专利名称：用于tsv铜附着的z形结构的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于形成半导体器件的系统和方法，更具体地，涉及用于形成穿 透硅通孔(TSV)和金属层之间的接触孔的系统和方法。
背景技术：
—般地，为了形成半导体管芯的金属层和延伸穿过半导体管芯的TSV之间的接触 孔，覆盖金属层的钝化层被刻蚀以形成接触开口并暴露金属线的接触部分。在刻蚀之后，形 成阻挡层以接触暴露的接触部分并覆盖接触开口和TSV的侧壁。然后，对接触开口和TSV通 过如电镀的工艺过填充铜。虽然铜和阻挡层的一部分可能被移除，但是介于接触开口和TSV 之间的阻挡层和铜则被留下来以维持电接触，从而实现了与半导体管芯相对侧的电接触。
然而，该工艺通常产生具有与其下材料低附着铜导体。另外，因为由加热和冷却工 艺造成的膨胀和收縮能加剧低附着的问题，所以这也可能限制完成半导体管芯制造所需要 的后续工艺的热预算。后续工艺条件的这个限制是所不期望的。 因此，需要一种通过增加导体的附着能力而增加TSV温度性能的结构和方法。
发明内容
本发明提供了具有用于半导体更好附着的Z形横截面的接触衬垫，其优选的实施 例普遍解决或避开了上述以及其他的问题，并且普遍达到了技术效果。 根据本发明的优选的实施例， 一种半导体器件，包括衬底，其具有第一导电物件 和位于第一导电物件之上的钝化层。接触衬垫延伸穿过钝化层内的多个开口以形成与第一 导电物件的多个间断接触。 根据本发明的另一个优选的实施例，一种半导体器件，包括衬底，衬底之上的金属 层和金属层之上的钝化层。第一导体延伸穿过钝化层并与最上层金属层共用分界面。第一 导体在接触最上层金属层，钝化层，返回最上层金属层之间交替。穿透硅通孔与第一导体接 触。 根据本发明的又一个优选的实施例， 一种半导体器件，包括衬底，其具有多个金属
层。第一导体形成为z形结构以形成与至少一个金属层的多个接触点，钝化层位于第一导
体和金属层之间，在这里导体不接触金属层。第二导体从第一导体延伸到穿透硅通孔。
本发明的优选实施例的有益效果为能够达到接触衬垫和导体之间更好的附着。由 于接下来的工艺的温度范围可以扩展以适应更好的附着，所以也能够达到更大的工艺适应 性。
为了对本发明及其有益效果有更加全面的理解，现在结合附图进行参考以下描 述，其中 图1示出了根据本发明实施例的具有金属化层和上层金属接触孔的衬底；
图2示出了根据本发明实施例的在金属化层和上层金属接触孔之上的第一钝化 层的形成，以形成Z形构形； 图3A-3D示出了根据本发明实施例的TSV接触衬垫和外部接触衬垫； 图4示出了根据本发明实施例的第二钝化层的形成； 图5示出了根据本发明实施例的TSV开口的形成； 图6示出了根据本发明实施例的管芯之上的隔离层的形成； 图7示出了根据本发明实施例的TSV接触衬垫和TSV开口之上的阻挡层的形成；
图8示出了根据本发明实施例的外部接触衬垫之上的光掩膜的形成；
图9示出了 TSV开口内和TSV接触衬垫之上的过填充的导电材料的形成；
图10示出了根据本发明实施例的外部接触衬垫之上的阻挡层的移除和TSV接触 衬垫和穿透硅通孔之上的导电材料的减薄；以及 图ll示出了根据本发明实施例的管芯 的减薄和管芯的第二面之上的导电层和 ENIG层的形成。 不同的附图中的相应的数字和标号除非另有说明外一般指示相应的部分。附图绘 制为清楚地示出优选的实施例的相关方面，并不必要按照比例绘制。
具体实施例方式
下面详细讨论本发明优选的实施例的制造和使用。然而，应当理解的是，示出的实 施例提供了很多可在广泛多种场景中实施的适用的发明构思。所讨论的特定的实施例仅是 制造和使用本发明的特定方法，并不是对本发明范围的限制。 本发明结合特定场景下的优选的实施例进行描述，即金属层和TSV之间的接触衬 垫。然而，本发明也可以实施于其他接触衬垫。 现在参考图l，示出了半导体管芯100的剖面图，其包括衬底IOI，金属化层103， 第一上层金属接触孔105和第二上层金属接触孔107。衬底101可以包括掺杂的或未掺杂 的体硅，或绝缘体上硅(SOI)衬底的有源层。 一般地，SOI衬底包括半导体材料层，如硅， 锗，锗硅，SOI，绝缘体上锗硅(SGOI)及其组合。可以使用的其他衬底包括多层衬底、梯度 (gradient)衬底或混合方向衬底。在在衬底101中或表面可以使用任何适合的方法形成各 种有源器件(未示出)如晶体管，电容，电阻等等。 金属化层103形成在衬底101之上，其被设计为连接各个有源器件以形成功能电 路。金属化层103优选为由交替的电介质和导电材料形成，且可以通过任何适合的工艺(如 淀积，镶嵌等)形成。优选地，至少4个金属化层通过至少一个层间电介质层(ILD)与衬底 101隔开，但是金属化层103的准确数目依赖于半导体管芯100的设计。
