半导体结构及其制造方法
【专利摘要】本发明公开一种半导体结构及其制造方法。所述半导体结构包括基板、直通硅穿孔孔洞、层间介电质、衬层及导体。直通硅穿孔孔洞形成于基板中。层间介电质形成于基板上。层间介电质定义出对应直通硅穿孔孔洞的开口。层间介电质包括接近直通硅穿孔孔洞的鸟嘴部分。衬层形成于直通硅穿孔孔洞的底部及侧壁上。导体填充于直通硅穿孔孔洞及开口中。
【专利说明】
半导体结构及其制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种半导体结构及其制造方法。特别是涉及一种包括直通硅穿孔(Through Silicon Via, TSV)的半导体结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]直通硅穿孔是一种完全穿过晶片或管芯的垂直互连件(通孔)。相较于打线接合或倒装堆叠，直通硅穿孔可提供更高的互连密度及更大的空间效益。此外，使用直通硅穿孔，电流可通过晶片或管芯的最短路径，能量或信号因此可以用更有效率的方式传输。并且，还可以降低电阻。
【发明内容】
[0003]发明的目的在于提供一种包括直通硅穿孔的半导体结构及其制造方法，以解决上述问题。
[0004]为达上述目的，根据一些实施例，本发明提供的一种半导体结构包括基板、直通硅穿孔孔洞、层间介电质(interlayer dielectric)、衬层(liner layer)及导体。直通娃穿孔孔洞形成于基板中。层间介电质形成于基板上。层间介电质定义出对应直通硅穿孔孔洞的开口。层间介电质包括接近直通硅穿孔孔洞的鸟嘴(bird beak)部分。衬层形成于直通硅穿孔孔洞的底部及侧壁上。导体填充于直通硅穿孔孔洞及开口中。
[0005]根据一些实施例，一种半导体结构的制造方法包括下列步骤。首先，提供基板。基板具有正面及背面。在基板的正面及背面上依序形成第一垫层(pad layer)及第二垫层。接着，使用位于基板的正面上的第一垫层及第二垫层，同时形成定义区及标记。在定义区于基板中形成直通硅穿孔孔洞。接着，同时在直通硅穿孔孔洞中形成衬层并在基板上形成层间介电质。层间介电质定义出对应直通硅穿孔孔洞的开口。层间介电质包括接近直通硅穿孔孔洞的鸟嘴部分。之后，将导体填入至直通硅穿孔孔洞及开口中。
[0006]为了让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下:
【附图说明】
[0007]图1A-图1L为一实施例的半导体结构制造方法的示意图；
[0008]图2A-图2H为另一实施例的半导体结构制造方法的示意图。
[0009]附图标记
[0010]102:基板
[0011]102b:背面
[0012]102f:正面
[0013]104B、104F:第一垫层
[0014]106B、106F:第二垫层
[0015]108:标记
[0016]110:直通硅穿孔孔洞
[0017]112:衬层
[0018]114、1140:第一障壁层
[0019]116、1160:第一导体
[0020]118:停止层
[0021]120:层间介电质
[0022]122:开口
[0023]124:第二障壁层
[0024]126:第二导体
[0025]202:基板
[0026]202b:背面
[0027]202f:正面
[0028]204B、204F:第一垫层
[0029]206B、206F:第二垫层
[0030]沈8:定义区
[0031]210:标记
[0032]212:直通硅穿孔孔洞
[0033]214:衬层
[0034]216:层间介电质
[0035]216b:鸟嘴部分
[0036]218:开口
[0037]220:障壁层
[0038]222:导体
【具体实施方式】
[0039]图1A-图1L绘示根据一实施例的半导体结构制造方法。请参照图1A，提供基板102。基板102具有正面102f及背面102b。基板102可由硅(Si)所制成。请参照图1B，在基板102的正面102f及背面102b上依序形成第一垫层104F/104B及第二垫层106F/106B。第一垫层104F/104B可由氧化物所制成，例如氧化硅(S12)。第二垫层106F/106B可由氮化物所制成，例如氮化硅(SiN)。接着，请参照图1C，移除基板102的正面102f上的第二垫层106F。此一步骤可通过蚀刻制作工艺来进行。可选择性地进行清洁制作工艺。
[0040]请参照图1D，形成标记108。标记108可通过光刻(lithography)及蚀刻制作工艺来形成，并可进行清洁制作工艺。标记108可在形成直通硅穿孔时用于对准。
