CN111769077B - 一种用于三维集成电路封装的硅通孔结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路封装技术领域，具体为一种用于三维集成电路封装的硅通孔结构及其制造方法。本发明方法包括以下步骤：通过向硅片中注入氢离子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；沉积绝缘介质、铜扩散阻挡层和籽晶层，采用光刻和刻蚀工艺去除部分所述铜扩散阻挡层和所述籽晶层，仅保留硅通孔侧壁处的所述铜扩散阻挡层和所述籽晶层；在上述结构的上下表面形成牺牲层，在硅通孔中完全填充导电金属材料，然后去除牺牲层，所形成的导电金属材料的上下表面分别突出于绝缘介质的上下表面；在导电金属材料表面形成接触焊点。本发明能够有效提高生产效率，节约成本。

Description

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

本发明属于集成电路封装技术领域，具体涉及一种用于三维集成电路封装的硅通孔结构及其制造方法。

背景技术

随着集成电路工艺技术的高速发展，微电子封装技术逐渐成为制约半导体技术发展的主要因素。为了实现电子封装的高密度化，获得更优越的性能和更低的总体成本，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。

为了满足封装总体厚度的要求，对于传统的硅通孔制造工艺，其中很重要的一个步骤是硅片减薄。然而对于硅片减薄，通常都是采用机械磨削的方法，这其中相当厚度的硅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

本发明的目的在于提供一种刻蚀速率大、生产效率高、工艺复杂度低的用于三维集成电路封装的硅通孔结构及其制备方法。

本发明提供的用于三维集成电路封装的硅通孔结构制备方法，具体步骤为：

通过向硅片中注入氢离子剥离硅片，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、铜扩散阻挡层和籽晶层，采用光刻和刻蚀工艺去除部分所述铜扩散阻挡层和所述籽晶层，仅保留硅通孔侧壁处的所述铜扩散阻挡层和所述籽晶层；

在上述结构的上下表面形成牺牲层，在硅通孔中完全填充导电金属材料，然后去除牺牲层，导电金属材料的上下表面分别突出于所述绝缘介质的上下表面；

在导电金属材料表面形成接触焊点。

本发明制备方法中，优选为，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表面生长一层SiO₂薄膜；

然后，采用离子注入方式向硅片中注入氢离子，氢离子通过二氧化硅向硅片内部扩散；

之后，对所述硅片进行退火，注氢处微空腔内氢气发泡，硅片发生剥离；

最后，通过湿法刻蚀工艺去除剥离后的硅片表面的二氧化硅，并采用化学机械抛光方法平坦化硅片的底部，从而获得用于制作硅通孔的基底。

本发明制备方法中，优选为，通过改变氢离子注入能量，改变氢离子注入深度范围，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。

本发明制备方法中，优选为，对所述硅片进行退火的温度范围为300~400 ℃。

本发明制备方法中，优选为，所述导电金属材料为铜。

本发明还公开一种用于三维集成电路封装的硅通孔结构，包括：

贯通基底的硅通孔；

绝缘介质，覆盖硅通孔的侧壁以及基底的上下表面；

铜扩散阻挡层以及籽晶层，其中，所述铜扩散阻挡层覆盖硅通孔的侧壁上的所述绝缘介质，所述籽晶层覆盖铜扩散阻挡层表面；

导电金属材料以及接触焊点，其中，所述导电金属材料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的上下表面；

接触焊点置于所述导电金属材料的顶部和底部。

本发明的硅通孔结构中，优选为，所述导电金属材料为铜。

本发明的硅通孔结构中，优选为，所述绝缘介质是SiO₂、Si₃N₄、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。

本发明的硅通孔结构中，优选为，所述铜扩散阻挡层是TaN、TiN、ZrN、MnSiO₃中的至少一种。

本发明的硅通孔结构中，优选为，所述籽晶层是Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。

本发明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。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。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

图1是用于三维集成电路封装的硅通孔结构制造工艺的流程图。

图2~图5是剥离硅片获得基底的各步骤的结构示意图。

图6~图7是形成硅通孔的各步骤的结构示意图。

图8~图9是形成绝缘介质、铜扩散阻挡层和籽晶层的各步骤的结构示意图。

图10~图13是电镀铜以及形成接触焊点的各步骤的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而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。

此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以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。

以下结合附图1-13和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。图1是用于三维集成电路封装的硅通孔结构制造工艺的流程图，图2-13示出了用于三维集成电路封装的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：

步骤S1：剥离硅片获得制备硅通孔的基底。首先采用热氧化方法在硅片200表面生长一层SiO₂薄膜201，厚度范围为200~500 nm，所得结构如图2所示。然后采用离子注入方式向硅片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。

紧接着将上述硅片放入管式炉中进行退火，退火温度范围为300~400 ^oC；注氢处微空腔内氢气发泡，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。

通过湿法刻蚀工艺去除硅片A表面的二氧化硅201，并采用化学机械抛光方法平坦化硅片A的底部，从而获得用于制作硅通孔的基底，所得结构如图5所示。至于硅片B，可以采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。

步骤S2：形成硅通孔。在上述所获得的硅基底200上下表面旋涂光刻胶203，并通过曝光和显影工艺定义出硅通孔的图形，所得结构如图6所示。请参照图6，对硅基底200的上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。

步骤S3：形成绝缘介质、铜扩散阻挡层和籽晶层。采用化学气相沉积方法在硅通孔的侧壁及基底的上下表面沉积一层SiO₂薄膜作为绝缘介质205；然后采用物理气相沉积方法在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。

最后采用光刻和刻蚀工艺去除部分TaN阻挡层206和部分Cu籽晶层207，所得结构如图9所示。其中剩余的TaN阻挡层206只覆盖硅通孔侧壁的SiO₂薄膜205表面；相应地，剩余的Cu籽晶层207只覆盖硅通孔侧壁的TaN阻挡层206表面。

步骤S4：电镀铜以及形成接触焊点。首先在上述结构表面旋涂光刻胶，并通过曝光和显影定义出图形。然后采用电子束蒸发工艺生长一层金属Ni薄膜作为牺牲层208，接着采用剥离（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。

最后在铜材料209表面焊接金属Sn材料作为接触焊点210，所得结构如图13所示。在本发明中采用金属Ni薄膜作为牺牲层，但是本发明不限定于此，可以选择Ni、Ti、Ta、Cr中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。

本发明的用于三维集成电路封装的硅通孔结构，如图13所示，包括：贯通基底的硅通孔；绝缘介质205，覆盖硅通孔的侧壁以及基底上下表面。铜扩散阻挡层206以及籽晶层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。

优选地，绝缘介质205是SiO₂、Si₃N₄、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。铜扩散阻挡层206是TaN、TiN、ZrN、MnSiO₃中的至少一种。籽晶层207是Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。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。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

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 ℃。

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。

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