包括衬底通孔的半导体衬底及其生产方法技术

一种半导体设备

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括衬底通孔的半导体衬底及其生产方法


[0001]本专利技术涉及半导体设备
、
包括半导体设备的传感器设备以及用于生产半导体设备的方法
。
半导体设备包括衬底通孔
。

技术介绍

[0002]对于半导体设备的三维集成，使用衬底通孔
(TSV)。TSV
是通过半导体衬底的电互连
。
它包括穿透衬底的通孔和布置在通孔中的金属化物
。
[0003]能够通过首先在衬底的主表面上的金属间电介质中形成金属层来产生
TSV。
覆盖在金属层上的不同金属材料的阻挡层提高了金属间电介质的粘附性，并防止了像电迁移这样的扩散过程
。
然后，从后表面通过衬底蚀刻通孔，直到到达金属间电介质
。
绝缘层布置在通孔的侧壁和底部上
。
通过各向异性蚀刻步骤从通孔的底部去除绝缘层和金属间电介质，使得绝缘层保留在侧壁上以覆盖半导体材料
。
在该蚀刻步骤之后，金属层暴露在通孔的底部
。
金属化物能够应用于通孔中，使得其接触金属层并形成电互连
。
[0004]通常，当前的
TSV
技术限制于在
(CMOS)
节点中设计的设备，其中已经选择了特定的工艺选项
。
通常，
TSV
技术仅在金属层的底部阻挡层
(
从
CMOS
前端的角度来看
)
和
/
或金属层本身具有显著的厚度时才起作用
。
这一限制的原因如下：
[0005]例如，
TSV“降落”在底部阻挡层上
。
这意味着通孔到达底部阻挡层，使得通过
TSV
的金属化物经由底部阻挡层接触金属层
。
如果底部阻挡层太薄，它会由于蚀刻过程序列而损坏，导致阻挡功能的破坏
。
因此，清洁
(
湿
)
化学物质能够穿透底部阻挡层并到达下面的金属层
(
通常是铝
)。
在那里，清洁化学物质可能会被截留并侵蚀金属层，进而严重受损
。
因此，在后续退火步骤中，与截留的清洁化学物质相关的升高的温度能够起作用
。
已经观察到，在某些情况下，整个金属层已经被去除
(
即使底部阻挡层仍然存在
)。
[0006]此外，能够去除底部阻挡层，使得
TSV“降落”在金属层
(
铝
)
上
。
只要金属层厚度足够高，这种方法是可能的，因为清洁化学物质的金属蚀刻速率并不为零
。
因此，直接施加在
TSV
底部的金属层上的清洁序列导致金属损失
。
因此，如果金属层太薄，就不能保证适当的
TSV
降落
。
[0007]由于需要将
TSV
技术的可用性扩展到更小的
(CMOS)
节点，已知的降落方法是不可能的
。
此外，无法保持与来自不同代工厂的
CMOS
技术的兼容性
(
在
CMOS
后端增加底部阻挡层厚度可能不可行
)。
[0008]因此，要实现的目的是为
TSV
技术提供改进的概念
。
根据改进的概念，提高了半导体设备中
TSV
的可靠性
。
[0009]这一目的是通过独立权利要求的主题来实现的
。
在从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例
。

