专利名称：具有台阶的硅通孔结构及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及三维系统级封装中垂直互连结构中的硅通孔结构及其制备工艺。
背景技术：
集成电路工业发展之初，人们就通过不断地缩小关键尺寸，持续提高芯片的集成度，以获得高性能的半导体芯片。当关键尺寸达到数纳米后，继续缩小关键尺寸带来了光刻工艺实施成本剧增以及材料物理特性局限等诸多问题。较已有的通过芯片边缘引线互连的方式形成三维堆叠封装，硅通孔技术将带来具有更高的传输速度、更短的RC延迟、更小的能量消耗、更小的芯片面积的三维堆叠封装。这一技术还可以将工艺不同的集成电路与MEMS芯片集成，使得封装具有更多的功能。硅通孔形成于半导体衬底上，整个结构包括通孔内的绝缘层、粘附层、阻挡层以及与衬底器件相连的横向互连结构。图1示出了一种现有的普通硅通孔结构，该结构包括半导体衬底100，衬底上有集成电路101 (未标出细节)、集成电路焊盘102，以及形成于衬底100中的两个硅通孔结构。 硅通孔结构包括沉积在通孔侧壁的绝缘层107，粘附层、阻挡层108，种子层109，填充金属 llOUllo种子层109还将集成电路焊盘102与填充金属110连接起来。种子金属层109 通过粘附阻挡层108良好的粘结在绝缘层107上。图1将各通孔之间电镀速率不均勻的现象明显表示出来。由于通孔内微小结构的差异，电镀缩小开口后内部结构的差异，电镀过程本身的差异，将导致电镀速率不尽相同， 就极有可能出现电镀后凸出高度不同，这一问题将在化学机械研磨(CMP)、键合工艺中引起应力集中，导致硅片破裂，使得整个硅片报废。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有台阶的硅通孔结构，能够容忍电镀填孔过程中局部电镀速率差异引起的铜柱凸出高度差异，避免在化学机械抛光(CMP)工艺、键合工艺中由于前述问题引起的硅片破裂。本发明的另一目的在于提供上述具有台阶的硅通孔结构的制备工艺。一种具有台阶的硅通孔结构，包括半导体衬底和贯穿所述半导体衬底的具有台阶的通孔，所述台阶通孔侧壁依次沉积有绝缘层、粘附层、阻挡层，通孔内填充有金属导体，半导体衬底表面上还依次沉积有由绝缘层、粘附层、阻挡层、导电层沉积构成的互连结构，互连结构中的导电层与金属导体相连接。进一步地，还包括与所述的金属导体表面相连的焊盘或/和焊球。所述焊盘或/和焊球与金属导体垂直相连。所述焊盘或/和焊球与填充导体不垂直相连。所述焊盘或/和焊球采用铜、钨、铝中的任意一种。
一种具有台阶的通孔结构制备工艺，包括步骤(1)在半导体衬底上双面刻蚀形成具有台阶的通孔；(2)在所述的通孔侧壁和半导体衬底表面上依次沉积绝缘层、粘附层、阻挡层和种子层；(3)首先电镀封闭通孔小直径端口，再从通孔大直径端口电镀填充金属导体；(4)去除衬底表面多余的绝缘层、粘附层、阻挡层和种子层形成用于器件和通孔相连的互连结构。所述刻蚀采用深反应离子刻蚀方法。所述深反应离子刻蚀采用的掩膜从光刻胶、铝、SiO2、氮化硅的组合中选取；所述绝缘层从氧化硅和氮化硅的集合中选取，厚度为200nm至2 μ m。本发明的技术效果体现在本发明公开了一种具有台阶的硅通孔结构，该结构通过增大衬底低端孔的尺寸，电镀填充孔的过程中，在同样的条件下，降低了先完成填充的铜柱上的电流密度，也就降低了其向下增长的速率，能够较好的容忍因电镀速率差异引起的衬底下表面铜柱凸出高度不同对后续的化学机械研磨或者键合工艺引起的影响。
图1为一种现有的普通硅通孔结构图。图2为本发明的硅通孔结构图。图3为本发明硅通孔结构的制备工艺。
具体实施例方式现参考
