本申请涉及M.A.Bachman、S.M.Merchant和J.Osenbach的,名称为METHOD OF FABRICATION OF THROUGH-SUBSTRATEVIAS(“Bachman等”)的美国专利申请No.12/969,836(档案号L09-0808),并且该专利申请No.12/969,836与本申请一起共同受让,在此通过引用并入该专利申请No.12/969,836的全部内容。
具体实施方式
为了本公开的目的,在此所使用的词语“或”指的是非排他性的或,除非另有说明。
本公开的实施例提高了IC设计的效率。作为单个步骤同时执行以下处理中的至少一个:形成STI开口和形成一局部TSV开口;填充STI和TSV开口。这些步骤中的一个或二者在IC制造中同时处理可以允许在电介质和金属叠层处理之前的共同的图形化、蚀刻、沉积或其他形成工艺中的一个或更多个。进而,与传统的方法相比,这可以通过减少为IC的制造所需的单独的处理步骤或工具的数量而降低成本、时间和资源使用。
本公开的一个实施例是一种制造IC的方法。图1呈现了例示在一种制造方法100的示例实施例中的选择性步骤的流程图。图2-8呈现了根据图1所呈现的示例方法100的在本公开的一种制造示例集成电路200的示例方法中的所选步骤的截面图。
全文继续参照图1,如图2所示,方法100包括提供具有第一面210和相反的第二面215的基板205的步骤105。基板205的示例实施例包括:由硅或其他半导体材料构成的晶片基板、基板管芯(substratedie)、封装基板或中间基板(interposer substrate)。基板205的一些实施例可以具有多个层以促进各种IC元件的高效制造。例如,基板205的一些实施例包括组成层(constituent layer)220。例如,组成层220的一些实施例可以包括由硅(例如,外延形成的晶体硅)构成的单晶层。在其他实施例中,组成层220可以包括绝缘体上硅层,或者多晶硅层或本领域技术人员所熟知的其他材料层。在一些情况下,组成层220可以具有10~20微米的厚度222。本领域技术人员应当意识到,若需要,可以使用其他类型的基板和组成层。
如图3A所示,方法100包括:在基板205的第一面210内形成STI开口302的步骤110;以及在基板205的第一面210内形成局部TSV开口304的步骤115。本领域技术人员应当熟悉根据步骤110、115的用于图形化(例如,通过常规的光刻和掩蔽工艺)以及用于蚀刻(例如,反应离子蚀刻或其他常规的蚀刻工艺)基板205的第一面210以形成开口302、304的过程。
如图3B所示,方法100包括使局部TSV开口304(图3A)延伸的步骤117,其中所延伸的局部TSV开口305比STI开口302更深入基板205之内。本领域技术人员应当熟悉用于另外图形化以及用于蚀刻基板205的第一面210以形成延伸的局部TSV开口305的过程。
同样如图3A-3B所示,STI开口302、局部TSV开口304和延伸的局部TSV开口305都没有穿透基板205的第二面215的外表面306。本领域技术人员应当熟悉用于在方法100中的不同步骤实现开口302、304、305的这种结构的过程。
方法100包括以第一固体材料307填充STI开口302的步骤120,以及以第二固体材料310填充延伸的局部TSV开口305的步骤125。
执行以下处理中的至少任一个:1)STI开口302和局部TSV开口304同时形成(即,步骤110、115作为单个步骤130同时执行);2)STI开口302和延伸的局部TSV开口305被同时填充(即,步骤120、125作为单个步骤135同时执行)。
通过进行同时形成开口302、304(步骤130)和同时填充开口302、305(步骤135)中的一个或两者,在时间、成本或资源效率方面有增益。例如,有时使用相同的蚀刻工具和相同的蚀刻工艺来同时形成这两个不同的开口302、304是有利的。类似地,有时使用相同的沉积工具(或其他形成工具)以及相同的沉积工艺(或其他形成工艺)来以相同的固体材料同时填充这两个不同的类型的开口302、305是有利的。
