TSV结构的平坦化工艺和装置制造方法及图纸

本发明专利技术揭示了TSV结构的平坦化工艺和装置。TSV结构包括晶圆(101)、晶圆(101)上的通孔(102)、晶圆(101)上的氧化层(103)、氧化层(103)上及通孔(102)的底部和侧壁上的阻挡层(104)、通孔(102)内及阻挡层(104)上的金属层(105)。TSV结构的平坦化工艺包括：采用无应力抛光工艺(301)去除晶圆的非凹进区域上的全部金属层；采用化学湿法刻蚀工艺(303)(305)去除非凹进区域上的金属层残余以及阻挡层。

Flattening Technology and Device for TSV Structure

The invention discloses a flattening process and device for TSV structure. The TSV structure includes the through hole (102) on the wafer (101), the oxide layer (103) on the wafer (101), the barrier layer (104) on the oxide layer (103) and the bottom and side walls of the through hole (102), the metal layer (105) inside the through hole (102) and on the barrier layer (104). The flattening process of TSV structure includes: stress-free polishing (301) to remove all metal layers in the non-concave region of the wafer; chemical wet etching (303) (305) to remove residual metal layers and barrier layers in the non-concave region.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】TSV结构的平坦化工艺和装置
本专利技术涉及半导体器件制造，尤其涉及TSV(硅通孔)结构的平坦化工艺和装置。
技术介绍
随着电子工业的快速发展，对电子产品提出微型、低功耗、高可靠性的要求是必然。基于摩尔定律，集成电路特征尺寸的减小接近瓶颈。近年来，晶圆级的垂直小型化3D硅通孔(TSV)和2.5D插件封装集成成为可选择的解决方案，通过降低设计、工艺和成本等突破摩尔定律的瓶颈。相应的，由于铜的高导电性、更好的抗电迁移能力，当制造TSV或插件时，铜被广泛用于填充通孔。通常，铜金属层的沉积和平坦化工艺包括以下步骤：PVD(物理气相沉积)、ECP(电镀)、退火、CMP(化学机械平坦化)。TSV或插件中的通孔通常具有高深宽比，为了无空隙的填充深通孔，厚的铜覆盖层将通过电镀工艺沉积在晶圆表面。因此，大量的铜层需要通过CMP去除，从而使CMP工艺在3DTSV和2.5D插件封装集成中所占成本最高。例如，在中间通孔工艺中，CMP工艺占据了总成本的35％。另一方面，Cu和Si之间CTE(热膨胀系数)的不匹配产生应力，表现为晶圆级翘曲。应力进一步诱发硅层的微裂纹、载体的移动变化和器件缺陷。经证实，退火温度越高、铜覆盖层越厚将导致晶圆级翘曲越高。在CMP工艺中，晶圆将被CMP的研磨头的下压力压平，外部的机械压力将与晶圆的内部应力冲突，从而导致晶圆裂化或产生缺陷。尽管优化了传统工艺流程并且在退火前铜覆盖层的厚度达到最小，可以在CMP工艺之前成功的消除应力并最小化晶圆翘曲，然而，3DTSV或2.5D插件是否可以快速产业化取决于能否解决降低成本和应力的问题。
技术实现思路
在一种具体实施方式中，本专利技术提出一种TSV结构的平坦化工艺。TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层。TSV结构的平坦化工艺包括：采用无应力抛光工艺去除晶圆的非凹进区域上的全部金属层；采用化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余以及阻挡层。在另一种具体实施方式中，本专利技术提出一种TSV结构的平坦化工艺。TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层。TSV结构的平坦化工艺包括：采用无应力抛光工艺去除晶圆的非凹进区域上的大部分金属层，并在非凹进区域上保留一定厚度的金属层；采用金属层化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上余留的金属层；采用阻挡层化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余和阻挡层。在另一种具体实施方式中，本专利技术提出一种TSV结构的平坦化工艺。TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层。