直通基底穿孔結構及其製造方法
2023-05-13 19:45:16
專利名稱：直通基底穿孔結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體技術，尤其是涉及一種用於堆疊封裝的直通基底穿孔結構及其製造方法。
背景技術：
集成電路封裝技術持續發展以達到微型化及設置可靠度的需求。已知的堆疊封裝為具有至少二個晶片或二個封裝體的垂直立式結構，其中晶片或封裝體是以一個堆疊於另一個上方設置。以存儲器裝置為例，藉助使用堆疊結構，即可經由半導體整合工藝製造出具有兩倍以上的存儲器容量。堆疊封裝不僅可增加存儲器的容量，還可增加設置集成度以及設置面積的利用效率。目前已有使用直通矽晶穿孔的堆疊封裝結構，其直通矽晶穿孔形成於晶片中，因此晶片可經由直通矽晶穿孔彼此物理和電性連接。直通矽晶穿孔的製造，一般以導電材料填入通孔中，且導電材料穿過矽基底，以連接其他的直通矽晶穿孔及接合層的導體。舉例而言，垂直孔洞定義於晶片級的各個晶片的預定部分。絕緣層接著形成於垂直孔洞的表面上。借著形成籽晶金屬層於絕緣層上，金屬可通過電鍍工藝填入垂直孔洞中， 並形成直通矽晶穿孔。其後，利用晶片背部研磨暴露直通矽晶穿孔。在切割晶片並將其分成多個晶片之後，以一個或一個以上的直通矽晶穿孔，將至少兩個晶片垂直堆疊於其中之一基底上，其中晶片是以一個堆疊於另一個上方設置。最後，將堆疊晶片及基底的上表面模封，並且設置錫球於基底的下表面。然而，當以傳統化學氣相沉積工藝填入10微米以下的通孔時，直通矽晶穿孔工藝面臨挑戰。此外，當沉積材料層於通孔時，大尺寸通孔亦面臨低產出的問題。因此，產業上需要改良的直通矽晶穿孔結構及工藝，以解決上述問題。
發明內容
本發明提供一種直通基底穿孔及其製造方法，其可改善利用直通矽晶穿孔製造堆疊封時的重疊精度。本發明提出一種直通基底穿孔結構的製造方法，包含提供基底，其上設有層間介電層；在層間介電層以及半導體基底中，蝕刻第一通孔；在第一通孔的側壁，形成間隙壁； 經由第一通孔蝕刻半導體基底，以形成第二通孔；拓寬第二通孔，以形成瓶狀通孔；在瓶狀通孔底部的內壁，形成絕緣層；沉積第一導電層於瓶狀通孔中，其中第一導電層定義瓶狀通孔底部的腔體；形成連接墊於半導體基底的正側，其中連接墊與第一導電層電連接；研磨半導體基底的背側以暴露出腔體；以及由半導體基底的背側填入第二導電層於腔體中。本發明亦提出一種直通基底穿孔結構的製造方法，包含提供基底，其上設有層間介電層；於層間介電層以及半導體基底中蝕刻多個第一通孔，其中第一通孔彼此緊鄰設置； 在第一通孔的側壁上，形成間隙壁；經由第一通孔蝕刻半導體基底，以形成多個第二通孔；拓寬連通第二通孔，以形成瓶狀通孔；形成絕緣層於基底上的瓶狀通孔中；沉積第一導電層於瓶狀通孔中，其中第一導電層定義瓶狀通孔底部的腔體；形成連接墊於基底的正側，其中連接墊與第一導電層電連接；研磨基底的背側以暴露出腔體；以及由基底的後側填入第二導電層於腔體中。
圖1-8為根據本發明的優選實施例所繪示的用於連結堆疊晶片的直通基底穿孔結構的製造方法的截面圖。圖9為根據本發明的優選實施例所繪示的定義直通基底穿孔的光致抗蝕劑的孔洞圖案組的俯視圖。圖10為根據本發明的又一優選實施例所繪示的定義直通基底穿孔的光致抗蝕劑圖案的俯視圖。圖11為根據本發明的另一優選實施例所繪示的定義直通基底穿孔的光致抗蝕劑圖案的俯視圖。附圖標記說明10:基底IOa:主要表面12:層間介電層14:硬掩模層16:光致抗蝕劑圖案16a:主要孔洞圖案1 :次要孔洞圖案20 通孔20a 主要通孔20b 次要通孔22:間隙壁材料層22a:間隙壁30 深通孔30a 主要深通孔30b 次要深通孔40 瓶狀通孔40a、46 腔體42:絕緣層44:第一導電層44a:導電插拴50 連接墊52 可接合的金屬層54 粘著層62 籽晶層64:第二導電層
80 直通基底穿孔82 第一半部84:第二半部