发明的典型实施方法。如图2所示，该结构包括半导体硅衬底100，衬底上有集成电路101(未标出细节)、集成电路焊盘102，以及形成于衬底100中的两个具有台阶的硅通孔结构。硅通孔结构包括沉积在通孔侧壁的绝缘层Si02107，Ti粘附阻挡层108，铜种子层109，填充金属铜 llOUllo在衬底100上表面的部分铜种子层109还作为横向互连将集成电路焊盘102与填充金属110连接起来。在衬底100上表面的铜种子金属层109通过粘附阻挡层108良好的粘结在衬底上的绝缘层107上。图3为制作该硅通孔结构的典型方法示意图。其基本步骤为a在提供的半导体衬底的上下两面沉积一层掩膜光刻胶103，并通过双面光刻工艺和使得欲刻蚀的衬底暴露出来；b使用深反应离子刻蚀设备从上面刻蚀衬底至一定深度，再从下面刻蚀形成通孔 112,113 ；c使用热氧化工艺在通孔侧壁、半导体衬底两表面形成绝缘层107，光刻去除集成电路焊盘102上的部分绝缘层，使用溅射工艺在通孔侧壁、上表面沉积粘附阻挡层Til08、 种子层Cu 109 ；d在半导体衬底上表面通过光刻工艺使得光刻胶104将不需要电镀的种子层保护起来，使阳极与上表面相对，通过电镀工艺在环周围电镀的金属层将开口封闭；e将阳极与下表面相对，通过电镀工艺完成通孔的金属填充，形成填充金属110、111 ； f光刻保护去除多余的种子层，留下横向互连结构。
权利要求
1.一种具有台阶的硅通孔结构，包括半导体衬底和贯穿所述半导体衬底的具有台阶的通孔，所述台阶通孔侧壁依次沉积有绝缘层、粘附层、阻挡层，通孔内填充有金属导体，半导体衬底表面上还依次沉积有由绝缘层、粘附层、阻挡层、导电层沉积构成的互连结构，互连结构中的导电层与金属导体相连接。
2.如权利要求1所述的具有台阶的硅通孔结构，其特征在于，还包括与所述的金属导体表面相连的焊盘或/和焊球。
3.如权利要求2所述的具有台阶的硅通孔结构，其特征在于，所述焊盘或/和焊球与金属导体垂直相连。
4.如权利要求2所述的具有台阶的硅通孔结构，其特征在于，所述焊盘或/和焊球与填充导体不垂直相连。
5.如权利要求2或3或4所述的具有台阶的硅通孔结构，其特征在于，所述焊盘或/和焊球采用铜、钨、铝中的任意一种。
6.一种具有台阶的通孔结构制备工艺，包括步骤(1)在半导体衬底上双面刻蚀形成具有台阶的通孔；(2)在所述的通孔侧壁和半导体衬底表面上依次沉积绝缘层、粘附层、阻挡层和种子层；(3)首先电镀封闭通孔小直径端口，再从通孔大直径端口电镀填充金属导体；(5)去除衬底表面多余的绝缘层、粘附层、阻挡层和种子层形成用于器件和通孔相连的互连结构。
7.如权利6要求的通孔结构制备工艺，其特征在于，所述刻蚀采用深反应离子刻蚀方法。
8.如权利要求7的通孔结构制备工艺，其特征在于，深反应离子刻蚀采用的掩膜从光刻胶、铝、SiO2、氮化硅的组合中选取。
9.如权利要求7所述的通孔结构制备工艺，其特征在于，所述绝缘层从氧化硅和氮化硅的集合中选取，厚度为200nm至2 μ m。
全文摘要
本发明公开了一种具有台阶的硅通孔结构，包括半导体衬底和贯穿所述半导体衬底的具有台阶的通孔，所述台阶通孔侧壁依次沉积有绝缘层、粘附层、阻挡层，通孔内填充有金属导体，半导体衬底表面上还依次沉积有由绝缘层、粘附层、阻挡层、导电层沉积构成的互连结构，互连结构中的导电层与金属导体相连接。本发明提供了上述硅通孔结构的制备工艺。本发明硅通孔中的台阶能够容忍电镀填孔过程中局部电镀速率差异引起的铜柱凸出高度差异，避免在化学机械抛光(CMP)工艺、键合工艺中由于前述问题引起的硅片破裂。
文档编号H01L23/538GK102376689SQ20111026628
公开日2012年3月14日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者刘胜, 张卓, 徐明海, 徐春林, 汪学方, 王宇哲, 胡畅 申请人:华中科技大学