但是,在一些情况下,可能期望使用不同的过程来形成开口302、304,或者,使用不同的工艺来填充或者使用不同的固体材料来填充开口302、305。
例如,在一些实施例中,在同时形成STI开口302和局部TSV开口304(步骤130)之后,以包括绝缘材料的第一固体材料307从基板205的第一面210填充STI开口302,并且,以包括不同的绝缘材料或导电性材料的第二固体材料310从基板205的第一面210填充延伸的局部TSV开口305。
但是,在其他实施例中,STI开口302和局部TSV开口304在步骤130中同时形成,并且然后,在步骤135中同时填充STI开口302和延伸的局部TSV开口305。在此类情况下,第一固体材料307和第二固体材料310可以包括相似的材料或相同的材料。
在另外一些实施例中,期望使用两种不同的工艺(例如,步骤110和步骤115)来形成STI开口302和局部TSV开口304,例如,使得开口302与局部TSV开口304或延伸的局部TSV开口305相比具有不同的深宽比。例如,延伸的局部TSV开口305的宽度320与深度325之比可以不同于STI开口302的宽度330与深度335之比(例如,在一些实施例中相差至少大约10%或更多)。但是,本领域技术人员应当意识到,使用不同的工艺来形成开口302、304、305并不排除使用单个相同的步骤135来填充开口302、305。
如以上所指出的,在一些情况下,期望使用两种不同的工艺(例如,步骤120,125)来以不同的固体材料307、310分别填充STI开口302和延伸的局部TSV开口305。例如,在一些实施例中,用于填充STI开口302的步骤120可以包括用于以一种或更多种类型的绝缘材料307(例如,在一些情况下,多层不同的绝缘材料)来填充STI开口302的物理气相沉积工艺和化学气相沉积工艺或者其他工艺。在一些实施例中,用于填充延伸的局部TSV开口305的步骤125可以包括用于以导电性材料310填充开口305的物理气相沉积工艺(例如,溅射)和电化学沉积工艺或者其他形成工艺。但是,本领域技术人员应当意识到,使用不同工艺来填充开口302、305(步骤120、125)并不排除使用相同的单个步骤130来形成开口302、304。
图3B示出在STI开口302和延伸的局部TSV开口305被同时填充(步骤135)时的方法100的实施例。在同时填充的这种情况下,第一和第二固体材料307、310优选为绝缘材料。在一些情况下,例如,填充STI开口302的步骤120包括:以包括钝化层312和扩散阻挡层314的绝缘材料310填充开口305。填充延伸的局部TSV开口305的步骤125可以与步骤120相同(即,同时填充步骤135)。层312和层314之一或两者可以位于STI开口302或延伸的局部TSV开口305的内壁上(例如,在一些情况下涂布整个侧壁316和底面318)。在一些情况下,填充延伸的局部TSV开口305的步骤125还包括:以包含例如可以涂布开口305的内壁(例如,侧壁316和底面318)的扩散阻挡层314的绝缘材料310填充开口305。在此类情况下,同样,填充STI开口302的步骤120可以与步骤125相同(即,同时的步骤135),并且因此扩散阻挡层314,例如,涂布STI开口302的内壁。
如图4进一步示出的,在一些情况下,填充延伸的局部TSV开口305的步骤125可以包括:以包含绝缘塞(plug)410的绝缘材料310填充开口305。当填充STI开口302的步骤120还包括以绝缘塞410填充开口302时,则STI开口302和延伸的局部TSV开口305两者可以以相同的绝缘固体材料(例如,第一和第二材料307、310是相同的)填充。
如图4所示,在一些情况下,STI开口302和延伸的局部TSV开口305都以绝缘材料(例如,第一和第二固体材料307、310)填充,该绝缘材料包括以下的一个或更多个:涂布TSV开口和STI开口302的内壁316、318的氧化硅钝化层312;在钝化层312上的氮化硅的扩散阻挡层314;以及电介质材料(例如,在一些情况下为石英玻璃)的绝缘塞410,绝缘塞410接触扩散阻挡层并且分别基本上填满STI开口302和延伸的局部TSV开口305的深度335、325(图3)。
