[发明专利]硅通孔的形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种硅通孔的形成方法。

背景技术

随着半导体技术不断发展，目前半导体器件的特征尺寸已经变得非常小，希望在二维的封装结构中增加半导体器件的数量变得越来越困难，因此三维封装成为一种能有效提高芯片集成度的方法。目前的三维封装包括基于引线键合的芯片堆叠(Die Stacking)、封装堆叠(Package Stacking)和基于硅通孔(Through Silicon Via，TSV)的三维堆叠。

基于硅通孔的三维堆叠技术具有以下三个优点：(1)高密度集成；(2)大幅地缩短电互连的长度，从而可以很好地解决出现在二维系统级芯片(SOC)技术中的信号延迟等问题；(3)利用硅通孔技术，可以把具有不同功能的芯片（如射频、内存、逻辑、MEMS等）集成在一起来实现封装芯片的多功能。

现有硅通孔的形成方法通常包括在半导体衬底上形成通孔，在通孔表面形成绝缘层，在通孔内填充铜，进行平坦化形成硅通孔。但是，由于工艺方面的原因，在硅通孔形成过程中，所填充铜上表面周边会出现破损，导致硅通孔产生的表面缺口（pitting）。通常表面缺口形成在铜的周边位置，即铜与半导体衬底相邻的地方，如图1所示。

一旦硅通孔存在表面缺口，则后续继续在硅通孔上形成金属互连层时，这些表面缺口就会转变成孔洞（void），如图2右侧中部的两个黑色小孔所示。这些孔洞的存在，一方面可能导致硅通孔与金属层接触不良，从而使硅通孔的导电性能下降，另一方面易导致铜发生扩散，影响硅通孔的可靠性。

为此，需要一种新的硅通孔的形成方法，以解决现有硅通孔存在表面缺口的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种硅通孔的形成方法，以形成表面平坦的硅通孔，从而提高硅通孔的导电性能和可靠性。

为解决上述问题，本发明提供一种硅通孔的形成方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底中形成通孔；

在所述通孔表面形成绝缘层；

在所述半导体衬底上形成第一金属铜层，且所述第一金属铜层填充满所述通孔；

对所述第一金属铜层进行平坦化至露出所述半导体衬底表面，剩余所述第一金属铜层具有表面缺口；

在所述半导体衬底上形成第二金属铜层，且所述第二金属铜层填充满所述第一金属铜层的表面缺口；

对所述第二金属铜层进行平坦化至露出所述半导体衬底表面。

可选的，所述第一金属铜层位于所述半导体衬底表面的厚度范围包括所述第二金属铜层位于所述半导体衬底表面的厚度范围包括

可选的，在对所述第一金属铜层进行平坦化之后，且在所述半导体衬底上形成所述第二金属铜层之前，所述形成方法还包括：

在所述第一金属铜层表面和所述半导体衬底表面形成第一金属帽盖层，所述第二金属铜层形成在所述第一金属帽盖层上。

可选的，所述第一金属帽盖层的材料包括钽和氮化钽，所述第一金属帽盖层的厚度范围包括

可选的，在所述半导体衬底中形成所述通孔包括：

在所述半导体衬底上形成图案化的硬掩膜层；

以所述硬掩膜层为掩模蚀刻所述半导体衬底形成所述通孔。

可选的，在对对所述第二金属铜层进行平坦化之后，所述形成方法还包括：

去除所述硬掩膜层；

在所述第二金属铜层和所述半导体衬底表面形成第二金属帽盖层；

在所述第二金属帽盖层上形成金属互连层；

在所述金属互连层上形成粘附层；

在所述粘附层上形成层间介质层；

在所述层间介质层中形成金属插塞。

可选的，所述硬掩膜层的材料包括氮化硅，所述硬掩膜层的厚度范围包括

可选的，对所述第一金属铜层进行平坦化和对所述第二金属铜层进行平坦化均停止于所述硬掩膜层。

可选的，采用电镀铜工艺在所述半导体衬底上形成所述第一金属铜层，采用电镀铜工艺在所述半导体衬底上形成所述第二金属铜层。

可选的，采用化学机械平坦化工艺对所述第一金属铜层进行平坦化，采用化学机械平坦化工艺对所述第二金属铜层进行平坦化。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：