專利名稱：在硅通孔表面生長阻擋層與種子層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種在硅通孔表面生長阻擋 層與種子層的方法。
背景技術(shù)：
微電子產(chǎn)業(yè)隨著摩爾定律的推演，朝著更小尺度和線寬極限逼近。伴隨著特征尺 寸不斷下降，客觀上帶來了許多集成技術(shù)上的革新，其中基于通孔硅(TSV)垂直互連的疊 層封裝方式以其短距離互連和高密度集成的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)3D封裝技術(shù)發(fā)展的潮流。三維堆疊封裝中用到的TSV技術(shù)為一系列的技術(shù)的集成，包括硅通孔刻蝕，絕緣 層通孔生長，阻擋層與種子層生長，硅通孔金屬填充(主要是Cu)等技術(shù)。其中，需要在絕緣 層和金屬Cu之間引入一層擴(kuò)散阻擋層，防止Cu向硅中的擴(kuò)散而形成復(fù)合中心，影響硅的半 導(dǎo)體性能，造成器件性能退化。阻擋層要求有良好的熱穩(wěn)定性，與種子層和絕緣層有較強(qiáng)的 結(jié)合力。目前，阻擋層的研究主要集中在難熔金屬Ru，Ta, Ti及其氮化物TaN，TiN, WN以及 其三元化合物TaSiN，WNC等材料上。在現(xiàn)有的主流工藝體系中，通孔中的粘附/阻擋層通 過PVD、CVD為主的干法工藝完成，種子層通過后續(xù)濺射或者先PVD沉積然后電鍍銅作為種 子層，這樣不僅工藝復(fù)雜而且成本昂貴，不利于降低成本。此外，用常規(guī)PVD方法沉積種子 層，臺(tái)階覆蓋性差，底部種子層厚度只有開口處的10 15%，導(dǎo)致底部和開口處電阻差異， 從而導(dǎo)致電鍍時(shí)沉積速率有區(qū)別。在電鍍填充時(shí)，底部銅離子耗盡速率比擴(kuò)散速率快，因此 底部銅離子濃度比開口處銅離子濃度小(即存在濃度梯度)，導(dǎo)致底部電鍍速率比開口處 慢，容易形成空洞和裂縫。因此，僅用PVD沉積阻擋層和種子層，其臺(tái)階覆蓋性和膜的均勻 性難以保證。倘若能將阻擋層和種子層合二為一，或者結(jié)合濕法工藝，則可以縮短時(shí)間，簡 化工藝，節(jié)約成本。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，專利US2007006^18中提出了一種阻擋層/種子 層制作方法，該技術(shù)主要是是通過改進(jìn)鍍液成分，調(diào)整電鍍條件，直接在銅擴(kuò)散阻擋層 上用電鍍方法形成圖形覆蓋性好且連續(xù)的種子層，其厚度IOnm 20nm。所用阻擋層是 TaN(400nm)/Ta (IOnm)雙層薄膜，TaN通過反應(yīng)磁控濺射獲得，Ta是磁控濺射的薄膜。但工 藝復(fù)雜，且對(duì)鍍液成分要求高、電鍍條件難以控制。美國專利US7633165 (公告日2009-12-15)中提出了硅通孔的修飾方法硅通孔 表面依次用CVD沉積鈍化層SiN或者SiON，厚度200nm 1500nm，濺射Ti，然后反應(yīng)濺射 TiN，最后再濺射Cu。其中Ti可以用PVD或者ion metal plasma (IMP)技術(shù)沉積，TiN和Ti 的厚度50nm 120nm。此方法不能避免種子層臺(tái)階覆蓋性差的問題，電鍍填充后會(huì)在銅內(nèi) 部產(chǎn)生空洞和裂縫，而且銅和TiN的結(jié)合力不是很好，種子層的均勻性難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種新型的在硅通孔表面生長阻擋層 與種子層的方法用干法沉積Ti薄膜然后氧化Ti作為TSV中種子層。TiA具有良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，且與Cu有較強(qiáng)的結(jié)合力。此外，Ti具有優(yōu)良的阻擋性能，種子層由濕法 氧化Ti而獲得，保證了種子層的臺(tái)階覆蓋性，很好的解決了電鍍填充形成空洞的問題。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過對(duì)具有硅通孔的基片依次進(jìn)行Ti 沉積和濕法氧化后得到具有阻擋層和種子層的硅通孔結(jié)構(gòu)。所述的具有硅通孔的基片經(jīng)過超聲清洗和烘干，具體是采用丙酮在25kHz-68kHz 的超聲環(huán)境下進(jìn)行清洗，去除表面有機(jī)物污染，再進(jìn)行兩次去離子水清洗以去除殘留丙酮， 然后進(jìn)行烘干。