一种TSV晶圆表面抛光方法

摘要

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。

说明书

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。