CN103474395B - 一种tsv平坦化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种TSV平坦化方法，包括以下步骤：第一步，采用机械刮平的方式，处理完成TSV电镀的晶圆表面，消除表面凸出或凹坑；第二步，采用湿法腐蚀或电化学抛光的方式，减薄晶圆表面金属层；第三步，化学机械抛光，去除晶圆表面剩余金属层及扩散阻挡层。本发明的优点是：本发明在电镀填充后采用机械刮平的方式处理表面，消除凸出、凹陷等局部平坦化问题，而后再结合电化学抛光和CMP，提供TSV平坦化解决方案，该方案采用三步的方式，可以补偿电镀的部分缺陷，降低对TSV电镀填充步骤的压力，同时也降低了CMP工艺的压力，可以提高成品率，降低总体制造成本。

Description

一种TSV平坦化方法

技术领域

本发明涉及一种TSV平坦化方法，属于半导体制造技术领域。

背景技术

TSV（垂直硅通孔）电镀填充之后的平坦化，是TSV制造的关键步骤，其性能与电镀填充质量，平坦化方法，设备控制等因素相关，其工艺结果又直接影响后续工艺步骤的加工质量，因而如何补偿平坦化操作之前如电镀填充工艺的工艺缺陷以及如何保证平坦化工艺质量，是保证TSV制造成品率的关键之一。现有主流的实现方式是使用CMP的方式，该方法通过使用昂贵的精密设备，借助机械和化学的共同作用，去除TSV电镀后表面的金属层。由于TSV电镀后表面金属层较厚（一般超过3um,有时甚至超过5um），与IC制造中大马士革工艺相比（铜厚在1um以下），CMP过程需要去除的材料厚度较大，因而所需工艺时间较长，导致对应工艺成本较高，对应的一种可能解决方案是通过优化电镀填充效果，控制电镀填充后表面铜层厚度，这个非常困难，给电镀工艺带来很大成品率压力;另一种可能解决方案是在电镀后而在CMP之前，采用其他方式，削减表面金属厚度，一种具体方式是采用电化学抛光的方式，削减铜层厚度，但这种方式是一种共形腐蚀方式，晶圆各个位置处铜层的腐蚀速率基本相同，如果电镀后，铜层厚度存在局部的非均匀性，则无法补偿。实际工艺中经常遇到的填充效果：一是在TSV顶部有铜凸出，这给平坦化带来很大难度，即使使用电化学腐蚀的方式减薄铜厚，该凸出形貌也不会改善；二是在TSV顶部位置有凹坑，同样会给平坦化带来很大挑战，特别是TSV位置的凹陷控制方面，即使使用电化学腐蚀减薄铜厚，也不会改善表面凹陷形貌。

目前常规的方法还是使用CMP的方式，去除电镀填充后晶圆表面铜层，对应成本取决于电镀填充后晶圆表面铜层的具体厚度。目前如LAM Research Inc和盛美半导体(ACM Research)等设备厂商，还提供湿法腐蚀或电化学抛光的方式，可以在TSV电镀后削减表面铜厚，降低对CMP工艺的压力，整体上降低工艺成本。但采用这两步结合的方式（电化学腐蚀减薄+CMP），仅能处理电镀后晶圆表面较平坦的情况，如果电镀后在TSV位置存在凸出或凹坑等情况，则仍无法改善。

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TSV平坦化方法，以达到更佳的工艺效果。

按照本发明提供的技术方案，所述TSV平坦化方法包括以下步骤：

第一步，采用机械刮平的方式，处理完成TSV电镀的晶圆表面，消除表面凸出或凹坑；

第二步，采用湿法腐蚀或电化学抛光的方式，减薄晶圆表面金属层；

第三步，化学机械抛光，去除晶圆表面剩余金属层及扩散阻挡层。

作为优选，在进行所述第一步机械刮平操作之前，在所述晶圆表面涂覆一层聚合物层。

作为进一步的优选，所述在晶圆表面涂覆的聚合物层是但不限于是光刻胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯等材料

