一种环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法技术

本发明专利技术提供一种环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法，包括：提供一硅衬底，于所述硅衬表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔；于所述环形硅深孔的表面形成绝缘层及阻挡层；于所述绝缘层表面形成种子层；于所述种子层表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满；采用机械化学抛光法对所述硅衬底表面进行抛光。本发明专利技术提供了一种环形硅深孔以及能有效地在环形硅深孔内制作铜电极的方法，可以有效避免铜与硅衬底的分层现象，获得性能稳定的硅深孔电极结构。本发明专利技术工艺简单，可以有效提高产品的良率，适用于工业生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及硅穿孔
，特别是涉及。
技术介绍
娃穿孔(Through Silicon Via, TSV),也叫娃通孔,是一种穿透娃晶圆或芯片的垂直互连。TSV是一种让3D IC封装遵循摩尔定律(Moore’S Law)的互连技术，TSV可堆栈多片芯片，其设计概念来自于印刷电路板(PCB)，在芯片钻出小洞(制程又可分为先钻孔及后钻孔两种，ViaFist, Via Last),从底部填充入金属，娃晶圆上以蚀刻或雷射方式钻孔(via),再以导电材料如铜、多晶娃、鹤等物质填满。此一技术能够以更低的成本有效提闻系统的整合度与效能。TSV技术在三维封装和三维集成电路中具有重要应用，对于跨入3D IC相当具有优势。2006年4月韩国三星(Samsung)表示成功的将TSV技术应用在“晶圆级堆栈封装”(Wafer level process stack package, WSP) NAND Flash 堆找的技术，堆找八个 2Gb NANDFlash芯片，以雷射钻孔打造出TSV制程，高度是0.56mm。2007年4月三星公布其以WSP技术应用在DRAM的产品，共堆栈了 4颗512Mb的DRAM芯片。到目前为止，硅穿孔技术已广泛应用于CMOS (CIS)影像传感器、MEMS器件等领域，并逐步向其他芯片领域发展。然而，硅穿孔技术还有很多有待解决的问题。其中一个重要的问题是，具有TSV制程的电极在后续的可靠性测试中发现有分层的问题，位置本身并不固定，随机发生在通孔的上部和底部，如图1的SEM图所示，可以清晰的看到，分层发生在通孔的上部。如图2a?图2b所示，将TSV分为Cu填满和未填满状态，在未填满的状态下,Cu的填充厚度为TSV孔径的四分之一。在两种状态下比较了孔径和深宽比对应力数值的影响，同时也对两种填充状态进行了比较。比较过程中选择了四个点，分别为位于顶端的Cu和SiO2内部的A、B点，以及位于TSV中间的Cu和SiO2内部的C、D点。通过对Cu全填充和未填满的情况的对比可以看到，当Cu填充厚度为TSV孔径的四分之一时，四个研究点处的应力均有了大幅度下降。并且点A和B处的应力变化趋势也发生了改变，当Cu填满时，两个研究点处的应力随着孔径的增加而增加，而当Cu未填满时，则是随着孔径的增加而减小。这主要是因为当Cu未填满时，在孔的内部可以给Cu的塑性形变提供较大的空间，有利于应力的释放。而当孔径变大时，内部的空间也会随之变大，Cu可以获得更多的变形空间，从而使得残余应力随着孔径的增加而变小。TSV目前有分层及孔洞现象，主要原因为铜跟硅之间的热膨胀系数差的比较大，具体数值Si大致是2.3，Cu大致是17左右，但是因为Cu具有更好的导电能力，所以我们不希望将Cu替换掉。因此，提供一种有效避免铜在硅深孔中分层现象的新型结构实属必要。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，用于解决现有技术中硅深孔中的铜电极容易出现分层的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种环形硅深孔的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤:I)提供一娃衬底,于所述娃衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；2)采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔。作为本专利技术的环形硅深孔的制备方法的一种优选方案，所述环形硅深孔的内径为10-?5μπι，外径为 16~25 μ m。作为本专利技术的环形硅深孔的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。本专利技术还提供一种环形硅深孔电极的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤:I)提供一娃衬底，于所述娃衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；2)采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔；3)于所述环形硅 深孔的表面形成绝缘层及阻挡层；4)于所述绝缘层表面形成种子层；5)于所述种子层表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满；6)采用机械化学抛光法对所述硅衬底表面进行抛光。作为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，所述环形硅深孔的内径为10~15 μ m,外径为16~25 μ m。作为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。作为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤3)所述的绝缘层为二氧化硅层，所述的阻挡层为氮化钽层及钽层组成的叠层。作为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，采用溅射法形成所述种子层，并于所述溅射铜靶外侧增加一与所述溅射铜靶表面呈15~30°夹角的环形铜靶。作为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，采用脉冲电镀法进行电镀铜，每个电镀周期包括用于电镀铜的20(T300ms正向电压、用于电解铜的5(T100ms反向电压以及10(T200ms的零电压。作为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，所述正向电压和反向电压逐渐增大。作为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，采用Cu2+含量为7(T90g/L、H+含量为55~75g/L，CF含量为3(T60ppm的镀液进行电镀。作为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法的一种优选方案，所述镀液还包括浓度为1.5^3ml/L的加速剂聚二硫二丙烷磺酸钠、浓度为2.5^4ml/L的抑制剂聚乙二醇、以及浓度为0.2~lml/L的平整剂苯并三唑。如上所述，本专利技术的环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法，包括:提供一硅衬底，于所述硅衬表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔；于所述环形硅深孔的表面形成绝缘层及阻挡层；于所述绝缘层表面形成种子层；于所述种子层表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满；采用机械化学抛光法对所述硅衬底表面进行抛光。本专利技术提供了一种环形硅深孔以及能有效地在环形硅深孔内制作铜电极的方法，可以有效避免铜与硅衬底的分层现象，获得性能稳定的硅深孔电极结构。本专利技术工艺简单，可以有效提高产品的良率，适用于工业生产。【附图说明】图1显示为现有技术中的柱形硅深孔电极分层现象的SEM图。图2a~图2b显示为填满的和未填满的硅深孔电极示意图。图3显示为柱状硅深孔和不同内径的环形硅深孔的裂缝长度及能量释放率的关系曲线图。 图4-图8显示为本专利技术的环形硅深孔及环形硅深孔电极的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。图9-图13显示为本专利技术的环形硅深孔电极的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。元件标号说明101 硅衬底102 光刻掩膜103 环形硅深孔104 绝缘层及阻挡层105 种子层106 环形硅深孔电极【具体实施方式】以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅3~图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形硅深孔的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：1）提供一硅衬底，于所述硅衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜；2）采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔。

