基于soi襯底高可靠性的tsv工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于SOI襯底高可靠性的TSV工藝方法，不破壞SOI襯底固有硅-二氧化硅-硅夾層結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)行SOI襯底的立體集成，形成的立體集成器件每一層都具有埋氧層；采用三步刻蝕技術(shù)替代目前的傳統(tǒng)SOI?TSV工藝方法中的單步刻技術(shù)，首先刻蝕頂層硅，然后刻蝕埋氧層，最后刻蝕底層硅，頂層硅的刻蝕窗口要大于埋氧層和底層硅的刻蝕窗口，在埋氧層界面形成橫向刻蝕余量。本發(fā)明避免發(fā)生漏電增加、耐壓降低等安全隱患，增加了立體集成器件可靠性，可大幅提升SOI立體集成器件性能，可靠性高。
【專利說(shuō)明】基于SOI襯底高可靠性的TSV工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及微電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]SOI器件具有良好的抗輻照、耐高溫、高壓及漏電低等特點(diǎn)，然而，目前多數(shù)基于SOI襯底的TSV工藝方法卻未能充分發(fā)揮SOI襯底抗輻照、耐高溫、高壓及漏電低等優(yōu)勢(shì)。如文獻(xiàn) “An SO1-based three-dimensional integrated circuit technology (IEEEinternational SOI conference proceedings)” 中所述，其米用的基于 SOI 襯底的 TSV 工藝方法在進(jìn)行晶圓背面減薄時(shí)，會(huì)將埋氧層作為腐蝕阻擋層，利用化學(xué)機(jī)械拋光加腐蝕的方法去除所有底層硅，從而形成僅剩頂層硅和埋氧層的超薄晶圓，待減薄工藝完成后再進(jìn)行超薄晶圓間的兩兩鍵合(參見(jiàn)圖1)?？梢钥闯?，由于底層硅被去除，其形成的單層晶圓內(nèi)已不存在硅-二氧化硅-硅SOI結(jié)構(gòu)，最終制作出的立體集成器件其實(shí)質(zhì)仍基于單晶硅，所以不滿足抗輻射加固、耐高溫、漏電低等高可靠性要求，而且此工藝方法耗損大量硅材料，成本高昂，經(jīng)濟(jì)效率低。
[0003]此外，目前基于SOI襯底TSV工藝方法中的通孔刻蝕技術(shù)也存在工藝缺陷。如文獻(xiàn)“Via First Approach Optimization for Through Silicon Via Applications(ECTC2009.59th)”中所述，由于SOI結(jié)構(gòu)中存在二氧化硅埋氧層，所以在硅與埋氧層界面處易積累電荷。在通孔刻蝕進(jìn)行到埋氧層界面時(shí)，如工藝控制不當(dāng)，刻蝕離子會(huì)受積累電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的影響，方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)向側(cè)壁內(nèi)侵蝕，最終形成“Notching”結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖2)。由于“Notching”結(jié)構(gòu)的存在，通孔側(cè)壁后續(xù)絕緣層、阻擋層/種子層制作、通孔金屬化將很難進(jìn)行，存在漏電增加、耐壓降低安全隱患，嚴(yán)重影響SOI立體集成器件性能和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于SOI襯底高可靠性的TSV工藝方法，不破壞SOI襯底固有的硅-二氧化硅-硅夾層結(jié)構(gòu)，形成的立體集成器件可充分發(fā)揮SOI抗輻照、耐高溫、漏電低等優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明采用三步刻蝕技術(shù)替代目前SOI TSV工藝流程中的單步刻蝕技術(shù)，降低了“Notching”結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)工藝制作的影響，避免發(fā)生漏電增加、耐壓降低等安全隱患，增加了立體集成器件可靠性，可大幅提升SOI立體集成器件性能，可靠性高。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟:
