具有限制层的互连结构的利记博彩app
【专利说明】具有限制层的互连结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是于2014年6月9日提交的美国申请第14/299，886号的部分继续申请，其是于2012年4月27日提交的美国申请第13/457,841号(现在发行为美国专利第8，772，945)的分案申请，其全部内容通过弓I用结合于此作为参考。
技术领域
[0003]本发明涉及具有限制层的互连结构。
【背景技术】
[0004]—般来说，现代电子产品的设计中的一个驱动因素是在给定的空间内可以塞进的计算效率的量和存储的量。用于将更多的计算效率封装到给定的空间和减少形成系统的各个芯片之间的距离的一种方法是堆叠芯片，其中互连件垂直地延伸。衬底中的嵌入式互连件或金属填充的通孔通常被称为硅通孔或衬底通孔(“TSV”)。TSV可以用来连接位于衬底的相对两侧上的芯片，或提供穿过芯片的主体的芯片级连接。
[0005]TSV也用于创建3D集成电路，并且与引线接合或其他连接技术相比是有利的，这是因为通孔的密度基本上更高，并且因为连接件的长度更短。诸如系统级封装、芯片堆叠多芯片模块(MCM)等的3D封装件包含两个以上的芯片(集成电路)垂直地堆叠，从而使得它们占用较少的空间和/或具有更大的连通性。3D封装的另一类型是硅载体封装技术，其中，IC不堆叠但是含有TSV的载体衬底用于将封装件中的多个IC连接在一起。在大多数3D封装件中，堆叠的芯片沿着它们的边缘布线在一起，并且该边缘布线略增加封装件的长度和宽度，并且通常需要位于芯片之间的中介层。在一些3D封装件中，通过生成穿过芯片的主体的垂直互连件而使硅通孔代替边缘布线。产生的封装件没有增加的长度或宽度。因为不需要中介层，TSV3D封装件也可以比边缘布线的3D封装件更均匀(flatter)。这种TSV技术有时也被称为TSS (硅穿通堆叠或硅穿孔堆叠)。3D集成电路(3D IC)是通过堆叠硅晶圆和/或管芯并且垂直地互连它们从而使得它们表现为单个器件的单个集成电路。通过使用TSV技术，3D IC可以将大量的功能集成到一个小的覆盖区内。堆叠件中的不同的管芯可以是异质的，例如将CMOS逻辑、DRAM和II1-V族材料组合至单个IC内。
[0006]不需要使用硅作为中介层或衬底，即使是指硅中的通孔。这些中介层衬底通常是硅、玻璃或一些其他绝缘体，其中，铜、金或其他导体设置在穿过中介层的通孔中。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术中的问题，根据本发明的一些实施例，提供了一种半导体器件，包括:接触焊盘，设置在衬底上方，其中，所述接触焊盘包括第一导电材料的第一层和位于所述第一层上方的第二导电材料的第二层，其中，所述第一导电材料和所述第二导电材料由基本相同的材料制成，其中，所述第一导电材料具有第一平均晶粒尺寸且所述第二导电材料具有第二平均晶粒尺寸，所述第二平均晶粒尺寸小于所述第一平均晶粒尺寸；钝化层，覆盖所述衬底和所述接触焊盘，其中，所述钝化层具有暴露出所述接触焊盘的开口 ；以及连接件，穿过所述开口连接至所述接触焊盘。
[0008]根据本发明的另一些实施例，提供了一种半导体器件，包括:衬底，具有有源表面和与所述有源表面相对的非有源表面；衬底通孔(TSV)结构，嵌入在所述衬底中并且具有从所述非有源表面突出的突出部分；接触焊盘，设置在所述TSV结构的突出部分上方，其中，所述接触焊盘包括第一导电材料的第一层和位于所述第一层上方的第二导电材料的第二层，其中，所述第一导电材料和所述第二导电材料由基本相同的材料制成，其中，所述第一导电材料具有第一平均晶粒尺寸且所述第二导电材料具有第二平均晶粒尺寸，所述第二平均晶粒尺寸小于所述第一平均晶粒尺寸；钝化层，覆盖所述衬底的非有源表面和所述接触焊盘，其中，所述钝化层具有暴露出所述接触焊盘的开口 ；以及连接件，穿过所述开口连接至所述接触焊盘。
[0009]根据本发明的又一些实施例，提供了一种用于制造半导体器件的方法，包括:使用多步电镀操作在衬底上方形成接触焊盘，所述接触焊盘包括第一导电材料的第一层和位于所述第一层上方的第二导电材料的第二层，所述多步电镀操作包括以第一镀速率沉积所述第一层和以第二镀速率沉积所述第二层，所述第二镀速率小于所述第一镀速率；在所述接触焊盘上方形成钝化层，其中，所述钝化层具有暴露出所述接触焊盘的开口 ；以及穿过所述开口将连接件连接至所述接触焊盘。
【附图说明】
[0010]为了更完全地理解本发明实施例及其优势，现在结合附图来对以下的描述作出参考，其中:
[0011]图1A是示出衬底上的TSV材料的典型的沉积的截面图；
[0012]图1B是示出抛光之后的典型的TSV和衬底的截面图；
[0013]图1C是示出典型的TSV中的表面扩散和晶粒再定向的截面图；
[0014]图2A是示出沉积TSV材料以为创建阻挡焊盘结构作准备的实施例的截面图；
[0015]图2B是仅金属第一化学机械抛光之后的TSV结构的截面图；
[0016]图2C是具有示例性阻挡焊盘的TSV结构的截面图；
