一種空氣間隙的三維互連結構的製作方法
2023-06-28 13:32:46
專利名稱：一種空氣間隙的三維互連結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於三維集成技術領域，具體涉及一種空氣間隙的三維互連結構。
背景技術：
集成電路的發展基本遵循著Moore定律，集成度以每18個月翻一番的速度在不斷發展。特徵尺寸的不斷降低、集成度的不斷提高，不僅使傳統集成電路的特徵尺寸逐漸逼近物理極限，而且使集成電路在設計、製造和成本等方面都遇到了發展瓶頸。CMOS器件的不斷縮小使集成度不斷提高，平方釐米麵積上能夠集成10億個晶體 管，而金屬互連線的總長度更是達到幾十公裡。這不但使得布線變得異常複雜，更重要的是金屬互連的延遲、功耗、噪聲等都隨著特徵尺寸的降低而不斷增加，特別是全局互連的RC延遲，嚴重影響了集成電路的性能。銅互連及低K介質的使用使串連電阻和寄生電容有所降低，使工藝由130nm發展到90nm並且總體性能有所提高，而引入超低K介質也只能維持工藝發展到22nm節點。另外，動態功耗與電路的負載電容值成正比，研究表明，主流高性能微處理器的動態功耗中，有超過一半都是由互連線引起的。目前解決互連延遲的方法是在全局互連線上增加一系列緩衝器，但這種方法的作用有限，並且由於大量緩衝器的加入，電路的功耗大幅度增加，即利用功耗換取速度。因此，金屬互連已經取代電晶體成為決定集成電路性能的主要因素，集成電路的發展極限不是摩爾定律的失效，互連、成本和複雜度正在成為限制未來集成電路發展的真正瓶頸。三維互連是在平面電路基礎上，利用第三維來實現多個晶片的集成，即把一個大的平面電路分為若干邏輯上相關聯的功能模塊分布在多個相鄰的晶片層上，然後通過穿透襯底的三維垂直互連將多層晶片集成。三維互連能夠實現不同功能、不同工藝的多晶片的垂直集成，大幅度降低全局互連的長度，從而大幅度降低互連延遲、提高集成電路速度、減小晶片的功耗。三維互連可以集成多層不同工藝或不同襯底材料的集成電路，為異質晶片的SOC提供了良好的解決方案。三維互連都是物理互連，能夠解決多晶片異質集成、高帶寬通信和互連造成的延遲和噪聲等問題，這些特點使其成為解決平面集成電路所面臨的瓶頸問題的最可行手段。為實現三維集成電路，首先必須實現穿透晶片的三維互連線。這種三維互連線是三維集成技術的核心，目前三維互連的主流製造技術是基於盲孔的實現方式，即從晶片的一面刻蝕深孔，利用銅電鍍填充深孔，而後通過減薄等工藝過程獲得穿透半導體層的三維互連線。這種製造方式中，絕緣層澱積、擴散阻擋層澱積和電鍍仔晶層澱積都在單面進行，對相關的製造設備和製造工藝要求很高，否則難以在高深寬比的深孔內部製造均勻、完整的絕緣層、擴散阻擋層和電鍍仔晶層，從而導致銅三維互連的縫隙或孔洞，引起可靠性問題。另外，由於絕緣層通常為二氧化矽材料，其介電常數較大，導致由三維互連導體、絕緣層和晶片襯底構成的電容較大，在高頻應用中影響三維互連的高頻性能
發明內容
本發明的目的在於提供一種空氣間隙的三維互連結構，降低三維互連製造的工藝難度並減小三維互連的高頻電容。一種空氣間隙的三維互連結構，該三維互連結構由貫穿整個晶片I的通孔2和通孔2內的柱狀導電體3組成，通孔2與柱狀導電體3之間為環形間隙。所述的柱狀導電體3在突出於晶片I的上下表面至少有一面有支撐頭4 ;所述支撐頭4的尺寸大於柱狀導電體3的截面尺寸，支撐頭4與柱狀導電體3組成蘑菇狀結構。所述支撐頭4的截面為三角形、多邊形或圓形。所述的支撐頭4為分瓣結構。 所述的晶片I上下表面至少有一面在通孔2的邊緣刻蝕有釋放槽5，連通通孔2及晶片I表面。所述通孔2和柱狀導電體3的截面形狀為圓形、圓環形或多邊形。所述柱狀導電體3表面帶有一層防氧化薄膜層。所述柱狀導電體3的材料為銅、鎢、鎳、金、銀、錫、鋁、多晶矽、導電高分子中的一種或一種以上。所述的環形間隙的部分區域填充有固體材料。所述固體材料為二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、苯並環丁烯、聚醯亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、樹脂或光刻膠。本發明的有益效果本發明空氣間隙的三維互連結構，通過懸空導電體結構避免使用絕緣層、擴散阻擋層和電鍍仔晶層，從而降低三維互連的製造難度，並通過將絕緣層替換為空氣層，減小三維互連的高頻電容。
