硅通孔填充结构以及硅通孔的填充方法
【专利摘要】本发明揭示了一种硅通孔的填充方法，所述硅通孔的填充方法包括：提供半导体基底，所述半导体基底上具有硅通孔，所述半导体基底上覆盖有一金属层，所述金属层填充所述硅通孔；对所述金属层进行第一抛光；对所述金属层进行第二抛光，以形成铜导线层，其中，所述第二抛光的底下压力小于所述第一抛光的底下压力。本发明的硅通孔的填充方法，分步对所述金属层进行抛光，并减小所述第二抛光的底下压力，可以减小对铜的研磨率，从而可以减少或消除硅通孔中的凹痕缺陷，从而提高器件的电学性能。
【专利说明】枯通孔填充结构w及枯通孔的填充方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体【技术领域】，特别是涉及一种娃通孔填充结构W及娃通孔的填充 方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们对电子产品的要求向小型化、多功能、环保型等方向的发展，人们努力寻 求将电子系统越做越小，集成度越来越高，功能越做越多。由此产生了许多新技术、新材料 和新设计，例如，叠层芯片封装技术W及系统级封装等技术就是该些技术的典型代表。前者 简称3D封装技术，是指在不改变封装体尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放 两个W上芯片的封装技术。
[0003] 在众多的3D封装技术中，娃通孔（T虹OU曲-Silicon Via,简称TSV)技术为现在研 究的热点，TSV技术具有如下优势；互连长度可W缩短到与芯片厚度相等，采用垂直堆叠的 逻辑模块取代水平分布的逻辑模块；显著减小RC延迟和电感效应，提高数字信号传输速度 和微波的传输；实现高密度、高深宽比的连接。
[0004] 在TSV的制作过程中，一般需要经历刻蚀、等离子体增强化学气相沉积、物理气相 沉积、电锻铜、化学机械研磨（CMP)和键合等多个复杂工艺步骤，往往会导致铜层与介质层 的分层。如图1所示，由于铜层与介质层的热不匹配性导致铜层与介质层之间产生内部应 力，从而使得产生图1中框型区域所示的分层，从而影响TSV的导电能力。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，提供一种娃通孔填充结构W及娃通孔的填充方法，能够提高 娃通孔中金属与介质层的粘附性，从而提高娃通孔的导电能力。
[0006] 为解决上述技术问题，一种娃通孔填充结构，包括：
[0007] 半导体基底，所述半导体基底上具有娃通孔；
[0008] 第一金属层，所述第一金属层填充于所述娃通孔内，所述第一金属层的厚度小于 所述娃通孔的半径；
[0009] 塑性材料层，所述塑性材料层位于所述第一金属层的侧壁上；
[0010] 第二金属层，所述第二金属层填充于塑性材料层内。
[0011] 进一步的，在所述娃通孔填充结构中，所述半导体基底和第一金属层之间还具有 第一金属种子层。
[0012] 进一步的，在所述娃通孔填充结构中，所述塑性材料层和第二金属层之间还具有 第二金属种子层。
[0013] 进一步的，在所述娃通孔填充结构中，所述第一金属层的厚度小于等于所述娃通 孔的半径的四分之H。
[0014] 进一步的，在所述娃通孔填充结构中，所述娃通孔的半径为1. Sum?4um，高度 为 30 y m ?70 y m。
[0015] 进一步的，在所述娃通孔填充结构中，所述塑性材料层的材料为苯并环下帰。
[001引进一步的，在所述娃通孔填充结构中，所述塑性材料层的厚度为4000 A?6000 A。
[0017] 根据本发明的另一面，本发明还提供一种娃通孔的填充方法，包括：
[0018] 提供半导体基底，所述半导体基底上具有娃通孔；
[0019] 在所述娃通孔中填充第一金属层，所述第一金属层的厚度小于所述娃通孔的半 径；
[0020] 在所述第一金属层的侧壁上制备一塑性材料层；
[0021] 在所述塑性材料层内填充第二金属层。
[0022] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，采用化学气相沉积在所述塑性材料层内 填充第二金属层。
[0023] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，在进行化学气相沉积在所述塑性材料层 内填充第二金属层时，将所述半导体基底放入所述化学气相沉积的反应腔中，在40(TC下放 置2min?lOmin后，再进行沉积工艺。