[0006](I)在SOI襯底表面涂光刻膠,曝光顯影露出需要刻蝕頂層娃的圓形窗口，直徑為Wl ；
[0007](2)在直徑Wl的窗口處刻蝕頂層硅至二氧化硅埋氧層停止，然后去除表面的光刻膠；
[0008](3)重新涂覆光刻膠，曝光顯影露出需要刻蝕二氧化硅埋氧層的圓形窗口，直徑為W2, W2 小于 Wl ；[0009](4)在直徑W2的窗口處刻蝕二氧化硅埋氧層至底層硅上表面停止；
[0010](5)沿直徑W2的窗口繼續(xù)刻蝕底層硅，直至通孔深度達(dá)到要求后停止，然后去除表面光刻膠，對(duì)TSV通孔進(jìn)行清洗；
[0011](6)在SOI晶圓表面淀積一層二氧化硅絕緣層，形成TSV通孔二氧化硅絕緣層；然后再濺射厚度比為1:1?1: 1.5的TSV通孔氮化鉭阻擋層和銅種子層；
[0012](7)在SOI晶圓表面涂覆光刻膠，曝光顯影露出銅電鍍窗口，并在硅片表面電鍍銅，形成TSV銅柱；
[0013](8)去除表面光刻膠，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨銅，研磨至正面TSV通孔二氧化硅絕緣層表面；
[0014](9)使用臨時(shí)鍵合技術(shù)將臨時(shí)載片鍵合在上一步已完成銅研磨的SOI晶圓上表面；
[0015](10)在SOI晶圓背面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，研磨至TSV通孔的底部銅表面露出；
[0016](11)在SOI晶圓背面首先淀積一層晶圓背面二氧化硅絕緣層，涂光刻膠，曝光顯影露出需要淀積晶圓背面阻擋層及種子層的窗口，然后刻蝕出直徑為W2的圓形二氧化硅窗口 ；待窗口處二氧化硅刻蝕完成后再將光刻膠去除；
[0017](12)在SOI晶圓背面濺射厚度比為1:1?1:1.5的背面氮化鉭阻擋層和銅種子層；
[0018](13)在SOI晶圓背面涂覆光刻膠，曝光顯影露出需要電鍍銅凸點(diǎn)的窗口，然后在晶圓背面電鍍銅凸點(diǎn)；
[0019](14)去除背面光刻膠，將已完成TSV工藝的SOI晶圓背面對(duì)準(zhǔn)鍵合在另外一片完成(I)?(13)步驟的SOI晶圓背面上；
[0020](15)在兩層SOI晶圓鍵合空隙間填充絕緣膠BCB，然后解鍵合去除臨時(shí)載片。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]本發(fā)明制作出的SOI立體集成器件(參見(jiàn)圖4 (15))每一層都包含二氧化硅埋氧層。由于存在二氧化硅介質(zhì)隔離，所以可消除體硅立體集成器件中CMOS電路閂鎖效應(yīng)，減少結(jié)面積，具有非常好的抗軟失效、瞬時(shí)輻照和單粒子翻轉(zhuǎn)能力。此外，二氧化硅介質(zhì)隔離還可大幅減少因溫度過(guò)高而引起的P-N結(jié)漏電，從而獲得較好的高溫性能。因此可充分發(fā)揮SOI襯底抗福照、耐聞溫、漏電低等聞可罪性優(yōu)勢(shì)，滿足抗福射加固、聞溫、漏電低等聞性能立體集成器件的制作需求。
[0023]本發(fā)明對(duì)基于SOI TSV工藝方法中的通孔刻蝕工藝做了重大改進(jìn)，與常規(guī)SOITSV通孔刻蝕工藝相比，本發(fā)明采用三步刻蝕工藝進(jìn)行刻蝕。首先刻蝕頂層硅通，頂層硅通孔直徑為Wl ;其次再刻蝕二氧化硅埋氧層，埋氧層通孔直徑為W2 ;最后刻蝕底層硅，底層硅通孔也為W2。由于Wl略寬于W2，所以該工藝形成的TSV通孔呈“T”字型，因此在埋氧層窗口水平方向上會(huì)留有刻蝕余量W3(參見(jiàn)圖5)。在刻蝕埋氧層及其下方通孔時(shí)，即使發(fā)生橫向向內(nèi)侵蝕的情況，由于橫向刻蝕余量的存在，所以頂層硅/埋氧層/硅基底界面處的“Notching”結(jié)構(gòu)也不會(huì)向內(nèi)凹陷過(guò)大。