硅通孔及其形成方法技术

一种硅通孔及其形成方法，所述硅通孔的形成方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；刻蚀所述半导体衬底第一表面，在所述半导体衬底内形成第一开口，并在所述第一开口周围的半导体衬底内形成若干分离的第二开口，所述第一开口的尺寸大于所述第二开口的尺寸；在所述半导体衬底第一表面沉积介质层，所述介质层将所述第二开口密闭，在所述第二开口内形成空气隙，所述介质层覆盖所述第一开口的底部和侧壁；在所述介质层上沉积金属层，所述金属层填充满所述第一开口；从所述半导体衬底第二表面减薄所述半导体衬底，暴露出所述金属层。本发明专利技术的硅通孔可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
硅通孔及其形成方法
本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种硅通孔及其形成方法。
技术介绍
随着半导体技术不断发展，目前半导体器件的特征尺寸已经变得非常小，希望在二维的封装结构中增加半导体器件的数量变得越来越困难，因此三维封装成为一种能有效提高芯片集成度的方法。目前的三维封装包括基于金线键合的芯片堆叠（DieStacking）、分装堆叠（PackageStacking）和基于硅通孔（ThroughSiliconVia,TSV）的三维堆叠。其中，利用硅通孔的三维堆叠技术具有以下优点：高密度集成；电互连长度大幅度缩短，有效解决出现在二维系统级芯片技术中的信号延迟等问题；利用硅通孔技术，可以把具有不同功能（如射频、内存、逻辑、微机电系统等）的模块集成在一起实现封装芯片的多功能。因此，利用硅通孔互连结构的三维堆叠技术日益成为一种较为流行的芯片封装技术。现有技术形成硅通孔的方法包括：利用干法刻蚀在硅衬底的第一表面形成通孔；在所述通孔侧壁和底部表面形成绝缘层；在所述通孔内填充满导电材料，并采用化学机械抛光去除位于所述半导体衬底表面的多余的导电材料；对所述硅衬底的与第一表面相对的第二表面进行减薄，直至暴露出填充导电材料的通孔，形成硅通孔。请参考图1，图1示出了现有技术的硅通孔的剖面结构示意图，所述硅通孔包括：半导体衬底100；位于所述半导体衬底100内的导电体101，所述导电体101与所述半导体衬底100之间具有绝缘层（未示出）；位于所述导电体101上的金属互连层结构103；位于所述半导体衬底100表面且包覆所述金属互连层103的介质层102，所述介质层102的顶表面与所述金属互连层103的顶表面齐平。现有技术中，所述半导体衬底100的材料为硅，所述绝缘层和介质层102的材料通常为氧化硅，所述导电体101的材料通常为铜。由于铜的热膨胀系数远高于氧化硅和硅，因此在集成电路工作发热时，所述导电体101热膨胀导致在周围的半导体衬底100内产生应力。所述应力不仅会影响位于所述半导体衬底100内的半导体器件的性能，还有可能导致导电体101与金属互连结构103的电学连接失效。因此现有技术的硅通孔可靠性不佳。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是现有技术的硅通孔可靠性不佳。为解决上述问题，本专利技术提供了一种硅通孔的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；刻蚀所述半导体衬底第一表面，在所述半导体衬底内形成第一开口，并在所述第一开口周围的半导体衬底内形成若干分离的第二开口，所述第一开口的尺寸大于所述第二开口的尺寸；在所述半导体衬底第一表面沉积介质层，所述介质层将所述第二开口密闭，在所述第二开口内形成空气隙，所述介质层覆盖所述第一开口的底部和侧壁；在所述介质层上沉积金属层，所述金属层填充满所述第一开口；从所述半导体衬底第二表面减薄所述半导体衬底，暴露出所述金属层。可选的，所述第一开口的尺寸为所述第二开口尺寸的10～100倍。可选的，所述第二开口的尺寸小于0.2微米。可选的，所述第一开口与所述第二开口之间的距离小于所述第一开口的尺寸。可选的，所述第二开口为圆形。可选的，所述第二开口以所述第一开口为中心等距均匀分布。可选的，所述第二开口以所述第一开口为中心等距均匀分布为一层或者多层。可选的，所述第二开口为条形。可选的，所述第二开口以所述第一开口为中心呈放射状等距均匀分布。可选的，在所述半导体衬底第一表面沉积介质层的工艺为等离子体增强化学气相沉积。可选的，还包括，在刻蚀所述半导体衬底第一表面之前，在所述半导体衬底第一表面上形成绝缘层。可选的，还包括，在所述介质层上沉积金属层后，研磨所述金属层和所述介质层，直至暴露出所述半导体衬底第一表面。可选的，还包括，在研磨所述金属层和所述介质层后，在所述半导体衬底第一表面上形成金属互连结构，所述金属互连结构与所述金属层电学连接。可选的，所述介质层的材料为氧化硅。可选的，所述金属层的材料为铜、铝、钨、钛、氮化钛、钽和氮化钽中的一种或多种。对应的，本专利技术还提供一种采用上述任一方法所形成的硅通孔，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；位于所述半导体衬底内的第一开口，位于所述第一开口周围的半导体衬底内的若干分离的第二开口；位于所述第二开口内靠近第一表面一端的介质层，所述介质层在所述第二开口内形成空气隙，所述介质层还覆盖所述第一开口的侧壁表面；位于所述第一开口内的金属层，所述半导体衬底的第一表面暴露出所述金属层的一端，所述半导体衬底的第二表面暴露出所述金属层的另一端。与现有技术相比，本专利技术技术方案具有以下优点：本专利技术实施例的硅通孔的形成方法中，刻蚀所述半导体衬底第一表面，在所述半导体衬底内形成第一开口，并在所述第一开口周围的半导体衬底内形成若干分离的第二开口。