結(jié)合負(fù)熱膨脹材料的導(dǎo)電互連結(jié)構(gòu)及相關(guān)系統(tǒng)、裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)涉及半導(dǎo)體裝置互連件，例如包含具有負(fù)熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料的通孔、跡線及其它接觸結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]形成半導(dǎo)體裝置通常包含使半導(dǎo)體襯底或組合件經(jīng)受用于添加、移除及/或更改材料的一系列處理步驟。這些處理步驟可逐漸精確地形成非常高密度的電組件，例如晶體管、電容器及二極管。所述電組件可通過通常在多個(gè)層上延伸且延伸穿過所述多個(gè)層的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)連接而連接。從一個(gè)層到另一層的此類網(wǎng)絡(luò)連接可為通過按所需圖案選擇性地在半導(dǎo)體材料中蝕刻出孔且用導(dǎo)電材料充填所述孔而形成的通孔。硅通孔(TSV)為一個(gè)類型的通孔，其延伸穿過整個(gè)半導(dǎo)體襯底。TSV通過電介質(zhì)間隔件與襯底隔離，且電互耦合在襯底的相反兩側(cè)處的接觸件或其它導(dǎo)電特征部。
【附圖說(shuō)明】
[0003]圖1A為具有根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例所配置的TSV的半導(dǎo)體裝置的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0004]圖1B及IC為根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例的分別處于初始溫度水平及處于升高溫度水平的圖1A的TSV的橫截面俯視圖。
[0005]圖2A到2C為展示具有根據(jù)本技術(shù)的選定實(shí)施例所配置的不同體積比的負(fù)熱膨脹材料的TSV的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0006]圖3A到3E為說(shuō)明在根據(jù)本技術(shù)的選定實(shí)施例的制造方法中的選定步驟處的圖1A的半導(dǎo)體裝置的橫截面圖。
[0007]圖4A及4B為具有根據(jù)本技術(shù)的另一實(shí)施例所配置的TSV的半導(dǎo)體裝置的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0008]圖5A到5C為根據(jù)本技術(shù)的其它實(shí)施例所配置的互連結(jié)構(gòu)的等角視圖。
[0009]圖6為說(shuō)明結(jié)合根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置的系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本技術(shù)的若干實(shí)施例的特定細(xì)節(jié)涉及結(jié)合負(fù)熱膨脹(NTE)材料的半導(dǎo)體裝置中的電極。術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體裝置”大體上是指包含半導(dǎo)體材料的固態(tài)裝置。半導(dǎo)體裝置尤其可為邏輯裝置、存儲(chǔ)器裝置及二極管。半導(dǎo)體裝置還可包含發(fā)光半導(dǎo)體裝置，例如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及其它固態(tài)換能器裝置。此外，術(shù)語(yǔ)“半導(dǎo)體裝置”可指成品裝置或在成為成品裝置前的各種處理階段中的組合件或其它結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)“互連件”可指垂直延伸穿過及/或橫向跨過半導(dǎo)體裝置或襯底的一部分的各種導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的任一者?；ミB件的實(shí)例包含通孔、跡線、接觸墊、導(dǎo)線及其它導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。取決于其使用背景，術(shù)語(yǔ)“襯底”可指晶片級(jí)襯底及/或經(jīng)單切的裸片級(jí)襯底。另外，除非上下文另有指示，否則本文所揭示的結(jié)構(gòu)可使用常規(guī)半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)形成。(例如)可使用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、旋轉(zhuǎn)涂布及/或其它適當(dāng)技術(shù)來(lái)沉積材料。類似地，(例如)可使用等離子蝕刻、濕式蝕刻、化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)或其它適當(dāng)技術(shù)來(lái)移除材料。同樣地，可(例如)通過使用一或多個(gè)掩模材料(例如光致抗蝕劑材料、硬掩模材料或其它適當(dāng)材料)添加及/或移除材料來(lái)圖案化材料。
[0011]常規(guī)互連材料(例如，金屬材料)的一個(gè)問題是其響應(yīng)于在許多制造工藝及操作中發(fā)生的溫度改變的膨脹及收縮超過襯底中的許多其它材料。一般來(lái)說(shuō)，互連件基于其體積及熱膨脹系數(shù)(CTE)而在尺寸上膨脹，且通常，許多互連材料的CTE顯著大于襯底中的材料的CTE。舉例來(lái)說(shuō)，銅可具有約1.7 X 10—5 l/K(線性)的CTE，而硅可具有約2.3 x 10—6 I/K(線性)的CTE。在升高溫度下，CTE的此差異使互連件膨脹到大于相鄰襯底材料的范圍。此膨脹將應(yīng)力強(qiáng)加到周圍材料且在襯底中引起裂痕。這些裂痕最終可導(dǎo)致晶片破裂、裝置故障(歸因于硅晶格損傷)、裝置失效及產(chǎn)率損失。然而，根據(jù)本技術(shù)的若干實(shí)施例所配置的互連件解決了常規(guī)互連件的這些及其它限制。