[0041]请参照图1E，形成直通硅穿孔孔洞110。直通硅穿孔孔洞110的形成可使用标记108来对准。直通硅穿孔孔洞110可通过光刻及蚀刻制作工艺来形成，并可进行清洁制作工艺。请参照图1F，在直通硅穿孔孔洞110中及基板102上形成衬层112。衬层112可由氧化物所制成，例如氧化娃(S12)。请参照图1G，在衬层112上形成第一障壁层(barrierlayer) 1140。第一障壁层1140可由钽(Ta)及氮化钽(TaN)所制成。请参照图1H，在第一障壁层1140上形成第一导体1160，第一导体1160完全填满直通硅穿孔孔洞110。第一导体1160可通过电镀制作工艺来形成。第一导体1160可为铜(Cu)。接着，移除多余的第一障壁层1140及第一导体1160，只留下在直通硅穿孔孔洞110中的第一障壁层114及第一导体116，如图1I所示。此一步骤可通过化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing, CMP)制作工艺来进行。如此一来，便形成直通硅穿孔的主要元件。
[0042]请参照图1J图，可在基板102上依序形成停止层(stop layer) 118及层间介电质120。停止层118可由氮化物所制成，例如氮化硅(SiN)。层间介电质120可由氧化物所制成，例如氧化硅(S12)。请参照图1K，在层间介电质120及停止层118中形成对应直通硅穿孔孔洞110的开口 122。开口 122可通过光刻及蚀刻制作工艺来形成，并可进行清洁制作工艺。接着请参照图1L，在开口 122中形成第二障壁层124，并将第二导体126填入至开口122中。类似于第一障壁层114，第二障壁层124可由钽(Ta)及氮化钽(TaN)所制成。类似于第一导体116，第二导体126可为铜(Cu)，并由电镀及化学机械研磨制作工艺来形成。
[0043]在上述步骤后，可从基板102的背面102b减薄基板102，直到暴露出位于直通硅穿孔孔洞I1中的第一导体116为止。如此一来，便完成直通硅穿孔的制造。
[0044]由根据此一实施例的方法所形成的半导体结构包括基板102、直通硅穿孔孔洞110、衬层112、第一导体116、层间介电质120及第二导体126。直通硅穿孔孔洞110形成于基板102中。衬层112形成于直通硅穿孔孔洞110的底部及侧壁上。第一导体116填充于直通硅穿孔孔洞110中，并构成直通硅穿孔的主要部分。层间介电质120形成于基板102上。第二导体126形成于层间介电质120对应直通硅穿孔孔洞110的开口 122中，并构成直通硅穿孔的接点的一部分。
[0045]半导体结构还可包括第一障壁层114及第二障壁层124。第一障壁层114形成于直通硅穿孔孔洞110中，而第一导体116形成于第一障壁层114上。第二障壁层124形成于开口 122中，而第二导体126形成于第二障壁层124上。半导体结构还可包括停止层118，位于层间介电质120下方。
[0046]图2A-图2H绘示根据另一实施例的半导体结构制造方法。请参照图2A，提供基板202。基板202具有正面202f及背面202b。基板202可由硅(Si)所制成。请参照图2B，在基板202的正面202f及背面202b上依序形成第一垫层204F/204B及第二垫层206F/206B。第一垫层204F/204B可由氧化物所制成，例如氧化硅(S12)。第二垫层206F/206B可由氮化物所制成，例如氮化硅(SiN)。
[0047]请参照图2C，使用位于基板202的正面202f上的第一垫层204F及第二垫层206F，同时形成定义区208及标记210。此一步骤可通过光刻及蚀刻制作工艺来进行，并可进行清洁制作工艺。标记210可在形成直通硅穿孔时用于对准。
[0048]请参照图2D，在定义区208于基板202中形成直通硅穿孔孔洞212。直通硅穿孔孔洞212的形成可使用标记210来对准。直通硅穿孔孔洞212可通过光刻及蚀刻制作工艺来形成，并可进行清洁制作工艺。请参照图2E，同时在直通硅穿孔孔洞212中形成衬层214并在基板202上形成层间介电质216。层间介电质216定义出对应直通娃穿孔孔洞212的开口 218。衬层214及层间介电质216可由氧化物制成，并可由热氧化制作工艺形成，例如场氧化物制作工艺。因此，层间介电质216包括接近直通硅穿孔孔洞212的鸟嘴部分216b。请参照图2F，可在衬层214上及开口 218中形成障壁层220。障壁层220可由钽(Ta)及氮化钽(TaN)所制成。请参照图2G，将导体222填入至直通硅穿孔孔洞212及开口 218中。导体222形成于障壁层220上。导体222可为铜(Cu)。导体222可由电镀及化学机械研磨制作工艺来形成，其中化学机械研磨制作工艺止于露出层间介电质216。如此一来，便形成直通硅穿孔及其接点的主要元件。
[0049]根据此一实施例的方法还可包括从基板202的背面202b减薄基板202，直到暴露出位于直通硅穿孔孔洞212中的导体222为止的步骤，如图2H所示。如此一来，便完成直通硅穿孔的制造。
