一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案

摘要

本发明提供一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，包括步骤：1）于表面具有停止层的硅衬底中形成硅通孔，于所述硅通孔及硅衬底表面沉积二氧化硅隔离层，于所述二氧化硅隔离层表面形成阻挡层及种子层；2）于所述种子层表面电镀铜，形成至少填满所述硅通孔的铜；3）对上述结构进行退火处理，包括：3-1）以0.5~5℃/min从室温升温至80~200℃，保温0~60min；3-2）以1~10℃/min升温至250~450℃，保温15~180min；3-3）以1~5℃/min降温至25~100℃；4）采用化学机械抛光CMP进行抛光，直至露出所述停止层。本发明通过改善对硅衬底的烘烤工艺和对铜的退火工艺，有效消除了硅通孔工艺中的分层现象，并解决了CMP后铜表面的凹陷问题，方法步骤简单，不增加工艺成本，适用于工业生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一个硅通孔工艺整合方案，特别是涉及一个解决硅通孔侧壁多层薄膜结构的 分层问题和CMP后铜表面有缺口甚至凹陷的问题的方案。

背景技术

将芯片进行三维堆叠并通过穿透硅晶圆或芯片的垂直互连使得集成电路得以超越摩尔定 律而发展。硅通孔(Through Silicon Via,TSV)是层间垂直互连的核心技术。支撑TSV技术 的两个必不可少的技术是硅片减薄和绑定。芯片的三维堆叠技术主要的应用方向包括：1）三 维封装技术减少了封装的大小，从而降低了生产成本；2）将采用不同工艺不同衬底材料甚至 不同尺寸的异质芯片堆叠在一起，组成一个完整的微电路系统；3）同种电路也可以分割并堆 叠起来，比如堆叠存储芯片。真正设计成3D的电路也正在发展中。

TSV技术基本上包括三种，先钻孔(Via-First)、后钻孔(Via-Last)和中间钻孔 (Via-Middle)。Via-First指TSV在芯片制程的最开始做成，再接着完成前段器件（FEOL， Front End of Line）及后段互连(BEOL，Back End of Line)的部分。Via-Last指在芯片 FEOL和BEOL都完成后再制造TSV。Via-Middle则指的是在FEOL之后插入TSV制程再继续BEOL 互连工艺。Via-Middle已经成为三维集成电路量产普遍采用的制程。其主要的优点是TSV不 用经受FEOL高达上千度的高温制程，又可以采用较高的比如400摄氏度的BEOL兼容的制程。 Via-Last制程因为已有BEOL结构TSV可以采用的制程必须低至250甚至200摄氏度。

如图1～图2所示，现有一种Via-Middle硅通孔工艺方法。在FEOL Contact做好之后， 在硅衬底表面沉积氮化硅作为停止层(Stop Layer)，然后刻蚀形成硅通孔。于硅通孔及硅衬 底表面内沉积二氧化硅作为电介质隔离层(Dielectric Isolation Layer)，之后再沉积 Ta./TaN作为阻挡和粘结层（Barrier and Adhesion Layer）和铜种子层(Seed Layer)， 最后电镀铜填充硅通孔。铜表面形貌具有凸起结构及凹陷结构，如图中A和B所示。电镀铜 之后需要对铜进行退火。现有的铜退火方案对应的流程曲线如图3所示，其升温速度(Ramp-Up  Rate)、降温速度(Ramp-Down Rate)及退火温度(Anneal Temperature)都比较高。因为其保 温温度（Standby Temperature）设在300摄氏度左右，硅片从室温直接送入约300摄氏度 的Chamber中。相类似，退火结束又直接从约300摄氏度被取回室温中。

铜退火之后，对铜进行CMP将表面磨平，去掉硅片表面的铜、阻挡层和二氧化硅隔离层 直至停止层。刻蚀掉停止层露出Contact之后，即可以继续后段工艺。

第一个问题是CMP后在铜及阻挡层之间出现缺口（Pits），在硅片边缘的TSV还出现了 整个铜表面凹陷且不平整的现象。在后段工艺中沉积覆盖硅通孔的金属层不能均匀连续地保 护好硅通孔。如果出现裂缝，硅通孔中的铜就会通过裂缝扩散出来，腐蚀铜的化学品会将铜 腐蚀并延续到硅通孔内部，形成一个空洞在硅通孔的上部，造成器件失效。

第二个问题是硅通孔侧壁沉积的各层薄膜因为各自热膨胀系数不同，在后续制程出现分 层(Delamination或Crack)，导致可靠性分析失败。

因此，提供一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面缺口及凹陷问题的方案实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一个硅通孔的工艺整合方案，用 于解决现有技术中硅通孔侧壁多层薄膜结构分层和CMP后铜表面缺口及凹陷的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷 问题的方案，至少包括以下步骤：

