TW201036104A - Minimum cost method for forming high density passive capacitors for replacement of discrete board capacitors using a minimum cost 3D wafer-to-wafer modular integration scheme - Google Patents

Description

201036104 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於積體電路及積體電路封襄之 【先前技術】 2 當今2D單石1C要求在板層 双 雕散裝置 諸如電容哭、 電阻器及電感器，以利正確操作。— "

私壯社虹认 杈而5 ，需要兩個1C 封裝接針輸出，用以電氣連接至每個離 ^置。作為_實

Ο 例，需連接至5個電容器的一 IC將需要1〇個另外之接針輸 出。此增加之接針輸出計數增加1(：封裝之成本、W面積^ 板f間、。此外，其可能降級整體電效能，因為寄生電容及 可此洩漏電流及雜訊的引入。 作為-實例，某些受讓人之多媒產品需要旁路、飛 固持離散電容器。當放在一印刷電路板時，該等離散 4之各者在該IC上需要兩個額外接針輸出。不幸地， 該等離散電容器介於(Μ 與U μΡ之間且在數值上對比 於利用於典型CM0S& BiCMOS 1C(很少fF)中之電容器大許 多。因而’該等大值電容器不能整合於利用標準技， 準扣IC產品中，該等標準2D IC產品可從 : 廠等）購得》 不管所有的困難，將該等及其他板層級之離散裝置與該 T正。於個封裝内的需求係真切的。-些製造商目前在 f找達成此的新方式。-此種方法為線性技術之「μ模 '1」技* ’其t個別封裝使用焊料凸塊進行互連而堆叠。 在整合之另—方法中’該1C在-較大「被動晶片」之頂部 145803.doc 201036104 上凸起。 不幸11/亥等技術之兩者具有缺點，因為所得封裝报大 且因此，貝且因為晶片至晶片凸塊技術非常昂貴。此 卜在第個方法中，該被動晶片之面積比在其頂部上之 該凸起晶；1之面積大許多，且對其連接的—額㈣陣列需 要額外空間’且對其連接的— rom陣列需要額外空間，使 °亥封裝非#大且具有許多晶片互連之内外疊接。當該「被 動」晶片及該主動晶片（IC)尺寸不同，或者當該裝置之每 晶圓產率為低時，晶圓至晶圓封裝技術並不實際。 【發明内容】 在一態樣中揭示製造渠溝電容器之一方法，其包括：a) 在基板中從§亥基板之一第一表面触刻第一渠溝；b)以一 絕緣體塗佈該基板之該第一表面及該等第一渠溝；C)以— 導體塗佈該基板之該第一表面上之該絕緣體及該等第一渠 溝’ d)化學機械拋光該基板之該第一表面以移除該基板之 該第一表面上之該導體及該絕緣體塗層，以暴露該等第一 渠溝中之該等絕緣體及該等導體塗層之邊緣，用以對其等 提供互連。 在另一方法中揭示製造渠溝電容器之一方法，其包括： &)在—石夕基板中從該基板之一第一表面餘刻第一竿溝；b) 以一絕緣體塗佈該基板之該第一表面及該等第一渠溝；c) 以一導體塗佈該基板之該第一表面上之該絕緣體及該等第 一渠溝；d)至少再一次以一絕緣體塗佈該導體且以一金屬 塗層塗佈該絕緣體，該導體之最後塗層填充該等第一渠 145803.doc 201036104 溝’ e)化學機械拋光該基板之該第一表面以移除該基板之 該第一表面上之該等導體及該等絕緣體塗層，以暴露該等 第一渠溝中之該等絕緣體及該等導體塗層之邊緣，用以對 其等提供互連。該方法可進一步包括將在該基板之該第二 表面處之該等通孔開口中之銅熱壓縮接合至一積體電路之 各自銅接觸件區。 