穿透矽通孔背面金屬平坦化方法
2023-06-11 06:54:26
穿透矽通孔背面金屬平坦化方法
【專利摘要】本發明揭示了一種穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，包括步驟：提供一矽襯底，矽襯底具有若干從矽襯底的背面露出的金屬凸起；及以無應力電化學拋光的方式平坦化所述從矽襯底的背面露出的金屬凸起，以使從矽襯底的背面露出的金屬凸起的高度齊平。本發明通過採用無應力電化學拋光的方式平坦化矽襯底背面的金屬凸起，具體通過控制拋光電壓和/或電流或矽襯底旋轉速度及水平移動速度來精確控制金屬凸起的去除厚度，從而實現矽襯底背面的金屬凸起的平坦化。
【專利說明】穿透矽通孔背面金屬平坦化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體集成電路製造【技術領域】，尤其涉及一種穿透矽通孔背面金屬平 坦化方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電子整機系統不斷向輕、薄、小的方向發展，對集成電路的集成度要求也越來 越高。目前，提高集成電路的集成度主要是採取減小特徵尺寸，使得在給定區域能夠集成更 多的元件，屬於二維集成。然而，當集成電路的結構日益複雜，所要求具備的功能日益強大 時，二維集成技術應用的局限性逐漸凸顯出來。因此，需尋求新的集成技術以提高集成電路 的集成度。
[0003] 基於穿透矽通孔（TSV)技術的三維集成技術已成為當下提高集成電路的集成度 最引人注目的一種新技術。三維集成技術利用TSV實現集成電路中堆疊晶片的互連。TSV 能夠使晶片在三維方向堆疊的密度最大、晶片之間的互連線最短、外形尺寸最小，並且能夠 大大改善晶片速度和低功耗的性能。
[0004] TSV結構製作工藝主要包括通孔的形成、矽襯底減薄及TSV鍵合。具體地，在矽襯 底的正面製作通孔，通孔向矽襯底的背面延伸，在通孔內依次沉積介質層和阻擋層，然後在 通孔內填充金屬；將矽襯底的背面減薄至裸露出通孔底部的介質層；最後依次去除通孔底 部的介質層和阻擋層，通孔底部的金屬從矽襯底的背面露出，以便與另一層晶片獲得電連 接，從而實現晶片間的互連。
[0005] 在上述TSV結構製作過程中，矽襯底背面減薄通常採用機械研磨和溼法刻蝕相結 合的方式。具體地，先採用機械研磨進行初步減薄，由於機械研磨會對矽襯底表面產生刮 痕，機械研磨之後，矽襯底表面狀況不是很好，因而，需要再採用溼法刻蝕對矽襯底表面進 行處理，改善矽襯底表面的同時對矽襯底進行一定程度的減薄至裸露出通孔底部的介質 層。然後，採用化學機械研磨（CMP)依次去除通孔底部的介質層和阻擋層。
[0006] 由於對矽襯底背面減薄時的均勻度及平坦度控制難以做到精確，以及在矽襯底不 同區域形成通孔的孔深有所差別，經過上述各工藝步驟後，從矽襯底背面露出的金屬凸柱 的高度會不一致。通常採用CMP將金屬凸柱磨平或者採用其他物料切削的方法使金屬凸柱 高度一致。然而，無論是上述哪一種方法都會產生較強的機械應力，而通孔周圍的介質層機 械強度較弱，在研磨或切削過程中很容易對通孔肩部的介質層造成破壞或使其產生缺陷， 進而影響通孔的電性能，使封裝後的集成電路性能和壽命降低。除了通孔肩部的應力問題， CMP研磨以後還不可避免地產生碟形缺陷。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在於提供一種穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，該方法實現穿透矽 通孔背面金屬平坦化的同時不會對穿透矽通孔內的介質層造成破壞，提高了封裝後集成電 路的性能和壽命。