1）于表面具有停止层的硅衬底中形成硅通孔，于所述硅通孔及硅衬底表面沉积二氧化硅 作为隔离层，于所述二氧化硅隔离层表面沉积阻挡层及种子层；

2）于所述种子层表面电镀铜，形成至少填满所述硅通孔的铜；

3）对上述结构进行退火处理，包括：

3-1）以0.5～5℃/min升温至80～200℃，保温0～60min；

3-2）以1～10℃/min升温至250～450℃，保温15～180min；

3-3）以1～5℃/min降温至25～100℃；

4）采用CMP进行抛光，直至露出所述停止层。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，步骤 3-2）以1～10℃/min升温至250～300℃，保温15～180min。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，步骤 3-3）降温至30℃以上，步骤3）还包括步骤3-4）以小于10℃/min降至15～30℃。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，步骤1） 二氧化硅隔离层形成后还包括对所述硅衬底的两个表面或单个表面进行烘烤的步骤。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，烘烤的 时间为0～20min。选择烘烤时间长短的依据是沉积之后二氧化硅暴露在空气中的时间。如果 放置时间长，则需要增长烘烤的时间，以去掉其中吸附的水汽。

进一步地，若二氧化硅刚刚沉积即进行烘烤，时间为0～3min。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，从所述 硅衬底的背面进行烘烤，硅衬底表面的温度为300～400℃。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，从所述 硅衬底的正面进行照射烘烤，硅衬底表面的温度为150～250℃。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，所述停 止层的材料为氮化硅。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，所述阻 挡层的为Ta/TaN叠层。

作为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的一种优选方案，步骤4） 包括以下步骤：4-1）对铜进行抛光直至露出所述阻挡层；4-2）对铜进行过抛；4-3）抛光以 去除所述阻挡层及二氧化硅隔离层，露出所述停止层。

如上所述，本发明提供一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，包括步骤： 1）于表面具有停止层的硅衬底中形成硅通孔，于所述硅通孔及硅衬底表面沉积二氧化硅隔离 层，于所述二氧化硅隔离层表面形成阻挡层及种子层；2）于所述种子层表面电镀铜，形成至 少填满所述硅通孔的铜；3）对上述结构进行退火处理，包括：3-1）以0.5～5℃/min升温至 80～200℃，保温0～60min；3-2）以1～10℃/min升温至250～450℃，保温15～180min；3-3）以 1～5℃/min降温至25～100℃；4）采用CMP进行抛光，直至露出所述停止层。本发明通过改 善对硅衬底的烘烤工艺和对铜的退火工艺，有效的解决了硅通孔工艺中的分层现象和CMP 后铜表面凹陷问题，方法步骤简单，不增加工艺成本，适用于工业生产。

附图说明

图1显示为现有技术中硅通孔整合工艺在电镀铜后的结构示意图，其表面具有凸起和凹 陷的形貌。

图2显示为现有技术中硅通孔整合工艺在CMP后的结构示意图，在全硅片范围内，靠近 硅通孔上部边缘的铜与阻挡层分开，并呈现缺口。严重的甚至会形成环状缺口。在硅片边缘 的硅通孔出现铜整体凹陷。

图3显示为现有硅通孔整合工艺对电镀铜进行退火的温度-时间曲线图。

图4显示为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案的流程示意图。

图5显示为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案在铜电镀后退火流 程示意图。

图6显示为本发明的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案在铜电镀后退火的 温度-时间曲线图。

元件标号说明

S11～S14 步骤1）～步骤4）

S131～S134 步骤3-1）～步骤3-4）

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的 基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及 尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型 态也可能更为复杂。

如图4～图6所示，本实施例提供一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案， 用于解决现有技术中解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷 问题的方案，至少包括以下步骤：

如图4所示，首先进行步骤1）S11，于表面具有停止层的硅衬底中形成硅通孔，于所述 硅通孔及硅衬底表面沉积二氧化硅隔离层，于所述二氧化硅隔离层表面形成阻挡层及种子层。

作为实例，所示硅衬底与所述停止层之间还具有氧化层。

作为实例，采用化学气相沉积法于所述硅通孔及硅衬底表面沉积二氧化硅隔离层。

作为实例，二氧化硅隔离层形成后还包括对所述硅衬底的两个表面或单个表面进行烘烤 的步骤。

作为实例，烘烤的时间为0～20min。选择烘烤时间长短的依据是沉积之后二氧化硅暴露 在空气中的时间。如果放置时间长，则需要增长烘烤的时间，以去掉其中吸附的水汽。

优选地，烘烤的时间为0～3min。

作为实例，从所述硅衬底的背面进行烘烤，硅衬底表面的温度为300～400℃。

作为实例，从所述硅衬底的正面进行照射烘烤，硅衬底表面的温度为150～250℃。

由于对所述硅衬底背面烘烤采用的是接触式的烘烤方式，而正面烘烤则采用使非接触式 的照射烘烤方式，因此，对正面烘烤的时间相对较长，背面烘烤的时间则相对较短，可以获 得比较良好的效果。在一具体的实施过程中，对所述硅衬底正面烘烤5min，对背面烘烤1分 钟。

