專利名稱：硅通孔內形成絕緣層的方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造和封裝領域，尤其涉及一種硅通孔內形成絕緣層的方法。
背景技術：
集成電路在集成度方面的發展一直遵循“摩爾定律”，但是隨著集成電路技術進入 32nm甚至22nm技術平臺之后，系統復雜性、設備投資成本等方面的急劇上升，“摩爾定律” 的延續性受到了嚴重的挑戰。而利用現代電子封裝技術實現高密度的3D(三維)集成，成 為了微電子電路(包括MEMS)系統級集成的重要技術途徑。目前，已經出現了許多新的3D封裝技術，其中，硅通孔(TSV)技術是3D領域多芯 片疊層化集成和電互連的關鍵性技術，硅通孔技術的優勢如下互連長度可以縮短到與芯 片厚度相等，使邏輯模塊用垂直堆疊代替了水平分布；顯著的減小了 RC延遲和電感效應， 有利于提高數字信號傳輸速度和微波的傳輸；可以實現高密度、高深寬比的連接，從而能夠 實現復雜的多片全硅系統集成，密度比當前用于先進多片模塊的物理封裝高出許多倍；同 時更加節能，預期TSV能夠降低芯片功耗大約40%。淺溝槽隔離技術(shallow trench isolation, STI)是一種在超大規模集成電路 中廣泛使用的器件隔離技術。由于STI工藝制備的隔離結構本身具有所占面積相對較小的 優勢，成為先進制程所采用的主流器件隔離結構。因此在制程中采用具有場隔離區的襯底 頗具研究價值。成熟的深刻蝕技術已經可以制造出深寬比相當高的垂直硅通孔，但是硅通孔側壁 不光滑，凸凹不平，使得傳統的絕緣層的制造遇到了很大的困難。一方面，生長的絕緣層的 保型覆蓋性會隨著硅通孔深寬比的增大而變差；另一方面，生長的絕緣層的保型覆蓋性又 會隨著表面粗糙度的增加而變差。這就容易導致絕緣層失效使之后形成的導電材料擴散進 入襯底，從而影響整個TSV的互連特性。采用熱氧化擴散的方法制造絕緣層能夠解決絕緣層薄膜保型覆蓋性變差的問題。 針對已制成場隔離區的硅襯底，通常有兩種方式形成硅通孔。現有的第一種方法通常包括 以下步驟提供硅襯底；在硅襯底上形成硅通孔；通過熱氧化擴散的方法在硅通孔內壁形 成絕緣層；在所述硅襯底上形成有柵極結構，所述柵極結構兩側的硅襯底中形成有源極和 漏極，所述源極和漏極兩側形成有場隔離區；對所述源極和漏極進行離子注入和擴散工藝。 現有的第二種方法通常包括以下步驟提供硅襯底；在所述硅襯底上形成有柵極結構，所 述柵極結構兩側的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側形成有場隔離區；對 所述源極和漏極進行離子注入和擴散工藝；在硅襯底上形成硅通孔；通過熱氧化擴散的方 法在硅通孔內壁形成絕緣層。然而，現有的兩種方法存在以下缺點第一種方法中的硅通孔以及硅通孔內壁的 絕緣層在形成源極以及漏極之前已經形成，則之后對源漏極進行離子擴散時的溫度會對硅 通孔以及硅通孔內壁的絕緣層的質量造成不利影響；而第二種方法中的硅通孔以及硅通孔 內壁的絕緣層形成于離子擴散之后，則制造絕緣層時所采用的熱氧化擴散中的工藝溫度對離子分布產生不利影響。因此，針對已制成場隔離區的硅襯底，如何安排采用熱氧化擴散的方法形成硅通 孔內壁的絕緣層顯得尤為關鍵。
發明內容
本發明的目的在于提供一種硅通孔內形成絕緣層的方法，以解決熱氧化擴散應用 于形成硅通孔內壁形成絕緣層的問題。為解決上述問題，本發明提出一種硅通孔內形成絕緣層的方法，該方法包括如下 步驟提供包含器件區域和非器件區域的硅襯底，所述器件區域上形成有柵極結構，所述柵 極結構兩側的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側形成有場隔離區，其中，所 述源極和漏極已經完成離子注入工藝；在所述硅襯底和柵極結構表面覆蓋阻擋層；在所述 非器件區域或器件區域上依次光刻刻蝕所述阻擋層和硅襯底以形成硅通孔；采用熱氧化擴 散的方法在硅通孔內壁形成絕緣層，同時，完成對所述源極和漏極注入離子的擴散工藝。