CN113059405A - 半导体结构的加工方法及清洗装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体结构的加工方法，包括采用电化学抛光工艺，将高出阻挡层顶面的铜层厚度减薄；采用湿法刻蚀工艺，去除减薄后的铜层顶面的氧化层；采用化学机械抛光工艺，去除高出阻挡层顶面的剩余铜层；采用湿法刻蚀工艺，去除高出多晶硅层顶面的阻挡层；将晶圆的正面朝下，采用等离子体由下至上轰击晶圆正面，去除晶圆表面的颗粒。通过电化学抛光减薄铜层，降低化学机械抛光工艺抛光液用量，达到降低成本的目的，同时采用湿法刻蚀去除阻挡层，减少晶圆表面划伤缺陷的出现。同时还提出了一种清洗装置，将晶圆倒置在工艺腔顶部，使得等离子体由下至上轰击晶圆表面，以使颗粒在重力作用下自由下落，达到较好地颗粒去除效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种半导体结构的加工方法及清洗装置。
背景技术
随着对芯片和电子产品的性能、尺寸、可靠性以及低功耗等要求越来越高，促使晶圆级封装技术不断突破发展。在晶圆级封装制程中，可将集成电路(IC)制造工艺应用到后段封装工艺中。
由于铜具有较高的导电性，因此，在IC制造及后段封装中，被广泛用于形成互连结构。通常，铜金属层的沉积采用电镀方式，在后段封装中，由于晶圆表面的图案通常较IC前段具有更大的深宽比，例如为实现叠层封装采用的TSV(硅穿孔)技术，穿孔的孔径一般在5～10μm，而其深度则达到了50～100μm。采用电镀铜的方式将该穿孔填充满，由于该穿孔较深，电镀时需要的时间更长、电流密度也更高，这将导致晶圆正面的铜层厚度较高，最厚可能高达30～40μm，而传统IC制造过程中的铜层厚度仅为0.7μm左右。
在电镀后，晶圆表面形成的较厚铜层需要被去除。传统的晶圆表面平坦化工艺是采用CMP(化学机械平坦化)这一单一方式来去除铜层，鉴于铜层较厚，在传统工艺中，将CMP抛光大致分为三个阶段：1、CMP铜快抛；2、CMP铜精抛；3、阻挡层抛光。在该抛光过程中，将会消耗大量的抛光液，该抛光液不仅价格昂贵，而且为一次性使用的消耗品，因此，较厚铜层去除时单纯使用CMP抛光成本较高。
另外，在铜层抛光后，晶圆上的抛光液以及沾污颗粒需要被清洗干净，在封装阶段的CMP抛光后，通常采用毛刷进行刷洗，而毛刷仅能刷洗掉部分大颗粒，对一些微小颗粒，尤其是嵌入在晶圆表面图案中的颗粒，毛刷的清洗作用较小，以致清洗结束后，部分小颗粒仍然残留在晶圆表面，此类污染如果不能得到有效控制将会严重影响产品的良率、性能以及可靠性。
发明内容
针对电镀铜后，晶圆表面铜层较厚，采用当前主流的CMP工艺去除铜层，带来的成本较高且抛光后清洗效果不理想的问题，本发明提出了一种半导体结构的加工方法及清洗装置，能够有效降低成本，并能够解决抛铜后清洗不彻底的问题。
本发明所采用的技术方案具体是这样实现的：先采用电化学抛光去除高于阻挡层顶面的大部分铜层，将铜层厚度减薄至0.2μm～0.4μm，再采用湿法刻蚀去除电化学抛光工艺中在减薄铜层顶面形成的氧化层，然后经化学机械抛光(CMP)将剩余较薄铜层全部去除，裸露出阻挡层，接下来经湿法刻蚀去除高出多晶硅层的阻挡层，最后，由等离子体自下而上轰击晶圆表面，去除颗粒污染物。在该方案中，采用电化学抛光工艺减薄晶圆表面铜层厚度，降低CMP工艺的时间，整体上降低工艺成本，并采用等离子体自下而上轰击清洗技术，使颗粒在轰击及重力作用下脱离晶圆表面，完成晶圆表面的深度清洁。