【實施方式】 ❹ ❹ 用於本發明中之該等渠溝電容器之製造繪示於圖丨至圖 10中。圖1以其上具有一背面氧化物層22之一矽基板繪示 起始點。沈積一硬遮罩層，且使用一習知光罩及蝕刻程 序，圖案化之硬遮罩層24剩餘，如圖2中所展示。接著如 圖3A至3C中所展示，使用一標準商業程序而製造一矽渠 溝蝕刻。該蝕刻包含區A及在其邊處之一更窄的區域B , 二將對於4等電容電極之_者提供—區域作為—接觸件 區接著製造一第一電介質沈積26，如圖4A至4C中所展 ^隨後，一第一導電材料層28在該氧化物層24上沈積 (圖A至圖5C) ’且將作為—電極層，該第—導電材料層諸 如金屬或經摻雜多晶石夕。該層具足夠之厚度，其不僅以 5之電極材料塗佈區域A(圖3A)，但其亦與該第一電介 貝-起以相同之材料完全填充區域B(圖3A)，如圖5B中所 展示。在圖6A至圖6C中已沈積一第二電介質層3〇,其塗 佈u電極層28。接著沈積—第二電極層32，如圖7八至圖 中所展不’其具有足夠厚度以填充該渠溝之剩餘未填充 部分。 145803.doc 201036104 其後一化學機械拋光（CMP)程序用以平坦化該頂表面且 同時暴露該第一電極層28及該第二電極層32，藉由電介質 層30而彼此絕緣，其中電極層28藉由介電質層％與基板2〇 絕緣，如圖8A至圖8C中所繪示。接著沈積一絕緣電介質 34,通常在工業中稱為層間電介質，如圖从至％中所展 示。該層之後將被光罩且蝕刻以暴露第一電極區域28、第 一電極區域32及該基板材料20。接著將沈積一金屬層％， 且圖案化以製造電容器接觸件36，及36"且連接電容器接觸 件36’至該基板2〇。所得電容器電路展示於圖丨丨中。實體 上，在圖11之右邊由層32、30及28形成之該電容器在圖U 之左邊由層28、26及20形成之電容器内巢套。 於本文描述之實施例中，展示至少一電容器電性地包括 - ^聯連接之電容器（圖⑴。很明顯根據本發明而形成 之電谷裔可藉由以下而製造：較佳地再調節該渠溝触刻， 其中該渠溝蚀刻形成該電容器，且接著在該第—電介質沈 積26之後，以—導電材料填充整個渠溝而電性地形成一單 -電容器。或者，V由進一步重複沈積一進—步電介質層 及導電層之步驟而形成電性地包括兩個以上並聯連接之電 容器的m。在後-種情況下，因為該導電層通常將 非常薄，可對最終填充層以外之每個中間導電層使用一雙 層接觸窗’非常像藉由區域B(圖3A)所產生，用於接觸= 不之實施例中之該中間導電層28。本質上，可—起巢套及 互連三個或三個以上電容器，其相對於繪示之兩個電容 器0 145803.doc 201036104 同時隨著前述程序的實現，將形成貫穿料孔，如關於 圖12至圖40之描述。 圖12繪示該基板20，該基板具有在未展示之該基板之一 • 1中形成之電容器’在氧化物層40中具有金屬互連38。在 ' 14方面，儘f示意性地展示-個互連層38，將頻繁地要求 多個互連層。該第-步驟為放下及圖案化一光阻層42(圖 13)且接著透過氧化#刻而執行―通孔及隔離通道，如 ❹ ® 4中所展示。（此及圖15及圖16展示比較早之圖式更寬 之基板20區段，以綠示該隔離渠溝之形成及填充，但是該 較寬之基板區段未在圖17至圖42中展示，以免混亂該等圖 式6 )此使用一深反應性離子蝕刻而在每個需要一貫穿矽 通孔及隔離渠溝之位置處執行。該蝕刻比用於其内形成電 容器之渠溝之蝕刻更深。在該光阻被剝離之前用一等向性 氧化物姓刻以姓刻该氧化物窗側面（圖丨5)。該光阻接著被 亲J離（圖15) ’沈積一貝穿石夕通孔氧化物襯墊44(圖μ)，且 〇 接著沈積一阻障種子層46，如圖17中所展示。