矽通孔填充結構以及矽通孔的填充方法

2023-06-28 17:15:51 2

矽通孔填充結構以及矽通孔的填充方法
【專利摘要】本發明揭示了一種矽通孔的填充方法，所述矽通孔的填充方法包括：提供半導體基底，所述半導體基底上具有矽通孔，所述半導體基底上覆蓋有一金屬層，所述金屬層填充所述矽通孔；對所述金屬層進行第一拋光；對所述金屬層進行第二拋光，以形成銅導線層，其中，所述第二拋光的底下壓力小於所述第一拋光的底下壓力。本發明的矽通孔的填充方法，分步對所述金屬層進行拋光，並減小所述第二拋光的底下壓力，可以減小對銅的研磨率，從而可以減少或消除矽通孔中的凹痕缺陷，從而提高器件的電學性能。
【專利說明】枯通孔填充結構w及枯通孔的填充方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體【技術領域】，特別是涉及一種娃通孔填充結構W及娃通孔的填充 方法。

【背景技術】
[0002] 隨著人們對電子產品的要求向小型化、多功能、環保型等方向的發展，人們努力尋 求將電子系統越做越小，集成度越來越高，功能越做越多。由此產生了許多新技術、新材料 和新設計，例如，疊層晶片封裝技術W及系統級封裝等技術就是該些技術的典型代表。前者 簡稱3D封裝技術，是指在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個封裝體內於垂直方向疊放 兩個W上晶片的封裝技術。
[0003] 在眾多的3D封裝技術中，娃通孔（T虹OU曲-Silicon Via,簡稱TSV)技術為現在研 究的熱點，TSV技術具有如下優勢；互連長度可W縮短到與晶片厚度相等，採用垂直堆疊的 邏輯模塊取代水平分布的邏輯模塊；顯著減小RC延遲和電感效應，提高數位訊號傳輸速度 和微波的傳輸；實現高密度、高深寬比的連接。
[0004] 在TSV的製作過程中，一般需要經歷刻蝕、等離子體增強化學氣相沉積、物理氣相 沉積、電鍛銅、化學機械研磨（CMP)和鍵合等多個複雜工藝步驟，往往會導致銅層與介質層 的分層。如圖1所示，由於銅層與介質層的熱不匹配性導致銅層與介質層之間產生內部應 力，從而使得產生圖1中框型區域所示的分層，從而影響TSV的導電能力。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在於，提供一種娃通孔填充結構W及娃通孔的填充方法，能夠提高 娃通孔中金屬與介質層的粘附性，從而提高娃通孔的導電能力。
[0006] 為解決上述技術問題，一種娃通孔填充結構，包括：
[0007] 半導體基底，所述半導體基底上具有娃通孔；
[0008] 第一金屬層，所述第一金屬層填充於所述娃通孔內，所述第一金屬層的厚度小於 所述娃通孔的半徑；
[0009] 塑性材料層，所述塑性材料層位於所述第一金屬層的側壁上；
[0010] 第二金屬層，所述第二金屬層填充於塑性材料層內。
[0011] 進一步的，在所述娃通孔填充結構中，所述半導體基底和第一金屬層之間還具有 第一金屬種子層。
[0012] 進一步的，在所述娃通孔填充結構中，所述塑性材料層和第二金屬層之間還具有 第二金屬種子層。
[0013] 進一步的，在所述娃通孔填充結構中，所述第一金屬層的厚度小於等於所述娃通 孔的半徑的四分之H。
[0014] 進一步的，在所述娃通孔填充結構中，所述娃通孔的半徑為1. Sum?4um，高度 為 30 y m ?70 y m。
[0015] 進一步的，在所述娃通孔填充結構中，所述塑性材料層的材料為苯並環下帰。
[001引進一步的，在所述娃通孔填充結構中，所述塑性材料層的厚度為4000 A?6000 A。
[0017] 根據本發明的另一面，本發明還提供一種娃通孔的填充方法，包括：
[0018] 提供半導體基底，所述半導體基底上具有娃通孔；
[0019] 在所述娃通孔中填充第一金屬層，所述第一金屬層的厚度小於所述娃通孔的半 徑；
[0020] 在所述第一金屬層的側壁上製備一塑性材料層；
[0021] 在所述塑性材料層內填充第二金屬層。
[0022] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，採用化學氣相沉積在所述塑性材料層內 填充第二金屬層。
[0023] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，在進行化學氣相沉積在所述塑性材料層 內填充第二金屬層時，將所述半導體基底放入所述化學氣相沉積的反應腔中，在40(TC下放 置2min?lOmin後，再進行沉積工藝。
