TW201442186A - 具有貫穿矽通孔的半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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Chao-Yuan Huang
Yueh-Feng Ho
Ming-Sheng Yang
Hwi-Huang Chen
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    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/11—Manufacturing methods

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Abstract

提供一種具有貫穿矽通孔之半導體裝置，包含：基板，具有前側與背側；及貫穿矽通孔，貫穿該基板且在該前側具有圓形且在該背側具有圓角化的矩形。

Description

具有貫穿矽通孔的半導體裝置及其製造方法
本發明係關於一種具有貫穿矽通孔的半導體裝置及其製造方法。
為了節省寶貴的佈局空間或是增加內連線的效率，可將複數個積體電路(IC)晶片堆疊在一起成為一個IC封裝結構。為了達到此目的，可使用一種三維(3D)堆疊封裝技術來將複數積體電路晶片封裝在一起。此種三維(3D)堆疊封裝技術廣泛地使用到貫穿矽通孔(TSV)。貫穿矽通孔(TSV)是一種垂直導電通孔，其可以完全貫穿矽晶圓、矽板、任何材料所製成之基板或晶片。現今，3D積體電路(3D IC)被廣用至許多的領域如記憶體堆疊、影像感測晶片等。
雖然貫穿矽通孔有許多優點，但其製造方法對於半導體業界而言仍屬新領域。在此新領域中有許多新結構及/或新製造方法的發展空間。
提供一種具有貫穿矽通孔之半導體裝置，包含：基板，具有前側與背側；及貫穿矽通孔，貫穿該基板且在該前側具有圓形且在該背側具有圓角化的矩形。
提供一種半導體裝置的製造方法，包含：提供具有第一側與第二側之基板；自該第一側於該基板中形成一通孔；在該通孔的側壁上形成保護層但裸露該通孔的底部；擴大該通孔的底部並修改形狀；在該通孔的低部與側壁上形成介電層；形成填充該通孔的導電材料；及自該第二側移除該基板的一部分以裸露該導電材料並完成一貫穿矽通孔。
100．．．基板
101．．．前側
102．．．背側
150/150’．．．通孔
151、151’．．．介電層
152、152’．．．介電層
500．．．裝置/內連線層
600．．．重分佈連線(RDL)
700．．．微凸塊/凸塊
900、900’．．．導電材料
1000．．．貫穿矽通孔
D．．．長邊長度
D．．．直徑
熟知此項技藝者在參照附圖閱讀了下列詳細敘述後，當更瞭解本發明的上述目的與優點，其中：
圖1顯示根據本發明一實施例之具有貫穿矽通孔(TSV)之半導體裝置的橫剖面概圖；
圖1A顯示根據本發明一實施例之貫穿矽通孔(TSV)之前側的上視概圖；
圖1B顯示根據本發明一實施例之貫穿矽通孔(TSV)之背側的上視概圖；。
圖2-7顯示根據本發明一實施例之具有貫穿矽通孔(TSV)之半導體裝置的製造方法。
下面將詳細地說明本發明的較佳實施例，舉凡本中所述的元件、元件子部、結構、材料、配置等皆可不依說明的順序或所屬的實施例而任意搭配成新的實施例，此些實施例當屬本發明之範疇。在閱讀了本發明後，熟知此項技藝者當能在不脫離本發明之精神和範圍內，對上述的元件、元件子部、結構、材料、配置等作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準，且此些更動與潤飾當落在本發明之申請專利範圍內。
本發明的實施例及圖示眾多，為了避免混淆，類似的元件係以相同或相似的標號示之。圖示意在傳達本發明的概念及精神，故圖中的所顯示的距離、大小、比例、形狀、連接關係….等皆為示意而非實況，所有能以相同方式達到相同功能或結果的距離、大小、比例、形狀、連接關係….等皆可視為等效物而採用之。
現在參考圖1，其顯示根據本發明一實施例之具有貫穿矽通孔1000之半導體裝置的橫剖面概圖。在本發明中，焦點在於貫穿矽通孔本身而非貫穿矽通孔上方或周圍的事物，因此貫穿矽通孔上方的內連線結構及周圍的主動元件將予以省略以免不必要地模糊本發明的焦點。貫穿矽通孔1000(TSV，在某些技術文件中又被稱為貫穿電極、導電柱等)會貫穿基板100並實體及電連接基板100的背側102與前側101。貫穿矽通孔1000係用以將操作電壓VSS、VDD或操作訊號耦合至形成於基板100上的積體電路(未顯示)或用以傳遞晶片間的訊號及/或電壓。相較於尋常的主動元件如電晶體，貫穿矽通孔1000具有微米級的超大尺寸。在一實施例中，當貫穿矽通孔具有圓形剖面時，貫穿矽通孔1000具有約30μm的直徑。在另一實施例中，當貫穿矽通孔具有圓形剖面時，貫穿矽通孔具有約10μm的直徑。在更另一實施例中，當貫穿矽通孔具有圓形剖面時，貫穿矽通孔具有至少1μm的直徑如6μm。
圖2-5所示之貫穿矽通孔1000看起來像是由中間通孔製程或通孔前置製程所製成的貫穿矽通孔，但貫穿矽通孔1000可以是由通孔前置製程(在電晶體之前製造貫穿矽通孔)、中間通孔製程(在電晶體製成之後但在較低層次內連線的製造期間製造貫穿矽通孔)、或通孔後置製程(在內連線之後才製造貫穿矽通孔)所製成。無論是用何種製程來製造貫穿矽通孔1000，貫穿矽通孔1000的基本結構皆維持不變：通孔150/150’(在圖1中未顯示但顯示於圖2-4中)、在通孔側壁上的介電層152’及填滿通孔的導電材料900’。介電層152’與導電材料900’所用的材料可取決於製造方法及所需的物理特性。氧化矽與氮化矽為最常被用來作為介電層152’的材料。至於導電材料900’，其可包含阻障/黏著層材料及低電阻率材料，阻障/黏著層材料例如是鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鎢、氮化鎢、鉬、錳及/或銅，低電阻率材料例如是鎢、銅、鋁及/或多晶矽。
