CN103474394A - 免金属cmp的tsv工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种免金属CMP的TSV工艺方法，包括：提供晶圆作为衬底，在晶圆中形成盲孔，在晶圆上表面和盲孔的内壁上制作绝缘层；在晶圆上表面和盲孔内壁的绝缘层上制作阻挡层和种子层；在盲孔中填充第二金属材料；利用电化学抛光技术去除填充盲孔过程中在晶圆表面的第二金属材料和所述种子层；对晶圆进行退火工艺；用湿法刻蚀工艺去除晶圆表面的阻挡层；利用电化学抛光技术对盲孔中填充的第二金属材料的顶部和晶圆表面之间的台阶进行修正；在晶圆表面均匀涂覆一层第一介质层；实现第一介质层的图形化，在盲孔顶部位置形成第一介质层通孔；在第一介质层上和第一介质层通孔中形成第一再布线结构。本方法能够大幅降低TSV工艺成本。

Description

免金属CMP的TSV工艺方法
技术领域
本发明涉及一种封装技术，尤其是一种免金属CMP的TSV工艺方法。
背景技术
目前硅通孔的填充的主流工艺是使用铜电镀工艺，电镀工艺需要的种子层及电镀过程中在晶圆表面产生的铜层（面铜）及阻挡层使用化学机械抛光（CMP）的方式去除，然后重新淀积阻挡层制作再布线结构。由于CMP设备昂贵，阻挡层的去除和再淀积过程成本较高所以这种工艺方法的成本居高不下。专利公开号为：EP1382065 A1的《Electropolishing metal layers on wafers having trenches or vias with dummy structure》中揭示了一种用于大马士革工艺的电化学抛光技术，该专利主要阐述了半导体前道铜互连结构的形成方法，并没有提及免金属CMP的TSV工艺方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种免金属CMP的TSV工艺方法,通过利用电化学抛光技术结合湿法刻蚀工艺去除晶圆表面的铜层和晶圆表面的阻挡层，能够大幅降低工艺成本。本发明采用的技术方案是：
一种免金属CMP的TSV工艺方法，包括以下步骤：
S1.提供晶圆作为衬底，在晶圆中形成盲孔，并在晶圆上表面和盲孔的内壁上制作绝缘层；
S2.在晶圆上表面和盲孔内壁的绝缘层上制作阻挡层和种子层；种子层位于阻挡层之外，种子层的材料为金属；
S3.在盲孔中填充第二金属材料，所采用的第二金属材料和种子层的材料相同；
S4.利用电化学抛光技术去除步骤S3填充盲孔过程中在晶圆表面的第二金属材料和所述种子层；并控制盲孔中填充的第二金属材料的顶部和阻挡层之间的台阶高度在限定范围之内；
S5.对晶圆进行退火工艺；然后用湿法刻蚀工艺去除晶圆表面的阻挡层；
S6.利用电化学抛光技术对盲孔中填充的第二金属材料的顶部和晶圆表面之间的台阶进行修正，使得该台阶趋于消失；
S7.在晶圆表面均匀涂覆一层第一介质层；
S8.实现第一介质层的图形化，在盲孔顶部位置形成第一介质层通孔；
S9.在第一介质层上和第一介质层通孔中利用电镀工艺形成第一再布线结构。
S10.完成第一再布线结构后，在晶圆表面涂覆一层第二介质层；
S11.利用光刻工艺实现第二介质层的图形化，在第二介质层中形成第二介质层通孔；
S12.在晶圆表面利用电镀工艺制作微凸点结构，所述微凸点结构通过第二介质层通孔与第一再布线结构电连接。
所述步骤S9之后，还包括下述步骤：
S10.完成第一再布线结构后，在晶圆表面涂覆一层第二介质层；
S11.利用光刻工艺实现第二介质层的图形化，在第二介质层中形成第二介质层通孔；
S12.在晶圆表面利用电镀工艺制作微凸点结构，所述微凸点结构通过第二介质层通孔与第一再布线结构电连接。
所述步骤S1中，具体利用深反应离子刻蚀工艺在晶圆中形成盲孔。
所述步骤S2中，具体利用PVD工艺在晶圆上表面和盲孔内壁的绝缘层上淀积制作阻挡层和种子层。
所述阻挡层的材料选自钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、氮化钨、钒、氮化钒、铌、氮化铌中的一种。
所述种子层的材料和盲孔中填充的第二金属材料均为铜。
所述步骤S3中，具体利用电镀工艺在盲孔中填充第二金属材料。
所述步骤S4中，控制盲孔中填充的第二金属材料的顶部和阻挡层之间的台阶高度在-3um到3um之内。
所述步骤S5中，可以先用湿法刻蚀工艺去除晶圆表面的阻挡层然后再对晶圆进行退火工艺。
所述微凸点结构含两部分，下部为铜柱，顶部为用于改善键合效果的盖帽结构。
