[发明专利]在硅通孔表面生长阻挡层与种子层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种半导体技术领域的方法，具体是一种在硅通孔表面生长阻挡层与种子层的方法。

背景技术

微电子产业随着摩尔定律的推演，朝着更小尺度和线宽极限逼近。伴随着特征尺寸不断下降，客观上带来了许多集成技术上的革新，其中基于通孔硅(TSV)垂直互连的叠层封装方式以其短距离互连和高密度集成的关键技术优势引领3D封装技术发展的潮流。

三维堆叠封装中用到的TSV技术为一系列的技术的集成，包括：硅通孔刻蚀，绝缘层通孔生长，阻挡层与种子层生长，硅通孔金属填充(主要是Cu)等技术。其中，需要在绝缘层和金属Cu之间引入一层扩散阻挡层，防止Cu向硅中的扩散而形成复合中心，影响硅的半导体性能，造成器件性能退化。阻挡层要求有良好的热稳定性，与种子层和绝缘层有较强的结合力。目前，阻挡层的研究主要集中在难熔金属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。在现有的主流工艺体系中，通孔中的粘附/阻挡层通过PVD、CVD为主的干法工艺完成，种子层通过后续溅射或者先PVD沉积然后电镀铜作为种子层，这样不仅工艺复杂而且成本昂贵，不利于降低成本。此外，用常规PVD方法沉积种子层，台阶覆盖性差，底部种子层厚度只有开口处的10～15％，导致底部和开口处电阻差异，从而导致电镀时沉积速率有区别。在电镀填充时，底部铜离子耗尽速率比扩散速率快，因此底部铜离子浓度比开口处铜离子浓度小(即存在浓度梯度)，导致底部电镀速率比开口处慢，容易形成空洞和裂缝。因此，仅用PVD沉积阻挡层和种子层，其台阶覆盖性和膜的均匀性难以保证。倘若能将阻挡层和种子层合二为一，或者结合湿法工艺，则可以缩短时间，简化工艺，节约成本。

经过对现有技术的检索发现，专利US20070062818中提出了一种阻挡层/种子层制作方法，该技术主要是是通过改进镀液成分，调整电镀条件，直接在铜扩散阻挡层上用电镀方法形成图形覆盖性好且连续的种子层，其厚度10nm～20nm。所用阻挡层是TaN(400nm)/Ta(10nm)双层薄膜，TaN通过反应磁控溅射获得，Ta是磁控溅射的薄膜。但工艺复杂，且对镀液成分要求高、电镀条件难以控制。

美国专利US7633165(公告日：2009-12-15)中提出了硅通孔的修饰方法：硅通孔表面依次用CVD沉积钝化层SiN或者SiON，厚度200nm～1500nm，溅射Ti，然后反应溅射TiN，最后再溅射Cu。其中Ti可以用PVD或者ion metal plasma(IMP)技术沉积，TiN和Ti的厚度50nm～120nm。此方法不能避免种子层台阶覆盖性差的问题，电镀填充后会在铜内部产生空洞和裂缝，而且铜和TiN的结合力不是很好，种子层的均匀性难以保证。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种新型的在硅通孔表面生长阻挡层与种子层的方法：用干法沉积Ti薄膜然后氧化Ti作为TSV中种子层。TiO₂具有良好的热稳定性和导电性，且与Cu有较强的结合力。此外，Ti具有优良的阻挡性能，种子层由湿法氧化Ti而获得，保证了种子层的台阶覆盖性，很好的解决了电镀填充形成空洞的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过对具有硅通孔的基片依次进行Ti沉积和湿法氧化后得到具有阻挡层和种子层的硅通孔结构。

所述的具有硅通孔的基片经过超声清洗和烘干，具体是采用丙酮在25kHz-68kHz的超声环境下进行清洗，去除表面有机物污染，再进行两次去离子水清洗以去除残留丙酮，然后进行烘干。

所述的烘干的温度为60℃-80℃，烘干时间为：10min-20min。

所述的Ti沉积是指：采用干法薄膜沉积方式，在背景真空度低于2×10^-4Pa，溅射气压低于1.0Pa的惰性气体溅射气氛下，以纯Ti靶为溅射靶材，设置旋转衬底，沉积厚度在200nm-1000nm之间。

所述的干法薄膜沉积方式是指：磁控溅射、离子束溅射或脉冲激光沉积。

所述的湿法氧化是指：将基片置于双氧水和NaOH混合溶液中，置于30-50℃的水浴中反应。

所述的混合溶液通过以下方式制备得到：将浓度为30wt％的H₂O₂溶液加入浓度为10g/L-30g/L的NaOH水溶液中。

所述的洗净烘干是指：将基片放入45℃去离子水中10分钟，再用去离子水在25kHz-68kHz的超声中清洗，最后在80℃-100℃下烘干10min-20min。