在較佳之實 施例中之該隔離渠；冓具有某種程度上比該氧化物禅見塾之厚 又9兩倍小的一見度，所以完全由該氧化物填充。此最終 將使每個電容器從鄰近電容器或該基板上之其他電路電性 隔離，該其他電路可為如本技術中所熟知之其他被動或主 動電路。現在施加一貫穿矽通孔鋼電鍍48，如圖18中所展 不，且接著該表面經受於化學機械拋光以移除過剩之銅且 暴露如從該基板20處絕緣之該貫穿矽通孔中之銅，如圖19 中所展不，且暴露該氧化物充填之隔離通道的頂部（未展 145803.doc 201036104 示）。 . 尤積停止層5〇(圖20)，施加並圖案化一光阻52(圖21) 且钱刻接觸件帛口 54貫穿該停止層5〇及該等氧化物層 4〇，以暴露該等適宜互連金屬％。接著移除該光罩材料 52(圖23)且沈積—層鎢，填充開口 M。在化學機械拋光之 後’移除過剩之鹤及該停止層5〇,如圖24中所展示。接著 沈積層氧化物層56(圖乃），施加一光阻且顯影以在該氧 化物層56上形成光罩58(圖26)，且接著蝕刻該氧化物層 56，如圖27中所展示，暴露該貫穿矽通孔中之銅48，以及 暴露開口 5 4中之。 接著移除該光罩，如圖28中所展示，施加一金屬阻障種 子層60(圖29)且接著在其上施加銅電鍍62，如圖％中所展 不。該晶圓之頂表面接著再一次經受於化學機械拋光，如 圖3 1中所展不，且沈積一鈍化氧化物層64(圖32)。接著施 加一光阻66且圖案化，如圖33中所展示，且蚀刻該純化氧 化物層（圖34)，且移除該光阻66，如圖35中所展示，以暴 露忒銅層62。接著根據一較佳之程序，施加一臨時黏合層 68(圖36)，且一載體7〇被臨時接合至先前形成之該結構= 頂部(圖37)以對於該晶圓20及其中形成之該等結構提供支 撐。接著如圖38中所展示，該基板2〇之背面經受於用以移 除該背面氧化物層22及該矽基板20(圖1}之大部分之一粗略 研磨且接著一精細拋光，如圖39中所展示。該等圖式當然 僅為示意性的，因為該晶圓之有效薄化在該等操作中完 成，以將該等貫穿石夕通孔之下端帶到相對接近該基板之背 145803.doc 201036104 面 該程序中之下_舟聰 册 、 /驟為執行一背面電漿蝕刻以暴露在該 貫穿矽通孔尹之該鋼48之底端(圖40)。此操作電性地分離 该等電容器(若尚未分離)，其藉由暴露圍繞每個電容器及 所關聯之通孔（其耸i I , 、，了為兩個或多個電容器之一並聯組合 2該等氧化物填充之隔離渠溝之下端，但不暴露該等電容 盗之底σρ ’因為該等絕緣體填充渠溝及該等通孔深於盆中 Ο Ο 形成該等電容器之該等渠溝。該鋼現在將在該基板20之底 表面之下及該氧化物層44之末端之下略微延伸。 現在該晶圓準備好貫穿鈍化氧化物層加接合至具有暴 露之銅接觸件區68之一篦_ a同 ^ ^ 一 弟—日日圓，通常為一積體電路晶 圓。此展示於圖41及圖42中。通常由數字74指示之該積體 電路晶圓（圖41)诵堂技人士 ⑴）通币將含有—積體電路，包含該純化氧 化物之表面下之多個互連層76，而銅接觸件區⑽其電性 連接冑兩個BB圓接合—起較佳地藉由熱壓縮銅至銅接 合。如用於本文及申請專利範圍中之「積體電路」未必意 味一功能性積體電路’因為對於功能，該積體電路可能要 求麵接至該等電容器且可能上晶圓2〇中之其他被動或主動 裝置，且就此而言，可能對其連接之一或多個離散裝置或 其他積體電路。最終移除該臨時載體7〇(圖4”及黏合層 68，以提供圖42中所展示之該結構。在這方面，應注意二 層48提供該貫穿料孔以將該底部晶圓74上連接至互連％ 的該銅接觸件68連接至晶圓2〇上之互連％，以及提供銅區 域62的一暴露區’用於藉由—電路終端而連接至外部世 145803.doc 201036104 界’或者’根據如本文描述之熱壓縮接合兩個晶圓之方法 而熱壓縮接合至又另一個晶圓。