用於穿矽通路金屬化的粘合層的製作方法

2023-06-14 07:48:11

用於穿矽通路金屬化的粘合層的製作方法
【專利摘要】本發明涉及用於穿矽通路金屬化的粘合層。為了實現上述目的並且本發明目的，提供了一種用於在矽晶片中形成銅填充穿矽通路特徵的方法。在矽上蝕刻穿矽通路。在穿矽通路內形成絕緣層。在穿矽通路內形成阻擋層。在阻擋層上沉積無氧矽、鍺、矽鍺粘合層。在粘合層上沉積種子層，然後晶片經過退火。用銅和銅合金填滿特徵。使堆層退火。
【專利說明】用於穿矽通路金屬化的粘合層

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用於在半導體晶片上形成半導體器件的方法。更具體地講，本發 明涉及形成通路金屬化。

【背景技術】
[0002] 包括穿矽（Si)通路的矽半導體用於從成像產品和存儲器到高速邏輯和高電壓器 件產品的各種技術。嚴重依賴於形成為穿過矽半導體晶片的通路的一種技術是三維（3D) 集成電路（1C)。三維1C是通過堆疊減薄的半導體晶片晶片並且使用穿矽通路（TSV)使它 們互連而形成的。


【發明內容】

[0003] 為了實現上述目的並且根據本發明的目的，提供了一種用於在矽晶片中形成銅填 充的穿娃通路（through silicon via)特徵的方法。在晶片中蝕刻穿娃通路。絕緣層形成 在穿娃通路中。阻擋層（barrier layer)形成在穿娃通路中。無氧娃、鍺或娃鍺粘合層沉 積在阻擋層上。種子層沉積在粘合層上。這個步驟之後是退火。所述特徵用銅或銅合金填 充並且經歷第二次退火。
[0004] 在本發明的另一個表現形式中，提供了用於在矽層中形成銅填充特徵的方法。阻 擋層在矽層的特徵中形成。矽、鍺或矽鍺粘合層沉積在阻擋層上。種子層沉積在粘合層上。 這些特徵用銅或銅合金填充，並且晶片經歷退火。
[0005] 以下將在本發明的詳細描述中並且結合以下附圖更詳細地描述本發明的這些和 其他特徵。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 在附圖的視圖中通過舉例方式而非限制方式來說明本發明，並且其中相同的附圖 標記指代相似的元件，並且其中：
[0007] 圖1是本發明的實施方式的流程圖。
[0008] 圖2A至圖2G是使用本發明的工藝形成的結構的示意圖。

