专利名称：通孔加工方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造和封装领域，特别涉及半导体制造过程中的一种通孔加工 方法，尤其是硅通孔加工方法。
背景技术：
随着集成电路的集成度不断提高，半导体技术也持续的飞速发展。目前半导体技 术发展沿着摩尔定律走微细化的道路发展到了 22nm，已经开始接近其物理极限。此时，引入 其他相关的新技术才能促进集成电路的进一步发展。其中，硅通孔(Through Silicon Via, TSV)技术是当今少有的一个正在快速发展，并且会广泛地影响到消费和工业类电子产品的 技术领域，其带来的3-D IC集成正在不断促进多芯片集成和封装技术的发展。TSV是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连 的最新技术，它实现了最短、最丰富的Z方向互连，将不同功能的芯片堆叠集成，可以同时 实现更多的功能、更好的性能、更低的功耗和成本、争取更大的制造灵活性和更短的产品上 市时间，因此被业界普遍看好，并认为是未来主宰整个微电子产业的主流技术。国际著名市 场研究顾问机构Yoledeveloppement预计到2015年3D-TSV晶圆产量将达数百万片，占据 25%的存储器市场份额。TSV技术中最为关键的就是刻蚀，即TSV通孔的形成。由于半导体硅片衬底通常都 具有相当的厚度，所述形成通孔的工艺为等离子刻蚀工艺，目前业界常用的技术为波什刻 蚀工艺(Bosch process)，波什刻蚀能够形成深宽比相当高的垂直通孔。但是，由于在工艺过程中交替地使用含有不同等离子体的两步进行刻蚀，因 此形成的通孔侧壁不光滑，凸凹不平，形似波浪，也被称为扇贝形貌(scalloping or roughness)。这将使得后续的在通孔侧壁形成的绝缘层的工艺相当困难。除此之外，还会对 后续形成铜阻挡层和铜籽晶层的保型覆盖带来困难。这就容易影响整个TSV的互连特性， 从而使整个器件失效。因此，希望能够提出一种消除TSV通孔侧壁的扇贝形貌对后续工艺的影响的硅通 孔加工方法。
发明内容
本发明的一个目的就是提供一种能够通过形成保型覆盖性良好的绝缘氧化层 (薄膜)，来消除TSV通孔(硅通孔)侧壁的扇贝形貌对后续工艺的影响的方法。根据本发明的通孔加工方法包括步骤提供掩膜；根据掩膜来刻蚀衬底以形成通 孔；部分填充所述通孔，以在所述通孔的侧壁上形成保型覆盖的绝缘氧化层；以及去除所 述掩膜。由此，本发明可以消除波什刻蚀工艺所产生的硅通孔侧壁的扇贝形貌对后续工艺 的影响，并且在硅通孔的侧壁形成表面平滑的绝缘氧化层薄膜，提高了绝缘氧化层薄膜的 保型覆盖性，降低了后续硅通孔填充的难度，最终减小了器件失效的可能性。
优选地，在上述通孔加工方法中，部分填充所述通孔使所述通孔的中间留有缝隙； 并且对部分填充后的所述通孔进行修正。 优选地，在上述通孔加工方法中，所述衬底为硅衬底，并且所述通孔为硅通孔。 优选地，在上述通孔加工方法中，部分填充所述通孔的步骤包括通过高深宽比工 艺生长氧化物层。优选地，在上述通孔加工方法中，对部分填充后的所述通孔进行修正以在所述通 孔的侧壁上形成保型覆盖的绝缘氧化层的步骤包括使用SiCoM对部分填充在所述通孔 中的氧化物进行刻蚀，以在所述通孔的侧壁上形成保型覆盖的绝缘氧化层。优选地，在上述通孔加工方法中，所述根据掩膜来刻蚀衬底以形成通孔的步骤是 通过波什刻蚀工艺实现的。优选地，在上述通孔加工方法中，在高深宽比工艺中，在03/TE0S的时间为 100s-3000s的条件下生长氧化物。优选地，在上述通孔加工方法中，在高深宽比工艺中，在生长氧化物之后，将硅片 置于900°C到1200°C、水蒸气的环境下退火20分钟至1小时。优选地，在上述通孔加工方法中，所述部分填充所述通孔的步骤未封闭所述通孔。优选地，在上述通孔加工方法中，所述掩膜为硬掩膜，并且所述硬掩膜包括氮化 硅、抗反射层和光刻胶层的堆叠结构。优选地，在上述通孔加工方法中，所述去除所述掩膜的步骤包括采用湿法工艺去 除所述掩膜。与现有技术相比，本发明的技术方案还具有以下优点本发明不必经历长时间的 高温氧化工艺，同时简化了工艺步骤；在侧壁上产生了扇贝形貌的情况下，可直接在扇贝形 貌之上形成保型覆盖性良好的绝缘氧化层，降低了填充TSV通孔的难度，最终减小了 TSV器 件失效的可能性。