DE102018124699B4 - Halbleiterstruktur und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Halbleiterstruktur, umfassend:
ein Halbleitersubstrat (100) mit einer aktiven Seite (100A);
eine Kopplungsstrukturschicht (102) über der aktiven Seite (100A) des Halbleitersubstrats (100), wobei die Kopplungsstrukturschicht (102) umfasst:
eine erste Metallschicht (1021), wobei eine Dicke der ersten Metallschicht (1021) kleiner ist als 1 Mikrometer und eine Abmessung eines durchgehenden Metallelements (103) der ersten Metallschicht (1021) in Draufsicht kleiner als 2 Mikrometer ist, wobei das durchgehende Metallelement (103) durch ein erstes dielektrisches Element (104) abgetrennt ist, wobei das erste dielektrische Element (104) einem Dielektrikum (1013) auf der Ebene der ersten Metallschicht (1021) entspricht;
eine Substratdurchkontaktierung (105), die sich von dem Halbleitersubstrat (100) in die erste Metallschicht (103) erstreckt.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die Industrie für integrierte Halbleiterschaltungen (IC) hat ein schnelles Wachstum erfahren. Technische Fortschritte bei den IC-Materialien und der IC-Auslegung haben Generationen von ICs hervorgebracht, wobei jede Generation kleinere und komplexere Schaltungen aufweist als die vorherige Generation. Diese Fortschritte haben jedoch die Komplexität der Verarbeitung und Herstellung von ICs erhöht, und damit diese Fortschritte realisiert werden können, werden ähnliche Entwicklungen bei der IC-Verarbeitung und -Herstellung benötigt. Im Zuge der Entwicklung von integrierten Schaltungen hat die Funktionsdichte (d. h., die Anzahl der miteinander verbundenen Bauelemente pro Chipfläche) allgemein zugenommen, während die geometrische Größe (d. h., die kleinste Komponente (oder Leitung), die sich mit einem Herstellungsprozess erreichen lässt) abgenommen hat.
  • Als ein Teil der Halbleiterherstellung können leitfähige Elemente gebildet werden, um elektrische Verbindungen für die verschiedenen Komponenten für einen IC bereitzustellen. Es können beispielsweise leitende Durchkontaktierungen zum Verbinden von unterschiedlichen Metallschichten miteinander durch das Ätzen von Öffnungen in einem Zwischenschichtdielektrikum (ILD) und das Füllen der Öffnungen mit einem leitenden Material gebildet werden. Während sich Halbleiterherstellungstechnologieknoten weiterhin entwickeln, werden kritische Abmessungen und Abstände kleiner und kleiner und die Prozessfenster werden schmaler. Daher können Überlagerungsfehler (z. B. eine fehlausgerichtete Durchkontaktierung) auftreten, die zu Problemen wie einem reduzierten Zuverlässigkeitstestspielraum oder dürftiger Vorrichtungsleistung führen können.
  • Während konventionelle Durchkontaktierungsbildungsprozesse für ihre Verwendungszwecke generell geeignet waren, waren sie daher nicht in jedem Aspekt vollständig zufriedenstellend.
  • Die US 2016 /0 365 378 A1 beschreibt flache Pad-Strukturen zur Integration CMOS basierter Bildsensoren. Die US 2017 / 0 040 373 A1 zeigt integrierte Halbleiterbauelemente mit mehreren Durchkontaktierungsschichten. In der US 2015 / 0 348 917 A1 werden verschiedene Halbleiterverbindungsstrukturen und Verfahren zu deren Herstellung diskutiert.
  • Figurenliste
  • Es sind eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft und nicht durch Begrenzung in den Figuren der begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, wobei Elemente mit den gleichen Bezugsnummernbezeichnungen überall gleiche Elemente darstellen. Die Zeichnungen sind nicht maßstäblich, es sei denn, es ist anderweitig offenbart.
    • 1 ist eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 2 ist eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 3 ist eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 4 ist eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 5 ist eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 6 ist eine Draufsicht, die eine Kopplungsstruktur-Struktur von zwei angrenzenden Schichten gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 7 ist eine Draufsicht, die eine Kopplungsstruktur-Struktur von zwei angrenzenden Schichten gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 8 ist eine Draufsicht, die eine Kopplungsstruktur-Struktur von zwei angrenzenden Schichten gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 9 ist eine Draufsicht, die eine Kopplungsstruktur-Struktur von zwei angrenzenden Schichten gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
    • 10 bis 14 sind Querschnittansichten einer Halbleiterstruktur bei verschiedenen Herstellungsarbeitsvorgängen gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
  • Das Herstellen und Verwenden der Ausführungsformen der Offenbarung wird nachfolgend im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Ausführungsformen viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellen, die in einer großen Vielfalt von speziellen Kontexten verkörpert sein können. Die spezifischen beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich spezifische Möglichkeiten zum Herstellen und Verwenden der Ausführungsformen und begrenzen den Umfang der Offenbarung nicht. Überall in den verschiedenen Ansichten und veranschaulichenden Ausführungsformen werden gleiche Bezugsnummern verwendet, um gleiche Elemente zu bezeichnen. Es wird jetzt im Detail Bezug auf Ausführungsbeispiele genommen, die in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind. Wo auch immer möglich, werden die gleichen Bezugsnummern in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen. In den Zeichnungen können die Form und Dicke zur Übersichtlichkeit und Annehmlichkeit übertrieben dargestellt sein. Diese Beschreibung wird insbesondere an Elemente gerichtet, die einen Teil einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung bilden oder direkter damit zusammenwirken. Es versteht sich, dass Elemente, die nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind, verschiedene Formen annehmen können. Verweise in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine Struktur oder Charakteristikum, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in zumindest einer Ausführungsform enthalten ist. Somit bezieht sich die Verwendung der Phrase „bei einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht unbedingt immer auf die gleiche Ausführungsform. Des Weiteren können die bestimmten Merkmale, Strukturen oder Charakteristiken in jeder geeigneten Weise bei einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden. Es ist zu verstehen, dass die folgenden Figuren nicht maßstäblich gezeichnet sind; sondern dass diese Figuren lediglich zur Veranschaulichung beabsichtigt sind.
  • Weiter können räumlich relative Begriffe, wie „darunter“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen zur Erleichterung der Erörterung hierin verwendet sein, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem bzw. zu anderen Elementen oder Merkmalen wie veranschaulicht in den Figuren zu beschreiben. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren gezeigt ist, verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung bei der Verwendung oder beim Betrieb der Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlichen relativen Beschreiber können desgleichen dementsprechend interpretiert werden.
  • Als ein Teil der Halbleiterherstellung müssen elektrische Verbindungen gebildet werden, um die verschiedenen Mikroelektronikelemente (z. B. Source/Drain, Gate usw.) der Halbleitervorrichtung miteinander elektrisch zu verbinden. Generell bezieht dies das Bilden von Öffnungen in Schichten (wie in elektrisch isolierenden Schichten) und das anschließende Füllen dieser Öffnungen mit einem elektrisch leitfähigen Material ein. Das elektrisch leitfähige Material wird dann poliert, um die elektrischen Verbindungen wie Metallleitungen oder Durchkontaktierungen zu bilden.
