具有穿透襯底的通孔的集成電路的製作方法
2023-05-10 08:22:06 4
專利名稱：具有穿透襯底的通孔的集成電路的製作方法
技術領域：
公開的實施例涉及包括TSV IC的集成電路(1C)，該TSV IC包括凸出的TSV的末端。
背景技術：
穿透襯底的通孔(TSV)是從在IC管芯的頂側半導體表面上形成的導電層級中的一個(例如，接觸層級或後段製程金屬互連層級中的一個)延伸到其底側表面從而延伸晶圓的整個厚度的垂直電連接。垂直電路徑相對於常規引線結合技術顯著縮短，一般導致顯著更快的器件操作。在一種布置方式中，TSV作為凸出的TSV末端在IC管芯(這裡稱為「TSV管芯」)的一側上終止，例如從TSV管芯的底側表面凸出。TSV管芯可以面向上或面向下結合，並可以從兩個側面結合，從而使得能夠形成堆疊IC器件。儘管TSV可以穿過任何襯底材料形成，但其統稱為穿透矽通孔。因為由於在TSV管芯上的面積約束和/或TSV在TSV管芯上的一個或更多層上施加的應力，因此TSV面積一般不可以增加，所以TSV面積經常受限制。對於涉及TSV末端的常規焊料間接接合，由於焊料具有相對低的電遷移(EM)電流限制(例如，常規焊料的通常EM限制電流密度是大約104A/cm2，是Cu或Al的大約百分之一)，通過含TSV的接頭的EM電流密度一般受在TSV末端和TSV末端上的覆蓋焊料之間的分界面面積限制。此外，應用於堆疊管芯組件，相對於在結合到TSV管芯的頂部IC管芯上的鄰接結合墊或結合特徵顯著較小的TSV面積通常限制堆疊管芯組件的總體EM性能。對該EM問題的常規解決方案涉及通過添加另外的背側金屬步驟，或通過形成另外TSV (以提供並行的TSV),從而能夠在TSV末端上方添加圖案化金屬墊，以減小TSV管芯上的已選擇TSV中的電流。
發明內容
公開的示例實施例描述具有包括遠側末端端部的凸出的TSV末端的TSV管芯，在沒有在TSV末端上方添加圖案化金屬墊的增加成本和生產周期或與包括另外的並行TSV關聯的管芯面積損失的情況下，該遠側末端端部可以解決在上面描述的EM問題。本發明人也已認識到公開的實施例在焊料間接接合的情況下避免或至少顯著延遲TSV的內部金屬芯由於與覆蓋的Sn基焊料一起形成金屬間化合物(MO導致的消耗，這幫助防止外部介電套管的MC引起的破裂，該破裂可以在TSV管芯上(尤其是凸出的TSV末端離開晶片底側的點附近)導致故障(例如漏洩或短路)。遠側末端端部包含第一金屬層和第二金屬層，該第一金屬層包括覆蓋凸出的TSV末端的暴露部分的除焊料之外的第一金屬，並且該第二金屬層包括不同於在第一金屬層上的第一金屬的除焊料之外的第二金屬。第一金屬層和第二金屬層一起提供覆蓋TSV的側壁的一部分和外部介電套管的最頂表面的球狀遠側末端端部，並且球狀遠側末端端部提供比在球狀遠側末端端部下面的凸出的TSV末端的橫截面積大> 25%的橫截面積。
—個公開的示例實施例是形成TSV管芯的方法，包括將除焊料之外的第一金屬層鍍覆在包含外部介電套管和內部金屬芯的TSV的凸出的TSV末端的遠側部分上，並在第一金屬層上鍍覆不同於第一金屬層的除焊料之外的第二金屬層。第一金屬層和第二金屬層一起為凸出的TSV末端提供覆蓋TSV的側壁的一部分和外部介電套管的最頂表面的球狀遠側末端端部，並且球狀遠側末端端部提供比在球狀遠側末端端部下面的凸出的TSV末端的橫截面積大> 25%的橫截面積。該方法可以進一步包含在包括多個TSV管芯的晶圓的底側表面上，包括在凸出的TSV末端上方澱積介電鈍化層。然後可以蝕刻鈍化層(例如，幹蝕刻)從而顯露包括TSV的內部金屬芯暴露部分的凸出的TSV末端的遠側部分。球狀遠側末端端部可以然後在凸出的TSV末端的遠側部分上形成。球狀遠側末端端部的形成可以包含選擇性無電鍍覆第一和第
