CN104716090A - 一种tsv晶圆表面抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种TSV晶圆表面抛光方法，先用H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面的铜层进行腐蚀处理；然后采用热剥离双面胶带将晶圆粘接到陶瓷盘上，进行晶圆制样过程；再将晶圆整体放置于贴附抛光垫的转动盘上进行抛光去除铜层；最后加热取下陶瓷盘后采用Ta或Ti腐蚀液，去除TSV盲孔电镀晶圆表面对应的Ta或Ti阻挡层，完成对TSV晶圆表面的抛光。通过增加对TSV盲孔电镀晶圆表面的微处理，改善盲孔电镀晶圆表面状态，利于对铜层的抛光，降低抛光的成本；工艺操作简单，成本低，能够适用于不同尺寸晶圆及残片；通过采用热剥离双面胶带能提高晶圆制样过程中厚度均匀性，提高TSV盲孔电镀晶圆抛光后晶圆表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体加工的工艺方法，具体为一种TSV晶圆表面抛光方法。
背景技术
在硅穿孔技术(TSV；Through Silicon Via)工艺中，晶圆形成通孔后，一般采用在通孔中电镀金属Cu形成垂直电互连。晶圆电镀后会在晶圆表面厚度一定厚度的Cu层，受通孔尺寸和电镀时间控制，晶圆表面Cu层厚度为十、几十微米。晶圆表面上Cu层需要被去除，以便在晶圆表面进行后续工艺，如涂胶、光刻等。较厚Cu层去除效果将直接影响晶圆表面后续工艺质量。
目前对于TSV工艺中晶圆表面Cu层均采用集成电路制造中标准化学机械抛光机台进行。即在圆形转动盘上贴附抛光垫，采用真空盘吸附晶圆背面压在抛光垫上，给予晶圆背面一定下压力，使用金属Cu用抛光液浸润抛光垫，同时旋转真空盘和转动盘，达到去除Cu层目的，但其质量无法保证稳定和统一。化学机械抛光机台价格昂贵，且TSV工艺中形成的Cu层较厚，需要抛光时间长，采用该方法成本较高；且化学机械抛光机台仅能抛光一种大尺寸晶圆，适应性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种简单且经济有效，保证抛光质量，能同时或分开处理不同尺寸晶圆或残片的TSV晶圆表面抛光方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种TSV晶圆表面抛光方法，先用H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面的铜层进行腐蚀处理；然后采用热剥离双面胶带将晶圆粘接到陶瓷盘上，进行晶圆制样过程；再将晶圆整体放置于贴附抛光垫的转动盘上进行抛光去除铜层；最后加热取下陶瓷盘后采用Ta或Ti腐蚀液，去除TSV盲孔电镀晶圆表面对应的Ta或Ti阻挡层，完成对TSV晶圆表面的抛光。
优选的，具体步骤如下，
步骤1，采用稀H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面铜层腐蚀；其中H2SO4溶液为质量分数为98％的浓H2SO4加入1～10倍体积比的H2O稀释而成；双氧水的体积为H2SO4溶液的1～5倍，腐蚀时间为2-8分钟；
步骤2，TSV盲孔电镀晶圆粘片制样，采用热剥离双面胶带一面粘接晶圆背面，另一面粘接在陶瓷盘上，之后整体放置于贴附抛光垫的转动盘上；
步骤3，在陶瓷盘上加压力，采用金属铜抛光液，调节陶瓷盘和转动盘转速，抛光去除铜层；
步骤4，TSV盲孔电镀晶圆抛光铜完成后，进行高温去胶带黏性取下晶圆；
步骤5，采用Ta或Ti腐蚀液，去除晶圆表面剩余Ta或Ti阻挡层，完成对TSV晶圆表面的抛光。
进一步，步骤1中，当铜层厚度小于等于10微米时，腐蚀时间为2-4分钟；当铜层厚度大于10微米时，腐蚀时间为4-8分钟。
进一步，步骤2中，采用压力将晶圆压紧粘接在陶瓷盘上，压力最低为0.1Mpa，保压时间最低为100s。
进一步，步骤3中，先后采用高速高压力和低速低压力分两次抛光去除铜层，具体步骤如下，
步骤3.1，一次高速抛光铜层时，给陶瓷盘施加下压力为4～6Kg，转动盘转速控制为50～80rpm/min，陶瓷盘转速控制为40～50rpm/min，转动盘上表面滴加铜抛光液的速率为2～3ml/min；
步骤3.2，二次低速抛光铜层，给陶瓷盘施加下压力为2～3Kg，转动盘转速控制为40～50rpm/min，陶瓷盘转速控制为20～40rpm/min，转动盘上表面滴加铜抛光液的速率为3～4.5ml/min。
