基于SOI的TSV立体集成互连结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于SOI的TSV立体集成互连结构，包括阻挡层、侧壁绝缘层和导电填充物，以铜柱为导电填充物，在铜柱外壁依次包覆了阻挡层和侧壁绝缘层，铜柱纵向贯穿了SOI顶层硅、埋氧层和衬底硅，构成TSV通孔，埋氧层上方的TSV通孔直径为W1，埋氧层下方的TSV通孔直径W2，上、下TSV孔同轴，且W1>W2。本发明专利技术不仅可以实现基于SOI的工艺器件立体集成，满足辐射加固器件、高压/低漏电器件TSV立体集成的工艺需求，而且降低了“Notching”效应对后续侧壁绝缘工艺的影响，提升击穿电压，增加基于SOI的TSV立体集成器件可靠性，节约芯片面积，降低了开发成本。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微电子

技术介绍
通常TSV立体集成互连结构均在单晶硅晶圆上实现，多采用KOH各向异性腐蚀形成的“倒梯”型结构或基于ICP干法刻蚀的“I”字型结构(参见图I)。采用上述互连结构存在的主要缺点有(I)上述互联结构均在单晶硅晶圆上实现，刻蚀材料均为硅，无法满足SOI结构Si/Si02/Si材质刻蚀。 (2)在KOH各向异性腐蚀中由于(111)晶面和(100)晶面固有夹角的存在，所以TSV通孔开口会随着腐蚀深度变大而增大，使该类“倒梯”型结构TSV通孔占用面积过大，经济型差，而且该工艺使用KOH作为附属液容易引入K+污染，会对CMOS工艺线造成K+污染。(3) “Via First Approach Optimisation for Through Si I icon ViaApplications (ECTC2009. 59th)”文献中写道由于SOI结构中存在埋氧介质层，所以在Si与埋氧层界面处易形成电荷积累，在Si/Si02界面处，离子方向会发生偏转向侧壁内侵蚀，形成“Notching”结构(参见图2)。由于“Notching”结构的存在,若采用上述互连结构,通孔侧壁后续绝缘、阻挡层/种子层制作、通孔金属化将很难进行，而且会造成漏电增加、耐压降低，影响SOI立体集成器件性能和可靠性。
技术实现思路
现有TSV互连结构无法满足SOI工艺多材质刻蚀、高互连密度，并影响侧壁绝缘特性及器件性能且经济性差的不足，本专利技术提出一种新型可用于SOI工艺的TSV立体集成互连结构，该结构不仅可以实现基于SOI的工艺器件立体集成，满足辐射加固器件、高压/低漏电器件TSV立体集成的工艺需求，而且降低了“Notching”效应对后续侧壁绝缘工艺的影响，提升击穿电压，增加基于SOI的TSV立体集成器件可靠性，节约芯片面积，降低了开发成本。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于SOI的TSV立体集成互连结构，包括阻挡层、侧壁绝缘层和导电填充物，以铜柱为导电填充物，在铜柱外壁依次包覆了阻挡层和侧壁绝缘层，铜柱纵向贯穿了 SOI顶层硅、埋氧层和衬底硅，构成TSV通孔，埋氧层上方的TSV通孔直径为Wl，埋氧层下方的TSV通孔直径W2，上、下TSV孔同轴，且W1>W2，Wl和W2的差值为3 μ m 6 μ m。本专利技术的有益效果是本专利技术提出的基于SOI的TSV立体集成互连结构可以制作出高密度、高深宽比的TSV通孔互连。与传统互连均在单晶硅晶圆上相比，该结构侧壁绝缘层、阻挡层、铜柱纵向贯穿了 SOI顶层硅、埋氧层和衬底硅，实现Si/Si02/Si多材质刻蚀，满足SOI工艺器件立体集成，辐射加固器件、高压/低漏电器件TSV立体集成的工艺需求。与KOH湿法腐蚀相比，由于不存在各向异性腐蚀中(111)晶面和(100)晶面固有夹角，通孔开口不会随着刻蚀深度增加而变大，所以本专利技术提出的结构比KOH湿法腐蚀的“倒梯”型结构更加节省芯片面积，在通孔深度(50 μ πΓ ΟΟ μ m)相同的情况下，可节省芯片面积94% 97%，更具有经济效益。由于互连结构呈“T”字型，即埋氧层上方通孔直径Wl大于埋氧层下方通孔直径W2，所以在埋氧层窗口水平方向上会留有刻蚀余量W3与W4 (参见图3)。