方法100的一些实施例还可以包括在基板205的第一面210上形成至少一个有源或无源电子元件420(图4)的步骤140。本领域技术人员应当熟悉用于制造无源元件(例如,电阻器或电感器)或者有源元件(例如,存储器电路元件(例如,SRAM或DRAM存储器)或逻辑电路元件(例如,CMOS或双CMOS逻辑集成电路))的过程。
如同Bachman等人所进一步解释的,在一些情况下,优选的是在以导电性材料填充延伸的局部TSV开口305之前形成有源或无源元件420,如果这避免使在开口305内的导电性材料暴露于后面的高温工艺(例如,在一些实施例中,温度为大约200℃或更高)。
在一些实施例中,有源或无源电子元件420通过位于两个元件420、425之间的至少一个STI开口302与相邻的有源或无源电子元件425电隔离。在一些实施例中,有源或无源电子元件420通过位于有源或无源电子元件420与相邻的TSV开口305之间的至少一个STI开口302与相邻的延伸的局部TSV开口305电隔离。形成相邻的有源或无源电子元件420、425,使得它们通过STI结构彼此分离或者与相邻的TSV分离,这有助于减少在这些元件之间的交叉串扰和其他电干扰。
方法100的一些实施例还可以包括:以导电层430覆盖在第一面上的延伸的局部TSV开口305的步骤145。本领域技术人员应当熟悉用于在基板205上形成导电层430的过程。作为非限定性的实例,步骤145可以包括形成(例如,溅射)金属(例如,钨、金或铜)的籽晶层,在一些情况下继之以相同金属(例如,铜)的电化学形成。在一些情况下,如图4所示,作为形成导电层430的一部分,首先形成阻挡层435(例如,氮化硅层),然后图形化该阻挡层435以便覆盖延伸的局部TSV开口305。在一些实施例中,在去除开口305内的固体材料310(例如,绝缘材料)之前,或者在以导电性材料填充开口305之前,在步骤145中以导电层430来覆盖第一面的延伸的局部TSV开口305。这种步骤顺序在例如步骤145包括使基板205暴露于高温工艺时可能是有利的。
方法100的一些实施例还包括在基板205的第一面210上形成互连结构440(例如,金属线、通孔和连接焊盘)的步骤150。本领域技术人员应当熟悉用于形成互连结构440的过程。例如,作为步骤150的一部分,一个或更多个层间电介质层450可以形成于第一面210之上以对互连结构440进行支撑和电绝缘。
在一些实施例中,至少一个互连结构440接触覆盖第一面的延伸的局部TSV开口305的导电层430,并且还接触在基板205上的有源或无源元件420。也就是说,互连结构440被配置用于通过导电层430将有源或无源元件420电耦接至TSV结构。但是,在其他实施例中,TSV或其覆盖导电层430可以不耦接至基板205上的任何有源或无源元件420,并且可以简单地穿过基板205。
在一些实施例中,在去除开口305内的材料310(例如,绝缘材料)之前,或者在以导电材料填充开口305之前,在步骤150中形成互连结构440。这种步骤顺序在例如步骤150包括使基板205暴露于高温工艺时可能是有利的。
方法100的一些实施例还可以包括从基板205的第二面215去除基板的一部分(例如,基板层部分460,图4)的步骤155,使得延伸的局部TSV开口305在第二面215上露出。例如,图5示出了在执行化学机械抛光(CMP)以平坦化基板第二面的表面306直到延伸的局部TSV开口305在第二面215上露出之后的IC 200。但是,本领域技术人员应当意识到,其他类型的基板去除过程(例如,湿法和干法蚀刻)可以被用来使延伸的局部TSV开口305露出。
如图6所示,方法100的一些实施例还包括从基板205的第二面215去除在延伸的局部TSV开口305内部的至少一部分固体材料310(例如,绝缘塞410,图5)的步骤160,使得第二面的TSV开口610从第二面215延伸至基板205的第一面210。
在一些情况下,期望使部分材料310保留于第二面的TSV开口610之内。例如,当第二面的通孔开口610将以由高扩散性的金属原子(例如,铜原子)构成的导电性材料来填充时,在第二面的TSV开口610的侧壁316之上具有钝化层312和阻挡层314可以是有利的。此类金属原子能够有害地从TSV扩散到基板205之内,包括基板205上有源和无源元件420所位于的那些区域,由此损坏这些元件420。