或者，該等兩個所接合之 晶圓可首先切塊’且接著晶粒至晶粒地接合至又另一晶 粒。在任意事件中，該最終封裝係主動及被動電路元件之 一組合之一機械地且電性地接合且切塊之堆疊，包含該等 渠溝電容器。 圖43中可見該基板2〇之一較大區之一示意性俯視圖。圍 繞展示於區78中兩個鄰近電容器之各者的基板2〇之區段與 對通孔48(對兩個電容器接觸件進行接觸）一起藉由該等渠 溝周圍區78及该等通孔、該渠溝而從該基板之每個鄰近 區隔離’該渠溝延伸至該鈍化層72(圖41及圖42)且以相同 之氧化物填充，因為將該等銅填充通孔從該鄰近基板20之 ，絕緣。圖43亦繪示形成則目同基板上之額外裝置8〇，該 :裝置可為主動或其他被動裝置，或其等之—組合，藉由 貫例’電晶體及電阻器。 圓圖42僅為示意性的，但是通常代表多種可介於晶 料部世界而進行之連接。特线，該貫穿石夕通 、5 °以不連接至该上晶圓2〇中之互連層，但代替地可 1地提供詩_該外部世界至該下晶圓 :::::::端。或者在該貫穿—:= =2。之一或多個互連層38，但不經暴 =路允許整合尺寸大於可合理地整合於 接，相對於將其等在該積雜電…點連 145803.doc -10- 201036104 因此本發明之較佳實施例使用·· 晶圓至晶圓接合，尤其在記憶體產業中之一已知技術。 以此方式，在-晶圓上之所有裝置同時分別附接至另一晶 圓上分別之裝置’而非如上文所描述之該個別晶片至晶片 接合程序。 若使用晶圓至晶圓接合，該被動（或者亦為主動）電容器

晶片將為與該正常較d、IC晶片相同尺寸，以最小化形狀因 數及晶圓浪費。 ㈣電容器可為個別電容器或每個電容器可為—連串以 -早-CMP(化學機械拋光)程序之並聯電容器(2個或多個) 代替重複之❹驟，因此減少移動數目及晶片成本而同時 增加產率。 該晶片電容器模組（具有或不具有主動裝置）使用一扣模 組整合（3刪)之途徑整合至該（等）主動以最小化接針輸 出。該3刪途徑使用_垂直整合貫穿料孔（tsv)方法， 〇 该方法在工業中為所熟知。然而後通孔tsv途徑係唯一 的’因為其與TSV 3D互連同時亦提供—2D互㈣，因此 進一步減少程序移動及成本。 渠溝電容器之形成在卫業中為所熟知。然而，在下述態 樣中，較佳實施例之渠冑電容器結構係唯一的： 、，使用-CMP步驟而同時形成所有該等渠溝電容器電極。 4除夕個且循序之光步驟、蝕刻步驟及清潔步驟。此最小 化移動及成本。由於CMP，對於電極之接觸件為相同形貌 同度及深度，大大改良接觸件光及蝕刻可製造性，且減少 145803.doc 201036104 需要在接觸件光步驟之前化學機械地拋光之層間電介質氣 化物之厚度。特定地，請注意，一旦該渠溝蝕刻完成（圖 3A至3C)，藉由電介質及導電層之沈積直到該渠溝有意地 完全填充而形成該等電容器，均無任何進一步光步驟該 等電容器在該CMP步驟中分離，且同時平坦化該晶片，以 如所欲幫助該等電容器及該等通孔之互連的形《。連續之 光步驟的消除不僅減少製造成本及改良產率，而且消除允 許遮罩對準容許度之需求，允許該等電容器更近之間隔或 在與其將連接的IC相同尺寸的一晶片上實現更 器。 可於相同1C層級使用具有不同電容密度之渠溝電容器。 此將使S亥晶片在面積上盘句_了广曰μ』& 你®7槓上與該1(2晶片相等，因此允許晶圓至 晶圓（相對於晶片至晶片或晶片至晶圓）接合。 產率大大改良亦因為該等電介質或電極表 任何階段均未暴露至光阻及後 心者在 .^ ^ 羑續先阻私除步驟，該等步驟 在·工業中為所熟知，盆弓丨异已、、既y*立t 靠性問題。 ，、引起/曰在產率及/或電容器中之可 該晶圓至晶圓整合形成以一 .