二金屬層。
圖1A是根據本發明的實施例示出在形成TSV管芯的示範方法中的步驟的流程圖。圖1B是根據本發明的另一實施例示出在形成TSV管芯的示範方法中的步驟的流程圖。圖2A是根據本發明的實施例的TSV管芯的簡化橫截圖示，該TSV管芯包含具有球狀遠側末端端部的TSV。圖2B是根據本發明的另一實施例的TSV管芯的簡化橫截圖示，該TSV管芯包含具有球狀遠側末端端部的TSV。圖3是根據本發明的另一實施例的涉及在圖2A中示出的實施例的TSV管芯的簡化橫截圖示，該TSV管芯包含具有球狀遠側末端端部的TSV，該TSV管芯經修改以便外部介電TSV套管沿凸出的TSV末端的側壁延伸小於凸出的TSV末端的長度的距離。圖4是根據本發明的實施例的包含TSV管芯和第二IC管芯的堆疊IC器件的簡化橫截圖示，該TSV管芯包含具有球狀遠側TSV末端端部的TSV，並且該第二 IC管芯具有多個凸出結合特徵，其中示出凸出結合特徵在回流焊料接頭處接合到凸出的TSV末端。
具體實施例方式圖1A是根據本發明的實施例示出在形成TSV管芯的示範方法100中的步驟的流程圖。步驟101包含提供包含多個TSV管芯的晶圓。TSV管芯包括至少一個，並且一般包括多個TSV，該TSV包含內部金屬芯和外部介電套管，該外部介電套管延伸晶片的全部厚度，從頂側半導體表面(一般耦合到接觸層級或BEOL金屬層(例如M1、M2等)中的一個)延伸到從TSV管芯的底側表面出現的凸出的TSV末端。在一個實施例中內部金屬芯可以包含Cu。其他導電材料可以用於內部金屬芯。在一個實施例中TSV直徑 25%的最大橫截面積。在另一實施例中，球狀遠側末端端部具有比在球狀遠側末端端部下面的凸出的TSV末端的橫截面積大> 40%的最大橫截面積。例如，TSV末端直徑可以是6到10 μ m,並且第一和第二金屬層的組合厚度可以是I到5 μ m厚。對於在本領域中已知由在某些金屬(例如Cu)或半導體表面上開始的各向同性澱積圖案來表徵的無電工藝，在垂直於TSV末端的長度方向的尺寸中的澱積厚度通常是TSV末端的長度尺寸中澱積厚度的70%到85%。因此，4 μ m厚的澱積厚度提供約6 μ m的TSV寬度尺寸的增加。在第一特別實施例中，第一金屬層包含Ni並且第二金屬層包含Cu、Pt、Pd或Au。例如，Ni可以是I到4 μ m厚，並且第二金屬層可以包含2到5 μ m厚的Cu。Ni提供MC阻擋，同時實施為Cu層的第二金屬有助於焊料隨後轉換成CuxSnyMC,並在第一金屬層中延遲Ni完全轉換成MC，由此擴展EM能力。通過形成球狀末端端部，有效末端面積顯著增加，這降低在TSV末端和焊料之間分界面的電流密度。此外，球狀末端端部阻擋/延遲MC形成反應進入TSV末端。球狀遠側末端也延緩TSV內部金屬芯(例如Cu)由於與覆蓋的Sn基焊料一起形成MC而消耗。在第二特別實施例中，第一金屬層包含Ni並且第二金屬層包含Pd。在該第二特別實施例中，Pd可以是0.2到0.6 μ m厚。在第二特別實施例中，浸沒Au層可以澱積在Pd或其他第二金屬層上從而改善焊料浸溼。Au層可以是200到500A厚。Pd可以提供阻擋從而防止Au擴散通過直到PSV末端，並可以提供阻擋從而防止P (例如源自下面的NiP)腐蝕Au。圖1B是根據本發明的另一實施例示出在形成TSV晶片的示範方法150中的步驟的流程圖。步驟151包含提供晶圓，該晶圓包含多個TSV管芯，其中每個TSV管芯都具有包括有源電路的頂側半導體表面和底側表面，以及多個TSV。TSV包含內部金屬芯和外部介電套管，該外部介電套管延伸管芯的整個厚度，從頂側半導體表面(一般耦合到接觸層級或BEOL金屬層(例如M1、M2等)中的一個)延伸到從TSV管芯的底側表面出現的凸出的TSV末端。