在矽通孔表面生長阻擋層與種子層的方法

2023-06-02 00:06:46

專利名稱：在矽通孔表面生長阻擋層與種子層的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種半導體技術領域的方法，具體是一種在矽通孔表面生長阻擋 層與種子層的方法。
背景技術：
微電子產業隨著摩爾定律的推演，朝著更小尺度和線寬極限逼近。伴隨著特徵尺 寸不斷下降，客觀上帶來了許多集成技術上的革新，其中基於通孔矽(TSV)垂直互連的疊 層封裝方式以其短距離互連和高密度集成的關鍵技術優勢引領3D封裝技術發展的潮流。三維堆疊封裝中用到的TSV技術為一系列的技術的集成，包括矽通孔刻蝕，絕緣 層通孔生長，阻擋層與種子層生長，矽通孔金屬填充(主要是Cu)等技術。其中，需要在絕緣 層和金屬Cu之間引入一層擴散阻擋層，防止Cu向矽中的擴散而形成複合中心，影響矽的半 導體性能，造成器件性能退化。阻擋層要求有良好的熱穩定性，與種子層和絕緣層有較強的 結合力。目前，阻擋層的研究主要集中在難熔金屬Ru，Ta, Ti及其氮化物TaN，TiN, WN以及 其三元化合物TaSiN，WNC等材料上。在現有的主流工藝體系中，通孔中的粘附/阻擋層通 過PVD、CVD為主的幹法工藝完成，種子層通過後續濺射或者先PVD沉積然後電鍍銅作為種 子層，這樣不僅工藝複雜而且成本昂貴，不利於降低成本。此外，用常規PVD方法沉積種子 層，臺階覆蓋性差，底部種子層厚度只有開口處的10 15%，導致底部和開口處電阻差異， 從而導致電鍍時沉積速率有區別。在電鍍填充時，底部銅離子耗儘速率比擴散速率快，因此 底部銅離子濃度比開口處銅離子濃度小(即存在濃度梯度)，導致底部電鍍速率比開口處 慢，容易形成空洞和裂縫。因此，僅用PVD沉積阻擋層和種子層，其臺階覆蓋性和膜的均勻 性難以保證。倘若能將阻擋層和種子層合二為一，或者結合溼法工藝，則可以縮短時間，簡 化工藝，節約成本。經過對現有技術的檢索發現，專利US2007006^18中提出了一種阻擋層/種子 層製作方法，該技術主要是是通過改進鍍液成分，調整電鍍條件，直接在銅擴散阻擋層 上用電鍍方法形成圖形覆蓋性好且連續的種子層，其厚度IOnm 20nm。所用阻擋層是 TaN(400nm)/Ta (IOnm)雙層薄膜，TaN通過反應磁控濺射獲得，Ta是磁控濺射的薄膜。但工 藝複雜，且對鍍液成分要求高、電鍍條件難以控制。美國專利US7633165 (公告日2009-12-15)中提出了矽通孔的修飾方法矽通孔 表面依次用CVD沉積鈍化層SiN或者SiON，厚度200nm 1500nm，濺射Ti，然後反應濺射 TiN，最後再濺射Cu。其中Ti可以用PVD或者ion metal plasma (IMP)技術沉積，TiN和Ti 的厚度50nm 120nm。此方法不能避免種子層臺階覆蓋性差的問題，電鍍填充後會在銅內 部產生空洞和裂縫，而且銅和TiN的結合力不是很好，種子層的均勻性難以保證。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種新型的在矽通孔表面生長阻擋層 與種子層的方法用幹法沉積Ti薄膜然後氧化Ti作為TSV中種子層。TiA具有良好的熱穩定性和導電性，且與Cu有較強的結合力。此外，Ti具有優良的阻擋性能，種子層由溼法 氧化Ti而獲得，保證了種子層的臺階覆蓋性，很好的解決了電鍍填充形成空洞的問題。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過對具有矽通孔的基片依次進行Ti 沉積和溼法氧化後得到具有阻擋層和種子層的矽通孔結構。