一种双环硅通孔结构及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种双环硅通孔结构及其制造方法。一种双环硅通孔结构，从外向内依次为半导体衬体、第一介质层、第一金属环、第二介质层、第二金属环和介质芯层。一种双环硅通孔的制造方法，包括：(1)在半导体衬底上刻蚀通孔；(2)在通孔的内表面制备第一介质层；(3)在第一介质层的表面通制备第一金属环；(4)在第一金属环的表面制备第二介质层；(5)在第二介质层的表面制备第二金属环；(6)在第二金属环的表面制备介质芯层，直至完全填满为止；(7)在半导体衬底和硅通孔上表面进行化学机械抛光。采用外层接地第一金属环实现屏蔽噪声信号的作用，达到较高高频信号完整性；采用内侧第二金属环降低了热应力，提高了热机械性能。
【专利说明】一种双环硅通孔结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于面向高频应用的三维集成电路领域，涉及硅通孔结构及其制造方法，具体涉及一种双环硅通孔结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]过去的几十年里，微电子器件尺寸按照摩尔定律持续减小，电子产品性能得到空前提高。但是在半导体制作工艺尺寸缩小到16nm后，工艺技术逐渐达到物理极限，量子效应、短沟道效应等小尺寸效应越来越凸显，成为摩尔定律继续发展的瓶颈。三维集成电路不再一味追求小尺寸，而是采用三维堆叠的方式来提高系统集成度，通过硅通孔(Through-SiIicon-Via,简称TSV)实现层间垂直互连,有效缩短了互连线长度，极大地提高了电路性能并降低了电路功耗，并且可以实现模拟、射频、逻辑电路等多种不同功能模块的异构集成，相对于下一代器件技术成本也有所降低。因此，基于硅通孔的三维集成电路成为业界公认集成电路技术的未来发展方向，也是摩尔定律持续有效的有力保证。
[0003]但是，在硅通孔的制作过程中，硅通孔和整个半导体衬底需要经历很多次热循环，最后的退火(275°C )和冷却到室温(25°C )过程会给整个结构带来巨大的温度负载(-2500C )。由于金属材料(尤其是铜)和半导体衬底的热膨胀系数不匹配，会在硅通孔周围的硅衬底内引入很大的热应力，从而影响载流子迁移率和器件性能以及可靠性。另一方面，随着集成度的不断提高，硅通孔密度大幅度增加，信号通道之间的耦合、串扰也随之增加；随着三维集成电路工作频率的提高，尤其是工作在毫米波甚至亚毫米波段时，硅通孔自身寄生参量影响足以淹没整个信号传输，严重影响信号通道的信号完整性。
[0004]目前已有的硅通孔结构可以分为圆柱型硅通孔、锥型硅通孔、环型硅通孔和同轴硅通孔四种类型，其中圆柱型硅通孔、锥型硅通孔和环型硅通孔由于结构上的限制，并不具备屏蔽信号噪声的功能，只适用于低频的情况；而同轴硅通孔由于外层接地金属环的存在，因而具有优越的高频电传输特性，却因为金属所占比重偏大而在周围半导体衬底中引入较大的热应力。
[0005]因此，针对上述问题，有必要提出一种兼具良好热机械性能和高频信号完整性的硅通孔结构。
【发明内容】
[0006]发明目的:本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的第一个目的为提供了一种双环硅通孔结构。本发明的第二个目的为提供了一种双环硅通孔的制备方法。双环硅通孔在减少热应力提高热机械性能的同时，保证优越的高频信号完整性。
[0007]技术方案:一种双环娃通孔结构，从外向内依次为半导体衬体、第一介质层、第一金属环、第二介质层、第二金属环和介质芯层，
[0008]所述第一介质层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种，所述第一介质层的厚度为0.1?I μ m ;