第一上层金属接触孔105优选为位于金属化层103的最上层。第一上层金属接触 孔105用作金属化层103的其余部分和外部接触衬垫(以下参考图3A进行描述)之间的 接触孔。第一上层金属接触孔105优选为包括材料如铜，优选为使用镶嵌或双镶嵌工艺形 成，其中将铜过填充到电介质层的开口中，然后通过如化学机械抛光(CMP)的工艺移除多 余的铜。然而，可以选择使用任何适合的材料(如铝)以及任何适合的工艺(如淀积或刻 蚀)形成第一上层金属接触孔105。 第二上层金属接触孔107也位于金属化层103的最上层，但是与第一上层金属接触孔105隔开。第二上层金属接触孔107用作金属化层103的其余部分和TSV接触衬垫 (以下参考图3A进行描述)之间的接触孔。第二上层金属接触孔107以与其他金属化层 103类似的方式和类似的材料形成(如双镶嵌等等)。 图2示出了金属化层103，第一上层金属接触孔105和第二上层金属接触孔107之 上的第一钝化层201的形成和构图。第一钝化层201优选包括电介质材料，如氧化物或氮 化硅，也可以替换使用其他适合的电介质，如高k值电介质。优选使用等离子体增强化学汽 相淀积(PECVD)工艺形成第一钝化层201，也可以选择使用任何其他适合的工艺。第一钝化 层201优选为具有介于大约0. 6 ii m到大约1. 4 ii m之间的厚度，优选厚度为1 P m。
—旦形成，优选使用适合的光刻技术对第一钝化层201进行构图。第一钝化层201 的构图优选为使用光敏材料(未示出)进行，将光敏材料以需要的构图暴露在光线中。然 后，优选对光敏材料进行显影，接着将光致抗蚀剂的不需要的部分移除，保留光掩膜。然后， 通过刻蚀工艺将光掩膜的构图转印到第一钝化层201。 优选对第一钝化层201进行构图以暴露第一上层金属接触孔105和第二上层金属 接触孔107的部分。优选对在第二上层金属接触孔107之上的第一钝化层201进行构图， 以保留第一钝化层在第二上层金属接触孔107的暴露部分之间的部分。通过这种方法，上 表面在第二上层金属接触孔107和第一钝化层201之间交替，从而形成上表面的Z形结构。 该结构优选为暴露第二上层金属接触孔107大约30%到70%之间，更优选为暴露第二上层 金属接触孔107大约40%。第一钝化层201的优选高度为介于大约1.2iim到大约3iim之 间，优选高度为大约1.2iim。 该结构(为了保留第一钝化层201在第二上层金属接触孔107之上的部分)增加 了形成在第二上层金属接触孔107和第一钝化层201之上的下一个层的接触表面积。接触 表面积的增加有利于改进相邻层之间的附着。另外，通过对第一钝化层201的构图，不需要 附加的工艺步骤，这样有利于节省基本的工艺费用。 图3A示出了 TSV接触衬垫301和外部接触衬垫303的形成。TSV接触衬垫301提 供了从管芯100的电路(包括有源器件和金属化层)到之后形成的TSV(以下参考图5-11 进行描述)的连接。外部接触衬垫303用作从半导体管芯100到半导体管芯100之外的 其他器件(未示出)的连接。优选地，将外部接触衬垫303连接到引线键合(未示出)，然 而，可选择地，任何适当的连接类型，如球栅阵列或连接的压縮的类型也可以连接到外部接 触衬垫303。 TSV接触衬垫301和外部接触衬垫303优选为包括铝，优选为通过在第一钝化层 201之上共形地淀积铝层而形成。该共形的淀积填充了第一钝化层201被移除的那些部分， 并保留由第一钝化层201和第二上层金属接触孔107所形成的Z形结构。一旦淀积了铝层， 接着优选地在该层之上形成光致抗蚀剂，然后对铝层进行刻蚀以形成TSV接触衬垫301和 外部接触衬垫303。 然而，本领域技术人员可以认识到，上述形成TSV接触衬垫301和外部接触衬垫 303的工艺仅仅是形成的一种材料和形成方法。可以使用其他适合的材料，例如，包括(但 不限于)铝、金、银、镍、铜、钨、钛、钽以及它们的化合物、它们的合金、它们的多个层、它们 的复合物和它们的组合物。