所述的具有矽通孔的基片經過超聲清洗和烘乾，具體是採用丙酮在25kHz-68kHz 的超聲環境下進行清洗，去除表面有機物汙染，再進行兩次去離子水清洗以去除殘留丙酮， 然後進行烘乾。所述的烘乾的溫度為60°C _80°C，烘乾時間為10min-20min。所述的Ti沉積是指採用幹法薄膜沉積方式，在背景真空度低於2X10_4Pa，濺射 氣壓低於1. OPa的惰性氣體濺射氣氛下，以純Ti靶為濺射靶材，設置旋轉襯底，沉積厚度在 200nm-IOOOnm 之間。所述的幹法薄膜沉積方式是指磁控濺射、離子束濺射或脈衝雷射沉積。所述的溼法氧化是指將基片置於雙氧水和NaOH混合溶液中，置於30_50°C的水 浴中反應。所述的混合溶液通過以下方式製備得到將濃度為30wt%的H2O2溶液加入濃度為 10g/L-30g/L 的 NaOH 水溶液中。所述的洗淨烘乾是指將基片放入45°C去離子水中10分鐘，再用去離子水在 25kHz-68kHz的超聲中清洗，最後在80°C _100°C下烘乾10min_20min。本發明利用幹法沉積Ti並進行後續氧化處理將TVS阻擋層和種子層工藝合二為 一，與現有技術相比優點包括大大簡化了阻擋層和種子層的沉積工藝和成本，只需要一次 幹法濺射；製備的阻擋層和種子層結合力良好，與多步濺射或電鍍種子層相比有更好的界 面結合力和穩定性；製備的阻擋層和種子層厚度均勻，臺階覆蓋性好；製備的應用於TSV的 阻擋層和種子層技術，成本低，工藝流程簡單、低功耗、無汙染，有很強的市場應用前景。


圖1是深反應離子刻蝕出的帶有絕緣層的矽通孔剖面示意圖；圖2是沉積有阻擋層和種子層的矽通孔剖面示意圖；圖中1矽通孔襯底、2絕緣層、3阻擋層與種子層。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。實施例1用於TSV阻擋層和種子層的超薄薄膜的製備，具體包括以下步驟(1)將超聲清洗的用於TSV的矽通孔基片進行磁控濺射沉積Ti，沉積條件為背景 真空為2X 10_4pa，濺射靶材為純度99. 99%的Ti。(2)濺射氣氛為高純Ar，氣壓為lPa，基底旋轉以提高均勻性，旋轉速率為12rpm濺 射時間為100min，沉積速率2nm/min。
(3)將沉積好Ti的具有矽通孔的基片放置進行溼法氧化，NaOH濃度為20g/L，體 積為100ml，加入H2A的體積為anl，溫度30°C，時間為30min，清洗烘乾，溫度為80°C，時間 為 20min。上述製備的阻擋層厚度為200nm，氧化後所得種子層導電性能良好，具有較高的電 導率，能達到電鍍銅的要求，厚度均勻，臺階覆蓋性好。在SEM下氧化鈦表面為柱狀結構，有 利於Cu和種子層的結合。此外，經過450°C高溫熱退火後，Ti阻擋層仍能保持較好的阻擋 性能，在Ti和氧化矽界面處未檢測到銅的存在。實施例2離子束沉積並溼法氧化用於TSV阻擋層和種子層的超薄薄膜，具體包括以下步 驟(1)將超聲清洗的用於TSV的矽通孔基片進行離子束濺射沉積Ti，沉積條件為背 景真空為5X 10_4pa，濺射靶材為純度99. 99%的Ti。(2)濺射氣氛為高純Ar，工作氣壓為1. 9X 10_2Pa，基底旋轉以提高均勻性，旋轉速 率為12rpm濺射時間為120min，沉積速率5nm/min。(3)將沉積好Ti的具有矽通孔的基片放置進行溼法氧化，NaOH濃度為10g/L，體 積為100ml，加入H2A的體積為anl，溫度30°C，時間為30min，清洗烘乾，溫度為80°C，時間 為 20min。上述製備的阻擋層厚度為600nm，氧化後所得種子層導電性能良好，具有較高的電 導率，能達到電鍍銅的要求，厚度均勻，臺階覆蓋性好。在SEM下氧化鈦表面為柱狀結構，有 利於Cu和種子層的結合。此外，經過450°C高溫熱退火後，Ti阻擋層仍能保持較好的阻擋 性能，在Ti和氧化矽界面處未檢測到銅的存在。