进一步，步骤4中，热剥离双面胶带时，控制温度在70℃～150℃，保持时间为7-10min。
优选的，铜抛光液的组分如下，每配置1L溶液其中包括氧化剂双氧水为150-250ml，络合剂柠檬酸为7-9g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为7-9g，余量为水。
优选的，铜抛光液的组分如下，每配置1L溶液其中包括氧化剂双氧水为200ml，络合剂柠檬酸为8.5g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为8g，余量为水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过增加对TSV盲孔电镀晶圆表面的微处理，改善盲孔电镀晶圆表面状态，有利于对其表面铜的抛光，同时降低抛光的成本；不仅工艺操作简单，成本低，而且能够适用于不同尺寸晶圆及残片；然后通过采用热剥离双面胶带能提高晶圆制样过程中厚度均匀性，提高TSV盲孔电镀晶圆抛光后晶圆表面质量；极大的提高了其抛光的质量和表面处理的品质。
进一步的，通过分别采用在高速高压和低速低压的条件下进行二次抛光铜工艺过程，即提高了抛光速度，又保证了Cu抛光后晶圆表面质量。
附图说明
图1是本发明实例中TSV铜层抛光工艺流程框图。
图2为本发明实例中TSV盲孔电镀晶圆示意图。
图3为本发明实例中采用热剥离双面胶带将晶圆粘接到陶瓷盘示意图。
图4为本发明实例中TSV盲孔电镀晶圆表面铜层抛光后示意图。
图5为本发明实例中TSV盲孔电镀晶圆去热双面胶带后示意图。
图6为本发明实例中TSV盲孔电镀晶圆去阻挡层Ta或Ti后示意图。
图中：1为Si衬底，2未SiO2绝缘层，3为Ta或Ti粘附层，4为金属铜层，5为热剥离双面胶带，6为陶瓷盘。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
本优选实施例用于去除TSV盲孔电镀晶圆表面金属Cu和Ta，Cu层厚度为15μm，Ta层厚度为100nm，抛光后晶圆表面盲孔处凹陷小于2μm。根据本发明具体实施步骤如下：
整个工艺流程参见图1。
1.首先对TSV盲孔电镀晶圆表面进行表面处理，参见图2，采用H2SO4溶液和双氧水混合溶液对厚Cu腐蚀；
2.接着进行晶圆制样过程，采用热剥离双面胶带将晶圆粘接到陶瓷盘上，参见图3，之后整体放置于贴附抛光垫的转动盘上；
3.在陶瓷盘上加压力，采用金属Cu抛光液，调节陶瓷盘和转动盘转速，先后采用高速高压力和低速低压力情况下去除Cu层，参见图4；
4.加热粘接晶圆的陶瓷盘，取下去除Cu层晶圆，参见图5；
5.采用Ta腐蚀液，去除TSV盲孔电镀晶圆表面阻挡层，参见图6。
具体工艺步骤如下：
步骤1.H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面Cu层腐蚀，H2SO4溶液为质量分数为98％的浓H2SO4加入体积比7倍的H2O稀释而成，H2SO4溶液：双氧水的体积比＝1：2，腐蚀时间4min。
步骤2.采用日东3139#胶带热剥离双面胶带对TSV盲孔电镀晶圆进程粘片制样，压力为0.2Mpa，保压时间为150s。
步骤3.一次高速抛光Cu层，施加下压力为4Kg，转动盘转速控制为60rpm/min，陶瓷盘转速控制为40rpm/min，Cu抛光液2.4ml/min。自制Cu抛光液为：配置1L溶液，氧化剂双氧水为200ml，络合剂柠檬酸为8.5g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为8g，余量为水。
步骤4.二次低速抛光Cu层，施加下压力为2Kg，转动盘转速控制为40rpm/min，陶瓷盘转速控制为20rpm/min，Cu抛光液3.6ml/min。
步骤5.TSV盲孔电镀晶圆抛光Cu完成后，晶圆与陶瓷盘一起放置于热盘上，控制温度为120℃，时间为8min。
步骤6.采用Ta腐蚀液，去除晶圆表面剩余阻挡层Ta。
实施例2：
本实施例用于去除TSV盲孔电镀晶圆表面金属Cu和Ti，Cu层厚度为30μm，Ti层厚度为100nm，抛光后晶圆表面盲孔处凹陷小于2μm。根据本发明具体实施步骤如图1到图6所示，步骤如下。