[0024] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，採用物理氣相沉積在所述塑性材料層內 填充第二金屬層。
[00巧]進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，在所述第一金屬層的側壁上製備一塑性 材料層的步驟和在所述塑性材料層內填充第二金屬層的步驟之間，還包括；在所述娃通孔 中填充第二金屬種子層。
[0026] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，所述物理氣相沉積的交流偏壓小於等於 300W。
[0027] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，所述提供半導體基底的步驟和在所述娃 通孔中填充第一金屬層的步驟之間，在所述娃通孔中填充第一金屬種子層。
[0028] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，採用電鍛銅工藝在所述娃通孔中填充第 一金屬層，其中，所述電鍛銅工藝的加速劑的含量為0. 5mL/L?1. 5mL/L，抑制劑的含量為 4mL/L ?7mL/L。
[0029] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，在所述第一金屬層的側壁上製備一塑性 材料層的步驟包括：
[0030] 在所述娃通孔中填充一塑性材料膜；
[0031] 刻蝕所述娃通孔的外部W及所述娃通孔的底部的所述塑性材料膜，W在所述第一 金屬層的側壁上形成所述塑性材料層。
[0032] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，所述塑性材料層的材料為苯並環下帰。
[0033] 進一步的，在所述娃通孔的填充方法中，採用化學氣相沉積在所述娃通孔中填充 所述塑性材料膜，所述苯並環下帰的分子量為350g/mol?420g/mol，氣化溫度為13CTC? 17(TC，所述化學氣相沉積的載氣為氮氣，所述苯並環了帰的流量為0. Olg/min?0. 03g/ min,所述氮氣的流量為SOOsccm?eOOsccm，所述半導體基底的溫度為30(TC -50(TC。
[0034] 與現有技術相比，本發明提供的娃通孔填充結構W及娃通孔的填充方法具有W下 優點；在所述娃通孔填充結構中，所述第一金屬層和所述第二金屬層之間的側壁上具有一 塑性材料層，與現有技術相比，所述塑性材料層的材料具有塑性變形能力，可W同時吸收所 述第一金屬層和所述第二金屬層的應力，從而在保證所述娃通孔導電能力的同時，提高娃 通孔中所述第一金屬層(金屬）與半導體襯底(介質層）的粘附性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[00巧]圖1為現有技術中娃通孔中的銅層與介質層之間分層的示意圖；
[0036] 圖2為本發明一實施例中娃通孔填充結構的剖視圖；
[0037] 圖3為本發明一實施例中娃通孔填充結構的俯視圖；
[003引圖4為本發明一實施例中娃通孔的填充方法的流程圖；
[0039] 圖5-圖10為本發明一實施例中娃通孔的填充方法的中器件結構的剖視圖。

【具體實施方式】
[0040] 下面將結合示意圖對本發明的娃通孔填充結構W及娃通孔的填充方法進行更詳 細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可W修改在此描述 的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對於本領域技術人 員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制。
[0041] 為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細描述公知的功能 和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開 發中，必須做出大量實施細節W實現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的 限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為該種開發工作可能是複雜和耗費 時間的，但是對於本領域技術人員來說僅僅是常規工作。