由此可將頂層硅/埋氧層/硅基底界面向側(cè)壁內(nèi)刻蝕的尺寸減小，有效降低了常規(guī)SOI TSV通孔刻蝕工藝產(chǎn)生的“Notching”結(jié)構(gòu)對(duì)后續(xù)側(cè)壁絕緣、阻擋層/種子層工藝的影響，提高擊穿電壓，提升基于SOI立體集成器件的可靠性?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是目前基于SOI襯底的TSV工藝方法流程圖，圖中，(I)是臨時(shí)載片與SOI晶圓鍵合；(2)是化學(xué)機(jī)械拋光加腐蝕的方法去除底層硅，形成具有頂層硅和埋氧層的超薄晶圓；(3)是兩層超薄晶圓進(jìn)行face-to-face鍵合；(4)是去除頂層超薄晶圓的臨時(shí)載片；
(5)是TSV通孔刻蝕；(6)是TSV通孔完成金屬化互連制作，填充銅并制作銅凸點(diǎn)；
[0025]圖2是基于SOI襯底TSV工藝方法中通孔刻蝕技術(shù)形成的“Notching”結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是基于SOI襯底高可靠性的TSV工藝方法流程圖；
[0027]圖4是基于SOI襯底高可靠性的TSV工藝方法示意圖，圖中，(I)?(15)對(duì)應(yīng)TSV工藝方法的15個(gè)步驟；
[0028]圖5是三步刻蝕形成的SOI TSV通孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖中，1-頂層硅，2-底層硅，3- 二氧化硅埋氧層，4-光刻膠，5-TSV通孔二氧化硅絕緣層，6-TSV通孔氮化鉭阻擋層及銅種子層，7-TSV銅柱，8-臨時(shí)載片，9-晶圓背面二氧化硅絕緣層，10-晶圓背面氮化鉭阻擋層及銅種子層，11-銅凸點(diǎn)，12-絕緣膠BCB，13- “Notching” 結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。
[0031]本發(fā)明提出的基于SOI襯底高可靠性的TSV工藝方法為(參見(jiàn)圖3與圖4):(1)在SOI襯底表面涂光刻膠，曝光顯影露出需要刻蝕頂層硅的圓形窗口，直徑為Wl ; (2)在直徑為Wl窗口處刻蝕頂層硅至二氧化硅埋氧層停止，然后去除表面的光刻膠；(3)重新涂覆光刻膠，曝光顯影露出需要刻蝕二氧化硅埋氧層的圓形窗口，直徑為W2，W2小于Wl ;(4)在直徑W2窗口處刻蝕二氧化硅埋氧層至底層硅上表面停止；(5)沿直徑W2窗口繼續(xù)刻蝕底層硅，直至通孔深度達(dá)到要求后停止，然后去除表面光刻膠，對(duì)TSV通孔進(jìn)行清洗；(6)在SOI晶圓表面淀積一層二氧化硅絕緣層，形成TSV通孔二氧化硅絕緣層。然后再濺射一層TSV通孔氮化鉭阻擋層及層銅種子層(兩者厚度1:1?1:1.5) ; (7)在SOI晶圓表面涂覆光刻膠，曝光顯影露出銅電鍍窗口，并在硅片表面電鍍銅，形成TSV銅柱；(8)去除表面光刻膠，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨銅，研磨至正面TSV通孔二氧化硅絕緣層表面；(9)使用臨時(shí)鍵合技術(shù)將臨時(shí)載片鍵合在上步已完成銅研磨的SOI晶圓上表面；(10) SOI晶圓背面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，研磨至TSV通孔的底部銅表面露出；(11)在SOI晶圓背面首先淀積一層晶圓背面二氧化硅絕緣層，涂光刻膠、曝光顯影露出需要淀積晶圓背面阻擋層及種子層的窗口，然后刻蝕出直徑為W2的圓形二氧化硅窗口。待窗口處二氧化硅刻蝕完成后再將光刻膠去除；(12)在SOI晶圓背面濺射一層背面氮化鉭阻擋層及銅種子層(兩者厚度1:1?1: 1.5); (13)在SOI晶圓背面涂覆光刻膠，曝光顯影露出需要電鍍銅凸點(diǎn)的窗口，然后在晶圓背面電鍍銅凸點(diǎn)；
(14)去除背面光刻膠，將已完成TSV工藝的SOI晶圓背面對(duì)準(zhǔn)鍵合在另外一片完成(I)?