此外，目前HARP和SiCoNi工艺主要应用于浅槽隔离(Shallow TrenchIsolation, STI)，其中HARP标准工艺采用三步沉积，沉积速率由快到慢，然后进行两步退火，其中第一 步水蒸气退火温度很低，一般在600-800°C之间，以避免侧壁上的Si被氧化成SiO2,而第二 步退火为N2退火，温度为900-1100°C，以使生长的SiO2薄膜更加致密，修复可能产生的缝 隙。本发明中一直采用低速率的HARP填充工艺，增强了 HARP对TSV侧壁扇贝形貌的修复 能力，之后采用一步水蒸气高温退火，正好使TSV通孔扇贝形貌的侧壁及底部的硅被氧化 成很薄的一层SiO2，保证了侧壁SiO2层的连续，加强了 HARP所生长的SiO2层与刻蚀后扇贝 形貌侧壁的结合，同时使得生长的SiO2薄膜变得更加致密。
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解 并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中图1是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的提供掩膜之后的示意图。图2是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的部分填充通孔之后的示意图。图3是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的对部分填充后的通孔进行修正之 后的示意图。
图4是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的去除所述掩膜之后的示意图。图5是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的流程图。需要说明的是，附图并非按比例绘制，并且附图用于说明本发明，而非限制本发 明。
具体实施例方式为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内 容进行详细描述。在本发明的一个优选实施例中，提供了一种消除TSV通孔侧壁的扇贝形貌 对后续 工艺的影响并形成保型覆盖性良好的绝缘氧化层薄膜的方法，包括提供形成有硬掩模图 形的半导体衬底，所述硬掩模图形与通孔对应；以所述硬掩模图形为掩模，采用波什刻蚀 (Bosch etch)对所述半导体衬底刻蚀形成通孔；使用高深宽比工艺(High Aspect Ratio Process, HARP)对所述硅通孔进行部分填充；使用一步高温退火退火工艺对硅片进行热处 理；使用SiCoNi对部分填充后的硅通孔形貌进行修正，从而使形成的硅通孔具有保型覆盖 性良好的绝缘氧化层薄膜；去除所述硬掩模图形。下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。图1至图4是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的示意图。图5是根据本发 明实施例的TSV通孔加工方法的流程图。如图5所示，在图5的步骤Sl中，首先在硅衬底上提供硬掩模2。具体地说，图1是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的提供掩膜之后的示意 图。更具体地说，图1是TSV通孔结构所在的硅衬底的示意图，其中在制备TSV通孔之前，可 能已淀积一层或多层其他薄膜(如Si3N4等)。参考图1，提供形成有硬掩模2的半导体衬 底，所述硬掩模图形与通孔对应。需要说明的是，硬掩模2可以是一层或多层其他薄膜(如 Si3N4 等)。具体的，所述衬底为硅基衬底，例如n型硅衬底或者P型硅衬底。所述硬掩模2可以是单层结构或者多层堆叠结构，在本实施例中以氮化硅的单层 结构做示范性说明。在其他实施例中，所述硬掩模2还可以是氮化硅、抗反射层和光刻胶层 的堆叠结构，由此可以实现更好的刻蚀效果。所述硬掩模2的形成步骤包括采用化学气相沉积工艺在半导体衬底1形成硬掩 模层(未图示)，采用旋涂工艺在硬掩模层表面形成光刻胶层(未图示)，对所述光刻胶层 进行曝光显影，形成与通孔对应的光刻胶图形，以所述光刻胶图形为掩模，刻蚀所述硬掩模 层直至形成硬掩模2，去除光刻胶层。