[0042] 在下列段落中參照附圖W舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和權利要 求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非 精準的比例，僅用W方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[0043] 本發明的核也思想在於，提供一種娃通孔填充結構，包括：半導體基底，所述半導 體基底上具有娃通孔；第一金屬層，所述第一金屬層填充於所述娃通孔內，所述第一金屬層 的厚度小於所述娃通孔的半徑；塑性材料層，所述塑性材料層位於所述第一金屬層的側壁 上；第二金屬層，所述第二金屬層填充於塑性材料層內。所述塑性材料層的材料具有塑性變 形能力，可W同時吸收所述第一金屬層和所述第二金屬層的應力，從而在保證所述娃通孔 導電能力的同時，提高娃通孔中所述第一金屬層(金屬）與半導體襯底(介質層）的粘附性。
[0044] 結合上述核也思想，本發明提供的娃通孔的填充方法，包括：
[0045] 步驟S11，提供半導體基底，所述半導體基底上具有娃通孔；
[0046] 步驟S12,在所述娃通孔中填充第一金屬層，所述第一金屬層的厚度小於所述娃通 孔的半徑；
[0047] 步驟S13,在所述第一金屬層的側壁上製備一塑性材料層；
[0048] 步驟S14,在所述塑性材料層內填充第二金屬層。
[0049] W下結合圖2和圖3具體說明本發明的娃通孔填充結構，其中，圖2為本發明一實 施例中娃通孔填充結構的剖視圖，圖3為本發明一實施例中娃通孔填充結構的俯視圖。
[0050] 如圖2所示，所述娃通孔填充結構包括：半導體基底100、第一金屬層200、塑性材 料層300和第二金屬層400。所述塑性材料層300位於所述第一金屬層200和所述第二金 屬層400之間的側壁上，所述塑性材料層300的材料具有塑性變形能力，可W同時吸收所述 第一金屬層200和所述第二金屬層400的應力，從而在保證所述娃通孔110導電能力的同 時，提高娃通孔110中所述第一金屬層200 (金屬）與半導體襯底100 (介質層）的粘附性。
[0051] 所述半導體基底100上具有娃通孔110,較佳的，所述娃通孔110的半徑為 1. 5 y m?4 y m，高度為30 y m?70 y m，但所述娃通孔110的尺寸並不限於尺寸。所述半導 體基底100的材料不做具體的限制，一般所述半導體基底100的材料可W為娃或氧化娃，當 所述半導體基底100的材料為娃時，所述娃通孔110的內側可W沉積一層氧化娃層，此為本 領域的公知常識，在此不作費述。較佳的，所述半導體基底100和所述第一金屬層200之間 還具有第一金屬種子層，W提高所述第一金屬層200的填充能力，此為本領域的公知常識， 在圖2中未具體示出。
[0052] 所述第一金屬層200填充於所述娃通孔110內，所述第一金屬層110的厚度小於 所述娃通孔200的半徑。較佳的，所述第一金屬層110的厚度小於等於所述娃通孔110的 半徑的四分之H，W方便填充所述塑性材料層300,優選所述第一金屬層110的厚度為所述 娃通孔110的半徑的四分之一、二分之一等。在本實施例中，所述第一金屬層200的材料為 金屬銅，但所述第一金屬層200的材料並不限於為金屬銅。
[0053] 所述塑性材料層300位於所述第一金屬層300的側壁上，所述塑性材料層300在 所述第一金屬層300的側壁上形成一個環，如圖3所示，可W充分吸收所述第一金屬層200 和所述第二金屬層400的應力。所述塑性材料，300的材料為苯並環下帰（BCB)，苯並環下 帰具有較好的塑性變形能力，並與金屬具有較好的粘附性，但所述塑性材料300的材料並 不限於為苯並環下帰，只要具有較好的塑性變形能力的材料，亦在本發明的思想範圍之內。 較佳的，所述塑性材料層300的厚度為4000 A?6000 A，可W較好地吸收所述第一金屬層 200和所述第二金屬層400的應力。
[0054] 所述第二金屬層400填充於塑性材料層300內，較佳的，所述塑性材料層300和第 二金屬層400之間還具有第二金屬種子層，W提高所述第二金屬層400的填充能力，此為本 領域的公知常識，在圖2中未具體示出。
[0055] W下請結合圖4 W及圖5-圖10,具體說明本發明的娃通孔的填充方法。其中，圖 4為本發明一實施例中娃通孔的填充方法的流程圖，圖5-圖10為本發明一實施例中娃通孔 的填充方法的中器件結構的剖視圖。