【技术特征摘要】
1.一种环形硅深孔的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤: 1)提供一娃衬底，于所述娃衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜； 2)采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔。2.根据权利要求1所述的环形硅深孔的制备方法，其特征在于:所述环形硅深孔的内径为10-?5μπι，外径为16~25 μ m。3.根据权利要求1所述的环形硅深孔的制备方法，其特征在于:步骤2)中，对所述硅衬底交替进行刻蚀与钝化，采用SF6气体作为刻蚀气体对所述硅衬底进行刻蚀，采用C4F8作为钝化气体对所述硅衬底进行钝化。4.一种环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤: O提供一娃衬底， 于所述娃衬底表面制作具有环形窗口的光刻掩膜； 2)采用深度反应离子刻蚀工艺刻蚀所述环形窗口下方的硅衬底，形成环形硅深孔； 3)于所述环形硅深孔的表面形成绝缘层及阻挡层； 4)于所述绝缘层表面形成种子层； 5)于所述种子层表面电镀铜，直至将所述环形硅深孔填满； 6)采用机械化学抛光法对所述硅衬底表面进行抛光。5.根据权利要求4所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于:所述环形硅深孔的内径为10-?5μL?，外径为16~25 μ m。6.根据权利要求4所述的环形硅深孔电极的制备方法，其特征在于:步骤2)中，对...

【专利技术属性】
技术研发人员：李广宁，沈哲敏，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31