另外，不同的材料可能需要不同的形成方法，如溅射或双镶嵌工 。所有的这些材料和形成方法可以替换使用，其中每个都全部地包括在本发明的保护范围之内。 图3B-3D示出了 TSV接触衬垫301的平面图，并示出了优选为具有与之下的第一 钝化层201相同形状的TSV接触衬垫301的凸起部分305。 TSV接触衬垫301的这些凸起 部分305优选基本地形成为方形的平台，如图3B所示。然而，可选择地，TSV接触衬垫301 的凸起部分305可被形成为在如图3C所示的在第一方向或如图3D所示的在第二方向上的 凸起金属线，虽然这些将占用TSV接触衬垫301更大的面积。 图4示出了在第一钝化层201、外部接触衬垫303和TSV接触衬垫301之上的第二 钝化层401的形成。第二钝化层401优选包括电介质材料，如氧化物或氮化硅，但是也可以 选择使用其他适合的电介质。优选地，使用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)工艺形成 第二钝化层401，但是也可以选择使用任何适合的工艺，如CVD或LPCVD。第二钝化层401 优选为具有介于大约0. 6 ii m到大约1. 4 ii m之间的厚度，优选为具有大约1 P m的厚度。
在第二钝化层401形成之后，对第二钝化层401构图以暴露TSV接触衬垫301和 外部接触衬垫303的部分。优选地，通过涂覆和显影第二钝化层401之上的光刻膜(未示 出)，然后移除未显影的不需要的部分以形成光掩膜而进行构图。 一旦光掩膜放置好，接着 对第二钝化层401进行刻蚀，使用光掩膜作为掩膜将构图转移到第二钝化层401。
图5示出了 TSV开口 501的形成。优选地，涂覆和显影适合的光致抗蚀剂(未示 出)，然后刻蚀第二钝化层401，第一钝化层201，金属化层103和至少一部分衬底101以形 成TSV开口501。可选择地，可以在半导体管芯100从衬底101向上构造时与独立层(如电 介质和金属层)同时形成。 优选地，形成TSV开口 501以延伸到衬底101内，至少远于形成在衬底101其中和 其上的电器件，优选地至少延伸至大于管芯100的可能需要高度的深度。因此，虽然从衬底 IOI表面之上的TSV开口 501的深度依赖于半导体管芯100的整体设计，但该深度优选为介 于大约70iim到大约190iim之间，更优选为大约150 ym。另夕卜，TSV开口 501优选为具有 大约20 ii m到大约70 ii m的直径，更优选为大约50 y m。 图6示出了半导体管芯100之上的隔离层601的形成和构图，隔离层601覆盖TSV 开口 501的侧壁和底部。虽然可以选择地使用任何适合的电介质，但是隔离层601优选为 正硅酸四乙酯(TEOS)或氮化硅。优选地，采用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)工艺形 成隔离层601，然而也可以选择使用其他适合的工艺。 —旦隔离层601已经被淀积，通过在隔离层601之上形成光致抗蚀剂层(未示出) 对其进行构图。 一旦已在隔离层601之上形成光致抗蚀剂层，则对其进行构图，包括通过将 其暴露在光线中，显影光致抗蚀剂，然后移除未曝光的部分。优选地，对光致抗蚀剂层进行 构图以暴露隔离层601的部分用于之后的刻蚀。 在对光致抗蚀剂层构图之后，对隔离层601的曝光部分进行刻蚀。优选地，使用氟 基刻蚀剂如CF4， CHF3或SF6进行该刻蚀，然而也可以选择使用任何适合的刻蚀剂。优选 地，进行持续的刻蚀直到将外部接触衬垫303的部分和TSV接触衬垫301的部分暴露。一 旦刻蚀完成，优选地，通过适合的灰化或去膜工艺移除光致抗蚀剂层。 图7示出了在隔离层601的保留部分之上的阻挡层701的形成，其与外部接触衬 垫303和TSV接触衬垫301相接触。阻挡层701优选包括导电材料如氮化钛，然而也可以选 择使用其他材料，如氮化钽或钛。优选地，采用CVD工艺，如PECVD，来形成阻挡层701。然而，可以选择使用其他可选择的工艺，如溅射或金属有机化学汽相淀积(M0CVD)。形成阻挡层701以形成之下的半导体管芯100的形状的轮廓。优选地，阻挡层701的部分与隔离层601的保留部分的形状一致，从而保持了阻挡层701和TSV接触衬垫301之间的Z形结构。