由于所述第一开口的尺寸大于所述第二开口的尺寸，在所述半导体衬底第一表面沉积介质层时，所述介质层可以将所述第二开口密闭，在所述第二开口内形成空气隙，而所述介质层仅覆盖所述第一开口的底部和侧壁，后续在所述介质层上沉积金属层，所述金属层填充满所述第一开口。在集成电路工作过程中，位于第一开口内的金属层受热膨胀，由于半导体衬底和介质层的膨胀系数小于所述金属层的膨胀系数，因此会在所述半导体衬底内产生应力，此时位于所述金属层周围的第二开口内的空气隙收缩，释放所述金属层受热膨胀产生的应力，可以减小在所述半导体衬底内产生的应力，减小所述应力对半导体器件以及金属互连结构的不利影响。另外，由于所述空气隙形成于若干分离的第二开口内，所述空气隙也分离存在，所述金属层周围的半导体衬底具有足够的机械强度。因此，本专利技术的硅通孔可靠性高。对应的，本专利技术实施例还提供一种硅通孔，所述硅通孔采用上述的硅通孔的形成方法所形成，在金属层周围存在空气隙，可以降低由于所述金属层热膨胀在半导体衬底内所产生的应力，另外位于所述金属层周围的半导体衬底具有足够的机械强度，可靠性高。附图说明图1是现有技术的硅通孔的剖面结构示意图；图2至图10是本专利技术实施例的硅通孔的形成过程的结构示意图。具体实施方式由
技术介绍
可知，现有技术形成的硅通孔可靠性不佳。本专利技术的专利技术人研究了现有技术形成的硅通孔，请继续参考图1，发现现有技术的硅通孔可靠性不佳的主要原因在于导电体101与绝缘层和半导体衬底100之间存在较大的热膨胀系数差异，其中导电体101的材料通常为铜，其热膨胀系数为10ppm/℃；绝缘层的材料为氧化硅，其热膨胀系数为0.5ppm/℃；半导体衬底100的材料为硅，其热膨胀系数为2.5ppm/℃。在集成电路工作或者所述半导体衬底100的温度发生变化时，上述几种材料的热膨胀系数不匹配，导致受热过程中绝缘层和半导体衬底100经受了导电体101横向膨胀所产生的较大的应力，会在硅通孔周围的半导体衬底内产生应力集中区。位于所述应力集中区内的半导体器件由于晶格变化，影响载流子迁移率，其性能会发生变化，例如MOS晶体管器件的性能会随着器件所在位置承受100MPa的应力时产生7%左右的变化。另外，导电体101在热膨胀过程中，由于绝缘层和半导体衬底100的限制作用，导电体101的横向膨胀会受到很大的阻力，从而加剧了导电体101在纵向膨胀的程度，导致位于导电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅通孔的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；刻蚀所述半导体衬底第一表面，在所述半导体衬底内形成第一开口，并在所述第一开口周围的半导体衬底内形成若干分离的第二开口，所述第一开口的尺寸大于所述第二开口的尺寸；在所述半导体衬底第一表面沉积介质层，所述介质层将所述第二开口密闭，在所述第二开口内形成空气隙，所述介质层覆盖所述第一开口的底部和侧壁；在所述介质层上沉积金属层，所述金属层填充满所述第一开口；从所述半导体衬底第二表面减薄所述半导体衬底，暴露出所述金属层。

【技术特征摘要】
1.一种硅通孔的形成方法，其特征在于，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；刻蚀所述半导体衬底第一表面，在所述半导体衬底内形成第一开口，并在所述第一开口周围的半导体衬底内形成若干分离的第二开口，所述第一开口的尺寸大于所述第二开口的尺寸；在所述半导体衬底第一表面沉积介质层，所述介质层将所述第二开口密闭，在所述第二开口内形成空气隙，所述介质层覆盖所述第一开口的底部和侧壁；在所述介质层上沉积金属层，所述金属层填充满所述第一开口；从所述半导体衬底第二表面减薄所述半导体衬底，暴露出所述金属层；减薄所述半导体衬底，暴露出所述金属层的同时，暴露出所述空气隙。2.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述第一开口的尺寸为所述第二开口尺寸的10～100倍。3.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述第二开口的尺寸小于0.2微米。4.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述第一开口与所述第二开口之间的距离小于所述第一开口的尺寸。5.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述第二开口为圆形。6.如权利要求5所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述第二开口以所述第一开口为中心等距均匀分布。7.如权利要求6所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述第二开口以所述第一开口为中心等距均匀分布为一层或者多层。8.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述第二开口为条形。9.如权利要求8所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述第二开...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪中山，
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