專利名稱：用于提供垂直晶片-到-晶片互連的金屬填充的通孔結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，更具體而言，涉及用于提供垂直晶片-到-晶
片互連的可靠的金屬填充的通孔(through via)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及用于 提供垂直晶片-到-晶片互連的這樣的可靠的金屬填充的通孔結(jié)構(gòu)的制造方 法。
背景技術(shù)：
在當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)中，存在這樣的趨勢(shì)，即通過(guò)將二維(2D)芯片 形式轉(zhuǎn)變?yōu)槿S(3D)芯片形式以增加半導(dǎo)體芯片的性能。這要求晶片-到-晶片之間是垂直互連?？梢杂猛ǔ１环Q為倒裝晶片焊料連接或C4的尺 寸減小的焊料凸起面陣列互連方案來(lái)制造垂直互連。然而，目前基于鉛的 C4本身就是a輻射源，其典型地妨礙了對(duì)無(wú)輻射互連材料的需求。因?yàn)閍 輻射可以在半導(dǎo)體器件中引入軟錯(cuò)誤，所以是不希望的。
另外，目前考慮的新的無(wú)鉛C4主要由本身就是a輻射源的錫(Sn) 構(gòu)成。因此，這些新的C4不能確保可以消除a輻射問(wèn)題。
用金屬柱(stud)-到-襯墊方法可以獲得另一種互連。在例如Pogge 等人的美國(guó)專利No. 6,444,560中描述了這種方法，被稱為T&J (轉(zhuǎn)移和接 合)方法。典型的T&J互連包括用合金金屬(優(yōu)選Sn )覆蓋的金屬柱(優(yōu) 選Cu) 。 Sn幫助金屬柱合金至相對(duì)的金屬襯墊(典型地，同樣為Cu)。 關(guān)于前述C4技術(shù)，T&J方法包括同樣為a輻射源的Sn。
為了提供將第二半導(dǎo)體芯片附著到第一半導(dǎo)體芯片的能力，需要第二 芯片中的垂直通孔，以便產(chǎn)生從第一芯片通過(guò)笫二芯片并到位于第二芯片 之下的支撐襯底的電通路。已經(jīng)有多個(gè)半導(dǎo)體制造商實(shí)踐了通孔工藝。但是，高效通孔制造和通孑L金屬填充仍然是挑戰(zhàn)。關(guān)注的是制造平滑的垂直通孔而不是某種形式的波紋狀表面通孔。后者會(huì)在金屬填充的通孔中引入金屬空隙，這會(huì)導(dǎo)致不可接受的導(dǎo)電性改變。
根據(jù)上述討論，需要提供一種用于制造改善的金屬填充的通孔的可選
的方法，以克服上述通孔問(wèn)題并避免由C4或可能的基于Sn的合金T&J互連所產(chǎn)生的a輻射源問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種制造可靠的金屬通孔的方法，所述方法在提供垂直晶片_到_晶片(或者芯片-到-芯片)互連結(jié)構(gòu)時(shí)是有用的。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造金屬填充的通孔的方法，所述方法克服了通孔處理的上述缺點(diǎn)。另外，本發(fā)明的方法避免了使用C4或Sn基合金T&J互連時(shí)令人擔(dān)憂的a輻射源問(wèn)題。本發(fā)明的方法通過(guò)將金屬柱用于垂直連接而實(shí)現(xiàn)了上述目的。也就是，本發(fā)明的方法利用了基本上由金屬構(gòu)成的柱；在存在本申請(qǐng)中的金屬柱時(shí)，不使用Sn或其它a輻射產(chǎn)生源。
根據(jù)本發(fā)明，使用標(biāo)準(zhǔn)互連處理將金屬柱電鍍敷到笫一半導(dǎo)體晶片(即，器件晶片)的下側(cè)。然后將每個(gè)柱插入到第二半導(dǎo)體晶片的對(duì)應(yīng)的聚酰亞胺涂敷的通孔中，以形成本發(fā)明的3D互連結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明，笫二半導(dǎo)體晶片可以具有或不具有位于其上的半導(dǎo)體電路，即器件。因此，
才艮據(jù)本發(fā)明，第二半導(dǎo)體晶片可以用作能夠吸收來(lái)自外部源的輻射的隔離物。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第二半導(dǎo)體晶片具有位于其上的電路。在該具體的實(shí)施例中，典型地，至少一個(gè)互連層被設(shè)置在笫一與第二半導(dǎo)體晶片之間。在上述討論中，注意，第一和第二晶片還暗指包括第一和第二半導(dǎo)體芯片。在本發(fā)明的這樣的實(shí)施例中，本發(fā)明的技術(shù)可以用于提供垂直芯片-到-芯片互連。
在隨后的加熱步驟期間，上述聚酰亞胺涂層用作流動(dòng)并包圍金屬柱的接合材料。在本發(fā)明中使用的每個(gè)柱典型地，但不必總是，被設(shè)計(jì)成芽接(bud)到笫二晶片的最終的通孔的底表面中。然而，不是所有的情況都
7需要芽接。也就是，每個(gè)金屬柱的高度都可以略短于最終的通孔的深度。一旦插入并隨后加熱，聚酰亞胺流動(dòng)并完全包圍金屬柱以用作金屬柱與介質(zhì)通孔襯里之間的應(yīng)力緩沖。然后， 一旦附著了第二晶片，便使用已有的平坦化方法減薄第二晶片。
本發(fā)明的方法避免了對(duì)合金金屬柱的需要，并且制造了從第一晶片通過(guò)第二晶片的連續(xù)的金屬通路。
一般而言，本發(fā)明的方法包括以下步驟
