用於穿過低k布線層來圖案化穿板通孔的低k介電保護分隔物的製作方法
2023-04-22 17:26:31 1
用於穿過低k布線層來圖案化穿板通孔的低k介電保護分隔物的製作方法
【專利摘要】一種用於穿過低K值布線層(130)來圖案化穿板通孔(TSV)的低K值介電保護分隔物。一種用於形成低K值介電保護分隔物(820)的方法包括穿過低K值介電互連層(130)來蝕刻通孔開口。保護層被沉積在該通孔開口中以及該低K值介電互連層上。從該通孔開口的底部並從該低K值介電互連層的水平表面蝕刻該保護層的至少一部分。該蝕刻在該通孔開口的側壁上留下保護性側壁分隔物(820)。穿過通孔開口的底部並穿過半導體基板來蝕刻穿板通孔。該穿板通孔用導電材料(890)來填充。
【專利說明】用於穿過低K布線層來圖案化穿板通孔的低K介電保護分隔物
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年11月9日由RAMACHANDRAN等人提交的美國臨時專利申請N0.61/557，842 的權益。
【技術領域】
[0003]本公開一般涉及集成電路(IC)。更具體地，本公開涉及用於穿過低K布線層來圖案化穿板通孔(TSV)的低K介電保護分隔物。
【背景技術】
[0004]TSV (穿板通孔(也稱為矽通孔))可通過蝕穿基板(諸如矽基板、藍寶石基板或其他類型的基板)來創建。蝕刻還穿透基板頂上的材料，諸如低K MD(金屬間電介質)層以及導電(例如，金屬)層。
[0005]在蝕穿低K MD時，蝕刻化學物與低K MD層之間的相互作用可造成與TSV的低K界面的電和機械降級。蝕刻工藝可造成IMD側壁的顯著鋸齒以及造成對低K側壁材料的損壞。這可以在蝕穿多個低K互連層的最終TSV中看到(參見下文詳細討論的圖3)。
[0006]TSV因而使互連膜降級，並且結果所得的非理想TSV剖面可導致後續TSV製造步驟(包括內襯沉積和填充)中的困難，以及降低TSV成品率和完整性。常規情況下，與蝕刻損壞和側壁粗糙度有關的問題是通過改進內襯隔離和TSV填充工藝來克服的。
[0007]概述
[0008]根據本公開的一個方面，描述了用於穿過低K值布線層來圖案化穿板通孔(TSV)的低K介電保護分隔物。一種用於形成低K值介電保護分隔物的方法包括穿過低K值介電互連層來蝕刻通孔開口。保護層被沉積在該通孔開口中和該低K值介電互連層上。從該通孔開口的底部並從該低K值介電互連層的水平表面蝕刻該保護層的至少一部分。該蝕刻在通孔開口的側壁上留下保護性側壁分隔物。穿過通孔開口的底部並穿過半導體基板來蝕刻穿板通孔。穿板通孔用導電材料來填充。
[0009]在本公開的另一方面，描述了包括低K值介電保護分隔物的半導體管芯。該半導體管芯包括半導體基板。該半導體基板包括該半導體基板的表面上的低K值介電互連層。該半導體管芯還包括至少一個穿板通孔。在一種配置中，穿板通孔延伸穿過低K值介電互連層和半導體基板。該半導體管芯還包括穿板通孔與低K值介電互連層之間的保護性分隔物。
[0010]在本公開的另一方面，一種半導體管芯包括用於保護低K值介電互連層的裝置。該半導體管芯包括半導體基板。半導體基板包括該半導體基板的表面上的低K值介電互連層。該半導體管芯還包括至少一個穿板通孔。在一種配置中，穿板通孔延伸穿過低K值介電互連層和半導體基板。該半導體管芯還包括置於穿板通孔與低K值介電互連層之間的用於保護低K值介電互連層的裝置。[0011]這已較寬泛地勾勒出本公開的特徵和技術優勢以力圖使下面的詳細描述可以被更好地理解。本公開的其他特徵和優點將在下文描述。本領域技術人員應該領會，本公開可容易地被用作改動或設計用於實施與本公開相同的目的的其他結構的基礎。本領域技術人員還應認識到，這樣的等效構造並不脫離所附權利要求中所闡述的本公開的教導。被認為是本公開的特性的新穎特徵在其組織和操作方法兩方面連同進一步的目的和優點在結合附圖來考慮以下描述時將被更好地理解。然而要清楚理解的是，提供每一幅附圖均僅用於解說和描述目的，且無意作為對本公開的限定的定義。
