具有硅穿孔的半导体装置及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有硅穿孔半导体装置，包含：基板，具有前侧与背侧；及硅穿孔，贯穿该基板且在该前侧具有圆形且在该背侧具有圆角化的矩形。
【专利说明】具有硅穿孔的半导体装置及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有硅穿孔的半导体装置及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 为了节省宝贵的布局空间或是增加内联机的效率，可将多个集成电路（1C)芯片 堆栈在一起成为一个1C封装结构。为了达到此目的，可使用一种三维（3D)堆栈封装技 术来将复数集成电路芯片封装在一起。此种三维（3D)堆栈封装技术广泛地使用到硅穿孔 (TSV)。硅穿孔（TSV)是一种垂直导电通孔，其可以完全贯穿硅晶圆、硅板、任何材料所制成 之基板或芯片。现今，3D集成电路（3DIC)被广用至许多的领域如内存堆栈、影像感测芯片 等。
[0003] 虽然硅穿孔有许多优点，但其制造方法对于半导体业界而言仍属新领域。在此新 领域中有许多新结构及/或新制造方法的发展空间。
【发明内容】
[0004] 本发明涉及一种具有硅穿孔的半导体装置，包含：基板，具有前侧与背侧；及硅穿 孔，贯穿该基板且在该前侧具有圆形且在该背侧具有圆角化的矩形。
[0005] 本发明涉及一种半导体装置的制造方法，包含：提供具有第一侧与第二侧的基板； 自该第一侧于该基板中形成一通孔；在该通孔的侧壁上形成保护层但裸露该通孔的底部； 扩大该通孔的底部并修改形状；在该通孔的低部与侧壁上形成介电层；形成填充该通孔的 导电材料；及自该第二侧移除该基板的一部分以裸露该导电材料并完成一硅穿孔。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1显示根据本发明一实施例之具有硅穿孔（TSV)的半导体装置的横剖面概图；
[0007] 图1A显示根据本发明一实施例的硅穿孔（TSV)之前侧的上视概图；
[0008] 图1B显示根据本发明一实施例的硅穿孔（TSV)之背侧的上视概图；
[0009] 图2-7显示根据本发明一实施例具有硅穿孔（TSV)多的半导体装置的制造方法。
【具体实施方式】
[0010] 下面将详细地说明本发明的较佳实施例，举凡本中所述的组件、组件子部、结构、 材料、配置等皆可不依说明的顺序或所属的实施例而任意搭配成新的实施例，这些实施例 当属本发明的范畴。在阅读了本发明后，熟知此项技艺者当能在不脱离本发明之精神和范 围内，对上述的组件、组件子部、结构、材料、配置等作些许更动与润饰，因此本发明之专利 保护范围须视本权利要求书所附之权利要求所界定者为准，且这些改动与润饰当属于本发 明的权利要求内。
[0011] 本发明的实施例及图示众多，为了避免混淆，类似的组件系以相同或相似的标号 标示。图示意在传达本发明的概念及精神，故图中的所显示的距离、大小、比例、形状、连接 关系….等皆为示意而非实况，所有能以相同方式达到相同功能或结果的距离、大小、比例、 形状、连接关系….等皆可视为等效物而采用。
[0012] 现在参考图1，其显示根据本发明一实施例具有硅穿孔1000之半导体装置的横剖 面概图。在本发明中，焦点在于硅穿孔本身而非硅穿孔上方或周围的事物，因此硅穿孔上 方的内联机结构及周围的主动组件将予以省略以免不必要地模糊本发明的焦点。硅穿孔 1000 (TSV，在某些技术文件中又被称为贯穿电极、导电柱等）会贯穿基板100并实体及电连 接基板100的背侧102与前侧101。硅穿孔1000是用以将操作电压VSS、VDD或操作讯号 耦合至形成于基板100上的集成电路（未显示）或用以传递芯片间的讯号及/或电压。相 较于寻常的主动组件如晶体管，硅穿孔1000具有微米级的超大尺寸。在一实施例中，当硅 穿孔具有圆形剖面时，硅穿孔1000具有约30 μ m的直径。在另一实施例中，当硅穿孔具有 圆形剖面时，娃穿孔具有约?Ομπι的直径。在另一实施例中，当娃穿孔具有圆形剖面时，娃 穿孔具有至少1 μ m的直径如6 μ m。