TSV末端包括側壁。步驟152包含在晶圓的底側表面上，包括在凸出的TSV上方澱積介電鈍化層。在一個實施例中，使用旋塗工藝澱積鈍化層。然而，可以使用其他澱積工藝。步驟153包含蝕刻鈍化層從而顯露凸出的TSV末端的遠側部分，該蝕刻包括暴露內部金屬芯的一部分，其中在蝕刻之後鈍化層繼續覆蓋晶圓的橫向於凸出的TSV的底側表面和一部分側壁。幹蝕刻可以用於該步驟。一些溼蝕刻工藝也可以是合適的。例如，一種示範溼蝕刻工藝用密封TSV末端的介電聚合物塗覆TSV末端，並然後使用溶劑將介電聚合物的一部分從TSV末端移除，從而暴露TSV末端的遠側部分以容許至其的電連接。在一個實施例中步驟152可以包含介電鈍化層的化學汽相澱積(CVD)，該介電鈍化層包含氮化娃或氮氧化娃，並且步驟153可以包含化學機械拋光(CMP)從而顯露凸出的TSV末端的遠側部分，包括暴露內部金屬芯的一部分。在該實施例中金屬鍍覆(在下面描述的步驟154、155)跨該鈍化層橫向生長。步驟154類似於在方法100中的步驟102，並包含在TSV的凸出的TSV末端的遠側部分上鍍覆除焊料之外的第一金屬層。該鍍覆可以包含無電鍍覆。步驟155類似於在方法100中的步驟103，並包含在第一金屬層上鍍覆不同於第一金屬層的除焊料之外的第二金屬層。鍍覆可以包含無電鍍覆。第一金屬層與第二金屬層一起為凸出的TSV末端提供球狀遠側末端端部。球狀遠側末端端部覆蓋TSV側壁的一部分和外部介電套管的最頂表面，並具有比在球狀遠側末端端部下面的凸出的TSV末端的橫截面積大> 25%的最大橫截面積。圖2A是根據本發明的實施例的TSV管芯200的簡化橫截圖示，TSV管芯200包含具有凸出的TSV末端217的至少一個TSV216，凸出的TSV末端217具有球狀遠側末端端部217 (a)。TSV管芯200包含襯底205，襯底205包括頂側半導體表面207和底側表面210，頂側半導體表面207包括有源電路209。示出的連接器208描繪在頂側半導體表面207上的TSV216到有源電路209之間的耦合。TSV216包含外部介電套管221和內部金屬芯220，以及在外部介電套管221和內部金屬芯220之間的TSV阻擋層222。TSV216從頂側半導體表面207延伸到從底側表面210出現的凸出的TSV末端217。TSV末端包括在其上具有外部介電套管221和阻擋層222的側壁。介電鈍化層231橫向於凸出的TSV末端217，包括在凸出的TSV末端217的側壁的一部分上。凸出的TSV末端217的遠側部分缺少介電鈍化層231從而提供內部金屬芯220的暴露部分。包括除焊料之外的第一金屬的第一金屬層覆蓋凸出的TSV末端217的暴露部分。第二金屬層242包括除焊料之外的第二金屬,其與第一金屬層241上的第一金屬不同。可見第一金屬層241與第二金屬層242 —起為凸出的TSV末端217提供球狀遠側末端端部217(a)，其覆蓋TSV側壁的一部分和外部介電套管221的最頂表面221(a)，並且其提供大於在球狀遠側末端端部217 Ca)下面的凸出的TSV末端217的橫截面積> 25%的橫截面積。在組裝、可靠性測試期間以及在使用期間，當TSV缺少充當IMC阻擋層的金屬蓋時，在常規TSV接頭中使用的焊料將從TSV末端消耗內部金屬芯(例如Cu)，這可以導致TSV內部芯金屬例如Cu轉換成MC。本發明人已認識到MC形成引起體積增加，這可以使周圍外部介電套管221 (尤其是凸出的TSV末端217離開襯底205的底側表面210的點附近)破裂。在此披露的球狀末端端部217 (a)除了減小在TSV末端與焊料的分界面的電流密度之夕卜，還如上所述阻止/延遲MC形成反應進入TSV末端。球狀末端也延緩TSV內部金屬芯(例如Cu)由於與覆蓋的Sn基焊料一起形成MC而被消耗。