所述的烘干的溫度為60°C _80°C，烘干時(shí)間為10min-20min。所述的Ti沉積是指采用干法薄膜沉積方式，在背景真空度低于2X10_4Pa，濺射 氣壓低于1. OPa的惰性氣體濺射氣氛下，以純Ti靶為濺射靶材，設(shè)置旋轉(zhuǎn)襯底，沉積厚度在 200nm-IOOOnm 之間。所述的干法薄膜沉積方式是指磁控濺射、離子束濺射或脈沖激光沉積。所述的濕法氧化是指將基片置于雙氧水和NaOH混合溶液中，置于30_50°C的水 浴中反應(yīng)。所述的混合溶液通過以下方式制備得到將濃度為30wt%的H2O2溶液加入濃度為 10g/L-30g/L 的 NaOH 水溶液中。所述的洗凈烘干是指將基片放入45°C去離子水中10分鐘，再用去離子水在 25kHz-68kHz的超聲中清洗，最后在80°C _100°C下烘干10min_20min。本發(fā)明利用干法沉積Ti并進(jìn)行后續(xù)氧化處理將TVS阻擋層和種子層工藝合二為 一，與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)包括大大簡化了阻擋層和種子層的沉積工藝和成本，只需要一次 干法濺射；制備的阻擋層和種子層結(jié)合力良好，與多步濺射或電鍍種子層相比有更好的界 面結(jié)合力和穩(wěn)定性；制備的阻擋層和種子層厚度均勻，臺(tái)階覆蓋性好；制備的應(yīng)用于TSV的 阻擋層和種子層技術(shù)，成本低，工藝流程簡單、低功耗、無污染，有很強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用前景。


圖1是深反應(yīng)離子刻蝕出的帶有絕緣層的硅通孔剖面示意圖；圖2是沉積有阻擋層和種子層的硅通孔剖面示意圖；圖中1硅通孔襯底、2絕緣層、3阻擋層與種子層。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。實(shí)施例1用于TSV阻擋層和種子層的超薄薄膜的制備，具體包括以下步驟(1)將超聲清洗的用于TSV的硅通孔基片進(jìn)行磁控濺射沉積Ti，沉積條件為背景 真空為2X 10_4pa，濺射靶材為純度99. 99%的Ti。(2)濺射氣氛為高純Ar，氣壓為lPa，基底旋轉(zhuǎn)以提高均勻性，旋轉(zhuǎn)速率為12rpm濺 射時(shí)間為100min，沉積速率2nm/min。
(3)將沉積好Ti的具有硅通孔的基片放置進(jìn)行濕法氧化，NaOH濃度為20g/L，體 積為100ml，加入H2A的體積為anl，溫度30°C，時(shí)間為30min，清洗烘干，溫度為80°C，時(shí)間 為 20min。上述制備的阻擋層厚度為200nm，氧化后所得種子層導(dǎo)電性能良好，具有較高的電 導(dǎo)率，能達(dá)到電鍍銅的要求，厚度均勻，臺(tái)階覆蓋性好。在SEM下氧化鈦表面為柱狀結(jié)構(gòu)，有 利于Cu和種子層的結(jié)合。此外，經(jīng)過450°C高溫?zé)嵬嘶鸷?，Ti阻擋層仍能保持較好的阻擋 性能，在Ti和氧化硅界面處未檢測(cè)到銅的存在。實(shí)施例2離子束沉積并濕法氧化用于TSV阻擋層和種子層的超薄薄膜，具體包括以下步 驟(1)將超聲清洗的用于TSV的硅通孔基片進(jìn)行離子束濺射沉積Ti，沉積條件為背 景真空為5X 10_4pa，濺射靶材為純度99. 99%的Ti。(2)濺射氣氛為高純Ar，工作氣壓為1. 9X 10_2Pa，基底旋轉(zhuǎn)以提高均勻性，旋轉(zhuǎn)速 率為12rpm濺射時(shí)間為120min，沉積速率5nm/min。(3)將沉積好Ti的具有硅通孔的基片放置進(jìn)行濕法氧化，NaOH濃度為10g/L，體 積為100ml，加入H2A的體積為anl，溫度30°C，時(shí)間為30min，清洗烘干，溫度為80°C，時(shí)間 為 20min。上述制備的阻擋層厚度為600nm，氧化后所得種子層導(dǎo)電性能良好，具有較高的電 導(dǎo)率，能達(dá)到電鍍銅的要求，厚度均勻，臺(tái)階覆蓋性好。在SEM下氧化鈦表面為柱狀結(jié)構(gòu)，有 利于Cu和種子層的結(jié)合。此外，經(jīng)過450°C高溫?zé)嵬嘶鸷?，Ti阻擋層仍能保持較好的阻擋 性能，在Ti和氧化硅界面處未檢測(cè)到銅的存在。實(shí)施例3脈沖激光沉積并濕法氧化用于TSV阻擋層和種子層的超薄薄膜，具體包括以下步 驟(1)將超聲清洗的用于TSV的硅通孔基片進(jìn)行離子束濺射沉積Ti，沉積條件為背 景真空為1 X 10_4pa，濺射靶材為純度99. 