本发明的优点：本工艺方法可以在满足TSV工艺集成要求的同时大幅降低TSV工艺的成本，降低TSV工艺产业化门槛和制造成本。
附图说明
图1为在晶圆中形成盲孔和制作绝缘层示意图。
图2为制作阻挡层和种子层示意图。
图3为在盲孔中填充第二金属材料示意图。
图4为去除晶圆表面的种子层示意图。
图5为对晶圆进行退火工艺和去除晶圆表面的阻挡层示意图。
图6为对盲孔中填充的第二金属材料的顶部和晶圆表面之间的台阶进行修正示意图。
图7为在晶圆表面涂覆第一介质层示意图。
图8为实现第一介质层的图形化、形成第一介质层通孔示意图。
图9为形成第一再布线结构示意图。
图10为在晶圆表面涂覆第二介质层示意图。
图11为实现第二介质层的图形化、中形成第二介质层通孔示意图。
图12为在晶圆表面利用电镀工艺制作微凸点结构示意图。
图13为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种免金属CMP的TSV工艺方法，包括以下步骤：
S1.如图1所示，提供晶圆1作为衬底，利用深反应离子刻蚀工艺在晶圆1中形成盲孔3（TSV孔），并在晶圆1上表面和盲孔3的内壁上制作绝缘层2；
盲孔3的深度和直径可根据具体要求而定，深宽比一般不小于3:1。绝缘层2的材料可以是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机聚合物等材料，该层结构可以是以上材料的一层或多层结构。
S2.如图2所示，利用PVD（物理气相淀积）工艺在晶圆1上表面和盲孔3内壁的绝缘层2上淀积制作阻挡层401和种子层402，构成金属层4；种子层402位于阻挡层401之外，种子层402的材料为金属；
阻挡层401的材料可以是钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、氮化钨、钒、氮化钒、铌、氮化铌等；种子层402的材料在本实施例中优选为铜。
S3.如图3所示，利用电镀工艺在盲孔3中填充第二金属材料5，所采用的第二金属材料5和种子层402的材料相同；本实施例中优选为铜。
S4.如图4所示，利用电化学抛光技术去除步骤S3填充盲孔3过程中在晶圆1表面的第二金属材料5和所述种子层402（即清除铜层）；该工艺方法利用电解液在20-50℃范围内电解铜，电解液可以回收，工艺耗材成本比化学机械抛光工艺（CMP）耗材低70%以上，可以大幅降低工艺成本；并控制盲孔3中填充的第二金属材料5的顶部和阻挡层401之间的台阶高度在-3um到3um之内；此时的台阶高度如图4中的标记6所示。
该步常规工艺为化学机械抛光，工艺设备昂贵，工艺过程耗材成本很高，本方案里以设备价格低廉、耗材成本廉价的电化学抛光技术代替化学机械抛光工艺，可以大幅降低工艺成本。
S5.如图5所示，对晶圆1进行退火工艺；由于退火过程中铜的塑性形变，退火工艺后盲孔3中填充的第二金属材料5（铜）的顶部和阻挡层401之间的台阶高度会发生变化。然后用湿法刻蚀工艺去除晶圆表面的阻挡层401，以上两步工艺顺序可以颠倒。本工艺后的台阶高度如图5中的标记7所示。
常规工艺中阻挡层401的去除也是采用化学机械抛光工艺，工艺成本很高，本方案里以低廉的湿法刻蚀工艺代替化学机械抛光工艺，可以大幅降低工艺成本。
S6.如图6所示，由于电解液只能与铜反应（不会溶解绝缘层2的材料），此步骤中利用电化学抛光技术对盲孔3中填充的第二金属材料5的顶部和晶圆表面之间的台阶进行修正，使得该台阶趋于消失；即图6中所示的台阶高度8需要趋向于0；小台阶高度可以保证再布线结构比较平整。
常规工艺中是采用化学机械抛光工艺实现表面平坦化，本方案利用铜塑性形变产生膨胀以及电化学抛光只与铜反应的特点，实现晶圆表面台阶的消除，从而绕过了化学机械抛光工艺，降低了工艺成本。
S7.如图7所示，完成TSV顶部台阶高度8修复后，在晶圆1表面均匀涂覆一层第一介质层9，该层可以采用聚酰亚胺、PBO等有机材料，也可采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等材料，根据工艺需要膜厚在2-10um范围。
S8.如图8所示，利用光刻工艺实现第一介质层9的图形化，在盲孔3顶部位置形成第一介质层通孔10；
S9.如图9所示，在第一介质层9上和第一介质层通孔10中利用电镀工艺形成第一再布线结构11，第一再布线结构的厚度为0.3-5um；
S10.如图10所示，完成第一再布线结构11后，在晶圆表面均匀涂覆一层第二介质层12，该层可以采用聚酰亚胺、PBO等有机材料，也可采用二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等材料，根据工艺需要膜厚在5-20um范围。