[0056] 首先，如圖4所示，進行步驟S11，提供半導體基底100,所述半導體基底100上具 有娃通孔110,如圖5所示。
[0057] 由於本實施例中還具有所述第一金屬種子層，所W在步驟S11和步驟S12之間，在 所述娃通孔110中填充所述第一金屬種子層。
[0058] 然後，進行步驟S12,在所述娃通孔110中填充第一金屬層200,如圖6所示。較佳 的，採用電鍛銅工藝（ECP)在所述娃通孔110中填充第一金屬層200,其中，所述電鍛銅工藝 的加速劑的含量為0. 5mL/L?1. 5mL/L，抑制劑的含量為4mL/L?7mL/L，可W很好地保證 所述第一金屬層200的填充量。
[0059] 接著，進行步驟S13,在所述第一金屬層200的側壁上製備一塑性材料層300。較 佳的，步驟S13包括W下分步：
[0060] 第一分步；在所述娃通孔110中填充一塑性材料膜300a，如圖7所示。由於在 本實施例中，所述塑性材料層300的材料為苯並環下帰，所W，較佳的採用化學氣相沉積 在所述娃通孔110中填充所述塑性材料膜300a，所述苯並環下帰的分子量優選為350g/ mol?420g/mol，氣化溫度優選為13(TC?17(TC，所述化學氣相沉積的載氣優選為氮氣，所 述苯並環了帰的流量優選為0. Olg/min?0. 03g/min，所述氮氣的流量優選為300sccm? eOOsccm，所述半導體基底100的溫度優選為30(TC -50(TC。但所述化學氣相沉積的工藝參 數並不限於上述數據。
[0061] 第二分步：刻蝕所述娃通孔110的外部W及所述娃通孔110的底部的所述塑性材 料膜300a，W在所述第一金屬層200的側壁上形成所述塑性材料層300,如圖8所示。
[0062] 最後，進行步驟S14,在所述塑性材料層300內填充第二金屬層400,如圖9所示。 其中，可W採用化學氣相沉積或物理氣相沉積在塑性材料層300內填充第二金屬層400。
[0063] 較佳的，在進行化學氣相沉積在塑性材料層300內填充第二金屬層400時，先將所 述半導體基底100放入所述化學氣相沉積的反應腔中，在40(TC下放置2min?lOmin後，再 進行所述第二金屬層400沉積工藝，可W使ECP後的所述第一金屬層200得到充分的退火， 使所述第一金屬層200的銅的晶相可W轉變的更為接近化學氣相沉積製備的銅的晶相，確 保所述第二金屬層400和所述第一金屬層200可W較好的結合，使得所述第二金屬層400 可W將所述塑性材料層300內的空隙填滿。
[0064] 當採用物理氣相沉積在所述塑性材料層300內填充第二金屬層400時，可W在步 驟13和步驟14之間，在所述娃通孔110中填充第二金屬種子層，確保所述第二金屬層400 和所述第一金屬層200 W及所述塑性材料層300可W較好的結合，使得所述第二金屬層400 可W將所述塑性材料層300內的空隙填滿。較佳的，所述物理氣相沉積的交流偏壓小於等 於300W，W防止物理氣相沉積對側壁的所述塑性材料層300產生過大的sputter (噴姍)效 果。
[006引在步驟S14之後，還可W進行一步拋光步驟，W形成圖10所示的結構。
[0066] 綜上所述，本發明提供一種娃通孔填充結構W及娃通孔的填充方法，所述娃通孔 填充結構包括：半導體基底，所述半導體基底上具有娃通孔；第一金屬層，所述第一金屬層 填充於所述娃通孔內，所述第一金屬層的厚度小於所述娃通孔的半徑；塑性材料層，所述塑 性材料層位於所述第一金屬層的側壁上；第二金屬層，所述第二金屬層填充於塑性材料層 內。
[0067] 與現有技術相比，本發明提供的娃通孔填充結構W及娃通孔的填充方法具有W下 優點：所述塑性材料層的材料具有塑性變形能力，可W同時吸收所述第一金屬層和所述第 二金屬層的應力，從而在保證所述娃通孔導電能力的同時，提高娃通孔中所述第一金屬層 (金屬）與半導體襯底(介質層）的粘附性。
[0068] 顯然，本領域的技術人員可W對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精 神和範圍。該樣，倘若本發明的該些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍 之內，則本發明也意圖包含該些改動和變型在內。
【權利要求】
1. 一種矽通孔填充結構，包括： 半導體基底，所述半導體基底上具有矽通孔； 第一金屬層，所述第一金屬層填充於所述娃通孔內，所述第一金屬層的厚度小於所述 矽通孔的半徑； 塑性材料層，所述塑性材料層位於所述第一金屬層的側壁上； 第二金屬層，所述第二金屬層填充於塑性材料層內。
