[发明专利]硅穿孔结构及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅穿孔结构，以及形成硅穿孔结构的方法。本发明特别是涉及一种具有双层环的硅穿孔结构，用来降低晶片中的导电基底与硅穿孔结构中导电材料间不良的电耦合问题。

背景技术

硅穿孔技术(TSV)是一种新颖的半导体技术。硅贯通电极技术主要在于解决芯片间互连的问题，属于一种新的三维空间立体封装技术。当红的硅穿孔技术通过三维空间的堆叠、经由硅穿孔创造出更符合轻、薄、短、小的市场需求产品，提供微机电系统(MEMS)、光电及电子元件等晶片级封装所需的封装工艺技术。

硅穿孔技术是在晶片上以蚀刻或激光的方式钻孔，再将导电材料如铜、多晶硅、钨等填入导孔(Via)形成导电的沟道(即连接内、外部的接合线路)。最后则将晶片或管芯(die)薄化再加以堆叠、结合(bonding)，而成为三维空间的堆叠集成电路(3D IC)。如此一来，就可以去除引线连结(wire bonding)方式。改以蚀刻或激光的方式钻孔(Via)并导通电极，不仅可以省去引线空间，也可以缩小了电路板的使用面积与封装件的体积。

由于采用硅穿孔技术的构装内部接合距离，即为薄化后的晶片或管芯的厚度，相较于采取引线连结的传统堆叠封装，三维空间堆叠集成电路的内部连接路径更短，相对可使芯片间的传输电阻更小、速度更快、噪声更小、效能更佳。尤其在中央处理器(CPU)与快取存储器，以及存储卡应用中的数据传输上，更能突显硅穿孔技术的短距离内部接合路径所带来的效能优势。此外，三维空间堆叠集成电路封装后的尺寸等同于管芯尺寸。在强调多功能、小尺寸的可携式电子产品领域，三维空间堆叠集成电路的小型化特性更是市场导入的首要因素。

以目前开发的技术及工艺的先后顺序而言，硅穿孔技术可以分为先钻孔(via first)与后钻孔(via last)两大示例。其中先钻孔工艺又可分为在金属氧化物半导体前(before CMOS)与在金属氧化物半导体后(after CMOS)两种变化。在金属氧化物半导体前的先钻孔工艺步骤，是在进行金属氧化物半导体工艺前，先行在硅晶片基底上形成硅穿孔沟道，并填入导电材料。为顾及后续金属氧化物半导体步骤中的高温工艺，导电材料的选择目前以较可承受后续金属氧化物半导体高温工艺的多晶硅为主。而导电性更佳的铜等金属，则会因为导电金属在反复接受高温工艺后(thermal process)会影响其电阻，而造成电阻劣化(pumping)的问题。就整体而言，在考虑到填入导电材料后晶片薄化工艺的困难度时，此等在金属氧化物半导体前进行的先钻孔工艺步骤，与传统半导体工艺技术的整合度与相容度较高，但是会有铜污染与导电材料必需承受后续金属氧化物半导体高温工艺的不足。

而在金属氧化物半导体后的先钻孔工艺步骤，则是在完成金属氧化物半导体工艺后，才开始进行导孔的成形工艺并填入导电金属。目前采用的导电金属材料以导电特性优良的铜为多。而由于铜在填孔时容易产生底部未填满但顶部已封口的现象，导致沟道内出现空洞(void)而失效，因此亦有部分制造商以钨(W)金属为导电材料。总体来说，在金属氧化物半导体后的先钻孔工艺步骤，由于金属氧化物半导体已经完成，将铜填入导孔后的平坦化工艺会特别困难，而且也有铜污染的问题，这样会增加此等工艺步骤与传统半导体工艺技术整合与相容的困难度。

另外，硅穿孔结构中的核心导电层与基底因为都是导体，所以在元件操作中时，核心导电层会与基底产生不良的电偶合反应，而影响元件的性能。因此，仍然需要一种新颖的硅穿孔结构，以及制作硅穿孔结构的方法，可以降低或是消除核心导电层与基底产生不良的电偶合反应的问题。

发明内容

本发明于是提出一种新颖的硅穿孔结构，以及制作硅穿孔结构的方法。本发明新颖的硅穿孔结构具有特殊设计的复合环，可以降低或是消除核心导电层与基底产生不良的电偶合反应的问题。

本发明首先提供一种新颖的硅穿孔结构。本发明的硅穿孔结构包括晶片、穿孔洞、导电层、穿孔洞介电环、第一导电环或第一基底环、与第一介电环。晶片包括第一面与第二面，而穿孔洞即用来连通第一面与第二面。导电层填满穿孔洞中，而穿孔洞介电环则围绕并直接接触导电层。第一导电环或第一基底环其中之一围绕并直接接触穿孔洞介电环。第一介电环围绕并直接接触第一导电环，又为晶片所围绕。