在刻蚀埋氧层及其下方通孔时，即使发生横向向内侵蚀的情况，由于横向刻蚀余量的存在，所以顶层硅/埋氧层/硅基底界面处的“Notching”结构也不会向内凹陷过大。由此可将顶层硅/埋氧层/硅基底界面向侧壁内刻蚀的尺寸减小到数微米，有效解决传统SOI TSV互连结构刻蚀产生的“Notching”结构对后续侧壁绝缘、阻挡层/种子层工艺的影响，降低了后续的工艺难度，提升击穿电压，增加了基于SOI的TSV立体集成器件可靠性。附图说明图I是基于单晶硅晶圆传统的TSV互联结构， 其中，(a)为“I”字型结构，(b)为“倒梯”型结构示意图；I-单晶硅衬底，2-侧壁SiO2绝缘层，3-阻挡层Ta/TaN，4_导电填充物Cu ；图2是传统TSV“I”型互连结构在SOI工艺制作中，埋氧层界面形成的“Notching”结构示意图；其中，I-Si基底，2-顶层硅，3-埋氧层，“Notching”结构；图3是本专利技术提出的“T”字型TSV互连结构示意图；其中，I-Si基底，2-侧壁SiO2绝缘层，3-阻挡层Ta/TaN，4_导电填充物Cu，5_埋氧层，6-顶层娃。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。本专利技术提出了一种基于SOI的TSV立体集成互连结构，该结构的技术特征在于侧壁绝缘层、阻挡层、铜柱纵向贯穿了 SOI顶层硅、埋氧层和衬底硅。埋氧层上方TSV通孔直径为W1，埋氧层下方TSV通孔直径W2，上、下TSV孔同轴，且W1>W2 (参见图3)，W3与W4尺寸最小值控制在I. 5 μ πΓ3 μ m范围内，整体互联结构呈“T”字型结构。实施例I :如图3所示，SOI晶圆顶层硅3000 A,埋氧层2500 A,硅基底80 μ m。顶层硅窗口 Wl=8 μ m,埋氧层窗口 W2=5 μ m,埋氧层刻蚀余量W3、W4各为I. 5 μ m，绝缘层Si02厚度0. 6 μ m，阻挡层Ta/TaN厚度为O. 4 μ m，中心导电填充物为铜，侧壁绝缘层Si02、阻挡层Ta/TaN、铜柱纵向贯穿了 SOI顶层硅、埋氧层和衬底硅，通孔深度为50 μ m,整体互联结构呈“T”字型结构。实施例2 如图3所示，SOI晶圆顶层硅3500 A，埋氧层3000 A，娃基底80 μ m。顶层硅窗口Wl=15 μ m,埋氧层窗口 W2=10 μ m,埋氧层刻蚀余量W3、W4各为2. 5 μ m，绝缘层厚度0. 8 μ m，阻挡层Ta/TaN厚度为0. 6 μ m,中心导电填充物为铜，侧壁绝缘层Si02、阻挡层Ta/TaN、铜柱纵向贯穿了 SOI顶层硅、埋氧层和衬底硅，通孔深度为70 μ m,整体互联结构呈“T”字型结构。实施例3 如图3所示，SOI晶圆顶层硅3500 A，埋氧层3000 A,娃基底80 μ m。顶层硅窗口Wl=30 μ m,埋氧层窗口 W2=24 μ m,埋氧层刻蚀余量W3、W4各为3 μ m，绝缘层厚度I μ m,阻挡层Ta/TaN厚度为O. 8 μ m,中心导电填充物为铜，侧壁绝缘层Si02、阻挡层Ta/TaN、铜柱纵向贯穿了 SOI顶层硅、埋氧层和衬底硅，通孔深度为70μπι，整体互联结构呈“T”字型结构。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SOI的TSV立体集成互连结构，包括阻挡层、侧壁绝缘层和导电填充物，其特征在于：以铜柱为导电填充物，在铜柱外壁依次包覆了阻挡层和侧壁绝缘层，铜柱纵向贯穿了SOI顶层硅、埋氧层和衬底硅，构成TSV通孔，埋氧层上方的TSV通孔直径为W1，埋氧层下方的TSV通孔直径W2，上、下TSV孔同轴，且W1>W2，W1和W2的差值为3μm~6μm。

【技术特征摘要】
1 . 一种基于SOI的TSV立体集成互连结构，包括阻挡层、侧壁绝缘层和导电填充物，其特征在于以铜柱为导电填充物，在铜柱外壁依次包覆了阻挡层和侧壁绝缘层，铜柱纵向贯穿了 SOI顶层硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：单光宝，孙有民，刘松，蔚婷婷，李翔，
申请(专利权)人：中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所，
类型：发明
国别省市：