一种解决硅通孔分层和cmp后铜表面凹陷问题的方案的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 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。 -种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案
【背景技术】
[0002] 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。娃通孔（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。
[0003] 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（FE0L， Front End of Line)及后段互连（BEOL，Back End of Line)的部分。Via-Last 指在芯片 FE0L和BE0L都完成后再制造 TSV。Via-Middle则指的是在FE0L之后插入TSV制程再继续 BE0L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FE0L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BE0L兼 容的制程。Via-Last制程因为已有BE0L结构TSV可以采用的制程必须低至250甚至200 摄氏度。
[0004] 如图1?图2所示，现有一种Via-Middle娃通孔工艺方法。在FE0L Contact做 好之后，在娃衬底表面沉积氮化娃作为停止层（Stop Layer),然后刻蚀形成娃通孔。于娃 通孔及娃衬底表面内沉积二氧化娃作为电介质隔离层（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)，最后电镀铜填充娃通孔。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，娃片从室温直接送 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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】
[0009] 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。
[0010] 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：
[0011] 1)于表面具有停止层的娃衬底中形成娃通孔，于所述娃通孔及娃衬底表面沉积二 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；
[0012] 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；
[0013] 3)对上述结构进行退火处理，包括：
[0014] 3-1)以 0· 5 ?5°C /min 升温至 80 ?200°C，保温 0 ?60min ;
[0015] 3-2)以 1 ?10°C /min 升温至 250 ?450°C，保温 15 ?180min ;
[0016] 3-3)以 1 ?5°C /min 降温至 25 ?10(TC ;
[0017] 4)采用CMP进行抛光，直至露出所述停止层。
[0018] 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°C /min升温至250?300°C，保温15?180min。
[0019] 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°C以上，步骤3)还包括步骤3-4)以小于10°C /min降至15?30°C。
[0020] 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。
[0021] 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， 烘烤的时间为〇?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。
[0022] 进一步地，若二氧化硅刚刚沉积即进行烘烤，时间为0?3min。
[0023] 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°C。
[0024] 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°C。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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°C /min 升温至 80 ?200°C，保温 0 ?60min ;3-2)以 1 ?10°C /min 升温至 250 ?450°C， 保温15?180min ;3-3)以1?5°C /min降温至25?100°C ;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。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 元件标号说明
[0036] S11?S14步骤1)?步骤4)
[0037] S131 ?S134 步骤 3-1)?步骤 3-4)
【具体实施方式】
[0038] 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。
[0039] 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。
[0040] 如图4?图6所不，本实施例提供一种解决娃通孔分层和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。
[0041] 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：
[0042] 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。
[0043] 作为实例，所示硅衬底与所述停止层之间还具有氧化层。
[0044] 作为实例，米用化学气相沉积法于所述娃通孔及娃衬底表面沉积二氧化娃隔离 层。
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 优选地，烘烤的时间为0?3min。
[0048] 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°C。
[0049] 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。。。
[0050] 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。
[0051] 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。
[0052] 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。
[0053] 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。
[0054] 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。
[0055] 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。
[0056] 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 述娃衬底，此时，所述娃衬底表面也会形成一层铜，而且由于娃通孔的存在，在娃通孔对应 的区域上，会形成铜的突起和凹陷。
[0057] 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：
[0058] 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°C /min 升温至80?200°C，保温0?60min。在本实施例中，采用1°C /min从室温升温至150°C， 保温15min。
[0059] 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°C /min 升温至250?450°C，保温15?180min。
[0060] 作为实例，以1?10°C /min升温至250?300°C，保温15?180min。在本实施例 中，以3 °C /min升温至300 °C，保温30min。
[0061] 如图5?图6所示，接着进行3-3) S133, E-F阶段，以1?5°C /min降温至25? 100°C。在本实施例中，以自然冷却降温至100°C。
[0062] 如图5?图6所示，若步骤3-3)降温至30°C以上，则继续进行3-4) S134, F-G阶 段，以小于l〇°C /min降至15?30°C，在本实施例中，以3°C /min从100°C降温至20°C，即 降至室温。
[0063] 当然，可以在3-3)中直接将温度降至室温，如25°C，则可以省略3-4)，节省程序。
[0064] 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。
[0065] 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。
[0066] 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。
[0067] 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。
[0068] 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°C /min 升温至 80 ?200°C，保温 0 ?60min ;3-2)以 1 ?10°C /min 升温至 250 ?450°C， 保温15?180min ;3-3)以1?5°C /min降温至25?100°C ;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。
[〇〇69] 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。
【权利要求】
1. 一种解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在于，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°C /min 升温至 80 ?200°C，保温 0 ?60min ; 3-2)以 1 ?10°C /min 升温至 250 ?450°C，保温 15 ?180min ; 3- 3)以 1 ?5°C /min 降温至 25 ?100°C ; 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。
2. 根据权利要求1所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：步骤3-2)以1?10°C /min升温至250?300°C，保温15?180min。
3. 根据权利要求1所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征 在于：步骤3-3)降温若停止在30°C以上，步骤3)还包括步骤3-4)以小于10°C /min降至 15 ?30?。
4. 根据权利要求1所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：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。
5. 根据权利要求4所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：烘烤的时间为〇?20min。
6. 根据权利要求5所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：烘烤的时间为〇?3min。
7. 根据权利要求4所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：从所述硅衬底的背面进行烘烤的温度为300?400°C。
8. 根据权利要求4所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：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°C。
9. 根据权利要求1所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：所述停止层的材料为氮化硅。
10. 根据权利要求1所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：所述阻挡层的为Ta/TaN叠层。
11. 根据权利要求1所述的解决硅通孔分层和CMP后铜表面凹陷问题的方案，其特征在 于：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。
【文档编号】H01L21/768GK104112696SQ201310136082
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月18日 优先权日:2013年4月18日
【发明者】孙丰达 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司