專利名稱：硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造和封裝領(lǐng)域，尤其涉及一種硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法。
背景技術(shù)：
集成電路在集成度方面的發(fā)展一直遵循“摩爾定律”，但是隨著集成電路技術(shù)進(jìn)入 32nm甚至22nm技術(shù)平臺(tái)之后，系統(tǒng)復(fù)雜性、設(shè)備投資成本等方面的急劇上升，“摩爾定律” 的延續(xù)性受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。而利用現(xiàn)代電子封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)高密度的3D(三維)集成，成 為了微電子電路(包括MEMS)系統(tǒng)級(jí)集成的重要技術(shù)途徑。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了許多新的3D封裝技術(shù)，其中，硅通孔(TSV)技術(shù)是3D領(lǐng)域多芯 片疊層化集成和電互連的關(guān)鍵性技術(shù)，硅通孔技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下互連長(zhǎng)度可以縮短到與芯 片厚度相等，使邏輯模塊用垂直堆疊代替了水平分布；顯著的減小了 RC延遲和電感效應(yīng)， 有利于提高數(shù)字信號(hào)傳輸速度和微波的傳輸；可以實(shí)現(xiàn)高密度、高深寬比的連接，從而能夠 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多片全硅系統(tǒng)集成，密度比當(dāng)前用于先進(jìn)多片模塊的物理封裝高出許多倍；同 時(shí)更加節(jié)能，預(yù)期TSV能夠降低芯片功耗大約40%。淺溝槽隔離技術(shù)(shallow trench isolation, STI)是一種在超大規(guī)模集成電路 中廣泛使用的器件隔離技術(shù)。由于STI工藝制備的隔離結(jié)構(gòu)本身具有所占面積相對(duì)較小的 優(yōu)勢(shì)，成為先進(jìn)制程所采用的主流器件隔離結(jié)構(gòu)。因此在制程中采用具有場(chǎng)隔離區(qū)的襯底 頗具研究?jī)r(jià)值。成熟的深刻蝕技術(shù)已經(jīng)可以制造出深寬比相當(dāng)高的垂直硅通孔，但是硅通孔側(cè)壁 不光滑，凸凹不平，使得傳統(tǒng)的絕緣層的制造遇到了很大的困難。一方面，生長(zhǎng)的絕緣層的 保型覆蓋性會(huì)隨著硅通孔深寬比的增大而變差；另一方面，生長(zhǎng)的絕緣層的保型覆蓋性又 會(huì)隨著表面粗糙度的增加而變差。這就容易導(dǎo)致絕緣層失效使之后形成的導(dǎo)電材料擴(kuò)散進(jìn) 入襯底，從而影響整個(gè)TSV的互連特性。采用熱氧化擴(kuò)散的方法制造絕緣層能夠解決絕緣層薄膜保型覆蓋性變差的問題。 針對(duì)已制成場(chǎng)隔離區(qū)的硅襯底，通常有兩種方式形成硅通孔?，F(xiàn)有的第一種方法通常包括 以下步驟提供硅襯底；在硅襯底上形成硅通孔；通過熱氧化擴(kuò)散的方法在硅通孔內(nèi)壁形 成絕緣層；在所述硅襯底上形成有柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的硅襯底中形成有源極和 漏極，所述源極和漏極兩側(cè)形成有場(chǎng)隔離區(qū)；對(duì)所述源極和漏極進(jìn)行離子注入和擴(kuò)散工藝。 現(xiàn)有的第二種方法通常包括以下步驟提供硅襯底；在所述硅襯底上形成有柵極結(jié)構(gòu)，所 述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側(cè)形成有場(chǎng)隔離區(qū)；對(duì) 所述源極和漏極進(jìn)行離子注入和擴(kuò)散工藝；在硅襯底上形成硅通孔；通過熱氧化擴(kuò)散的方 法在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層。然而，現(xiàn)有的兩種方法存在以下缺點(diǎn)第一種方法中的硅通孔以及硅通孔內(nèi)壁的 絕緣層在形成源極以及漏極之前已經(jīng)形成，則之后對(duì)源漏極進(jìn)行離子擴(kuò)散時(shí)的溫度會(huì)對(duì)硅 通孔以及硅通孔內(nèi)壁的絕緣層的質(zhì)量造成不利影響；而第二種方法中的硅通孔以及硅通孔 內(nèi)壁的絕緣層形成于離子擴(kuò)散之后，則制造絕緣層時(shí)所采用的熱氧化擴(kuò)散中的工藝溫度對(duì)離子分布產(chǎn)生不利影響。因此，針對(duì)已制成場(chǎng)隔離區(qū)的硅襯底，如何安排采用熱氧化擴(kuò)散的方法形成硅通 孔內(nèi)壁的絕緣層顯得尤為關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，以解決熱氧化擴(kuò)散應(yīng)用 于形成硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層的問題。