專利名稱：一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法。
背景技術(shù)：
器件的小型化、功能集成化以及器件性能的改善和功耗的降低等需求加快了集成電路向三維方向發(fā)展。為達(dá)到減小硅片使用面積、提高硅利用率并縮短互連長(zhǎng)度的目的，封裝技術(shù)從二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)到三維堆疊(引線、焊球和微通孔)，再又轉(zhuǎn)到通孔互連的三維集成電路。通孔技術(shù)與常規(guī)封裝技術(shù)相比，其制作可以集成到制造工藝的不同階段，目前通孔工藝有三種典型工藝通孔優(yōu)先(Via-First)、通孔居中(Via-Middle)、通孔最后(Via-Las)。通孔優(yōu)先是指硅片投入之后立刻進(jìn)行通孔的光刻、刻蝕金屬化和化學(xué)機(jī)械研磨 等過程；通孔居中，是指在硅化合物之后形成的；通孔最后，一般是指互連全都完成之后形成的，在封裝階段實(shí)現(xiàn)通孔工藝。前兩種方案都可以在代工廠前端金屬互連之前進(jìn)行，而第三種方案(通孔最后方案)目前在微處理器等高性能器件領(lǐng)域研究較多，主要作為系統(tǒng)及芯片(SoC)的替代方案。第三種方案的明顯優(yōu)勢(shì)是可以不改變現(xiàn)有集成電路流程和設(shè)計(jì)。封裝廠對(duì)此方案比較感興趣。部分廠商已開始在高端的非揮發(fā)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器領(lǐng)域采用Via-Iast技術(shù)，即在芯片的周邊進(jìn)行通孔，然后進(jìn)行芯片或晶圓的層疊。常規(guī)的通孔結(jié)構(gòu)的制作步驟為在襯底上刻蝕形成通孔結(jié)構(gòu)，在通孔結(jié)構(gòu)表面依次淀積介質(zhì)層、阻擋層和籽晶層，然后通過銅電鍍填充通孔結(jié)構(gòu)，最后對(duì)通孔結(jié)構(gòu)外部的表面區(qū)域的銅進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨。在上述制備過程中，銅電鍍是一個(gè)關(guān)鍵的步驟，也是需要攻克的技術(shù)難題。填充銅的覆蓋率直接影響到器件的性能。由于通孔結(jié)構(gòu)刻蝕的深度一般在5-10um，是半導(dǎo)體工藝的孔刻蝕深度的10倍以上，這使得通孔結(jié)構(gòu)具有很大的深寬比，要實(shí)現(xiàn)無縫金屬填充是具有挑戰(zhàn)性的。對(duì)于大深寬比的通孔工藝，銅電鍍與傳統(tǒng)的銅互連工藝相差很大。通孔結(jié)構(gòu)的銅電鍍工藝中，銅生長(zhǎng)是從底部向上生長(zhǎng)的。銅電鍍的填隙能力受到前序淀積層的覆蓋率和銅生長(zhǎng)速率的影響。常規(guī)情況下，可以使用各種添加劑來配合電鍍銅的生長(zhǎng)，比如，在通孔底部有加速劑，從而加快底部向上生長(zhǎng)的速度，在通孔頂部和側(cè)壁有抑制劑和平整劑，從而減慢側(cè)壁和頂部的生長(zhǎng)速度。因此，如果銅電鍍的過程中銅的生長(zhǎng)可以利用添加劑來調(diào)控，那么銅電鍍的成敗很大程度受前序工藝影響，急需找到能夠提高銅電鍍填隙能力的解決方法。為提高銅電鍍填隙能力和實(shí)現(xiàn)無縫填充，要求前序淀積介質(zhì)層、阻擋層和籽晶層具有高的臺(tái)階覆蓋率，如果通孔內(nèi)部覆蓋不良，會(huì)造成電鍍不良，嚴(yán)重影響器件性能。然而，通孔結(jié)構(gòu)頂部處的接觸角大，從而導(dǎo)致介質(zhì)層、阻擋層、籽晶層的淀積速率相對(duì)底部和側(cè)壁淀積速率大，容易在通孔頂端形成薄膜材料堆積(cusping)，嚴(yán)重影響后續(xù)的銅電鍍填充過程。在美國(guó)專利US7564115B2中提出了一種底部?jī)A斜的TSV結(jié)構(gòu)，但這種底部?jī)A斜TSV結(jié)構(gòu)在集成中底部?jī)A斜的角度和深度較難控制，并且對(duì)TSV的電性能有一定的影響。因此，需要一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，能夠有效避免介質(zhì)層、阻擋層和籽晶層淀積過程中形成的cusping對(duì)后續(xù)的電鍍工藝的影響,從而提高電鍍填充能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的為，針對(duì)上述問題，提出一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，該方法與傳統(tǒng)工藝相比具有更大的銅電鍍工藝窗口，避免cusping的形成對(duì)后續(xù)銅電鍍?cè)斐傻挠绊懀丛黾恿撕罄m(xù)銅電鍍工藝的填隙能力，有利于制備高性能器件。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟
步驟SOl :在襯底上形成通孔結(jié)構(gòu)；
步驟S02 :對(duì)所述的通孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓化處理，增大所述的通孔結(jié)構(gòu)頂部的開口面積，形成圓化通孔結(jié)構(gòu)；
步驟S03 :在所述的圓化通孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部依次淀積介質(zhì)層、阻擋層和籽晶層；
步驟S04 :在所述的圓化通孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充銅。優(yōu)選地，所述的通孔結(jié)構(gòu)的直徑為5-10μπι，所述的通孔結(jié)構(gòu)的深度為50-100 μ mD優(yōu)選地，所述的步驟S02中的圓化處理，是采用物理轟擊的方法對(duì)所述的通孔結(jié)構(gòu)的頂部區(qū)域進(jìn)行刻蝕，形成所述圓化通孔結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述圓化通孔結(jié)構(gòu)的頂部的刻蝕寬度為所述通孔結(jié)構(gòu)的通孔直徑的5%-8%，其中所述的刻蝕寬度為從所述通孔結(jié)構(gòu)頂部的通孔邊界到所述圓化通孔結(jié)構(gòu)頂部的通孔邊界的距離。優(yōu)選地，所述的圓化處理是在物理氣相沉積刻蝕腔內(nèi)進(jìn)行的。優(yōu)選地，所述的圓化處理的參數(shù)為偏壓功率為200-800W，側(cè)部功率為200-800W，IS氣流量5_20sccm,壓力為2_5mTorr,轟擊時(shí)間為5_20秒。優(yōu)選地，所述的圓化處理的參數(shù)為偏壓功率為400W、600W或800W ;側(cè)部功率功率為 400W、600W 或 800W ;気氣流量為 8 cssm、10 cssm 或 15cssm ;壓力為 2 mTorr、3 mTorr 或4 mTorr。優(yōu)選地，步驟S03中，所采用的淀積方法是化學(xué)氣相沉積法。優(yōu)選地，所采用的填充方法是電鍍法。優(yōu)選地，步驟S04中還包括采用化學(xué)機(jī)械平坦化法去除所述的圓化通孔結(jié)構(gòu)的通孔外部的襯底表面區(qū)域的介質(zhì)層、阻擋層、籽晶層和填充的銅，直至所述的填充的銅的頂部與所述的圓化通孔結(jié)構(gòu)的通孔外部的襯底表面在同一平面上。優(yōu)選地，所述的介質(zhì)層的材料為氧化硅或氮化硅。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，通過對(duì)通孔結(jié)構(gòu)的頂部進(jìn)行圓化處理，增大了通孔結(jié)構(gòu)頂部的開口面積，從而可以避免介質(zhì)層、阻擋層和籽晶層在淀積過程中形成的cusping，有利于后續(xù)電鍍工藝的順利完成，同時(shí)，與傳統(tǒng)工藝相t匕，圓化通孔結(jié)構(gòu)具有更大的電鍍工藝窗口，能夠提高后續(xù)金屬電鍍的填隙能力，巧妙地克服了電鍍工藝中的技術(shù)難題，從而提高器件的性能。


圖I為本發(fā)明的通孔結(jié)構(gòu)的制作方法的一個(gè)較佳實(shí)施例的流程示意 圖2至圖6是本發(fā)明的通孔結(jié)構(gòu)制作方法的具體步驟對(duì)應(yīng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例將在后段的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上當(dāng)做說明之用，而非用以限制本發(fā)明。上述及其它技術(shù)特征和有益效果，將結(jié)合實(shí)施例及附圖1-7對(duì)本發(fā)明的一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