具體實施例方式雖然本發明以實施例披露如下，然其並非用以限定本發明，任何本領域一般技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視權利要求所界定為準，且為了不致使本發明的精神晦澀難懂，一些已知結構與工藝步驟的細節將不再於此披露。同樣地，附圖所表示為實施例中的裝置示意圖但並非用以限定裝置的尺寸，特別是，為使本發明可更清晰地呈現，部分元件的尺寸可能放大呈現於圖中。圖1-8為根據本發明的優選實施例所繪示的用於堆疊封裝的直通基底穿孔結構的製造方法的剖面圖。如圖1所示，提供基底10，該基底具有正側及背側，其中基底10可例如為矽基底，或基底10可包含其他基底，例如具有外延層的矽基底、包含埋入式絕緣層的絕緣層上覆矽基底、砷化鎵(GaAs)基底、磷砷化鎵基底(GaAsP)、磷化銦QnP)基底、砷鋁鎵 (GaAlAs)基底、或是磷鎵銦基底(InGaP)，本發明並不限於此。多個電路元件(未繪示)，例如電晶體或電容器，可製造於基底10的主要表面IOa上。基底10具有厚度t，以300釐米的晶片來說，基底10的厚度t約為760微米。層間介電層12設於基底10的主要表面IOa 上，其中層間介電層12可為單一材料層或是多層材料層的結構。接著，形成金屬內連線結構(未繪示)於層間介電層12中。硬掩模層14形成於層間介電層12上，其中硬掩模層14 例如為碳、底部抗反射層材料、金屬或其組合。如圖2所示，光致抗蝕劑圖案16形成於硬掩模層14上。本實施例中，光致抗蝕劑圖案16包含孔洞圖案組，其具有主要孔洞圖案16a以及多個次要孔洞圖案16b，其中次要孔洞圖案16b圍繞主要孔洞圖案16a。光致抗蝕劑圖案16的孔洞圖案組的俯視圖繪示於圖 9中。根據優選實施例，孔洞圖案組可為約50微米X50微米或者更小。在實施例中，如圖 10所示，光致抗蝕劑圖案16包含主要孔洞圖案16a以及環狀孔洞圖案16b，其環繞主要孔洞圖案16a。根據其他實施例，如圖11所示，光致抗蝕劑圖案16可包含矩型主要孔洞圖案 16a以及矩型環狀孔洞圖案16b，其環繞主要孔洞圖案16a。如圖3所示，使用光致抗蝕劑圖案16為蝕刻掩模，進行幹蝕刻工藝以形成多個通孔20，其包含主要通孔20a以及多個次要通孔20b，其穿過層間介電層12並延伸至基底10 的預定深度dl。隨後，剝除圖案化的光致抗蝕劑圖案16。根據本發明的優選實施例，在基底10主要表面下的預定深度dl小於5微米。接續，間隙壁材料層22順應地沉積於基底10 上，以在通孔20的側壁及底部形成一層。本實施例中，間隙壁材料層22由相對於基底10 具有高蝕刻選擇比的介電材料構成。優選情形下，間隙壁材料層22可由氮化矽所構成。間隙壁材料層22可覆蓋硬掩模層14的頂面。如圖4所示，在沉積間隙壁材料層22之後，進行各向異性的幹蝕刻工藝以經由通孔20蝕刻間隙壁材料層22以及基底10，以於各個通孔20下形成深通孔30，其包含主要深通孔30a以及多個次要深通孔30b。如此，形成間隙壁2 於各個通孔20的側壁。根據優選實施例，蝕刻基底10的主要表面下的預定深度d2小於53微米。如圖5所示，進行蝕刻工藝，經由深通孔30蝕刻位於間隙壁2 下方的基底10的側壁。由於主要深通孔30a以及多個次要深通孔30b彼此緊鄰設置，加寬的主要深通孔30a 以及加寬的多個次要深通孔30b將合併形成連通的瓶狀通孔40，其包含主要通孔20a以及次要通孔20b位於底部連通腔室40a之上。在優選實施例中，可以稀釋的氨水溶液進行上述蝕刻工藝，其中氨水溶液與水的濃度比優選為1 5至1 50。接著，進行氧化工藝以於瓶狀通孔40的底部連通腔室40a的內表面形成絕緣層42，在優選實施例中，該絕緣層為氧化矽，但本發明並不限於此。如圖6所示，在形成絕緣層42後，進行化學氣相沉積工藝(CVD)以順應地沉積第一導電層44，例如鎢，在瓶狀通孔底部的內壁上。在實施例中，第一導電層44可由複合金屬材料組成，例如氮化鈦/鎢、氮化鉭/鎢、氮化鈦/氮化鉭或氮化鎢/鎢等，其可由化學氣相沉積工藝(CVD)、物理氣相沉積工藝(PVD)或原子層沉積工藝(ALD)形成，但本發明不以此為限。在實施例中，第一導電層44可由多晶矽組成。第一導電層44可封蓋通孔20以在通孔20中形成導電插拴44a。在本實施例中，第一導電層44定義瓶狀通孔40底部的腔體 46。接著，以蝕刻或拋光的方式，例如化學機械拋光(CMP)，移除硬掩模層14以及覆蓋層間介電層12部分的第一導電層44。如圖7所示，連接墊50可形成於導電插拴4 上。在其他實施例中，連接墊50可通過其他金屬層電連接導電插拴44a。