S11.如图11所示，利用光刻工艺实现第二介质层12的图形化，在第二介质层12中形成第二介质层通孔13；
S12.如图12所示，在晶圆1表面利用电镀工艺制作微凸点结构14，微凸点结构14含两部分，下部为铜柱，顶部为用于改善键合效果的盖帽结构，该结构可以为钛、镍、银等材料。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.提供晶圆(1)作为衬底，在晶圆(1)中形成盲孔(3)，并在晶圆(1)上表面和盲孔(3)的内壁上制作绝缘层(2)；
S2.在晶圆(1)上表面和盲孔(3)内壁的绝缘层(2)上制作阻挡层(401)和种子层(402)；所述种子层(402)位于阻挡层(401)之外，种子层(402)的材料为金属；
S3.在盲孔(3)中填充第二金属材料(5)，所采用的第二金属材料(5)和种子层(402)的材料相同；
S4.利用电化学抛光技术去除步骤S3填充盲孔(3)过程中在晶圆(1)表面的第二金属材料(5)和所述种子层(402)；并控制盲孔(3)中填充的第二金属材料(5)的顶部和阻挡层(401)之间的台阶高度在限定范围之内；
S5.对晶圆(1)进行退火工艺；然后用湿法刻蚀工艺去除晶圆表面的阻挡层(401)；
S6.利用电化学抛光技术对盲孔(3)中填充的第二金属材料(5)的顶部和晶圆表面之间的台阶进行修正，使得该台阶趋于消失；
S7.在晶圆(1)表面涂覆一层第一介质层(9)；
S8.实现第一介质层(9)的图形化，在盲孔(3)顶部位置形成第一介质层通孔(10)；
S9.在第一介质层(9)上和第一介质层通孔(10)中形成第一再布线结构(11)。
2.如权利要求1所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所述步骤S9之后，还包括下述步骤：
S10.完成第一再布线结构(11)后，在晶圆表面涂覆一层第二介质层(12)；
S11.利用光刻工艺实现第二介质层(12)的图形化，在第二介质层(12)中形成第二介质层通孔(13)；
S12.在晶圆表面利用电镀工艺制作微凸点结构(14)，所述微凸点结构(14)通过第二介质层通孔(13)与第一再布线结构(11)电连接。
3.如权利要求1所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所述步骤S1中，具体利用深反应离子刻蚀工艺在晶圆(1)中形成盲孔(3)。
4.如权利要求1所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所述步骤S2中，具体利用PVD工艺在晶圆(1)上表面和盲孔(3)内壁的绝缘层(2)上淀积制作阻挡层(401)和种子层(402)。
5.如权利要求1所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所述阻挡层(401)的材料选自钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、氮化钨、钒、氮化钒、铌、氮化铌中的一种。
6.如权利要求1所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所述种子层(402)的材料和盲孔(3)中填充的第二金属材料(5)均为铜。
7.如权利要求1所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所述步骤S3中，具体利用电镀工艺在盲孔(3)中填充第二金属材料(5)。
8.如权利要求1所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所属步骤S4中，控制盲孔(3)中填充的第二金属材料(5)的顶部和阻挡层(401)之间的台阶高度在-3um到3um之内。
9.如权利要求1所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所述步骤S5中，可以先用湿法刻蚀工艺去除晶圆表面的阻挡层(401)然后再对晶圆(1)进行退火工艺。
10.如权利要求2所述的免金属CMP的TSV工艺方法，其特征在于：所述微凸点结构(14)含两部分，下部为铜柱，顶部为用于改善键合效果的盖帽结构。
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