TW201445672A - 矽穿孔金屬化 - Google Patents
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Abstract
為達成上述及符合本發明之目的，提出一種填充矽穿孔的方法。一介電層於該矽穿孔上形成。藉由CVD或ALD於該介電層上沉積一含鎢的阻障層。該矽穿孔被一導電材料填滿。
Description
本發明係關於一種在半導體晶圓上形成半導體元件的方法。更具體而言，本發明係關於形成穿孔金屬化。
含有矽(Si)穿孔的矽半導體被使用於許多科技中，從影像產品及記憶體到高速邏輯及高電壓裝置產品。一重度依賴穿過矽半導體晶圓而形成的矽穿孔(TSVs)之科技為三維(3D)積體電路(IC)。3D ICs係藉由堆疊減薄的半導體晶圓晶片並以矽穿孔(TSVs)將其互相連接而創造。
為達成上述及符合本發明之目的，提出一種填充矽穿孔的方法。於該矽穿孔上形成一介電層。藉由CVD或ALD於該介電層上沉積一含鎢的阻障層。以導電材料填滿該矽穿孔。
在本發明的另一表現形式，提出一種藉由一方法而形成的在矽穿孔中有導電填充物之半導體結構。於矽穿孔上沉積一介電層。藉由CVD或ALD於該介電層上沉積一含鎢的阻障層。以導電材料填滿該矽穿孔。
在本發明的另一表現形式，提出一種半導體結構。一矽基板，具有被蝕刻進該矽基板內的矽穿孔特徵部。一介電層，位於矽穿孔特徵部上。一含鎢的阻障層，位於該介電層上。一導電填充物，位於矽穿孔特徵部內。
本發明之這些與其他特徵將會於以下本發明的實施方式中配合下述圖表被詳細描述。
104‧‧‧設置矽穿孔
108‧‧‧於孔上形成介電層
112‧‧‧於矽氧化物層上形成阻障層
114‧‧‧形成中介黏著過渡層
116‧‧‧填孔
200‧‧‧堆疊
204‧‧‧基板
208‧‧‧矽穿孔
212‧‧‧矽氧化物層
216‧‧‧阻障層
220‧‧‧中介黏著過渡層
224‧‧‧銅或銅合金
304‧‧‧形成氮化鎢阻障層
308‧‧‧使用CVD形成鎢種子層
312‧‧‧使用ELD形成合金
316‧‧‧使用ELD形成合金
320‧‧‧使用ECP形成種子
324‧‧‧使用ECP填孔
328‧‧‧使用ECP形成種子
330‧‧‧使用ELD形成種子
332‧‧‧使用ECP填孔
336‧‧‧使用ECP填孔
本發明在隨附圖式中係以舉例的方式說明，而非限制的方式，且其中相似的元件符號代表類似元件，及其中：圖1為本發明一實施例之一流程圖。
圖2A-E為使用本發明的製程之結構的形成的示意圖。
圖3為繪示本發明不同實施例之一流程圖。
現在將參照一些較佳實施例與所附圖式詳細說明本發明的內容。為提供對本發明周密的了解，接下來的敘述中將提出許多特定的細節。然而，顯而易見的，對於熟悉本技藝者來說，本發明可被實行而無須其中部分或全部特定細節。在其他情況下，為了不對本發明造成不必要地混淆，眾所周知的程序步驟與/或結構則沒有被詳述。
圖1為本發明的一實施例之高階流程圖。設置矽穿孔(步驟104)。於矽穿孔上形成介電(通常為矽氧化物或矽氧化物基)層(步驟108)。於介電層上形成阻障層(步驟112)。於阻障層上形成中介黏著過渡層(步驟114)。填滿矽穿孔(步驟116)。
在本發明的一較佳實施例中，基板中的矽穿孔被設置(步驟104)。圖2A為一具有基板204、及矽穿孔208的堆疊200之橫剖面示意圖。矽穿孔208可能完全穿透矽基板204或部分穿透矽基板204。正常而言，若矽穿孔未完全穿透矽基板204，一後續處理被提供以移除矽穿孔208沒有穿透的矽基板的部分，俾使矽穿孔208穿透剩餘的基板。較佳地，矽穿孔具有一少於15μm的寬度。更佳地，矽穿孔具有一大於8：1之深寬比。較佳地，矽穿孔具有一大於20μm的深度。
介電層於矽穿孔上形成(步驟108)。圖2B為堆疊200在矽氧化物層212於矽穿孔208上形成後的橫剖面示意圖。矽氧化物係最普遍使用的介電質，可經由化學氣相沉積法(CVD)或原子層沈積法(ALD)製程而沉積，或在氧化性大氣中由Si熱生長而得到。
阻障層於矽氧化層上形成(步驟112)。圖2C為堆疊200在阻障層216於矽氧化層212上形成後的橫剖面示意圖。較佳地，阻障層含有鎢氮化物、TiN、TiW、TiSN、WSiN、或RuTiN其中至少一者。更佳地，阻
障層含有大於10%(重量百分比)的鎢。阻障層亦可經由物理氣相沉積法(PVD)、CVD、或ALD製程而沉積，然而後二者較佳，因為其可提供該層較高的保角性，因此CVD及ALD即使在非常高深寬比的孔中(>17：1)亦能提供鍍層。