[0012]附圖簡述
[0013]為了更全面地理解本公開，現在結合附圖參閱以下描述。
[0014]圖1示出了根據本公開的一個方面的解說包括低K互連模塊的集成電路(IC)封裝的截面圖。
[0015]圖2示出了根據本公開的一個方面的解說圖1的IC封裝的截面圖，包括用於為分隔物層提供增加大小的開口的光阻層。
[0016]圖3示出了根據本公開的一個方面的解說圖2的IC封裝的截面圖，其解說了低K互連模塊與TSV(穿板通孔)之間的界面的鋸齒。
[0017]圖4示出了根據本公開的一個方面的解說圖3的IC封裝的截面圖，其解說了 TSV的低K界面的電和機械降級。
[0018]圖5示出了根據本公開的一個方面的解說圖4的IC封裝的截面圖，其包括保護層沉積。
[0019]圖6示出了根據本公開的一個方面的解說圖5的IC封裝的截面圖，其包括側壁保護分隔物層。
[0020]圖7示出了根據本公開的一個方面的解說圖6的IC封裝在穿板蝕刻之後的截面圖。
[0021]圖8示出了根據本公開的一個方面的解說圖7的IC封裝的截面圖，其包括具有內襯隔離層和側壁保護分隔物層的穿板通孔。
[0022]圖9是根據本公開的一個方面的解說一種形成用於穿過低K布線層來圖案化穿板通孔(TSV)的低K介電保護分隔物的方法的框圖。
[0023]圖10是解說其中可有利地採用本公開的一方面的無線通信系統的框圖。
[0024]詳細描述
[0025]本公開的各個方面提供用於減輕與由穿過低K MD (金屬間電介質)層來蝕刻TSV(穿板通孔)造成的蝕刻損壞和側壁粗糙度有關的問題的技術。根據本公開的一個方面，提供了用於穿過低K布線層來圖案化穿板通孔(TSV)的低K介電保護分隔物。在半導體管芯的一種配置中，保護性側壁分隔物保護低K互連模塊側壁免受蝕刻損壞，同時平滑側壁表面。結果所得的平滑側壁表面導致改善的狀況以用於後蝕刻處理。在另一種配置中，在TSV與任何周圍材料之間的保護性側壁分隔物所提供的氧化緩衝提供了附加的應力緩解。同樣，保護性側壁分隔物可提供穿過各種膜來圖案化TSV的能力，而不管該膜是否被TSV蝕刻所損壞。
[0026]圖1示出了解說根據本公開的一個方面的集成電路(IC)封裝100的截面圖，該IC封裝100包括具有後端製程(BEOL)互連層136、138以及140的低K互連模塊130。代表性地，IC封裝100包括包含淺溝槽隔離(STI)區150的基板(例如，矽晶片)102。在這一配置中，STI區150是半金屬或其他類似材料。STI區150之上是包括前端製程(FEOL)互連層110的層間介電(ILD)層120。ILD120可以保護器件(例如，電晶體)112-116和導線(通孔)121-128免受可影響該器件的將來處理步驟，同時還提供電晶體與路由層之間的電隔離。在這一配置中，ILD層120是由二氧化矽或其他類似材料形成的用於防止導線121-128之間的短路的接觸ILD。在一替換性配置中，ILD層120是低K電介質或其他類似材料。ILD120之上是低K互連層(模塊)130。
[0027]如圖1中所示，低K互連模塊130包括在低K金屬間介電(MD)層內形成的BEOL層136、138以及140。代表性地，低K互連模塊130包括具有導線和隔離(例如，蝕刻停止)層134的第一 BEOL互連層136。低K互連模塊130進一步包括包含通孔143和147-149、導線144和146以及隔離(例如，蝕刻停止)層132的第二 BEOL互連層138。低K互連模塊130進一步包括包含通孔141和導線142的由拋光停止層160覆蓋的第三BEOL互連層140。在這一配置中，第一 BEOL互連層136的導線、第二 BEOL互連層138的導線144和146、第三BEOL互連層140的導線142、以及通孔141、143、147和149由銅或其他類似導電材料形成。另外，拋光停止層160可由碳化矽、氮化矽、或其他類似保護性材料形成。低K金屬間電介質可包括諸如玻璃、多孔和非多孔的碳/氮/氟摻雜的氧化物、聚合物、旋塗式玻璃以及其他類似無機絕緣體等材料。