[0013] 图2-5所示之硅穿孔1000看起来像是由中间通孔工艺或通孔前置工艺所制成的 硅穿孔，但硅穿孔1000可以是由通孔前置工艺（在晶体管之前制造硅穿孔）、中间通孔工艺 (在晶体管制成之后但在较低层次内联机的制造期间制造硅穿孔）、或通孔后置工艺（在内 联机之后才制造硅穿孔）所制成。无论是用何种工艺来制造硅穿孔1000,硅穿孔1000的基 本结构皆维持不变：通孔150/150'（在图1中未显示但显示于图2-4中）、在通孔侧壁上的 介电层152'及填满通孔的导电材料900'。介电层152'与导电材料900'所用的材料可取 决于制造方法及所需的物理特性。氧化硅与氮化硅为最常被用来作为介电层152'的材料。 至于导电材料900 '，其可包含阻障/黏着层材料及低电阻率材料，阻障/黏着层材料例如是 钽、氮化钽、钛、氮化钛、钨、氮化钨、钥、锰及/或铜，低电阻率材料例如是钨、铜、铝及/或多 晶娃。
[0014] 在硅穿孔1000上的前侧上的是装置/内联机层500。装置/内联机层500代表了 所有选择性的主动组件、层间介电层与接触栓（若硅穿孔是由通孔前置工艺所制造）、金属 间介电层以及所有嵌于这些金属间介电层内的内联机结构。应了解，图1-6只显示了全局 的一部分，因此基板100可包含浅沟渠隔离结构、各种掺杂区、被动组件如电阻、其它冗余 图案及选择性的主动组件如晶体管（若硅穿孔是由通孔前置工艺所制造）。在前侧处，如 图1A中所示，用以耦合至内联机结构（未显示）的硅穿孔1000具有直径为d的圆形剖面 轮廓。直径d等于或大于lm如约5m。在背侧处，如图1B中所示，用以耦合至背侧绕线用之 重分布连线（RDL)600的硅穿孔1000具有长边长度为D的圆角化矩形剖面轮廓。长边长度 D至少是直径d的1. 2倍，因此长边长度D至少等于或大于1. 2m例如约为6m。重分布连线 (RDL) 600的功能可以被理解为是硅穿孔1000与其它硅穿孔之间的连接或者是硅穿孔1000 与微凸块/凸块700之间的连接，故重分布连线600系类似于前侧上的内联机且在垂直基 板的方向上可以有嵌于介电层中的复数层。微凸块/凸块700为一对外接口，让硅穿孔得 以与外界交流（因此主动组件得以与外界交流。
[0015] 现在参考图1A与1B，其显示了根据本发明一实施例图1的硅穿孔1000的前侧与 背侧的上视概图。从图1A与1B可清楚得知，圆角化矩形的长边长度D系大于圆形的直径 d。图1B不只是显示了硅穿孔1000,更显示了与硅穿孔1000交迭的重分布连线600。为了 改善硅穿孔1000与重分布连线600之间的接触，如图1B中所示，在背侧处的硅穿孔1000 的长边应该要平行于重分布连线600的长边。
[0016] 应了解，本发明的原理可应用于硅中介层。在该情况下，图1A代表埋设于基板100 内的硅穿孔的一部分，而图1B代表从基板100之前侧与背侧裸露之硅穿孔的两端，且装置 /内联机层500会被一或多层重分布连线及微凸块/凸块所取代。
[0017] 现在参考图2-7,其显示根据本发明一实施例具有硅穿孔（TSV)之半导体装置的 制造方法。在图2中，提供基板100,并从基板之前侧101将通孔150形成于基板100内而 不贯穿整个基板100。接着，将介电层151形成于通孔150的侧壁与底部上。基板100可以 是简单的硅基板或绝缘层上覆硅基板，或者基板可包含浅沟渠隔离结构、复动组件如电阻、 各种掺杂区、冗余图案与选择性的主动组件（若硅穿孔1000系由中间通孔工艺所制造）。 通孔150可借由光刻与蚀刻工艺所形成。介电层151可借由热氧化工艺所形成，借此形成在 裸露的硅表面上，或者其可借由沈积工艺所形成，覆盖整个基板100的前侧表面及通孔150 的侧壁与底部。介电层151可包含常用的介电材料如氧化硅及/或氮化硅。
[0018] 在图3中，进行一非等向性蚀刻以移除基板表面上介电层151以及通孔150之底 部上的介电层151，借此获得环形的介电层15Γ作为保护层以曝露通孔150的底部但覆盖 通孔150的侧壁。
