贯穿衬底通孔结构及其制造方法技术

本发明专利技术涉及贯穿衬底通孔结构及其制造方法。本发明专利技术公开了一种贯穿衬底通孔结构，该结构包括具有相对的第一主表面和第二主表面的衬底。一个或多个导电通孔结构被设置成在所述衬底内从所述第一主表面延伸到第一垂直距离。凹陷区域在所述衬底内从所述第二主表面延伸到第二垂直距离，并邻接所述导电通孔的下表面。在一个实施方案中，所述第二垂直距离大于所述第一垂直距离。导电区域被设置在所述凹陷区域内，并被构造成与所述导电通孔电导通和/或热连通。

【技术实现步骤摘要】

本申请要求2015年9月17日提交的美国临时申请No.62/219,666的优先权，该申请的内容特此以引用方式并入本文。本专利技术整体涉及电子器件，更具体地涉及半导体器件结构及其制造方法。
技术介绍
贯穿衬底通孔、贯穿硅晶通孔或TSV已用于电子器件制造过程，旨在提供贯穿半导体晶圆或管芯的垂直取向电连接方案。TSV已被用作倒装芯片互连技术和引线键合互连技术的替代互连技术。另外，TSV已被用来创建三维(3D)集成电路，这类集成电路与层叠式封装或包封器件相比，占有面积更小。此外，TSV已用于插入器结构中。插入器结构是具备下述功能的电接口结构：在多个集成电路器件之间路由电信号，将电连接扩展到更宽节距，或更改电连接的路线使其到达不同的连接接口。以往，填充铜的TSV已用于插入器结构中，而填充钨的TSV已在一些薄衬底应用中被用作经济实惠的替代材料。但填充钨的TSV在某些工艺流程中的应用受到限制，只能用于厚度不足100微米的半导体衬底。例如，用来形成通孔的某些蚀刻工具一直以来只限于形成深度最大不超过100微米的通孔，所以需要使用较薄的半导体晶圆。此外，用来沉积钨的沉积工具填充深度超过100微米的通孔的能力始终有限。然而，举例来说，有些客户要求在插入器结构中使用较厚(例如，200微米至250微米，甚至更厚)的半导体晶圆，以便处理插入器和/或附接到插入器的集成电路。另外，为了容纳直径较大(例如，大于约150微米)的凸块，也需要较厚的结构。再者，有些应用要求插入器管芯具备较大尺寸，例如每侧大于15毫米(mm)，要使用厚度不超过100微米的凸起插入器管芯实现这一点尚不可行。所以，本领域希望开发可满足工业对管芯尺寸更厚和/或更大的TSV结构的需求(此外还可满足其他需求)的TSV结构及其制造方法，这些TSV结构及其制造方法不仅经济实惠、容易集成到工艺流程中，而且支持使用包括钨在内的导电材料。此外，还希望这些TSV结构及其制造方法适用于散热应用。附图说明图1示出了根据本专利技术的一个实施方案，正处于制造中间阶段的贯穿衬底通孔结构的放大局部横截面视图；图2示出了图1所示贯穿衬底通孔结构在附加处理之后的放大局部横截面视图；图3示出了图1所示贯穿衬底通孔结构在进一步处理之后的放大局部横截面视图；图4示出了图1所示贯穿衬底通孔结构在更进一步处理之后的放大局部横截面视图；图5示出了根据本专利技术的附加实施方案的贯穿衬底通孔结构的放大局部横截面视图；图6示出了根据本专利技术的另外实施方案的贯穿衬底通孔结构的放大局部横截面视图。为使图示清晰简明，图中的元件未必按比例绘制，而且不同图中的相同参考标号指示相同的元件。此外，为使描述简单，省略了公知步骤和元件的描述和细节。如本文所用，“载流电极”是指器件内用于载送电流流经器件的元件，诸如MOS晶体管的源极或漏极、双极型晶体管的发射极或集电极，或者二极管的阴极或阳极，而“控制电极”是指器件内控制流经器件的电流的元件，诸如MOS晶体管的栅极，或双极型晶体管的基极。尽管器件在本文中被解释为某些N型区域和某些P型区域，但本领域的普通技术人员应当理解，导电类型不仅能够逆转，而且依据说明书的描述，考虑到任何必要的电压极性逆转、晶体管类型和/或电流方向逆转等，导电类型逆转也可能实实在在地发生。为使附图简洁，器件结构的某些区域(诸如掺杂区或介电区)可被示为通常具有直线边缘和角度精确的拐角。然而，本领域的技术人员理解，由于掺杂物的扩散和激活或层的形成，此类区域的边缘通常可能不为直线并且拐角可能不为精确角度。另外，术语“主表面”在结合半导体区域、晶圆或衬底使用时，是指半导体区域、晶圆或衬底的下述表面：该表面与另一种材料(诸如电介质、绝缘体、导体或多晶半导体)形成界面。主表面可具有沿X、Y、Z方向变化的形貌特征。本文使用的术语“和/或”，包括列出的一个或多个相关联条目的任意组合和所有组合。此外，本文使用的术语只用于描述具体的实施方案，并不意在对本专利技术进行限制。本文使用的单数形式也旨在包括复数形式，除非上下文明确指出并非如此。还应当理解，术语“包括”、“包含”、“具有”和/或“含有”在本说明书中使用时，指明存在提及的特征、数字、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他的特征、数字、步骤、操作、元件、部件和/或这些的组合。应当理解，尽管本文可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种构件、元件、区域、层和/或部段，但这些构件、元件、区域、层和/或部段不应受这些术语限制。这些术语只用来将一种构件、元件、区域、层和/或部段与另一种构件、元件、区域、层和/或部段区分开。所以，在不背离本专利技术教导内容的前提下，举例来说，下文将讨论的第一构件、第一元件、第一区域、第一层和/或第一部段可被称为第二构件、第二元件、第二区域、第二层和/或第二部段。本领域的技术人员应当理解，本文所用的与电路操作相关的短语“在…期间”、“在…同时”和“当…时”并不确切地指称某个动作在引发动作后立即发生，而是指在初始动作所引发的反应之间可能存在一些较小但合理的延迟，诸如传播延迟。另外，短语“在…同时”是指某个动作至少在引发动作持续过程中的一段时间内发生。提到“一个实施方案”，意味着结合该实施方案描述的特定的特征、结构或特性由本专利技术的至少一个实施方案采纳。因此，在本说明书通篇内的不同位置出现的短语“在一个实施方案中”，不一定都指同一个实施方案，但在某些情况下，有可能指同一个实施方案。词语“约”、“大约”或“基本上”，用来表示预期某个元件的值接近提到的值或位置。然而，本领域众所周知，始终存在一些微小偏差妨碍实际的值或位置恰好等于提到的值或位置。除非另外指明，否则本文使用的短语“在…上方”或“在…上”涉及指定的元件可直接或间接物理接触的取向、放置位置或彼此的关系。除非另外指明，否则本文使用的短语“与…重叠”涉及指定的元件能够在同一平面或不同的平面上至少部分或完全重合或对齐的取向、放置位置或彼此的关系。还应当理解，下文将适当举例说明并描述的实施方案可缺少本文未明确公开的任何元件，并且/或者可在缺少本文未明确公开的任何元件的情况下实施。具体实施方式本说明书包括贯穿衬底通孔结构，该结构具有从第一主表面延伸到第一深度(或称第一距离)的导电通孔结构，以及从第二主表面延伸到第二深度(或称第二距离)的凹陷区域，此外还包括其他特征。在一个实施方案中，第二深度大于第一深度。导电结构电连接到凹陷部分内的导电通孔，并且该导电结构至少沿凹陷区域的侧壁表面设置。本专利技术的实施方案除其他方面外，还提供更坚固耐用且更经济实惠的贯穿衬底通孔结构，这种结构可用于不同的应用，包括(例如)插入器结构或散热结构。更具体地讲，在一个实施方案中，贯穿衬底通孔结构包括衬底，该衬底具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。导电通孔结构包括从第一主表面延伸到第一距离的沟槽，和设置在该沟槽内的导电材料。凹陷区域被设置成从第二主表面向内延伸到第二距离；在一个实施方案中，凹陷区域比导电通孔结构宽。第一导电区域在横截面视图中至少邻接凹陷区域的侧壁表面设置并沿该侧壁表面延伸；在一个实施方案中，第一导电层物理连接到导电材料。在一些实施方案中，导电材料包括钨。在一些实施方案中，第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种贯穿衬底通孔结构，包括：衬底，所述衬底具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面；导电通孔结构，包括：从所述第一主表面延伸到第一距离的沟槽；以及设置在所述沟槽内的导电材料；凹陷区域，所述凹陷区域被设置成从所述第二主表面向内延伸到第二距离，其中所述凹陷区域比所述导电通孔结构宽；第一导电区域，所述第一导电区域在横截面视图中至少邻接所述凹陷区域的侧壁表面设置并沿所述侧壁表面延伸，其中所述第一导电层物理连接到所述导电材料。

