一种芯片TSV通孔刻蚀结构及其制备方法技术

本发明专利技术一种芯片TSV通孔刻蚀结构，包括芯片晶圆和从芯片晶圆正面自上而下形成的TSV通孔；芯片晶圆包括硅衬底和覆盖设置在硅衬底上部的表面绝缘介质层；TSV通孔包括设在表面绝缘介质层中的TSV通孔绝缘层开口，以及设在硅衬底中的TSV通孔硅衬底开孔；TSV孔绝缘层开口呈喇叭口形状，越靠近表面开口直径越大；TSV通孔绝缘层开口和TSV通孔硅衬底开孔平顺过渡，在表面绝缘介质层和硅衬底的交界面平滑对接且无侧掏尖角。一种芯片TSV通孔刻蚀结构的制备方法，采用两次不同的偏压进行刻蚀，消除TSV通孔侧掏现象，优化TSV通孔刻孔工艺的同时，消除在绝缘层介质和硅交界处存在的明显侧掏现象，有利于后续PECVD工艺的正常进行，提高绝缘性能，减小漏电风险。

A through-hole etching structure of chip TSV and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种芯片TSV通孔刻蚀结构及其制备方法
本专利技术涉及半导体集成封装
，具体为一种芯片TSV通孔刻蚀结构及其制备方法。
技术介绍
随着电子产品进一步向小型化和多功能化发展，依靠减小特征尺寸来不断提高集成度的方式因为特征尺寸越来越小而逐渐接近极限，以TSV(硅通孔)为代表的三维封装技术成为继续延续摩尔定律的最佳选择。硅通孔(ThroughSiliconVia,TSV)工艺通过在晶圆上打孔并填充导电材料形成导电通孔，使硅芯片正面的电连接穿过硅衬底，以最短的距离到达硅芯片背面，与引线键合或者金属凸点一起应用，可以实现晶圆(芯片)之间或者芯片与基板间的直接三维互连，从而大大提高芯片的速度并降低功耗。TSV通孔制作技术在国内外已经进行了广泛的研究，并取得了突破性的进展。华进半导体，中微半导体，中芯国际等国内半导体公司先后申请了不同的TSV通孔制作专利，改善TSV通孔工艺，优化TSV通孔形貌。但相应的专利技术仅仅针对一般硅衬底上的TSV通孔制作，并没有涉及到IC晶圆上的TSV通孔制作。与硅衬底TSV通孔工艺不同的是：从IC晶圆正面刻蚀TSV通孔时，TSV通孔需要穿过IC晶圆上厚的绝缘层，上述绝缘层厚度根据IC晶圆上布线层数的不同可达几微米到十几微米范围，如何从IC晶圆正面制备TSV通孔，需要解决IC晶圆上不同层材料间的工艺兼容性问题，特别是材料界面处的工艺过度问题。我们发现在随后采用PECVD沉积孔壁绝缘介质时，IC晶圆上厚绝缘介质层这部分TSV通孔孔壁的绝缘材料沉积速率远大于硅壁上的沉积速率，导致CVD后TSV通孔口收口，如图1、3和4所示。严重影响后续PVD和电镀填孔工艺。另外采用常规Bosch工艺进行IC晶圆上TSV通孔刻蚀时，在绝缘介质和硅交界处，硅TSV通孔孔壁较绝缘介质孔孔壁有明显的侧掏，侧掏的拐角处很难在后续PECVD沉积绝缘材料时形成良好的介质钝化，将导致后续TSV通孔耐压能力降低，漏电风险升高。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种有效的解决集成电路IC晶圆上TSV制备过程中的TSV通孔缩口问题，以及TSV通孔孔壁在绝缘介质层和硅交界处的硅壁侧掏问题的芯片TSV通孔刻蚀结构及其制备方法。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种芯片TSV通孔刻蚀结构，包括芯片晶圆和从芯片晶圆正面自上而下形成的TSV通孔；所述的芯片晶圆包括硅衬底和覆盖设置在硅衬底上部的表面绝缘介质层；所述的TSV通孔包括设在表面绝缘介质层中的TSV通孔绝缘层开口，以及设在硅衬底中的TSV通孔硅衬底开孔；TSV孔绝缘层开口呈喇叭口形状，越靠近表面开口直径越大；TSV通孔绝缘层开口和TSV通孔硅衬底开孔平顺过渡，在表面绝缘介质层和硅衬底的交界面平滑对接且无侧掏尖角。优选的，所述呈喇叭口形状的TSV通孔绝缘层开口，开口角度范围为30°～87°，侧壁呈倒锥形的斜面或者曲面。优选的，所述的TSV通孔硅衬底开孔与芯片晶圆表面的夹角范围为90°±3°，其孔径范围为1-30um，孔深范围为10um-300um，深宽比范围为3:1-20:1。优选的，所述的表面绝缘介质层采用SiO2、SiON或SiN的单层无机绝缘介质，或SiO2和SiN交替的多层复合材料，或SiO2介质上覆盖着SiN介质的复合绝缘介质材料制成。