  • Während jedoch Halbleitertechnologiegenerationen den Abwärtsskalierungsprozess fortsetzen, kann eine korrekte Ausrichtung oder Überlagerung aufgrund der immer kleiner werdenden Grabengrößen problematisch werden. Es kann beispielsweise es schwieriger sein, Durchkontaktierungen genau mit den gewünschten Metallleitungen darüber oder darunter auszurichten. Wenn Durchkontaktierungsausrichtungsfehler oder Überlagerungsprobleme auftreten, können konventionelle Herstellungsverfahren zu einem unerwünschten Überätzen eines Dielektrikums (z. B. ILD) unter der Durchkontaktierungsöffnung führen. Wenn die Durchkontaktierungsöffnung später mit einem Metallmaterial gefüllt wird, ähneln ihre Formen einem Tigerzahn. Solche „Tigerzahn“-Durchkontaktierungen können zu dürftiger Vorrichtungsleistung führen. Es können eventuell schmalere Prozessfenster verwendet werden, um diese Probleme zu vermeiden, aber dies kann auch die Vorrichtungsleistung verschlechtern.
  • Mit den immer kleiner werdenden Technologieknoten, schrumpfen andererseits unterschiedliche Kopplungsstrukturkomponenten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Bei einem Technologieknoten größer oder gleich dem 20-N-ten Metall (N20 und darüber) ist beispielsweise eine Silizium-Durchkontaktierung (TSV) mit einer Breite von ungefähr oder größer als 2,4 Mikrometer in Kontakt mit den Metallleitungen einer ersten Metallschicht. Wie hierin beschrieben ist die erste Metallschicht die erste Metallleitungsschicht im Back-End-of-Line-Arbeitsvorgang. Konventionell ist eine Dicke der ersten Metallschicht größer als 1,5 µm und eine Draufsichtstruktur der ersten Metallschicht ist massiv ohne dielektrische Merkmale. Beim Fortschreiten im Technologieknoten zu unter 20 nm (N16 oder N7) bleibt die Breite der TSV im Wesentlichen gleich, aber die Dicke der ersten Metallschicht verringert sich auf ungefähr 0,8 µm mit einer zusätzlichen Auslegungsregel einer Abmessung des durchgehenden Metallelements in der ersten Metallschicht von nicht größer als 2 µm. Das durchgehende Metallelement ist durch einen speziellen Metallbereich ohne irgendeine Unterbrechung oder Abtrennung durch andere Materialien als Metall definiert, wie beispielsweise Dielektrika (Zwischenschichtdielektrikum ILD- oder Zwischenmetalldielektrikum IMD). Das Maß des Abstandes in diesem speziellen Metallbereich ist die Abmessung des durchgehenden Metallelements. Eine Veranschaulichung des durchgehenden Metallelements ist in den folgenden Figuren dieser Offenbarung dargestellt.
  • Bei N16 oder N7 ist eine Breite der TSV an der ersten Metallschicht (z. B. 2,4 µm) größer als die Abmessung des durchgehenden Metallelements (z. B. 2 µm) in der ersten Metallschicht und daher tritt eine erste Tigerzahnsatzstruktur, die zuvor beschrieben wurde, an der TSV/der ersten Metallschichtgrenzfläche auf. Während der Metallabschnitt der ersten Metallschicht als ein Ätzstopp in Bezug auf das Bilden eines TSV-Grabens fungiert, dringt das Metall während des TSV-Plattierungsvorgangs durch die erste Metallschicht an der Grenze des durchgehenden Metallelements, da das Ätzmittel leicht andere Materialien als Metall, wie beispielsweise Dielektrika, entfernt. Mit der reduzierten Dicke der ersten Metallschicht und der Gesamtdickenvariation des Halbleitersubstrats, sodass es ungefähr 1 µm beträgt, könnte der TSV-Grabenätzvorgang die erste Metallschicht überätzen und durch den Metallabschnitt der ersten Metallschicht durchschlagen, was das Bilden eines zweiten Satzes einer Tigerzahnstruktur hervorbringt. Der Eindringgrad für den zweiten Tigerzahnstruktursatz kann weniger schwer sein als der des ersten Tigerzahnstruktursatzes. Die Veranschaulichung des ersten und des zweiten Satzes der Tigerzahnstruktur wird in den folgenden Figuren dieser Offenbarung darstellt.
  • Um die Bildung der Tigerzahnstruktur, die zu verschiedenen Vorrichtungsleistungsbedenken wie Signalschäden aufgrund eines TSV-Kurzschlusses mit einer unerwünschten Metallschicht führt, abzuschwächen, schlägt die vorliegende Offenbarung eine neue Struktur und ein Verfahren vor, welches das Strukturieren von angrenzenden Metallschichten verwendet, um das Prozessfenster zu vergrößern, ohne Leistung zu opfern. Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden jetzt ausführlicher unter Bezugnahme auf die 1 bis 14 beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist 1 eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur 10 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die Halbleiterstruktur 10 umfasst ein Substrat 100 mit einer aktiven Seite 100A und einer passiven Seite 100B gegenüber der aktiven Seite 100A. Aktive Komponenten wie Transistoren und Speicher sind in der Nähe der aktiven Seite 100A gebildet. Im Technologieknoten N14 und darüber hinaus beträgt eine Gesamtdickenvariation (TTV) in dem Substrat 100 ungefähr 1 µm. Die Existenz einer TTV ist anfällig dafür, sich auf die Präzision eines anschließenden Ätzvorgangs eines Substratgrabendurchgangs auszuwirken, wie es bezüglich der nachfolgenden Herstellungsarbeitsvorgänge beschrieben wird. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Halbleitersubstrat 100 Silizium. Alternativ kann das Substrat 100 gemäß einigen Ausführungsformen einen anderen Elementhalbleiter wie Germanium umfassen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 zusätzlich oder alternativ einen Verbindungshalbleiter wie Siliziumcarbid, Galliumarsen, Indiumarsenid und Indiumphosphid. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 einen Legierungshalbleiter wie Siliziumgermanium, Siliziumgermaniumcarbid, Galliumarsenphosphid und Galliumindiumphosphid.
  • Das Substrat 100 kann eine Epitaxieschicht umfassen, die auf der aktiven Seite 100A gebildet ist, wie beispielsweise eine epitaktische Halbleiterschicht, die über einem Volumenhalbleiterwafer liegt. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 eine Halbleiter-auf-Isolator- (SOI) -Struktur. Beispielsweise kann das Substrat eine vergrabene Oxid- (BOX) -Schicht umfassen, die durch einen Prozess wie Trennung durch implantierten Sauerstoff (SIMOX) gebildet wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Substrat 100 verschiedene p-dotierte Regionen und/oder n-dotierte Regionen, wie p-Wannen, n-Wannen, p-Source/Drain-Merkmale und/oder n-Source/Drain-Merkmale, die durch einen Prozess wie Ionenimplantation und/oder Diffusion gebildet sind. Das Substrat 100 kann andere funktionelle Merkmale wie einen Widerstand, Kondensator, eine Diode, Transistoren wie Feldeffekttransistoren (FETs) umfassen. Das Substrat 100 kann seitliche Isolierungsmerkmale umfassen, die konfiguriert sind, verschiedene auf dem Substrat 100 gebildete Vorrichtungen zu trennen. Das Substrat 100 kann ferner einen Abschnitt einer Mehrschichtverbindungs- (MLI) -Struktur umfassen. Die Mehrschichtverbindungsstruktur umfasst Metallleitungen in mehreren Metallschichten. Die Metallleitungen in unterschiedlichen Metallschichten können durch vertikale leitende Merkmale verbunden sein, die als Durchkontaktierungsmerkmale bezeichnet werden. Die Mehrschichtverbindungsstruktur umfasst ferner Kontakte, die konfiguriert sind, Metallleitungen mit Gateelektroden und/oder dotierten Merkmalen auf dem Substrat 100 zu verbinden. Die Mehrschichtverbindungsstruktur ist ausgelegt, verschiedene Vorrichtungselemente (wie verschiedene n- und p-Regionen, Gateelektroden und/oder passive Vorrichtungen) zu koppeln, um eine Funktionsschaltung zu bilden.