作为优选，在第二步减薄后，晶圆表面金属层厚度小于500nm。

作为优选，所述TSV由金属铜填充，填充方式为电镀。

作为优选，在实施第一步机械刮平操作之前，所述晶圆已经完成退火处理。

本发明的优点是：本发明在电镀填充后采用机械刮平的方式处理表面，消除凸出、凹坑等局部平坦化问题，而后再结合电化学抛光和CMP，提供TSV平坦化解决方案，该方案采用三步的方式，可以补偿电镀的部分缺陷，降低对TSV电镀填充步骤的压力，同时也降低了CMP工艺的压力，可以提高成品率，降低总体制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例对应TSV平坦化方法工艺流程框图。

图2是本发明实施例对应在衬底上已完成TSV电镀填充和退火操作的晶圆剖面示意图。

图3是本发明实施例对应在第一步处理结果示意图。

图4是本发明实施例对应在第二步处理结果示意图。

图5是本发明实施例对应在第三步处理结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示是本发明提出的一种TSV平坦化方法的一个较佳实施例对应的工艺流程框图，下面分别介绍各个步骤。

S0：如图2所示，在晶圆衬底1上已经完成TSV电镀填充和退火操作，填充材料4为金属铜，填充方法为电镀。TSV结构外围包括侧壁绝缘层2和TSV侧壁扩散阻挡层3。电镀和退火处理后晶圆表面铜层厚度为t1。后续需进行TSV平坦化处理。由于工艺缺陷或电镀不均匀性等，在电镀和退火之后，在一些TSV顶部会具有凸出或凹坑状形貌，如图2中在401位置的TSV顶部存在凸出形貌，在402位置的TSV顶端存在凹坑形貌。

S1：第一步，采用机械刮平的方式，处理晶圆衬底1表面金属层，消除表面凸出或凹坑状形貌，如图3所示，刮平处理后，晶圆表面剩余的铜厚度为t2，为消除表面全部凹陷，t1-t2数值需大于最大凹陷深度值。更加具体地,表面刮平操作可以采用日本Disco公司提供的表面整平机（Surface Planer）实现，其刮平后表面平均粗糙度可以控制在20nm以下。

可选地,在所述第一步机械刮平操作之前，可在晶圆表面涂覆一层聚合物层,包括但不限于是光刻胶、聚酰亚胺、苯并环丁烯等材料，并做固化处理，将表面凸出或凹坑形貌全部覆盖，用以保护第一步机械刮平操作过程中晶圆表面不致产生较大的划痕。

S2：第二步，使用湿法腐蚀或电化学抛光的方式，减薄晶圆表面铜层，如图4所示，处理后表面铜厚为t3，t3优选小于500nm的数值，减少对后续CMP工序的压力，降低整体工艺成本。

S3：第三步，使用化学机械抛光（CMP）的方式，将表面剩余铜层及铜层下面的扩散阻挡层3全部去除，完成TSV平坦化操作，如图5所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。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 (1)

1.一种TSV平坦化方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步，采用机械刮平的方式，处理已经完成TSV电镀和退火处理的晶圆表面，消除表面凸出或凹坑；所述TSV由金属铜填充，填充方式为电镀；电镀和退火处理后晶圆表面铜层厚度为t1，刮平处理后，晶圆表面剩余的铜厚度为t2，为消除表面全部凹陷，t1-t2数值需大于最大凹陷深度值；表面刮平操作采用表面整平机实现，刮平后表面平均粗糙度控制在20nm以下；

在所述第一步机械刮平操作之前，在晶圆表面涂覆一层聚合物层，并做固化处理，将表面凸出或凹坑形貌全部覆盖，用以保护第一步机械刮平操作过程中的晶圆表面；所述在晶圆表面涂覆的聚合物层材料是光刻胶、聚酰亚胺或苯并环丁烯；

第二步，采用湿法腐蚀或电化学抛光的方式，减薄晶圆表面金属层，使得晶圆的表面金属层厚度小于500nm；

第三步，化学机械抛光，去除晶圆表面剩余金属层及扩散阻挡层。