优选的，位于表面绝缘介质层中的TSV通孔绝缘层开口的孔壁形成TSV通孔的TSV孔内无机介质壁；位于硅衬底中的TSV通孔硅衬底开孔形成TSV通孔的TSV通孔内硅壁。一种芯片TSV通孔刻蚀结构的制备方法，基于上述任意一项所述的结构，包括如下步骤，步骤1，在芯片晶圆的表面绝缘介质层的表面覆盖涂布光阻层，通过曝光和显影，使TSV通孔图形显露出来；步骤2，刻蚀表面绝缘介质层形成TSV通孔的TSV孔绝缘层开口部分；再沿着上述TSV孔绝缘层开口继续在硅衬底1上刻蚀形成TSV通孔的TSV通孔硅衬底开孔部分；同时，TSV通孔的孔壁在表面绝缘介质层和硅衬底的交界面上靠近硅衬底的一面出现侧掏现象，形成侧掏尖角；步骤3，去除涂布的光阻层，对芯片晶圆表面的表面绝缘介质层再次进行整面各向同性刻蚀，使TSV通孔的侧掏尖角上表面的Si裸露出来；在整个TSV通孔孔壁沉积一层钝化层；步骤4，采用两步刻蚀去除TSV通孔孔口处的侧掏尖角；首先进行第一刻蚀步骤，采用第一偏置功率及第一刻蚀时间轰击钝化层使侧掏尖角上表面的硅材料裸露出来；然后进行第二次刻蚀步骤，采用第二偏置功率及第二刻蚀时间，刻蚀掉裸露出来的侧掏尖角的硅材料，消除侧掏尖角，形成交界面平滑的TSV通孔孔壁。优选的，步骤4中，第一偏置功率范围为80～150w，第一刻蚀时间范围为0.5s～2s；第二偏置功率范围为0～30w，第二刻蚀时间范围为3～10s；其中，刻蚀工艺气体采用SF6，刻蚀工艺温度范围为-20℃～20℃，刻蚀工艺源射频功率范围为1000w～3000w。优选的，步骤2中，所述的TSV孔绝缘层开口的刻蚀工艺温度范围为-20℃～20℃，刻蚀工艺气体采用CF4、CHF3或C4F8的单独气体，或CF4、CHF3、C4F8任意一种和Ar的混合气体，刻蚀工艺压强范围为5mT～20mT，刻蚀工艺射频源功率范围为500w～3000w，刻蚀工艺偏置电压源功率范围为0w～800w；所述的TSV通孔硅衬底开孔的刻蚀工艺气体采用SF6。优选的，步骤1中，所述的光阻层的光阻采用正性光阻或者负性光阻，涂布时采用旋涂、喷胶或者干膜直接贴附。优选的，步骤3中，去除光阻层采用干法去胶或者湿法去胶；所述的干法去胶所用气体为O2或者O2和CF4；所述的湿法去胶所用药水为二甲基亚砜；对表面绝缘介质层再次进行整面各向同性刻蚀时，刻蚀工艺温度范围为-20℃～20℃，刻蚀工艺气体采用CF4、CHF3或C4F8，刻蚀工艺压强范围为5mT～20mT，刻蚀工艺射频源功率范围为500w～3000w，刻蚀工艺偏置电压源功率范围为0w～50w；钝化时采用C4F8气体沉积钝化层。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术通过对介质层刻蚀工艺的调整，将一般垂直的介质层开口(如图14所示)优化为具有一定角度的介质层开口，即从芯片晶圆正面，刻蚀形成的TSV通孔结构，位于表面绝缘介质层中的TSV通孔绝缘层开口呈“喇叭”口形状，越靠近表面开口直径越大，其侧壁可以是倒锥形的斜面，也可以是曲面，位于硅衬底中的TSV通孔硅衬底开孔的孔壁相对于硅晶圆表面是近似垂直；一方面避免后续CVD工艺导致介质层缩口的问题，保证孔内绝缘层和黏附层/种子层的台阶覆盖率，减小CVD和PVD工艺难度，另一方面，当介质层开口存在一定角度时，能有效解决对于小孔径、高深宽比的TSV通孔，电镀过程容易出现由于孔口电子聚集过多导致金属电镀速率大于自下而上的电镀速率，从而导致电镀过程中TSV通孔孔口提前封口，造成孔内出现空洞的问题。本专利技术采用的去除表面绝缘介质层与硅衬底交界面处的硅侧掏尖角的方法，与普通TSV通孔制备工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种芯片TSV通孔刻蚀结构，其特征在于：包括芯片晶圆和从芯片晶圆正面自上而下形成的TSV通孔；/n所述的芯片晶圆包括硅衬底(1)和覆盖设置在硅衬底(1)上部的表面绝缘介质层(2)；/n所述的TSV通孔包括设在表面绝缘介质层(2)中的TSV通孔绝缘层开口(4)，以及设在硅衬底(1)中的TSV通孔硅衬底开孔(5)；TSV孔绝缘层开口(4)呈喇叭口形状，越靠近表面开口直径越大；TSV通孔绝缘层开口(4)和TSV通孔硅衬底开孔(5)平顺过渡，在表面绝缘介质层(2)和硅衬底(1)的交界面平滑对接且无侧掏尖角。/n