[0024] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，采用物理气相沉积在所述塑性材料层内 填充第二金属层。
[00巧]进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，在所述第一金属层的侧壁上制备一塑性 材料层的步骤和在所述塑性材料层内填充第二金属层的步骤之间，还包括；在所述娃通孔 中填充第二金属种子层。
[0026] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，所述物理气相沉积的交流偏压小于等于 300W。
[0027] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，所述提供半导体基底的步骤和在所述娃 通孔中填充第一金属层的步骤之间，在所述娃通孔中填充第一金属种子层。
[0028] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，采用电锻铜工艺在所述娃通孔中填充第 一金属层，其中，所述电锻铜工艺的加速剂的含量为0. 5mL/L?1. 5mL/L，抑制剂的含量为 4mL/L ?7mL/L。
[0029] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，在所述第一金属层的侧壁上制备一塑性 材料层的步骤包括：
[0030] 在所述娃通孔中填充一塑性材料膜；
[0031] 刻蚀所述娃通孔的外部W及所述娃通孔的底部的所述塑性材料膜，W在所述第一 金属层的侧壁上形成所述塑性材料层。
[0032] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，所述塑性材料层的材料为苯并环下帰。
[0033] 进一步的，在所述娃通孔的填充方法中，采用化学气相沉积在所述娃通孔中填充 所述塑性材料膜，所述苯并环下帰的分子量为350g/mol?420g/mol，气化温度为13CTC? 17(TC，所述化学气相沉积的载气为氮气，所述苯并环了帰的流量为0. Olg/min?0. 03g/ min,所述氮气的流量为SOOsccm?eOOsccm，所述半导体基底的温度为30(TC -50(TC。
[0034] 与现有技术相比，本发明提供的娃通孔填充结构W及娃通孔的填充方法具有W下 优点；在所述娃通孔填充结构中，所述第一金属层和所述第二金属层之间的侧壁上具有一 塑性材料层，与现有技术相比，所述塑性材料层的材料具有塑性变形能力，可W同时吸收所 述第一金属层和所述第二金属层的应力，从而在保证所述娃通孔导电能力的同时，提高娃 通孔中所述第一金属层(金属）与半导体衬底(介质层）的粘附性。
【专利附图】
【附图说明】
[00巧]图1为现有技术中娃通孔中的铜层与介质层之间分层的示意图；
[0036] 图2为本发明一实施例中娃通孔填充结构的剖视图；
[0037] 图3为本发明一实施例中娃通孔填充结构的俯视图；
[003引图4为本发明一实施例中娃通孔的填充方法的流程图；
[0039] 图5-图10为本发明一实施例中娃通孔的填充方法的中器件结构的剖视图。
【具体实施方式】
[0040] 下面将结合示意图对本发明的娃通孔填充结构W及娃通孔的填充方法进行更详 细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可W修改在此描述 的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人 员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0041] 为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能 和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开 发中，必须做出大量实施细节W实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的 限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为该种开发工作可能是复杂和耗费 时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