提供第一晶片和第二晶片，所述第一晶片具有設(shè)置在其表面上的至少一個(gè)金屬柱并且所述第二晶片包括至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔；
將所述第一晶片的所述至少一個(gè)金屬柱插入到所述第二晶片的所述至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔中以提供組合的結(jié)構(gòu)；
加熱所述組合的結(jié)構(gòu)以使相對(duì)的聚酰亞胺表面接合并開(kāi)始流動(dòng)以完全包圍每個(gè)金屬柱；
減薄所述第二晶片以暴露位于所述至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔內(nèi)的所述至少一個(gè)金屬柱的表面；以及
在所述減薄的第二晶片的表面上形成構(gòu)圖的聚酰亞胺涂層和在所述至少 一個(gè)金屬柱的所述暴露的表面上形成金屬村墊。
注意，當(dāng)使用含Si晶片時(shí)，通常使用氧化物并將其適當(dāng)?shù)貥?gòu)圖以在例如形成聚酰亞胺和金屬柱的其它處理之前保護(hù)晶片。
在本申請(qǐng)的優(yōu)選的實(shí)施例中，所述方法包括如下步驟
提供第一晶片和笫二晶片，所述第一晶片具有設(shè)置在其表面上的至少一個(gè)Cu柱以及所述第二晶片包括至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔；
將所述第一晶片的所述至少一個(gè)Cu柱插入到所述第二晶片的所述至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔中以提供組合的結(jié)構(gòu)；
加熱所述組合的結(jié)構(gòu)以使相對(duì)的聚酰亞胺表面接合并開(kāi)始流動(dòng)以完全包圍每個(gè)Cu柱；
減薄所述第二晶片以暴露位于所述至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔內(nèi)的所述至少一個(gè)Cu柱的表面；以及在所述減薄的笫二晶片的表面上形成構(gòu)圖的聚酰亞胺涂層和在所迷至
少一個(gè)Cu柱的所逸暴露表面上形成Cu襯墊。
本發(fā)明的上述方法避免了將金屬柱合金化到金屬襯墊的需要，然而，它們制造了從所述第一晶片(例如，器件晶片)穿過(guò)所述第二晶片(附著晶片或第二器件晶片)的連續(xù)的金屬通路。
除了上述方法以外，本發(fā)明還提供了垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)。更具體而言，本發(fā)明的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)包括
笫 一晶片和第二晶片，所述第 一晶片與笫二晶片通過(guò)從所述第 一晶片的表面延伸出的至少一個(gè)金屬柱配合(mate)，所述至少一個(gè)金屬柱從所述第 一 晶片的所ii^面延伸到所述第二晶片的對(duì)應(yīng)的通孔中，其中聚酰亞胺涂層存在于所述通孔中、在所述第一和第二晶片的配合表面上和在沒(méi)有配合到所述第 一 晶片的所述第二晶片的另 一表面上，并且其中所述至少一個(gè)金屬柱提供了從所述第一晶片穿過(guò)所述第二晶片的連續(xù)的金屬通路。


圖l是示例了在本發(fā)明中采用的第一晶片和第二晶片的圖示表示(通過(guò)截面圖)；
圖2是示例了將設(shè)置在第一晶片背面的金屬柱插入到在第二晶片中形
成的涂敷有聚酰亞胺的通孔之后的結(jié)構(gòu)的圖示表示(通過(guò)截面圖)；
圖3是示例了在附著和減薄之后的圖2的結(jié)構(gòu)的圖示表示(通過(guò)截面圖4是示例了在用聚酰亞胺和金屬襯墊進(jìn)行了背面處理之后的圖3的
結(jié)構(gòu)的圖示表示(通過(guò)截面圖)；
圖5A-5C是示例了可選的實(shí)施例的圖示表示(通過(guò)截面圖)，其中沒(méi)有將金屬柱設(shè)計(jì)成完全芽接到通孔的底部；以及
圖6A-6D是示例了本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖示表示(通過(guò)截面圖)，其中互連層被設(shè)置在第 一 晶片與笫二晶片之間。
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具體實(shí)施例方式
本申請(qǐng)描述了 一種僅利用金屬柱來(lái)制造垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)的方法以及由該方法形成的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在將參考下面的描述和本申請(qǐng)的附圖更詳細(xì)的描述本申請(qǐng)。注意，提供本申請(qǐng)的附圖用于示例的目的，因此沒(méi)有按比例繪制。
在隨后的描述中，為了提供對(duì)本發(fā)明的全面理解，闡述了大量的具體細(xì)節(jié)，例如特定的結(jié)構(gòu)、部件、材料、尺寸、處理步驟和技術(shù)。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明可以在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下采用可行的可選方法選擇進(jìn)行實(shí)施。在另一實(shí)例中，為了避免模糊本發(fā)明，沒(méi)有詳細(xì)地描述公知的結(jié)構(gòu)或處理步驟。