【技术特征摘要】
1.一种芯片TSV通孔刻蚀结构，其特征在于：包括芯片晶圆和从芯片晶圆正面自上而下形成的TSV通孔；
所述的芯片晶圆包括硅衬底(1)和覆盖设置在硅衬底(1)上部的表面绝缘介质层(2)；
所述的TSV通孔包括设在表面绝缘介质层(2)中的TSV通孔绝缘层开口(4)，以及设在硅衬底(1)中的TSV通孔硅衬底开孔(5)；TSV孔绝缘层开口(4)呈喇叭口形状，越靠近表面开口直径越大；TSV通孔绝缘层开口(4)和TSV通孔硅衬底开孔(5)平顺过渡，在表面绝缘介质层(2)和硅衬底(1)的交界面平滑对接且无侧掏尖角。


2.根据权利要求1所述的一种芯片TSV通孔刻蚀结构，其特征在于：所述呈喇叭口形状的TSV通孔绝缘层开口(4)，开口角度范围为30°～87°，侧壁呈倒锥形的斜面或者曲面。


3.根据权利要求1所述的一种芯片TSV通孔刻蚀结构，其特征在于：所述的TSV通孔硅衬底开孔(5)与芯片晶圆表面的夹角范围为90°±3°，其孔径范围为1-30um，孔深范围为10um-300um，深宽比范围为3:1-20:1。


4.根据权利要求1所述的一种芯片TSV通孔刻蚀结构，其特征在于：所述的表面绝缘介质层(2)采用SiO2、SiON或SiN的单层无机绝缘介质，或SiO2和SiN交替的多层复合材料，或SiO2介质上覆盖着SiN介质的复合绝缘介质材料制成。


5.根据权利要求1所述的一种芯片TSV通孔刻蚀结构，其特征在于：位于表面绝缘介质层(2)中的TSV通孔绝缘层开口(4)的孔壁形成TSV通孔的TSV孔内无机介质壁；位于硅衬底(1)中的TSV通孔硅衬底开孔(5)形成TSV通孔的TSV通孔内硅壁。


6.一种芯片TSV通孔刻蚀结构的制备方法，其特征在于：基于权利要求1-5所述的任意一项结构，包括如下步骤，
步骤1，在芯片晶圆的表面绝缘介质层(2)的表面覆盖涂布光阻层(3)，通过曝光和显影，使TSV通孔图形显露出来；
步骤2，刻蚀表面绝缘介质层(2)形成TSV通孔的TSV孔绝缘层开口(4)部分；再沿着上述TSV孔绝缘层开口(4)继续在硅衬底1上刻蚀形成TSV通孔的TSV通孔硅衬底开孔(5)部分；同时，TSV通孔的孔壁在表面绝缘介质层(2)和硅衬底(1)的交界面上靠近硅衬底(1)的一面出现侧掏现象，形成侧掏尖角(6)；
步骤3，去除涂布的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝霞，赵鸿，房玉亮，
申请(专利权)人：西安微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61