[0008] 為實現上述目的，本發明提供的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，包括步驟：提供 一娃襯底，娃襯底具有若干從娃襯底的背面露出的金屬凸起；及以無應力電化學拋光的方 式平坦化所述從矽襯底的背面露出的金屬凸起，以使從矽襯底的背面露出的金屬凸起的高 度齊平。
[0009] 在一個實施例中，以無應力電化學拋光的方式平坦化所述從矽襯底的背面露出 的金屬凸起的步驟進一步包括：1)將矽襯底置於可旋轉、可堅直移動及可水平移動的卡盤 上；2)使一拋光電源的陽極與矽襯底電導通並使該拋光電源的陰極與用於向矽襯底的背 面噴射電解液的噴嘴電連接；以及3)在所述拋光電源的供電下，使電解液通過噴嘴噴射至 矽襯底的背面，以使電解液與從矽襯底的背面露出的金屬發生電化學反應。
[0010] 在一個實施例中，在所述步驟1)和步驟2)之間進一步包括：設置一承載片，其中 該承載片的表面塗覆有導電層，導電層上塗覆有導電膠水，其中，設置該承載片包括將矽襯 底的與背面相對的正面通過承載片的導電膠水粘貼在承載片的導電層上，以使所述拋光電 源的陽極與承載片的導電層電連接。導電層的材料與金屬凸起的材料相同。
[0011] 在一個實施例中，所述步驟3)進一步包括：在使電解液與從矽襯底的背面露出 的金屬發生電化學反應的過程中，通過控制拋光電壓和/或電流來控制金屬凸起的去除厚 度，包括：獲取矽襯底背面的金屬凸起的形貌圖；設定金屬凸起的目標高度值；將矽襯底的 背面劃分為若干區域，計算出每一區域內金屬凸起的去除厚度的平均值；以預設的速度移 動卡盤，使矽襯底背面的一區域正對著噴嘴；查佔空比表，根據該區域的金屬凸起的去除厚 度的平均值獲得與該平均值相對應的佔空比，其中所述佔空比表是預先根據金屬凸起的去 除厚度值與佔空比的一一對應關係而建立的；供應預設的脈衝電壓和/或電流至矽襯底及 噴嘴，拋光該區域內金屬凸起的實際電壓和/或電流等於與該區域的金屬凸起的去除厚度 的平均值相對應的佔空比乘以預設的脈衝電壓和/或電流。
[0012] 在一個實施例中，所述步驟3)進一步包括：在使電解液與從矽襯底的背面露出的 金屬發生電化學反應的過程中，通過控制卡盤的旋轉速度及水平移動速度來控制金屬凸起 的去除厚度，包括：獲取矽襯底背面的金屬凸起的形貌圖；設定金屬凸起的目標高度值；將 矽襯底的背面劃分為若干區域，計算出每一區域內金屬凸起的去除厚度的平均值；查轉速 表，根據每一區域內金屬凸起的去除厚度的平均值獲得與該平均值相對應的卡盤的實際轉 速，其中所述轉速表是預先根據金屬凸起的去除厚度值與卡盤的實際轉速的一一對應關係 而建立的；對應每一區域設置卡盤的水平移動速度及轉速；將與同一半徑上每一區域相對 應的卡盤的實際轉速與設置的轉速比較，得到一轉速比，並計算出同一半徑上所有區域的 平均轉速比；將與同一半徑上每一區域相對應的卡盤的設置的水平移動速度乘以與該區域 相對應的平均轉速比，得到與該區域相對應的卡盤的實際水平移動速度；當矽襯底背面的 一區域正對著噴嘴時，供應預設的電壓和/或電流至矽襯底及噴嘴，同時驅動卡盤以與該 區域相對應的實際轉速和實際水平移動速度旋轉和水平移動。
[0013] 綜上所述，本發明通過採用無應力電化學拋光的方式平坦化矽襯底背面的金屬凸 起，具體通過控制拋光電壓和/或電流或矽襯底旋轉速度及水平移動速度來精確控制金屬 凸起的去除厚度，從而實現矽襯底背面的金屬凸起的平坦化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1至圖8B揭示了穿透矽通孔背面金屬揭露方法的一實施例的各工藝步驟的剖 面結構示意圖。
[0015] 圖9揭示了根據本發明的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法的一實施例的流程圖。