姑t品、* β V 方式利用所熟知之TSV 技術而連接該（等）被動晶片至該 非值結尨、3 、）主動日日片。其作為一 非傳統後通孔Tsv途徑而利用，該

晶；i i曰Μ π β 、仅允许該金屬形成3D 月日日片互連以及2D裝置至裝置 至曰>4 m π * 互連兩者。此允許晶圓 至日曰片3D互連。此外可重複該程 圓 彡曰1S1 ΰΓ & 4 U致使2個、3個或許 夕曰曰0可與垂直互連之相同尺寸之曰曰 1 分析顯示此為主+田 a片接δ至一起。成本 為最不叩貝之用於類比電路之祀模組整合的方 145803.doc 201036104 式。 因此本發明具有許多態樣，該等態樣可如所欲單獨實踐 或以多種組合或子組合而實踐。儘管本發明之—較佳實施 例用於繪示之目的且非用於限制之目的而在本文揭示及扩 述，熟習此項技術者將瞭解在沒有悖離如由下述申請專利 範圍之全篇所定義之本發明之精神與範圍的前提下在本文 可作出多種形式上及細節上的改變。

【圖式簡單說明】 圖1至圖ίο繪示根據本發明之渠溝電容器之形成的一例 示性方法； 〇 圖11係對於圖1之例示性渠溝電容 圖12至圖40繪示根據本發明 示性方法； 器之一電路圖； 之貫穿矽通孔之形成的 一例 圖41繪示將一晶圓（諸如含有 〇 有根據圖1至圖10之渠溝電容 器之-晶圓)熱接合至含有積體電路之另一晶圓； 圖42繪示準備好此等額外程 外之5亥等接合之晶圓的完 成，額外之程序諸如接合至—嚭 貝外日曰圓或用於焊料凸塊及 切塊；及 圖43為該基板20之一區的— 20上之多個電容器及其他裝置 【主要元件符號說明】 2〇 基板 示意性俯視圖 ，其繪示基板 22 背面氧化物層 24 圖案化之硬遮罩層 145803.doc 13 201036104 26 第一電介質沈積 28 第一導電材料層 30 第二電介質層 32 第二電極層 34 絕緣電介質 36， 電容器接觸件 36" 電容器接觸件 36 金屬層 38 金屬互連 40 氧化物層 42 光阻層 44 氧化物層 46 阻障種子層 48 銅電鍍 50 停止層 52 光阻 54 接觸件開口 56 氧化物層 58 光罩 60 金屬阻障種子層 62 銅電鍍 64 鈍化氧化物層 66 光阻 68 臨時黏合層 145803.doc -14- 201036104 70 載體 72 純化氧化物層 74 晶圓 76 互連層 78 渠溝周圍區 Ο ❹ 145803.doc - 15-

Claims (1)

1. 201036104 七、申請專利範圍： 1. 一種製造渠溝電容器之方法，其包括： a) 在一基板中從該基板之一第一表面蝕刻第一渠溝； b) 以一絕緣體塗佈該基板之該第一表面及該等第一渠 溝； c) 以一導體塗佈該基板之該第一表面上之該絕緣體及 該等第一渠溝； d) 化學機械拋光該基板之該第一表面以移除該基板之 該第一表面上之該導體及該絕緣體塗層，以暴露該等第 一 ^溝中之該等絕緣體及該專導體塗層之該等邊緣，用 以對其等提供互連。 2_如請求項1之方法，其進一步包括至少再一次以一絕緣 體塗佈該導體且以一金屬塗層塗佈該絕緣體，該導體之 該最後塗層填充該等第一渠溝，且其十在d)中，該化學 機械拋光移除該基板之該第一表面上之所有該等導體及 4專絕緣體塗層，以暴露在該等第一渠溝中之所有絕緣 體及導體塗層之該等邊緣，用以提供互連至該等導體塗 層。 3. 如請求項2之方法，其中該導體係一金屬。 4. 如請求項2之方法’其中該導體係經摻雜之多晶石夕。 5. 