结合负热膨胀材料的导电互连结构及相关系统、装置及方法制造方法及图纸

技术编号:15118198 阅读:141 留言:0更新日期:2017-04-09 15:45
本发明专利技术揭示具有结合负膨胀NTE材料的互连件的半导体装置。在一个实施例中,半导体装置包含衬底,所述衬底具有至少部分延伸穿过所述衬底的开口。具有正热膨胀系数CTE的导电材料部分充填所述开口。具有负CTE的负热膨胀NTE也部分充填所述开口。在一个实施例中,所述导电材料包含铜,且所述NTE材料包含钨酸锆。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本技术涉及半导体装置互连件,例如包含具有负热膨胀系数(CTE)的材料的通孔、迹线及其它接触结构。
技术介绍
形成半导体装置通常包含使半导体衬底或组合件经受用于添加、移除及/或更改材料的一系列处理步骤。这些处理步骤可逐渐精确地形成非常高密度的电组件,例如晶体管、电容器及二极管。所述电组件可通过通常在多个层上延伸且延伸穿过所述多个层的复杂网络连接而连接。从一个层到另一层的此类网络连接可为通过按所需图案选择性地在半导体材料中蚀刻出孔且用导电材料充填所述孔而形成的通孔。硅通孔(TSV)为一个类型的通孔,其延伸穿过整个半导体衬底。TSV通过电介质间隔件与衬底隔离,且电互耦合在衬底的相反两侧处的接触件或其它导电特征部。附图说明图1A为具有根据本技术的实施例所配置的TSV的半导体装置的横截面侧视图。图1B及1C为根据本技术的实施例的分别处于初始温度水平及处于升高温度水平的图1A的TSV的横截面俯视图。图2A到2C为展示具有根据本技术的选定实施例所配置的不同体积比的负热膨胀材料的TSV的横截面侧视图。图3A到3E为说明在根据本技术的选定实施例的制造方法中的选定步骤处的图1A的半导体装置的横截面图。图4A及4B为具有根据本技术的另一实施例所配置的TSV的半导体装置的横截面侧视图。图5A到5C为根据本技术的其它实施例所配置的互连结构的等角视图。图6为说明结合根据本技术的实施例的半导体装置的系统的框图。具体实施方式本技术的若干实施例的特定细节涉及结合负热膨胀(NTE)材料的半导体装置中的电极。术语“半导体装置”大体上是指包含半导体材料的固态装置。半导体装置尤其可为逻辑装置、存储器装置及二极管。半导体装置还可包含发光半导体装置,例如发光二极管(LED)、激光二极管及其它固态换能器装置。此外,术语“半导体装置”可指成品装置或在成为成品装置前的各种处理阶段中的组合件或其它结构。术语“互连件”可指垂直延伸穿过及/或横向跨过半导体装置或衬底的一部分的各种导电结构中的任一者。互连件的实例包含通孔、迹线、接触垫、导线及其它导电结构。取决于其使用背景,术语“衬底”可指晶片级衬底及/或经单切的裸片级衬底。另外,除非上下文另有指示,否则本文所揭示的结构可使用常规半导体制造技术来形成。(例如)可使用化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、旋转涂布及/或其它适当技术来沉积材料。类似地,(例如)可使用等离子蚀刻、湿式蚀刻、化学机械平坦化(CMP)或其它适当技术来移除材料。同样地,可(例如)通过使用一或多个掩模材料(例如光致抗蚀剂材料、硬掩模材料或其它适当材料)添加及/或移除材料来图案化材料。常规互连材料(例如,金属材料)的一个问题是其响应于在许多制造工艺及操作中发生的温度改变的膨胀及收缩超过衬底中的许多其它材料。一般来说,互连件基于其体积及热膨胀系数(CTE)而在尺寸上膨胀,且通常,许多互连材料的CTE显著大于衬底中的材料的CTE。举例来说,铜可具有约1.7x10-51/K(线性)的CTE,而硅可具有约2.3x10-61/K(线性)的CTE。在升高温度下,CTE的此差异使互连件膨胀到大于相邻衬底材料的范围。此膨胀将应力强加到周围材料且在衬底中引起裂痕。这些裂痕最终可导致晶片破裂、装置故障(归因于硅晶格损伤)、装置失效及产率损失。然而,根据本技术的若干实施例所配置的互连件解决了常规互连件的这些及其它限制。图1A为根据本技术的实施例所配置的半导体装置100的横截面侧视图。半导体装置100包含衬底102及电组件103(示意性展示)。衬底102可包含(例如)硅衬底、外延结构、半导体材料堆叠或其它适当结构。电组件103可为(例如)晶体管、二极管、LED、电容器、集成电路等等。半导体装置100进一步包含经配置以将电信号路由到内部组件(例如,电组件103)及/或外部组件(例如,芯片外组件)的导电互连件105的网络。互连件105可包含(例如)通孔106、接触结构108及使通孔106与接触结构108连接的迹线109。在图1A的实施例的一个方面中,互连件105还包含形成于穿孔112中的TSV110,所述穿孔112在第一侧113a(例如,顶部或作用侧)与第二侧113b(例如,底部或背侧)之间延伸穿过衬底102。如展示,TSV110通过间隔件材料(在图1A中不可见)与衬底102隔离,且包含至少一个外部导电材料115及至少一个NTE材料116。外部材料包含正CTE材料,例如铝、铜、银、铂、钌、钛、钴等等。另一方面,NTE材料116包含负CTE材料。在一个实施例中,NTE材料116可包含金属氧化物结晶材料。举例来说,钨酸锆(Zr(WO4)2)为一种此材料,其具有约-4.9x10-61/K的负CTE。