[0016] 圖10至圖11揭示了根據本發明的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法的一實施例的 工藝步驟的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 為詳細說明本發明的技術內容、所達成目的及功效，下面將結合實施例並配合圖 式予以詳細說明。
[0018] 在詳細說明本發明穿透矽通孔背面金屬平坦化方法之前，先對穿透矽通孔背面金 屬揭露予以說明。穿透矽通孔背面金屬揭露後，採用本發明對穿透矽通孔背面金屬平坦化， 使穿透矽通孔背面金屬齊平。穿透矽通孔背面金屬揭露方法並不局限於下述方法，下述方 法僅作為一代表性實施例予以說明。
[0019] 參閱圖1至圖8B，穿透矽通孔背面金屬揭露方法包括如下步驟：
[0020] 首先，如圖1所示，提供矽襯底100及承載片200。矽襯底100具有正面和與正面 相對的背面，矽襯底100的正面形成有通孔和集成電路器件，通孔向矽襯底100的背面延 伸，在通孔的內壁依次沉積介質層101和阻擋層102,然後向通孔內填充金屬103。其中，優 選的，介質層101的材料為氧化矽，阻擋層102的材料為鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦或它們中的 幾種依次形成的多層膜，金屬103的材料為銅。承載片200的上表面塗覆有導電層201，導 電層201上塗覆有導電膠水202。優選的，導電層201的材料為銅。
[0021] 如圖2所示，將矽襯底100倒置，使矽襯底100的正面朝下，矽襯底100的背面朝 上，並將矽襯底1〇〇的正面通過導電膠水202粘貼在承載片200的導電層201上，從而使承 載片200承載矽襯底100。
[0022] 如圖3所示，對矽襯底100的背面進行初步減薄。通常採用機械研磨或化學機械 研磨的方法將矽襯底100減薄至50-250微米，其減薄後的厚度根據通孔的深度和其他參數 的不同要求而定。
[0023] 如圖4所示，對矽襯底100的背面進一步減薄，直至通孔底部處沉積的一部分的金 屬103、阻擋層102和介質層101從矽襯底100的背面凸起，其中，通孔底部處的介質層101 被暴露出來。具體地，對矽襯底100的背面進行初步減薄後，接著，對矽襯底100的背面進 行溼法刻蝕，改善矽襯底100背面均勻性和粗糙度的同時，對矽襯底100的背面進行進一步 減薄，此時，距離通孔底部處的介質層101仍有一定距離。溼法刻蝕的刻蝕液可以是，例如， KOH，HF和硝酸的混合液，TMAH溶劑。在通孔底部處的介質層101被暴露出來之前，停止溼 法刻蝕。然後，對矽襯底100的背面進行幹法氣相刻蝕。由於二氟化氙與矽在常溫下自發 的發生化學反應，因此，較佳的，採用二氟化氙氣體或者二氟化氙氣體同氮氣、氟化氫氣體 或水蒸氣的混合氣體對矽襯底100的背面進行氣相刻蝕，直至通孔底部處沉積的一部分的 金屬103、阻擋層102和介質層101從矽襯底100的背面凸起。通孔底部處沉積的一部分的 金屬103、阻擋層102和介質層101從矽襯底100的背面凸起的高度Η可以採用終點控制的 方法進行控制，其中，當檢測到介質層101時，矽襯底100的背面與通孔底部處沉積的介質 層101齊平。氣相刻蝕過程中可以以本時間點作為刻蝕工藝終點的參考點，根據通孔底部 處沉積的一部分的金屬103、阻擋層102和介質層101實際需要凸起的高度決定進一步繼續 刻蝕的時間，在繼續刻蝕的過程中，氣體流量以及其他工藝參數保持不變。通過控制繼續刻 蝕的時間段來控制通孔底部處沉積的一部分的金屬103、阻擋層102和介質層101從矽襯底 100的背面凸起的高度H。幹法氣相刻蝕僅能夠去除矽襯底100,而與介質層101不發生反 應，能夠很好的保護介質層101不受損傷。
[0024] 如圖5所示，在矽襯底100的背面沉積第一保護層104,第一保護層104在後續工 藝中保護矽襯底1〇〇不被刻蝕。第一保護層104可以為鈍化層，鈍化層的材料可以是SiC、 SiN、SiCN或者它們中的幾種依次形成的多層膜。