【技术特征摘要】
2015.09.17 US 62/219,666;2016.08.23 US 15/244,7371.一种贯穿衬底通孔结构，包括：衬底，所述衬底具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面；导电通孔结构，包括：从所述第一主表面延伸到第一距离的沟槽；以及设置在所述沟槽内的导电材料；凹陷区域，所述凹陷区域被设置成从所述第二主表面向内延伸到第二距离，其中所述凹陷区域比所述导电通孔结构宽；第一导电区域，所述第一导电区域在横截面视图中至少邻接所述凹陷区域的侧壁表面设置并沿所述侧壁表面延伸，其中所述第一导电层物理连接到所述导电材料。2.根据权利要求1所述的结构，其中：所述导电通孔结构还包括沿所述沟槽的侧壁表面设置的绝缘结构；所述绝缘结构被插入所述导电材料与所述沟槽的所述侧壁表面之间；所述第二距离大于所述第一距离；所述第一距离小于约50微米；所述贯穿衬底通孔结构包括插入器结构；以及所述导电材料包括钨。3.根据权利要求1所述的结构，其中所述第一导电区域进一步沿所述第二主表面的至少一部分设置，所述结构还包括导电凸块，所述导电凸块被导电附接到所述凹陷区域外部的所述第一导电区域，其中所述导电凸块与所述导电通孔结构在横向上间隔开。4.根据权利要求1所述的结构，还包括设置在所述凹陷区域内在所述第一导电区域与所述衬底之间的绝缘层，其中所述第一导电层通过所述绝缘层中的开口物理连接到并电耦接到所述导电材料。5.根据权利要求1所述的结构，其中所述第一导电区域完全填满所述凹陷区域。6.一种贯穿衬底通孔结构，包括：衬底，所述衬底具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面；导电通孔结构，包括：从所述第一主表面延伸到第一距离的沟槽；沿所述沟槽的侧壁表面设置的绝缘结构；以及邻接所述沟槽内的所述绝缘结构设置的导电材料；凹陷区域，所述凹陷区域被设置成从所述第二主表面向内延伸到第二距离，其中所述第二距离大于所述第一距离；以及第一导电区域，所述第一导电区域在横截面视图中至少邻接...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·J·塞登，F·J·卡尔尼，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US