(13)步驟的SOI晶圓背面上；(15)在兩層SOI晶圓鍵合空隙間填充絕緣膠BCB，然后解鍵合去除臨時(shí)載片。
[0032]實(shí)施例1:[0033]采用的SOI晶圓襯底為P型硅，二氧化硅埋氧層3厚度2500A,頂層硅I厚度3000A,
[0034](I)在SOI襯底表面涂5()()()A的光刻膠4,曝光,顯影,露出需要刻蝕頂層娃I的窗口，此窗口為圓形，直徑Wl為30μπι ;
[0035](2)在窗口 Wl處刻蝕頂層硅I至二氧化硅埋氧層3停止，刻蝕深度為3000Α，然后使用SPM (H2S04:H202:H20=5:1:1)溶液清洗去除SOI晶圓表面的光刻膠4 ；
[0036](3)重新在SOI晶圓表面涂覆厚度為10000A光刻膠4，曝光，顯影，露出需要刻蝕二氧化硅埋氧層3的窗口，此窗口為圓形，直徑W2為15μπι;
[0037](4)在直徑W2窗口處刻蝕二氧化硅埋氧層3至底層硅2上表面停止，刻蝕深度為2500Α；
[0038](5)沿直徑W2窗口繼續(xù)刻蝕底層硅2，刻蝕的深度為80 μ m時(shí)停止，然后使用SPM去除SOI晶圓表面表面光刻膠，并對(duì)TSV通孔進(jìn)行清洗；
[0039](6)在SOI晶圓表面使用PECVD (離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)方法淀積一層厚度為I μ m的二氧化硅絕緣層，形成TSV通孔二氧化硅絕緣層5。然后再采用離子濺射的方法生長(zhǎng)一層TSV通孔氮化鉭阻擋層及銅種子層6，其中氮化鉭阻擋層厚1500A，銅種子層厚1000A；
[0040](7)在SOI晶圓表面涂覆厚度為1000OA光刻膠4，曝光，顯影，露出銅電鍍窗口，窗口為圓形，直徑為35 μ m,并在硅片表面電鍍銅，待銅全部填滿TSV通孔形成TSV銅柱7停止;
[0041](8)使用SPM去除表面光刻膠4，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨銅，研磨至正面二氧化硅絕緣層表面；
[0042](9)使用臨時(shí)載片臨時(shí)鍵合在上步已完成銅研磨的SOI晶圓上；
[0043](10) SOI晶圓背面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，研磨至TSV通孔的底部銅表面露出；
[0044](11)在SOI晶圓背面首先淀積一層厚度為I μ m的晶圓背面二氧化硅絕緣層9，然后涂光刻膠4、曝光，顯影，露出需要淀積晶圓背面氮化鉭阻擋層及銅種子層10的窗口，窗口為圓形，直徑為15 μ m，接著刻蝕掉此窗口處的的二氧化硅，待窗口處二氧化硅刻蝕完成后再使用SPM去除光刻膠4;
[0045](12)在SOI晶圓背面采用離子濺射的方法生長(zhǎng)晶圓背面氮化鉭阻擋層及銅種子層10，其中氮化鉭阻擋層厚度為1500A，銅種子層厚度為〖OOOA;
[0046](13)在SOI晶圓背面涂覆光刻膠4，曝光，顯影，露出需要電鍍銅的窗口，窗口為圓形，直徑35 μ m，然后再晶圓背面電鍍銅凸點(diǎn)11，銅凸點(diǎn)11的高度為25μπι;
[0047](14)使用SPM去除背面光刻膠4，將已完成TSV工藝的SOI晶圓背面對(duì)準(zhǔn)鍵合在另外一片完成(I)~(13)步驟的SOI晶圓上；
[0048](15)在兩層SOI晶圓鍵合空隙間填充絕緣膠BCB12，然后解鍵合去除臨時(shí)載片8。
[0049]實(shí)施例2:
[0050]采用的SOI晶圓襯底為P型硅，二氧化硅埋氧層3厚度2500Α，頂層硅I厚度2000A,
[0051](I)在SOI襯底表面涂5000A的光刻膠4，曝光，顯影，露出需要刻蝕頂層硅I的窗口，此窗口為圓形，直徑Wl為15iim ;
[0052](2)在窗口 Wl處刻蝕頂層硅I至二氧化硅埋氧層3停止，刻蝕深度為2000A，然后使用SPM (H2S04:H202:H20=5:1:1)溶液清洗去除SOI晶圓表面的光刻膠4 ；
[0053](3)重新在SOI晶圓表面涂覆厚度為10000A光刻膠4，曝光，顯影，露出需要刻蝕二氧化硅埋氧層3的窗口，此窗口為圓形，直徑W2為
[0054](4)在直徑W2窗口處刻蝕二氧化硅埋氧層3至底層硅2上表面停止，刻蝕深度為2500A；
[0055](5)沿直徑W2窗口繼續(xù)刻蝕底層硅2，刻蝕的深度為60 ii m時(shí)停止，然后使用SPM去除SOI晶圓表面表面光刻膠，并對(duì)TSV通孔進(jìn)行清洗；
[0056](6)在SOI晶圓表面使用PECVD (離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)方法淀積一層厚度為