  • Wie gezeigt in 1, ist eine Isolierschicht 101 über der ersten Seite 100A angeordnet und zwischen dem Substrat 100 und einer Kopplungsstrukturschicht 102 eingeschoben. Die Kopplungsstrukturschicht 102 umfasst ferner eine erste Metallschicht 1021, eine erste Durchkontaktierungsschicht 1022 und das Dielektrikum 1013, welches die erste Metallschicht 1021 und die erste Durchkontaktierungsschicht 1022 umgibt. Bei einigen Ausführungsformen besteht die Isolierschicht 101 aus den gleichen Materialien wie das Dielektrikum 1013. Beim N14-Technologieknoten ist eine Dicke T1 der ersten Metallschicht 1021 verglichen mit 1,5 µm bei N20 und größeren Technologieknoten kleiner als 1 µm, wie beispielsweise 800 Angström.
  • Unter Bezugnahme auf die Draufsichtkopplungsstruktur 60A der ersten Metallschicht 1021 in 6 kann ein durchgehendes Metallelement 103 durch einen speziellen Metallbereich ohne irgendeine Unterbrechung oder Abtrennung durch andere Materialien als Metall definiert sein, wie beispielsweise Dielektrika (Zwischenschichtdielektrikum ILD oder Zwischenmetalldielektrikum IMD). Das Maß des Abstandes in diesem speziellen Metallbereich ist die Abmessung des durchgehenden Metallelements 103. Wie veranschaulicht in 1 und 6, ist beginnend von einer Mitte der Kopplungsstruktur 60A in Richtung des Umfangs der Struktur das durchgehende Metallelement 103 durch ein erstes dielektrisches Element 104 abgetrennt und eine Abmessung des durchgehenden Metallelements 103 kann eine Breite W1 sein, die durch das erste dielektrische Merkmal 104 umschlossen ist. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist die Abmessung W1 des durchgehenden Metallelements 103 bei einigen Ausführungsformen kleiner als 2 µm, soweit es den Technologieknoten N14 betrifft. Die Abmessung des durchgehenden Metallelements ist als eine Auslegungsregel bei der Metallstrukturauslegung festgelegt. Metallschichten, die diese Regel beachten, werden aus verschiedenen Auslegungsberücksichtigungen einen Vorteil erlangen einschließlich geeigneter Freisetzung der Spannung in der Metallschicht. Wie gezeigt in der Draufsichtkopplungsstruktur 60A der ersten Metallschicht 1021 in 6, scheint das erste dielektrische Merkmal 104 eine unterbrochene Bandstruktur aufzuweisen. Verschiedene Metallbrücken 1031' verbinden das durchgehende Metallelement 103 innerhalb des ersten dielektrischen Merkmals 104 und das durchgehende Metallelement 103 außerhalb des ersten dielektrischen Merkmals 104. Obwohl dies in der Draufsichtstruktur 60A nicht gezeigt ist, folgt das durchgehende Metallelement außerhalb des ersten dielektrischen Merkmals 104 auch der Auslegungsregel von kleiner als 2 µm, wie sie vorstehend beschrieben ist.
  • Unter Bezugnahme auf 1 erstreckt sich eine Substratdurchkontaktierung (TSV) 105 von einer passiven Seite 100B des Substrats 100 zur aktiven Seite 100A und weiter in Kontakt mit der ersten Metallschicht 1021. TSVs werden typischerweise in einer Halbleiter-IC-Die gebildet, um die Bildung einer dreidimensionalen (3D) Die-Stapelstruktur zu erleichtern. Die TSVs können verwendet werden, um elektrische Verbindungen zwischen Komponenten in unterschiedlichen Dies der 3D-Die-Stapelstruktur vorzusehen. Wie zuvor beschrieben schrumpft eine Breite W3 der TSV 105 nicht mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kopplungsstrukturschicht 102, und daher ist die Breite W3 größer als die Abmessung W1 des durchgehenden Metallelements 103 im Technologieknoten N14. Die Breite W3 kann beispielsweise gleich oder größer als 2,4 µm sein, wohingegen die Abmessung W1 kleiner als 2 µm sein sollte. Die Überlappungsregion zwischen der TSV 105 und der ersten Metallschicht 1021 ist ein Hotspot für die Tigerzahnbildung. Obwohl er im Endprodukt nicht erscheinen mag, ist ein erster Tigerzahnsatz 107, der in das erste dielektrische Merkmal 104 eindringt, in 1 mit punktierten Linien veranschaulicht. Bei einigen Ausführungsformen ist ein zweiter Tigerzahnsatz 109, der in die erste Metallschicht 1021 innerhalb des durchgehenden Metallelements 103 eindringt, in 1 auch mit punktierten Linien veranschaulicht. Ein Durchschnittsfachmann würde verstehen, dass der Tigerzahn 107, 109 zu Demonstrationszwecken veranschaulicht und nicht dazu beabsichtigt ist, in der endgültigen Kopplungsstrukturschicht der Halbleiterstruktur 10 eine Begrenzung zu sein.
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist 2 eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur 20, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. In 2 umfasst die Kopplungsstrukturschicht 102 ferner eine zweite Metallschicht 1031 und eine zweite Durchkontaktierungsschicht 1032, die beide an der aktiven Seite 100A des Halbleitersubstrats 100A und entfernter von der aktiven Seite 100A als die erste Metallschicht 1021 angeordnet sind.
  • Unter Bezugnahme auf die Draufsichtkopplungsstruktur 60B der zweiten Metallschicht 1031 in 6 kann ein durchgehendes Metallelement 103 durch einen speziellen Metallbereich, ohne irgendeine Unterbrechung oder Abtrennung durch andere Materialien als Metall definiert sein, wie beispielsweise Dielektrika (Zwischenschichtdielektrikum ILD oder Zwischenmetalldielektrikum IMD). Das Maß des Abstandes in diesem speziellen Metallbereich ist die Abmessung des durchgehenden Metallelements 103'. Wie in 2 und 6 veranschaulicht, ist von einem inneren Abschnitt des zweiten dielektrischen Merkmals 104' in Richtung des Umfangs der Struktur beginnend das durchgehende Metallelement 103' durch einen äußeren Abschnitt des zweiten dielektrischen Merkmals 104' abgetrennt und eine Abmessung des durchgehenden Metallelements 103' kann eine Breite W2 sein, die zwischen dem inneren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt des zweiten dielektrischen Merkmals 104' gemessen ist. Unter erneuter Bezugnahme auf 2 ist die Abmessung W2 des durchgehenden Metallelements 103" soweit es den Technologieknoten N14 betrifft bei einigen Ausführungsformen kleiner als 2 µm. Die Abmessung des durchgehenden Metallelements ist als eine Auslegungsregel bei der Metallstrukturauslegung festgelegt. Metallschichten, die diese Regel beachten, werden aus verschiedenen Auslegungsberücksichtigungen einen Vorteil erlangen einschließlich geeigneter Freisetzung der Spannung in der Metallschicht. Wie gezeigt in der Draufsichtkopplungsstruktur 60B der zweiten Metallschicht 1031 in 6, scheint das zweite dielektrische Merkmal 104' eine unterbrochene Bandstruktur aufzuweisen. Mehrere Metallbrücken 1031' verbinden das durchgehende Metallelement 103' innerhalb des inneren Abschnitts des zweiten dielektrischen Merkmals 104' und das durchgehende Metallelement 103' außerhalb des inneren Abschnitts des zweiten dielektrischen Merkmals 104' und so weiter. Obwohl dies in der Draufsichtstruktur 60B nicht gezeigt ist, folgt das durchgehende Metallelement innerhalb des inneren Abschnitts des zweiten dielektrischen Merkmals 104' auch der Auslegungsregel von kleiner als 2 µm, wie sie vorstehend beschrieben ist.