可选地，可以在阻挡层701之上形成晶种层(未示出)。优选地，通过CVD淀积形成晶种层，优选地由铜形成晶种层，然而如果需要也可以使用其他的方法和材料。与阻挡层701类似，优选地共形地淀积晶种层以保持其淀积的表面的Z形形状。这保证了在晶种层上保持阻挡层的Z形形状。 图8示出了阻挡层701之上的第二光致抗蚀剂801的形成和构图。第二光致抗蚀剂801优选为干膜光致抗蚀剂，如光敏聚酰亚胺膜，优选地通过在半导体管芯100的表面上层压第二光致抗蚀剂801而形成。优选地对第二光致抗蚀剂801进行构图以保护外部接触衬垫303不受后续工艺的损伤，同时保留暴露的TSV接触衬垫301，位于TSV接触衬垫301之上的阻挡层701部分，和在TSV开口 501之上的阻挡层701部分。 图9示出了阻挡层701上的导电材料901电镀。优选地，导电材料901完全填充或过填充TSV接触衬垫301的开口和TSV开口 501。另外，导电材料901也形成在开口之外的阻挡层701的表面，以形成从TSV开口 501到TSV接触衬垫301的通路。
优选地通过电沉积工艺形成导电材料901，且优选地包括铜。然而，可以选择使用其他适合的方法，如无电淀积，电镀或CVD，或其他适合的材料如钨，来形成导电材料。初始形成在阻挡层之上的导电材料901的厚度为大约10 m到大约30 m，更优选为大约20iim。 一旦导电材料901已经形成，第二光致抗蚀剂801优选为通过适合的工艺如去膜或灰化来移除。 图10示出了阻挡层的部分从第二光致抗蚀剂801保护的区域的移除，其中防止导电材料901被电镀。优选地，使用刻蚀剂如112504和11202移除阻挡层701。然而，可以选择使用其他适合的方法移除这些层。 图11示出了在TSV1103的形成中进一步的步骤。优选地，将载体1101贴合到半导体器件100的第一表面。载体1101可以包括，例如，玻璃，氧化硅，氧化铝等等。在一个实施例中，可采用第二粘合剂(未示出)将载体1101粘合到半导体管芯100的顶面。第二粘合剂可以是任何适合的粘合剂，如紫外(UV)胶粘剂，其在暴露在UV光中时丧失粘合性质。载体1101的优选的厚度为大于大约12mil。 可选择地，载体1101优选包括适合的载带。如果使用载带，则载带优选为公知的蓝带。优选地，采用位于载带上的第二粘合剂(未示出)将载带粘合到半导体管芯100。
—旦粘合到载体1101上，衬底101的第二面1102的部分就被移除以暴露位于TSV开口 501之内的导电材料901以完成TSV 1103。优选地，通过研磨工艺如化学机械抛光(CMP)来进行移除，然而也可以选择使用其他适合的工艺，如刻蚀。移除工艺优选移除衬底的大约100 ii m到大约190 ii m，更优选为移除衬底的大约175 y m。 在衬底101的第二面1102的部分被移除之后，优选地进行第二刻蚀。第二刻蚀用于在CMP之后清洁和抛光衬底101。另外，第二刻蚀也有利于释放在磨光衬底101的CMP工艺过程中形成的应力。第二刻蚀优选为使用HN03，然而也可以使用其他适合的刻蚀剂。
最后，在用以移除任何保留的抛光剩余物如氧化铜的清洁工艺之后，优选地在衬底101的第二面1102上形成导电层1104，其与位于TSV 1103内的导电材料901电接触。导电层1104优选包括铝，且优选通过溅射淀积工艺形成。然而，可以选择使用其他材料如镍或铜，或其他形成工艺，如电镀或化学镀。优选地形成的导电层1104具有介于大约lym到大约3 ii m之间的厚度，更优选具有大约2 ii m的厚度。 优选地，在形成导电层1104之后进行化学镀镍金(ENIG)工艺以从衬底101形成与导电层1104相对的ENIG层1105。 ENIG工艺提供平面的、均匀的金属表面涂复层，用于形成管芯100到其他器件(未示出)的接触。ENIG工艺优选包括清洁导电层1104，将衬底IOI浸入锌酸盐活化液(zincate activation solution)，在导电层1104上化学镀镍，和在镍上化学镀金。优选地，形成的ENIG层1105的厚度介于大约2iim到大约4iim之间，更优选厚度为大约3iim。 一旦形成，优选地通过适合的光刻工艺构图导电层1104和ENIG层1105，通过适合的刻蚀工艺移除不想要的材料。 尽管详细描述了本发明及其有益效果，但是应当理解的是，在不偏离限定在附加的权利要求中的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种变化、替代和改造。