在貫穿矽通孔1000上之前側之上的是裝置/內連線層500。裝置/內連線層500代表了所有選擇性的主動元件、層間介電層與接觸栓(若貫穿矽通孔是由通孔前置製程所製造)、金屬間介電層以及所有嵌於此些金屬間介電層內的內連線結構。應瞭解，圖1-6只顯示了全局的一部分，因此基板100可包含淺溝渠隔離結構、各種摻雜區、被動元件如電阻、其他冗餘圖案及選擇性的主動元件如電晶體(若貫穿矽通孔是由通孔前置製程所製造)。在前側處，如圖1A中所示，用以耦合至內連線結構(未顯示)的貫穿矽通孔1000具有直徑為d的圓形剖面輪廓。直徑d係等於或大於1μm如約5μm。在背側處，如圖1B中所示，用以耦合至背側繞線用之重分佈連線(RDL) 600之貫穿矽通孔1000具有長邊長度為D的圓角化矩形剖面輪廓。長邊長度D至少是直徑d的1.2倍，因此長邊長度D係至少等於或大於1.2μm例如約為6μm。重分佈連線(RDL) 600的功能可以被理解為是貫穿矽通孔1000與其他貫穿矽通孔之間的連接或者是貫穿矽通孔1000與微凸塊/凸塊700之間的連接，故重分佈連線600係類似於前側上的內連線且在垂直基板的方向上可以有嵌於介電層中的複數層。微凸塊/凸塊700為一對外介面，讓貫穿矽通孔得以與外界交流(因此主動元件得以與外界交流。
現在參考圖1A與1B，其顯示了根據本發明一實施例之圖1之貫穿矽通孔1000的前側與背側的上視概圖。從圖1A與1B可清楚得知，圓角化矩形的長邊長度D係大於圓形的直徑d。圖1B不只是顯示了貫穿矽通孔1000，更顯示了與貫穿矽通孔1000交疊的重分佈連線600。為了改善貫穿矽通孔1000與重分佈連線600之間的接觸，如圖1B中所示，在背側處的貫穿矽通孔1000的長邊應該要平行於重分佈連線600的長邊。
應瞭解，本發明的原理可應用至矽中介層。在該情況下，圖1A代表埋設於基板100內的貫穿矽通孔的一部分，而圖1B代表從基板100之前側與背側裸露之貫穿矽通孔的兩端，且裝置/內連線層500會被一或多層重分佈連線及微凸塊/凸塊所取代。
現在參考圖2-7，其顯示根據本發明一實施例之具有貫穿矽通孔(TSV)之半導體裝置的製造方法。在圖2中，提供基板100，並從基板之前側101將通孔150形成於基板100內而不貫穿整個基板100。接著，將介電層151形成於通孔150的側壁與底部上。基板100可以是簡單的矽基板或絕緣層上覆矽基板，或者基板可包含淺溝渠隔離結構、複動元件如電阻、各種摻雜區、冗餘圖案與選擇性的主動元件(若貫穿矽通孔1000係由中間通孔製程所製造)。通孔150可藉由微影與蝕刻製程所形成。介電層151可藉由熱氧化製程所形成，藉此形成在裸露的矽表面上，或者其可藉由沈積製程所形成，覆蓋整個基板100的前側表面及通孔150的側壁與底部。介電層151可包含常用的介電材料如氧化矽及/或氮化矽。
在圖3中，進行一非等向性蝕刻以移除基板表面上介電層151以及通孔150之底部上的介電層151，藉此獲得環形的介電層151’作為保護層以曝露通孔150的底部但覆蓋通孔150的側壁。
在圖4中，進行一濕式蝕刻以擴大/加深通孔150的底部並修改其形狀，藉以得到修改過的通孔150’。應注意，由於基板表面亦受到曝露，當基板表面包含裸露的矽材時，可在基板表面上形成選擇性的保護遮罩(未顯示)以在濕式蝕刻期間維持基板表面的完整無傷。當基板表面包含介電材料但不包含裸露矽材時，毋需形成保護遮罩。濕式蝕刻所用的化學品可包含氫氧化四甲基銨(TMAH)或氨水。由於針對不同晶面如(1 0 0)或(1 1 1)的蝕刻率不同，所以經修改之通孔150’之經擴大與修改的底部會具有圓角化的矩形橫剖面形狀。
在圖5中，移除選擇性的保護遮罩並在基板表面、經修改的通孔150’的側壁與底部上形成另一介電層(未顯示)。舊有的介電層151’與此處新形成的另一介電層(未顯示)會整合在一起變成介電層152。接著，形成導電材料(未顯示)以填滿經修改過的通孔150’並進行一化學機械研磨製程以移除多餘的導電材料並形成全局平坦的表面，藉此成導電材料900。導電材料900可包含阻障/黏著層材料及低電阻率材料。阻障/黏著層材料例如是鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、鎢、氮化鎢、鉬、錳及/或銅，低電阻率材料例如是鎢、銅、鋁、多晶矽。
在圖6中，於導電材料900及基板的表面上形成裝置/內連線層500。裝置/內連線層500代表所有選擇性的主動元件如電晶體、層間介電層與接觸栓(若貫穿矽通孔係由通孔前置製程所形成)以及金屬間介電層與所有嵌於其中的內連線結構。
在圖7中，進行背側打磨/研磨/薄化以裸露導電材料並完成包含介電層152’與導電材料900’的貫穿矽通孔1000。
最後，在背側102上形成圖案化的介電層(未顯示)以隔離形成在貫穿矽通孔1000上之不同重分佈連線600以及隔離重分佈連線600與微凸塊/凸塊700。
在此方式下，本發明可以提供貫穿矽通孔與重分佈連線間的較佳接觸。亦應注意，圖2-7所呈現的製造方法只是例示性的實施例，本發明不應受其限制。其他能夠完成如圖1、1A與1B中所示之相同貫穿矽通孔結構的製造方法皆應落在本發明之範疇內。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．基板
101．．．前側
102．．．背側
152’．．．介電層
500．．．裝置/內連線層
600．．．重分佈連線
700．．．微凸塊/凸塊
900’．．．導電材料
1000．．．貫穿矽通孔
D．．．長邊長度
D．．．直徑