[0009]所述第一金属环的厚度为I?3 μ m ;
[0010]所述第二介质层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种，所述第二介质层的厚度为I?3 μ m ;
[0011]所述第二金属环的厚度为I?3 μ m ;
[0012]所述介质芯层为二氧化硅芯层、氮化硅芯层、氮氧化硅芯层中的一种，所述介质芯层的半径为2?5 μ m。
[0013]作为本发明中一种双环娃通孔结构的一种优选方案:所述半导体衬体为娃衬底。
[0014]作为本发明中一种双环硅通孔结构的一种优选方案:所述第一金属环为铜环或铝环。
[0015]作为本发明中一种双环硅通孔结构的一种优选方案:所述第一金属环接地，其作用为屏蔽噪声信号。
[0016]作为本发明中一种双环硅通孔结构的一种优选方案:所述第二金属环为铜环或铝环。第二金属环用于信号传输，取代了传统同轴硅通孔内部的金属柱，减少了金属所占比重，从而减小硅通孔于周围半导体衬底的热失配，降低了热应力，提高了热机械性能。
[0017]一种双环硅通孔的制造方法，包括:
[0018](I)在半导体衬底上通过反应离子的方式刻蚀通孔，所述通孔孔径为5.1?15 μ m ；
[0019](2)在步骤(I)所述通孔的内表面通过化学气相淀积法制备第一介质层；
[0020](3)在步骤(2)所述第一介质层的表面通过物理气相淀积法制备第一金属环；
[0021](4)在步骤(3)所述第一金属环的表面通过化学气相淀积法制备第二介质层；
[0022](5)在步骤(4)所述第二介质层的表面通过物理气相淀积法制备第二金属环；
[0023](6)在步骤(5)所述第二金属环的表面通过化学气相淀积法制备介质芯层，直至完全填满为止；
[0024](7)在所述半导体衬底和所述硅通孔的上表面进行化学机械抛光，直到所述半导体衬底和所述硅通孔的上表面平整后为止。
[0025]有益效果:本发明的硅通孔结构与其他硅通孔结构相比，有益效果在于:采用外层接地金属环，实现屏蔽噪声信号的作用，达到较高的高频信号完整性；采用内侧金属环取代传统同轴硅通孔内部的金属柱，降低了热应力，提高了热机械性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明公开的一种双环硅通孔的制备流程图；
[0027]图2为本发明公开的一种双环硅通孔结构示意图；
[0028]图3?图9为本发明公开的一种双环硅通孔结构制造过程中的AA’剖面图；
[0029]其中:
[0030]1-半导体衬底2-第一介质层
[0031]3-第一金属环4-第二介质层
[0032]5_第二金属环6_介质芯层
【具体实施方式】
:
[0033]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0034]具体实施例1
[0035]如图1和图3?9所示，一种双环硅通孔的制造方法，包括以下几步:
[0036](I)在半导体衬底I上通过反应离子的方式刻蚀通孔，半导体衬底I为硅衬底，其高度为50 μ m,长度和宽度均为5mm ;通孔孔径为5.1 μ m ;步骤⑴中反应离子刻蚀通孔的工艺条件为:采用氟化物或氯化物气体，在辉光放电中分解出氟原子或氯原子，与表面硅原子反应生成气态产物，达到刻蚀的目的；反应气体压强为15?30帕斯卡，反应气体流量10?40晕升/分钟,射频功率范围200?350瓦。同时,热交换器和娃片背面氦气冷却技术进行温度控制，确保整个硅片在刻蚀过程中的温度均匀，并稳定在150°C左右；
[0037](2)在步骤(I)通孔的内表面通过化学气相淀积法制备第一介质层2，第一介质层2采用二氧化硅材料，其厚度为0.1 μ m，其作用为在半导体衬底I和硅通孔金属之间实现电隔离；步骤(2)中化学气相淀积法采用台阶覆盖性较好的高密度等离子体化学气相淀积或等离子体增强化学气相淀积，其工艺条件为，工艺温度范围300?400°C，射频功率范围400?550瓦，反应气体流速200?300毫升/分钟；等离子体压强为60?133帕斯卡；