【具體實施方式】
[0009] 現在參照如附圖所示的本發明的一些優選實施方式來詳細描述本發明。在以下描 述中闡述了諸多具體細節以便提供對本發明的透徹理解。然而，本領域技術人員會明白，本 發明在沒有這些具體細節中的一些或所有的情況下。在其他情況下沒有詳細描述公知的工 藝步驟和/或結構，以免不必要地使本發明難以理解。
[0010] 圖1是本發明的實施方式的高階流程圖。提供了穿矽通路（步驟104)。（最普通 的二氧化矽或二氧化矽基）絕緣層形成在穿矽通路上（步驟108)。阻擋層形成在矽通路上 (步驟112)。粘合層形成在阻擋層上（步驟116)。種子層形成在粘合層上（步驟120)，然 後使晶片退火（124)。穿矽通路被填充（步驟128)。使堆層退火（步驟132)。使堆層平坦 化（步驟136)。
[0011] 在本發明的優選實施方式中，提供了襯底上的穿矽通路（步驟104)。圖2A是具有 襯底204的堆層200的示意性剖視圖，該襯底204具有穿矽通路208。穿矽通路208可以完 全穿過矽襯底204或者部分穿過矽襯底204。通常，如果穿矽通路208沒有完全穿過矽襯 底204,那麼隨後的工藝用來去除穿矽通路208沒有穿過的這部分矽襯底204,使得穿矽通 路208穿過剩餘的襯底204。優選地，穿矽通路208具有小於15 iim的寬度。更優選地，穿 矽通路208具有大於8:1的深寬比。優選地，穿矽通路208具有大於5 y m的深度。
[0012] 絕緣層形成在穿矽通路上（步驟108)。圖2B是在絕緣層212形成在穿矽通路208 上之後的堆層200的示意性剖視圖。氧化矽（最常用的電介質）可以通過化學氣相沉積 (CVD)或原子層沉積（ALD)工藝沉積或者在氧化氣氛中從矽上熱生長以形成絕緣層212。
[0013] 阻擋層形成在通路上（步驟112)。圖2C是在阻擋層216形成在絕緣層212上之 後的堆層200的示意性剖視圖。優選地，阻擋層216包括氮化鎢、TiN、TiW、TiSN、WSiN或 RuTiN中的至少一種。更優選地，阻擋層216包括重量百分比大於10%的鎢。阻擋層216還 可以通過物理氣相沉積（PVD)、CVD或ALD工藝來沉積，但後兩者是優選的，因為CVD和ALD 在非常高的深寬比通路（>17:1)中提供均勻電鍍，從而可以提供層的更高的均勻度。在其 他實施方式中，阻擋層216包括W、Ti、Ta、N、Si、0或C中的一種或多種的組合。
[0014] 粘合層形成在阻擋層上（步驟116)。優選地，粘合層通過無電沉積（ELD)、原子層 沉積（ALD)或化學氣相沉積（CVD)工藝沉積矽、鍺或矽鍺（SiGe)層來形成。這種粘合層 可以通過使用SiH 4、GeH4或其他含氫的矽和/或鍺的化合物來形成。這種層的厚度可以在 20 A至500 A的範圍內，優選地在50人至100人的範圍內。圖2D是在粘合層220形成 在阻擋層216上之後的堆層200的示意性剖視圖。
[0015] 種子層形成在粘合層上（步驟120)。在此實施方式中，種子層通過無電沉積（ELD) 或電鍍（ECP)形成。在種子層沉積的實例中，ELD溶液的pH在4. 0與12. 5之間，並且更優 選地在7. 5與10. 5之間。沉積在室溫至95°C之間，並且更優選地在65°C至85°C之間完成 沉積。溶液包含至少一種或多種金屬化合物（例如但不限於金屬的氯鹽或硫酸鹽）、也可 以充當絡合劑的pH調節劑、額外的絡合劑（如有需要）以及一種或多種還原劑。無電電鍍 溶液還可以包含其他添加劑，例如，表面活性劑、穩定劑、應力減少劑等。圖2E是在種子層 224形成在粘合層220上之後的堆層200的示意性剖視圖。
[0016] 晶片在種子層形成在粘合層上之後進行退火。在此實施方式中，在150°C至450°C 的溫度範圍內退火1分鐘至60分鐘。更具體地講，在250°C至400°C的溫度範圍內退火5 分鐘至30分鐘。
[0017] 然後填充通路（步驟128)。在填充工藝的實例中，用於填充的電鍍銅或銅合金溶 液是酸性溶液並且在15°C至90°C之間的溫度工作，並且更優選地在20°C至45°C之間的溫 度工作。溶液包含至少一種或多種金屬化合物（例如但不限於金屬的氯鹽或硫酸鹽）、pH 調節劑以及選自提供自底向上填充的抑制劑、加速劑和整平劑的組的必要添加劑。圖2F是 在通路填滿銅或銅合金填充物228之後的堆層200的示意性剖視圖。在其他實施方式中， ELD、化學氣相沉積（CVD)或原子層沉積（ALD)可以用於提供銅或銅合金填充物228。
[0018] 堆層200進行另一次退火（步驟132)。在此實施方式中，在150°C至450°C的溫度 退火1分鐘至60分鐘。更具體地講，在250°C至400°C的溫度退火5分鐘至30分鐘。
[0019] 然後使堆層200平坦化（步驟136)。在此實施方式中，穿矽通路208 (現場）之外 的銅或銅合金填充物228的厚度小於8000A。平坦化工藝可以用於平坦化堆層200以去除 穿矽通路208上方的銅或銅合金填充物228、種子層224、粘合層220、阻擋層216和絕緣層 212。化學機械拋光（CMP)是這種平坦化工藝的實例。圖2G是在堆層200用CMP工藝進行 平坦化之後的堆層200的示意性剖視圖。