為解決上述問題，本發(fā)明提出一種硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，該方法包括如下 步驟提供包含器件區(qū)域和非器件區(qū)域的硅襯底，所述器件區(qū)域上形成有柵極結(jié)構(gòu)，所述柵 極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側(cè)形成有場(chǎng)隔離區(qū)，其中，所 述源極和漏極已經(jīng)完成離子注入工藝；在所述硅襯底和柵極結(jié)構(gòu)表面覆蓋阻擋層；在所述 非器件區(qū)域或器件區(qū)域上依次光刻刻蝕所述阻擋層和硅襯底以形成硅通孔；采用熱氧化擴(kuò) 散的方法在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層，同時(shí)，完成對(duì)所述源極和漏極注入離子的擴(kuò)散工藝?？蛇x的，采用所述熱氧化擴(kuò)散的方法時(shí)，硅襯底處于氧氣的氛圍中，并且硅襯底所 處的溫度為900°C 1400°c，熱氧化擴(kuò)散的時(shí)間為5分鐘至10分鐘?？蛇x的，采用熱氧化擴(kuò)散的方法在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層的步驟之后，還包括去 除所述阻擋層。可選的，所述阻擋層的材料是氮化硅、二氧化硅、碳化硅其中一種或其組合?？蛇x的，所述絕緣層的材料是二氧化硅?？蛇x的，采用波什反應(yīng)離子刻蝕的方法，在所述非器件區(qū)域上依次刻蝕所述阻擋 層和硅襯底形成硅通孔?？蛇x的，采用感應(yīng)耦合等離子體的方法，在所述非器件區(qū)域上依次刻蝕所述阻擋 層和硅襯底形成硅通孔?？蛇x的，所述硅通孔的直徑為lum-30um，所述硅通孔的深度為10um-500um?？蛇x的，所述柵極結(jié)構(gòu)包括柵極堆層以及位于所述柵極堆層側(cè)壁的柵極側(cè)墻。本發(fā)明提供的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，將形成硅通孔及其內(nèi)壁上的絕緣層的 步驟放在離子注入工藝之后，并采用與注入離子的擴(kuò)散工藝同時(shí)進(jìn)行的方式，既避免了注 入離子的擴(kuò)散工藝的溫度對(duì)在之前形成絕緣層的質(zhì)量造成影響，又能避免在注入離子擴(kuò)散 之后形成絕緣層時(shí)所采用的熱氧化擴(kuò)散中的工藝溫度對(duì)離子分布產(chǎn)生的不利影響。進(jìn)一步地，采用熱氧化擴(kuò)散的方法在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層，同時(shí)在同樣的溫度 環(huán)境中完成對(duì)所述源漏極注入離子的擴(kuò)散工藝，這兩步工藝同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了整個(gè)器件工 藝制作的時(shí)間，提高了工藝制作的效率。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法步驟流程圖；圖2A至圖2E為本發(fā)明實(shí)施例提供的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法中對(duì)應(yīng)的器件的 剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法作進(jìn)一 步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附 圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用于方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí) 施例的目的。本發(fā)明的核心思想在于，本發(fā)明提供的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，將形成硅通 孔及其內(nèi)壁上的絕緣層的步驟放在離子注入工藝之后，并采用與注入離子的擴(kuò)散工藝同時(shí) 進(jìn)行的方式，既避免了注入離子的擴(kuò)散工藝的溫度對(duì)在之前形成絕緣層的質(zhì)量造成影響， 又能避免在注入離子擴(kuò)散之后形成絕緣層時(shí)所采用的熱氧化擴(kuò)散中的工藝溫度對(duì)離子分 布產(chǎn)生的不利影響。請(qǐng)參考圖1，其為本發(fā)明實(shí)施例提供的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法步驟流程圖，結(jié) 合該圖1，該方法包括以下步驟步驟S11，提供包含器件區(qū)域和非器件區(qū)域的硅襯底，所述器件區(qū)域上形成有柵極 結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側(cè)形成有場(chǎng)隔 離區(qū)，其中，所述源極和漏極已經(jīng)完成離子注入工藝；步驟S12，在所述硅襯底和柵極結(jié)構(gòu)表面覆蓋阻擋層；步驟S13，在所述非器件區(qū)域或器件區(qū)域上依次光刻刻蝕所述阻擋層和硅襯底以 形成硅通孔；步驟S14，采用熱氧化擴(kuò)散的方法在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層，同時(shí)，完成對(duì)所述源 極和漏極注入離子的擴(kuò)散工藝。