一种用于三维集成电路封装的硅通孔结构及其制造方法转让专利
申请号 : CN202010562310.8
文献号 : CN111769077B
文献日 : 2021-08-20
发明人 : 朱宝 , 陈琳 , 孙清清 , 张卫
申请人 : 复旦大学 , 上海集成电路制造创新中心有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于三维集成电路封装的硅通孔结构制备方法,其特征在于,具体步骤为:通过向硅片(200)中注入氢离子(202)剥离硅片,获得制备硅通孔的基底;
对基底进行双面等离子体刻蚀,从而将基底贯通形成硅通孔;
在所述硅通孔的侧壁和所述基底的上下表面依次沉积绝缘介质(205)、铜扩散阻挡层(206)和籽晶层(207),采用光刻和刻蚀工艺去除部分所述铜扩散阻挡层(206)和所述籽晶层(207),仅保留所述硅通孔的侧壁处的所述铜扩散阻挡层(206)和所述籽晶层(207);
在上述结构的上下表面形成牺牲层(208),在所述硅通孔中完全填充导电金属材料(209),然后去除所述牺牲层(208),所述导电金属材料(209)的上下表面分别突出于所述绝缘介质(205)的上下表面;
在所述导电金属材料(209)表面形成接触焊点(210)。
2.根据权利要求1所述的用于三维集成电路封装的硅通孔结构制备方法,其特征在于,所述获得制备硅通孔的基底的步骤,具体包括:首先,采用热氧化方法在硅片(200)表面生长一层二氧化硅薄膜(201);
然后,采用离子注入方式向所述硅片(200)中注入氢离子(202),所述氢离子(202)通过所述二氧化硅(201)向所述硅片(200)内部扩散;
之后,对所述硅片(200)进行退火,使注氢处微空腔内氢气发泡,硅片(200)发生剥离,成为上下两部分;
最后,通过湿法刻蚀工艺去除剥离后的上部硅片表面的二氧化硅(201),并采用化学机械抛光方法平坦化上部硅片的底部,从而获得用于制作硅通孔的基底。
3.根据权利要求2所述的用于三维集成电路封装的硅通孔结构制备方法,其特征在于,所选氢离子注入能量大于5000 KeV,以获得深度大于50微米的硅通孔。
4. 根据权利要求2所述的用于三维集成电路封装的硅通孔结构制备方法,其特征在于,对所述硅片进行退火的温度范围为300 400 ℃。
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5.根据权利要求1所述的用于三维集成电路封装的硅通孔结构制备方法,其特征在于,所述导电金属材料为铜。
说明书 :
一种用于三维集成电路封装的硅通孔结构及其制造方法
技术领域
背景技术
人员研究出一系列先进的封装技术。其中三维封装技术具有良好的电学性能以及较高的可
靠性,同时能实现较高的封装密度,被广泛应用于各种高速电路以及小型化系统中。硅通孔
技术是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种新技术,通过在硅圆片上制作出许多垂直
互连通孔来实现不同芯片之间的电互连。硅通孔技术能够使芯片在三维方向堆叠的密度最
大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小,并且大大改善芯片速度和低功耗的性能,是目
前电子封装技术中最引人注目的一种技术。
材料会被去除却无法回收利用,导致硅材料的大量浪费。此外,对于硅通孔结构,由于通孔
是贯通整个硅片的,所以通孔一般都非常深。在传统的硅通孔形成工艺中,对于已经减薄的
硅片,通常都是单侧采用干法或者湿法刻蚀工艺刻蚀硅片,直到硅片底部穿通。由于只是单
侧刻蚀硅片,所以这种工艺刻蚀速率较低,影响生产效率。
发明内容
壁处的所述铜扩散阻挡层和所述籽晶层;
蚀速率,提高生产效率。在电镀铜之后的步骤中无需化学机械抛光铜材料,可以极大减少工
艺复杂度。
附图说明
具体实施方式
具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部
分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出
创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此
不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指
示或暗示相对重要性。
不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出,器件中的各个部分可以由
本领域的技术人员公知的材料构成,或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
硅通孔结构制造工艺各步骤的结构示意图。如图1所示,具体制备步骤为:
向硅片200中注入氢离子202,氢离子202通过二氧化硅201向硅片200内部扩散,所得结构如
图3所示。通过改变氢离子注入能量,可以改变氢离子注入深度范围。为了获得厚度大于50
微米的硅通孔,所选氢离子注入能量大于5000 KeV。
微空腔内氢气发泡,硅片200发生剥离,分裂为上下两部分,上部为表面覆盖二氧化硅的硅
片A,下部为没有覆盖二氧化硅的硅片B,所得结构如图4所示。
用上述工艺继续剥离从而可以获得更多片可以用于制作硅通孔的基底。采用向硅片中注入
氢离子剥离硅片的方式来获得制备硅通孔的基底,可以充分利用硅材料,节约成本。
下表面图形处同时进行等离子体刻蚀,直到硅基底200贯通。随后在溶剂中溶解或灰化去除
光刻胶203,所得结构如图7所示。其中所采用的等离子体可以选择CF4、SF6中的至少一种。对
硅基底进行双面等离子体刻蚀从而获得硅通孔,可以增大刻蚀速率,提高生产效率。
法在SiO2薄膜205表面生长一层TaN薄膜作为铜扩散阻挡层206;接着采用物理气相沉积方
法在TaN薄膜206表面生长一层Cu薄膜作为籽晶层207,所得结构如图8所示。在本发明中采
用SiO2作为绝缘介质,采用TaN作为铜扩散阻挡层,采用Cu薄膜作为籽晶层,但是本发明不
限定于此,可以选择SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种作为绝缘介质;可以选择
TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种作为铜扩散阻挡层;可以选择Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、
CuCo中的至少一种作为籽晶层。铜扩散阻挡层和籽晶层的生长方式也可以选择化学气相沉
积或者原子层沉积。
的Cu籽晶层207只覆盖硅通孔侧壁的TaN阻挡层206表面。
用剥离(lift‑off)工艺在溶剂中去除光刻胶以及光刻胶表面的金属Ni薄膜,所得结构如图
10所示。随后采用电镀工艺在硅通孔中电镀铜材料209并完全填充硅通孔,所得结构如图11
所示。进一步,采用光刻和刻蚀工艺去除金属Ni薄膜208,所得结构如图12所示。如图12所
示,导电金属材料209分别下上下延伸出硅通孔的,其上表面高于绝缘介质205的上表面,其
下表面低于绝缘介质205的上表面。
的任意一种作为牺牲层。在电镀铜之后无需化学机械抛光铜材料,可以极大减少工艺复杂
度。
207,其中,所述铜扩散阻挡层206覆盖硅通孔的侧壁上的所述绝缘介质205,所述籽晶层207
覆盖铜扩散阻挡层206表面;导电金属材料209以及接触焊点210,其中,所述导电金属材料
209完全填充所述硅通孔,并向上和向下延伸,突出于所述绝缘介质205的上下表面;接触焊
点210置于所述导电金属材料209的顶部和底部。
的至少一种。牺牲层208可以是Ni、Ti、Ta、Cr中的任意一种。导电金属材料209例如为铜。
涵盖在本发明的保护范围之内。