  • Wie in 2 gezeigt, sind das zweite dielektrische Merkmal 104' und das erste dielektrische Merkmal 104 gestaffelt zueinander angeordnet. Das heißt, der vertikale Vorsprung des ersten dielektrischen Merkmals 104 an der ersten Metallschicht 1021 überlappt sich nicht mit dem zweiten dielektrischen Merkmal 104' an der zweiten Metallschicht 1031. Eine solche Staffelungsanordnung des ersten dielektrischen Merkmals 104 und des zweiten dielektrischen Merkmals 104' verhindert effektiv, dass der erste Tigerzahnsatz 107 in Metallschichten eindringt, die sich weiter weg von der aktiven Seite 100A befinden.
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist 3 eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur 30, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. In 3 umfasst die Kopplungsstrukturschicht 102 ferner eine dritte Metallschicht 1041 und eine dritte Durchkontaktierungsschicht 1042, die beide an der aktiven Seite 100A des Halbleitersubstrats 100A und entfernter von der aktiven Seite 100A als die zweite Metallschicht 1031 angeordnet sind.
  • Wie in 3 gezeigt, kann die dritte Metallschicht 1041 ein durchgehendes Metallelement ohne irgendeine Unterbrechung oder Abtrennung durch das dielektrische Merkmal sein. Im Technologieknoten größer als N20 wird die erste Metallschicht häufig als eine feste Metallschicht ohne Dielektrikumstrukturen angewandt. Im Technologieknoten N14 und darüber hinaus beginnt die dritte Metallschicht 1041 wie hier beschrieben die feste Metallschicht anzunehmen. Außerdem kann eine Dicke der dritten Metallschicht 1041 größer sein als die von der ersten Metallschicht 1021. Die Dicke der dritten Metallschicht 1041 kann beispielsweise so dick wie zweimal die erste Metallschicht 1021 sein. Bei einigen Ausführungsformen muss die dritte Metallschicht 1041 der Auslegungsregel von kleiner als 2 µm, wie sie vorstehend beschrieben ist, nicht folgen.
  • Unter Bezugnahme auf 4 ist 4 eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur 40, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. In 4 umfasst die Kopplungsstrukturschicht 102 ferner eine dritte Metallschicht 1041 und eine dritte Durchkontaktierungsschicht 1042, die beide an der aktiven Seite 100A des Halbleitersubstrats 100A und entfernter von der aktiven Seite 100A als die zweite Metallschicht 1031 angeordnet sind.
  • Wie gezeigt in 4 kann die dritte Metallschicht 1041 ein durchgehendes Metallelement 103" und ein drittes dielektrisches Element 104" aufweisen, die beide mit dem des durchgehenden Metallelements 103 und dem ersten dielektrischen Merkmal 10 der ersten Metallschicht 1021 identisch sind. Außerdem kann die Dicke der dritten Metallschicht 1041 mit der der ersten Metallschicht 1021 identisch sein. Bei einigen Ausführungsformen folgt die dritte Metallschicht 1041 auch der Auslegungsregel von kleiner als 2 µm, wie sie vorstehend beschrieben ist. Selbst wenn die dritte Metallschicht 1041 und die erste Metallschicht 1021 im Wesentlichen ein identisches durchgehendes Metallelement und dielektrisches Element teilen, sind diese Merkmale in Bezug auf die zweite Metallschicht 1031 zwischen der ersten und der dritten Metallschicht gestaffelt angeordnet. Die vorliegende Offenbarung stellt bereit, dass die angrenzenden Metallschichten Staffelungsstrukturen anwenden müssten, während nicht angrenzende Metallschichten durch diese Regel nicht begrenzt sein müssen.
  • Unter Bezugnahme auf 5 ist 5 eine Querschnittansicht, die eine Kopplungsstruktur einer Halbleiterstruktur 50 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. In 5 umfasst die Kopplungsstrukturschicht 102 ferner eine vierte Metallschicht 1051 und eine vierte Durchkontaktierungsschicht 1052, die beide an der aktiven Seite 100A des Halbleitersubstrats 100A und entfernter von der aktiven Seite 100A als die dritte Metallschicht 1041 angeordnet sind.
  • Wie gezeigt in 5 unterscheiden sich das durchgehende Metallelement 103" und das dritte dielektrische Merkmal 104" der dritten Metallschicht 1041 von dem des durchgehenden Metallelements 103' und dem zweiten dielektrischen Merkmal 104' von der zweiten Metallschicht 1031. Außerdem unterscheiden sich das durchgehende Metallelement 103''' und das dritte dielektrische Merkmal 104" der vierten Metallschicht 1051 von dem der dritten Metallschicht 1041. Bei einigen Ausführungsformen kann die Dicke der vierten Metallschicht 1051 mit der der ersten Metallschicht 1021 identisch sein. Bei einigen Ausführungsformen folgt die vierte Metallschicht 1051 auch der Auslegungsregel von kleiner als 2 µm, wie sie vorstehend beschrieben ist. Obwohl dies in 5 nicht veranschaulicht ist, können das durchgehende Metallelement 103" und das dritte dielektrische Merkmal 104" der dritten Metallschicht 1041 bei einigen Ausführungsformen im Wesentlichen mit denen der ersten Metallschicht 1021 identisch sein und das durchgehende Metallelement 103'" und das vierte dielektrische Merkmal 104''' der vierten Metallschicht 1051 können im Wesentlichen mit denen der zweiten Metallschicht 1031 identisch sein. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann eine von der aktiven Seite 100A weiter entfernt befindliche Metallschicht (nicht gezeigt) eine feste Metallstruktur und eine Auslegungsregel von größer als 2 µm wie zuvor beschrieben aufweisen.
  • Die vorstehend beschriebene Auslegungsregel von kleiner als 2 µm erfolgt unter der Voraussetzung eines Technologieknotens N14 und darüber hinaus. Beim Technologieknoten N7 könnte die Auslegungsregel für die Metallschicht jedoch beispielsweise kleiner als 0,5 µm sein. Mit anderen Worten, die Abmessung des durchgehenden Metallelements in Metallschichten, die der Auslegungsregel folgen, soll kleiner als 0,5 µm sein, soweit es den Technologieknoten N7 betrifft.
  • Unter Bezugnahme auf 6 ist 6 eine Draufsicht, die zwei Kopplungsstrukturen 60A, 60B von zwei angrenzenden Schichten gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie zuvor beschrieben ist die Kopplungsstruktur-Struktur 60A eine Draufsicht der ersten Metallschicht 1021, wie sie in 1 und 2 gezeigt ist, und die Kopplungsstruktur-Struktur 60B ist eine Draufsicht der zweiten Metallschicht 1021, wie sie in 2 gezeigt ist. Bezugsnummern, die mit den zuvor angesprochenen identisch sind, stellen im Wesentlichen identische Komponenten dar und werden hier zur Kürze nicht wiederholt. Die Struktur-Strukturen 60A und 60B sind mit punktierten Ausrichtungslinien veranschaulicht, die zeigen, dass das erste dielektrische Merkmal 103 nach unten zu einem durchgehenden Metallelement 103' der zweiten Metallschicht 1031 hervorsteht. Andererseits stehen ein innerer Abschnitt und der äußere Abschnitt des zweiten dielektrischen Merkmals 104' nach oben zu einem durchgehenden Metallelement 103 der ersten Metallschicht 1021 vor. Die Staffelungsanordnung des ersten dielektrischen Merkmals 104 und des zweiten dielektrischen Merkmals 104' ist in 6 klar ersichtlich. Des Weiteren sind die erste Durchkontaktierungsschicht 1022 und die zweite Durchkontaktierungsschicht 1032 in 6 auch von einer perspektivischen Draufsicht her gezeigt. Wie zuvor beschrieben, besitzen das erste dielektrische Merkmal 104 und das zweite dielektrische Merkmal 104' ein unterbrochenes Band.