[0020] 本發明的實施方式允許以減少的成本填充穿矽通路。此外，甚至當TSV的深寬比 是20 :1或更高時，各種實施方式也可以提供均勻的阻擋層。
[0021] 本發明的其他實施方式可以提供額外的內襯、阻擋層或種子層。實施方式可以使 用Co或Ni合金的ELD阻擋層，其中合金元素優選地包括Co、Ni、Fe、W、Mo、P、B、Re、Mn、Cr、 Ge、Sn、In、Ga或Cu。本發明的實施方式使用包含Co、Ni或Cu合金的無電內襯或種子層， 其中合金元素優選地包括Co、Ni、Fe、W、Mo、P、B、Re、Mn、Cr、Ge、Sn、In、或Ga。在其他實施 方式中，電鍍種子可以是在用於填充TSV結構的常規的酸性電鍍溶液中具有低溶解度的金 屬或金屬合金。例如，種子可以是銅或銅合金，但是不限於CuNi、CuCo、CuMn、CuSn和CuAg， 但是可以是其他的金屬合金組合，例如，Ni、NiCo、Pd、Ru等。這允許電鍍層與電鍍種子幾乎 相同。
[0022] 在其他實施方式中，在填充通路（128)之前沒有退火的情況下，在填充通路（步驟 128)之後可以進行單次退火。這種退火可用於促進粘合層220與種子層224之間的互擴散 並且生長銅或銅合金填充的晶粒。
[0023] 矽、鍺或矽鍺等粘合層不是絕緣層，並且因此優選地不含氧，因為氧化矽是絕緣 體。更具體地，如果粘合層是矽，就是純矽，或者如果粘合層是鍺，就是純鍺，或者如果粘合 層是矽鍺，就是純矽鍺，但也可以使用注入矽或注入鍺（在這種情況下注入濃度小於1% )。 娃和鍺能運動到銅內。娃、鍺或娃鍺粘合層在退火中能運動到銅中以提高粘合性。
[0024] 其他的實施方式可以填充不是穿矽通路的深特徵。然而，優選地，這些特徵應當足 夠寬且足夠深以適應各種層。
[0025] 儘管就幾個優選實施方式描述了本發明，但是存在落入本發明的範圍內的替代方 式、置換和各種替代等同方案。還應當注意，實施本發明的方法和設備有許多替代方式。因 此其目的是以下所附權利要求書應當被理解成包括落入本發明的真實精神和範圍內的所 有這些替代方式、置換和各種替代等同方案。
【權利要求】
1. 一種用於在矽晶片中形成銅填充的穿矽通路特徵的方法，其包括： 在所述晶片中蝕刻芽娃通路； 在所述穿矽通路中形成絕緣層； 在所述穿矽通路中形成阻擋層； 在所述阻擋層上沉積無氧矽、鍺或矽鍺粘合層； 在所述粘合層上沉積種子層； 使堆層退火； 使用銅和銅合金填充所述特徵；並且 使所述堆層退火。
2. 根據權利要求1所述的方法，其進一步包括對所述矽晶片進行化學機械拋光。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述特徵是穿矽通路特徵。
4. 根據權利要求1所述的方法，其進一步包括在所述矽層中蝕刻特徵。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中所述粘合層不含氧。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中所述退火在填充所述特徵之後執行。
7. 根據權利要求6所述的方法，其進一步包括在所述退火之後進行化學機械拋光。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述退火在沉積所述種子層之後並且在填充所述 特徵之前執行。
9. 一種用於在矽層中形成銅填充特徵的方法，其包括： 在所述矽層的特徵中形成阻擋層； 在所述阻擋層上沉積矽、鍺或矽鍺粘合層； 在所述粘合層上沉積種子層； 用銅或銅合金填充所述特徵；並且 使堆層退火。
10. 根據權利要求9所述的方法，其中所述用銅或銅合金填充所述特徵是無電沉積工 藝或電鍍工藝。
11. 根據權利要求10所述的方法，其進一步包括在形成所述阻擋層之前在所述特徵內 沉積絕緣層。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中所述特徵是穿矽通路特徵。
13. 根據權利要求12所述的方法，其進一步包括在所述矽層中蝕刻特徵。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中所述粘合層不含氧。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中所述退火在填充所述特徵之後執行。
16. 根據權利要求15所述的方法，進一步包括在所述退火之後進行化學機械拋光。
17. 根據權利要求14所述的方法，其中所述退火在沉積所述種子層之後並且在填充所 述特徵之前執行。
18. 根據權利要求17所述的方法，進一步包括在填充所述特徵之後進行化學機械拋 光。
19. 根據權利要求18所述的方法，其進一步包括在填充所述特徵之後進行第二次退 火。
【文檔編號】H01L21/768GK104377162SQ201410395895
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年8月13日 優先權日:2013年8月13日
【發明者】阿爾圖爾·科利奇 申請人:朗姆研究公司