連接墊50可包含可接合的金屬層52以及粘著層M。 在優選的實施情形下，可接合的金屬層52可直接連結導電插拴44a。繼之，進行晶片背側研磨工藝，以研磨拋光基底10的背側。如先前所提及，在研磨前的基底10，以300釐米的晶片而言，其厚度t 一般約為760微米。而研磨後的晶片，其基底10所剩下的厚度約為50微米甚至更薄。如此，在完成晶片背側研磨後，移除導電層44的底部以及於瓶狀通孔40底部的絕緣層42，而暴露出腔體46。如圖8所示，接著，籽晶層62，例如銅籽晶層，沉積於腔體46的內壁上，更進一步來說，是沉積於第一導電層44的表面上。接著，形成第二導電層64，其中第二導電層64可為銅層，其進行銅電鍍工藝以將銅沉積於籽晶層62上。在優選實施例中，銅層64填入腔體46 中且覆蓋晶片背側，其中銅層64可由電鍍、無電極電鍍、化學電鍍或其他合適的方法形成， 而於腔體46外的銅層64可通過化學機械拋光工藝(CMP)移除。在移除晶片背側的銅後， 即完成直通矽晶穿孔80製造。本發明的優點在於第一導電層44，例如鎢等，具有與矽相吻合或相類似的熱膨脹係數(CTE)，以形成具有較低應力的直通基底穿孔。在本實施例中，直通基底穿孔80包含第一半部82及第二半部84。第一半部82包含導電插拴44a，而第二半部84包含第一導電層44、銅籽晶層62以及銅層64，其中第一半部82連結第二半部84，第二半部84由第一半部82的底部延伸至晶片背側。以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的等同變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，包含提供基底，該基底具有正側及背側，在該正側上設有層間介電層；在該層間介電層及該基底中，蝕刻第一通孔；在該第一通孔的側壁，形成間隙壁；經由該第一通孔蝕刻該基底，以形成第二通孔；拓寬該第二通孔，以形成瓶狀通孔；在該瓶狀通孔底部的內壁，形成絕緣層；沉積第一導電層於該瓶狀通孔中，其中該第一導電層定義該瓶狀通孔底部的腔體； 形成連接墊於該基底的正側，其中該連接墊與該第一導電層電性連接； 研磨該基底的背側以暴露出該腔體；以及由該基底的該背側填入第二導電層於該腔體中。
2.如權利要求1所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該間隙壁由相較於該半導體基底具有較高蝕刻選擇比的材料所組成。
3.如權利要求1所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該絕緣層包含氧化矽層。
4.如權利要求3所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該氧化矽層由熱氧化工藝、化學氣相沉積工藝或原子層沉積工藝所形成。
5.如權利要求3所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該氧化矽層形成於該基底所暴露出的表面，其中該表面未被該第二通孔中的該間隙壁所覆蓋。
6.如權利要求1所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該絕緣層未填滿該瓶狀通孔。
7.如權利要求1所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該第一導電層包含鎢、氮化鎢、氮化鈦、氮化鉭或多晶矽。
8.如權利要求1所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該第一導電層封蓋該第一通孔。
9.如權利要求8所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該第一導電層順著該瓶狀通孔底部的內壁沉積。
10.如權利要求1所述的直通矽晶穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該第二導電層包含銅。