  • Unter Bezugnahme auf 7 ist 7 eine Draufsicht, die zwei Kopplungsstrukturen 70A, 70B von zwei angrenzenden Schichten gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie zuvor beschrieben ist die Kopplungsstruktur-Struktur 70A eine Draufsicht der ersten Metallschicht 1021, wie sie in 1 und 2 gezeigt ist, und die Kopplungsstruktur-Struktur 70B ist eine Draufsicht der zweiten Metallschicht 1031, wie sie in 2 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen scheinen das erste dielektrische Merkmal 104 und das zweite dielektrische Merkmal 104' eine geschlossene Bandstruktur aufzuweisen. Keine Metallbrücke verbindet das durchgehende Metallelement 103 innerhalb des ersten dielektrischen Merkmals 104 und das durchgehende Metallelement 103 außerhalb des ersten dielektrischen Merkmals 104. Ähnlich verbindet das durchgehende Metallelement 103' innerhalb des inneren Abschnitts des zweiten dielektrischen Merkmals 104' und das durchgehende Metallelement 103' außerhalb des inneren Abschnitts des zweiten dielektrischen Merkmals 104' keine Metallbrücke. Die Struktur-Strukturen 70A und 70B sind mit punktierten Ausrichtungslinien veranschaulicht, die zeigen, dass das erste dielektrische Merkmal 103 nach unten zu einem durchgehenden Metallelement 103' der zweiten Metallschicht 1031 hervorsteht. Andererseits stehen ein innerer Abschnitt und der äußere Abschnitt des zweiten dielektrischen Merkmals 104' nach oben zu einem durchgehenden Metallelement 103 der ersten Metallschicht 1021 vor. Obwohl dies in der Draufsichtstruktur 60B nicht gezeigt ist, folgt das durchgehende Metallelement innerhalb des inneren Abschnitts des zweiten dielektrischen Merkmals 104' auch der Auslegungsregel von kleiner als 2 µm, wie sie vorstehend beschrieben ist.
  • Unter Bezugnahme auf 8 ist 8 eine Draufsicht, die gemäß einigen Ausführungsformen Kopplungsstrukturen 80A, 80B von zwei angrenzenden Schichten der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie zuvor beschrieben, ist die Kopplungsstruktur-Struktur 80A eine Draufsicht der ersten Metallschicht 1021, wie sie in 1 und 2 gezeigt ist, und die Kopplungsstruktur-Struktur 80B ist eine Draufsicht der zweiten Metallschicht 1031, wie sie in 2 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen scheint das erste dielektrische Merkmal 104 eine offene Bandstruktur aufzuweisen. Mehrere Dielektrikumbrücken verbinden das erste dielektrische Merkmal 103 mit einem anderen Abschnitt des ersten dielektrischen Merkmals 103 (nicht gezeigt). Um das Staffelungsmerkmal zwischen angrenzenden Metallschichten aufrechtzuerhalten, scheint das zweite dielektrische Merkmal 104' eine geschlossene Bandstruktur aufzuweisen. Die Struktur-Strukturen 80A und 80B sind mit punktierten Ausrichtungslinien veranschaulicht, die zeigen, dass das erste dielektrische Merkmal 103 nach unten zu einem durchgehenden Metallelement 103' der zweiten Metallschicht 1031 hervorsteht. Andererseits stehen ein innerer Abschnitt und der äußere Abschnitt des zweiten dielektrischen Merkmals 104' nach oben zu einem durchgehenden Metallelement 103 der ersten Metallschicht 1021 vor.
  • Unter Bezugnahme auf 9 ist 9 eine Draufsicht, die Kopplungsstrukturen 90A, 90B von zwei angrenzenden Schichten gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Wie zuvor beschrieben, ist die Kopplungsstruktur-Struktur 90A eine Draufsicht der ersten Metallschicht 1021, wie sie in 1 und 2 gezeigt ist, und die Kopplungsstruktur-Struktur 90B ist eine Draufsicht der zweiten Metallschicht 1031, wie sie in 2 gezeigt ist. Bei einigen Ausführungsformen scheint das erste dielektrische Merkmal 104 eine unterbrochene Bandstruktur aufzuweisen. Verschiedene Metallbrücken 1031' verbinden das durchgehende Metallelement 103 innerhalb des ersten dielektrischen Merkmals 104 und das durchgehende Metallelement 103 außerhalb des ersten dielektrischen Merkmals 104. Um das Staffelungsmerkmal zwischen angrenzenden Metallschichten aufrechtzuerhalten, scheint das zweite dielektrische Merkmal 104' eine offene Bandstruktur aufzuweisen. Die Struktur-Strukturen 90A und 90B sind mit punktierten Ausrichtungslinien veranschaulicht, die zeigen, dass das erste dielektrische Merkmal 103 nach unten zu einem durchgehenden Metallelement 103' der zweiten Metallschicht 1031 hervorsteht. Andererseits stehen ein innerer Abschnitt und der äußere Abschnitt des zweiten dielektrischen Merkmals 104' nach oben zu einem durchgehenden Metallelement 103 der ersten Metallschicht 1021 vor.
  • 10 bis 14 sind Querschnittansichten einer Halbleiterstruktur bei verschiedenen Herstellungsarbeitsvorgängen gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In 10 wird ein Halbleitersubstrat 100 mit einer aktiven Seite 100A und einer passiven Seite 100B empfangen. Wie zuvor beschrieben, befinden sich aktive Komponenten wie Speicher oder Transistoren in der Nähe der aktiven Seite 100A und eine Isolierschicht 101, wie beispielsweise eine flache Grabenisolation, zum Trennen von unterschiedlich aktiven Regionen wird auch in der Nähe der aktiven Seite 100A im Substrat gebildet. Anschließend kann eine Dielektrikumschicht 101 wie ein Zwischenschichtdielektrikum (ILD) über der Isolierschicht 101 und dem Substrat 100 gebildet werden. Über der Dielektrikumschicht 101 wird die Kopplungsstruktur 102 der Vorrichtung mit zuvor beschriebenen Strukturen von jeder Metallschicht hergestellt. In der in 10 veranschaulichten Ausführungsform werden drei Metallschichten und Durchkontaktierungsschichten gebildet. Bei einigen Ausführungsformen sind die Metallschichten ein Metallelement, wie eine Metallleitung, ein Metalldurchkontaktierungsmerkmal oder ein Metallkontaktmerkmal.