[0025] 如圖6所示，在矽襯底100的背面的第一保護層104上沉積第二保護層105。第 二保護層105的厚度不低於通孔底部處沉積的一部分的金屬103、阻擋層102和介質層101 從矽襯底100的背面凸起的高度H。第二保護層105可以為光刻膠層。
[0026] 如圖7所示，去除沉積於通孔底部處的第二保護層105,沉積於矽襯底100的背面 除通孔底部外的部分的第二保護層105保留。
[0027] 如圖8至圖8B所示，採用氣相刻蝕或等離子刻蝕的方法依次去除沉積於通孔底 部處的第一保護層104、介質層101及阻擋層102,沉積於通孔底部處的金屬103從矽襯底 100的背面露出。圖8為依次去除沉積於通孔底部處的第一保護層104、介質層101及阻擋 層102後的矽襯底100背面的俯視圖。圖8A為圖8中A區域的部面圖。圖8B為圖8中B 區域的部面圖。由於在上述矽襯底100背面減薄的各工藝中對矽襯底100背面的均勻度及 平坦度控制的精度不夠，以及在矽襯底100的不同區域形成通孔的孔深有所差別，經過上 述各工藝步驟後，從矽襯底100的背面露出的金屬凸起的高度不一致。由於沉積於矽襯底 100背面的第二保護層105的厚度不低於通孔底部處沉積的一部分的金屬103、阻擋層102 和介質層101從矽襯底100的背面凸起的高度H，從矽襯底100的背面露出的金屬凸起的高 度不一致換言之即為從矽襯底100的背面露出的金屬相對於第二保護層105凹陷的深度不 一致。金屬103從矽襯底100的背面凸起的高低不平會給後續的TSV鍵合工藝帶來不利影 響，因此，需對從矽襯底100的背面露出的金屬凸起進行平坦化處理，使從矽襯底100的背 面露出的金屬凸起齊平。
[0028] 如圖9所示，揭示了根據本發明的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法的一實施例的 流程圖，該穿透矽通孔背面金屬平坦化方法包括如下步驟：
[0029] 步驟S001 :提供矽襯底100,該矽襯底100已完成穿透矽通孔背面金屬揭露，矽襯 底100具有若干從娃襯底100的背面露出的金屬凸起；及
[0030] 步驟S002 :以無應力電化學拋光的方式平坦化從矽襯底100的背面露出的金屬凸 起，以使從矽襯底100的背面露出的金屬凸起的高度齊平。
[0031] 本發明穿透矽通孔背面金屬平坦化方法通過採用無應力電化學拋光，能夠無機械 應力的將從矽襯底100的背面露出的金屬凸起平坦化，使金屬103從矽襯底100的背面凸 起的高度一致。無應力電化學拋光基於電化學拋光原理，包括：1)將矽襯底100置於可旋 轉、可堅直移動及可水平移動的卡盤上；2)使一拋光電源的陽極與矽襯底100電導通並使 該拋光電源的陰極與用於向矽襯底100的背面噴射電解液的噴嘴電連接；以及3)在拋光電 源的供電下，使電解液通過噴嘴噴射至矽襯底100的背面，以使電解液與從矽襯底100的背 面露出的金屬103發生電化學反應。通過控制拋光電壓和/或電流、卡盤的旋轉速度及水 平移動速度或拋光時間等控制金屬凸起的去除厚度，從而實現金屬凸起的平坦化。下面將 列舉兩種方法詳細說明如何控制金屬凸起的去除厚度。
[0032] 方法一，通過控制拋光電壓和/或電流來控制金屬凸起的去除厚度，在該實施例 中，所用拋光電源為脈衝電源，具體包括：
[0033] 獲取矽襯底100背面的金屬凸起的形貌圖，可採用非接觸式的光學測量方法獲取 矽襯底1〇〇背面的金屬凸起的形貌圖；
[0034] 設定金屬凸起的目標高度值；
[0035] 將矽襯底100的背面劃分為若干區域，計算出每一區域內金屬凸起的去除厚度的 平均值，例如，可將矽襯底100的背面劃分為若干半徑為0. 5_的圓形區域；
[0036] 以預設的速度移動卡盤，使矽襯底100背面的一區域正對著噴嘴；