可選的，采用所述熱氧化擴散的方法時，硅襯底處于氧氣的氛圍中，并且硅襯底所 處的溫度為900°C 1400°c，熱氧化擴散的時間為5分鐘至10分鐘。可選的，采用熱氧化擴散的方法在硅通孔內壁形成絕緣層的步驟之后，還包括去 除所述阻擋層。可選的，所述阻擋層的材料是氮化硅、二氧化硅、碳化硅其中一種或其組合。可選的，所述絕緣層的材料是二氧化硅。可選的，采用波什反應離子刻蝕的方法，在所述非器件區域上依次刻蝕所述阻擋 層和硅襯底形成硅通孔。可選的，采用感應耦合等離子體的方法，在所述非器件區域上依次刻蝕所述阻擋 層和硅襯底形成硅通孔。可選的，所述硅通孔的直徑為lum-30um，所述硅通孔的深度為10um-500um。可選的，所述柵極結構包括柵極堆層以及位于所述柵極堆層側壁的柵極側墻。本發明提供的硅通孔內形成絕緣層的方法，將形成硅通孔及其內壁上的絕緣層的 步驟放在離子注入工藝之后，并采用與注入離子的擴散工藝同時進行的方式，既避免了注 入離子的擴散工藝的溫度對在之前形成絕緣層的質量造成影響，又能避免在注入離子擴散 之后形成絕緣層時所采用的熱氧化擴散中的工藝溫度對離子分布產生的不利影響。進一步地，采用熱氧化擴散的方法在硅通孔內壁形成絕緣層，同時在同樣的溫度 環境中完成對所述源漏極注入離子的擴散工藝，這兩步工藝同時進行，節省了整個器件工 藝制作的時間，提高了工藝制作的效率。
圖1為本發明實施例提供的硅通孔內形成絕緣層的方法步驟流程圖；圖2A至圖2E為本發明實施例提供的硅通孔內形成絕緣層的方法中對應的器件的 剖面結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的硅通孔內形成絕緣層的方法作進一 步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附 圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用于方便、明晰地輔助說明本發明實 施例的目的。本發明的核心思想在于，本發明提供的硅通孔內形成絕緣層的方法，將形成硅通 孔及其內壁上的絕緣層的步驟放在離子注入工藝之后，并采用與注入離子的擴散工藝同時 進行的方式，既避免了注入離子的擴散工藝的溫度對在之前形成絕緣層的質量造成影響， 又能避免在注入離子擴散之后形成絕緣層時所采用的熱氧化擴散中的工藝溫度對離子分 布產生的不利影響。請參考圖1，其為本發明實施例提供的硅通孔內形成絕緣層的方法步驟流程圖，結 合該圖1，該方法包括以下步驟步驟S11，提供包含器件區域和非器件區域的硅襯底，所述器件區域上形成有柵極 結構，所述柵極結構兩側的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側形成有場隔 離區，其中，所述源極和漏極已經完成離子注入工藝；步驟S12，在所述硅襯底和柵極結構表面覆蓋阻擋層；步驟S13，在所述非器件區域或器件區域上依次光刻刻蝕所述阻擋層和硅襯底以 形成硅通孔；步驟S14，采用熱氧化擴散的方法在硅通孔內壁形成絕緣層，同時，完成對所述源 極和漏極注入離子的擴散工藝。下面將結合剖面示意圖對本發明的硅通孔內形成絕緣層的方法進行更詳細的描 述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本領域技術人員可以修改在此描述的本發 明，而仍然實現本發明的有利效果。參見圖2A所示，并結合步驟S11，提供包含器件區域212和非器件區域213的硅襯 底201，所述器件區域212上形成有柵極結構211，所述柵極結構211兩側的硅襯底201中 形成有源極203和漏極204，所述源極203和漏極204兩側形成有場隔離區202，其中，所述 源極203和漏極204已經完成離子注入工藝，但未完成注入離子的擴散工藝。