  • Die erste Metallschicht 1021 wird beispielsweise durch einen Damascene-Prozess gebildet, der nachfolgend weiter beschrieben wird. Die erste Dielektrikumschicht wird auf der Dielektrikumschicht 101 gebildet. Alternativ wird eine Ätzstoppschicht (nicht gezeigt) auf der Dielektrikumschicht 101 gebildet und die erste Dielektrikumschicht auf der Ätzstoppschicht gebildet. Bei einigen Ausführungsformen umfasst die erste Dielektrikumschicht ein Dielektrikum wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid, ein Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (Low-k) oder eine Kombination davon. Das Low-k-Material kann fluoriertes Kieselglas (FSG), kohlenstoffdotiertes Siliziumoxid, Black Diamond® (Applied Materials in Santa Clara, Kalif.), Xerogel, Aerogel, amorphen fluorierten Kohlenstoff, Parylen, Bis-Benzocyclobuten (BCB), SiLK (Dow Chemical, Midland, Mich.), Polyimid, poröses Polymer und/oder andere geeignete Materialien als Beispiele umfassen. Ein Prozess zum Bilden der ersten Dielektrikumschicht kann chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine Aufschleuderbeschichtung oder eine andere geeignete Beschichtungstechnologie verwenden. Die Ätzstoppschicht umfasst ein Material, das sich von der ersten Dielektrikumschicht unterscheidet und ausgelegt ist, eine Ätzselektivität bereitzustellen, sodass ein anschließender Ätzprozess im Wesentlichen die erste Dielektrikumschicht ätzen kann und an der Ätzstoppschicht stoppt. Beispielsweise umfasst die Ätzstoppschicht Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid, Siliziumcarbid oder ein anderes geeignetes Material, welches das Ätzen des anschließenden Ätzprozesses stoppt. Die Ätzstoppschicht kann durch CVD oder eine andere geeignete Technologie gebildet werden. Nach dem Abscheiden (der Ätzstoppschicht und) der ersten Dielektrikumschicht kann die erste Dielektrikumschicht ferner durch eine Technologie wie chemisch-mechanisches Polieren (CMP) planarisiert werden.
  • Danach wird eine Maskenschicht (nicht gezeigt) für die erste Metallschicht 1021 durch einen Lithografieprozess strukturiert, wodurch eine strukturierte Maskenschicht mit einer Öffnung (oder mehreren) gebildet wird, um eine Region (oder Regionen) für eine Metallleitung (oder Metallleitungen) wie veranschaulicht in den 6 bis 9 zu definieren. Bei einigen Ausführungsformen entspricht die Öffnung der strukturierten Maskenschicht den Orten des durchgehenden Metallelements 103 in der ersten Metallschicht 1021 und die abgedeckte Region der strukturierten Maskenschicht entspricht den Orten des ersten dielektrischen Merkmals 104 in der ersten Metallschicht 1021. Die Metallleitung bezeichnet eine Metallleitung in einer zu bildenden oberen Metallschicht. Bei einigen Ausführungsformen ist die Maskenschicht eine Resistschicht, der Strukturierungsprozess ist eine Lithografieverfahrensweise, die Aufschleuderbeschichten, Belichten und Entwickeln umfasst. Bei einigen Ausführungsformen ist die Maskenschicht eine Hartmaske, der Strukturierungsprozess umfasst das Bilden einer strukturierten Resistschicht auf der Hartmaske unter Verwendung eines Lithografieprozesses; und das Ätzen der Hartmaske durch die Öffnung der strukturierten Resistschicht unter Verwendung der strukturierten Resistschicht als eine Ätzmaske. Nach dem Bilden der strukturierten Hartmaske kann die strukturierte Resistschicht durch Plasmaveraschen oder Nassablösen entfernt werden.
  • Zum Bilden der ersten Durchkontaktierungsschicht 1022 kann auf den zuvor beschriebenen Abschnitt bezüglich des Bildens der ersten Metallschicht 1021 verwiesen werden und dies wird hier zur Kürze nicht wiederholt. Natürlich ändert sich das Strukturieren der ersten Durchkontaktierungsschicht 1022 entsprechend mit der Struktur der ersten Metallschicht 1021. Zum Bilden der zweiten Metallschicht 1031 kann auf den zuvor beschriebenen Abschnitt bezüglich des Bildens der ersten Metallschicht 1021 verwiesen werden und dies wird hier zur Kürze nicht wiederholt. Die Struktur der zweiten Metallschicht 1031 umfasst wie zuvor beschrieben ein durchgehendes Metallelement 103' und ein zweites dielektrisches Element 104'. Das erste dielektrische Merkmal 104 in der ersten Metallschicht 1021 ist ausgelegt, sodass es zu dem zweiten dielektrischen Merkmal 104' in der zweiten Metallschicht 1031 gestaffelt angeordnet ist. Des Weiteren kann in 10 zum Bilden der dritten Metallschicht 1041 auf den zuvor beschriebenen Abschnitt bezüglich des Bildens der ersten Metallschicht 1021 verwiesen werden und dies wird hier zur Kürze nicht wiederholt. Bei einigen Ausführungsformen kann die dritte Metallschicht 1041 ein durchgehendes Metallelement ohne irgendeine Unterbrechung oder Abtrennung durch das dielektrische Merkmal sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 100 dann von einer passiven Seite 100B durch bekannte Techniken, wie Rückseitenschleifen, Ätzen, CMP oder dergleichen, ausgedünnt werden, und eine dicke Passivierungsschicht 100', wie beispielsweise eine Oxidschicht, wird über der ausgedünnten Fläche auf der passiven Seite 100B gebildet.
  • In 11 wird eine Substratdurchkontaktierungs- (TSV) -Aussparung 105' teilweise von der passiven Seite 100B des Substrats 100 mittels eines ersten Ätzvorgangs gebildet. Der erste Ätzvorgang entfernt das Substrat 100 von der passiven Seite 100B, bis die Isolierschicht 303 erreicht ist. Bei einigen Ausführungsformen verwendet der erste Ätzvorgang eine zum Entfernen von Substratmaterialien geeignete Ätzchemikalie. Die TSV-Aussparungen 105' werden nach den CMOS-Bildvorgängen in der Nähe der aktiven Seite 100A des Substrats 100 und nach dem Metallisierungsprozess des Bildens von Metallschichten, wie beispielsweise mindestens M1 bis M3 in der Kopplungsstrukturschicht 102, gebildet. In einem IC, der mit einer fortgeschrittenen Verarbeitungstechnologie hergestellt ist, sind die Zwischenmetalldielektrikum- (IMD) -Schichten 1013 typischerweise mit Dielektrika mit niedriger Dielektrizitätskonstante (Low-k) oder extrem niedriger Dielektrizitätskonstante gebildet, um eine Zwischenmetallschichtparasitärkapazität zu reduzieren und daher die Signalgeschwindigkeit zu erhöhen und die Signalintegrität zu verbessern. Als ein Beispiel weist ein Low-k-Dielektrikum eine Dielektrizitätskonstante von kleiner als 2,9 auf und ist mit einem porösen organischen Dielektrikum gebildet.
  • In 12 wird eine Substratdurchkontaktierungs- (TSV) -Aussparung 105' vollständig von der passiven Seite 100B des Substrats 100 mittels eines zweiten Ätzvorgangs gebildet. Der zweite Ätzvorgang entfernt die verbleibende Isolierschicht 303, die Dielektrikumschicht 303 und bis die erste Metallschicht 1021 erreicht ist. Bei einigen Ausführungsformen verwendet der zweite Ätzvorgang eine Ätzchemikalie, der sich von dem ersten Ätzvorgang unterscheidet. Beispielsweise verwendet der zweite Ätzvorgang zum Entfernen von Dielektrika geeignete Chemikalien. Es ist die Fähigkeit, das zweite Ätzen zu steuern, welche die Tigerzahnbildung bestimmt. Wenn zum Beispiel das zweite Ätzen als Überätzen betrachtet wird, ist es wahrscheinlich, dass die IMD-Schicht 1013 auf der Ebene der ersten Metallschicht 1021 und die erste Durchkontaktierungsschicht 1022 durch das Ätzmittel entfernt werden, was eine Tigerzahnlücke für die anschließenden zu füllenden metallischen Materialien bereitstellt. Die IMD-Schicht 1013 auf der Ebene der ersten Metallschicht 1021 entspricht dem ersten dielektrischen Merkmal 104 wie zuvor beschrieben.