[0037] 查佔空比表，根據該區域的金屬凸起的去除厚度的平均值獲得與該平均值相對應 的佔空比，其中佔空比表是預先根據金屬凸起的去除厚度值與佔空比的一一對應關係而建 立的；
[0038] 供應預設的脈衝電壓和/或電流至矽襯底100及噴嘴，拋光該區域內金屬凸起的 實際電壓和/或電流等於與該區域的金屬凸起的去除厚度的平均值相對應的佔空比乘以 預設的脈衝電壓和/或電流。
[0039] 方法二，通過控制卡盤的旋轉速度及水平移動速度來控制金屬凸起的去除厚度， 具體包括：
[0040] 獲取矽襯底100背面的金屬凸起的形貌圖，可採用非接觸式的光學測量方法獲取 矽襯底100背面的金屬凸起的形貌圖；
[0041] 設定金屬凸起的目標高度值；
[0042] 將矽襯底100的背面劃分為若干區域，計算出每一區域內金屬凸起的去除厚度的 平均值，例如，可將矽襯底100的背面劃分為若干半徑為0. 5_的圓形區域；
[0043] 查轉速表，根據每一區域內金屬凸起的去除厚度的平均值獲得與該平均值相對應 的卡盤的實際轉速，其中轉速表是預先根據金屬凸起的去除厚度值與卡盤的實際轉速的 一一對應關係而建立的；
[0044] 對應每一區域設置卡盤的水平移動速度及轉速；
[0045] 將與同一半徑上每一區域相對應的卡盤的實際轉速與設置的轉速比較，得到一轉 速比，並計算出同一半徑上所有區域的平均轉速比；
[0046] 將與同一半徑上每一區域相對應的卡盤的設置的水平移動速度乘以與該區域相 對應的平均轉速比，得到與該區域相對應的卡盤的實際水平移動速度；
[0047] 當矽襯底100背面的一區域正對著噴嘴時，供應預設的電壓和/或電流至矽襯底 100及噴嘴，同時驅動卡盤以與該區域相對應的實際轉速和實際水平移動速度旋轉和水平 移動。
[0048] 通過採用上述方法一或方法二，每一區域內的通孔底部處金屬103去除的厚度值 能夠得到精確的控制，從而保證了不同區域內的金屬103從矽襯底100的背面凸起的高度 一致，如圖10所示。
[0049] 在上述的方法一和方法二的無應力電化學拋光過程中，由於娃襯底100的背面沉 積有第一保護層104和第二保護層105,拋光電流只能通過矽襯底100背面的電解液傳導， 而矽襯底100背面的電解液呈薄膜狀，其電阻較高，降低了拋光效率，且迴路電壓較高，進 而導致對拋光電源的要求較高。為了提高拋光效率，在上述方法一和方法二中，優選的，將 電源的陽極與承載片200的導電層201電連接，從而使得拋光電流通過通孔中的金屬103、 導電膠水202及導電層201傳導，降低了迴路電阻，提高了拋光效率。
[0050] 通常，為了後續工藝的需要，可以進一步將矽襯底100背面的除通孔底部外的部 分的第二保護層105去除，如圖11所示。
[0051] 綜上所述，本發明穿透矽通孔背面金屬平坦化方法通過上述實施方式及相關圖式 說明，已具體、詳實的揭露了相關技術，使本領域的技術人員可以據以實施。而以上所述實 施例只是用來說明本發明，而不是用來限制本發明的，本發明的權利範圍，應由本發明的權 利要求來界定。
【權利要求】
1. 一種穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，其特徵在於，包括步驟： 提供一娃襯底，所述娃襯底具有若干從娃襯底的背面露出的金屬凸起；及 以無應力電化學拋光的方式平坦化所述從矽襯底的背面露出的金屬凸起，以使從矽襯 底的背面露出的金屬凸起的高度齊平。
2. 根據權利要求1所述的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，其特徵在於，所述以無應 力電化學拋光的方式平坦化所述從矽襯底的背面露出的金屬凸起的步驟進一步包括： 1) 將矽襯底置於可旋轉、可堅直移動及可水平移動的卡盤上； 2) 使一拋光電源的陽極與矽襯底電導通並使該拋光電源的陰極與用於向矽襯底的背 面噴射電解液的噴嘴電連接；以及 3) 在所述拋光電源的供電下，使電解液通過噴嘴噴射至矽襯底的背面，以使電解液與 從矽襯底的背面露出的金屬發生電化學反應。