如图1所示，以所述硬掩模2为掩模，刻蚀半导体衬底1形成通孔。在本实施例中，所述刻蚀工艺为波什刻蚀工艺，需要说明的是，由于所述波什刻蚀 工艺是半导体衬底1形成通孔的同时在通孔的侧壁形成聚合物的保护层，从而形成深宽比 相当高的垂直通孔，具体地说，在刻蚀部分半导体衬底时，在形成的部分的通孔侧壁形成聚 合物，然后再往下刻蚀，然后再刻蚀部分半导体，在形成的部分的通孔侧壁形成聚合物，再 往下刻蚀，直至形成通孔。因此，采用所述波什刻蚀工艺会在刻蚀后的通孔侧壁形成扇贝形 貌。
在本实施例中，刻蚀形成的通孔深度为10-500um，通孔的直径为l_50um。再次参考图5，如图5所示，在图5的步骤S2中，对所述硅通孔进行部分填充。部 分填充是在底部和侧壁一起填充的，进行部分填充的目的就是为了修复扇贝形貌；因此在 优选实施例中，优选地采用能够直接形成保型覆盖且表面平坦的氧化层的工艺。如果采用 了能够直接形成保型覆盖且表面平坦的氧化层的工艺，那么后面所描述的刻蚀步骤将可以 省略。
但是，由于能够直接形成保型覆盖且表面平坦的氧化层的工艺较为复杂且昂贵， 所以在某些实施例中采用了其它工艺，在这种情况下，“部分填充”主要是指通孔没有被完 成填满，例如中间留有缝隙，以便为后续的SiCoNi刻蚀做好准备。因此，在这种情况下，则 需要进行后续的刻蚀工作。具体地说，图2是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的部分填充通孔之后的 示意图。进一步参考图2，图2是通过高深宽比工艺(HARP)对所述硅通孔进行部分填充，从 而修复硅通孔侧壁的扇贝形貌的SiO2薄膜层的示意图。如图2所示，使用高深宽比工艺对 所述硅通孔进行部分填充。高深宽比工艺沉积氧化物(例如SiO2)保持低速率，即0/TE0S 较高，时间为100s-3000s，此时高深宽比工艺对TSV通孔侧壁的扇贝形貌修复能力较强，高 深宽比工艺不能填充整个TSV通孔至密闭。接着进行一步高温退火热处理工艺，将硅片置于900°C到1200°C、水蒸气(H2O)的 环境下退火20分钟至1小时。优选地，控制高深宽比工艺使得未封闭衬底上的硅通孔，从而有利于后续工艺的 执行的速度和精确度。再次参考图5，如图5所示，在图5的步骤S3中，使用SiCoNi对部分填充后的硅通 孔侧壁SiO2薄膜层进行修正。在本实施例中，利用SiCoM通过化学反应来刻蚀氧化物，所以本实施例中的氧化 物可以是例如SiO2,因为SiO2可以与SiCoNi进行化学反应；因此，如果其它氧化物能够由 于与SiCoNi通过化学反应而被刻蚀，当然可以采用SiO2之外的其它氧化物。SiCoNi是一 种新的刻蚀腔，主要用来刻蚀SiO2,所以本实施例中所采用的工艺可以是标准工艺，其中进 行刻蚀的条件主要就是通入反应气体，并升高温度。具体地说，图3是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的对部分填充后的通孔 进行修正之后的示意图。进一步参考图3，图3是使用SiCoM对部分填充后的硅通孔侧壁 SiO2薄膜层进行修正的示意图。如图3所示，用SiCoNi对部分填充后的硅通孔侧壁SiO2薄 膜层进行修正。SiCoNi之后的硅通孔具有一层保型覆盖性良好的绝缘氧化层薄膜。本说明 书中使用的术语“保型覆盖”是本领域通用术语，具体地说，保型覆盖是指整个结构的表面 都被覆盖，但整体形貌基本不变。再次参考图5，如图5所示，在图5的步骤S4中，对硅片进行湿法清洗。具体地说，图4是根据本发明实施例的TSV通孔加工方法的去除所述掩膜之后的 示意图。进一步参考图4，图4是通过湿法清洗去除非TSV通孔结构的区域的一层或多层其 他薄膜(如氮化硅等)的示意图。如图4所示，其中示出了采用湿法工艺除去硬掩膜之后 得到的硅片的示意图。由此，则可继续执行后续的诸如形成铜阻挡层和铜籽晶层的保型覆盖之类的工艺步骤。并且，此后的后续步骤将不会收到了 TSV通孔侧壁的扇贝形貌的影响，确保了工艺质 量及成品率。总之， 根据本发明，可以在产生了 TSV通孔侧壁的扇贝形貌的情况下，在扇贝形貌 之上形成保型覆盖的绝缘氧化层，由此降低了填充TSV通孔的难度，从而提高了 TSV通孔的 填充等后续工艺的质量，最终减小了TSV器件失效的可能性。