在一些情况下,例如,在步骤160中的去除至少一部分材料310可以包括绝缘塞410(图5)的干法蚀刻过程,该绝缘塞410通过第二面的TSV开口610基本上横穿基板205的整个厚度615。在一些情况下,去除步骤160可以另外地或可替代地包括绝缘塞410(例如,石英玻璃或其他电介质材料)的湿法蚀刻工艺(例如,氢氟酸蚀刻工艺),该绝缘塞410通过第二面的TSV开口610基本上横穿基板205的整个厚度615。在一些情况下,在步骤160中的去除至少一部分固体材料310还可以包括被配置用于从覆盖在第一面210上的延伸的局部TSV开口305的导电层430去除阻挡层435(例如,氮化硅层)的等离子体蚀刻工艺。也就是说,去除一部分材料310可以包括使覆盖开口305的导电层430的内表面620露出。本领域技术人员应当熟悉如何配置该湿法蚀刻和等离子体蚀刻工艺,以便在需要时使钝化层312和阻挡层314基本上完整保留于侧壁316上。
方法100的一些实施例还包括以导电性材料710填充在基板205的第二面上的第二面的TVS开口610的步骤165(图7)。在一些情况下,当存在覆盖第一面210上的开口305的导电层430时,导电性材料710完全填满第二面的TSV开口610,以便直接接触导电层430(例如,接触导电层430的内表面620)。
可以使用的导电性材料710的类型的非限制性的实例包括铜、钨、金、多晶硅、导电聚合物,或者本领域技术人员熟悉的类似材料。在一些实施例中,填充深开口610(例如,在基板厚度615(图6)为大约50微米或更大的一些实施例中)可以有利于填充步骤165包括用于在第二面的TSV开口610的内侧壁615上(包括在开口的侧壁316上的任意中间绝缘层312、314之上)形成金属籽晶层(例如,铜)的溅射沉积或其他工艺,以及然后电沉积或另外形成体金属层(bulk metallayer)(例如,铜)以填充开口610的剩余部分。根据步骤165的用于填充开口610的其他方法包括旋涂工艺或本领域技术人员所熟悉的其他工艺。本领域技术人员还应当熟悉其他的步骤,例如,从第二面215的表面306去除过量的导电性材料710使得材料710仅存在于开口610内的CMP。
如以上所指出的,在一些情况下,有利的是以导电性材料填充第二面的TSV开口610的步骤165在许多步骤(例如,步骤140-160中的一个或更多个)都完成之后执行。基于本公开以及Bachman等人的申请的公开内容,本领域技术人员应当意识到,在其他处理步骤都已完成之后来执行步骤165可以有利于,例如,避免使位于第二面的TSV开口610之内的一些导电材料710(例如,铜)暴露于高温工艺,并且由此避免引起材料710的热膨胀(热膨胀进而可以对基板205造成开裂或其他损坏)。
本公开的另一个实施例是一种IC。图8呈现了本公开的示例IC200。IC 200可以包括以上根据图1-7来描述的任何特征。
图8所示出的示例IC 200包括具有第一面210和相反的第二面215的基板205。IC 200还包括STI结构810,其中STI结构的一端812被掩埋于基板205之内并且STI结构810的相反端815位于基板205的第一面210的表面817处。IC 200还包括TSV 820,其中TSV 820的一端822位于基板205的第一面210的表面817处,并且TSV 820的相反端825位于基板205的第二面215的表面306处。相同的绝缘层位于界定STI结构810的开口302之内以及位于界定TSV 820的开口305之内。例如,在一些实施例中,钝化层312和扩散阻挡层314中的一个或两者位于界定STI结构810的开口302的侧壁827之上以及位于界定TSV820的开口305的侧壁316之上。
如图8所进一步示出的,在一些实施例中,至少一个STI结构810位于TSV 820与无源或有源电元件420之间,无源或有源电元件420位于基板205的第一面210之上。同样如图8所示,在一些实施例中,至少一个STI结构810位于第一无源或有源电元件420与第二无源或有源电元件425之间,第一无源或有源电元件420位于基板205的第一面210之上,第二无源或有源电元件425位于基板205的第一面210之上。