具体地，本发明提出一种半导体结构的加工方法，半导体结构包括晶圆，以及依次形成在晶圆正面的多晶硅层、阻挡层和铜层，该方法包括以下步骤：
S1：采用电化学抛光工艺，将高出阻挡层顶面的铜层厚度减薄；
S2：采用湿法刻蚀工艺，去除减薄后铜层顶面的氧化层；
S3：采用化学机械抛光工艺，去除高出阻挡层顶面的剩余铜层，并暴露出高出多晶硅层顶面的阻挡层；
S4：采用湿法刻蚀工艺，去除高出多晶硅层顶面的阻挡层；
S5：将晶圆的正面朝下，采用等离子体由下至上轰击晶圆正面，去除晶圆表面的颗粒。
优选地，在步骤S1中，高出所述阻挡层顶面的铜层厚度减薄至0.2μm～0.4μm。
优选地，所述阻挡层由Ta、TaN、Ti、TiN、Co、Ru中的任意一种或两种材料构成。
优选地，在步骤S5中，包括以下步骤：
S51：将晶圆正面朝下固定在工艺腔的顶部，工艺腔的顶面绝缘，工艺腔的底面导电；
S52：将工艺腔内抽真空后，通入工艺气体；
S53：启动射频线圈，以激发工艺气体形成等离子体，等离子体由下向上轰击晶圆表面颗粒，以使颗粒在重力作用下脱离晶圆表面。
优选地，工艺腔内压力维持在10torr以下。
优选地，所述工艺气体为惰性气体。
优选地，所述射频线圈的输出功率控制在20w-300w以内，轰击时间控制在5min-30min以内，工艺气体的流速控制在30sccm～100sccm以内。
在本发明中，相应地还提出了一种用于上述工艺的清洗装置，包括：
工艺腔，设有工艺气体入口以向工艺腔供应工艺气体；
真空泵，与工艺腔相连接；
晶圆固持支架，安装在工艺腔顶部；
射频线圈，安装在工艺腔内，用以激发工艺气体形成等离子体；
其中，工艺腔的顶面绝缘，工艺腔的底面导电。
优选地，所述清洗装置应用于上述半导体结构的加工方法中，在湿法刻蚀去除多晶硅层顶面的阻挡层后，用以产生等离子体轰击去除晶圆表面颗粒。
本发明具有以下优点：
1)通过增加电化学抛光工艺对铜层减薄，降低抛铜工艺的成本；
2)通过湿法刻蚀工艺去除减薄后铜层表面的氧化层，消除氧化层对后续化学机械抛光工艺的抛光速率的影响；
3)通过化学机械抛光工艺对剩余铜层进行抛光，保留CMP工艺抛铜的均一性、平整度高的优点；
4)通过湿法刻蚀去除阻挡层，与传统CMP抛光工艺相比，能够有效降低工艺过程中的应力，避免晶圆表面产生划痕，与此同时，借助湿法工艺使用的化学液或去离子水初步冲洗掉晶圆表面残留的抛光液以及多数大颗粒污染物；
5)通过等离子体由下至上轰击倒置的晶圆表面，使得晶圆表面亦或嵌入在图案中的细小颗粒在重力作用下脱离，避免颗粒污染对半导体器件的性能、可靠性的影响。
附图说明
图1示出了本发明一实施例中的半导体结构的加工方法流程图；
图2示出了电镀后的半导体结构示意图；
图3示出了本发明一实施例中高于阻挡层顶面的铜层减薄后的半导体结构示意图；
图4示出了本发明一实施例中高于阻挡层顶面的铜层去除后的半导体结构示意图；
图5示出了本发明一实施例中高于多晶硅层顶面的阻挡层去除后的半导体结构示意图；
图6示出了本发明一实施例中的清洗装置结构示意图；
图7示出了传统工艺中CMP去除铜层后的半导体结构示意图；