請(qǐng)參閱圖1，圖I是本發(fā)明的通孔結(jié)構(gòu)的制作方法的一個(gè)較佳實(shí)施例的流程示意圖。在本實(shí)施例中，通孔結(jié)構(gòu)的制作方法包括步驟S01-S05，步驟S01-S05分別通過附圖2-6以說明本發(fā)明圖I所述的制作方法具體步驟時(shí)所形成的剖面結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參閱圖1，如圖所示，在本發(fā)明的該實(shí)施例中，一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法包括如下步驟
步驟SOl :請(qǐng)參閱圖2，在襯底上形成通孔結(jié)構(gòu)。需要進(jìn)一步說明的是，這里所用的襯底材料可以是N型娃，也可以是P型娃，也可以是絕緣層上的娃，還可以是鍺。然后，經(jīng)過光刻、刻蝕和濕法去膠處理，在襯底上形成通孔結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中的通孔結(jié)構(gòu)的通孔直徑為5-10 μ m，通孔結(jié)構(gòu)的通孔深度為50-100 μ m，但是并不是對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。步驟S02 :請(qǐng)參閱圖3，對(duì)步驟SOl中的通孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓化處理，增大通孔結(jié)構(gòu)頂部的開口面積，形成圓化通孔結(jié)構(gòu)。需要說明的是，在本實(shí)施例中的圓化處理是采用物理轟擊的方法在物理氣相沉積(PVD)刻蝕腔內(nèi)對(duì)所述的通孔結(jié)構(gòu)的頂部區(qū)域進(jìn)行刻蝕，但是并不限制本發(fā)明的范圍。值得一提的是，本實(shí)施例中，圓化處理所采用的參數(shù)為偏壓功率為200-800W，側(cè)部功率為200-800W，氬氣流量為5-20sccm，壓力為2_5mTorr，轟擊時(shí)間為5_20秒。但是，這不是限制本發(fā)明的范圍。優(yōu)選地，圓化處理的參數(shù)為偏壓功率為400W、600W或800W;側(cè)部功率功率為400W、600W 或 800W ;気氣流量為8 cssm、10 cssm 或 I5Cssm ;壓力為 2 mTorr>3 mTorr 或 4mTorr ο這里，sccm是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,也就是I個(gè)大氣壓、25攝氏度下每分鐘每立方厘米的流量。進(jìn)一步說明的是，本發(fā)明中的圓化通孔結(jié)構(gòu)的頂部可以呈任意形狀，在本實(shí)施例中的圓化通孔結(jié)構(gòu)的頂部呈圓環(huán)形狀?？蓞㈤唸D3，圖3中A為圓化通孔結(jié)構(gòu)的切面圖，B為圓化通孔結(jié)構(gòu)的俯視圖。圓化通孔結(jié)構(gòu)的頂部的刻蝕寬度為步驟SOl中的通孔結(jié)構(gòu)的通孔直徑的5%-8%。具體地說，在圖3中所顯示的俯視圖B中，內(nèi)圓2為通孔結(jié)構(gòu)頂部的通孔邊界，外圓I為圓化通孔結(jié)構(gòu)頂部的通孔邊界。內(nèi)圓2與外圓I之間的寬度表示圓化通孔結(jié)構(gòu)的頂部的刻蝕寬度，該寬度為內(nèi)圓2直徑的5%-8%。步驟S03 :請(qǐng)參閱圖4，在圓化通孔結(jié)構(gòu)的底部、孔側(cè)壁和孔外部的襯底表面區(qū)域淀積介質(zhì)層，然后在介質(zhì)層上依次淀積阻擋層和籽晶層。
需要說明的是，本實(shí)施例中的介質(zhì)層的材料可以是氧化硅，也可以是氮化硅；本實(shí)施例中的阻擋層的材料可以是氮化鈦，可以是鈦，也可以是氮化鉭，還可以是鉭；本實(shí)施例中的籽晶層的材料可以是銅。步驟S04 :請(qǐng)參閱圖5，采用銅電鍍法把銅填充在圓化通孔結(jié)構(gòu)底部、孔側(cè)壁和孔外部的襯底表面區(qū)域。步驟S05:請(qǐng)參閱圖6，去除圓化通孔結(jié)構(gòu)的孔外部的襯底表面區(qū)域的介質(zhì)層、阻擋層、籽晶層和填充的銅，直至填充的銅的頂部與圓化通孔結(jié)構(gòu)的孔外部的襯底表面在同
