專利名稱：用于tsv銅附著的z形結構的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及用于形成半導體器件的系統和方法，更具體地，涉及用于形成穿 透硅通孔(TSV)和金屬層之間的接觸孔的系統和方法。
背景技術：
—般地，為了形成半導體管芯的金屬層和延伸穿過半導體管芯的TSV之間的接觸 孔，覆蓋金屬層的鈍化層被刻蝕以形成接觸開口并暴露金屬線的接觸部分。在刻蝕之后，形 成阻擋層以接觸暴露的接觸部分并覆蓋接觸開口和TSV的側壁。然后，對接觸開口和TSV通 過如電鍍的工藝過填充銅。雖然銅和阻擋層的一部分可能被移除，但是介于接觸開口和TSV 之間的阻擋層和銅則被留下來以維持電接觸，從而實現了與半導體管芯相對側的電接觸。
然而，該工藝通常產生具有與其下材料低附著銅導體。另外，因為由加熱和冷卻工 藝造成的膨脹和收縮能加劇低附著的問題，所以這也可能限制完成半導體管芯制造所需要 的后續工藝的熱預算。后續工藝條件的這個限制是所不期望的。 因此，需要一種通過增加導體的附著能力而增加TSV溫度性能的結構和方法。
發明內容
本發明提供了具有用于半導體更好附著的Z形橫截面的接觸襯墊，其優選的實施 例普遍解決或避開了上述以及其他的問題，并且普遍達到了技術效果。 根據本發明的優選的實施例， 一種半導體器件，包括襯底，其具有第一導電物件 和位于第一導電物件之上的鈍化層。接觸襯墊延伸穿過鈍化層內的多個開口以形成與第一 導電物件的多個間斷接觸。 根據本發明的另一個優選的實施例，一種半導體器件，包括襯底，襯底之上的金屬 層和金屬層之上的鈍化層。第一導體延伸穿過鈍化層并與最上層金屬層共用分界面。第一 導體在接觸最上層金屬層，鈍化層，返回最上層金屬層之間交替。穿透硅通孔與第一導體接 觸。 根據本發明的又一個優選的實施例， 一種半導體器件，包括襯底，其具有多個金屬
層。第一導體形成為z形結構以形成與至少一個金屬層的多個接觸點，鈍化層位于第一導
體和金屬層之間，在這里導體不接觸金屬層。第二導體從第一導體延伸到穿透硅通孔。
本發明的優選實施例的有益效果為能夠達到接觸襯墊和導體之間更好的附著。由 于接下來的工藝的溫度范圍可以擴展以適應更好的附著，所以也能夠達到更大的工藝適應 性。
為了對本發明及其有益效果有更加全面的理解，現在結合附圖進行參考以下描 述，其中 圖1示出了根據本發明實施例的具有金屬化層和上層金屬接觸孔的襯底；
圖2示出了根據本發明實施例的在金屬化層和上層金屬接觸孔之上的第一鈍化 層的形成，以形成Z形構形； 圖3A-3D示出了根據本發明實施例的TSV接觸襯墊和外部接觸襯墊； 圖4示出了根據本發明實施例的第二鈍化層的形成； 圖5示出了根據本發明實施例的TSV開口的形成； 圖6示出了根據本發明實施例的管芯之上的隔離層的形成； 圖7示出了根據本發明實施例的TSV接觸襯墊和TSV開口之上的阻擋層的形成；
圖8示出了根據本發明實施例的外部接觸襯墊之上的光掩膜的形成；
圖9示出了 TSV開口內和TSV接觸襯墊之上的過填充的導電材料的形成；
圖10示出了根據本發明實施例的外部接觸襯墊之上的阻擋層的移除和TSV接觸 襯墊和穿透硅通孔之上的導電材料的減薄；以及 圖ll示出了根據本發明實施例的管芯 的減薄和管芯的第二面之上的導電層和 ENIG層的形成。 不同的附圖中的相應的數字和標號除非另有說明外一般指示相應的部分。附圖繪 制為清楚地示出優選的實施例的相關方面，并不必要按照比例繪制。
具體實施例方式