應(yīng)該理解，當(dāng)將例如層、區(qū)域或襯底的元件描述為"在另一元件上"或"在另一元件之上"時(shí)，其可以直接在其它元件上或者還可以存在中間元件。相反，當(dāng)將元件描述為"直接在另一元件上"或"直接在另一元件之上"時(shí)，則不存在中間元件。還應(yīng)該理解，當(dāng)將元件描述為"在另一元件下"或"在另一元件之下"時(shí)，其可以直接在其它元件下或之下，或者可以存在中間元件。相反，當(dāng)將元件描述為"直接在另一元件下"或"直接在另一元件之下，，時(shí)，則不存在中間元件。
如上所述，本發(fā)明提供了 一種利用修改的轉(zhuǎn)移和接合方法制造可靠金屬填充的通孔的方法以提供垂直晶片-到-晶片(或芯片-到-芯片)互連結(jié)構(gòu)，
其中避免了金屬柱的合金化。在本發(fā)明中，柱基本上由不是a輻射源的導(dǎo)電金屬構(gòu)成。概括而言，本發(fā)明的方法包括首先提供第一晶片和第二晶片。才艮據(jù)本發(fā)明，第一晶片具有到這樣的表面的至少一個(gè)金屬柱互連，該表面典型地但不必總是與半導(dǎo)體器件相對(duì)，以及第二晶片包括至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔。第二半導(dǎo)體晶片在其中可以具有或不具有半導(dǎo)體線路。接下來(lái)，將第一晶片的至少一個(gè)金屬柱插入到第二晶片的至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔中。在完全插入之后，將現(xiàn)在組合的第一和第二晶片加熱到這樣的溫度，該溫度會(huì)引起相對(duì)的聚酰亞胺表面接合并開(kāi)始流動(dòng)以完全包圍每個(gè)金屬柱。然后，對(duì)第二晶片實(shí)施減薄步驟以暴露位于至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔中的至少一個(gè)金屬柱的表面。然后，通過(guò)涂敷在減薄的第二 晶片的表面上的聚酰亞胺和在至少一個(gè)金屬柱的暴露的表面上的金屬襯墊 來(lái)進(jìn)行背面處理。
現(xiàn)在根據(jù)圖l-4描述上面簡(jiǎn)要描述的本發(fā)明的制造方法?？梢宰⒁獾?， 在這些附圖中示出了金屬柱完全芽接至通孔的底部。雖然示出了該特定的 實(shí)施例，但是本發(fā)明還構(gòu)思了圖5A-5C所示出的實(shí)施例。在本申請(qǐng)的這些 附圖和該實(shí)施例中，金屬柱被設(shè)計(jì)成沒(méi)有完全芽接至通孔的底部。另外， 本發(fā)明還構(gòu)思了 一個(gè)實(shí)施例，其中將至少一個(gè)互連層i殳置在第 一與第二晶 片之間，優(yōu)選這兩個(gè)晶片都包含半導(dǎo)體器件。
還應(yīng)該注意，沒(méi)有在本申請(qǐng)?zhí)峁┑母綀D中示出所有的工藝細(xì)節(jié)。例如， 在這里沒(méi)有總是示出或描述使用氧化物絕緣第 一和第二晶片表面。而且， 在本申請(qǐng)中沒(méi)有示出或描述在第一晶片和可選的第二晶片上形成器件。另
外，在進(jìn)行了本發(fā)明的各種處理步驟之后，可以在笫二晶片的下側(cè)進(jìn)行附 加的處理(沒(méi)有更詳細(xì)的示出或描述)。例如，優(yōu)選在形成接觸襯墊之前， 在笫二晶片的下側(cè)形成構(gòu)圖的氧化物。在一些實(shí)施例中，在金屬柱周圍形
需的更大的區(qū)域。
現(xiàn)在，參考圖l-4，其中示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例。在該實(shí)施例中， 金屬柱被設(shè)計(jì)成完全芽接至通孔的底部。術(shù)語(yǔ)"完全芽接"指金屬柱被設(shè)
計(jì)成具有一高度，該高度確保金屬柱的頂表面與通孔的底壁部分直接接觸。 優(yōu)選使用包括介質(zhì)材料和聚酰亞胺的通孔襯里為底壁部分加襯里。
圖1示例了本發(fā)明的第一步驟，其中提供第一晶片(此后稱為器件晶 片)IO和笫二晶片(此后稱為附著晶片)20。根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例，器 件晶片IO是其中形成了至少一個(gè)半導(dǎo)體器件(未示出)的晶片，而附著晶 片20是隔離物，該隔離物用于吸收來(lái)自外部源例如C4和/或陶瓷襯底的a 輻射。如圖1所示，器件晶片10包括具有位于其表面上的構(gòu)圖的第一介質(zhì) 材料14的第一半導(dǎo)體襯底12。構(gòu)圖的第一^/h質(zhì)材料"與位于其上的聚酰 亞胺涂層16或其它類似的接合材料的構(gòu)圖相似。如所示，器件晶片10還
ii包括位于笫一半導(dǎo)體襯底2的表面上并設(shè)置在構(gòu)圖的第一介質(zhì)材料14和 聚酰亞胺涂層16之間的至少一個(gè)金屬柱18
附著晶片20包括第二半導(dǎo)體襯底22，第二半導(dǎo)體村底22具有在其中 形成的至少一個(gè)通孔24。注意，在本申請(qǐng)的此刻，至少一個(gè)通孔24典型 地沒(méi)有完全延伸穿過(guò)附著晶片。附著晶片20還包括為至少一個(gè)通孔24的 暴露的表面(包括底和側(cè)壁)以及位于鄰近的通孔之間的第二半導(dǎo)體襯底 22的表面加襯里的第二介質(zhì)材料26。聚酰亞胺涂層28被設(shè)置在笫二介質(zhì) 材料26上以1更覆蓋存在于至少一個(gè)通孔24的側(cè)壁上以及鄰近通孔24的第 二襯底22的暴露的表面上的介質(zhì)材料。