步骤1.H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面Cu层腐蚀，H2SO4溶液为质量分数为98％的浓H2SO4加入体积比3倍的H2O稀释而成，H2SO4溶液：双氧水的体积比＝1：2，腐蚀时间8min。
步骤2.采用日东3139#胶带热剥离双面胶带对TSV盲孔电镀晶圆进程粘片制样，压力为0.2Mpa，保压时间为150s。
步骤3.一次高速抛光Cu层，施加下压力为6Kg，转动盘转速控制为70rpm/min，陶瓷盘转速控制为50rpm/min，Cu抛光液3ml/min。自制Cu抛光液为：配置1L溶液，氧化剂双氧水为200ml，络合剂柠檬酸为8.5g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为8g，余量为水。
步骤4.二次低速抛光Cu层，施加下压力为2Kg，转动盘转速控制为40rpm/min，陶瓷盘转速控制为20rpm/min，Cu抛光液3.6ml/min。
步骤5.TSV盲孔电镀晶圆抛光Cu完成后，晶圆与陶瓷盘一起放置于热盘上，控制温度为120℃，时间为8min。
步骤6.采用Ti腐蚀液，去除晶圆表面剩余阻挡层Ti。
实施例3：
本实施例用于去除TSV盲孔电镀晶圆表面金属Cu和Ti，Cu层厚度为5μm，Ti层厚度为100nm，抛光后晶圆表面盲孔处凹陷小于2μm。根据本发明具体实施步骤如图1到图6所示，步骤如下。
步骤1.H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面Cu层腐蚀，H2SO4溶液为质量分数为98％的浓H2SO4加入体积比10倍的H2O稀释而成，H2SO4溶液：双氧水的体积比＝1：5，腐蚀时间6min。
步骤2.采用日东3139#胶带热剥离双面胶带对TSV盲孔电镀晶圆进程粘片制样，压力为0.1Mpa，保压时间为100s。
步骤3.一次高速抛光Cu层，施加下压力为5Kg，转动盘转速控制为80rpm/min，陶瓷盘转速控制为45rpm/min，Cu抛光液2ml/min。自制Cu抛光液为：配置1L溶液，氧化剂双氧水为150ml，络合剂柠檬酸为7g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为9g，余量为水。
步骤4.二次低速抛光Cu层，施加下压力为3Kg，转动盘转速控制为50rpm/min，陶瓷盘转速控制为40rpm/min，Cu抛光液4.5ml/min。
步骤5.TSV盲孔电镀晶圆抛光Cu完成后，晶圆与陶瓷盘一起放置于热盘上，控制温度为150℃，时间为7min。
步骤6.采用Ti腐蚀液，去除晶圆表面剩余阻挡层Ti。
实施例4：
本实施例用于去除TSV盲孔电镀晶圆表面金属Cu和Ta，Cu层厚度为45μm，Ta层厚度为100nm，抛光后晶圆表面盲孔处凹陷小于2μm。根据本发明具体实施步骤如图1到图6所示，步骤如下。
步骤1.H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面Cu层腐蚀，H2SO4溶液为质量分数为98％的浓H2SO4加入体积比1倍的H2O稀释而成，H2SO4溶液：双氧水的体积比＝1：1，腐蚀时间2min。
步骤2.采用日东3139#胶带热剥离双面胶带对TSV盲孔电镀晶圆进程粘片制样，压力为0.3Mpa，保压时间为120s。
步骤3.一次高速抛光Cu层，施加下压力为6Kg，转动盘转速控制为50rpm/min，陶瓷盘转速控制为40rpm/min，Cu抛光液2.8ml/min。自制Cu抛光液为：配置1L溶液，氧化剂双氧水为250ml，络合剂柠檬酸为9g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为9g，余量为水。
步骤4.二次低速抛光Cu层，施加下压力为3Kg，转动盘转速控制为45rpm/min，陶瓷盘转速控制为30rpm/min，Cu抛光液3ml/min。
步骤5.TSV盲孔电镀晶圆抛光Cu完成后，晶圆与陶瓷盘一起放置于热盘上，控制温度为70℃，时间为10min。
步骤6.采用Ta腐蚀液，去除晶圆表面剩余阻挡层Ta。
实施例5：
本实施例用于去除TSV盲孔电镀晶圆表面金属Cu和Ta，Cu层厚度为20μm，Ta层厚度为100nm，抛光后晶圆表面盲孔处凹陷小于2μm。根据本发明具体实施步骤如图1到图6所示，步骤如下。