当然，在其他的实施过程中，可以采用其他的烘烤方式进行烘烤，并不限于此处所列举 的几种。

作为实例，所述停止层的材料为氮化硅。所述停止层作为后续CMP工艺抛光过程停止的 信号层，以免器件被过度抛光。当然，所述停止层的材料可以根据工艺需求进行选择，并不 限于此处所列举的一种。

作为实例，所述阻挡层的为Ta/TaN叠层。所述阻挡层可以防止后续工艺中的铜离子进入 硅衬底中，避免影响期间的稳定性和性能。当然，所述阻挡层的材料可以根据工艺需求进行 选择，并不限于此处所列举的一种。

本实施例对所述硅衬底进行较短时间的烘烤，去除掉二氧化硅层中吸附的水汽，增强了 二氧化硅层和阻止层之间的粘结，从而很大程度地消除了这两层之间的分层现象。但是过度 的烘烤则会带来相反的效应。

如图4所示，然后进行步骤2）S12，于所述种子层表面电镀铜，形成至少填满所述硅通 孔的铜。

作为实例，通过电镀工艺于所述硅通孔和硅衬底表面进行电镀，直至完全填满所述硅衬 底，此时，所述硅衬底表面也会形成一层铜，而且由于硅通孔的存在，在硅通孔对应的区域 上，会形成铜的突起和凹陷。

如图4～图6所示，接着进行步骤3）S13，对上述结构进行退火处理，包括：

如图5～图6所示，首先进行3-1）S131，A-B阶段及B-C阶段，以0.5～5℃/min升温至 80～200℃，保温0～60min。在本实施例中，采用1℃/min从室温升温至150℃，保温15min。

如图5～图6所示，然后进行3-2）S132，C-D阶段及D-E阶段，以1～10℃/min升温至 250～450℃，保温15～180min。

作为实例，以1～10℃/min升温至250～300℃，保温15～180min。在本实施例中，以3℃/min 升温至300℃，保温30min。

如图5～图6所示，接着进行3-3）S133，E-F阶段，以1～5℃/min降温至25～100℃。在 本实施例中，以自然冷却降温至100℃。

如图5～图6所示，若步骤3-3）降温至30℃以上，则继续进行3-4）S134，F-G阶段，以 小于10℃/min降至15～30℃，在本实施例中，以3℃/min从100℃降温至20℃，即降至室温。

当然，可以在3-3）中直接将温度降至室温，如25℃，则可以省略3-4），节省程序。

在经过上述电镀铜的退火工艺后，电镀铜的应力得到了更好的释放，硅衬底的弯曲度较 现有的铜退火工艺得到的要小一半。即使在铜电镀后表面突起和凹陷较大的情况下，也能在 CMP后获得比较平整的表面，从而可以大大降低电镀铜时对工艺精度的需求，降低成本。绝 大部分硅衬底中心的硅通孔表面已经没有了缺口。而硅片边缘的硅通孔整体凹陷，也得到了 极大的缓解。

通过上述对电镀铜的退火工艺后，铜硬度减小，致使CMP铜时铜的去除速率（Remove  Rate）增加了30%左右，因此，对铜的CMP制程也需要进行调整，比如铜的抛光速度可以 相应减少，过磨时间也可以相应减少。又因为加入了上述对二氧化硅层的烘烤工艺，硅片整 体和硅通孔的局部应力都有变化，对工艺参数的调整也需要考虑到这些因素。作为示例，本 步骤包括以下分步骤：4-1）抛光铜直至露出所述阻挡层，在采用了本方案的铜退火工艺后， 抛光力度较采用现有的铜退火工艺之后的铜抛光力度减少30%；4-2）对铜进行过抛，过抛时 间较采用现有的铜退火工艺之后的时间减少30%；4-3）抛光以去除所述阻挡层及二氧化硅隔 离层，露出所述停止层。在采用了发明的铜退火方法之后，通过本抛光方法，可获得表面平 整，基本没有凹陷的硅通孔结构表面。

如图4所示，最后进行步骤4）S14，采用CMP进行抛光，直至露出所述停止层。

当然，对于一般的硅通孔工艺，还包括步骤5），采用湿法刻蚀法去掉停止层露出Contact， 并继续后段工艺。

综上所述，本发明提供一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，包括步骤： 1）于表面具有停止层的硅衬底中形成硅通孔，于所述硅通孔及硅衬底表面沉积二氧化硅隔离 层，于所述二氧化硅隔离层表面形成阻挡层及种子层；2）于所述种子层表面电镀铜，形成至 少填满所述硅通孔的铜；3）对上述结构进行退火处理，包括：3-1）以0.5～5℃/min升温至 80～200℃，保温0～60min；3-2）以1～10℃/min升温至250～450℃，保温15～180min；3-3）以 1～5℃/min降温至25～100℃；4）采用CMP进行抛光，直至露出所述停止层。5）刻蚀掉停止 层露出Contact并继续后段工艺。本发明通过改善对硅衬底的烘烤工艺和对铜的退火工艺，有 效解决了硅通孔工艺中的分层现象和CMP后铜表面凹陷问题，方法步骤简单，不增加工艺成 本，适用于工业生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价 值。

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。