利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的技術(shù)制造器件晶片10。例如，在襯底和 器件處理之后，向典型地與半導(dǎo)體器件相對(duì)的第一半導(dǎo)體襯底12的表面施 加第一介質(zhì)材料14。第一半導(dǎo)體襯底12包括任何的半導(dǎo)電材料，包括但 不僅限于Si、 Ge、 SiGe、 SiC、 SiGeC、 Ga、 GaAs、 InAs、 InP和所有
其它m/V或n/vi化合物半導(dǎo)體。第一半導(dǎo)體襯底12還可以包括有機(jī)半導(dǎo)
體或如Si/SiGe、絕緣體上硅(SOI)或絕緣體上SiGe ( SGOI)的分層半 導(dǎo)體。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，優(yōu)選第一半導(dǎo)體襯底l2由含Si半導(dǎo)體 材料即包括硅的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。第一半導(dǎo)體襯底12可以是摻雜、未摻雜 的或其中包含摻雜和未摻雜的區(qū)域。
當(dāng)使用SOI襯底時(shí)，這些襯底包括至少部分地通過(guò)掩埋絕緣層分離的 頂或底半導(dǎo)體例如Si層。掩埋絕緣層包括，例如晶體或非晶氧化物、氮化 物或其任何組合。優(yōu)選地，掩埋絕緣層是氧化物。典型地，在層轉(zhuǎn)移方法 的初始階段期間或在離子注入和退火工藝期間形成掩埋絕緣層，例如， SIMOX (通過(guò)離子注入氧來(lái)分離)。
第一半導(dǎo)體襯底12可以具有單一晶體取向或者還可以使用可選的具 有不同晶體取向表面區(qū)域的混合半導(dǎo)體襯底。混合襯底允許在可以增強(qiáng)形
成的特定器件的性能的特定的晶體取向上制造器件。例如，混合襯底允許 提供一種結(jié)構(gòu)，其中在(110)晶朱取向上形成pFET而在(100)晶體取
向上形成nFET。當(dāng)使用混合襯底時(shí)，其可以具有類似于SOI的特性、類似于體的特性或類似于SOI和體的組合的特性。
第一介質(zhì)材料14包括氧化物、氧氮化物、氮化物或其多層。在本發(fā)明 的一個(gè)實(shí)施例中，第一介質(zhì)材料14包括例如Si02的氧化物。第一介質(zhì)材 料14可以通過(guò)例如化學(xué)氣相淀積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積 (PECVD)、原子層淀積(ALD)、蒸發(fā)、化學(xué)溶液淀積和其它類似的淀 積技術(shù)形成?？蛇x地，可以通過(guò)例如氧化、氮化或其組合的熱工藝來(lái)形成 第一介質(zhì)材料14。
第一介質(zhì)材料14的厚度可以根據(jù)其形成技術(shù)以及所使用的介質(zhì)材料 的類型改變。典型地，第一介質(zhì)材料14具有約100到約2000nm的厚度， 優(yōu)選具有約500到約1000 nm的厚度。
在第一介質(zhì)材料14的頂上形成熱塑性聚酰亞胺(此后稱為"聚酰亞 胺")涂層16。利用包括例如CVD、 PECVD、蒸發(fā)和旋涂的常規(guī)淀積工 藝形成聚酰亞胺涂層16。聚酰亞胺涂層16用作粘合或M劑，用于將器 件晶片10附著到附著晶片20上。聚酰亞胺涂層16典型地具有約500到約 10,000 nm的淀積后的厚度，更典型具有約1000到約3000 nm的厚度。
在本發(fā)明中優(yōu)選使用的材料是熱塑性聚酰亞胺，因?yàn)樗茄诱剐缘模?br> (CTE)系數(shù)的CTE。
在形成第一介質(zhì)材料14和聚酰亞胺涂層16之后，在第一介質(zhì)材料14 的暴露的表面上(如果不存在聚酰亞胺涂層)或者在聚酰亞胺涂層16的頂 上(如果存在聚酰亞胺涂層)^沒(méi)置構(gòu)圖的光致抗蝕劑(未示出)。通過(guò)淀 積和光刻形成構(gòu)圖的光致抗蝕劑。淀積步驟包括常規(guī)淀積方法，包括例如 CVD、 PECVD、旋涂和蒸發(fā)。光刻方法包括將施加的光致抗蝕劑暴露到 輻射圖形并利用常規(guī)抗蝕劑顯影劑顯影曝光的抗蝕劑。構(gòu)圖的光致抗蝕劑 包括暴露層16或?qū)?4的上表面的開(kāi)口。然后，利用蝕刻方法除去這些開(kāi) 口中的暴露的材料?？梢岳酶煞ㄎg刻(包括反應(yīng)離子蝕刻、離子束蝕刻、 等離子體蝕刻和激光燒蝕)、濕法蝕刻或其任何組合。蝕刻提供了到第一 半導(dǎo)體襯底12的開(kāi)口，在其中形成至少金屬柱18。在蝕刻之后，利用常規(guī)的抗蝕劑顯影劑剝離構(gòu)圖的光致抗蝕劑。
然后，利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何的常規(guī)電鍍敷方法將金屬柱
18形成到開(kāi)口中。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所^^的，金屬柱18與存在于器 件晶片10上的Cii村墊或構(gòu)圖的保護(hù)層接觸。在本申請(qǐng)的附圖中即沒(méi)有示 出Cu襯墊也沒(méi)有示出構(gòu)圖的保護(hù)材料，根據(jù)本發(fā)明，金屬柱18由不是a 輻射源的導(dǎo)電金屬構(gòu)成。非a輻射源材料的導(dǎo)電金屬的實(shí)例包括，例如， Cu、 Al、 W和Au。在上面列出的各種導(dǎo)電金屬中，在一些實(shí)施例中優(yōu)選 導(dǎo)電金屬由Cu構(gòu)成。