如明求項1之方法，其進一步包括蝕刻通孔開口及隔離 渠溝使其等深於該等第一渠溝而至讓基板中且利用氧化 物塗佈該基板之該第一表面及通孔開口，該氧化物填充 該等隔離渠溝，該等隔離渠溝限制每個渠溝電容器及一 145803.doc 201036104 對通孔開口。 6.如請求項5之方法，其進一步包括將一導電層沈積至該 基板之該第一表面及該氧化物上以填充該等通孔開口， 且化學機械拋光該基板之該第一表面，以從該基板之該 第一表面移除該導電層，留下填充該等通孔開口之該導 電層。 7. 如請求項6之方法，其進一步包括將該等各自隔離渠溝 内之該等渠溝電容器之該等導體與填充該等通孔之導電 層電氣互連。 8. 如請求項7之方法，其進一步包括化學機械拋光與該基 板之該第一表面相反之該基板之一第二表面，且蝕刻該 基板之該第二表面，以暴露該氧化物及填充該等通孔開 口之該導電層及該等隔離渠溝中之該氧化物，但非該等 渠溝電容器。 9_如睛求項8之方法’其中在該等通孔開口中暴露於該基 板之°亥第二表面處之該導電層係電氣且機械接合至一積 體電路之各自導電區。 月长項9之方法，其中該電氣及機械接合為晶圓至曰 圓接合。 。月求項9之方法，其中該等通孔開口中之該導電層為 =且其中該基板係藉由熱壓縮接合而電氣且機械地接 合至—積體電路之各自導電區。 12 ^求項U之方法’其中該電氣及機械接合為晶圓至晶 145803.doc 201036104 13_如明求項1之方法，其中該基板為矽且進一步包括在該 基板上製造從由主動裝置與被動裝置組成之群中選定之 其他裝置。 14. 一種製造渠溝電容器之方法，其包括： a) 在一矽基板中從該基板之一第一表面蝕刻第一渠 溝； b) 以一絕緣體塗佈該基板之該第一表面及該等第一渠 溝； 0 c) 以一導體塗佈該基板之該第一表面上之該絕緣體及 該等第一渠溝； d) 至少再一次以一絕緣體塗佈該導體且以一金屬塗層 塗佈5亥絕緣體’ 5玄導體之該最後塗層填充該等第一竿 溝； e) 化學機械抛光該基板之該第一表面以移除該基板之 該第一表面上之該等導體及該等絕緣體塗層，以暴露該 〇 等第一渠溝中之該等絕緣體及該等導體塗層之該等邊 緣，用以對其等提供互連。 15. 如請求項14之方法’其中該導體係一金屬。 16. 如請求項14之方法’其中該導體係經摻雜之多晶石夕。 17. 如請求項14之方法，其進一步包括蝕刻通孔開口及隔離 渠溝使其等殊於°亥專弟一渠溝而至該基板中且利用氧化 物塗佈該基板之該第一表面及通孔開口，該氧化物填充 該等隔離渠溝，該等隔離渠溝限制每個渠溝電容器及一 對通孔開口。 145803.doc 201036104 月求項17之方法，其進—步包括將銅沈積至該基板之 亥第表面及該氧化物上以填充該等通孔開口，且化學 機械拋光絲板之該第—表面，以從該基板之該第一表 面移除該導電層，留下填充該等通孔開口之該銅。 19.如明求項18之方法，其進—步包括將該等各自隔離渠溝 内之該等渠溝電容器之該等導體層與填充該等通孔之該 銅電氣互連。 2〇·如μ求項19之方法，其進一步包括化學機械拋光與該基 板之該第一表面相反之該基板之一第二表面，且蝕刻該 基板之該第二表面，以暴露該氧化物及填充該等通孔開 口之該銅及該等隔離渠溝中之該氧化物，但非該等渠溝 電容器。 2 1 ·如响求項20之方法，其進一步包括將在該基板之該第二 表面處之該等通孔開口中之該銅熱壓縮接合至一積體電 路之各自銅接觸件區。 22_如請求項21之方法，其中該熱壓縮接合係晶圓至晶圓接 合。 23 _如請求項14之方法，其進一步包括在該基板上製造從由 主動裝置與被動裝置組成之群中選定之其他裝置。 145803.doc