[0042] 在下列段落中参照附图W举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要 求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非 精准的比例，仅用W方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0043] 本发明的核也思想在于，提供一种娃通孔填充结构，包括：半导体基底，所述半导 体基底上具有娃通孔；第一金属层，所述第一金属层填充于所述娃通孔内，所述第一金属层 的厚度小于所述娃通孔的半径；塑性材料层，所述塑性材料层位于所述第一金属层的侧壁 上；第二金属层，所述第二金属层填充于塑性材料层内。所述塑性材料层的材料具有塑性变 形能力，可W同时吸收所述第一金属层和所述第二金属层的应力，从而在保证所述娃通孔 导电能力的同时，提高娃通孔中所述第一金属层(金属）与半导体衬底(介质层）的粘附性。
[0044] 结合上述核也思想，本发明提供的娃通孔的填充方法，包括：
[0045] 步骤S11，提供半导体基底，所述半导体基底上具有娃通孔；
[0046] 步骤S12,在所述娃通孔中填充第一金属层，所述第一金属层的厚度小于所述娃通 孔的半径；
[0047] 步骤S13,在所述第一金属层的侧壁上制备一塑性材料层；
[0048] 步骤S14,在所述塑性材料层内填充第二金属层。
[0049] W下结合图2和图3具体说明本发明的娃通孔填充结构，其中，图2为本发明一实 施例中娃通孔填充结构的剖视图，图3为本发明一实施例中娃通孔填充结构的俯视图。
[0050] 如图2所示，所述娃通孔填充结构包括：半导体基底100、第一金属层200、塑性材 料层300和第二金属层400。所述塑性材料层300位于所述第一金属层200和所述第二金 属层400之间的侧壁上，所述塑性材料层300的材料具有塑性变形能力，可W同时吸收所述 第一金属层200和所述第二金属层400的应力，从而在保证所述娃通孔110导电能力的同 时，提高娃通孔110中所述第一金属层200 (金属）与半导体衬底100 (介质层）的粘附性。
[0051] 所述半导体基底100上具有娃通孔110,较佳的，所述娃通孔110的半径为 1. 5 y m?4 y m，高度为30 y m?70 y m，但所述娃通孔110的尺寸并不限于尺寸。所述半导 体基底100的材料不做具体的限制，一般所述半导体基底100的材料可W为娃或氧化娃，当 所述半导体基底100的材料为娃时，所述娃通孔110的内侧可W沉积一层氧化娃层，此为本 领域的公知常识，在此不作费述。较佳的，所述半导体基底100和所述第一金属层200之间 还具有第一金属种子层，W提高所述第一金属层200的填充能力，此为本领域的公知常识， 在图2中未具体示出。
[0052] 所述第一金属层200填充于所述娃通孔110内，所述第一金属层110的厚度小于 所述娃通孔200的半径。较佳的，所述第一金属层110的厚度小于等于所述娃通孔110的 半径的四分之H，W方便填充所述塑性材料层300,优选所述第一金属层110的厚度为所述 娃通孔110的半径的四分之一、二分之一等。在本实施例中，所述第一金属层200的材料为 金属铜，但所述第一金属层200的材料并不限于为金属铜。
[0053] 所述塑性材料层300位于所述第一金属层300的侧壁上，所述塑性材料层300在 所述第一金属层300的侧壁上形成一个环，如图3所示，可W充分吸收所述第一金属层200 和所述第二金属层400的应力。所述塑性材料，300的材料为苯并环下帰（BCB)，苯并环下 帰具有较好的塑性变形能力，并与金属具有较好的粘附性，但所述塑性材料300的材料并 不限于为苯并环下帰，只要具有较好的塑性变形能力的材料，亦在本发明的思想范围之内。 较佳的，所述塑性材料层300的厚度为4000 A?6000 A，可W较好地吸收所述第一金属层 200和所述第二金属层400的应力。
[0054] 所述第二金属层400填充于塑性材料层300内，较佳的，所述塑性材料层300和第 二金属层400之间还具有第二金属种子层，W提高所述第二金属层400的填充能力，此为本 领域的公知常识，在图2中未具体示出。
[0055] W下请结合图4 W及图5-图10,具体说明本发明的娃通孔的填充方法。其中，图 4为本发明一实施例中娃通孔的填充方法的流程图，图5-图10为本发明一实施例中娃通孔 的填充方法的中器件结构的剖视图。