形成的金屬柱18的高度既可以設(shè)計(jì)成芽接到附著襯底的通孔的底壁 部分，也可以設(shè)計(jì)成不芽接到通孔的底壁部分。在這些圖中示出了本發(fā)明 的前面的實(shí)施例，而圖5A-5C示出了本發(fā)明的后面的實(shí)施例。
如上所述并且如圖1所示，附著晶片20包括具有至少一個(gè)聚酰亞胺涂 敷的通孔的第二半導(dǎo)體襯底22。第二半導(dǎo)體襯底22可以包括與器件晶片 10的第一半導(dǎo)體襯底12相同或不同的半導(dǎo)體材料。典型地，第二半導(dǎo)體 襯底22是含Si半導(dǎo)體襯底。
然后，利用上面描述過(guò)的常規(guī)光刻和蝕刻，將至少一個(gè)通孔24形成到 附著晶片20的第二半導(dǎo)體襯底22中。如前面指出的，本發(fā)明此時(shí)形成的 通孔24典型地沒(méi)有延伸穿過(guò)第二半導(dǎo)體村底22的整個(gè)厚度。在形成了通 孔之后，利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員/^的常規(guī)抗蝕劑剝離方法剝離用于形成 通孔的抗蝕劑。
在提供了至少一個(gè)通孔24之后，隨后在通孔24的所有暴露的表面(側(cè) 壁和底壁)以及位于鄰近通孔24的第二村底22的暴露的表面上形成介質(zhì) 材料26。在附著晶片20中用作通孔襯里的介質(zhì)材料26可以包括與器件晶 片的第一介質(zhì)材料14相同或不同的介質(zhì)材料。在一些實(shí)施例中，優(yōu)選介質(zhì) 材料26由例如SiOz的氧化物構(gòu)成。注意，可以利用描迷的用于第一介質(zhì) 材料14的上述技術(shù)中的一種來(lái)形成介質(zhì)材料26,并且介質(zhì)材料26的厚度 可以落入上述用于第一介質(zhì)材料14的范圍內(nèi)。
接下來(lái)，在位于至少一個(gè)通孔24內(nèi)的介質(zhì)材料26的側(cè)壁表面上以及位于鄰近該通孔24的第二半導(dǎo)體襯底22的部分上的介質(zhì)材料26的頂上形 成熱塑性聚酰亞胺(此后稱為"聚酰亞胺")涂層28。如上所述形成聚酰 亞胺涂層28并且其厚度也在上述的范圍內(nèi)。
如上所述并且如圖1所示，在提供器件晶片IO和附著晶片20之后， 聚集這兩個(gè)晶片以便將至少一個(gè)金屬柱18插入到至少一個(gè)通孔24中。例 如在圖2中示出了在插入之后形成的產(chǎn)生的組合結(jié)構(gòu)，注意，在本發(fā)明的 該具體的實(shí)施例中，金屬柱18芽接到通孔24的底壁部分。也就是，每一 個(gè)金屬柱18的上表面緊密接觸存在于通孔24中的笫二介質(zhì)材料26。通過(guò) 向器件晶片IO或附著晶片20中的至少一個(gè)或更優(yōu)選兩個(gè)晶片施加外力來(lái) 進(jìn)行插入工藝。
在提供圖2示出的組合的結(jié)構(gòu)之后，加熱到可以接合相對(duì)的聚酰亞胺 表面并且同時(shí)使聚酰亞胺流動(dòng)以完全包圍每個(gè)金屬柱18的溫度。在能夠使 聚酰亞胺流動(dòng)并包圍金屬柱而不損壞器件晶片10中的器件的溫度下進(jìn)行 本申請(qǐng)的該加熱步驟。具體而言，通過(guò)將圖2中示出的結(jié)構(gòu)加熱到小于約 400r的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺的流動(dòng)和包圍金屬柱，而不會(huì)損壞器件晶片 10中的器件。更具體而言，在約250'C到約3"。C的溫度下進(jìn)行本發(fā)明的 加熱步驟。該加熱步驟的時(shí)長(zhǎng)可以改變并依賴于所使用的加熱技術(shù)的類型。
根據(jù)本發(fā)明，在存在惰性氣氛并且隨后在壓力下進(jìn)行加熱步驟?？梢?在本發(fā)明中使用的惰性氣氛的實(shí)例包括He、 Ar、 Ne、 Xe及其混合，例如
He和Ar的混合物。
注意，在加熱步驟期間可以向被轉(zhuǎn)移并接合到 一起的一個(gè)或兩個(gè)晶片 施加夕卜力。
在加熱之后，聚酰亞胺涂層硬化并包圍在第二晶片的至少一個(gè)通孔內(nèi)
的至少一個(gè)金屬柱。
在利用上述處理步驟將兩個(gè)晶片接合到一起之后，然后，利用常規(guī)平 坦化方法減薄附著晶片的背面，提供圖3示出的結(jié)構(gòu)。如圖3所示，附著 晶片20的減薄暴露了位于至少一個(gè)聚酰亞胺28涂敷的通孔24中的至少一 個(gè)金屬柱18的表面。在本發(fā)明中可以使用包括研磨和/或化學(xué)機(jī)械拋光
15(CMP)的常規(guī)平坦化方法來(lái)減薄附著晶片20。還可以單獨(dú)使用濕法化學(xué) 蝕刻方法或結(jié)合研磨和/或CMP來(lái)減薄附著晶片20。
圖4示出了在用另 一聚酰亞胺涂層30和金屬襯墊32進(jìn)行了背面處理 之后形成的結(jié)構(gòu)。如上所迷形成聚酰亞胺涂層30。通過(guò)各種淀積技術(shù)、光 刻和蝕刻，來(lái)形成優(yōu)選包括Cu或其他類似金屬的金屬襯墊32。
注意，背面聚酰亞胺涂層30有助于填充在通孔中沿柱側(cè)壁的任何可能 的剩余空隙。還可以改變柱和通孔的特定的幾何形狀以制造"漏斗狀"過(guò) 孔(未示出)和錐形金屬柱(同樣未示出)。也可以根據(jù)具體需要和設(shè)計(jì) 來(lái)改變處理順序細(xì)節(jié)。