  • Dieser Bildungsprozess der TSV-Aussparung 105" schafft eine Anzahl an Problemen bei fortgeschrittenen Verarbeitungstechnologien. Eines der Probleme ist, dass die Bildung der TSV-Aussparungen 105" in den Zwischenmetalldielektrikumschichten typischerweise mehrere Ätzprozesse einbezieht; und sich die Wafer beim Verarbeiten für den verschiedenen abzuschließenden Ätzprozess häufig in der Warteschlange befinden. Während des Verarbeitens können Feuchtigkeit oder andere chemische Stoffe in einer Waferbearbeitungseinrichtung von der Seitenwand der TSV-Aussparungen in die Low-k-Zwischenmetalldielektrikumschichten eintreten und durch die gesamten Zwischenmetalldielektrikumschichten diffundieren, was zu einer unerwünschten Charakteristikänderung der Low-k-Dielektrika führen kann. Aufgrund der großen freiliegenden Fläche der TSV-Aussparungen, kann diese nachteilige Auswirkung signifikant sein und eine ernsthafte Vorrichtungsleistungsverschlechterung und einen Ausbeutverlust bewirken. Das hier bereitgestellte erste und zweite Ätzen stellt ein Verfahren bereit, um die Charakteristikänderung der IMD-Schicht 1013 durch Freilegen der Low-k-IMD-Schicht 1013 im letzten Ätzvorgang des Bildens der TSV-Aussparung 105" zu reduzieren.
  • Die in den IMD-Schichten und im Substrat 100 gebildeten TSV-Aussparungen 105" werden anschließend mit leitenden metallischen Materialien durch einen Metallisierungsprozess gefüllt, wie beispielsweise einen metallischen chemischen Gasphasenabscheidungsprozess (CVD) oder einen Metallelektroplattierprozess. Ein Metallisierungsprozess, wie metallisches CVD oder Metallisierung, kann anschließend auf der passiven Seite 100B des Substrats 100 ausgeführt werden, was Kupfer (Cu) oder die geeigneten leitenden Materialien in die TSV-Aussparungen 105" füllt, um die TSVs 105 im Substrat 100 zu bilden. Andere geeignete leitende Materialien, wie Aluminium (Al), Wolfram (W), Cobalt (Co), Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt), Silizium (Si) und andere geeignete Abscheidungsprozesse können auch verwendet werden, um die TSVs 105 zu bilden.
  • In 13 kann anschließend auf der passiven Seite 100B des Substrats 100 ein CMP-Arbeitsvorgang ausgeführt werden, um überschüssige TSV-Materialien zu entfernen und die gewünschte flache Substratfläche für die anschließenden Verarbeitungsvorgänge bereitzustellen. Optional kann eine Sperrschicht, wie eine Titannitrid- (TiN) -Schicht und/oder eine Metallbekeimungsschicht (nicht gezeigt) in den TSV-Aussparungen 105" durch geeignete Prozesse, wie CVD oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), vor dem Metallisierungsprozess des Bildens der TSVs 105 konform gebildet werden. Eine Sperrschicht in den TSV-Aussparungen 105" kann verhindern, dass irgendwelches leitendes TSV-Material in irgendwelche aktiven Abschnitte der Schaltungen auf der aktiven Seite 100A des Substrats 100 eindringt. In 13 ist ebenfalls der erste Tigerzahnsatz 107 mit punktierten Linien veranschaulicht, um die möglichen Orte zu zeigen und wie die zweite Metallschicht 1031 effektiv verhindern kann, dass der erste Tigerzahnsatz 107 weiter in Richtung höherer Metallschichten eindringt.
  • In 14 kann die passive Seite 100B des Substrats 100 weiter verarbeitet werden, um die Isolierschicht 116, Dielektrikumschicht (nicht dargestellt), leitende Grenzfläche (nicht gezeigt), Bondinseln (nicht gezeigt) mit ähnlichen Materialien zu bilden, und Verarbeitungstechnologien, die für die ähnlichen Merkmale verwendet werden, die zuvor über der aktiven Seite 100A des Substrats 100 gebildet wurden. Das so verarbeitete Substrat 100 kann an andere integrierte Schaltung-Wafer und -Dies von beiden Seiten gebondet werden. Es ist auch in 14 gezeigt, dass nach dem Metallisierungsprozess eine Breite W3 der TSV 105 in der Nähe der ersten Metallschicht 1021 größer ist als eine Abmessung des ersten dielektrischen Merkmals 104 der ersten Metallschicht 1021. Da der „Tigerzahn“ über Durchschlagen kein Problem mehr darstellt, können die Prozessfenster zum Bilden der TSVs 105 gelockert und die Vorrichtungsleistung kann auch verbessert werden.
  • Einige Ausführungsformen stellen eine Halbleiterstruktur bereit, die ein Halbleitersubstrat mit einer aktiven Seite, einer Kopplungsstrukturschicht über der aktiven Seite des Halbleitersubstrats und einer Substratdurchkontaktierung (TSV) umfasst, die sich vom Halbleitersubstrat in die erste Metallschicht erstreckt. Die Kopplungsstrukturschicht umfasst eine der aktiven Seite des Halbleitersubstrats naheste erste Metallschicht, wobei eine Dicke der ersten Metallschicht niedriger ist als 1 Mikrometer und eine Abmessung eines durchgehenden Metallelements der ersten Metallschicht kleiner ist als 2 Mikrometer von einer perspektivischen Draufsicht her. Das durchgehende Metallelement ist durch ein erstes dielektrisches Element abgetrennt.
  • Einige Ausführungsformen stellen eine Kopplungsstruktur-Struktur bereit, die eine erste Metallschicht und eine zweite Metallschicht über der ersten Metallschicht umfasst. Eine Abmessung eines durchgehenden Metallelements der ersten Metallschicht ist von einer perspektivischen Draufsicht her kleiner als 2 Mikrometer. Das durchgehende Metallelement ist durch ein erstes dielektrisches Element abgetrennt. Eine Abmessung eines durchgehenden Metallelements der zweiten Metallschicht ist von einer perspektivischen Draufsicht her kleiner als 2 Mikrometer. Das durchgehende Metallelement ist durch ein zweites dielektrisches Element abgetrennt. Das zweite dielektrische Merkmal ist zu dem ersten dielektrischen Merkmal gestaffelt angeordnet.
  • Einige Ausführungsformen stellen ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterstruktur bereit. Das Verfahren umfasst das Empfangen eines Halbleitersubstrats mit einer aktiven Seite, das Bilden einer ersten Metallschicht am nahesten an der aktiven Seite des Halbleitersubstrats, wobei ein erstes dielektrisches Element ein durchgehendes metallisches Merkmal der ersten Metallschicht abtrennt, das Bilden einer zweiten Metallschicht an der aktiven Seite des Halbleitersubstrats und von der aktiven Seite entfernter als die erste Metallschicht, wobei ein zweites dielektrisches Element ein durchgehendes Metallelement der zweiten Metallschicht abtrennt. Das zweite dielektrische Merkmal ist zu dem ersten dielektrischen Merkmal gestaffelt angeordnet. Das das Bilden einer Substratdurchkontaktierung (TSV), die sich vom Halbleitersubstrat in die erste Metallschicht erstreckt.