2. 如權利要求1所述的矽通孔填充結構，其特徵在於，所述半導體基底和第一金屬層 之間還具有第一金屬種子層。
3. 如權利要求1所述的矽通孔填充結構，其特徵在於，所述塑性材料層和第二金屬層 之間還具有第二金屬種子層。
4. 如權利要求1所述的矽通孔填充結構，其特徵在於，所述第一金屬層的厚度小於等 於所述矽通孔的半徑的四分之三。
5. 如權利要求1所述的矽通孔填充結構，其特徵在於，所述矽通孔的半徑為1. 5μπι? 4μm，1?]-- 30μm~ 70μm。
6. 如權利要求I所述的矽通孔填充結構，其特徵在於，所述塑性材料層的材料為苯並 環丁烯。
7. 如權利要求1所述的矽通孔填充結構，其特徵在於，所述塑性材料層的厚度為 4000人?6000人。
8. -種矽通孔的填充方法，包括： 提供半導體基底，所述半導體基底上具有矽通孔； 在所述矽通孔中填充第一金屬層，所述第一金屬層的厚度小於所述矽通孔的半徑； 在所述第一金屬層的側壁上製備一塑性材料層； 在所述塑性材料層內填充第二金屬層。
9. 如權利要求8所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，採用化學氣相沉積在所述塑 性材料層內填充第二金屬層。
10. 如權利要求9所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，在進行化學氣相沉積在所述 塑性材料層內填充第二金屬層時，將所述半導體基底放入所述化學氣相沉積的反應腔中， 在400°C下放置2min?IOmin後，再進行沉積工藝。
11. 如權利要求8所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，採用物理氣相沉積在所述塑 性材料層內填充第二金屬層。
12. 如權利要求11所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，在所述第一金屬層的側壁 上製備一塑性材料層的步驟和在所述塑性材料層內填充第二金屬層的步驟之間，還包括： 在所述矽通孔中填充第二金屬種子層。
13. 如權利要求11所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，所述物理氣相沉積的交流 偏壓小於等於300W。
14. 如權利要求8-13中任意一項所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，所述提供半 導體基底的步驟和在所述矽通孔中填充第一金屬層的步驟之間，在所述矽通孔中填充第一 金屬種子層。
15. 如權利要求8-13中任意一項所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，採用電鍍 銅工藝在所述矽通孔中填充第一金屬層，其中，所述電鍍銅工藝的加速劑的含量為〇. 5mL/ L?I. 5mL/L，抑制劑的含量為4mL/L?7mL/L。
16. 如權利要求8-13中任意一項所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，在所述第一 金屬層的側壁上製備一塑性材料層的步驟包括： 在所述矽通孔中填充一塑性材料膜； 刻蝕所述矽通孔的外部以及所述矽通孔的底部的所述塑性材料膜，以在所述第一金屬 層的側壁上形成所述塑性材料層。
17. 如權利要求16所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，所述塑性材料層的材料為 苯並環丁烯。
18. 如權利要求17所述的矽通孔的填充方法，其特徵在於，採用化學氣相沉積在所述 娃通孔中填充所述塑性材料膜，所述苯並環丁烯的分子量為350g/mol?420g/mol，氣化 溫度為130°C?170°C，所述化學氣相沉積的載氣為氦氣，所述苯並環丁烯的流量為0.Olg/ min?0. 03g/min，所述氦氣的流量為300sccm?600sccm，所述半導體基底的溫度為 300。。-500。。。
【文檔編號】H01L21/768GK104465563SQ201310438705
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】李廣寧, 沈哲敏 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司