[0012]圖1A為根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例所配置的半導(dǎo)體裝置100的橫截面?zhèn)纫晥D。半導(dǎo)體裝置100包含襯底102及電組件103(示意性展示)。襯底102可包含(例如)硅襯底、外延結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體材料堆疊或其它適當(dāng)結(jié)構(gòu)。電組件103可為(例如)晶體管、二極管、LED、電容器、集成電路等等。
[0013]半導(dǎo)體裝置100進(jìn)一步包含經(jīng)配置以將電信號(hào)路由到內(nèi)部組件(例如，電組件103)及/或外部組件(例如，芯片外組件)的導(dǎo)電互連件105的網(wǎng)絡(luò)?；ミB件105可包含(例如)通孔106、接觸結(jié)構(gòu)108及使通孔106與接觸結(jié)構(gòu)108連接的跡線109。在圖1A的實(shí)施例的一個(gè)方面中，互連件105還包含形成于穿孔112中的TSV 110，所述穿孔112在第一側(cè)113a(例如，頂部或作用側(cè))與第二側(cè)113b(例如，底部或背側(cè))之間延伸穿過襯底102。如展示，TSV 110通過間隔件材料(在圖1A中不可見)與襯底102隔離，且包含至少一個(gè)外部導(dǎo)電材料115及至少一個(gè)NTE材料116。外部材料包含正CTE材料，例如鋁、銅、銀、鉑、釕、鈦、鈷等等。另一方面，NTE材料116包含負(fù)CTE材料。在一個(gè)實(shí)施例中，NTE材料116可包含金屬氧化物結(jié)晶材料。舉例來(lái)說(shuō)，鎢酸鋯(2^胃04)2)為一種此材料，其具有約-4.9 X 10—6 1/K的負(fù)CTE。不同于大多數(shù)結(jié)晶材料，鎢酸鋯具有“彈性鉸接”的晶格組分(ZrO6及WO4)，其通過自身再排序及/或旋轉(zhuǎn)成為晶格內(nèi)的更緊湊配置而響應(yīng)于熱量增加。其它NTE材料可具有當(dāng)被加熱時(shí)展現(xiàn)類似收縮機(jī)制的晶格組分。舉例來(lái)說(shuō)，ZrW2O8為結(jié)晶材料，其可具有約-11.4 X 10—6 1/K的負(fù)CTE。
[0014]如在本文所使用，術(shù)語(yǔ)“ΝΤΕ材料”是指響應(yīng)于溫度的增加而體積收縮的材料。類似正CTE材料，NTE材料具有與其在特定溫度范圍內(nèi)的膨脹/收縮量值相關(guān)的CTE。然而，不同于正CTE材料，NTE材料具有在特定溫度范圍(例如，-50 0C到250 °C )內(nèi)的負(fù)CTE。與NTE材料相關(guān)的其它材料性質(zhì)、特征及組成描述于以下文獻(xiàn)中，例如:T.A.瑪麗(T.A.Mary)等人所著的“ZrW208的從0.3到1050開爾文的負(fù)熱膨脹(Negative Thermal Expans1n from 0.3 to1050 Kelvin in ZrW2O8)"科學(xué)(Science)272.5258(1996):90_92;D.基恩(D.Keen)等人所著的“媽酸錯(cuò)的負(fù)熱膨脹(Negative thermal expans1n in zirconium tungstate)”物理評(píng)論快報(bào)(Phys.Rev.Lett.)96( 2005); H.劉(H.Liu)等人所著的“通過射頻磁控管派射制備的ZrW208薄膜上的后沉積退火效應(yīng)(Effect of post-deposit1n annealing on ZrAOsthin films prepared by rad1 frequency magnetron sputtering)，，表面和涂層技術(shù)(Surface and Coatings Technology).201.9-11(2007):5560_5563;M.S.薩頓(Sutton)等人所著的“用于光學(xué)涂層的基于鎢酸鋯(ZrW2O8)的負(fù)熱膨脹膜的沉積相關(guān)性(Deposit1ndependence of zirconium tungstate(Zrff20s)based negative thermal expans1nfilms for optical coatings)，，光學(xué)干涉涂層(Optical Interference Coatings(OIC))圖森(Tucson)，亞利桑那，2004年6月27日，光學(xué)涂層的沉積III(ME)(Deposit1n ofOptical Coatings III(ME));S.森格馬內(nèi)尼(S.Singamaneni)等人所著的“超薄等離子中的負(fù)熱膨脹(Negative Thermal Expans1n in Ultrathin Plasma)” 聚合膜化學(xué)材料(Polymerized Film Chm.Mater.) 19(2007): 129-131;科拉?利德(Cora Lind)所著的“二十年來(lái)的負(fù)熱膨脹研究:我們進(jìn)展如何？(Two Decades of Negative Thermal Expans1nResearch: Where Do We Stand?)，，材料(Mater ial s) 2012，5，1125-1154 ; W.斯萊特(W.Sleight)所著的“負(fù)熱膨脹(Negative Thermal Expans1n)”材料研究學(xué)會(huì)研討學(xué)報(bào)(Mat.Res.Soc.Symp.Proc.)，755卷，2003，材料研究學(xué)會(huì)(Materials Research Society)。
[0015]根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施例，圖1B為在初始溫度水平T1(例如，室溫)下的TSV 110的橫截面俯視圖，且圖1C展示在升高溫度水平T2(例如，制造或操作溫度)下的TSV 110。在初始溫度水平T1T(圖1Β)，導(dǎo)電材料115及NTE