下面將結(jié)合剖面示意圖對(duì)本發(fā)明的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法進(jìn)行更詳細(xì)的描 述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā) 明，而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。參見圖2A所示，并結(jié)合步驟S11，提供包含器件區(qū)域212和非器件區(qū)域213的硅襯 底201，所述器件區(qū)域212上形成有柵極結(jié)構(gòu)211，所述柵極結(jié)構(gòu)211兩側(cè)的硅襯底201中 形成有源極203和漏極204，所述源極203和漏極204兩側(cè)形成有場(chǎng)隔離區(qū)202，其中，所述 源極203和漏極204已經(jīng)完成離子注入工藝，但未完成注入離子的擴(kuò)散工藝。進(jìn)一步地，所述柵極結(jié)構(gòu)211包括柵極堆層205以及位于所述柵極堆層側(cè)壁的柵 極側(cè)墻206。參見圖2B所示，并結(jié)合步驟S12，在所述已制成場(chǎng)隔離區(qū)202的硅襯底201上覆 蓋一阻擋層207，所述阻擋層207同時(shí)也覆蓋柵極結(jié)構(gòu)211的表面；所述阻擋層207的厚度 為100-200nm，以防止氧原子在一定時(shí)間和溫度范圍內(nèi)擴(kuò)散到所述硅襯底201中。在本實(shí)施 例中，所述阻擋層207的材料為氮化硅，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述阻擋層207 的材料不僅僅局限為氮化硅，還可以是碳化硅、二氧化硅等不能使氧原子擴(kuò)散到硅襯底201 中的材料。參見圖2C，并繼續(xù)結(jié)合步驟S12，在所述阻擋層207上旋涂光刻膠210，通過光刻和 顯影工藝，定義出硅通孔區(qū)域208’。參見圖2D所示，并結(jié)合步驟S13，在所述非器件區(qū)域213上依次光刻刻蝕硅通孔區(qū) 域208’下方的阻擋層207和硅襯底201，以形成硅通孔208，在本實(shí)施例中，所采用的刻蝕方式為波什反應(yīng)離子刻蝕，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述刻蝕方式不僅僅局限于 采用波什反應(yīng)離子刻蝕，也可以是感應(yīng)耦合等離子體的刻蝕方式。需要說明的是，盡管本實(shí)施例中是在非器件區(qū)域213上依次刻蝕硅通孔區(qū)域208’ 下方的阻擋層207和硅襯底201，以形成硅通孔208;但是本發(fā)明并不限定于此，在本發(fā)明其 它實(shí)施例中，如果器件區(qū)域212上留有可供形成硅通孔的位置，S卩，除了柵極結(jié)構(gòu)211、源極 203、漏極204和場(chǎng)隔離區(qū)202之外，所述器件區(qū)域212還具有其它空余區(qū)域，那么也可在器 件區(qū)域213的該空余區(qū)域上進(jìn)行光刻刻蝕，從而在所述器件區(qū)域212上形成硅通孔208。在本實(shí)施例中，采用波什反應(yīng)離子刻蝕工藝在所述非器件區(qū)域213上形成穿過硅 襯底201的硅通孔208，所述硅通孔208為非全通性通孔，即硅通孔208沒有穿透硅襯底 201，進(jìn)一步的，在采用波什刻蝕工藝刻蝕所述硅襯底201的同時(shí)，刻蝕所述阻擋層207，并 在硅襯底201上留有剩余阻擋層207’，去除剩余的光刻膠210。優(yōu)選的，所述硅通孔208的直徑為lum-30um，所述硅通孔208的深度為 10Um-500Um。當(dāng)然，本發(fā)明并不限定硅通孔208的尺寸，在發(fā)明其它實(shí)施例中，可根據(jù)實(shí)際 的器件要求相應(yīng)的調(diào)整所述硅通孔208的直徑和深度。參見圖2E所示，并結(jié)合步驟S14，接著，通過熱氧化擴(kuò)散的方式在硅通孔208的內(nèi) 壁形成絕緣層209，具體地，所述硅通孔208的內(nèi)壁包括硅通孔208的側(cè)壁和底部，所形成的 絕緣層209的厚度由硅襯底201所處的溫度、含氧氣體的濃度以及熱氧化擴(kuò)散的時(shí)間共同 決定，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，所述氣體不僅僅局限于含氧氣體，還可以是包括含 氧氣體的混合氣體。較佳的，在執(zhí)行熱氧化擴(kuò)散工藝時(shí)，硅襯底201所處的溫度可以為900°C 1400°C，所使用的氣體為氧氣或者臭氧，所述熱氧化擴(kuò)散工藝的時(shí)間控制在5分鐘至10分 鐘，使硅通孔208內(nèi)壁表面的硅完全反應(yīng)成二氧化硅，即材料為二氧化硅的絕緣層209完全 覆蓋在硅通孔208內(nèi)壁的表面。當(dāng)然，上述數(shù)值并不用于限定本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可 根據(jù)熱氧化擴(kuò)散機(jī)臺(tái)的具體情況，來相應(yīng)的調(diào)整所述熱氧化擴(kuò)散工藝的工藝參數(shù)，只要使 所述硅通孔201內(nèi)壁的絕緣層209完全覆蓋在硅通孔208內(nèi)壁的表面。進(jìn)一步地，采用熱氧化擴(kuò)散的方法在硅通孔208內(nèi)壁形成絕緣層209的同時(shí)，在同 樣的溫度環(huán)境中完成對(duì)所述源漏極注入離子的擴(kuò)散工藝。這兩步工藝同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了整 個(gè)器件工藝制作的時(shí)間，提高了工藝制作的效率。