圖I是實施例I製造有三維互連深孔和釋放槽的晶片；圖2是實施例I製造有三維互連深孔和釋放槽的晶片塗覆有機高分子材料後的示意圖；圖3是實施例I填充金屬後形成三維互連導電體的示意圖；圖4是實施例I製造上下表面支撐結構後的示意圖；圖5是實施例I去除有機高分子材料獲得空氣間隙的示意圖；圖6是實施例2在晶片表面製造好釋放槽和環形高分子層深孔的結構示意圖；圖7是實施例2用有機高分子材料填充晶片上的環形深孔的示意圖；圖8是實施例2去除環形的有機高分子材料層環繞的襯底後的示意圖；圖9是實施例2填充金屬製造三維互連導電體結構後的示意圖；圖10是實施例2在三維互連導電體表面製造支撐結構的示意圖；圖11是實施例2去除有機聞分子材料獲得空氣間隙的不意圖；圖12是實施例3去除部分有機高分子材料獲得空氣間隙的示意圖；圖13是實施例I或實施例2提供的最後完成的空氣間隙三維互連的立體示意圖中，I-晶片、2-通孔、3-柱狀導電體、4-支撐頭、5-釋放槽、6-固體材料、7-有機高分子層、8-襯底柱
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。實施例I如圖I所示，採用標準集成電路製造工藝和/或微加工工藝製造的電路或傳感器晶片1，首先利用化學氣相沉積的方法在晶片I的上下表面澱積固體材料6，固體材料為二氧化矽，然後利用反應離子深刻蝕技術在晶片I表面刻蝕釋放槽5和穿透晶片厚度的三維互連的通孔2，使釋放槽5與通孔2連接，釋放槽5周圍覆蓋絕緣層二氧化矽6。釋放槽5的深度沒有嚴格限制，可以為1-5微米，通孔2的形狀可以是圓形或多邊形。如圖2所示，利用旋塗的方法將有機高分子材料以液體的形式塗覆在晶片I表面，並使深入通孔2內部，覆蓋在通孔2內壁表面形成有機高分子層7，通過加熱或紫外照射等方法將高分子材料層固化。有機高分子層7需要最後被去除，因此需要選擇能夠通過一定方法裂解後去除的材料，例如採用高溫分解的聚碳酸酯、採用紫外光照分解的聚醯亞胺、採用水溶性分解的聚甲基丙烯酸甲酯、採用溶劑溶解的塑性高分子、光刻膠，或者其他具有類似方法可裂解的高分子材料。如圖3所示，採用電鍍的方法在通孔2內部填充金屬，形成柱狀導電體3。對於深寬比較小的通孔2，還可以採用濺射或蒸鍍的方式從晶片表面澱積金屬，將通孔2填滿；對於只有一段開口的盲孔形式的通孔2，還可以利用濺射等方法在通孔2內壁的有機高分子層7表面沉積銅種子層，然後利用電鍍的方式形成大馬士革電鍍，將通孔2填充。對於直徑很小的通孔2，還可以採用無電極電鍍(化學鍍)的方法填充。電鍍填充的金屬材料可以採用銅、鎢、鎳、金、錫等，濺射填充的金屬材料可以採用鋁、金、鉬等。如圖4所示，填充柱狀導電體3後，繼續利用電鍍的方法或者濺射的方法，在柱狀導電體3突出晶片I表面的上方繼續製造類似蘑菇狀的支撐頭4，支撐頭4的直徑大於通孔2的直徑，使支撐頭4連接柱狀導電體3，並使支撐頭4邊緣固定在晶片I的上下表面或其中一面，形成對柱狀導電體3的支撐。支撐頭4的形狀可以是完整的圓形或多邊形，也可以是分瓣結構，類似菊花形狀。如圖5所示，採用合適的裂解去除方法，將通孔2和柱狀導電體3之間的有機高分子層7材料去除，例如對於聚碳酸酯採用加熱到300度的方式，可以將聚碳酸酯分解，通過釋放槽5將分解後的氣體成分排出。通過去除有機高分子層7，使通孔2與柱狀導電體3之間形成空氣間隙，完成空氣間隙的三維互連。實施例2如圖6所示，採用標準集成電路製造工藝和/或微加工工藝製造的電路或傳感器晶片1，首先利用化學氣相沉積的方法在晶片I的上下表面澱積固體材料6，固體材料為二氧化矽，然後利用反應離子深刻蝕技術在晶片I表面刻蝕釋放槽5和穿透晶片厚度的環形的通孔2，使釋放槽5與通孔2連接，釋放槽5周圍覆蓋絕緣層二氧化矽。釋放槽5的深度沒有嚴格限制，可以為1-5微米。如圖7所示，利用旋塗的方法將有機高分子材料以液體的形式塗覆在晶片I表面，並高分子材料深入通孔2內部，填 滿通孔2內部，固化後形成有機高分子層7。有機高分子層7需要最後被去除，因此需要選擇能夠通過一定方法裂解後去除的材料，例如採用高溫分解的聚碳酸酯、採用紫外光照分解的聚醯亞胺、採用水溶性分解的聚甲基丙烯酸甲酯、採用溶劑溶解的塑性高分子、光刻膠，或者其他具有類似方法可裂解的高分子材料。如圖8所示，從晶片I表面利用反應離子深刻蝕技術將通孔2圍繞的襯底柱8去除，獲得帶有有機高分子層7的三維互連通孔2。
如圖9所示，採用電鍍的方法在通孔2內部填充金屬，形成三維互連的柱狀導電體