3. 根據權利要求2所述的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，其特徵在於，在所述步驟 1)和步驟2)之間進一步包括： 設置一承載片， 其中該承載片的表面塗覆有導電層，導電層上塗覆有導電膠水， 其中，設置該承載片包括將矽襯底的與背面相對的正面通過承載片的導電膠水粘貼在 承載片的導電層上，以使所述拋光電源的陽極與承載片的導電層電連接。
4. 根據權利要求3所述的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，其特徵在於，所述導電層 的材料與金屬凸起的材料相同。
5. 根據權利要求2所述的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，其特徵在於，所述步驟3) 進一步包括：在使電解液與從矽襯底的背面露出的金屬發生電化學反應的過程中，通過控 制拋光電壓和/或電流來控制金屬凸起的去除厚度。
6. 根據權利要求5所述的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，其特徵在於，所述通過控 制拋光電壓和/或電流來控制金屬凸起的去除厚度的步驟進一步包括： 獲取矽襯底背面的金屬凸起的形貌圖； 設定金屬凸起的目標高度值； 將矽襯底的背面劃分為若干區域，計算出每一區域內金屬凸起的去除厚度的平均值； 以預設的速度移動卡盤，使矽襯底背面的一區域正對著噴嘴； 查佔空比表，根據該區域的金屬凸起的去除厚度的平均值獲得與該平均值相對應的佔 空比，其中所述佔空比表是預先根據金屬凸起的去除厚度值與佔空比的一一對應關係而建 立的； 供應預設的脈衝電壓和/或電流至矽襯底及噴嘴，拋光該區域內金屬凸起的實際電壓 和/或電流等於與該區域的金屬凸起的去除厚度的平均值相對應的佔空比乘以預設的脈 衝電壓和/或電流。
7. 根據權利要求2所述的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，其特徵在於，所述步驟3) 進一步包括：在使電解液與從矽襯底的背面露出的金屬發生電化學反應的過程中，通過控 制卡盤的旋轉速度及水平移動速度來控制金屬凸起的去除厚度。
8. 根據權利要求7所述的穿透矽通孔背面金屬平坦化方法，其特徵在於，所述通過控 制卡盤的旋轉速度及水平移動速度來控制金屬凸起的去除厚度的步驟進一步包括： 獲取矽襯底背面的金屬凸起的形貌圖； 設定金屬凸起的目標高度值； 將矽襯底的背面劃分為若干區域，計算出每一區域內金屬凸起的去除厚度的平均值； 查轉速表，根據每一區域內金屬凸起的去除厚度的平均值獲得與該平均值相對應的 卡盤的實際轉速，其中所述轉速表是預先根據金屬凸起的去除厚度值與卡盤的實際轉速的 一一對應關係而建立的； 對應每一區域設置卡盤的水平移動速度及轉速； 將與同一半徑上每一區域相對應的卡盤的實際轉速與設置的轉速比較，得到一轉速 t匕，並計算出同一半徑上所有區域的平均轉速比； 將與同一半徑上每一區域相對應的卡盤的設置的水平移動速度乘以與該區域相對應 的平均轉速比，得到與該區域相對應的卡盤的實際水平移動速度； 當矽襯底背面的一區域正對著噴嘴時，供應預設的電壓和/或電流至矽襯底及噴嘴， 同時驅動卡盤以與該區域相對應的實際轉速和實際水平移動速度旋轉和水平移動。
【文檔編號】H01L21/768GK104143525SQ201310169389
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月9日 優先權日:2013年5月9日
【發明者】王堅, 賈照偉, 金一諾, 王暉 申請人:盛美半導體設備（上海）有限公司