中介黏著過渡層於阻障層上形成(步驟114)。較佳地，中介黏著過渡層係藉由無電式沉積(ELD,Electroless Deposition)、ALD、或CVD製程形成。更佳地，中介黏著過渡層係由鎳、鈷、鈀、或其組合所構成，或為鎳、鈷、或鈀之合金。在此例中，中介黏著過渡層係鎳或鎳合金，其厚度為50Å至5000Å，且更佳地100Å至500Å。一使用ELD以設置中介黏著過渡層的配方的範例如下：清潔鎢氮化物(WN，其中鎢氮化物為鎢及氮組成的材料，其中鎢對氮的比例可為許多不同比例其中一者)表面(若需要)；以去離子水(DI,Deionized water)清洗表面；對表面施加活化溶液以使表面催化活性化；以去離子水、含有酸或錯合劑之溶液清洗活性化的表面；進一步以去離子水清洗表面(若活性化後使用非去離子水清洗)；將鎳或鎳合金無電鍍於活性化的表面。該配方可包含在每一處理步驟後可選性的旋轉去除(spin-off)及/或乾燥步驟。圖2D為堆疊200在中介黏著過渡層220於阻障層216上形成後的橫剖面示意圖。在另一實施例中，中介黏著過渡層可為鎢矽化物(WSix，其中x等於1或2)及鈦鎢(WTix)。
圖3為使矽穿孔金屬化的不同方法之圖式。在此實施例中，於鎢氮化物阻障層形成(步驟304)後，一合金種子層藉由ELD製程而沉積(步驟312)。該ELD溶液具有一介於4.0至12.5間的pH值且介於7.5與10.5之間更佳。該沉積在介於室溫至95℃之間的溫度完成且介於65℃至85℃之間更佳。該溶液包含：至少一或更多金屬化合物(例如但不限制於金屬的氯化物或硫酸鹽)；亦可作為錯合劑的pH調節劑；若需要的話，額外的錯合劑；及一或更多還原劑。該無電鍍溶液亦可包含其他添加劑，例如介面活性劑、安定劑、應力消除劑，等。使用電鍍銅製程(ECP，Electroplating Copper Process)將矽穿孔填滿(步驟324)。該用於填孔的電鍍銅或銅合金溶液為酸性，且操作在介於15℃至90℃之間的溫度，且介於20℃至45℃之間更佳。該溶液包含：至少一或更多金屬化合物(例如但不限制於金屬的氯化物或硫酸鹽)；pH調節劑；及來自抑制劑、加速劑、平整劑群組，為了提供由下而上
的填充所需要的添加劑。圖2E為堆疊200在矽穿孔被ECP製程以銅或銅合金224填滿後的橫剖面示意圖。在此實施例中，矽穿孔208外面的銅或銅合金224具有一少於200Å的厚度。可用平坦化處理使堆疊200平坦化以移除在矽穿孔208上方的銅或銅合金224、中介黏著過渡層220、阻障層216、及矽氧化物層212。
如圖3中顯示，於形成鎢氮化物阻障層(步驟304)後，可使用其他製程以使矽穿孔金屬化。例如，可使用CVD製程(步驟308)形成鎢種子層，隨後進行ELD金屬或金屬合金層(步驟316)或電鍍銅或銅合金製程(ECP)種子沉積(步驟320)其中一者。金屬或金屬合金層的ELD(步驟316)後會進行電鍍銅或銅合金種子沉積(步驟328)，而隨後進行電鍍銅或銅合金填孔(步驟336)。在另一方案中，該金屬或金屬合金層的ELD(步驟316)後可進行ELD種子層沉積(步驟330)，而隨後進行電鍍銅或銅合金填孔(步驟336)。該ECP種子沉積(步驟320)後會進行電鍍銅填充(步驟332)。在另一實施例中，Ni合金的ELD(步驟312)後可進行銅或銅合金種子的ECP種子沉積(步驟320)，隨後進行電鍍銅或銅合金填充(步驟332)
鎢氮化物阻障層的使用提供了較低成本之阻障層，在其上可進行附著力良好的直接金屬沉積。在此例中，純鎳或鎳合金種子層可直接沉積於WN阻障層上。
矽及矽氧化物分別具有一約為4ppm/℃與少於1ppm/℃之熱膨脹係數。銅具有一約為17ppm/℃之熱膨脹係數。鎢及鎢氮化物分別具有一約為4.5ppm/℃與5.8ppm/℃之熱膨脹係數。鎳與鎳合金具有一為10-13ppm/℃之熱膨脹係數。假如相鄰的材料層的在熱膨脹係數之間有很大的差別，會於層的溫度改變時增加層間的應力。藉由在阻障層與銅填充物224之間設置ELD鎳或鎳合金種子層220，減少熱膨脹造成的應力。另外，鎳對鎢、鎢氮化物、及銅具有良好附著力。
在其他實施例中，阻障層含有W、Ti、Ta、N、Si、O、或C其中一或更多者的組合。在其他實施例中，中介黏著過渡層含有以下一或更多者的組合：W、Co、Ru、N、Pd、或具有可還原的氧化物(鈷、釕，等)、催化活性(鈷、釕、鈀，等)、或低阻抗(<20 mircro Ohms cm)之任何過渡金屬/金屬合金。
本發明之實施例使以減少的成本填充矽穿孔成為可能。具體而言，本發明的一些實施例可提供較習知的TSV金屬化製程超過50%的成本減少。另外，許多實施例可提供均勻的阻障層，即使在TSV的深寬比為20：1或更高的地方。
藉由以ALD及/或CVD及/或ELD及ECP製程取代習知的PVD阻障/種子金屬化製程，可以減少成本同時提供用於較小直徑與較高深寬比之矽穿孔的製程。這是因為CVD及ELD製程之的保角性較佳，且對深寬比較不敏感。本發明之實施例亦藉由將場厚度減少至低於1μm，降低例如化學式機械研磨法(CMP)之平坦化的成本。
在另一實施例中，使用無電製程形成一由Ni、Co或Pd組成的第一中介黏著過渡層。隨即使用無電製程形成一含銅之第二中介黏著過渡層。
