用于穿硅通路金屬化的粘合層的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及用于穿硅通路金屬化的粘合層。為了實(shí)現(xiàn)上述目的并且本發(fā)明目的，提供了一種用于在硅晶片中形成銅填充穿硅通路特征的方法。在硅上蝕刻穿硅通路。在穿硅通路內(nèi)形成絕緣層。在穿硅通路內(nèi)形成阻擋層。在阻擋層上沉積無(wú)氧硅、鍺、硅鍺粘合層。在粘合層上沉積種子層，然后晶片經(jīng)過(guò)退火。用銅和銅合金填滿(mǎn)特征。使堆層退火。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于穿硅通路金屬化的粘合層

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于在半導(dǎo)體晶片上形成半導(dǎo)體器件的方法。更具體地講，本發(fā) 明涉及形成通路金屬化。

【背景技術(shù)】
[0002] 包括穿硅（Si)通路的硅半導(dǎo)體用于從成像產(chǎn)品和存儲(chǔ)器到高速邏輯和高電壓器 件產(chǎn)品的各種技術(shù)。嚴(yán)重依賴(lài)于形成為穿過(guò)硅半導(dǎo)體晶片的通路的一種技術(shù)是三維（3D) 集成電路（1C)。三維1C是通過(guò)堆疊減薄的半導(dǎo)體晶片芯片并且使用穿硅通路（TSV)使它 們互連而形成的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的并且根據(jù)本發(fā)明的目的，提供了一種用于在硅晶片中形成銅填 充的穿娃通路（through silicon via)特征的方法。在晶片中蝕刻穿娃通路。絕緣層形成 在穿娃通路中。阻擋層（barrier layer)形成在穿娃通路中。無(wú)氧娃、鍺或娃鍺粘合層沉 積在阻擋層上。種子層沉積在粘合層上。這個(gè)步驟之后是退火。所述特征用銅或銅合金填 充并且經(jīng)歷第二次退火。
[0004] 在本發(fā)明的另一個(gè)表現(xiàn)形式中，提供了用于在硅層中形成銅填充特征的方法。阻 擋層在硅層的特征中形成。硅、鍺或硅鍺粘合層沉積在阻擋層上。種子層沉積在粘合層上。 這些特征用銅或銅合金填充，并且晶片經(jīng)歷退火。
[0005] 以下將在本發(fā)明的詳細(xì)描述中并且結(jié)合以下附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和 其他特征。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006] 在附圖的視圖中通過(guò)舉例方式而非限制方式來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，并且其中相同的附圖 標(biāo)記指代相似的元件，并且其中：
[0007] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式的流程圖。
[0008] 圖2A至圖2G是使用本發(fā)明的工藝形成的結(jié)構(gòu)的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0009] 現(xiàn)在參照如附圖所示的本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明。在以下描 述中闡述了諸多具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)明白，本 發(fā)明在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)中的一些或所有的情況下。在其他情況下沒(méi)有詳細(xì)描述公知的工 藝步驟和/或結(jié)構(gòu)，以免不必要地使本發(fā)明難以理解。
[0010] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式的高階流程圖。提供了穿硅通路（步驟104)。（最普通 的二氧化硅或二氧化硅基）絕緣層形成在穿硅通路上（步驟108)。阻擋層形成在硅通路上 (步驟112)。粘合層形成在阻擋層上（步驟116)。種子層形成在粘合層上（步驟120)，然 后使晶片退火（124)。穿硅通路被填充（步驟128)。使堆層退火（步驟132)。使堆層平坦 化（步驟136)。
[0011] 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，提供了襯底上的穿硅通路（步驟104)。圖2A是具有 襯底204的堆層200的示意性剖視圖，該襯底204具有穿硅通路208。穿硅通路208可以完 全穿過(guò)硅襯底204或者部分穿過(guò)硅襯底204。通常，如果穿硅通路208沒(méi)有完全穿過(guò)硅襯 底204,那么隨后的工藝用來(lái)去除穿硅通路208沒(méi)有穿過(guò)的這部分硅襯底204,使得穿硅通 路208穿過(guò)剩余的襯底204。優(yōu)選地，穿硅通路208具有小于15 iim的寬度。更優(yōu)選地，穿 硅通路208具有大于8:1的深寬比。優(yōu)選地，穿硅通路208具有大于5 y m的深度。