同时，本发明不必经历长时间 的热氧化工艺以消除侧壁的扇贝形貌，提高了生产效率。在本发明的优选实施例中，采用高深宽比工艺(HARP)和SiCoNi工艺形成了保型 覆盖的绝缘氧化层，由此实现极佳的保型覆盖效果。但是，同时，本领域技术人员显然可以 根据本领域公知的一些其它方法来实现上述绝缘氧化层。需要说明的是，虽然上述实施例以硅材料(例如硅衬底以及硅通孔)为示例说明 了本发明的原理；但是，本领域技术人员可以理解的是，如果半导体制造工艺中未采用硅材 料作为衬底，而是采用诸如锗之类的其它材料作或者一些复合材料作为衬底，还是同样可 以实施本发明的原理，因此，本发明并不限于硅衬底以及硅通孔。并且，例如当然可以采用 湿法工艺之外的其它工艺来除去硬掩膜；并且掩膜的选择并不限于实施例中所例举的硬掩 膜。并且，本领域技术人员来说可以理解的是，本发明不仅能够消除波什刻蚀工艺所 产生的硅通孔侧壁的扇贝形貌，而且能够消除其它工艺所产生的硅通孔侧壁的扇贝形貌。需要说明的是，本领域技术人员来说可以理解的是，虽然以上述流程中的各个步 骤说明了本发明，但是本发明并不排除除了上述步骤之外其它步骤的存在。本领域技术人 员来说可以理解的是，可在不脱离本发明的范围的情况下，可以在所描述的步骤中加入其 它步骤以形成其它结构或者实现其它目的。对于本领域技术人员来说明显的是，可在不脱 离本发明的范围的情况下对本发明进行各种改变和变形。所描述的实施例仅用于说明本发 明，而不是限制本发明；本发明并不限于所述实施例，而是仅由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种通孔加工方法，其特征在于包括步骤提供掩膜；根据掩膜来刻蚀衬底以形成通孔；部分填充所述通孔，以在所述通孔的侧壁上形成保型覆盖的绝缘氧化层；以及去除所 述掩膜。
2.根据权利要求1或2所述的通孔加工方法，其特征在于，其中部分填充所述通孔使所 述通孔的中间留有缝隙，并且对部分填充后的所述通孔进行修正。
3.根据权利要求1或2所述的通孔加工方法，其特征在于，其中所述衬底为硅衬底，并 且所述通孔为硅通孔。
4.根据权利要求1或2所述的通孔加工方法，其特征在于，其中部分填充所述通孔的步 骤包括通过高深宽比工艺生长氧化物层。
5.根据权利要求2所述的通孔加工方法，其特征在于，其中对部分填充后的所述通孔 进行修正以在所述通孔的侧壁上形成保型覆盖的绝缘氧化层的步骤包括使用SiCoM对 部分填充在所述通孔中的氧化物进行刻蚀，以在所述通孔的侧壁上形成保型覆盖的绝缘氧 化层。
6.根据权利要求1或2所述的通孔加工方法，其特征在于，其中所述根据掩膜来刻蚀衬 底以形成通孔的步骤是通过波什刻蚀工艺实现的。
7.根据权利要求4所述的通孔加工方法，其特征在于，其中在高深宽比工艺中，在O3/ TEOS的时间为100s-3000s的条件下生长氧化物。
8.根据权利要求7所述的通孔加工方法，其特征在于，其中在高深宽比工艺中，在生长 氧化物之后，将硅片置于900°C到1200°C、水蒸气的环境下退火20分钟至1小时。
9.根据权利要求1或2所述的通孔加工方法，其特征在于，其中所述部分填充所述通孔 的步骤未封闭所述通孔。
10.根据权利要求1或2所述的通孔加工方法，其特征在于，其中所述掩膜为硬掩膜，并 且所述硬掩膜包括氮化硅、抗反射层和光刻胶层的堆叠结构。
11.根据权利要求1或2所述的通孔加工方法，其特征在于，其中所述去除所述掩膜的 步骤包括采用湿法工艺去除所述掩膜。
全文摘要
根据本发明的通孔加工方法包括步骤提供掩膜；根据掩膜来刻蚀衬底以形成通孔；部分填充所述通孔，以在所述通孔的侧壁上形成保型覆盖的绝缘氧化层；以及去除所述掩膜。本发明可以消除波什刻蚀工艺所产生的硅通孔侧壁的扇贝形貌对后续工艺的影响，并且在硅通孔的侧壁形成表面平滑的绝缘氧化层薄膜，提高了绝缘氧化层薄膜的保型覆盖性，降低了后续硅通孔填充的难度，最终减小了器件失效的可能性。
文档编号H01L21/768GK102130045SQ201010619478
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者周军, 赵宇航 申请人:上海华力微电子有限公司, 上海集成电路研发中心有限公司