步骤1.H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面Cu层腐蚀，H2SO4溶液为质量分数为98％的浓H2SO4加入体积比5倍的H2O稀释而成，H2SO4溶液：双氧水的体积比＝1：3，腐蚀时间2min。
步骤2.采用日东3139#胶带热剥离双面胶带对TSV盲孔电镀晶圆进程粘片制样，压力为0.2Mpa，保压时间为130s。
步骤3.一次高速抛光Cu层，施加下压力为4Kg，转动盘转速控制为80rpm/min，陶瓷盘转速控制为50rpm/min，Cu抛光液2.8ml/min。自制Cu抛光液为：配置1L溶液，氧化剂双氧水为180ml，络合剂柠檬酸为7g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为7g，余量为水。
步骤4.二次低速抛光Cu层，施加下压力为2Kg，转动盘转速控制为50rpm/min，陶瓷盘转速控制为40rpm/min，Cu抛光液3.3ml/min。
步骤5.TSV盲孔电镀晶圆抛光Cu完成后，晶圆与陶瓷盘一起放置于热盘上，控制温度为100℃，时间为9min。
步骤6.采用Ta腐蚀液，去除晶圆表面剩余阻挡层Ta。
Claims (8)
1.一种TSV晶圆表面抛光方法，其特征在于，先用H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面的铜层进行腐蚀处理；然后采用热剥离双面胶带将晶圆粘接到陶瓷盘上，进行晶圆制样过程；再将晶圆整体放置于贴附抛光垫的转动盘上进行抛光去除铜层；最后加热取下陶瓷盘后采用Ta或Ti腐蚀液，去除TSV盲孔电镀晶圆表面对应的Ta或Ti阻挡层，完成对TSV晶圆表面的抛光。
2.根据求权利要求1所述的一种TSV晶圆表面抛光方法，其特征在于，具体步骤如下，
步骤1，采用稀H2SO4溶液和双氧水混合溶液对TSV盲孔电镀晶圆表面铜层腐蚀；其中H2SO4溶液为质量分数为98％的浓H2SO4加入1～10倍体积比的H2O稀释而成；双氧水的体积为H2SO4溶液的1～5倍，腐蚀时间为2-8分钟；
步骤2，TSV盲孔电镀晶圆粘片制样，采用热剥离双面胶带一面粘接晶圆背面，另一面粘接在陶瓷盘上，之后整体放置于贴附抛光垫的转动盘上；
步骤3，在陶瓷盘上加压力，采用金属铜抛光液，调节陶瓷盘和转动盘转速，抛光去除铜层；
步骤4，TSV盲孔电镀晶圆抛光铜完成后，进行高温去胶带黏性取下晶圆；
步骤5，采用Ta或Ti腐蚀液，去除晶圆表面剩余Ta或Ti阻挡层，完成对TSV晶圆表面的抛光。
3.根据求权利要求2所述的一种TSV晶圆表面抛光方法，其特征在于，所述的步骤1中，当铜层厚度小于等于10微米时，腐蚀时间为2-4分钟；当铜层厚度大于10微米时，腐蚀时间为4-8分钟。
4.根据求权利要求2所述的一种TSV晶圆表面抛光方法，其特征在于，所述的步骤2中，采用压力将晶圆压紧粘接在陶瓷盘上，压力最低为0.1Mpa，保压时间最低为100s。
5.根据求权利要求2所述的一种TSV晶圆表面抛光方法，其特征在于，所述的步骤3中，先后采用高速高压力和低速低压力分两次抛光去除铜层，具体步骤如下，
步骤3.1，一次高速抛光铜层时，给陶瓷盘施加下压力为4～6Kg，转动盘转速控制为50～80rpm/min，陶瓷盘转速控制为40～50rpm/min，转动盘上表面滴加铜抛光液的速率为2～3ml/min；
步骤3.2，二次低速抛光铜层，给陶瓷盘施加下压力为2～3Kg，转动盘转速控制为40～50rpm/min，陶瓷盘转速控制为20～40rpm/min，转动盘上表面滴加铜抛光液的速率为3～4.5ml/min。
6.根据求权利要求2所述的一种TSV晶圆表面抛光方法，其特征在于，所述的步骤4中，热剥离双面胶带时，控制温度在70℃～150℃，保持时间为7-10min。
7.根据求权利要求1所述的一种TSV晶圆表面抛光方法，其特征在于，所述的铜抛光液的组分如下，每配置1L溶液其中包括氧化剂双氧水为150-250ml，络合剂柠檬酸为7-9g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为7-9g，余量为水。
8.根据求权利要求1所述的一种TSV晶圆表面抛光方法，其特征在于，所述的铜抛光液的组分如下，每配置1L溶液其中包括氧化剂双氧水为200ml，络合剂柠檬酸为8.5g，腐蚀抑制剂苯丙三唑为8g，余量为水。
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