下面詳細討論本發明優選的實施例的制造和使用。然而，應當理解的是，示出的實 施例提供了很多可在廣泛多種場景中實施的適用的發明構思。所討論的特定的實施例僅是 制造和使用本發明的特定方法，并不是對本發明范圍的限制。 本發明結合特定場景下的優選的實施例進行描述，即金屬層和TSV之間的接觸襯 墊。然而，本發明也可以實施于其他接觸襯墊。 現在參考圖l，示出了半導體管芯100的剖面圖，其包括襯底IOI，金屬化層103， 第一上層金屬接觸孔105和第二上層金屬接觸孔107。襯底101可以包括摻雜的或未摻雜 的體硅，或絕緣體上硅(SOI)襯底的有源層。 一般地，SOI襯底包括半導體材料層，如硅， 鍺，鍺硅，SOI，絕緣體上鍺硅(SGOI)及其組合。可以使用的其他襯底包括多層襯底、梯度 (gradient)襯底或混合方向襯底。在在襯底101中或表面可以使用任何適合的方法形成各 種有源器件(未示出)如晶體管，電容，電阻等等。 金屬化層103形成在襯底101之上，其被設計為連接各個有源器件以形成功能電 路。金屬化層103優選為由交替的電介質和導電材料形成，且可以通過任何適合的工藝(如 淀積，鑲嵌等)形成。優選地，至少4個金屬化層通過至少一個層間電介質層(ILD)與襯底 101隔開，但是金屬化層103的準確數目依賴于半導體管芯100的設計。
第一上層金屬接觸孔105優選為位于金屬化層103的最上層。第一上層金屬接觸 孔105用作金屬化層103的其余部分和外部接觸襯墊(以下參考圖3A進行描述)之間的 接觸孔。第一上層金屬接觸孔105優選為包括材料如銅，優選為使用鑲嵌或雙鑲嵌工藝形 成，其中將銅過填充到電介質層的開口中，然后通過如化學機械拋光(CMP)的工藝移除多 余的銅。然而，可以選擇使用任何適合的材料(如鋁)以及任何適合的工藝(如淀積或刻 蝕)形成第一上層金屬接觸孔105。 第二上層金屬接觸孔107也位于金屬化層103的最上層，但是與第一上層金屬接觸孔105隔開。第二上層金屬接觸孔107用作金屬化層103的其余部分和TSV接觸襯墊 (以下參考圖3A進行描述)之間的接觸孔。第二上層金屬接觸孔107以與其他金屬化層 103類似的方式和類似的材料形成(如雙鑲嵌等等)。 圖2示出了金屬化層103，第一上層金屬接觸孔105和第二上層金屬接觸孔107之 上的第一鈍化層201的形成和構圖。第一鈍化層201優選包括電介質材料，如氧化物或氮 化硅，也可以替換使用其他適合的電介質，如高k值電介質。優選使用等離子體增強化學汽 相淀積(PECVD)工藝形成第一鈍化層201，也可以選擇使用任何其他適合的工藝。第一鈍化 層201優選為具有介于大約0. 6 ii m到大約1. 4 ii m之間的厚度，優選厚度為1 P m。
—旦形成，優選使用適合的光刻技術對第一鈍化層201進行構圖。第一鈍化層201 的構圖優選為使用光敏材料(未示出)進行，將光敏材料以需要的構圖暴露在光線中。然 后，優選對光敏材料進行顯影，接著將光致抗蝕劑的不需要的部分移除，保留光掩膜。然后， 通過刻蝕工藝將光掩膜的構圖轉印到第一鈍化層201。 優選對第一鈍化層201進行構圖以暴露第一上層金屬接觸孔105和第二上層金屬 接觸孔107的部分。優選對在第二上層金屬接觸孔107之上的第一鈍化層201進行構圖， 以保留第一鈍化層在第二上層金屬接觸孔107的暴露部分之間的部分。通過這種方法，上 表面在第二上層金屬接觸孔107和第一鈍化層201之間交替，從而形成上表面的Z形結構。 該結構優選為暴露第二上層金屬接觸孔107大約30%到70%之間，更優選為暴露第二上層 金屬接觸孔107大約40%。第一鈍化層201的優選高度為介于大約1.2iim到大約3iim之 間，優選高度為大約1.2iim。 