現(xiàn)在，參考圖5A-5C，其示出了本申請(qǐng)的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中， 設(shè)計(jì)金屬柱18具有不能芽接到通孔24的底壁部分的高度。圖5A示出了 分別在插入和M之后的初始的兩個(gè)晶片10和20。圖5B示出了在減薄附 著晶片20之后的結(jié)構(gòu)。圖5C示出了用另 一聚酰亞胺涂層30和金屬襯墊 32進(jìn)行背面處理之后形成的結(jié)構(gòu)。如上所述形成聚酰亞胺涂層30。注意， 除了金屬柱的高度被設(shè)計(jì)成比圖1-4中示出的實(shí)施例中所使用的高度小以 外，用于該第二實(shí)施例的所有材料和工藝細(xì)節(jié)都與上面所描述的相同。該 特定的實(shí)施例，示例了在形成垂直互連結(jié)構(gòu)時(shí)在本發(fā)明中所使用的初始金 屬柱18的高度并不重要。
在上面兩個(gè)實(shí)施例中，第二晶片20不包括任何半導(dǎo)體電路，即器件。 在這些實(shí)施例中，第二晶片20僅用作第一晶片IO與模塊(未示出)之間 的隔離物。隔離物(即，第二晶片20)的目的是吸收任何的a輻射發(fā)射， 該a輻射發(fā)射由用于將模塊互連到本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的緊鄰和/或鄰近的C4連 接發(fā)出。
現(xiàn)在，參考圖6A-6D，其描述了本申請(qǐng)的另一實(shí)施例。在本發(fā)明的該 實(shí)施例中，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包4^i殳置在均包括半導(dǎo)體器件的第一與第二晶片 之間的至少一個(gè)互連層。圖6A示例了包括位于半導(dǎo)體襯底l2的表面上的 器件區(qū)域50的第一晶片10。器件區(qū)域50包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體器件。第 一晶片10還包括金屬柱18、第一介質(zhì)層14和聚酰亞胺涂層l6。還在層14和16內(nèi)示出了金屬接觸52。金屬接觸52與半導(dǎo)體器件的選定區(qū)域接觸， 例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源^l/漏極區(qū)域和柵極。通過(guò)首先在襯底12上形成 半導(dǎo)體器件(未示出)來(lái)制造圖6A中示出的第一晶片10。下一步，如上 所述形成第一介質(zhì)層14、聚酰亞胺涂層16和接觸柱18，接著，通過(guò)光刻 和蝕刻形成金屬接觸開(kāi)口。然后，利用常規(guī)淀積方法在接觸開(kāi)口中形成例 如Cu、 Al、 W或AlCu的接觸金屬。接觸金屬典型地延伸到接觸開(kāi)口的外 部?？蛇x地，可以在金屬柱18之前制造金屬接觸52。
圖6A還示出了包括第二半導(dǎo)體襯底22的第二晶片20的存在，第二 半導(dǎo)體村底22包括位于其表面上的半導(dǎo)體器件區(qū)域54。第二晶片20還包 括至少一個(gè)通孔24、第二介質(zhì)材料26、聚酰亞胺涂層28、接觸開(kāi)口56和 接觸村墊58。接觸村墊58由本領(lǐng)域公知的例如Cu的常規(guī)金屬構(gòu)成。如上 所迷，通過(guò)首先在第二襯底22上形成半導(dǎo)體器件區(qū)域54和金屬接觸襯墊 58并隨后形成至少一個(gè)過(guò)孔開(kāi)口 24來(lái)形成圖6A示出的第二晶片20。在 本發(fā)明的一些實(shí)施例中，上述處理順序可以顛倒。接下來(lái)，利用上面描述 的用于那些層的^l支術(shù)形成層26和28，然后通過(guò)光刻和蝕刻形成接觸開(kāi)口 56。
圖6B示出了將圖6A示例的兩個(gè)晶片如上所述聚集到一起并加熱之后 的結(jié)構(gòu)。注意，包括接觸襯墊58、金屬接觸52以及笫一和第二介質(zhì)"和 26的互連層祐J殳置在第一與第二晶片之間。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，通過(guò) 上述T&J互連技術(shù)，接著插入金屬柱18來(lái)實(shí)現(xiàn)將接觸襯墊58同時(shí)接合到 金屬接觸52。
圖6C示出了在利用上述處理^L術(shù)減薄了第二晶片20之后的結(jié)構(gòu)。 圖6D示出了在利用上述技術(shù)用另一聚酰亞胺涂層30和金屬襯墊32 背面處理之后的結(jié)構(gòu)。
雖然參考其優(yōu)選的實(shí)施例具體示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技 術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)形式、 結(jié)構(gòu)、工藝順序和細(xì)節(jié)做出前述和其它改變。因此，旨在本發(fā)明不局限于 描述和示例的具體形式和細(xì)節(jié)，而是落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。工業(yè)適用性