图8示出了传统工艺中CMP去除阻挡层后的半导体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
参见图2，半导体结构包括晶圆1，晶圆1正面依次形成有多晶硅层2、阻挡层3和铜层4。所述多晶硅层2形成有由例如线槽5和孔6构成的图案，阻挡层3覆盖在所述多晶硅层2的顶面、所述图案的侧壁及底面；经电镀在所述阻挡层3表面形成铜层4，铜层4填充进所述图案中的线槽5和孔6内并高出所述阻挡层2的顶面。在封装制程中，孔6和/或线槽5具有较大的深宽比，所以，电镀后，在线槽5和孔6上方的铜层4表面通常会形成金属凸点，尤其是具有更大深宽比的孔6的顶面会形成金属凸点。图2示例的半导体结构中，孔6的深度h为5μm，电镀后，相应地，铜层4高出所述阻挡层2顶面的厚度d约5μm，在孔6对应的铜层4顶面形成有金属凸点7，微凸于铜层4顶面。该金属凸点7有利于键合等后续工艺的进行。
图1示出了本发明一实施例中的半导体结构的加工方法流程，包括以下步骤：
S1：采用电化学抛光工艺将电镀后的高出阻挡层3顶面的铜层4厚度减薄。图3示出了铜层4减薄后的半导体结构。
电化学抛光工艺是以晶圆为阳极，以抛光液为阴极，工艺中使用的抛光液是可循环使用的，相对化学机械抛光而言，可减少抛光液的使用量，从而起到降低成本的作用。由于电化学抛光的表面平整度及抛光一致性较差，因此在该步骤中，仅将高出阻挡层3的铜层4减薄，而非将高出阻挡层3的铜层4完全去除，保留阻挡层3顶面上的部分铜层4，以期后续采用化学机械抛光方式去除高出阻挡层3的剩余铜层4以保证晶圆表面平整度及抛光一致性。
具体地，在该步骤中将高出所述阻挡层3的铜层4的厚度减薄至0.2μm～0.4μm，以减少后续化学机械抛光工艺时间及抛光量，减少抛光液的用量，控制工艺成本。
S2：采用湿法刻蚀工艺去除减薄后的铜层4顶面的氧化层。
在步骤S1的电化学抛光过程中，会在减薄后的铜层4顶面形成一层氧化层，该氧化层主要为CuO。该氧化层将会严重影响后续化学机械抛光的抛光速率，因此，在化学机械抛光前，采用湿法刻蚀工艺将氧化层去除，刻蚀液可以选用有机酸，如柠檬酸。
S3：采用化学机械抛光(CMP)工艺去除高出阻挡层3顶面的剩余铜层4，并暴露出高出多晶硅层2顶面的阻挡层3。图4示出了高出阻挡层3顶面的铜层4全部去除后的半导体结构，多晶硅层2顶面的阻挡层3显露出来。
S4：采用湿法刻蚀工艺去除高出多晶硅层2顶面的阻挡层3。图5示出了高出多晶硅层2顶面的阻挡层3去除后的半导体结构。
在本实施例中，阻挡层3采用常规的Ta、TaN、Ti、TiN、Co、Ru中的任意一种或两种材料构成。对于Ti材质的阻挡层，可选用Ti蚀刻液进行阻挡层的刻蚀，Ti刻蚀液的化学品包括氢氟酸和添加剂，HF的浓度为0.1％～1％。当然可以理解的是，本领域技术人员根据阻挡层的材质，可以选用相应的化学液进行阻挡层刻蚀，故在此不再赘述。
湿法刻蚀去除高出多晶硅层2顶面的阻挡层3时，首先使用高纯去离子水清洗晶圆60s左右，然后旋转晶圆3s左右，以甩掉残留的去离子水；然后使用Ti刻蚀液(当然刻蚀液具体成分可根据阻挡层的材质进行相应更换)刻蚀阻挡层1min～2min以去除高出多晶硅层2顶面的阻挡层3(工艺时间由阻挡层3的厚度决定)；高出多晶硅层2顶面的阻挡层3刻蚀后，使用去离子水清洗晶圆60s左右，在N2条件下高速旋转甩干晶圆。