Iu m的二氧化硅絕緣層，形成TSV通孔二氧化硅絕緣層5。然后再采用離子濺射的方法生長(zhǎng)一層TSV通孔氮化鉭阻擋層及銅種子層6，其中氮化鉭阻擋層厚1500A，銅種子層厚IOOOA:
[0057](7)在SOI晶圓表面涂覆厚度為10000A光刻膠4，曝光，顯影，露出銅電鍍窗口，窗
口為圓形，直徑為20 u m,并在硅片表面電鍍銅，待銅全部填滿TSV通孔形成TSV銅柱7停止;
[0058](8)使用SPM去除表面光刻膠4，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨銅，研磨至正面二氧化硅絕緣層表面；
[0059](9)使用臨時(shí)載片臨時(shí)鍵合在上步已完成銅研磨的SOI晶圓上；
[0060](10) SOI晶圓背面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，研磨至TSV通孔的底部銅表面露出；
[0061](11)在SOI晶圓背面首先淀積一層厚度為I U m的晶圓背面二氧化硅絕緣層9，然后涂光刻膠4、曝光，顯影，露出需要淀積晶圓背面氮化鉭阻擋層及銅種子層10的窗口，窗口為圓形，直徑為10 u m,接著刻蝕掉此窗口處的的二氧化硅，待窗口處二氧化硅刻蝕完成后再使用SPM去除光刻膠4;
[0062](12)在SOI晶圓背面采用離子濺射的方法生長(zhǎng)晶圓背面氮化鉭阻擋層及銅種子層10，其中氮化鉭阻擋層厚度為1500A,銅種子層厚度為1000A;
[0063](13)在SOI晶圓背面涂覆光刻膠4，曝光，顯影，露出需要電鍍銅的窗口，窗口為圓形，直徑20 iim，然后再晶圓背面電鍍銅凸點(diǎn)11，銅凸點(diǎn)11的高度為25iim;
[0064](14)使用SPM去除背面光刻膠4，將已完成TSV工藝的SOI晶圓背面對(duì)準(zhǔn)鍵合在另外一片完成(I)?(13)步驟的SOI晶圓上；
[0065](15)在兩層SOI晶圓鍵合空隙間填充絕緣膠BCB12，然后解鍵合去除臨時(shí)載片8。
【權(quán)利要求】
1.一種基于SOI襯底高可靠性的TSV工藝方法，其特征在于包括下述步驟: (1)在SOI襯底表面涂光刻膠，曝光顯影露出需要刻蝕頂層硅的圓形窗口，直徑為Wl； (2)在直徑Wl的窗口處刻蝕頂層硅至二氧化硅埋氧層停止，然后去除表面的光刻膠； (3)重新涂覆光刻膠，曝光顯影露出需要刻蝕二氧化硅埋氧層的圓形窗口，直徑為W2，W2小于Wl ； (4)在直徑W2的窗口處刻蝕二氧化硅埋氧層至底層硅上表面停止； (5)沿直徑W2的窗口繼續(xù)刻蝕底層硅，直至通孔深度達(dá)到要求后停止，然后去除表面光刻膠，對(duì)TSV通孔進(jìn)行清洗； (6)在SOI晶圓表面淀積一層二氧化硅絕緣層，形成TSV通孔二氧化硅絕緣層；然后再濺射厚度比為1:1?1: 1.5的TSV通孔氮化鉭阻擋層和銅種子層； (7)在SOI晶圓表面涂覆光刻膠，曝光顯影露出銅電鍍窗口，并在硅片表面電鍍銅，形成TSV銅柱； (8)去除表面光刻膠，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨銅，研磨至正面TSV通孔二氧化硅絕緣層表面； (9)使用臨時(shí)鍵合技術(shù)將臨時(shí)載片鍵合在上一步已完成銅研磨的SOI晶圓上表面； (10)在SOI晶圓背面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械研磨，研磨至TSV通孔的底部銅表面露出； (11)在SOI晶圓背面首先淀積一層晶圓背面二氧化硅絕緣層，涂光刻膠，曝光顯影露出需要淀積晶圓背面阻擋層及種子層的窗口，然后刻蝕出直徑為W2的圓形二氧化硅窗口 ；待窗口處二氧化硅刻蝕完成后再將光刻膠去除； (12)在SOI晶圓背面濺射厚度比為1:1?1:1.5的背面氮化鉭阻擋層和銅種子層； (13)在SOI晶圓背面涂覆光刻膠，曝光顯影露出需要電鍍銅凸點(diǎn)的窗口，然后在晶圓背面電鍍銅凸點(diǎn)； (14)去除背面光刻膠，將已完成TSV工藝的SOI晶圓背面對(duì)準(zhǔn)鍵合在另外一片完成(I)?(13)步驟的SOI晶圓背面上； (15)在兩層SOI晶圓鍵合空隙間填充絕緣膠BCB，然后解鍵合去除臨時(shí)載片。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK103700617SQ201310541039
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】單光寶, 劉松, 孫有民, 杜欣榮, 張巍 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第九研究院第七七一研究所