本發(fā)明可以工業(yè)應(yīng)用于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造，更具體而言，可以適用于 提供晶片-到-晶片或芯片-到-芯片的互連領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種制造垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟提供第一晶片(10)和第二晶片(20)，在第一半導(dǎo)體襯底(12)上的所述第一晶片(10)具有設(shè)置在其表面上的至少一個(gè)金屬柱(18)，并且在第二半導(dǎo)體襯底(22)上的所述第二晶片(20)包括至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔(24)；將所述第一晶片(10)的所述至少一個(gè)金屬柱(18)插入到所述第二晶片(20)的所述至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔(24)中以提供組合的結(jié)構(gòu)；加熱所述組合的結(jié)構(gòu)以使相對(duì)的聚酰亞胺表面接合并開(kāi)始流動(dòng)以完全包圍每個(gè)金屬柱(18)；減薄所述第二晶片(20)以暴露位于所述至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔(24)內(nèi)的所述至少一個(gè)金屬柱(18)的表面；以及在所述減薄的第二晶片的表面上形成構(gòu)圖的聚酰亞胺涂層和在所述至少一個(gè)金屬柱(18)的所述暴露的表面上形成金屬襯墊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中提供所迷第一晶片(10)包括在所述 第一半導(dǎo)體襯底(12)的表面上淀積介質(zhì)材料，在所迷介質(zhì)材料U4)上 形成聚酰亞胺涂層(16 )，在所述介質(zhì)材料(14 )和所述聚酰亞胺涂層(16 ) 中提供開(kāi)口 ，以及通過(guò)所述開(kāi)口電鍍敷導(dǎo)電金屬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述至少一個(gè)金屬柱包括Cu、 Al、 W或Au。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述至少一個(gè)金屬柱包括Cu。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中提供所述第二晶片(20)包括在所述 第二半導(dǎo)體襯底(22)中形成至少一個(gè)通孔(24)，使用介質(zhì)材料(26) 為所述通孔(24)的暴露的表面和所述第二半導(dǎo)體村底(22)的部分加襯 里，以及在所述介質(zhì)材州26 )的所有暴露的表面上形成聚酰亞胺涂層(28 )。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在所述插入之后，每個(gè)所述金屬柱直接接觸為每個(gè)通孔的底壁部分加襯里的介質(zhì)材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在所述插入之后，每個(gè)所述金屬柱不 直接接觸為每個(gè)通孔的底壁部分加襯里的介質(zhì)材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中在小于約400"C的溫度下進(jìn)行所述加熱。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中通過(guò)研磨、化學(xué)機(jī)械拋光、濕法蝕刻 或其組合進(jìn)行所述減薄。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一個(gè)金屬柱包括Cu并且 所述至少一個(gè)金屬襯墊包括Cu。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述第一晶片包括設(shè)置在半導(dǎo)體襯 底的表面上的半導(dǎo)體器件。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的方法，其中所述第二晶片包^i殳置在另一半導(dǎo) 體襯底的表面上的半導(dǎo)體器件，并且所述第一和第二晶片通過(guò)互連層和接 合的聚酰亞胺層分離。
13. —種制造垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟 提供第一晶片和第二晶片，所述第一晶片具有設(shè)置在其表面上的至少一個(gè)Cu柱并且所迷第二晶片包括至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔；將所述第一晶片的所述至少一個(gè)Cii柱插入到所迷第二晶片的所述至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔中以提供組合的結(jié)構(gòu)；加熱所述組合的結(jié)構(gòu)以使相對(duì)的聚酰亞胺表面掩^并開(kāi)始流動(dòng)以完全包圍每個(gè)Cu柱；減薄所述第二晶片以暴露位于所述至少一個(gè)聚酰亞胺涂敷的通孔內(nèi)的 所述至少一個(gè)Cu柱的表面；以及在所述減薄的第二晶片的表面上形成構(gòu)圖的聚酰亞胺涂層和在所述至 少一個(gè)Cu柱的所a露的表面上形成Cu襯墊。