[發(fā)明專利]一種具有通孔的半導體結構及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110128047.2
• 申請日: 2011-05-17
• 公開（公告）號: CN102214624A
• 公開（公告）日: 2011-10-12
• 發(fā)明（設計）人: 孫新;馬盛林;朱韞暉;金玉豐;繆旻;陳兢
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01L23/48
• 分類號: H01L23/48;H01L21/768
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術領域

本發(fā)明涉及半導體結構制造領域，尤其涉及一種具有通孔的半導體結構及其制造方法。

背景技術

基于硅通孔(Through?Silicon?Via，TSV)互連的三維集成技術可以提供垂直方向的電學信號互連，降低連線的寄生參數(shù)，提高系統(tǒng)的工作速度，降低功耗。另外，它還可以提供高密度的封裝形式，減小微電子系統(tǒng)的面積、體積和重量，在便攜式設備或對面積、體積和重量有苛刻要求的領域有廣泛的應用前景。硅通孔結構的制作工藝，包括硅通孔刻蝕、硅通孔側壁絕緣層淀積、硅通孔填充以及凸點制作等步驟，各工藝步驟間的順序可以根據(jù)應用場合的不同加以調(diào)整，形成多種硅通孔結構的制作工藝路線。

傳統(tǒng)的硅通孔結構為實心柱形，具有較高的深寬比，所填充的材料一般為金屬銅，其具有較好的散熱效果，同時其直流電阻較小，在疊層芯片之間傳遞電源、地信號，可以有效地改善IR壓降、地彈噪聲等電源完整性問題，提高可靠性；然而，另一方面，由于硅通孔填充的金屬材料與襯底硅的熱膨脹系數(shù)相差較大，以銅和硅為例，其熱膨脹系數(shù)分別是銅17×10^-6/℃，硅2.6×10^-6/℃，會導致整個器件翹曲變形，甚至在硅通孔的側壁絕緣層或是其他材料層上出現(xiàn)斷裂，導致器件失效。

另一種較有潛力的硅通孔結構是環(huán)形硅通孔，金屬材料只是部分的填充硅通孔，在其側壁形成環(huán)狀，在硅通孔的中間部分再填充聚合物等絕緣材料。通過選擇合適的中間絕緣材料，可以有效地改善硅通孔結構的應力，以及金屬材料與硅襯底熱膨脹系數(shù)不匹配導致的翹曲變形等問題。但是，環(huán)形通孔由于其金屬環(huán)較薄，在高頻RF/微波方面，由于趨膚效應的存在，電流只集中在鄰近導體表面的很薄的一層，具有較大的直流電阻，用于三維堆疊系統(tǒng)中尤其是電源/地信號的傳輸時，其較大的寄生電阻會導致較嚴重的IR壓降，對于系統(tǒng)的電源完整性不利。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有通孔的半導體結構，既可保證疊層芯片之間良好的電源完整性和散熱性，又可以有效地改善通孔結構的應力以及翹曲變形等問題。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種具有通孔的半導體結構，該半導體結構包括襯底、多個環(huán)形通孔和多個實心通孔，其中：

所述襯底具有相對的第一表面和第二表面；

所述環(huán)形通孔和實心通孔嵌于所述襯底中，并沿垂直于所述第一表面和第二表面的方向貫穿所述襯底；

所述實心通孔，是由金屬填充的通孔；

所述環(huán)形通孔，是由實心介質(zhì)塞和環(huán)繞實心介質(zhì)塞的金屬環(huán)填充的通孔。

可選地，所述實心通孔的金屬和襯底之間，以及所述環(huán)形通孔的金屬環(huán)和襯底之間，具有與襯底相接的絕緣層和阻擋層，阻擋層位于絕緣層外側。即阻擋層環(huán)繞所述金屬塞、金屬環(huán)。

所述半導體結構包括重新布線層(RDL)和金屬凸點，重新布線層位于襯底第一表面上，與實心通孔或環(huán)形通孔電連接，金屬凸點位于重新布線層上，與重新布線層電連接。

所述半導體結構包括輔助晶圓，輔助晶圓鍵合在襯底第一表面。

所述襯底為裸片或襯底的第一表面和/或第二表面上具有下列結構中的一種或多種：半導體器件、電學互連層、微傳感器結構、焊盤和鈍化層。

所述襯底為半導體材料、金屬材料或絕緣材料中的一種或幾種的組合。所述半導體材料為硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵或碳化硅；金屬材料為鈦、鉬、鎳、鉻或前述金屬的合金；絕緣材料為玻璃或石英。

所述實心金屬塞和金屬環(huán)的材料選自下列集合中的一種或幾種：銅、金、銀、鉑、鎳、鎢、鋁和前述金屬的合金。

所述實心介質(zhì)塞的材料選自下列集合中的一種或幾種：氧化硅、氮化硅、氧化鋁，聚酰亞胺、聚對二甲苯和聚苯并丁烯。

相應地，本發(fā)明還提供了一種制造該具有通孔的半導體結構的方法，包括：

a)在所述襯底的第一表面上刻蝕出多個深孔；

b)在所述襯底的第一表面和所述深孔中形成金屬層；

c)在所述襯底第一表面上粘附一層干膜，圖形化所述干膜，使干膜在一部分深孔上形成開口；

d)向干膜上有開口的的深孔填充金屬，形成實心金屬塞，去掉所述干膜；

e)向剩余深孔中填充介質(zhì)，形成實心介質(zhì)塞；

f)對所述襯底的第二表面進行減薄，露出深孔的底部。這樣，襯底上就形成實心通孔和環(huán)形通孔。

所述刻蝕深孔的方法為：

A、首先在所述襯底第一表面上形成一層掩膜層，對所述掩膜層進行圖形化，形成多個開口。

B、隨后按照掩膜層上的開口對襯底進行刻蝕，刻蝕出多個深孔。