該結構(為了保留第一鈍化層201在第二上層金屬接觸孔107之上的部分)增加 了形成在第二上層金屬接觸孔107和第一鈍化層201之上的下一個層的接觸表面積。接觸 表面積的增加有利于改進相鄰層之間的附著。另外，通過對第一鈍化層201的構圖，不需要 附加的工藝步驟，這樣有利于節省基本的工藝費用。 圖3A示出了 TSV接觸襯墊301和外部接觸襯墊303的形成。TSV接觸襯墊301提 供了從管芯100的電路(包括有源器件和金屬化層)到之后形成的TSV(以下參考圖5-11 進行描述)的連接。外部接觸襯墊303用作從半導體管芯100到半導體管芯100之外的 其他器件(未示出)的連接。優選地，將外部接觸襯墊303連接到引線鍵合(未示出)，然 而，可選擇地，任何適當的連接類型，如球柵陣列或連接的壓縮的類型也可以連接到外部接 觸襯墊303。 TSV接觸襯墊301和外部接觸襯墊303優選為包括鋁，優選為通過在第一鈍化層 201之上共形地淀積鋁層而形成。該共形的淀積填充了第一鈍化層201被移除的那些部分， 并保留由第一鈍化層201和第二上層金屬接觸孔107所形成的Z形結構。一旦淀積了鋁層， 接著優選地在該層之上形成光致抗蝕劑，然后對鋁層進行刻蝕以形成TSV接觸襯墊301和 外部接觸襯墊303。 然而，本領域技術人員可以認識到，上述形成TSV接觸襯墊301和外部接觸襯墊 303的工藝僅僅是形成的一種材料和形成方法。可以使用其他適合的材料，例如，包括(但 不限于)鋁、金、銀、鎳、銅、鎢、鈦、鉭以及它們的化合物、它們的合金、它們的多個層、它們 的復合物和它們的組合物。另外，不同的材料可能需要不同的形成方法，如濺射或雙鑲嵌工 。所有的這些材料和形成方法可以替換使用，其中每個都全部地包括在本發明的保護范圍之內。 圖3B-3D示出了 TSV接觸襯墊301的平面圖，并示出了優選為具有與之下的第一 鈍化層201相同形狀的TSV接觸襯墊301的凸起部分305。 TSV接觸襯墊301的這些凸起 部分305優選基本地形成為方形的平臺，如圖3B所示。然而，可選擇地，TSV接觸襯墊301 的凸起部分305可被形成為在如圖3C所示的在第一方向或如圖3D所示的在第二方向上的 凸起金屬線，雖然這些將占用TSV接觸襯墊301更大的面積。 圖4示出了在第一鈍化層201、外部接觸襯墊303和TSV接觸襯墊301之上的第二 鈍化層401的形成。第二鈍化層401優選包括電介質材料，如氧化物或氮化硅，但是也可以 選擇使用其他適合的電介質。優選地，使用等離子體增強化學汽相淀積(PECVD)工藝形成 第二鈍化層401，但是也可以選擇使用任何適合的工藝，如CVD或LPCVD。第二鈍化層401 優選為具有介于大約0. 6 ii m到大約1. 4 ii m之間的厚度，優選為具有大約1 P m的厚度。
在第二鈍化層401形成之后，對第二鈍化層401構圖以暴露TSV接觸襯墊301和 外部接觸襯墊303的部分。優選地，通過涂覆和顯影第二鈍化層401之上的光刻膜(未示 出)，然后移除未顯影的不需要的部分以形成光掩膜而進行構圖。 一旦光掩膜放置好，接著 對第二鈍化層401進行刻蝕，使用光掩膜作為掩膜將構圖轉移到第二鈍化層401。