[0017]图2D是具有第二沉积的TSV材料的TSV结构的截面图；
[0018]图2E是具有阻挡焊盘并且在第二平坦化之后的TSV结构的截面图；
[0019]图3是示出用于构建具有阻挡焊盘的TSV的步骤的流程图；
[0020]图4A是具有另一示例性的阻挡焊盘的TSV结构的截面图；
[0021]图4B是具有在另一示例性的阻挡焊盘上的第二沉积TSV材料的TSV结构的截面图；
[0022]图4C是具有另一示例性阻挡焊盘和在第二平坦化之后的TSV结构的截面图；
[0023]图5A至图51是根据本发明的一些实施例的在形成包括互连结构的半导体器件中的中间步骤的截面图，其中，互连结构具有限制层；
[0024]图6是根据本发明的一些实施例的在图5中示出的标记部分的放大视图；
[0025]图7A和图7B示出了根据本发明的一些实施例的接触焊盘的顶视图的光学显微镜图像；
[0026]图8至图10是根据本发明的各个可选实施例的半导体器件的截面图；以及
[0027]图11是根据本发明的一些实施例示出的形成包括互连结构的半导体器件的方法的流程图，其中，互连结构具有限制层。
【具体实施方式】
[0028]在下文中详细论述了本实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了许多可以体现在各种具体上下文中的可应用的概念。所论述的具体实施例仅仅是制造和使用所公开的主题的说明性的具体方式，并且不限制不同实施例的范围。
[0029]将结合具体环境来描述实施例，S卩，硅通孔(TSV)结构。然而，其他实施例中也可以应用至其他的电气结构，包括但不限于，导电互连件、再定向层、球栅阵列、管芯安装结构、或任何其他导电结构。此外，虽然参考提供具有阻挡焊盘并且设置在用于封装件水平处理(诸如倒装芯片封装)中的衬底中的TSV来描述所呈现的原理，但是本领域普通技术人员将认识到可以将相同的原理有利地应用至其他规模。例如，本发明所呈现的原理可以应用于诸如印刷电路板的更高水平封装，或应用于管芯水平制造，诸如设置在半导体衬底材料中作为穿过芯片的主体的连接件的通孔，通孔在3D封装件或3D集成电路中使用以代替边缘布线互连系统。
[0030]本发明的概念是针对提供具有阻挡焊盘的嵌入式互连件或硅通孔以减少表面扭曲。阻挡焊盘可以以一深度设置在TSV中的导电焊盘下方，该深度足以降低表面导电焊盘中的金属晶体的平均尺寸并且创建用于附接互连件的更平滑的表面。
[0031]参考图1A，示出了衬底102上的TSV材料的典型的沉积的截面图。当在衬底102中形成通孔并且在衬底102上沉积导电TSV材料106时形成TSV104。理想的情况是，TSV材料106应完全地填充通孔。使用TSV材料106填充通孔过程中的空隙或其他物理的缺陷可能改变TSV 104的导电性能。在沉积TSV材料106的单独的层中，优选地使TSV材料填充通孔的长度和宽度。
[0032]TSV 104的直径通常在I微米和20微米之间。然而，TSV 104的直径可以具有任何适当的尺寸。TSV 104可以旨在承载特定的电流，并且因此，可以基于TSV 104的高度(推而广之，衬底102的厚度)、TSV材料106的电阻和所需要的电流容量来确定合适的最小直径。此外，TSV 104的最大直径仅实际上仅受到TSV 104的期望的密度的限制。
[0033]TSV材料106也可以由各种导电材料组成。本领域普通技术人员将认识到铜(Cu)可以是一种常用的TSV材料106，并且由于其低成本而是有利的。可选地，金(Au)、钯(Pd)、镍(Ni)、金镍合金(AuNi)、钛(Ti)、铝(Al)或任何其他充分的导电材料也可以有利地用作TSV 材料 106。
[0034]在金属TSV材料106中表现的一个特征是金属晶粒结构。任何金属块是由大量的晶粒制成的，晶粒是金属原子的封装结构中的规则性区域。在晶界处，原子变得未对准，从而生成已知为位错的不规则。诸如合金化、冷加工、退火和回火的金属化处理可以改变金属晶粒的布置和尺寸。例如，冷加工打破了较大晶粒结构，使金属更硬和更脆，同时退火使用热量，然后缓慢冷却以通过生长较大的晶粒结构来软化金属。
[0035]铜(Cu)、招(Al)、银(Ag)和金(Au)形成具有面心立方晶格的金属化晶体结构，从而形成立方体、八面体、十二面体和相关的晶体形态。相比之下，钛(Ti)、锌(Zn)、镉(Cd)形成六角形晶格，而钨(W)和钼(Mo)形成体心立方晶格。虽然一些金属形成相同类型的晶格，应当指出的是，晶格的间距可以不同，从而在两个沉积在一起的金属的界面处产生晶体结构不连续性。因此，金属类型可以决定晶体的晶格，这可以反过来决定TSV 104中的金属化晶粒结构的平均尺寸和形状。任何“晶种”或通过预先存在的化学物质的金属晶粒结构的影响也可以影响在TSV104中使用的金属的平均晶粒尺寸。
[0036]可以以任何合适的方式沉积TSV材料106，包括但不限制于电镀、浸没、化学汽相沉积、溅射、等离子体增强化学汽相沉积等。然而，沉积方法可以决定TSV材料106中的晶界的形成和物理性质。通孔的尺寸和几何形状也可以决定