[0038](3)在步骤(2)第一介质层2的表面通过物理气相淀积法制备第一金属环3，第一金属环3采用铜材料，其厚度为I μ m ;第一金属环3接地，用于屏蔽噪声干扰，以在高频情况下得到较好的信号完整性；步骤(3)中物理气相淀积法采用离子化物理气相淀积，其工艺条件为，温度范围230?300°C，射频偏压发生器操作频率为I?100兆赫兹，惰性气体压力为4?17帕斯卡，反应性气体分压为O?7帕斯卡；
[0039](4)在步骤(3)第一金属环3的表面通过化学气相淀积法制备第二介质层4，第二介质层4用于隔离两层金属环；步骤(4)的工艺条件与步骤(2)的工艺条件相同；
[0040](5)在步骤(4)第二介质层4的表面通过物理气相淀积法制备第二金属环5，第二金属环5采用铜材料，其厚度为Ιμπι，其用于传输信号，实现三维集成电路功能；步骤(5)的工艺条件与步骤(3)的工艺条件相同；
[0041](6)在步骤(5)第二金属环5的表面通过化学气相淀积法制备介质芯层6，直至完全填满为止，介质芯层6采用二氧化硅材料，其厚度为2 μ m ;介质芯层6取代传统同轴硅通孔的金属部分，减小硅通孔引入的热应力，以提高整个硅通孔的热机械性能；步骤出)的工艺条件与步骤(2)的工艺条件相同；
[0042](7)在半导体衬底I和硅通孔的上表面进行化学机械抛光，直到半导体衬底I和硅通孔的上表面平整后为止(图未示)；化学机械抛光分为粗抛光、细抛光和精抛光三个步骤，其中:
[0043]粗抛光的抛光条件为:抛光温度:28?33°C、抛光液pH值为:10.5?11.0 ;
[0044]细抛光的抛光条件为:抛光温度:28?32°C、抛光液pH值为:10.5?11.0 ;
[0045]精抛光的抛光条件为:抛光温度:26?30°C、抛光液pH值为:9.0?10.5。
[0046]本发明提出的一种兼具良好热机械性能和高频信号完整性的硅通孔结构，如图2所示，从内向外依次包括半导体衬体、第一介质层2、第一金属环3、第二介质层4、第二金属环5和介质芯层6,其中AA’表不一条剖面线。
[0047]综上所述，本发明采用第二金属环5取代传统金属柱进行信号传输，改善了热机械性能；第一金属环3接地起到屏蔽噪声的作用，改善了高频信号完整性。
[0048]本发明的硅通孔结构具有良好热机械性能，有以下数据为证:
[0049]在本实施例中，双环硅通孔在周围半导体衬底I中所引入的最大热应力为312MPa，比总半径为5.1 μ m同样材料填充的传统同轴硅通孔减小了 74MPa，比同样半径同样填充材料的传统圆柱型硅通孔减小了 147MPa，由于热应力过大所导致的不可制作器件的区域(阻止区)为7.2 μ m，比同轴硅通孔减小了 1.6ym(22.2% )，比圆柱型硅通孔减小了
2.4μπι(33.3% )。
[0050]本发明的硅通孔结构拥有较高的频信号完整性，有以下数据为证:
[0051]在本实施例中，双环硅通孔传输系数(S21)在工作频率为5GHz时比总半径为
5.1ym同样材料填充的传统圆柱型硅通孔提高了 93%，在工作频率为20GHz提高了 60%。
[0052]具体实施例2
[0053]制备过程与具体实施例1大致相同，区别在于步骤⑴中通孔孔径为15 μ m ;
[0054]一种双环硅通孔结构，从外向内依次为半导体衬体、第一介质层2、第一金属环3、第二介质层4、第二金属环5和介质芯层6,
[0055]第一介质层2为氮化娃层,第一介质层2的厚度为Iym;
[0056]第一金属环3的厚度为3 μ m ;
[0057]第二介质层4为氮化硅层，第二介质层4的厚度为3 μ m ;
[0058]第二金属环5的厚度为3 μ m ;
[0059]介质芯层6为氮化娃芯层,介质芯层6的半径为5 μ m。