本發明的其他實施例可提供額外的襯墊層、阻障層、或種子層。實施例可使用Co或Ni合金之ELD阻障層，其中該合金成分較佳包含Co、Ni、Fe、W、Mo、P、B、Re、Mn、Cr、Ge、Sn、In、Ga、或Cu。本發明的實施例使用包含Co、Ni、或Cu合金的無電式襯墊層或種子層，其中該合金成分較佳包含Co、Ni、Fe、W、Mo、P、B、Re、Mn、Cr、Ge、Sn、In、或Ga。在其他實施例中，電鍍種子可能係在用於填充TSV結構的習知酸性電鍍溶液中具有低溶解性的金屬或金屬合金。例如，該種子可為銅或銅合金，但不限制於CuNi、CuCo、CuMn、CuSn、及CuAg，而是可為其他金屬合金組合，例如Ni、NiCo、Pd、Ru，等。這使電鍍層可以與電鍍種子幾乎一樣。
雖然本發明已就數個較佳實施例加以描述，仍有屬於本發明的範圍內之修改、變化、及同等替代物。也應注意本發明之方法及裝置有許多替代的實行方式。因此，以下隨附申請專利範圍應被理解為包含所有屬於本發明的精神及範圍內之修改、變化、及同等替代物。
104‧‧‧設置矽穿孔
108‧‧‧於孔上形成介電層
112‧‧‧於矽氧化物層上形成阻障層
114‧‧‧形成中介黏著過渡層
116‧‧‧填孔
Claims (44)
- 一種填充複數矽穿孔的方法，包含：於該等矽穿孔上沉積一介電層；藉由CVD或ALD於該介電層上沉積一含鎢的阻障層；及以一導電材料填充該等矽穿孔。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，更包含鎳、鈷、鈀、或含有一或更多該等元素之合金的CVD、ELD、ECP、或ALD，於該阻障層上形成一中介黏著過渡層。
- 如申請專利範圍第2項之填充複數矽穿孔的方法，其中該填充該等矽穿孔使用一無電沉積製程。
- 如申請專利範圍第3項之填充複數矽穿孔的方法，其中該阻障層係鎢氮化物。
- 如申請專利範圍第3項之填充複數矽穿孔的方法，其中該介電層係一矽氧化物基的材料。
- 如申請專利範圍第5項之填充複數矽穿孔的方法，其中該導電材料係一銅或銅合金。
- 如申請專利範圍第6項之填充複數矽穿孔的方法，更包含將部分的該導電材料、阻障層、及種子層平坦化。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該阻障層係鎢氮化物且其中該填充該等矽穿孔，包含：使用無電沉積以於該鎢氮化物阻障層上沉積一鎳或鎳合金種子層；及使用電鍍以一銅或銅合金填充該等矽穿孔。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該阻障層係鎢氮化物且其中該填充該等矽穿孔，包含：使用無電沉積以於該鎢氮化物阻障層上沉積一鎳或鎳合金層；使用電鍍以於該鎳或鎳合金層上沉積一種子層；及使用電鍍以一銅或銅合金填充該等矽穿孔。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該阻障層係鎢氮化物且其中該填充該等矽穿孔，包含： 使用CVD或ALD於該鎢氮化物阻障層上沉積一鎢或其他含鎢的層例如鎢矽化物或鈦鎢層；使用電鍍於該鎢層上沉積一種子層；及使用電鍍以一導電材料填充該等矽穿孔。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該阻障層係鎢氮化物且其中該填充該等矽穿孔，包含：使用CVD或ALD於該鎢氮化物阻障層上沉積一鎢層；使用ELD於該鎢層上沉積一合金層；使用電鍍於該ELD層上沉積一種子層；及使用電鍍以一導電材料填充該等矽穿孔。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該填充該等矽穿孔，包含使用電鍍以一銅或銅合金填充該等矽穿孔。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該填充該等矽穿孔使用一無電沉積製程。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該阻障層係鎢氮化物。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該導電材料係一銅或銅合金。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該等矽穿孔具有一至少20μm之深度。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，其中該介電層係一矽氧化物基的材料。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，更包含將部分的該導電材料、阻障層、及種子層平坦化。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，更包含鎳或鎳合金之CVD、ELD、ECP、或ALD，於該阻障層上形成一中介黏著過渡層。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，更包含：鎳、鈷、鈀、或含有一或更多該些元素之合金的CVD、ELD、ECP、或ALD，於該阻障層上形成一中介黏著過渡層，其中該填充該等矽穿孔使用一電解鍍銅製程。