IC 200的一些实施例还可以包括位于基板205的第一面210之上的并且覆盖第一面210上的TSV开口305的导电层430。IC 200的一些实施例可以包括金属线440以及在基板205的第一面210上的层间电介质层450。在一些情况下,至少一个金属线440将位于基板205的第一面210之上的无源或有源电元件420电连接至覆盖TSV 820的导电层430。
在一些实施例中,STI结构810的开口302的宽度330小于TSV820的开口305的宽度320。
TSV开口305横穿基板205的整个厚度615,而STI开口302被掩埋于基板205之内。在一些实施例中,TSI开口302可以横穿存在于基板205的一些实施例中的组成层220。
在IC 200的一些实施例中,期望STI结构810的宽度330尽可能窄以促进在基板205上的数量更多的有源或无源电元件420电隔离。具有窄的宽度330促进了具有可用于容纳数量更多的有源或无源电元件420或TSV 820的基板205的更多面积。
TSV开口305的宽度320是在将TSV 820配置为宽到足以最小化流过TSV 820的电流的电阻与将宽度320配置过大以致占用了基板表面817的过量面积之间的仔细平衡。过高的电阻可以不利地降低通过TSV820来传达电信号的速度。如果TSV 820将占用基板205上的过多的面积,则这可能需要例如使基板管芯205变得更大以适合为特定的应用所需的必要数量的无源或有源元件,由此需要更多的资源来制造基板205并且从而使IC 200变得比所期望的要大。
如图8所进一步示出的,在一些实施例中,IC 200的基板205通过TSV 820与一个或更多个其他基板830互连。在一些实施例中,基板205以及一个或更多个基板830是三维的IC封装840的一部分。例如,在一些IC封装840中,基板205的第一面210(例如,其上具有有源或无源元件420、425的面210)可以面向其他基板830的第一面845。但是,在其他实施例中,基板205的正面210可以面向其他基板830的相反的第二面850。在IC封装840的一些实施例中可以包括多个基板205、830的叠层860,这些基板通过TSV 820与叠层840的相邻基板或非相邻基板互连。例如,第一基板可以通过穿过位于第一和第三基板之间的第二基板的TSV与第三基板互连。
图1-8示出了本公开的又一种集成电路的实施例。与以上所讨论的实例相似,图8所示的示例IC 200包括具有第一面210和相反的第二面215的基板205;STI结构810,其中STI结构的一端812被掩埋于基板205之内,以及STI结构810的相反端815位于基板205的第一面210的表面817处;以及TSV 820,其中TSV 820的一端822位于基板205的第一面210的表面817处,以及TSV 820的相反端825位于基板205的第二面215的表面306处。
对于IC 200的上述实施例,STI结构810和TSV 820通过以下工艺来形成,包括:在基板205的第一面210内形成STI开口302(步骤110),在基板205的第一面210内形成局部TSV开口304(步骤115);使局部TSV开口304延伸(步骤117),其中所延伸的局部TSV开口305比STI开口302更深入基板205之内;以第一固体材料307填充STI开口302(步骤120);以及以第二固体填充材料310填充延伸的局部TSV 305(步骤125)。
STI开口302、局部TSV开口304和延伸的局部穿透基板通孔开口305都没有穿透基板205的第二面215的外表面306。执行以下处理中的至少任一个:(1)STI开口302和局部TSV开口304同时形成(步骤130);(2)STI开口302和延伸的局部TSV开口305被同时填充(步骤135)。IC 200还可以包括诸如以上根据图1-8所讨论的另外的特征。
本申请相关的本领域技术人员应当意识到,可以对所描述的实施例进行其他的和进一步的添加、删除、替代及修改。