[发明专利]一种具有通孔的半导体结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体结构制造领域，尤其涉及一种具有通孔的半导体结构及其制造方法。

背景技术

基于硅通孔(Through Silicon Via，TSV)互连的三维集成技术可以提供垂直方向的电学信号互连，降低连线的寄生参数，提高系统的工作速度，降低功耗。另外，它还可以提供高密度的封装形式，减小微电子系统的面积、体积和重量，在便携式设备或对面积、体积和重量有苛刻要求的领域有广泛的应用前景。硅通孔结构的制作工艺，包括硅通孔刻蚀、硅通孔侧壁绝缘层淀积、硅通孔填充以及凸点制作等步骤，各工艺步骤间的顺序可以根据应用场合的不同加以调整，形成多种硅通孔结构的制作工艺路线。

传统的硅通孔结构为实心柱形，具有较高的深宽比，所填充的材料一般为金属铜，其具有较好的散热效果，同时其直流电阻较小，在叠层芯片之间传递电源、地信号，可以有效地改善IR压降、地弹噪声等电源完整性问题，提高可靠性；然而，另一方面，由于硅通孔填充的金属材料与衬底硅的热膨胀系数相差较大，以铜和硅为例，其热膨胀系数分别是铜17×10^-6/℃，硅2.6×10^-6/℃，会导致整个器件翘曲变形，甚至在硅通孔的侧壁绝缘层或是其他材料层上出现断裂，导致器件失效。

另一种较有潜力的硅通孔结构是环形硅通孔，金属材料只是部分的填充硅通孔，在其侧壁形成环状，在硅通孔的中间部分再填充聚合物等绝缘材料。通过选择合适的中间绝缘材料，可以有效地改善硅通孔结构的应力，以及金属材料与硅衬底热膨胀系数不匹配导致的翘曲变形等问题。但是，环形通孔由于其金属环较薄，在高频RF/微波方面，由于趋肤效应的存在，电流只集中在邻近导体表面的很薄的一层，具有较大的直流电阻，用于三维堆叠系统中尤其是电源/地信号的传输时，其较大的寄生电阻会导致较严重的IR压降，对于系统的电源完整性不利。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有通孔的半导体结构，既可保证叠层芯片之间良好的电源完整性和散热性，又可以有效地改善通孔结构的应力以及翘曲变形等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有通孔的半导体结构，该半导体结构包括衬底、多个环形通孔和多个实心通孔，其中：

所述衬底具有相对的第一表面和第二表面；

所述环形通孔和实心通孔嵌于所述衬底中，并沿垂直于所述第一表面和第二表面的方向贯穿所述衬底；

所述实心通孔，是由金属填充的通孔；

所述环形通孔，是由实心介质塞和环绕实心介质塞的金属环填充的通孔。

可选地，所述实心通孔的金属和衬底之间，以及所述环形通孔的金属环和衬底之间，具有与衬底相接的绝缘层和阻挡层，阻挡层位于绝缘层外侧。即阻挡层环绕所述金属塞、金属环。

所述半导体结构包括重新布线层(RDL)和金属凸点，重新布线层位于衬底第一表面上，与实心通孔或环形通孔电连接，金属凸点位于重新布线层上，与重新布线层电连接。

所述半导体结构包括辅助晶圆，辅助晶圆键合在衬底第一表面。

所述衬底为裸片或衬底的第一表面和/或第二表面上具有下列结构中的一种或多种：半导体器件、电学互连层、微传感器结构、焊盘和钝化层。

所述衬底为半导体材料、金属材料或绝缘材料中的一种或几种的组合。所述半导体材料为硅、锗、砷化镓、磷化铟、氮化镓或碳化硅；金属材料为钛、钼、镍、铬或前述金属的合金；绝缘材料为玻璃或石英。

所述实心金属塞和金属环的材料选自下列集合中的一种或几种：铜、金、银、铂、镍、钨、铝和前述金属的合金。

所述实心介质塞的材料选自下列集合中的一种或几种：氧化硅、氮化硅、氧化铝，聚酰亚胺、聚对二甲苯和聚苯并丁烯。

相应地，本发明还提供了一种制造该具有通孔的半导体结构的方法，包括：

a)在所述衬底的第一表面上刻蚀出多个深孔；

b)在所述衬底的第一表面和所述深孔中形成金属层；

c)在所述衬底第一表面上粘附一层干膜，图形化所述干膜，使干膜在一部分深孔上形成开口；

d)向干膜上有开口的的深孔填充金属，形成实心金属塞，去掉所述干膜；

e)向剩余深孔中填充介质，形成实心介质塞；

f)对所述衬底的第二表面进行减薄，露出深孔的底部。这样，衬底上就形成实心通孔和环形通孔。

所述刻蚀深孔的方法为：

A、首先在所述衬底第一表面上形成一层掩膜层，对所述掩膜层进行图形化，形成多个开口。

B、随后按照掩膜层上的开口对衬底进行刻蚀，刻蚀出多个深孔。