所以，在步骤S4中采用湿法刻蚀，可利用去离子水以及刻蚀液的冲洗将上一步骤CMP工艺中的抛光液以及残留的大颗粒沾污初步清洗干净，以减轻后续清洗工序的任务量。
S5：将晶圆1的正面朝下，采用等离子体由下至上轰击晶圆1正面，去除晶圆1表面的颗粒沾污。
在本发明中，还针对步骤S5的由下至上的等离子体轰击，设计了一种清洗装置。参见图6所示，工艺腔8与真空泵12连接，真空泵12用以将工艺腔8抽真空；工艺腔8上还设有工艺气体入口9，工艺气体入口9与气体源通过管路连通，工艺气体选用惰性气体，如Ar气或Kr气。工艺腔8的顶面8a安装有晶圆固持支架10，用以承载晶圆1；工艺腔8内还安装有射频线圈11，该射频线圈11可以安装在工艺腔8的侧壁上，优选地，在晶圆固持支架10的两侧对称布置一组射频线圈11，通过调节射频线圈11的功率以激发工艺腔8内的工艺气体形成等离子体。其中，工艺腔8的顶面8a绝缘，工艺腔8的底面8b导电，如此，在工艺腔8内形成一个上负下正的电压，以促使等离子体产生向上运动的趋势。
步骤S5的具体操作过程如下(参见图6)：
首先，将晶圆1正面朝下放置在工艺腔8内位于其顶部的晶圆固持支架10上；
然后，将工艺腔8内抽成真空状态，同时通入工艺气体，维持工艺腔8内达到低压稳定状态，工艺腔8内压力不高于10torr；
接下来，启动射频线圈11，施加高频低功率电场，射频功率采用20w～100w，激发工艺气体形成等离子体，工艺腔8内形成有上负下正的电压，等离子体向上运动，由于晶圆1被配置在工艺腔8的顶部，等离子体由下向上轰击到晶圆1表面，晶圆1表面残留的颗粒沾污就会被等离子体轰击，同时随着重力的作用脱离晶圆1表面，从而达到去除颗粒的作用。在该过程中，轰击时间可控制在5min-30min以内，工艺气体的流速控制在30sccm～100sccm以内，即可达到较好地颗粒去除效果。此外，采用低功率激发工艺气体，可有效避免等离子体冲击力度过大，造成晶圆1表面图案坍塌。
本发明提出的半导体结构的加工方法不仅实现了上述节约成本、减少污染的效果，与此同时，与传统单纯CMP抛光相比，还能较好地保持晶圆表面形貌，尤其是晶圆表面的金属凸点结构能够被很好的保留下来，这将利于后续键合等工艺的进行。
图7和图8分别示出了传统工艺中CMP铜层去除后和阻挡层去除后的半导体结构示意图，与图1示出的电镀后半导体结构相比，传统抛铜工艺中由于CMP工艺时间长、应力大，较厚的铜层4直接采用CMP将铜层全部抛光，晶圆表面的金属凸点7结构被磨平，晶圆表面形貌遭到破坏，由此，传统抛铜工艺无法保留镀铜后有利的原有形貌。
图4示出了本工艺中铜层抛光后的半导体结构示意图。由于电化学抛光不对晶圆施加应力，能够较好地保留晶圆表面形貌，加之，CMP抛光前，已通过电化学抛光将铜层4减薄至0.2μm～0.4μm(如图3所示)，所以CMP抛光工艺在晶圆表面作用时间较短，来不及破坏晶圆表面的形貌，与此同时，还对晶圆表面形貌起到了一定修复作用，孔6顶部对应的铜层表面仍旧保留有金属凸点7(如图4所示)。在CMP抛光后在本工艺中采用湿法刻蚀工艺去除阻挡层3，同样为无应力去除方式，由此，金属凸点7的形貌特征被保留下来(如图5所示)。
