以使该盲孔形成一穿孔。于此步骤中，沿着图4所示的一切割线D，对基板10进行切割，以使盲孔16经加工后形成穿孔12。而穿孔12得在进行三维积体电路堆叠时，用来当作各个积体电路之间堆叠的对位参考点。

综上所述，本发明提供一种半导体结构，包含一基板，在基板上形成的一穿孔与包围穿孔的一沟槽，而穿孔具有一圆导角部。并提供一种半导体结构的制造方法，藉由先对基板加工形成一盲孔，再加工出包围盲孔的沟槽，以及先后形成绝缘层、阻障层与种子层于基板与盲孔上，最后再将一金属电镀至基板上后，切割基板使盲孔被形成穿孔，以完成半导体结构的制备。

相较于习知技术，本发明藉由具有圆导角的硅导穿孔设计，能有效降低热应力集中于硅导穿孔的现象，降低最大热应力值，减缓硅导穿孔结构产生缺陷的机率，提升可靠度，结合由沟槽所形成的空气隔热层结构的优点，可同时达到降低硅导穿孔本身热应力以及周围元件承受热应力的功效。

本说明书仅对本发明的必要元件作出陈述，且仅系用于说明本发明其中的可能的实施例，然而说明书的记述应不局限本发明所主张的技术本质的权利范围。除非于说明书有明确地排除其可能，否则本发明并不局限于特定方法、流程、功能或手段。亦应了解的是，目前所述仅系本发明可能的实施例，在本发明的实施或测试中，可使用与本说明书所述装置或系统相类似或等效的任何方法、流程、功能或手段。

除非有另外定义，否则本说明书所用的所有技术及科学术语，皆具有与熟习本发明所属技术者通常所了解的意义相同的意义。本说明书目前所述者仅系实例方法、流程及其相关资料。然而在本发明的实际使用时，其可使用与本说明书所述方法及材料相类似或等效的任何方法及手段。

再者，本说明书中所提及的一数目以上或以下，系包含数目本身。且应了解的是，本说明书揭示执行所揭示功能的某些方法、流程，存在多种可执行相同功能的与所揭示结构有关的结构，且上述的结构通常可达成相同结果。另外，本说明书若有使用耦接或电性连接一词，其系泛指元件间具有能量、信号或资料的传输行为，元件间并不以实际连接为必要。

再者，图式仅为表达本发明的精神，其不以等比为必要，使用者得据所属技术领域的知识自由的将各结构元件的比例放大或减小。另外，本说明书中的各图式间的各元件间的比例已经过调整以维持各图面的简洁，故此，除特别注明外，本说明书中的图面中的各个元件的相对应大小、位置以及形状均仅供参考，在不脱离本发明的发明观念下，各个元件的大小、位置以及形状等特征的安排端看使用者的要求而自由变更。另外，考量本发明的各元件的性质为相互类似，故各元件间的说明、标号为相互适用。

以上较佳具体实施例的详述，俾利清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，而本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种半导体结构，其特征在于包含：

一基板，具有一上表面与一下表面；

一沟槽，该沟槽形成于该基板的该上表面，并形成一封闭区域；以及

一穿孔，该穿孔形成于该封闭区域内，贯穿该上表面与该下表面，该穿孔具有一圆导角部，该圆导角部形成于该穿孔的一端，并暴露于该上表面。

2.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，该圆导角部的导角半径范围为该穿孔直径的10％至20％之间。

3.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，该穿孔的形成方式包含：湿蚀刻技术、雷射钻孔以及Bosch深离子反应蚀刻。

4.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，该圆导角部与该沟槽以湿蚀刻制程来制作。

5.如权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，该半导体结构应用在三维积体电路堆叠时，该穿孔作为该半导体结构堆叠时的一对位孔使用。

6.一种半导体结构制造方法，其特征在于包含以下步骤：

S1：准备一基板，该基板具有一上表面与一下表面；

S2：于该基板的该上上表面加工出一盲孔；

S3：于该盲孔的孔缘形成一圆导角部；

S6：电镀一金属至该上表面与该盲孔的表面；

S7：加工一沟槽至每一该盲孔的四周，以使该沟槽形成一封闭区域；以及

S8：切割该基板，以使该盲孔形成一穿孔。

7.如权利要求6所述的半导体结构制造方法，其特征在于，该圆导角部的导角半径范围为该盲孔直径的10％至20％之间。

8.如权利要求6所述的半导体结构制造方法，其特征在于，该穿孔得作为三维积体电路堆叠时的一对位孔使用。

9.如权利要求6所述的半导体结构制造方法，其特征在于，于步骤S3与S6之间进一步包含以下步骤：

S4：形成一绝缘层于该上表面与该盲孔的表面；以及

S5：先后形成一阻障层与一种子层于该绝缘层的表面。

10.如权利要求6所述的半导体结构制造方法，其特征在于，该盲孔的形成方式包含：湿蚀刻技术、雷射钻孔以及Bosch深离子反应蚀刻；该圆导角部与该沟槽以湿蚀刻制程来制作。