[0012] 絕緣層形成在穿硅通路上（步驟108)。圖2B是在絕緣層212形成在穿硅通路208 上之后的堆層200的示意性剖視圖。氧化硅（最常用的電介質(zhì)）可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積 (CVD)或原子層沉積（ALD)工藝沉積或者在氧化氣氛中從硅上熱生長(zhǎng)以形成絕緣層212。
[0013] 阻擋層形成在通路上（步驟112)。圖2C是在阻擋層216形成在絕緣層212上之 后的堆層200的示意性剖視圖。優(yōu)選地，阻擋層216包括氮化鎢、TiN、TiW、TiSN、WSiN或 RuTiN中的至少一種。更優(yōu)選地，阻擋層216包括重量百分比大于10%的鎢。阻擋層216還 可以通過(guò)物理氣相沉積（PVD)、CVD或ALD工藝來(lái)沉積，但后兩者是優(yōu)選的，因?yàn)镃VD和ALD 在非常高的深寬比通路（>17:1)中提供均勻電鍍，從而可以提供層的更高的均勻度。在其 他實(shí)施方式中，阻擋層216包括W、Ti、Ta、N、Si、0或C中的一種或多種的組合。
[0014] 粘合層形成在阻擋層上（步驟116)。優(yōu)選地，粘合層通過(guò)無(wú)電沉積（ELD)、原子層 沉積（ALD)或化學(xué)氣相沉積（CVD)工藝沉積硅、鍺或硅鍺（SiGe)層來(lái)形成。這種粘合層 可以通過(guò)使用SiH 4、GeH4或其他含氫的硅和/或鍺的化合物來(lái)形成。這種層的厚度可以在 20 A至500 A的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在50人至100人的范圍內(nèi)。圖2D是在粘合層220形成 在阻擋層216上之后的堆層200的示意性剖視圖。
[0015] 種子層形成在粘合層上（步驟120)。在此實(shí)施方式中，種子層通過(guò)無(wú)電沉積（ELD) 或電鍍（ECP)形成。在種子層沉積的實(shí)例中，ELD溶液的pH在4. 0與12. 5之間，并且更優(yōu) 選地在7. 5與10. 5之間。沉積在室溫至95°C之間，并且更優(yōu)選地在65°C至85°C之間完成 沉積。溶液包含至少一種或多種金屬化合物（例如但不限于金屬的氯鹽或硫酸鹽）、也可 以充當(dāng)絡(luò)合劑的pH調(diào)節(jié)劑、額外的絡(luò)合劑（如有需要）以及一種或多種還原劑。無(wú)電電鍍 溶液還可以包含其他添加劑，例如，表面活性劑、穩(wěn)定劑、應(yīng)力減少劑等。圖2E是在種子層 224形成在粘合層220上之后的堆層200的示意性剖視圖。
[0016] 晶片在種子層形成在粘合層上之后進(jìn)行退火。在此實(shí)施方式中，在150°C至450°C 的溫度范圍內(nèi)退火1分鐘至60分鐘。更具體地講，在250°C至400°C的溫度范圍內(nèi)退火5 分鐘至30分鐘。
[0017] 然后填充通路（步驟128)。在填充工藝的實(shí)例中，用于填充的電鍍銅或銅合金溶 液是酸性溶液并且在15°C至90°C之間的溫度工作，并且更優(yōu)選地在20°C至45°C之間的溫 度工作。溶液包含至少一種或多種金屬化合物（例如但不限于金屬的氯鹽或硫酸鹽）、pH 調(diào)節(jié)劑以及選自提供自底向上填充的抑制劑、加速劑和整平劑的組的必要添加劑。圖2F是 在通路填滿(mǎn)銅或銅合金填充物228之后的堆層200的示意性剖視圖。在其他實(shí)施方式中， ELD、化學(xué)氣相沉積（CVD)或原子層沉積（ALD)可以用于提供銅或銅合金填充物228。
[0018] 堆層200進(jìn)行另一次退火（步驟132)。在此實(shí)施方式中，在150°C至450°C的溫度 退火1分鐘至60分鐘。更具體地講，在250°C至400°C的溫度退火5分鐘至30分鐘。
[0019] 然后使堆層200平坦化（步驟136)。在此實(shí)施方式中，穿硅通路208 (現(xiàn)場(chǎng)）之外 的銅或銅合金填充物228的厚度小于8000A。平坦化工藝可以用于平坦化堆層200以去除 穿硅通路208上方的銅或銅合金填充物228、種子層224、粘合層220、阻擋層216和絕緣層 212?；瘜W(xué)機(jī)械拋光（CMP)是這種平坦化工藝的實(shí)例。圖2G是在堆層200用CMP工藝進(jìn)行 平坦化之后的堆層200的示意性剖視圖。
[0020] 本發(fā)明的實(shí)施方式允許以減少的成本填充穿硅通路。此外，甚至當(dāng)TSV的深寬比 是20 :1或更高時(shí)，各種實(shí)施方式也可以提供均勻的阻擋層。
[0021] 本發(fā)明的其他實(shí)施方式可以提供額外的內(nèi)襯、阻擋層或種子層。實(shí)施方式可以使 用Co或Ni合金的ELD阻擋層，其中合金元素優(yōu)選地包括Co、Ni、Fe、W、Mo、P、B、Re、Mn、Cr、 Ge、Sn、In、Ga或Cu。本發(fā)明的實(shí)施方式使用包含Co、Ni或Cu合金的無(wú)電內(nèi)襯或種子層， 其中合金元素優(yōu)選地包括Co、Ni、Fe、W、Mo、P、B、Re、Mn、Cr、Ge、Sn、In、或Ga。在其他實(shí)施 方式中，電鍍種子可以是在用于填充TSV結(jié)構(gòu)的常規(guī)的酸性電鍍?nèi)芤褐芯哂械腿芙舛鹊慕?屬或金屬合金。例如，種子可以是銅或銅合金，但是不限于CuNi、CuCo、CuMn、CuSn和CuAg， 但是可以是其他的金屬合金組合，例如，Ni、NiCo、Pd、Ru等。這允許電鍍層與電鍍種子幾乎 相同。