[0060]本实施例中，半导体衬体为硅衬底。
[0061]本实施例中，第一金属环3为铝环。
[0062]本实施例中，第一金属环3接地，其作用为屏蔽噪声信号。
[0063]本实施例中，第二金属环5为招环。第二金属环5用于信号传输,取代了传统同轴硅通孔内部的金属柱，减少了金属所占比重，从而减小硅通孔于周围半导体衬底I的热失配，降低了热应力，提高了热机械性能。
[0064]具体实施例3
[0065]制备过程与具体实施例1大致相同，区别在于步骤⑴中通孔孔径为9.5 μ m ;
[0066]—种双环娃通孔结构，从外向内依次为半导体衬体、第一介质层2、第一金属环3、第二介质层4、第二金属环5和介质芯层6,
[0067]第一介质层2为氮氧化娃层,第一介质层2的厚度为0.5 μ m ;
[0068]第一金属环3的厚度为2 μ m ;
[0069]第二介质层4为氮氧化硅层，第二介质层4的厚度为2 μ m ;
[0070]第二金属环5的厚度为2 μ m ;
[0071]介质芯层6为氮氧化娃芯层,介质芯层6的半径为3 μ m。
[0072]本实施例中，半导体衬体为硅衬底。
[0073]本实施例中，第一金属环3为铝环。
[0074]本实施例中，第一金属环3接地，其作用为屏蔽噪声信号。
[0075]本实施例中，第二金属环5为招环。第二金属环5用于信号传输,取代了传统同轴硅通孔内部的金属柱，减少了金属所占比重，从而减小硅通孔于周围半导体衬底I的热失配，降低了热应力，提高了热机械性能。
[0076] 上述仅为本发明的优选实施例而已，并非用以限制本发明的专利保护范围。任何所属【技术领域】的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种双环娃通孔结构，其特征在于，从外向内依次为半导体衬体、第一介质层、第一金属环、第二介质层、第二金属环和介质芯层， 所述第一介质层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种，所述第一介质层的厚度为0.1?I μ m ; 所述第一金属环的厚度为I?3 μ m ; 所述第二介质层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种，所述第二介质层的厚度为I?3 μ m ; 所述第二金属环的厚度为I?3 μ m ; 所述介质芯层为二氧化娃芯层、氮化娃芯层、氮氧化娃芯层中的一种，所述介质芯层的半径为2?5 μ m。
2.如权利要求1所述的一种双环硅通孔结构，其特征在于，所述半导体衬体为硅衬底。
3.如权利要求1所述的一种双环硅通孔结构，其特征在于，所述第一金属环为铜环或铝环。
4.如权利要求1所述的一种双环硅通孔结构，其特征在于，所述第一金属环接地。
5.如权利要求1所述的一种双环硅通孔结构，其特征在于，所述第二金属环为铜环或铝环。
6.一种如权利要求1?5所述的双环硅通孔的制造方法，包括以下步骤:(1)在半导体衬底上通过反应离子的方式刻蚀通孔，所述通孔孔径为5.1?15μπι; (2)在步骤(I)所述通孔的内表面通过化学气相淀积法制备第一介质层； (3)在步骤(2)所述第一介质层的表面通过物理气相淀积法制备第一金属环； (4)在步骤(3)所述第一金属环的表面通过化学气相淀积法制备第二介质层； (5)在步骤(4)所述第二介质层的表面通过物理气相淀积法制备第二金属环； (6)在步骤(5)所述第二金属环的表面通过化学气相淀积法制备介质芯层，直至完全填满为止； (7)在所述半导体衬底和所述硅通孔的上表面进行化学机械抛光，直到所述半导体衬底和所述硅通孔的上表面平整后为止。
【文档编号】H01L21/768GK104201165SQ201410468354
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】王凤娟, 余宁梅 申请人:西安理工大学