[发明专利]一种通孔结构的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种通孔结构的制作方法。

背景技术

器件的小型化、功能集成化以及器件性能的改善和功耗的降低等需求加快了集成电路向三维方向发展。为达到减小硅片使用面积、提高硅利用率并缩短互连长度的目的，封装技术从二维结构转到三维堆叠（引线、焊球和微通孔），再又转到通孔互连的三维集成电路。

通孔技术与常规封装技术相比，其制作可以集成到制造工艺的不同阶段，目前通孔工艺有三种典型工艺: 通孔优先(Via-First)、通孔居中(Via-Middle)、通孔最后(Via-Las)。通孔优先是指硅片投入之后立刻进行通孔的光刻、刻蚀金属化和化学机械研磨等过程；通孔居中,是指在硅化合物之后形成的；通孔最后,一般是指互连全都完成之后形成的，在封装阶段实现通孔工艺。前两种方案都可以在代工厂前端金属互连之前进行，而第三种方案（通孔最后方案）目前在微处理器等高性能器件领域研究较多，主要作为系统及芯片（SoC）的替代方案。第三种方案的明显优势是可以不改变现有集成电路流程和设计。封装厂对此方案比较感兴趣。部分厂商已开始在高端的非挥发存储器和动态存储器领域采用Via-last技术，即在芯片的周边进行通孔，然后进行芯片或晶圆的层叠。

常规的通孔结构的制作步骤为：在衬底上刻蚀形成通孔结构，在通孔结构表面依次淀积介质层、阻挡层和籽晶层，然后通过铜电镀填充通孔结构，最后对通孔结构外部的表面区域的铜进行化学机械研磨。

在上述制备过程中，铜电镀是一个关键的步骤，也是需要攻克的技术难题。填充铜的覆盖率直接影响到器件的性能。由于通孔结构刻蚀的深度一般在5-10um，是半导体工艺的孔刻蚀深度的10倍以上，这使得通孔结构具有很大的深宽比，要实现无缝金属填充是具有挑战性的。对于大深宽比的通孔工艺，铜电镀与传统的铜互连工艺相差很大。通孔结构的铜电镀工艺中，铜生长是从底部向上生长的。铜电镀的填隙能力受到前序淀积层的覆盖率和铜生长速率的影响。常规情况下，可以使用各种添加剂来配合电镀铜的生长，比如，在通孔底部有加速剂，从而加快底部向上生长的速度，在通孔顶部和侧壁有抑制剂和平整剂，从而减慢侧壁和顶部的生长速度。因此，如果铜电镀的过程中铜的生长可以利用添加剂来调控，那么铜电镀的成败很大程度受前序工艺影响，急需找到能够提高铜电镀填隙能力的解决方法。

为提高铜电镀填隙能力和实现无缝填充，要求前序淀积介质层、阻挡层和籽晶层具有高的台阶覆盖率，如果通孔内部覆盖不良，会造成电镀不良，严重影响器件性能。然而，通孔结构顶部处的接触角大，从而导致介质层、阻挡层、籽晶层的淀积速率相对底部和侧壁淀积速率大，容易在通孔顶端形成薄膜材料堆积(cusping)，严重影响后续的铜电镀填充过程。

在美国专利 US7564115B2中提出了一种底部倾斜的TSV结构，但这种底部倾斜TSV结构在集成中底部倾斜的角度和深度较难控制，并且对TSV的电性能有一定的影响。

因此，需要一种通孔结构的制作方法，能够有效避免介质层、阻挡层和籽晶层淀积过程中形成的cusping对后续的电镀工艺的影响，从而提高电镀填充能力。

发明内容

本发明的主要目的为，针对上述问题，提出一种通孔结构的制作方法,该方法与传统工艺相比具有更大的铜电镀工艺窗口，避免cusping的形成对后续铜电镀造成的影响，即增加了后续铜电镀工艺的填隙能力，有利于制备高性能器件。

为达到上述目的，本发明提供一种通孔结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤S01：在衬底上形成通孔结构；

步骤S02：对所述的通孔结构进行圆化处理，增大所述的通孔结构顶部的开口面积，形成圆化通孔结构；

步骤S03：在所述的圆化通孔结构的内部依次淀积介质层、阻挡层和籽晶层；

步骤S04：在所述的圆化通孔结构内部填充铜。

优选地，所述的通孔结构的直径为5-10μm,所述的通孔结构的深度为50-100μm。

优选地，所述的步骤S02中的圆化处理，是采用物理轰击的方法对所述的通孔结构的顶部区域进行刻蚀，形成所述圆化通孔结构。

优选地，所述圆化通孔结构的顶部的刻蚀宽度为所述通孔结构的通孔直径的5%-8%，其中所述的刻蚀宽度为从所述通孔结构顶部的通孔边界到所述圆化通孔结构顶部的通孔边界的距离。

优选地，所述的圆化处理是在物理气相沉积刻蚀腔内进行的。