在下面描述的圖4示出示範焊點，該示範焊點將具有從TSV管芯的底側表面凸出的球狀末端端部的TSV末端與具有多個凸出結合特徵的第二 IC管芯耦合。圖2B是根據本發明的另一實施例的TSV管芯250的簡化橫截圖示，TSV管芯250包含具有球狀遠側末端端部的至少一個TSV。在圖2B中示出的球狀末端端部217 (b)包含可選的第三金屬層243、第二金屬層242和第一金屬層241。在該實施例中，第一金屬層241可以包含Ni (例如I到4 μ m厚)，第二金屬層242可以包含Pd (例如0.2到0.6 μ m厚)，並且第三金屬層243可以包含Au (例如200到500A厚)。如上面提到，Pd可以阻擋可能的Au擴散，並也可以阻擋源自下面的NiP的P對Au的可能腐蝕。圖3是涉及在圖2A中示出的實施例的TSV管芯300的簡化橫截圖示，TSV管芯300包含具有球狀遠側末端端部217 Ca)的TSV216，TSV管芯300經修改使得外部介電TSV套管221沿凸出的TSV末端217的側壁延伸小於凸出的TSV末端217的長度的距離。在此稱為中間距離(Di)的該距離可以是:凸出的TSV末端的長度的1/3≤Di≤凸出的TSV末端的長度-1 μ m。用於形成具有沿凸出的TSV末端217的側壁延伸小於凸出的TSV末端217的長度的距離的外部介電TSV套管221的此類TSV末端的方法在授予Bonifield等人的共同受讓的公開美國專利申請N0.20090278238能夠找到。圖4是包含第一 TSV管芯200 (如上面描述在圖2A中示出)和第二 IC管芯420的堆疊IC器件的簡化橫截圖示，第一 TSV管芯200包含具有球狀遠TSV末端端部217 (a)的TSV216，並且第二 IC管芯420具有多個凸出結合特徵，其中示出在結合墊422上的單個結合特徵(例如銅墊)425在回流焊料(例如，電解SnAg2.5wt.%焊料)接頭435處接合到TSV管芯200的球狀末端端部217 (a)。IMC426 (例如CuxSny)在結合特徵425上示出，其獲得自焊料回流工藝。在圖2B中示出的第三金屬層243沒有在圖4中示出，因為其一般在焊料回流期間完全分解並因此完全擴散進入焊料從而被包括在回流焊料接頭435中。另外，另一 MC層426』在焊料接頭435中的焊料和第二金屬層242 (例如Ni第二金屬層)之間形成。在第二金屬層包含Ni的情況下，由於與Ni和Sn之間的MC形成速率相比，當其是Cu和Sn時，IMC在結合墊425之間以更快的速率形成，因此MC層426』將比MC層426薄得多。圖4也示出公開的球狀末端端部怎樣通過顯著增加TSV末端217的遠側部的有效面積，解決因為TSV末端與鄰接墊425相比的(相對)較小橫截面積(例如直徑)上的EM限制，所以必須在晶圓背側上的TSV末端上方建立圖案化金屬墊，或添加額外的TSV從而向下一層供應充足電流的問題。在頂側半導體表面上形成的有源電路包含電路元件，該電路元件一般包括電晶體、二極體、電容器和電阻器，以及將這些各種電路元件互連的信號線和其他電導體。公開的實施例可以集成各種工藝流程從而形成各種器件和相關產品。半導體襯底可以包括在其中的各種元件和/或其上的各種層。這些可以包括阻擋層、其他介電層、器件結構，包括源極區、漏極區、位線、基極、發射極、集電極、導線、導電通孔等的有源元件和無源元件。此外，公開的實施例可以在包括雙極型、CMOS、BiCMOS和MEMS的各種工藝中使用。本發明涉及領域的技術人員認識到可以對已描述示例實施例和在要求保護的發明的範圍內實施的其他實施例做出修改。
權利要求