[0028]圖2示出了根據本公開的一個方面的解說圖1的IC封裝200的截面圖，該IC封裝200包括用於為分隔物層和TSV(穿板通孔)提供增加大小的TSV開口 272的光阻層270。TSV開口 272的增加的大小補償了將在下文更詳細地討論的保護層。如圖2中所示，在低K互連模塊130的表面上沉積了拋光停止層160之後，光刻工藝限定了稍大於實際的最終TSV(參見圖7和8)的TSV(穿板通孔)開口 272。在這一配置中，TSV形狀的大小在
0.25-20微米(μ m)的量級上。這一方法可以適用的典型技術是從130nm節點下至5nm節點。
[0029]圖3示出了根據本公開的一個方面的解說圖2的IC封裝300的截面圖，其解說了低K互連模塊130的側壁374的鋸齒。代表性地，根據光阻層370對低K互連模塊130進行蝕刻以形成通孔開口 372可底切並損壞低K互連模塊130的側壁374，如圖3中所示。
[0030]圖4示出了根據本公開的一個方面的解說圖3的IC封裝400的截面圖，其解說了TSV的低K界面的電和機械降級。在圖4中，光阻層370已被移除。
[0031]注意，用於鑽TSV(穿板通孔)的TSV(例如，Bosch)蝕刻與互連模塊130的低KIMD層之間的相互作用可導致低K互連模塊130與TSV之間的低K界面的電和機械降級。這一過程導致低K互連模塊130在通孔開口 472內的側壁474的顯著鋸齒和損壞。因此，用通孔開口 472形成的TSV遭受降級的互連膜。結果所得的非理想TSV剖面可導致後續TSV處理(包括內襯沉積和填充)中的困難以及降低TSV成品率和完整性。
[0032]圖5示出了根據本公開的一個方面的解說圖4的IC封裝500的截面圖，該IC封裝500包括保護層沉積。如本文所述，包括不侵襲或損壞低K材料(例如，包含低濃度的氧)的化學反應的蝕刻工藝可被稱為低K兼容蝕刻工藝。在這一配置中，低K兼容蝕刻工藝蝕穿低K互連模塊130的低K MD層。在蝕刻著陸在接觸ILD120或STI層150的硬二氧化矽上(如由端點信號所指示的或由高度選擇性蝕刻所輔助的)之後，保護性介電層520被沉積在整個IC封裝500上。保護性介電層520可被形成為一層未氟化的石英玻璃(USG)、矽酸四乙酯(TEOS)、二氧化矽、氮化矽、有機膜、或用於形成絕緣膜的其他類似前體。
[0033]如圖5中進一步所示，執行對保護性介電層520的定向蝕刻580。在這一配置中，定向蝕刻580可以是定向反應離子蝕刻(RIE)工藝。代表性地，定向RIE工藝形成覆蓋低K側壁574的保護性分隔物，同時在水平表面(例如拋光停止層160和ILD120)上不留下膜。在圖6所解說的配置中，少量保護性膜留在拋光停止層160的水平表面上以改善保護。
[0034]圖6不出了根據本公開的一個方面的解說圖5的IC封裝600的截面圖，該IC封裝600包括經蝕刻的側壁保護分隔物層620。代表性地，側壁保護分隔物620保護低K互連模塊130。另外，側壁保護分隔物620還用於平滑側壁674的任何形貌。在所示的配置中，少量保護性膜可任選地留在拋光停止層160的水平表面上以提供對角676和678的改善保護。一旦低K側壁表面674被覆蓋和保護，穿過基板102的通孔開口的形成就可如圖7所示地執行。