圖5示出了 TSV開口 501的形成。優選地，涂覆和顯影適合的光致抗蝕劑(未示 出)，然后刻蝕第二鈍化層401，第一鈍化層201，金屬化層103和至少一部分襯底101以形 成TSV開口501。可選擇地，可以在半導體管芯100從襯底101向上構造時與獨立層(如電 介質和金屬層)同時形成。 優選地，形成TSV開口 501以延伸到襯底101內，至少遠于形成在襯底101其中和 其上的電器件，優選地至少延伸至大于管芯100的可能需要高度的深度。因此，雖然從襯底 IOI表面之上的TSV開口 501的深度依賴于半導體管芯100的整體設計，但該深度優選為介 于大約70iim到大約190iim之間，更優選為大約150 ym。另夕卜，TSV開口 501優選為具有 大約20 ii m到大約70 ii m的直徑，更優選為大約50 y m。 圖6示出了半導體管芯100之上的隔離層601的形成和構圖，隔離層601覆蓋TSV 開口 501的側壁和底部。雖然可以選擇地使用任何適合的電介質，但是隔離層601優選為 正硅酸四乙酯(TEOS)或氮化硅。優選地，采用等離子體增強化學汽相淀積(PECVD)工藝形 成隔離層601，然而也可以選擇使用其他適合的工藝。 —旦隔離層601已經被淀積，通過在隔離層601之上形成光致抗蝕劑層(未示出) 對其進行構圖。 一旦已在隔離層601之上形成光致抗蝕劑層，則對其進行構圖，包括通過將 其暴露在光線中，顯影光致抗蝕劑，然后移除未曝光的部分。優選地，對光致抗蝕劑層進行 構圖以暴露隔離層601的部分用于之后的刻蝕。 在對光致抗蝕劑層構圖之后，對隔離層601的曝光部分進行刻蝕。優選地，使用氟 基刻蝕劑如CF4， CHF3或SF6進行該刻蝕，然而也可以選擇使用任何適合的刻蝕劑。優選 地，進行持續的刻蝕直到將外部接觸襯墊303的部分和TSV接觸襯墊301的部分暴露。一 旦刻蝕完成，優選地，通過適合的灰化或去膜工藝移除光致抗蝕劑層。 圖7示出了在隔離層601的保留部分之上的阻擋層701的形成，其與外部接觸襯 墊303和TSV接觸襯墊301相接觸。阻擋層701優選包括導電材料如氮化鈦，然而也可以選 擇使用其他材料，如氮化鉭或鈦。優選地，采用CVD工藝，如PECVD，來形成阻擋層701。然而，可以選擇使用其他可選擇的工藝，如濺射或金屬有機化學汽相淀積(M0CVD)。形成阻擋層701以形成之下的半導體管芯100的形狀的輪廓。優選地，阻擋層701的部分與隔離層601的保留部分的形狀一致，從而保持了阻擋層701和TSV接觸襯墊301之間的Z形結構。
可選地，可以在阻擋層701之上形成晶種層(未示出)。優選地，通過CVD淀積形成晶種層，優選地由銅形成晶種層，然而如果需要也可以使用其他的方法和材料。與阻擋層701類似，優選地共形地淀積晶種層以保持其淀積的表面的Z形形狀。這保證了在晶種層上保持阻擋層的Z形形狀。 圖8示出了阻擋層701之上的第二光致抗蝕劑801的形成和構圖。第二光致抗蝕劑801優選為干膜光致抗蝕劑，如光敏聚酰亞胺膜，優選地通過在半導體管芯100的表面上層壓第二光致抗蝕劑801而形成。優選地對第二光致抗蝕劑801進行構圖以保護外部接觸襯墊303不受后續工藝的損傷，同時保留暴露的TSV接觸襯墊301，位于TSV接觸襯墊301之上的阻擋層701部分，和在TSV開口 501之上的阻擋層701部分。 圖9示出了阻擋層701上的導電材料901電鍍。優選地，導電材料901完全填充或過填充TSV接觸襯墊301的開口和TSV開口 501。另外，導電材料901也形成在開口之外的阻擋層701的表面，以形成從TSV開口 501到TSV接觸襯墊301的通路。