1.一種形成穿透矽通孔管芯的方法，包含: 在TSV的凸出的TSV末端的遠側部分上鍍覆除焊料之外的第一金屬層，所述TSV包括側壁並包含外部介電套管和內部金屬芯；以及 在所述第一金屬層上鍍覆不同於所述第一金屬層的除焊料之外的第二金屬層； 其中所述第一金屬層和所述第二金屬層一起為所述凸出的TSV末端提供覆蓋所述TSV側壁的一部分和所述外部介電套管的最頂表面的球狀遠側末端端部，所述球狀遠側末端端部具有比在所述球狀遠側末端端部下面的所述凸出的TSV末端的橫截面積大>25%的橫截面積。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述鍍覆所述第一金屬層和所述鍍覆所述第二金屬層都包含選擇性無電鍍覆，並且其中所述球狀遠側末端端部在所述凸出的TSV末端的所述遠側部分上選擇性形成。
3.根據權利要求2所述的方法: 其中所述TSV管芯在包含多個所述TSV管芯的晶圓上，並且其中所述多個TSV管芯中的每個都具有包括有源電路的頂側半導體表面和底側表面，並包括多個所述TSV，其中所述多個TSV從在所述頂側半導體表面上的所述有源電路延伸到從所述底側表面出現的所述凸出的TSV末端，並且其中所述凸出的TSV末端包括側壁，所述方法進一步包含在所述選擇性無電鍍覆之前: 在所述晶圓的所述底側表面上，包括在所述凸出的TSV末端上方澱積鈍化層；以及 蝕刻所述鈍化層從而顯露所述凸出的TSV末端的遠側部分，包括暴露所述內部金屬芯的一部分，其中在所述蝕刻之後，所述鈍化層繼續覆蓋橫向於所述凸出的TSV末端的所述晶圓的所述底側表面和所述側壁的一部分。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述澱積包含化學汽相澱積(CVD)，所述鈍化層包含氮化矽或氮氧化矽，並且所述蝕刻包含化學機械拋光(CMP)。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一金屬層包含N1、Pd、Co、Cr、Rh、NiP、NiB、CoffP 或 CoP。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述第一金屬層包含Ni，並且第二金屬層包含Cu或Pd ;並且進一步包含在所述第二金屬層上澱積Au層。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述外部介電套管沿所述凸出的TSV末端的所述側壁延伸一中間距離(Di )，其中所述凸出的TSV末端的長度的1/3 SDi <所述凸出的TSV末端的所述長度-1 μ m。
8.一種穿透襯底的通孔(TSV)管芯，包含: 頂側半導體表面和底側表面，所述頂側半導體表面包括有源電路； 多個TSV，所述多個TSV包括側壁，並包含外部介電套管和內部金屬芯，其中所述多個TSV從在所述頂側半導體表面上的所述有源電路延伸到從所述底側表面出現的凸出的TSV末端，其中所述凸出的TSV末端包括側壁； 鈍化層，所述鈍化層橫向於所述凸出的TSV末端的一部分，包括在所述凸出的TSV末端的所述側壁的一部分上，其中在所述凸出的TSV末端的遠側部分沒有所述鈍化層，從而提供所述內部金屬芯的暴露部分； 第一金屬層，所述第一金屬層包括覆蓋所述凸出的TSV末端的所述暴露部分的除焊料之外的第一金屬；以及 第二金屬層，所述第二金屬層包括不同於在所述第一金屬層上的所述第一金屬的除焊料之外的第二金屬； 其中所述第一金屬層和所述第二金屬層一起為所述凸出的TSV末端提供覆蓋所述TSV側壁的一部分和所述外部介電套管的最頂表面的球狀遠側末端端部，所述球狀遠側末端端部具有比在所述球狀遠側末端端部下面的所述凸出的TSV末端的橫截面積大>25%的橫截面積。