[0056] 首先，如图4所示，进行步骤S11，提供半导体基底100,所述半导体基底100上具 有娃通孔110,如图5所示。
[0057] 由于本实施例中还具有所述第一金属种子层，所W在步骤S11和步骤S12之间，在 所述娃通孔110中填充所述第一金属种子层。
[0058] 然后，进行步骤S12,在所述娃通孔110中填充第一金属层200,如图6所示。较佳 的，采用电锻铜工艺（ECP)在所述娃通孔110中填充第一金属层200,其中，所述电锻铜工艺 的加速剂的含量为0. 5mL/L?1. 5mL/L，抑制剂的含量为4mL/L?7mL/L，可W很好地保证 所述第一金属层200的填充量。
[0059] 接着，进行步骤S13,在所述第一金属层200的侧壁上制备一塑性材料层300。较 佳的，步骤S13包括W下分步：
[0060] 第一分步；在所述娃通孔110中填充一塑性材料膜300a，如图7所示。由于在 本实施例中，所述塑性材料层300的材料为苯并环下帰，所W，较佳的采用化学气相沉积 在所述娃通孔110中填充所述塑性材料膜300a，所述苯并环下帰的分子量优选为350g/ mol?420g/mol，气化温度优选为13(TC?17(TC，所述化学气相沉积的载气优选为氮气，所 述苯并环了帰的流量优选为0. Olg/min?0. 03g/min，所述氮气的流量优选为300sccm? eOOsccm，所述半导体基底100的温度优选为30(TC -50(TC。但所述化学气相沉积的工艺参 数并不限于上述数据。
[0061] 第二分步：刻蚀所述娃通孔110的外部W及所述娃通孔110的底部的所述塑性材 料膜300a，W在所述第一金属层200的侧壁上形成所述塑性材料层300,如图8所示。
[0062] 最后，进行步骤S14,在所述塑性材料层300内填充第二金属层400,如图9所示。 其中，可W采用化学气相沉积或物理气相沉积在塑性材料层300内填充第二金属层400。
[0063] 较佳的，在进行化学气相沉积在塑性材料层300内填充第二金属层400时，先将所 述半导体基底100放入所述化学气相沉积的反应腔中，在40(TC下放置2min?lOmin后，再 进行所述第二金属层400沉积工艺，可W使ECP后的所述第一金属层200得到充分的退火， 使所述第一金属层200的铜的晶相可W转变的更为接近化学气相沉积制备的铜的晶相，确 保所述第二金属层400和所述第一金属层200可W较好的结合，使得所述第二金属层400 可W将所述塑性材料层300内的空隙填满。
[0064] 当采用物理气相沉积在所述塑性材料层300内填充第二金属层400时，可W在步 骤13和步骤14之间，在所述娃通孔110中填充第二金属种子层，确保所述第二金属层400 和所述第一金属层200 W及所述塑性材料层300可W较好的结合，使得所述第二金属层400 可W将所述塑性材料层300内的空隙填满。较佳的，所述物理气相沉积的交流偏压小于等 于300W，W防止物理气相沉积对侧壁的所述塑性材料层300产生过大的sputter (喷姗)效 果。
[006引在步骤S14之后，还可W进行一步抛光步骤，W形成图10所示的结构。
[0066] 综上所述，本发明提供一种娃通孔填充结构W及娃通孔的填充方法，所述娃通孔 填充结构包括：半导体基底，所述半导体基底上具有娃通孔；第一金属层，所述第一金属层 填充于所述娃通孔内，所述第一金属层的厚度小于所述娃通孔的半径；塑性材料层，所述塑 性材料层位于所述第一金属层的侧壁上；第二金属层，所述第二金属层填充于塑性材料层 内。
[0067] 与现有技术相比，本发明提供的娃通孔填充结构W及娃通孔的填充方法具有W下 优点：所述塑性材料层的材料具有塑性变形能力，可W同时吸收所述第一金属层和所述第 二金属层的应力，从而在保证所述娃通孔导电能力的同时，提高娃通孔中所述第一金属层 (金属）与半导体衬底(介质层）的粘附性。
[0068] 显然，本领域的技术人员可W对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。该样，倘若本发明的该些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含该些改动和变型在内。
【权利要求】
1. 一种硅通孔填充结构，包括： 半导体基底，所述半导体基底上具有硅通孔； 第一金属层，所述第一金属层填充于所述娃通孔内，所述第一金属层的厚度小于所述 硅通孔的半径； 塑性材料层，所述塑性材料层位于所述第一金属层的侧壁上； 第二金属层，所述第二金属层填充于塑性材料层内。