[0035]圖7示出了根據本公開的一個方面的解說圖6的IC封裝700在穿板蝕刻之後的截面圖。一旦低K側壁表面774被保護性側壁分隔物720覆蓋並保護，就執行對TSV開口708的蝕刻(諸如Bosch蝕刻)而無需太關心這一蝕刻對低K互連模塊130的影響。在這一配置中，保護性側壁分隔物720將TSV開口的大小從光刻限定的尺寸704減小到最終蝕刻直徑706。一旦蝕刻完成，就可執行TSV內襯/填充/CMP (化學機械拋光)工藝，如圖8中所示。
[0036]圖8示出了根據本公開的一個方面的解說圖7的IC封裝800的截面圖，該IC封裝800包括具有內襯隔離層850和側壁保護分隔物層820的穿板通孔890。代表性地，嵌入在低K互連模塊130中的那部分TSV890在它自己與低K互連模塊130之間具有氧化緩衝層(保護性側壁分隔物)820。氧化緩衝層820還提供TSV890與低K互連模塊130之間的進一步應力緩解，該應力是由例如TSV890的膨脹導致的。在這一配置中，半金屬內襯隔離層850圍繞著TSV890的側壁來形成。TSV隨後被填充銅或其他類似導電材料。
[0037]雖然圖8解說了 TSV890的形成作為最終步驟，但在形成了 TSV890之後還可形成附加導電層。因此，使用側壁保護分隔物820可以保護低K互連模塊側壁免受蝕刻損壞，同時側壁表面的平滑可導致改善的狀況以用於後蝕刻處理。另外，由TSV890與任何周圍材料之間的側壁保護分隔物820提供的氧化緩衝提供了附加的應力緩解。最終，側壁保護分隔物820可提供穿過任何種類的膜來圖案化TSV890的能力，而不管該膜是否被TSV蝕刻損壞。
[0038]在一種配置中，IC封裝800包括沉積在通孔與低K值介電互連層之間的用於保護低K值介電互連層的裝置。在一個方面，該保護裝置可以是配置成執行由該保護裝置敘述的功能的圖8的側壁保護分隔物層820。在另一方面，前述裝置可以是配置成執行由前述裝置敘述的功能的器件或任何層。
[0039]圖9是解說根據本公開的一個方面的形成用於穿過低K布線層來圖案化穿板通孔(TSV)的低K介電保護分隔物的方法900的框圖。在框910，穿過低K值介電互連層來蝕刻通孔開口 272/372/472，例如，如圖2_4中所示。在框912，將保護性介電層520沉積在通孔開口中以及低K值介電互連層上，例如，如圖5中所示。在框914，從通孔開口的底部並從低K值介電互連層的水平表面蝕刻保護層。例如，如圖6中所示，對保護層的蝕刻在通孔開口的側壁674上留下側壁保護分隔物620。在框916，穿過覆蓋有保護性側壁分隔物的通孔開口的底部並穿過半導體基板來蝕刻穿板通孔，例如如圖7中所示。在框918，穿板通孔890被填充，例如，如圖8中所示。
[0040]圖10是示出其中可有利地採用本公開的實施例的示例性無線通信系統1000的框圖。出於解說目的，圖10示出了三個遠程單元1020、1030和1050以及兩個基站1040。將認識到，無線通信系統可具有多得多的遠程單元和基站。遠程單元1020、1030和1050包括包含所公開的低K介電保護分隔物的IC器件1025AU025C和1025B。將明白，包含IC的任何設備也可包括在此公開的低K介電保護分隔物，包括基站、交換設備、以及網絡裝備。圖10示出從基站1040到遠程單元1020、1030、和1050的前向鏈路信號1080，以及從遠程單元1020、1030、和1050到基站1040的反向鏈路信號1090。
[0041]在圖10中，遠程單元1020被示為行動電話，遠程單元1030被示為可攜式計算機，而遠程單元1050被示為無線本地環路系統中的位置固定的遠程單元。例如，這些遠程單元可以是行動電話、手持式個人通信系統(PCS)單元、可攜式數據單元(諸如個人數據助理)、啟用GPS的設備、導航設備、機頂盒、音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、位置固定的數據單元(諸如儀表讀數裝置)、或者存儲或檢索數據或計算機指令的任何其他設備，或者其任何組合。儘管圖10解說了根據本公開的教導的遠程單元，但本公開並不限於所解說的這些示例性單元。本公開的各方面可適用於包括所公開的低K介電保護分隔物的任何設備中。