優選地通過電沉積工藝形成導電材料901，且優選地包括銅。然而，可以選擇使用其他適合的方法，如無電淀積，電鍍或CVD，或其他適合的材料如鎢，來形成導電材料。初始形成在阻擋層之上的導電材料901的厚度為大約10 m到大約30 m，更優選為大約20iim。 一旦導電材料901已經形成，第二光致抗蝕劑801優選為通過適合的工藝如去膜或灰化來移除。 圖10示出了阻擋層的部分從第二光致抗蝕劑801保護的區域的移除，其中防止導電材料901被電鍍。優選地，使用刻蝕劑如112504和11202移除阻擋層701。然而，可以選擇使用其他適合的方法移除這些層。 圖11示出了在TSV1103的形成中進一步的步驟。優選地，將載體1101貼合到半導體器件100的第一表面。載體1101可以包括，例如，玻璃，氧化硅，氧化鋁等等。在一個實施例中，可采用第二粘合劑(未示出)將載體1101粘合到半導體管芯100的頂面。第二粘合劑可以是任何適合的粘合劑，如紫外(UV)膠粘劑，其在暴露在UV光中時喪失粘合性質。載體1101的優選的厚度為大于大約12mil。 可選擇地，載體1101優選包括適合的載帶。如果使用載帶，則載帶優選為公知的藍帶。優選地，采用位于載帶上的第二粘合劑(未示出)將載帶粘合到半導體管芯100。
—旦粘合到載體1101上，襯底101的第二面1102的部分就被移除以暴露位于TSV開口 501之內的導電材料901以完成TSV 1103。優選地，通過研磨工藝如化學機械拋光(CMP)來進行移除，然而也可以選擇使用其他適合的工藝，如刻蝕。移除工藝優選移除襯底的大約100 ii m到大約190 ii m，更優選為移除襯底的大約175 y m。 在襯底101的第二面1102的部分被移除之后，優選地進行第二刻蝕。第二刻蝕用于在CMP之后清潔和拋光襯底101。另外，第二刻蝕也有利于釋放在磨光襯底101的CMP工藝過程中形成的應力。第二刻蝕優選為使用HN03，然而也可以使用其他適合的刻蝕劑。
最后，在用以移除任何保留的拋光剩余物如氧化銅的清潔工藝之后，優選地在襯底101的第二面1102上形成導電層1104，其與位于TSV 1103內的導電材料901電接觸。導電層1104優選包括鋁，且優選通過濺射淀積工藝形成。然而，可以選擇使用其他材料如鎳或銅，或其他形成工藝，如電鍍或化學鍍。優選地形成的導電層1104具有介于大約lym到大約3 ii m之間的厚度，更優選具有大約2 ii m的厚度。 優選地，在形成導電層1104之后進行化學鍍鎳金(ENIG)工藝以從襯底101形成與導電層1104相對的ENIG層1105。 ENIG工藝提供平面的、均勻的金屬表面涂復層，用于形成管芯100到其他器件(未示出)的接觸。ENIG工藝優選包括清潔導電層1104，將襯底IOI浸入鋅酸鹽活化液(zincate activation solution)，在導電層1104上化學鍍鎳，和在鎳上化學鍍金。優選地，形成的ENIG層1105的厚度介于大約2iim到大約4iim之間，更優選厚度為大約3iim。 一旦形成，優選地通過適合的光刻工藝構圖導電層1104和ENIG層1105，通過適合的刻蝕工藝移除不想要的材料。 盡管詳細描述了本發明及其有益效果，但是應當理解的是，在不偏離限定在附加的權利要求中的本發明的精神和范圍的情況下，可以做出各種變化、替代和改造。例如，可以使用很多種工藝來形成TSV。又例如，本領域技術人員很容易理解，形成的材料和工藝可以在本發明的保護范圍之內進行變化。 此外，本申請的保護范圍不限于本說明書中描述的工藝、設備、制造、物質的組成、裝置、方法和步驟的具體實施例。由于本領域的普通技術人員將很容易從本發明所公開的內容得到啟示，因此根據本發明的內容，目前存在的或之后開發出的、與這里所描述的相關實施例起到基本相同的作用或達到基本相同的效果的工藝、機器、制造、物質的成分、裝置、方法或步驟可能被利用。因此，所附的權利要求目的在于把工藝、機器、制造、物質的成分、裝置、方法或步驟包括在其范圍之內。
權利要求