實施例3脈衝雷射沉積並溼法氧化用於TSV阻擋層和種子層的超薄薄膜，具體包括以下步 驟(1)將超聲清洗的用於TSV的矽通孔基片進行離子束濺射沉積Ti，沉積條件為背 景真空為1 X 10_4pa，濺射靶材為純度99. 99 %的Ti。(2) Si射所用雷射源為(KrF ex-cimer laser,wavelength 250nm，脈衝頻率5Hz)， 氣壓為0. OlPa，基底旋轉以提高均勻性，旋轉速率為12rpm，濺射時間為20min，沉積速率 10nm/mino(3)將沉積好Ti的具有矽通孔的基片放置進行溼法氧化，NaOH濃度為10g/L，體 積為100ml，加入H2A的體積為anl，溫度30°C，時間為30min，清洗烘乾，溫度為80°C，時間 為 20min。上述製備的阻擋層厚度為200nm，氧化後所得種子層導電性能良好，具有較高的電 導率，能達到電鍍銅的要求，厚度均勻，臺階覆蓋性好。在SEM下氧化鈦表面為柱狀結構，有 利於Cu和種子層的結合。此外，經過450°C高溫熱退火後，Ti阻擋層仍能保持較好的阻擋 性能，在Ti和氧化矽界面處未檢測到銅的存在。在上述三個實施例中，所述的矽片都是經過DRIE刻蝕出通孔的矽片，矽片的技術 參數、DRIE的刻蝕參數隨著TSV的技術指標變化而變化。
權利要求
1.一種在矽通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特徵在於，通過對具有矽通孔的 基片依次進行Ti沉積和溼法氧化後得到具有阻擋層和種子層的矽通孔結構。
2.根據權利要求1所述的在矽通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特徵是，所 述的Ti沉積是指採用幹法薄膜沉積方式，在背景真空度低於2X10_4Pa，濺射氣壓小於 等於1. OPa的惰性氣體濺射氣氛下，以純Ti靶為濺射靶材，設置旋轉襯底，沉積厚度在 200nm-IOOOnm 之間。
3.根據權利要求2所述的在矽通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特徵是，所述 的幹法薄膜沉積方式是指磁控濺射、離子束濺射或脈衝雷射沉積。
4.根據權利要求1所述的在矽通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特徵是，所述 的溼法氧化是指將基片置於雙氧水和NaOH混合溶液中，置於30-50°C的水浴中反應。
5.根據權利要求4所述的在矽通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特徵是，所述 的混合溶液通過以下方式製備得到將濃度為30wt%的H2A溶液加入濃度為10g/L-30g/L 的NaOH水溶液中。
全文摘要
一種半導體技術領域的一種在矽通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，通過對具有矽通孔的基片依次進行Ti沉積和溼法氧化後得到具有阻擋層和種子層的矽通孔結構。本發明利用了TiO2良好的穩定性和導電性能，不易起化學變化，且與Cu結合力較強的特性。製備得到的阻擋層厚度為200nm-1000nm，氧化後所得種子層導電性能良好，具有較高的電導率，厚度均勻，臺階覆蓋性好。在SEM下氧化鈦表面為柱狀結構，有利於Cu和種子層的結合。
文檔編號H01L21/768GK102148192SQ20101061315
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者丁桂甫, 嚴春平, 侯捷, 張叢春, 楊春生, 汪紅 申請人:上海交通大學