技术实现思路

[0010]在一个实施例中，半导体设备包括具有后表面和主表面的衬底
。
[0011]金属间电介质布置在衬底的主表面上
。
金属层嵌入金属间电介质中
。
金属层包括顶部阻挡层，其中，顶部阻挡层布置在金属层背离衬底的一侧
。
衬底通孔
TSV
从衬底的后表面到达金属层的顶部阻挡层
。TSV
包括金属化物，金属化物被配置为从衬底的后表面电接触金属层
。
[0012]衬底具有主延伸平面
。
衬底的主表面和后表面沿横向方向延伸，其中横向方向平行于衬底的主延伸平面
。
衬底能够包括半导体材料，例如，硅
(Si)。
电路和其他电子部件能够集成在衬底中
。
例如，
CMOS
电路和
/
或传感器元件布置在衬底中
。
[0013]金属间电介质布置在衬底的主表面上
。
这能够意味着在垂直方向上，金属间电介质布置在衬底上方
。
垂直方向是指垂直于主延伸平面的方向
。
金属间电介质能够是氧化物，例如，氧化硅
(SiO2)。
[0014]金属层尤其能够是布线的一部分，例如，布线能够包括几个金属层
。
金属层能够包括铝
(Al)。
[0015]顶部阻挡层能够包括钛
(Ti)
和
/
或氮化钛
(TiN)。
可选的底部阻挡层能够布置在金属层面向衬底的一侧
。
底部阻挡层还能够包括
Ti
和
/
或
TiN。
嵌入在金属间电介质中的布线的金属层通常设置有阻挡层，特别是在
CMOS
技术中，以便增强电介质材料与金属层的粘附性，并且为了防止像电迁移这样的扩散过程
。
[0016]TSV
完全穿透与金属层相对的衬底
。TSV
进一步穿透衬底和金属层之间的金属间电介质
。TSV
进一步穿透金属层直至顶部阻挡层
。
这意味着
TSV
具有从衬底的后表面到顶部阻挡层的垂直范围
。TSV
与金属层对齐
。TSV
的横向范围小于金属层的横向范围
。
[0017]顶部阻挡层提高了金属间电介质的粘附性，并防止了像电迁移这样的扩散过程
。
此外，从制造工艺的角度来看，在产生
TSV
的通孔期间，顶部阻挡层起到蚀刻停止层的作用
。TSV
通过受控地去除金属层而穿透金属层
。
由于
TSV
穿透金属层直到顶部阻挡层，因此能够在
TSV
的金属化和剩余金属层的侧壁之间建立可靠的电接触
。
因此，半导体设备能够从其后表面电接触
。TSV
底部，即，通孔的底部，不位于金属层上或金属层的底部阻挡层上...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种半导体设备
(1)
，包括：
‑
衬底
(2)
，具有后表面
(2”)
和主表面
(2
’
)
，
‑
金属间电介质
(3)
，布置在衬底
(2)
的所述主表面
(2
’
)
上，
‑
金属层
(4)
，嵌入在所述金属间电介质
(3)
中，所述金属层
(4)
包括顶部阻挡层
(12)
，其中，所述顶部阻挡层
(12)
布置在所述金属层
(4)
背离所述衬底
(2)
的一侧，以及
‑
衬底通孔
(16)
，即
TSV
，从所述衬底
(2)
的所述后表面
(2”)
到达所述金属层
(4)
的所述顶部阻挡层
(12)
，所述
TSV(16)
包括金属化物
(19)
，所述金属化物被配置为从所述衬底
(2)
的所述后表面
(2”)
电接触所述金属层
(4)
，其中
‑
所述
TSV(16)
包括通孔
(17)
，所述通孔
(17)
穿透所述衬底
(2)
和所述衬底
(2)
与所述金属层
(4)
之间的所述金属间电介质
(3)
，所述通孔
(17)
进一步穿透所述金属层
(4)
直至所述顶部阻挡层
(12)。2.
根据前述权利要求所述的半导体设备
(1)
，其中，除了所述顶部阻挡层
(12)
之外，所述金属层
(4)
在所述
TSV(16)
周围形成环，使得所述环的侧表面与所述
TSV(16)
的所述金属化物
(19)
直接接触，形成用于建立电互连的接触区域
(22)。3.
根据前述权利要求中任一项所述的半导体设备
(1)
，其中，所述
TSV(16)
进一步包括布置在所述
TSV(16)
的侧壁上的绝缘层
(18)
，使得所述衬底
(2)
与所述
TSV(16)
的所述金属化物
(19)
电隔离
。4.
根据前述权利要求中任一项所述的半导体设备
(1)
，其中，所述
TSV(16)
的所述金属化物
(19)
包括覆盖所述
TSV(16)
侧壁的侧壁部分
(19
’
)
和覆盖所述金属层
(4)
的所述顶部阻挡层
(12)
的基底部分
(19”)。5.
根据前述权利要求中任一项所述的半导体设备
(1)
，其中，在所述金属层
(4)
处，所述金属化物
(19)
的所述侧壁部分
(19
’
)
向所述金属化物
(19)
的所述基底部分
(19”)
锥形地变细
。6.
根据权利要求4所述的半导体设备
(1)
，其中，在所述金属层
(4)
处，所述金属化物
(19)
的所述侧壁部分
(19
’
)
朝向所述金属化物
(19)
的所述基底部分
(19”)
变宽
。7.
根据前述权利要求中任一项所述的半导体设备
(1)
，其中，所述金属层
(4)
还包括底部阻挡层
(8)
，所述底部阻挡层
(8)
布置在所述金属层
(4)
面向所述衬底
(2)
的一侧，其中，所述底部阻挡层
(8)
被所述
TSV(16)
穿透
。8.
根据权利要求7所述的半导体设备
(1)
，其中，所述金属层
(4)
包括铝，并且其中，所述金属层
(4)
的所述顶部阻挡层
(12)
和所述底部阻挡层
(8)
包括钛和
/
或氮化钛
。9.
根据前述权利要求中任一项所述的半导体设备
(1)
，还包括覆盖所述
TSV(16)
内的所述金属化物
(19)
的钝化层
(20)。10.
根据前述权利要求中任一项所述的半...

【专利技术属性】
技术研发人员：格奥尔格，
申请(专利权)人：艾迈斯欧司朗股份有限公司，
类型：发明
国别省市：