2. 如权利要求1所述的硅通孔填充结构，其特征在于，所述半导体基底和第一金属层 之间还具有第一金属种子层。
3. 如权利要求1所述的硅通孔填充结构，其特征在于，所述塑性材料层和第二金属层 之间还具有第二金属种子层。
4. 如权利要求1所述的硅通孔填充结构，其特征在于，所述第一金属层的厚度小于等 于所述硅通孔的半径的四分之三。
5. 如权利要求1所述的硅通孔填充结构，其特征在于，所述硅通孔的半径为1. 5μπι? 4μm，1?]-- 30μm~ 70μm。
6. 如权利要求I所述的硅通孔填充结构，其特征在于，所述塑性材料层的材料为苯并 环丁烯。
7. 如权利要求1所述的硅通孔填充结构，其特征在于，所述塑性材料层的厚度为 4000人?6000人。
8. -种硅通孔的填充方法，包括： 提供半导体基底，所述半导体基底上具有硅通孔； 在所述硅通孔中填充第一金属层，所述第一金属层的厚度小于所述硅通孔的半径； 在所述第一金属层的侧壁上制备一塑性材料层； 在所述塑性材料层内填充第二金属层。
9. 如权利要求8所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，采用化学气相沉积在所述塑 性材料层内填充第二金属层。
10. 如权利要求9所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，在进行化学气相沉积在所述 塑性材料层内填充第二金属层时，将所述半导体基底放入所述化学气相沉积的反应腔中， 在400°C下放置2min?IOmin后，再进行沉积工艺。
11. 如权利要求8所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，采用物理气相沉积在所述塑 性材料层内填充第二金属层。
12. 如权利要求11所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，在所述第一金属层的侧壁 上制备一塑性材料层的步骤和在所述塑性材料层内填充第二金属层的步骤之间，还包括： 在所述硅通孔中填充第二金属种子层。
13. 如权利要求11所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，所述物理气相沉积的交流 偏压小于等于300W。
14. 如权利要求8-13中任意一项所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，所述提供半 导体基底的步骤和在所述硅通孔中填充第一金属层的步骤之间，在所述硅通孔中填充第一 金属种子层。
15. 如权利要求8-13中任意一项所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，采用电镀 铜工艺在所述硅通孔中填充第一金属层，其中，所述电镀铜工艺的加速剂的含量为〇. 5mL/ L?I. 5mL/L，抑制剂的含量为4mL/L?7mL/L。
16. 如权利要求8-13中任意一项所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，在所述第一 金属层的侧壁上制备一塑性材料层的步骤包括： 在所述硅通孔中填充一塑性材料膜； 刻蚀所述硅通孔的外部以及所述硅通孔的底部的所述塑性材料膜，以在所述第一金属 层的侧壁上形成所述塑性材料层。
17. 如权利要求16所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，所述塑性材料层的材料为 苯并环丁烯。
18. 如权利要求17所述的硅通孔的填充方法，其特征在于，采用化学气相沉积在所述 娃通孔中填充所述塑性材料膜，所述苯并环丁烯的分子量为350g/mol?420g/mol，气化 温度为130°C?170°C，所述化学气相沉积的载气为氦气，所述苯并环丁烯的流量为0.Olg/ min?0. 03g/min，所述氦气的流量为300sccm?600sccm，所述半导体基底的温度为 300。。-500。。。
【文档编号】H01L21/768GK104465563SQ201310438705
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月23日 优先权日:2013年9月23日
【发明者】李广宁, 沈哲敏 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司