綜上所述，本發(fā)明提供的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，將形成硅通孔208及其內(nèi) 壁上的絕緣層209的步驟放在離子注入之后，并與離子擴(kuò)散工藝同時(shí)進(jìn)行的方式，既避免 了離子擴(kuò)散工藝的溫度對(duì)在之前形成絕緣層209的質(zhì)量造成影響，又能避免在離子擴(kuò)散之 后形成絕緣層209時(shí)所采用的熱氧化擴(kuò)散中的工藝溫度對(duì)離子分布產(chǎn)生的不利影響。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神 和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之 內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，包括提供包含器件區(qū)域和非器件區(qū)域的硅襯底，所述器件區(qū)域上形成有柵極結(jié)構(gòu)，所述柵 極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側(cè)形成有場(chǎng)隔離區(qū)，其中，所 述源極和漏極已經(jīng)完成離子注入工藝；在所述硅襯底和柵極結(jié)構(gòu)表面覆蓋阻擋層；在所述非器件區(qū)域或器件區(qū)域上依次光刻刻蝕所述阻擋層和硅襯底以形成硅通孔；采用熱氧化擴(kuò)散的方法在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層，同時(shí)，完成對(duì)所述源極和漏極注入 離子的擴(kuò)散工藝。
2.如權(quán)利要求1所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，采用所述熱氧化擴(kuò) 散的方法時(shí)，硅襯底處于氧氣的氛圍中，并且硅襯底所處的溫度為900°C 1400°C，熱氧化 擴(kuò)散的時(shí)間為5分鐘至10分鐘。
3.如權(quán)利要求1或2所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，采用熱氧化擴(kuò)散 的方法在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層的步驟之后，還包括去除所述阻擋層。
4.如權(quán)利要求1或2所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，所述阻擋層的材 料是氮化硅、二氧化硅、碳化硅其中一種或其組合。
5.如權(quán)利要求1或2所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，所述絕緣層的材 料是二氧化硅。
6.如權(quán)利要求1或2所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，采用波什反應(yīng)離 子刻蝕的方法，在所述非器件區(qū)域上依次刻蝕所述阻擋層和硅襯底形成硅通孔。
7.如權(quán)利要求1或2所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，采用感應(yīng)耦合等 離子體的方法，在所述非器件區(qū)域上依次刻蝕所述阻擋層和硅襯底形成硅通孔。
8.如權(quán)利要求1所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，所述硅通孔的直徑 為 lum_30umo
9.如權(quán)利要求1所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，所述硅通孔的深度 為 10um-500umo
10.如權(quán)利要求1所述的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，其特征在于，所述柵極結(jié)構(gòu)包括 柵極堆層以及位于所述柵極堆層側(cè)壁的柵極側(cè)墻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，該方法包括如下步驟提供包含器件區(qū)域和非器件區(qū)域的硅襯底，所述器件區(qū)域上形成有柵極結(jié)構(gòu)，所述柵極結(jié)構(gòu)兩側(cè)的硅襯底中形成有源極和漏極，所述源極和漏極兩側(cè)形成有場(chǎng)隔離區(qū)，其中，所述源極和漏極已經(jīng)完成離子注入工藝；在所述硅襯底和柵極結(jié)構(gòu)表面覆蓋阻擋層；在所述非器件區(qū)域或器件區(qū)域上依次光刻刻蝕所述阻擋層和硅襯底以形成硅通孔；采用熱氧化擴(kuò)散的方法在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層，同時(shí)，完成對(duì)所述源極和漏極注入離子的擴(kuò)散工藝。本發(fā)明提供的硅通孔內(nèi)形成絕緣層的方法，既能完成在硅通孔內(nèi)壁形成絕緣層的工藝，又大大減小了由于熱氧化擴(kuò)散工藝中的溫度參數(shù)對(duì)整個(gè)器件的影響。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102130044SQ20101061873
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者周軍 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司