一種半導體器件，包括襯底，其具有第一導電物件；在所述第一導電物件之上的鈍化層；以及第一接觸襯墊，其延伸穿過所述鈍化層中的多個開口以形成與所述第一導電物件的多個間斷接觸。
2. 根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述間斷接觸在第一方向上間斷，在基本 垂直于所述第一方向的第二方向上連續。
3. 根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述間斷接觸在第一方向和第二方向上間 斷，所述第二方向基本垂直于所述第一方向，其中所述間斷接觸形成網格結構。
4. 根據權利要求1所述的半導體器件，還包括位于所述第一接觸襯墊之上的第二導電 物件。
5. 根據權利要求1所述的半導體器件，還包括 第二導電物件，其位于所述襯底之內；以及第二接觸襯墊，其延伸穿過所述鈍化層，其與所述第二導電物件具有基本平面的分界面。
6. 根據權利要求1所述的半導體器件，還包括與所述第一接觸襯墊電連接的穿透硅通孔，其中所述第一接觸襯墊位于所述襯底的第一面，所述穿透硅通孔與所述襯底上與所述 第一面相對的第二面上的導體接觸。
7. —種半導體器件，包括 半導體襯底；在所述半導體襯底之上的金屬層； 在所述金屬層之上的鈍化層；以及第一導體，其延伸穿過所述鈍化層內的多個開口 ，與最上層金屬層共用界面，其中，在 第一方向，所述第一導體在接觸所述最上層金屬層和所述鈍化層之間交替。
8. 根據權利要求7所述的半導體器件，還包括穿透硅通孔，其至少部分延伸穿過所述 半導體襯底，所述穿透硅通孔與所述第一導體接觸。
9. 根據權利要求7所述的半導體器件，其中，在與所述第一方向基本垂直的第二方向， 所述第一導體在接觸最上層金屬層和所述鈍化層之間交替，其中所述分界面形成基本對稱 的接觸網格結構。
10. 根據權利要求7所述的半導體器件，還包括與所述第一導體不同的第二導體，其具 有介于所述第二導體和所述最上層金屬層的部分之間的平面的分界面。
11. 一種半導體器件，包括 包括第一金屬層的半導體襯底； 在所述第一金屬層的部分之上的鈍化層；以及第一導電層，其形狀為具有多個穿過所述鈍化層的延伸Z形結構以形成與所述第一金 屬層的多個接觸點，所述第一導電層接觸所述第一金屬層的大約30%到70%。
12. 根據權利要求11所述的半導體器件，還包括第二導電層，其將所述第一導電層電 連接到硅通孔。
13. 根據權利要求11所述的半導體器件，其中所述鈍化層在所述第一金屬層和所述第 一導電層之間形成一組在第一方向基本平行的線。
14. 根據權利要求11所述的半導體器件，其中所述鈍化層在所述第一金屬層和所述第 一導電層之間形成網格結構。
15. 根據權利要求ll所述的半導體器件，還包括 在所述半導體襯底內的第二金屬層；第二導電層，其包括與所述第二金屬層基本平面的分界面，所述分界面基本平行于所 述半導體襯底的主表面。
全文摘要
本發明提出了一種用于TSV銅附著的Z形結構及其形成系統和方法。優選的實施例包括與半導體管芯的最上層金屬層的部分相接觸的TSV。TSV導體和接觸襯墊之間的分界面優選表現為非平面的Z形結構，其形成了接觸點的網格結構。可選擇的，接觸點可能形成與接觸襯墊相接觸的多個金屬線。
文檔編號H01L23/522GK101714539SQ20091017395
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月24日 優先權日2008年10月3日
發明者沈文維, 郭正錚, 陳志華, 陳承先 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司