[0042]對於設計/製造過程的固件和/或軟體實現，這些方法體系可以用執行本文中所描述功能的模塊(例如，規程、函數等等)來實現。任何有形地實施指令的機器可讀介質可被用來實現本文中所描述的方法體系。例如，軟體代碼可存儲於存儲器中並由處理器單元執行。存儲器可以實現在處理器單元內或在處理器單元外部。如本文所用的，術語「存儲器」是指任何類型的長期、短期、易失性、非易失性、或其他存儲器，而並不限於任何特定類型的存儲器或存儲器數目、或記憶存儲在其上的介質的類型。
[0043]儘管已詳細描述了本公開及其優點，但是應當理解，可在本文中作出各種改變、替代和變更而不會脫離如由所附權利要求所定義的本公開的技術。例如，諸如「上方」和「下方」之類的關係術語是關於基板或電子器件使用的。當然，如果該基板或電子器件被顛倒，那麼上方變成下方，反之亦然。此外，如果是側面取向的，那麼上方和下方可指代基板或電子器件的側面。此外，本申請的範圍無意被限定於說明書中所描述的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法和步驟的特定實施例。如本領域的普通技術人員將容易從本公開領會到的，可以利用根據本公開的現存或今後開發的與本文所描述的相應實施例執行基本相同的功能或實現基本相同結果的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法或步驟。因此，所附權利要求旨在將這樣的過程、機器、製造、物質組成、裝置、方法或步驟包括在其範圍內。
【權利要求】
1.一種方法，包括: 穿過低K值介電互連層來蝕刻通孔開口； 將保護層沉積在所述通孔開口中以及所述低K值介電互連層上； 從所述通孔開口的底部並從所述低K值介電互連層的水平表面蝕刻所述保護層的至少一部分，所述蝕刻在所述通孔開口的側壁上留下保護性側壁分隔物； 穿過所述通孔開口的底部並穿過半導體基板來蝕刻穿板通孔；以及 填充所述穿板通孔。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述低K值介電互連層包括至少一個低K值金屬間介電(IMD)層。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述保護層是由從包括以下各項的組中選擇的材料形成的:未氟化的石英玻璃(USG)、矽酸四乙酯(TEOS)、二氧化矽、以及有機膜。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，蝕刻所述保護層的至少所述部分包括執行定向反應離子蝕刻(RIE)以從所述低K值介電互連層的水平部分移除所述保護層。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，沉積所述保護層包括在所述低K值介電互連層的頂表面上形成所述保護層。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，進一步包括使所述保護層回流以使得有機保護層覆蓋所述穿板通孔的側壁。
7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括: 將所述穿板通孔納入在半導體管芯內；以及 將所述半導體管芯集成到以下至少一者中:音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航設備、通信設備、個人數字助理(PDA)、位置固定的數據單元、以及計算機。