TSV结构的平坦化工艺包括：采用无应力抛光工艺去除晶圆的非凹进区域上的全部金属层；采用化学机械平坦化工艺去除非凹进区域上的金属层残余；采用阻挡层化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的阻挡层。在另一种具体实施方式中，本专利技术提出一种TSV结构的平坦化工艺。TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层。TSV结构的平坦化工艺包括：去除晶圆的非凹进区域上的大部分金属层，并在非凹进区域上保留一定厚度的金属层；采用化学机械平坦化工艺去除非凹进区域上余留的金属层；采用阻挡层化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余和阻挡层。在一种具体实施方式中，本专利技术提出一种TSV结构的平坦化装置。TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层。TSV结构的平坦化装置包括至少一个SFP模块、CMP模块和湿法刻蚀模块。SFP模块用于对晶圆进行无应力抛光工艺以去除晶圆的非凹进区域上的金属层。CMP模块用于对晶圆进行化学机械平坦化工艺以去除非凹进区域上的金属层。湿法刻蚀模块用于对晶圆进行化学湿法刻蚀工艺以去除非凹进区域上的金属层和/或阻挡层。与传统的使用CMP工艺去除非凹进区域上的金属层和阻挡层的TSV结构的平坦化工艺相比，本专利技术利用无应力抛光工艺和化学湿法刻蚀工艺实现无应力的去除非凹进区域上的金属层和阻挡层，只保留通孔内的金属层和阻挡层，改善了金属层凹陷的均匀性，减少了平坦化过程中的应力，使晶圆微裂纹的可能性降至最低，并缩短了CMP工艺的持续时间，最终降低了平坦化工艺的成本以及减少了化学废液的排放。附图说明图1是TSV结构在实施平坦化工艺前的截面图；图2是已经平坦化的TSV结构的截面图；图3是本专利技术一种具体实施方式的TSV结构的平坦化工艺的流程图；图4是本专利技术另一种具体实施方式的TSV结构的平坦化工艺的流程图；图5是本专利技术另一种具体实施方式的TSV结构的平坦化工艺的流程图；图6是本专利技术另一种具体实施方式的TSV结构的平坦化工艺的流程图；图7是本专利技术另一种具体实施方式的TSV结构的平坦化工艺的流程图；图8是本专利技术另一种具体实施方式的TSV结构的平坦化工艺的流程图；图9是湿法刻蚀脉冲模式处方的一种具体实施方式；图10是本专利技术的TSV结构的平坦化装置的框图；图11是一种晶圆传输顺序的框图；图12是另一种晶圆传输顺序的框图。具体实施方式形成TSV结构的工艺步骤通常包括以下步骤：采用刻蚀在晶圆101上形成通孔102，其中，晶圆101的材料可以选用硅；采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在晶圆101上沉积氧化层103，其中，氧化层103的材料可以选用二氧化硅(SiO2)；采用物理气相沉积(PVD)在氧化层103上及通孔102的底部和侧壁沉积阻挡层104，其中，阻挡层104的材料可以选用钛(Ti)；采用电镀法在通孔102内沉积金属层105，其中，金属层105的材料可以选用铜。由于TSV结构的通孔102通常具有高深宽比，因此，为了在通孔102内无空隙的沉积金属层105，采用电镀法在阻挡层104上沉积厚的金属覆盖层105。如图1所示是在实施平坦化工艺前的TSV结构的一种具体实施方式，沉积在非凹进区域上的金属层105的厚度为2μm-4μm，在通孔102内和非凹进区域上沉积金属层105后，接下来的步骤是去除沉积在非凹进区域上的金属层105和阻挡层104。参考图3所示，图3是本专利技术一种具体实施方式的TSV结构的平坦化工艺的流程图，用于去除非凹进区域上的金属层105和阻挡层104。该TSV结构的平坦化工艺包括以下步骤：步骤301：采用无应力抛光工艺(SFP)去除非凹进区域上的全部金属层105。采用SFP过抛光控制通孔102内的金属层凹陷。SFP工艺为电化学工艺，晶圆101上的金属层105作为阳极，电解液喷头作为阴极。当阳极和阴极之间施加正电压时，金属层105被接触的电解液溶解、抛光。SFP工艺更详细的描述参见美国专利申请号10/590,460，标题为“Controllingremovalrateuniformityofanelectropolishingprocessinintegratedcircuitfabrication”的专利，申请日为2005年2月23日，这件专利的全部内容都被引用到这里。步骤303：采用金属层化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余。SFP工艺完成后，非凹进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TSV结构的平坦化工艺，该TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层，其特征在于，TSV结构的平坦化工艺包括：采用无应力抛光工艺去除晶圆的非凹进区域上的全部金属层；以及采用化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余以及阻挡层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种TSV结构的平坦化工艺，该TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层，其特征在于，TSV结构的平坦化工艺包括：采用无应力抛光工艺去除晶圆的非凹进区域上的全部金属层；以及采用化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余以及阻挡层。