Claims (18)

  1. Halbleiterstruktur, umfassend: ein Halbleitersubstrat (100) mit einer aktiven Seite (100A); eine Kopplungsstrukturschicht (102) über der aktiven Seite (100A) des Halbleitersubstrats (100), wobei die Kopplungsstrukturschicht (102) umfasst: eine erste Metallschicht (1021), wobei eine Dicke der ersten Metallschicht (1021) kleiner ist als 1 Mikrometer und eine Abmessung eines durchgehenden Metallelements (103) der ersten Metallschicht (1021) in Draufsicht kleiner als 2 Mikrometer ist, wobei das durchgehende Metallelement (103) durch ein erstes dielektrisches Element (104) abgetrennt ist, wobei das erste dielektrische Element (104) einem Dielektrikum (1013) auf der Ebene der ersten Metallschicht (1021) entspricht; eine Substratdurchkontaktierung (105), die sich von dem Halbleitersubstrat (100) in die erste Metallschicht (103) erstreckt.
  2. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1, ferner umfassend eine zweite Metallschicht (1031) über der aktiven Seite (100A) des Halbleitersubstrats (100) und entfernter von der aktiven Seite (100A) als die erste Metallschicht (1021), wobei die zweite Metallschicht (1031) ein zweites dielektrisches Element (104') umfasst, das ein durchgehendes Metallelement (103') der zweiten Metallschicht (1031) in Draufsicht abtrennt, und das zweite dielektrische Element (104') zu dem ersten dielektrischen Element (104) gestaffelt angeordnet ist.
  3. Halbleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine dritte Metallschicht (1041) über der aktiven Seite (100A) des Halbleitersubstrats (100) und entfernter von der aktiven Seite (100A) als die zweite Metallschicht (1031), wobei die dritte Metallschicht (1041) ein durchgehendes Metallelement (103") umfasst.
  4. Halbleiterstruktur nach Anspruch 3, wobei die dritte Metallschicht (1041) ein drittes dielektrisches Element (104") umfasst, das ein durchgehendes Metallelement (103") der dritten Metallschicht (1041) in Draufsicht abtrennt.
  5. Halbleiterstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste dielektrische Element (104) eine unterbrochene Bandstruktur aufweist.
  6. Halbleiterstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Breite der Substratdurchkontaktierung (105) an der ersten Metallschicht (1021) größer ist als eine Abmessung des durchgehenden Metallelements (103) der ersten Metallschicht (1021).
  7. Kopplungsstruktur-Struktur, umfassend: eine erste Metallschicht (1021), wobei eine Abmessung eines durchgehenden Metallelements (103) der ersten Metallschicht (1021) in Draufsicht kleiner ist als 2 Mikrometer, wobei das durchgehende Metallelement (103) der ersten Metallschicht (1021) durch ein erstes dielektrisches Element (104) abgetrennt ist, wobei das erste dielektrische Element (104) einem Dielektrikum (1013) auf der Ebene der ersten Metallschicht (1021) entspricht; und eine zweite Metallschicht (1031) über der ersten Metallschicht (1021), wobei eine Abmessung eines durchgehenden Metallelements (103') der zweiten Metallschicht (1031) in Draufsicht kleiner ist als 2 Mikrometer, wobei das durchgehende Metallelement (103') der zweiten Metallschicht (1031) durch ein zweites dielektrisches Element (104') abgetrennt ist, wobei das zweite dielektrische Element (104') zu dem ersten dielektrischen Element (104) gestaffelt angeordnet ist.
  8. Kopplungsstruktur-Struktur nach Anspruch 7, wobei eine Dicke der ersten Metallschicht (1021) geringer ist als 1 Mikrometer.
  9. Kopplungsstruktur-Struktur nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend: ein Halbleitersubstrat (100) in der Nähe der ersten Metallschicht (1021); und eine Substratdurchkontaktierung (105), die sich vom Halbleitersubstrat (100) in die erste Metallschicht (1021) erstreckt.
  10. Kopplungsstruktur-Struktur nach Anspruch 9, wobei eine Breite der Substratdurchkontaktierung (105) an der ersten Metallschicht (1021) größer ist als die Abmessung des durchgehenden Metallelements (103) der ersten Metallschicht (1021).
  11. Kopplungsstruktur-Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das erste dielektrische Element (104) eine geschlossene Bandstruktur aufweist.
  12. Kopplungsstruktur-Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das erste dielektrische Element (104) eine offene Bandstruktur aufweist.
  13. Kopplungsstruktur-Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei eine Abmessung des durchgehenden Metallelements (103) der ersten Metallschicht (1021) in Draufsicht kleiner ist als 0,5 Mikrometer.
  14. Kopplungsstruktur-Struktur nach einem der Ansprüche 7 bis 13, ferner umfassend: eine dritte Metallschicht (1041) über der zweiten Metallschicht (1031), wobei ein durchgehendes Metallelement (103") in der dritten Metallschicht (1041) durch ein drittes dielektrisches Element (104") abgetrennt ist; und eine vierte Metallschicht (1051) über der dritten Metallschicht (1031), wobei ein durchgehendes Metallelement (103''') der vierten Metallschicht (1051) durch ein viertes dielektrisches Element (104''') abgetrennt ist, wobei das dritte dielektrische Element (104") zu dem zweiten dielektrischen Element (104') gestaffelt angeordnet ist und das vierte dielektrische Element (104''') zu dem dritten dielektrischen Element (104") gestaffelt angeordnet ist.
  15. Kopplungsstruktur-Struktur nach Anspruch 14, wobei eine Abmessung des durchgehenden Metallelements (103") der dritten Metallschicht (1041) in Draufsicht kleiner als 2 Mikrometer ist.
  16. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterstruktur, umfassend: Empfangen eines Halbleitersubstrats (100) mit einer aktiven Seite (100A); Bilden einer ersten Metallschicht (1021) über der aktiven Seite (100A) des Halbleitersubstrats (100), wobei ein erstes dielektrisches Element (104) ein durchgehendes Metallelement (103) der ersten Metallschicht (1021) abtrennt, wobei das erste dielektrische Element (104) einem Dielektrikum (1013) auf der Ebene der ersten Metallschicht (1021) entspricht; Bilden einer zweiten Metallschicht (1031) über der aktiven Seite (100A) des Halbleitersubstrats (100) und entfernter von der aktiven Seite (100A) als die erste Metallschicht (1021), wobei ein zweites dielektrisches Element (104') ein durchgehendes Metallelement (103') der zweiten Metallschicht (1041) abtrennt, wobei das zweite dielektrische Element (104') zu dem ersten dielektrischen Element (104) gestaffelt angeordnet ist; und Bilden einer Substratdurchkontaktierung (105), die sich vom Halbleitersubstrat (100) in die erste Metallschicht (1021) erstreckt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Bilden der Substratdurchkontaktierung (105) umfasst: Ausführen eines ersten Ätzens von einer passiven Seite (100B) des Halbleitersubstrats (100) her bis zum Erreichen einer Isolierschicht (101) über der aktiven Seite (100A), wobei sich die passive Seite (100B) gegenüber der aktiven Seite (100A) befindet; und Ausführen eines zweiten Ätzens von der Isolierschicht (101) bis zum Erreichen der ersten Metallschicht (1021).
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei eine Breite der Substratdurchkontaktierung (105) an der ersten Metallschicht (1021) größer ist als eine Abmessung des durchgehenden Metallelements (103) der ersten Metallschicht (1021).
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