Claims (10)

  1. 一種具有貫穿矽通孔之半導體裝置，包含：
    基板，具有前側與背側；及
    貫穿矽通孔，貫穿該基板且在該前側具有圓形且在該背側具有圓角化的矩形。
  2. 如申請專利範圍第1項之具有貫穿矽通孔之半導體裝置，更包含：
    在該前側上的裝置/內連線層。
  3. 如申請專利範圍第1項之具有貫穿矽通孔之半導體裝置，其中該圓角化的矩形的長邊長度係大於該圓形的直徑。
  4. 如申請專利範圍第1項之具有貫穿矽通孔之半導體裝置，其中該圓角化的矩形的長邊長度至少為該圓形的直徑的1.2倍。
  5. 如申請專利範圍第1項之具有貫穿矽通孔之半導體裝置，更包含：在該背側上的背側重分佈連線(RDL)。
  6. 如申請專利範圍第5項之具有貫穿矽通孔之半導體裝置，其中該圓角化的矩形的長邊係平行於該背側重分佈連線(RDL)的長度方向。
  7. 如申請專利範圍第1項之具有貫穿矽通孔之半導體裝置，其中該基板係用以作為一矽中介層。
  8. 一種半導體裝置的製造方法，包含：
    提供具有第一側與第二側之基板；
    自該第一側於該基板中形成一通孔；
    在該通孔的側壁上形成保護層但裸露該通孔的底部；
    擴大該通孔的底部並修改其形狀；
    在該通孔的低部與側壁上形成介電層；
    形成填充該通孔的導電材料；及
    自該第二側移除該基板的一部分以裸露該導電材料並完成一貫穿矽通孔。
  9. 如申請專利範圍第8項之半導體裝置的製造方法，其中該貫穿矽通孔在該第一側具有圓形且在該第二側具有圓角化的矩形。
  10. 如申請專利範圍第9項之半導體裝置的製造方法，其中該圓形的直徑係等於或大於1 μm，該圓角化矩形的長邊長度係等於或大於1.2 μm。
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