- 如申請專利範圍第1項之填充複數矽穿孔的方法，更包含：藉由CVD、ELD、或ALD於該阻障層上形成由Ni、Co、或Pd、或含有一或更多該些元素之合金所組成的一第一中介黏著過渡層；及藉由CVD、ELD、或ALD於該第一中介黏著過渡層上形成由銅或銅合金所組成的一第二中介黏著過渡層。
- 一種藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，該方法包含：於該等矽穿孔上沉積一介電層；藉由CVD或ALD於該介電層上沉積一含鎢的阻障層；及以一導電材料填充該等矽穿孔。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，更包含鎳、鈷、鈀、或該等的組合或合金之CVD、ELD、ECP、或ALD，於該阻障層上形成一中介黏著過渡層。
- 如申請專利範圍第23項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該填充該等矽穿孔使用一電解鍍銅製程。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該方法更包含於該阻障層上鎳或鎳合金的CVD、ELD、ECP、或ALD。
- 如申請專利範圍第25項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該填充該等矽穿孔使用一無電沉積製程。
- 如申請專利範圍第26項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該阻障層係鎢氮化物。
- 如申請專利範圍第27項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該介電層係一矽氧化物基的材料。
- 如申請專利範圍第28項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該導電材料係一銅或銅合金。
- 如申請專利範圍第29項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該方法更包含將部分的該導電材料、阻障層、及種子層平坦化。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電 填充物之半導體結構，其中該填充該等矽穿孔，包含使用電鍍以一銅或銅合金填充該等矽穿孔。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該填充該等矽穿孔使用一無電沉積製程。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該阻障層係鎢氮化物。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該導電材料係一銅或銅合金。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該等矽穿孔具有一至少20μm的深度。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該介電層係一矽氧化物基的材料。
- 如申請專利範圍第22項之藉由一方法形成的在複數矽穿孔中具有導電填充物之半導體結構，其中該方法更包含將部分的該導電材料、阻障層、及種子層平坦化。
- 一種半導體結構，包含：一矽基板，具有被蝕刻進該矽基板內的複數矽穿孔特徵部；一介電層，位於該等矽穿孔特徵部上；一含鎢的阻障層，位於該介電層上；及一導電填充物，位於該等孔特徵部內。
- 如申請專利範圍第38項之半導體結構，更包含在該阻障層與該導電填充物之間的一鎳或鎳合金層。
- 如申請專利範圍第39項之半導體結構，其中該阻障層係鎢氮化物。
- 如申請專利範圍第40項之半導體結構，其中該介電層係矽氧化物基的。
- 如申請專利範圍第41項之半導體結構，其中該導電填充物係一銅或銅合金。
- 如申請專利範圍第42項之半導體結構，其中該等矽穿孔具有一至少20μm的深度。
- 如申請專利範圍第38項之半導體結構，更包含在該阻障層與該導電填 充物之間的一含有鎳、鈷、鈀或其等的一組合或合金的中介黏著過渡層。
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