不同于大多数结晶材料,钨酸锆具有“弹性铰接”的晶格组分(ZrO6及WO4),其通过自身再排序及/或旋转成为晶格内的更紧凑配置而响应于热量增加。其它NTE材料可具有当被加热时展现类似收缩机制的晶格组分。举例来说,ZrW2O8为结晶材料,其可具有约-11.4x10-61/K的负CTE。如在本文所使用,术语“NTE材料”是指响应于温度的增加而体积收缩的材料。类似正CTE材料,NTE材料具有与其在特定温度范围内的膨胀/收缩量值相关的CTE。然而,不同于正CTE材料,NTE材料具有在特定温度范围(例如,-50℃到250℃)内的负CTE。与NTE材料相关的其它材料性质、特征及组成描述于以下文献中,例如:T.A.玛丽(T.A.Mary)等人所著的“ZrW2O8的从0.3到1050开尔文的负热膨胀(NegativeThermalExpansionfrom0.3to1050KelvininZrW2O8)”科学(Science)272.5258(1996):90-92;D.基恩(D.Keen)等人所著的“钨酸锆的负热膨胀(Negativethermalexpansioninzirconiumtungstate)”物理评论快报(Phys.Rev.Lett.)96(2005);H.刘(H.Liu)等人所著的“通过射频磁控管溅射制备的ZrW2O8薄膜上的后沉积退火效应(Effectofpost-depositionannealingonZrW2O8thinfilmspreparedbyradiofrequencymagnetronsputtering)”表面和涂层技术(SurfaceandCoatingsTechnology).201.9-11(2007):5560-5563;M.S.萨顿(Sutton)等人所著的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置,其包括:衬底,其具有至少部分延伸穿过所述衬底的开口;导电材料,其部分充填所述开口;及负热膨胀NTE材料,其也部分充填所述开口。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.05 US 13/959,4291.一种半导体装置,其包括:
衬底,其具有至少部分延伸穿过所述衬底的开口;
导电材料,其部分充填所述开口;及
负热膨胀NTE材料,其也部分充填所述开口。
2.根据权利要求1所述的半导体装置,其进一步包括延伸穿过所述开口的硅通孔TSV,
其中:
所述TSV包含所述导电材料及所述NTE材料,
所述NTE材料包含Zr(WO4)2,及
所述导电材料包含铜。
3.根据权利要求2所述的半导体装置,其中所述导电材料安置于所述衬底与所述NTE材
料之间。
4.根据权利要求1所述的半导体装置,其中所述NTE材料包含ZrV2O。
5.根据权利要求1所述的半导体装置,其中所述NTE材料包含ZrMo2O8、ZrW2O8、HfMo2O8或
HfW2O8或其组合。
6.根据权利要求1所述的半导体装置,其中所述NTE材料包含Zr2(MoO4)3、Zr2(WO4)3、Hf2(MoO4)3、Hf2(WO4)3或其组合。
7.根据权利要求1所述的半导体装置,其中所述NTE材料包含Zr(WO4)2。
8.根据权利要求1所述的半导体装置,其中所述导电材料包含铜、铝、钨、银、金、铂、钌、
钛及钴中的至少一者。
9.一种通孔结构,其包括:
至少第一材料,其至少部分延伸穿过半导体装置;及
至少第二材料,其至少部分延伸穿过所述第一材料,其中
所述第一材料具有大于零的第一热膨胀系数CTE,
所述第二材料具有小于零的第二CTE,及
所述第一材料及所述第二材料一起具有复合CTE,其小于所述第一CTE但大于所述第二
CTE。
10.根据权利要求9所述的通孔结构,其中所述复合CTE小于零。
11.根据权利要求9所述的通孔结构,其中所述复合CTE约等于零。
12.根据权利要求9所述的通孔结构,其中:
所述半导体装置包括半导体衬底;及
至少所述第一材料完全延伸穿过所述半导体衬底。
13.根据权利要求12所述的通孔结构,其中所述第二材料完全延伸穿过所述半导体衬
底。
14.根据权利要求9所述的通孔结构,其中:
所述第一材料具有第一体积;
所述第二材料具有第二体积;及
所述第一体积及所述第二体积经配置使得所述复合CTE小于零。
15.根据权利要求9所述的通孔结构,其中:
所述第一材料具有第一体积;
所述第二材料具有第二体积;及
所述第一体积及所述第二体积经配置使得所述复合CTE约等于零。
16.一种半导体装置,其包括具有复合热膨胀系数CTE的互连结构,其中所述互连结构
包含:
导电材料,其具有大于所述复合CTE的第一CTE;及
结晶材料,其与所述导电材料界面连接,其中所述结晶材料具有小于零的第二CTE。
17.根据权利要求16所述的半导体装置,其进一步包括衬底,其中:
所述结晶材料的至少一部分在所述衬底内;及
所述导电材料的至少...

【专利技术属性】
技术研发人员:李红旗阿努拉格·金达吕瑾夏安·拉玛林根
申请(专利权)人:美光科技公司
类型:发明
国别省市:美国;US

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