9.根據權利要求8所述的TSV管芯，其中所述球狀遠側末端端部提供比在所述球狀遠側末端端部下面的所述凸出的TSV末端的橫截面積大> 40%的橫截面積。
10.根據權利要求8所述的TSV管芯，其中所述第一金屬包含N1、Pd、Co、Cr、Rh、NiP,NiB、CoWP 或 CoP。
11.根據權利要求10所述的TSV管芯，其中所述第一金屬包含Ni，並且第二金屬包含Cu或Pd ;並且進一步包含在所述第二金屬層上的Au層。
12.根據權利要求 8所述的TSV管芯，其中所述外部介電套管沿所述凸出的TSV末端的所述側壁延伸一中間距離(Di )，其中所述凸出的TSV末端的長度的1/3 SDiS所述凸出的TSV末端的所述長度-1 μ m。
13.—種堆疊集成電路(IC)器件，包含: 頂側半導體表面和底側表面，所述頂側半導體表面包括有源電路； 多個穿透襯底的通孔(TSV)，所述多個TSV包括側壁，所述側壁包含外部介電套管和內部金屬芯，其中所述多個TSV從在所述頂側半導體表面上的所述有源電路延伸到從所述底側表面出現的凸出的TSV末端，其中所述凸出的TSV末端包括側壁，以及 在所述底側表面上的鈍化層，所述鈍化層橫向於所述凸出的TSV末端，包括在所述凸出的TSV末端的所述側壁的一部分上，其中包括所述內部金屬芯的暴露部分的所述凸出的TSV末端的遠側部分沒有所述鈍化層； 其中所述凸出的TSV末端在所述凸出的TSV末端的所述遠側部分上包括球狀遠側末端端部，所述球狀遠側末端端部包含: 第一金屬層，所述第一金屬層包括除焊料之外的第一金屬；以及 第二金屬層，所述第二金屬層包括不同於在所述第一金屬層上的所述第一金屬的除焊料之外的第二金屬； 其中所述第一金屬層和所述第二金屬層一起為所述凸出的TSV末端提供覆蓋所述TSV側壁的一部分和所述外部介電套管的最頂表面的球狀遠側末端端部，所述球狀遠側末端端部具有比在所述球狀遠側末端端部下面的所述凸出的TSV末端的橫截面積大>25%的橫截面積；以及 第二 IC晶片，所述第二 IC晶片具有在接頭接合到所述第一 IC晶片的所述球狀遠側末端端部的多個凸出的結合特徵。
14.根據權利要求13所述的堆疊IC管芯器件，所述第一金屬包含N1、Pd、Co、Cr、Rh、NiP、NiB、CoWP 或 CoP。
15.根據權利要求14所述的堆疊IC管芯器件，其中所述外部介電套管沿所述凸出的TSV末端的所述側壁延伸一中間距離(Di )，其中所述凸出的TSV末端的長度的1/3 ^ Di ^所述凸出的TSV末端的 所述長度-1 μ m。
全文摘要
一種穿透襯底的通孔(TSV)晶片(200)，其包括多個TSV(216)，TSV(216)包括外部介電套管(221)和內部金屬芯(220)以及凸出的TSV末端(217)，凸出的TSV末端端部(217)包括從TSV管芯出現的側壁。橫向於凸出的TSV末端的鈍化層(231)在凸出的TSV末端的側壁的一部分上。在凸出的TSV末端的遠側部分缺少鈍化層，從而提供內部金屬芯的暴露部分。TSV末端包括球狀遠側末端端部(217(a))，其包括第一金屬層(241)和第二金屬層(242)，第一金屬層(241)包括除焊料之外的第一金屬，並且第二金屬層(242)包括覆蓋暴露末端部分的除焊料之外的第二金屬。球狀遠側末端端部覆蓋TSV側壁的一部分並在外部介電套管的最頂表面上方，並具有比在球狀遠側末端端部下面的凸出的TSV末端的橫截面積大≥25%的最大橫截面積。
文檔編號H01L23/48GK103109362SQ201180043062
公開日2013年5月15日 申請日期2011年9月13日 優先權日2010年9月13日
發明者J·A·韋斯特, Y-J·樸 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司