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中提供所述器件晶片包括在半導(dǎo)體襯 底的表面上淀積介質(zhì)材料，在所述介質(zhì)材料上形成聚酰亞胺涂層，在所述 介質(zhì)材料和所述聚酰亞胺涂層中提供開(kāi)口 ，以及通過(guò)所述開(kāi)口電鍍敷Cu。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中提供所述笫二晶片包括在半導(dǎo)體襯 底中形成至少一個(gè)通孔，使用介質(zhì)材料為所述通孔的暴露的表面和所迷半 導(dǎo)體襯底的部分加襯里，以及在所述介質(zhì)材料的至少側(cè)壁上形成聚酰亞胺 涂層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中在所述插入之后，每個(gè)所述Cu柱 直接接觸為每個(gè)通孔的底壁部分加襯里的介質(zhì)材料。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中在所述插入之后，每個(gè)所述Cu柱 不直接接觸為每個(gè)通孔的底壁部分加襯里的介質(zhì)材料。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中在小于約400'C的溫度下進(jìn)行所述 加熱。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中通過(guò)研磨、化學(xué)機(jī)械拋光、濕法蝕 刻或其組合進(jìn)行所述減薄。
20. —種垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，包括第 一 晶片和第二晶片，所述第 一晶片與第二晶片通過(guò)從所述第 一 晶片 的表面延伸出的至少一個(gè)金屬柱配合，所述至少一個(gè)金屬柱從所述第一晶 片的所述表面延伸到所述第二晶片的對(duì)應(yīng)的通孔中，其中聚酰亞胺涂層存 在于所述通孔中、在所述第一和第二晶片的配合表面上和在沒(méi)有配合到所 述第 一晶片的所述第二晶片的另 一表面上，并且其中所述至少一個(gè)金屬柱 提供了自所述第一晶片通過(guò)所述笫二晶片的連續(xù)的金屬通路。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中所述第一晶 片和所述第二晶片包括相同或不同的半導(dǎo)體材料。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中所迷第一晶 片和所述第二晶片中的每一個(gè)都包括含Si半導(dǎo)體。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中介質(zhì)材料為 每一個(gè)所述通孔的側(cè)壁加襯里。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中所述介質(zhì)材 料是氧化物。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，還包括在每個(gè)所述至少一個(gè)金屬柱的暴露的表面上的金屬襯墊，所述金屬襯墊位于所述第 二晶片的所M面的頂上。
26. 根據(jù)權(quán)利要求20的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中所述至少一 個(gè)金屬柱包括選自Cu、 Al、 W或Au的導(dǎo)電金屬。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中所述導(dǎo)電金 屬是Cu。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中所述金屬襯 墊由Cu構(gòu)成并且每個(gè)所述金屬柱都由Cu構(gòu)成。
29. 根據(jù)權(quán)利要求20的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中所述第一晶 片包拾沒(méi)置在半導(dǎo)體襯底的表面上的半導(dǎo)體器件。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29的垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)，其中所述第二晶 片包拾沒(méi)置在另一半導(dǎo)體襯底的表面上的半導(dǎo)體器件，并且所述第一和第 二晶片通過(guò)互連層分離。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于提供垂直晶片-到-晶片互連結(jié)構(gòu)的通孔互連的制造方法，以及通過(guò)所述方法形成的垂直互連結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的方法僅使用金屬柱用于垂直互連，由此金屬柱不產(chǎn)生α輻射。本發(fā)明的方法包括插入步驟、加熱步驟、減薄步驟以及背面處理。
文檔編號(hào)H01L21/00GK101496138SQ200780028236
公開(kāi)日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月25日
發(fā)明者H·B·波格, 虞蓉卿 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司