[0050]相较于参照图1A-图1L所描述的方法，根据此一实施例的方法包括较少的步骤。举例来说，相较于图1A-图1L所描述的方法是将构成直通硅穿孔的接点的第二导体126与直通硅穿孔孔洞110中的第一导体116分别形成，图2A-图2H所描述的方法是一次性形成的导体222。此外，相较于图1A-图1L所描述的方法是将层间介电质120与衬层112分别形成，图2A-图2H所描述的方法是同时在直通硅穿孔孔洞212中形成衬层214并在基板202上形成层间介电质216。因此，可节省制造时间，并降低成本。更具体地说，可节省约40%的制造时间，并降低约70美元的成本。
[0051]由根据此一实施例的方法所形成的半导体结构包括基板202、直通硅穿孔孔洞212、层间介电质216、衬层214及导体222。直通硅穿孔孔洞212形成于基板202中。层间介电质216形成于基板202上。层间介电质216定义出对应直通硅穿孔孔洞212的开口218。层间介电质216包括接近直通硅穿孔孔洞212的鸟嘴部分216b。衬层214形成于直通硅穿孔孔洞212的底部及侧壁上。导体222填充于直通硅穿孔孔洞212及开口 218中。半导体结构还可包括障壁层220。障壁层220形成于衬层214上及开口 218中，而导体222是形成于障壁层220上。
[0052]虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明精神和范围之内，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。
【主权项】
1.一种半导体结构，包括: 基板； 直通硅穿孔孔洞，形成于所述基板中； 层间介电质，形成于所述基板上，所述层间介电质定义出对应所述直通硅穿孔孔洞的开口，所述层间介电质包括接近所述直通硅穿孔孔洞的鸟嘴部分； 衬层，形成于所述直通硅穿孔孔洞的底部及侧壁上；以及 导体，填充于所述直通硅穿孔孔洞及所述开口中。2.根据权利要求1所述的半导体结构，还包括: 障壁层，形成于所述衬层上及所述开口中，其中所述导体是形成于所述障壁层上。3.根据权利要求2所述的半导体结构，其中所述障壁层是由钽及氮化钽所制成。4.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述基板是由硅所制成。5.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述层间介电质及所述衬层是由氧化物所制成。6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述导体是铜。7.一种半导体结构的制造方法，包括: 提供基板，所述基板具有正面及背面； 在所述基板的所述正面及所述背面上依序形成第一垫层及第二垫层； 使用位于所述基板的所述正面上的所述第一垫层及所述第二垫层，同时形成定义区及标记； 在所述定义区于所述基板中形成直通硅穿孔孔洞； 同时在所述直通硅穿孔孔洞中形成衬层并在所述基板上形成层间介电质，其中所述层间介电质定义出对应所述直通硅穿孔孔洞的开口，所述层间介电质包括接近所述直通硅穿孔孔洞的鸟嘴部分；以及 将导体填入至所述直通硅穿孔孔洞及所述开口中。8.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，还包括: 在所述衬层上及所述开口中形成障壁层，其中所述导体是形成于所述障壁层上。9.根据权利要求8所述的半导体结构的制造方法，其中所述障壁层是由钽及氮化钽所制成。10.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，其中所述基板是由硅所制成。11.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，其中所述第一垫层是由氧化物所制成，所述第二垫层是由氮化物所制成。12.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，其中所述衬层及所述层间介电质是由氧化物所制成。13.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，其中所述导体是铜。14.根据权利要求7所述的半导体结构的制造方法，还包括: 从所述基板的所述背面减薄所述基板，直到暴露出位于所述直通硅穿孔孔洞中的所述导体为止。
【文档编号】H01L21/768GK105990310SQ201510049688
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月30日
【发明人】韩晓飞, 钱钧, 张聚宝
【申请人】联华电子股份有限公司