11.一種直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，包含 提供基底，該基底具有正側及背側，在該正側設有層間介電層；於該層間介電層以及該基底中蝕刻多個第一通孔，該多個第一通孔彼此緊鄰設置；在該多個第一通孔的側壁上，形成間隙壁；經由該多個第一通孔蝕刻該基底，以形成多個第二通孔；拓寬連通該多個第二通孔，以形成瓶狀通孔；形成絕緣層於該底上的該瓶狀通孔中；沉積第一導電層於該多個瓶狀通孔中，其中該第一導電層定義該瓶狀通孔底部的腔體；形成連接墊於該半導體基底的正側，其中該連接墊與該第一導電層電連接；研磨該半導體基底的背側以暴露出該腔體；以及由該半導體基底的該背側填入第二導電層於該腔體中。
12.如權利要求11所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該多個第一通孔包含主要通孔以及多個次要通孔，其中該多個次要通孔圍繞該主要通孔。
13.如權利要求11所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該多個第一通孔包含主要通孔以及環繞該主要通孔的環狀通孔。
14.如權利要求11所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該間隙壁由相較於該半導體基底具有較高蝕刻選擇比的材料組成。
15.如權利要求11所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該絕緣層包含氧化矽層。
16.如權利要求15所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該氧化矽層由熱氧化工藝、化學氣相沉積工藝或原子層沉積工藝所形成。
17.如權利要求15所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該氧化矽層形成於該半導體基底所暴露出的表面，其中該表面未被該第二通孔中的該間隙壁所覆蓋。
18.如權利要求11所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該絕緣層未填滿該瓶狀通孔。
19.如權利要求11所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該第一導電層包含鎢、氮化鎢、氮化鈦、氮化鉭或多晶矽。
20.如權利要求11所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該第一導電層封蓋該第一通孔。
21.如權利要求20所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該第一導電層順著該瓶狀通孔底部的內壁沉積。
22.如權利要求1所述的直通基底穿孔結構的製造方法，其特徵在於，該第二導電層包含銅。
23.一種直通基底穿孔結構，其特徵在於，包含基底，具有第一側及第二側；第一半部，由該基底的第一側延伸至該基底的預定深度；第二半部，接觸該第一半部，且由該第一半部的底部延伸至該基底的第二側；以及襯墊層，位於該第一半部與該基底之間及該第二半部與該基底之間。
24.如權利要求23所述的直通基底穿孔結構，其特徵在於，該第一半部包含由鎢所製成的導電插栓。
25.如權利要求23所述的直通基底穿孔結構，其特徵在於，該第二半部包含鎢層，並且該鎢層包覆銅層。
全文摘要
一種直通基底穿孔結構及其製造方法，該製造方法包含提供半導體基底；蝕刻第一通孔於半導體基底中；形成間隙壁於第一通孔的側壁；經由第一通孔蝕刻半導體基底，以形成第二通孔；溼蝕刻第二通孔，以形成瓶狀通孔；形成絕緣層，在瓶狀通孔底部的內壁；沉積第一導電層於瓶狀通孔中，其中第一導電層定義瓶狀通孔底部的腔體；形成連接墊於半導體基底的正側，其中連接墊與第一導電層電連接；研磨半導體基底的背側以暴露出腔體；以及填入第二導電層於腔體中。
文檔編號H01L23/485GK102237300SQ20101022418
公開日2011年11月9日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年4月27日
發明者任興華, 林瑄智 申請人:南亞科技股份有限公司