3。對於深寬比較小的通孔2，還可以採用濺射或蒸鍍的方式從晶片I表面澱積金屬，將通孔2填滿。對於只有一段開口的盲孔形式的通孔2，還可以利用濺射等方法在深孔內壁的有機高分子層表面沉積銅種子層，然後利用電鍍的方式形成大馬士革電鍍，將通孔2填充。對於直徑很小的通孔2，還可以採用無電極電鍍(化學鍍)的方法填充通孔2。電鍍填充的金屬材料可以採用銅、鎢、鎳、金、錫等，濺射填充的金屬材料可以採用鋁、金、鉬等。如圖10所示，電鍍填充柱狀導電體3後，繼續利用電鍍的方法或者濺射的方法，在柱狀導電體3突出晶片I表面的上方繼續製造類似蘑菇狀的支撐頭4，支撐頭4的直徑大於通孔2的外直徑，使支撐頭4連接柱狀導電體3，支撐頭4邊緣固定在晶片I的上下表面或其中一面，形成對柱狀導電體3的支撐。支撐頭4形狀可以是完整的圓形，或多邊形，也可以是分瓣結構，例如類似花瓣形狀。如圖11所示，採用合適的裂解去除方法，將通孔2和柱狀導電體3之間的有機高分子層7去除，例如對於聚碳酸酯採用加熱到300度的方式，可以將聚碳酸酯分解，通過連通通孔2的釋放槽5將分解後的氣體成分排出，形成通孔2與柱狀導電體3之間的空氣間隙。實施例3採用實施例I相同的工藝，完成圖I至圖4的製造過程。如圖12所示，採用合適的裂解去除方法，將通孔2和柱狀導電體3之間的有機高分子層7材料部分去除，例如對於聚碳酸酯採用局部加熱到300度的方式，可以將加熱區域的聚碳酸酯分解，通過釋放槽5將分解後的氣體成分排出。通過去除有機高分子層7，使通孔2與柱狀導電體3之間形成空氣間隙，完成空氣間隙的三維互連。圖13為實施例I或實施例2提供的最後完成的空氣間隙三維互連的立體示意圖。
權利要求
1.一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，該三維互連結構由貫穿整個晶片(I)的通孔⑵和通孔(2)內的柱狀導電體(3)組成，通孔⑵與柱狀導電體(3)之間為環形間隙。
2.根據權利要求I所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述的柱狀導電體(3)在突出於晶片(I)的上下表面至少有一面有支撐頭(4);所述支撐頭(4)的尺寸大於柱狀導電體(3)的截面尺寸，支撐頭(4)與柱狀導電體(3)組成蘑菇狀結構。
3.根據權利要求2所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述支撐頭(4)的截面為三角形、多邊形或圓形。
4.根據權利要求2所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述的支撐頭(4)為分瓣結構。
5.根據權利要求I所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述的晶片(I)上下表面至少有一面在通孔(2)的邊緣刻蝕有釋放槽(5)，連通通孔(2)及晶片(I)表面。
6.根據權利要求I所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述通孔(2)和柱狀導電體(3)的截面形狀為圓形、圓環形或多邊形。
7.根據權利要求I所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述柱狀導電體(3)表面帶有一層防氧化薄膜層。
8.根據權利要求I所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述柱狀導電體(3)的材料為銅、鎢、鎳、金、銀、錫、鋁、多晶矽、導電高分子中的一種或一種以上。
9.根據權利要求I所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述的環形間隙的部分區域填充有固體材料。
10.根據權利要求9所述一種空氣間隙的三維互連結構，其特徵在於，所述固體材料為二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、苯並環丁烯、聚醯亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、樹脂或光刻膠。
全文摘要
本發明公開了屬於三維集成技術領域的一種空氣間隙的三維互連結構。該三維互連結構由貫穿整個晶片的通孔和通孔內的柱狀導電體組成，通孔與柱狀導電體之間為環形間隙；柱狀導電體在突出於晶片的上下表面至少有一面有支撐頭；晶片上下表面至少有一面在通孔的邊緣刻蝕有釋放槽結構，連通通孔及晶片表面。本發明空氣間隙的三維互連結構，通過懸空導電體結構避免使用絕緣層、擴散阻擋層和電鍍仔晶層，從而降低三維互連的製造難度，並通過將絕緣層替換為空氣層，減小三維互連的高頻電容。
文檔編號H01L23/528GK102623433SQ201210077870
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者王喆垚, 譚智敏, 陳倩文, 黃翠 申請人:清華大學