例如，可以使用很多种工艺来形成TSV。又例如，本领域技术人员很容易理解，形成的材料和工艺可以在本发明的保护范围之内进行变化。 此外，本申请的保护范围不限于本说明书中描述的工艺、设备、制造、物质的组成、装置、方法和步骤的具体实施例。由于本领域的普通技术人员将很容易从本发明所公开的内容得到启示，因此根据本发明的内容，目前存在的或之后开发出的、与这里所描述的相关实施例起到基本相同的作用或达到基本相同的效果的工艺、机器、制造、物质的成分、装置、方法或步骤可能被利用。因此，所附的权利要求目的在于把工艺、机器、制造、物质的成分、装置、方法或步骤包括在其范围之内。
权利要求
一种半导体器件，包括衬底，其具有第一导电物件；在所述第一导电物件之上的钝化层；以及第一接触衬垫，其延伸穿过所述钝化层中的多个开口以形成与所述第一导电物件的多个间断接触。
2. 根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述间断接触在第一方向上间断，在基本 垂直于所述第一方向的第二方向上连续。
3. 根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述间断接触在第一方向和第二方向上间 断，所述第二方向基本垂直于所述第一方向，其中所述间断接触形成网格结构。
4. 根据权利要求1所述的半导体器件，还包括位于所述第一接触衬垫之上的第二导电 物件。
5. 根据权利要求1所述的半导体器件，还包括 第二导电物件，其位于所述衬底之内；以及第二接触衬垫，其延伸穿过所述钝化层，其与所述第二导电物件具有基本平面的分界面。
6. 根据权利要求1所述的半导体器件，还包括与所述第一接触衬垫电连接的穿透硅通孔，其中所述第一接触衬垫位于所述衬底的第一面，所述穿透硅通孔与所述衬底上与所述 第一面相对的第二面上的导体接触。
7. —种半导体器件，包括 半导体衬底；在所述半导体衬底之上的金属层； 在所述金属层之上的钝化层；以及第一导体，其延伸穿过所述钝化层内的多个开口 ，与最上层金属层共用界面，其中，在 第一方向，所述第一导体在接触所述最上层金属层和所述钝化层之间交替。
8. 根据权利要求7所述的半导体器件，还包括穿透硅通孔，其至少部分延伸穿过所述 半导体衬底，所述穿透硅通孔与所述第一导体接触。
9. 根据权利要求7所述的半导体器件，其中，在与所述第一方向基本垂直的第二方向， 所述第一导体在接触最上层金属层和所述钝化层之间交替，其中所述分界面形成基本对称 的接触网格结构。
10. 根据权利要求7所述的半导体器件，还包括与所述第一导体不同的第二导体，其具 有介于所述第二导体和所述最上层金属层的部分之间的平面的分界面。
11. 一种半导体器件，包括 包括第一金属层的半导体衬底； 在所述第一金属层的部分之上的钝化层；以及第一导电层，其形状为具有多个穿过所述钝化层的延伸Z形结构以形成与所述第一金 属层的多个接触点，所述第一导电层接触所述第一金属层的大约30%到70%。
12. 根据权利要求11所述的半导体器件，还包括第二导电层，其将所述第一导电层电 连接到硅通孔。
13. 根据权利要求11所述的半导体器件，其中所述钝化层在所述第一金属层和所述第 一导电层之间形成一组在第一方向基本平行的线。
14. 根据权利要求11所述的半导体器件，其中所述钝化层在所述第一金属层和所述第 一导电层之间形成网格结构。
15. 根据权利要求ll所述的半导体器件，还包括 在所述半导体衬底内的第二金属层；第二导电层，其包括与所述第二金属层基本平面的分界面，所述分界面基本平行于所 述半导体衬底的主表面。
全文摘要
本发明提出了一种用于TSV铜附着的Z形结构及其形成系统和方法。优选的实施例包括与半导体管芯的最上层金属层的部分相接触的TSV。TSV导体和接触衬垫之间的分界面优选表现为非平面的Z形结构，其形成了接触点的网格结构。可选择的，接触点可能形成与接触衬垫相接触的多个金属线。
文档编号H01L23/522GK101714539SQ20091017395
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月24日 优先权日2008年10月3日
发明者沈文维, 郭正铮, 陈志华, 陈承先 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司