综上所述，与传统CMP直接抛光工艺相比，本发明提供的无应力电化学抛光结合CMP抛光，能够较大程度减少昂贵抛光液的使用，降低成本；在电化学抛光与CMP抛光之间采用湿法去除电化学抛光产生的氧化层，消除氧化层对CMP的抛光速率的影响，以使工艺整体获得较高抛光速率，并兼得良好地抛光一致性及表面平整度；同时，采用等离子体轰击晶圆表面，能够去除嵌入在晶圆图案中的微小颗粒，且晶圆置于工艺腔顶部，更好地使颗粒脱离晶圆表面，获得较佳的清洗效果。
此外，在本发明中，除CMP抛光对晶圆表面施加较短时间的抛光应力，其余工序中均为无应力工艺，因此，可保留晶圆表面的金属凸点形貌，相对CMP长时间应力作用下的抛光，也减少了晶圆表面的划伤缺陷，提高了产品的良率及可靠性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种半导体结构的加工方法，半导体结构包括晶圆，以及依次形成在晶圆正面的多晶硅层、阻挡层和铜层，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用电化学抛光工艺，将高出阻挡层顶面的铜层厚度减薄；
S2：采用湿法刻蚀工艺，去除减薄后的铜层顶面的氧化层；
S3：采用化学机械抛光工艺，去除高出阻挡层顶面的剩余铜层，并暴露出高出多晶硅层顶面的阻挡层；
S4：采用湿法刻蚀工艺，去除高出多晶硅层顶面的阻挡层；
S5：将晶圆的正面朝下，采用等离子体由下至上轰击晶圆正面，去除晶圆表面的颗粒。
2.根据权利要求1所述的半导体结构的加工方法，其特征在于，在步骤S1中，高出所述阻挡层顶面的铜层厚度减薄至0.2μm～0.4μm。
3.根据权利要求1所述的半导体结构的加工方法，其特征在于，所述阻挡层由Ta、TaN、Ti、TiN、Co、Ru中的任意一种或两种材料构成。
4.根据权利要求1所述的半导体结构的加工方法，其特征在于，在步骤S5中，包括以下步骤：
S51：将晶圆正面朝下固定在工艺腔的顶部，工艺腔的顶面绝缘，工艺腔的底面导电；
S52：将工艺腔内抽真空后，通入工艺气体；
S53：启动射频线圈，以激发工艺气体形成等离子体，等离子体由下向上轰击晶圆表面颗粒，以使颗粒脱离晶圆表面。
5.根据权利要求4所述的半导体结构的加工方法，其特征在于，工艺腔内压力维持在10torr以下。
6.根据权利要求4所述的半导体结构的加工方法，其特征在于，所述工艺气体为惰性气体。
7.根据权利要求4所述的半导体结构的加工方法，其特征在于，所述射频线圈的输出功率控制在20w-300w以内，轰击时间控制在5min-30min以内，工艺气体的流速控制在30sccm～100sccm以内。
8.一种清洗装置，其特征在于，包括：
工艺腔，所述工艺腔设有工艺气体入口以向工艺腔供应工艺气体；
真空泵，所述真空泵与工艺腔相连接；
晶圆固持支架，所述晶圆固持支架安装在工艺腔的顶部；以及
射频线圈，所述射频线圈安装在工艺腔内，用以激发工艺气体形成等离子体；
其中，所述工艺腔的顶面绝缘，工艺腔的底面导电。
9.根据权利要求8所述的清洗装置，其特征在于，所述清洗装置应用于权利要求1至7中任一项所述的半导体结构的加工方法中，在湿法刻蚀去除多晶硅层顶面的阻挡层后，用以产生等离子体轰击去除晶圆表面颗粒。
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