8.一種半導體管芯，包括: 半導體基板； 所述半導體基板上的低K值介電互連層； 延伸穿過所述低K值介電互連層和所述半導體基板的至少一個穿板通孔；以及 所述至少一個穿板通孔與所述低K值介電互連層之間的保護性分隔物。
9.如權利要求8所述的半導體管芯，其特徵在於，所述低K值介電互連層包括至少一個低K值金屬間介電(IMD)層。
10.如權利要求8所述的半導體管芯，其特徵在於，所述保護性分隔物包括從包含以下各項的組中選擇的材料:未氟化的石英玻璃(USG)、矽酸四乙酯(TEOS)、二氧化矽、以及有機膜。
11.如權利要求8所述的半導體管芯，其特徵在於，所述保護性分隔物在所述低K值介電互連層的水平部分上。
12.如權利要求8所述的半導體管芯，其特徵在於，進一步包括: 所述半導體基板內的淺溝槽隔離(STI)區；以及 所述半導體基板的表面以及所述(STI)區上的層間介電(ILD)層，所述低K值介電互連層置於所述ILD層的頂表面上。
13.如權利要求8所述的半導體管芯，其特徵在於，所述半導體管芯被納入到以下至少一者中:音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航設備、通信設備、個人數字助理(PDA)、位置固定的數據單元、以及計算機。
14.一種半導體管芯,包括: 半導體基板； 所述半導體基板上的低K值介電互連層； 延伸穿過所述低K值介電互連層和所述半導體基板的至少一個通孔；以及 置於所述至少一個通孔與所述低K值介電互連層之間的用於保護所述低K值介電互連層的裝置。
15.如權利要求14所述的半導體管芯，其特徵在於，所述低K值介電互連層包括至少一個低K值金屬間介電(IMD)層。
16.如權利要求14所述的半導體管芯，其特徵在於，所述用於保護所述低K值介電互連層的裝置包括從包含以下各項的組中選擇的材料:未氟化的石英玻璃(USG)、矽酸四乙酯(TEOS)、二氧化矽、以及有機膜。
17.如權利要求14所述的半導體管芯，其特徵在於，所述用於保護所述低K值介電互連層的裝置被形成在所述低K值介電互連層的水平部分上。
18.如權利要求14所述的半導體管芯，其特徵在於，進一步包括: 形成在所述半導體基板內的淺溝槽隔離(STI)區；以及 形成在所述半導體基板的表面以及所述(STI)區上的層間介電(ILD)層，所述低K值介電互連層形成在所述ILD層的頂表面上。
19.如權利要求14所述的半導體管芯，其特徵在於，所述半導體管芯被納入到以下至少一者中:音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航設備、通信設備、個人數字助理(PDA)、位置固定的數據單元、以及計算機。
20.—種方法,包括: 穿過低K值介電互連層來蝕刻通孔開口的步驟； 將保護層沉積在所述通孔開口中以及所述低K值介電互連層上的步驟； 從所述通孔開口的底部並從所述低K值介電互連層的水平表面蝕刻所述保護層的步驟，所述蝕刻在所述通孔開口的側壁上留下保護性側壁分隔物； 穿過覆蓋有所述保護性側壁分隔物的所述通孔開口的底部並穿過半導體基板來蝕刻穿板通孔的步驟；以及 填充所述穿板通孔的步驟。
21.如權利要求20所述的方法，其特徵在於，進一步包括將所述穿板通孔納入到半導體管芯內的步驟。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，進一步包括將所述半導體管芯納入到以下至少一者中的步驟:音樂播放器、視頻播放器、娛樂單元、導航設備、通信設備、個人數字助理(PDA)、位置固定的數據單元、以及計算機。
【文檔編號】H01L21/768GK103918068SQ201280054946
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年11月9日 優先權日:2011年11月9日
【發明者】V·拉馬錢德蘭, S·顧 申請人:高通股份有限公司