一平面上。具體地，本實(shí)施例中去除圓化通孔結(jié)構(gòu)的外部表面的銅的方法可以是化學(xué)機(jī)械研 磨方法。綜上所述，通過本發(fā)明的方法，對(duì)通孔結(jié)構(gòu)頂部進(jìn)行圓化處理，可以增大通孔結(jié)構(gòu)頂部的開口面積，從而增大介質(zhì)層、阻擋層和籽晶層的淀積覆蓋率，并且同時(shí)增大通孔結(jié)構(gòu)的銅電鍍窗口，能夠提高后續(xù)銅電鍍的填隙能力。以上所述的僅為本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟SOl :在襯底上形成通孔結(jié)構(gòu)； 步驟S02 :對(duì)所述的通孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓化處理，增大所述的通孔結(jié)構(gòu)頂部的開口面積，形成圓化通孔結(jié)構(gòu)； 步驟S03 :在所述的圓化通孔結(jié)構(gòu)的表面依次淀積介質(zhì)層、阻擋層和籽晶層； 步驟S04 :在所述的圓化通孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充銅。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作方法，其特征在于，所述的通孔結(jié)構(gòu)的直徑為5-10μπι，所述的通孔結(jié)構(gòu)的深度為50-100 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作方法，其特征在于，所述的步驟S02中的圓化處理，是采用物理轟擊的方法對(duì)所述的通孔結(jié)構(gòu)的頂部區(qū)域進(jìn)行刻蝕，形成所述圓化通孔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述圓化通孔結(jié)構(gòu)的頂部的刻蝕寬度為所述通孔結(jié)構(gòu)的通孔直徑的5%-8%，其中所述的刻蝕寬度為從所述通孔結(jié)構(gòu)頂部的通孔邊界到所述圓化通孔結(jié)構(gòu)頂部的通孔邊界的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的圓化處理是在物理氣相沉積刻蝕腔內(nèi)進(jìn)行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述的圓化處理的參數(shù)為偏壓功率為200-800W，側(cè)部功率為200-800W，氬氣流量5_20sccm，壓力為2_5mTorr，轟擊時(shí)間為5-20 秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述的圓化處理的參數(shù)為偏壓功率為400W、600W或800W;側(cè)部功率功率為400W、600W或800W;氬氣流量為8 cssmUO cssm或15cssm;壓力為 2 mTorr、3 mTorr 或 4 mTorr。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作方法，其特征在于，步驟S03中，所采用的淀積方法是化學(xué)氣相沉積法。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作方法，其特征在于，所采用的填充方法是電鍍法。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制作方法，其特征在于，步驟S04中還包括采用化學(xué)機(jī)械平坦化法去除所述的圓化通孔結(jié)構(gòu)的通孔外部的襯底表面區(qū)域的介質(zhì)層、阻擋層、籽晶層和填充的銅，直至所述的填充的銅的頂部與所述的圓化通孔結(jié)構(gòu)的通孔外部的襯底表面在同一平面上。
11.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的制作方法，其特征在于，所述的介質(zhì)層的材料為氧化硅或氮化硅。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，包括在襯底上形成通孔結(jié)構(gòu)；對(duì)通孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓化處理，增大通孔結(jié)構(gòu)頂部的開口面積，形成圓化通孔結(jié)構(gòu)；在圓化通孔結(jié)構(gòu)表面依次淀積介質(zhì)層、阻擋層和籽晶層；在圓化通孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充銅。通過本發(fā)明的制作方法，不僅可以避免淀積過程中形成的材料堆積,有利于后續(xù)電鍍銅工藝的順利完成，還能夠增大電鍍窗口，提高后續(xù)銅電鍍的填隙能力。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102903672SQ20121040532
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者胡正軍 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司