[0022] 在其他實(shí)施方式中，在填充通路（128)之前沒(méi)有退火的情況下，在填充通路（步驟 128)之后可以進(jìn)行單次退火。這種退火可用于促進(jìn)粘合層220與種子層224之間的互擴(kuò)散 并且生長(zhǎng)銅或銅合金填充的晶粒。
[0023] 硅、鍺或硅鍺等粘合層不是絕緣層，并且因此優(yōu)選地不含氧，因?yàn)檠趸枋墙^緣 體。更具體地，如果粘合層是硅，就是純硅，或者如果粘合層是鍺，就是純鍺，或者如果粘合 層是硅鍺，就是純硅鍺，但也可以使用注入硅或注入鍺（在這種情況下注入濃度小于1% )。 娃和鍺能運(yùn)動(dòng)到銅內(nèi)。娃、鍺或娃鍺粘合層在退火中能運(yùn)動(dòng)到銅中以提高粘合性。
[0024] 其他的實(shí)施方式可以填充不是穿硅通路的深特征。然而，優(yōu)選地，這些特征應(yīng)當(dāng)足 夠?qū)捛易銐蛏钜赃m應(yīng)各種層。
[0025] 盡管就幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但是存在落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的替代方 式、置換和各種替代等同方案。還應(yīng)當(dāng)注意，實(shí)施本發(fā)明的方法和設(shè)備有許多替代方式。因 此其目的是以下所附權(quán)利要求書(shū)應(yīng)當(dāng)被理解成包括落入本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的所 有這些替代方式、置換和各種替代等同方案。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于在硅晶片中形成銅填充的穿硅通路特征的方法，其包括： 在所述晶片中蝕刻芽娃通路； 在所述穿硅通路中形成絕緣層； 在所述穿硅通路中形成阻擋層； 在所述阻擋層上沉積無(wú)氧硅、鍺或硅鍺粘合層； 在所述粘合層上沉積種子層； 使堆層退火； 使用銅和銅合金填充所述特征；并且 使所述堆層退火。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括對(duì)所述硅晶片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述特征是穿硅通路特征。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述硅層中蝕刻特征。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述粘合層不含氧。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述退火在填充所述特征之后執(zhí)行。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述退火之后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述退火在沉積所述種子層之后并且在填充所述 特征之前執(zhí)行。
9. 一種用于在硅層中形成銅填充特征的方法，其包括： 在所述硅層的特征中形成阻擋層； 在所述阻擋層上沉積硅、鍺或硅鍺粘合層； 在所述粘合層上沉積種子層； 用銅或銅合金填充所述特征；并且 使堆層退火。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述用銅或銅合金填充所述特征是無(wú)電沉積工 藝或電鍍工藝。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包括在形成所述阻擋層之前在所述特征內(nèi) 沉積絕緣層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述特征是穿硅通路特征。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述硅層中蝕刻特征。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述粘合層不含氧。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述退火在填充所述特征之后執(zhí)行。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括在所述退火之后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述退火在沉積所述種子層之后并且在填充所 述特征之前執(zhí)行。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括在填充所述特征之后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋 光。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括在填充所述特征之后進(jìn)行第二次退 火。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK104377162SQ201410395895
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月13日
【發(fā)明者】阿爾圖爾·科利奇 申請(qǐng)人:朗姆研究公司