2.根据权利要求1所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，化学湿法刻蚀工艺包括阻挡层化学湿法刻蚀工艺。3.根据权利要求2所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，金属层的材料为铜，阻挡层的材料包括钛，用于阻挡层化学湿法刻蚀工艺的化学品包括氢氟酸和添加剂。4.根据权利要求1所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，采用化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余以及阻挡层的步骤还包括：采用金属层化学湿法刻蚀工艺去除晶圆的非凹进区域上的金属层残余；以及采用阻挡层化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的阻挡层。5.根据权利要求4所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，金属层的材料为铜，用于金属层化学湿法刻蚀工艺的化学品包括双氧水、添加剂和氢氟酸。6.根据权利要求4所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，阻挡层的材料包括钛，用于阻挡层化学湿法刻蚀工艺的化学品包括氢氟酸和添加剂。7.根据权利要求1所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，化学湿法刻蚀工艺采取脉冲模式。8.根据权利要求7所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，每个脉冲模式步骤包括刻蚀剂步骤和DIW步骤。9.根据权利要求1所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，采用化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余和阻挡层后，阻挡层下方的氧化层暴露出来，采用CMP工艺去除一部分氧化层。10.根据权利要求1所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，氧化层为SiO2。11.一种TSV结构的平坦化工艺，该TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层，其特征在于，TSV结构的平坦化工艺包括：采用无应力抛光工艺去除晶圆的非凹进区域上的大部分金属层，并在非凹进区域上保留一定厚度的金属层；采用金属层化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上余留的金属层；以及采用阻挡层化学湿法刻蚀工艺去除非凹进区域上的金属层残余和阻挡层。12.根据权利要求11所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，无应力抛光工艺完成后，保留在非凹进区域上的金属层的厚度为0.2μm-0.5μm。13.根据权利要求11所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，金属层的材料为铜，用于金属层化学湿法刻蚀工艺的化学品包括双氧水、添加剂和氢氟酸。14.根据权利要求11所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，阻挡层的材料包括钛，用于阻挡层化学湿法刻蚀工艺的化学品包括氢氟酸和添加剂。15.根据权利要求11所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，金属层化学湿法刻蚀工艺采取脉冲模式，每个脉冲模式步骤包括刻蚀剂步骤和DIW步骤。16.根据权利要求11所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，阻挡层化学湿法刻蚀工艺采取脉冲模式，每个脉冲模式步骤包括刻蚀剂步骤和DIW步骤。17.根据权利要求11所述的TSV结构的平坦化工艺，其特征在于，非凹进区域上的金属层残余和阻挡层被去除后，阻挡层下方的氧化层暴露出来，采用CMP工艺去除一部分氧化层。18.一种TSV结构的平坦化工艺，该TSV结构包括晶圆、晶圆上的通孔、晶圆上的氧化层、氧化层上及通孔的底部和侧壁上的阻挡层、通孔内及阻挡层上的金属层，其特征在于，TSV结构的平坦化工艺包...

【专利技术属性】
技术研发人员：金一诺，代迎伟，杨贵璞，王坚，王晖，
申请(专利权)人：盛美半导体设备上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31