99 %的Ti。(2) Si射所用激光源為(KrF ex-cimer laser,wavelength 250nm，脈沖頻率5Hz)， 氣壓為0. OlPa，基底旋轉(zhuǎn)以提高均勻性，旋轉(zhuǎn)速率為12rpm，濺射時(shí)間為20min，沉積速率 10nm/mino(3)將沉積好Ti的具有硅通孔的基片放置進(jìn)行濕法氧化，NaOH濃度為10g/L，體 積為100ml，加入H2A的體積為anl，溫度30°C，時(shí)間為30min，清洗烘干，溫度為80°C，時(shí)間 為 20min。上述制備的阻擋層厚度為200nm，氧化后所得種子層導(dǎo)電性能良好，具有較高的電 導(dǎo)率，能達(dá)到電鍍銅的要求，厚度均勻，臺(tái)階覆蓋性好。在SEM下氧化鈦表面為柱狀結(jié)構(gòu)，有 利于Cu和種子層的結(jié)合。此外，經(jīng)過450°C高溫?zé)嵬嘶鸷螅琓i阻擋層仍能保持較好的阻擋 性能，在Ti和氧化硅界面處未檢測(cè)到銅的存在。在上述三個(gè)實(shí)施例中，所述的硅片都是經(jīng)過DRIE刻蝕出通孔的硅片，硅片的技術(shù) 參數(shù)、DRIE的刻蝕參數(shù)隨著TSV的技術(shù)指標(biāo)變化而變化。
權(quán)利要求
1.一種在硅通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特征在于，通過對(duì)具有硅通孔的 基片依次進(jìn)行Ti沉積和濕法氧化后得到具有阻擋層和種子層的硅通孔結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特征是，所 述的Ti沉積是指采用干法薄膜沉積方式，在背景真空度低于2X10_4Pa，濺射氣壓小于 等于1. OPa的惰性氣體濺射氣氛下，以純Ti靶為濺射靶材，設(shè)置旋轉(zhuǎn)襯底，沉積厚度在 200nm-IOOOnm 之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在硅通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特征是，所述 的干法薄膜沉積方式是指磁控濺射、離子束濺射或脈沖激光沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硅通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特征是，所述 的濕法氧化是指將基片置于雙氧水和NaOH混合溶液中，置于30-50°C的水浴中反應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在硅通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，其特征是，所述 的混合溶液通過以下方式制備得到將濃度為30wt%的H2A溶液加入濃度為10g/L-30g/L 的NaOH水溶液中。
全文摘要
一種半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的一種在硅通孔表面生長阻擋層與種子層的方法，通過對(duì)具有硅通孔的基片依次進(jìn)行Ti沉積和濕法氧化后得到具有阻擋層和種子層的硅通孔結(jié)構(gòu)。本發(fā)明利用了TiO2良好的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能，不易起化學(xué)變化，且與Cu結(jié)合力較強(qiáng)的特性。制備得到的阻擋層厚度為200nm-1000nm，氧化后所得種子層導(dǎo)電性能良好，具有較高的電導(dǎo)率，厚度均勻，臺(tái)階覆蓋性好。在SEM下氧化鈦表面為柱狀結(jié)構(gòu)，有利于Cu和種子層的結(jié)合。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102148192SQ20101061315
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者丁桂甫, 嚴(yán)春平, 侯捷, 張叢春, 楊春生, 汪紅 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)