進一步地，所述柵極結構211包括柵極堆層205以及位于所述柵極堆層側壁的柵 極側墻206。參見圖2B所示，并結合步驟S12，在所述已制成場隔離區202的硅襯底201上覆 蓋一阻擋層207，所述阻擋層207同時也覆蓋柵極結構211的表面；所述阻擋層207的厚度 為100-200nm，以防止氧原子在一定時間和溫度范圍內擴散到所述硅襯底201中。在本實施 例中，所述阻擋層207的材料為氮化硅，本領域的普通技術人員應該理解，所述阻擋層207 的材料不僅僅局限為氮化硅，還可以是碳化硅、二氧化硅等不能使氧原子擴散到硅襯底201 中的材料。參見圖2C，并繼續結合步驟S12，在所述阻擋層207上旋涂光刻膠210，通過光刻和 顯影工藝，定義出硅通孔區域208’。參見圖2D所示，并結合步驟S13，在所述非器件區域213上依次光刻刻蝕硅通孔區 域208’下方的阻擋層207和硅襯底201，以形成硅通孔208，在本實施例中，所采用的刻蝕方式為波什反應離子刻蝕，本領域的普通技術人員應該理解，所述刻蝕方式不僅僅局限于 采用波什反應離子刻蝕，也可以是感應耦合等離子體的刻蝕方式。需要說明的是，盡管本實施例中是在非器件區域213上依次刻蝕硅通孔區域208’ 下方的阻擋層207和硅襯底201，以形成硅通孔208;但是本發明并不限定于此，在本發明其 它實施例中，如果器件區域212上留有可供形成硅通孔的位置，S卩，除了柵極結構211、源極 203、漏極204和場隔離區202之外，所述器件區域212還具有其它空余區域，那么也可在器 件區域213的該空余區域上進行光刻刻蝕，從而在所述器件區域212上形成硅通孔208。在本實施例中，采用波什反應離子刻蝕工藝在所述非器件區域213上形成穿過硅 襯底201的硅通孔208，所述硅通孔208為非全通性通孔，即硅通孔208沒有穿透硅襯底 201，進一步的，在采用波什刻蝕工藝刻蝕所述硅襯底201的同時，刻蝕所述阻擋層207，并 在硅襯底201上留有剩余阻擋層207’，去除剩余的光刻膠210。優選的，所述硅通孔208的直徑為lum-30um，所述硅通孔208的深度為 10Um-500Um。當然，本發明并不限定硅通孔208的尺寸，在發明其它實施例中，可根據實際 的器件要求相應的調整所述硅通孔208的直徑和深度。參見圖2E所示，并結合步驟S14，接著，通過熱氧化擴散的方式在硅通孔208的內 壁形成絕緣層209，具體地，所述硅通孔208的內壁包括硅通孔208的側壁和底部，所形成的 絕緣層209的厚度由硅襯底201所處的溫度、含氧氣體的濃度以及熱氧化擴散的時間共同 決定，本領域的普通技術人員應該理解，所述氣體不僅僅局限于含氧氣體，還可以是包括含 氧氣體的混合氣體。較佳的，在執行熱氧化擴散工藝時，硅襯底201所處的溫度可以為900°C 1400°C，所使用的氣體為氧氣或者臭氧，所述熱氧化擴散工藝的時間控制在5分鐘至10分 鐘，使硅通孔208內壁表面的硅完全反應成二氧化硅，即材料為二氧化硅的絕緣層209完全 覆蓋在硅通孔208內壁的表面。當然，上述數值并不用于限定本發明，本領域技術人員也可 根據熱氧化擴散機臺的具體情況，來相應的調整所述熱氧化擴散工藝的工藝參數，只要使 所述硅通孔201內壁的絕緣層209完全覆蓋在硅通孔208內壁的表面。進一步地，采用熱氧化擴散的方法在硅通孔208內壁形成絕緣層209的同時，在同 樣的溫度環境中完成對所述源漏極注入離子的擴散工藝。這兩步工藝同時進行，節省了整 個器件工藝制作的時間，提高了工藝制作的效率。綜上所述，本發明提供的硅通孔內形成絕緣層的方法，將形成硅通孔208及其內 壁上的絕緣層209的步驟放在離子注入之后，并與離子擴散工藝同時進行的方式，既避免 了離子擴散工藝的溫度對在之前形成絕緣層209的質量造成影響，又能避免在離子擴散之 后形成絕緣層209時所采用的熱氧化擴散中的工藝溫度對離子分布產生的不利影響。顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神 和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之 內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，包括提供包含器件區域和非器件區域的硅襯底，所述器件區域上形成有柵極結構，所述柵 極結構兩側的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側形成有場隔離區，其中，所 述源極和漏極已經完成離子注入工藝；在所述硅襯底和柵極結構表面覆蓋阻擋層；在所述非器件區域或器件區域上依次光刻刻蝕所述阻擋層和硅襯底以形成硅通孔；采用熱氧化擴散的方法在硅通孔內壁形成絕緣層，同時，完成對所述源極和漏極注入 離子的擴散工藝。
2.如權利要求1所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，采用所述熱氧化擴 散的方法時，硅襯底處于氧氣的氛圍中，并且硅襯底所處的溫度為900°C 1400°C，熱氧化 擴散的時間為5分鐘至10分鐘。
3.如權利要求1或2所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，采用熱氧化擴散 的方法在硅通孔內壁形成絕緣層的步驟之后，還包括去除所述阻擋層。
4.如權利要求1或2所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，所述阻擋層的材 料是氮化硅、二氧化硅、碳化硅其中一種或其組合。
5.如權利要求1或2所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，所述絕緣層的材 料是二氧化硅。
6.如權利要求1或2所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，采用波什反應離 子刻蝕的方法，在所述非器件區域上依次刻蝕所述阻擋層和硅襯底形成硅通孔。
7.如權利要求1或2所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，采用感應耦合等 離子體的方法，在所述非器件區域上依次刻蝕所述阻擋層和硅襯底形成硅通孔。
8.如權利要求1所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，所述硅通孔的直徑 為 lum_30umo
9.如權利要求1所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，所述硅通孔的深度 為 10um-500umo
10.如權利要求1所述的硅通孔內形成絕緣層的方法，其特征在于，所述柵極結構包括 柵極堆層以及位于所述柵極堆層側壁的柵極側墻。
全文摘要
本發明公開了一種硅通孔內形成絕緣層的方法，該方法包括如下步驟提供包含器件區域和非器件區域的硅襯底，所述器件區域上形成有柵極結構，所述柵極結構兩側的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側形成有場隔離區，其中，所述源極和漏極已經完成離子注入工藝；在所述硅襯底和柵極結構表面覆蓋阻擋層；在所述非器件區域或器件區域上依次光刻刻蝕所述阻擋層和硅襯底以形成硅通孔；采用熱氧化擴散的方法在硅通孔內壁形成絕緣層，同時，完成對所述源極和漏極注入離子的擴散工藝。本發明提供的硅通孔內形成絕緣層的方法，既能完成在硅通孔內壁形成絕緣層的工藝，又大大減小了由于熱氧化擴散工藝中的溫度參數對整個器件的影響。
文檔編號H01L21/768GK102130044SQ20101061873
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者周軍 申請人:上海集成電路研發中心有限公司