[0019] 在图4中，进行一湿式蚀刻以扩大/加深通孔150的底部并修改其形状，借以得到 修改过的通孔150'。应注意，由于基板表面也受到曝露，当基板表面包含裸露的硅材时，可 在基板表面上形成选择性的保护屏蔽（未显示）以在湿式蚀刻期间维持基板表面的完整无 伤。当基板表面包含介电材料但不包含裸露硅材时，无需形成保护屏蔽。湿式蚀刻所用的 化学品可包含氢氧化四甲基铵（TMAH)或氨水。由于针对不同晶面如（10 0)或（1 1 1)的 蚀刻率不同，所以经修改之通孔150'之经扩大与修改的底部会具有圆角化的矩形横剖面形 状。
[0020] 在图5中，移除选择性的保护屏蔽并在基板表面、经修改的通孔150'的侧壁与底 部上形成另一介电层（未显示）。旧有的介电层15Γ与此处新形成的另一介电层（未显 示）会整合在一起变成介电层152。接着，形成导电材料（未显示）以填满经修改过的通孔 150'并进行一化学机械抛光工艺以移除多余的导电材料并形成全局平坦的表面，借此成导 电材料900。导电材料900可包含阻障/黏着层材料及低电阻率材料。阻障/黏着层材料 例如是钽、氮化钽、钛、氮化钛、钨、氮化钨、钥、锰及/或铜，低电阻率材料例如是钨、铜、铝、 多晶娃。
[0021] 在图6中，在导电材料900及基板的表面上形成装置/内联机层500。装置/内联 机层500代表所有选择性的主动组件如晶体管、层间介电层与接触栓（若硅穿孔系由通孔 前置工艺所形成）以及金属间介电层与所有嵌于其中的内联机结构。
[0022] 在图7中，进行背侧打磨/抛光/薄化以裸露导电材料并完成包含介电层152'与 导电材料900'的硅穿孔1000。
[0023] 最后，在背侧102上形成图案化的介电层（未显示）以隔离形成在硅穿孔1000上 之不同重分布连线600以及隔离重分布连线600与微凸块/凸块700。
[0024] 在此方式下，本发明可以提供硅穿孔与重分布连线间的较佳接触。亦应注意，图 2-7所呈现的制造方法只是例示性的实施例，本发明不应受其限制。其它能够完成如图1、 1A与1B中所示之相同硅穿孔结构的制造方法皆应落在本发明之范畴内。
[0025] 上述实施例仅是为了方便说明而举例，虽遭所属【技术领域】的技术人员任意进行修 改，均不会脱离如权利要求书中所欲保护的范围。
【权利要求】
1. 一种具有硅穿孔的半导体装置，包含： 基板，具有前侧与背侧；及 硅穿孔，贯穿该基板且在该前侧具有圆形且在该背侧具有圆角化的矩形。
2. 如权利要求1所述的具有硅穿孔之半导体装置，更包含： 在该前侧上的装置/内联机层。
3. 如权利要求1所述的具有硅穿孔之半导体装置，其特征在于，该圆角化的矩形的长 边长度大于该圆形的直径。
4. 如权利要求1所述的具有硅穿孔的半导体装置，其特征在于，该圆角化的矩形的长 边长度至少为该圆形的直径的1. 2倍。
5. 如权利要求1所述的具有硅穿孔的半导体装置，更包含： 在该背侧上的背侧重分布联机（RDL)。
6. 如权利要求5所述的具有硅穿孔的半导体装置，其特征在于，该圆角化的矩形的长 边系平行于该背侧重分布联机（RDL)的长度方向。
7. 如权利要求1所述的具有硅穿孔的半导体装置，其特征在于，该基板是用以作为一 娃中介层。
8. -种半导体装置的制造方法，包含： 提供具有第一侧与第二侧的基板； 自该第一侧于该基板中形成一通孔； 在该通孔的侧壁上形成保护层但裸露该通孔的底部； 扩大该通孔的底部并修改其形状； 在该通孔的低部与侧壁上形成介电层； 形成填充该通孔的导电材料；及 自该第二侧移除该基板的一部分以裸露该导电材料并完成一硅穿孔。
9. 如权利要求8所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该硅穿孔在第一侧具有 圆形形状且在该第二侧具有圆角化的矩形形状。
10. 如权利要求9所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，该圆形具有等于或大于 1 μ m的直径且该圆角化矩形的长边长度系等于或大于1. 2 μ m。
【文档编号】H01L21/768GK104124219SQ201310156181
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】黄昭元, 何岳风, 杨名声, 陈辉煌 申请人:艾芬维顾问股份有限公司