金属镀层处理方法
【专利摘要】本发明揭示了一种金属镀层处理方法，包括以下步骤：提供衬底，衬底形成有通孔；向衬底的通孔内填充金属并在衬底的表面形成金属层；以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近衬底的表面；对衬底表面的金属层进行退火工艺，通孔上方的金属层形成金属凸起；去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起，仅保留通孔内的金属。通常以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。本发明金属镀层处理方法通过整合无应力电化学抛光、化学机械研磨及退火工艺，突破了因金属层内应力造成衬底的翘曲和通孔上方金属凸起的技术瓶颈，提高了集成电路器件的质量。
【专利说明】
金属镀层处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路制造方法，尤其涉及一种金属镀层处理方法。
【背景技术】
[0002]近年来，硅通孔(TSV)技术已成为微电子行业关注的热点，TSV技术是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现彼此间互连的最新技术，与以往的1C封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。TSV的关键技术是Z轴互连和电隔离技术，其中包括:通孔的形成、堆叠形式、键合方式、绝缘层、阻挡层和种子层的淀积、铜的填充(电镀)和去除、再分布引线(RDL)电镀、晶圆减薄、测量和检测等。
[0003]由于TSV技术中的通孔具有较大的深宽比，一般从5:1到10:1，甚至20:1，大的深宽比会造成在电镀填充铜的工艺中，通孔无法填满。为了填满通孔，不在通孔内产生空隙，通常会过量电镀，由此导致衬底(晶圆或芯片)表面金属铜层过厚，一般为3到5微米。而金属铜层内的应力随着金属铜层厚度的增加而增加，金属铜层内的应力过大会使衬底形成翘曲。去除衬底表面金属铜层的传统方法是化学机械研磨(CMP)，同时结合退火工艺。退火工艺虽然能够得到较低的薄膜电阻率和较好的抗电迁移性，消除金属晶粒缺陷，但是退火工艺后金属铜层内应力增加，衬底翘曲更为严重，尤其会导致通孔上方的金属铜层形成凸起。以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属铜层时，化学机械研磨产生的较强的下压力会使翘曲的衬底破裂，而且如果通孔上方的金属凸起较大，化学机械研磨不能有效去除通孔上方的金属凸起。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种金属镀层处理方法，该方法不仅能够突破因金属层内应力造成衬底的翘曲和通孔上方金属凸起的技术瓶颈，而且能够提高集成电路器件的质量。
[0005]为实现上述目的，本发明提出的金属镀层处理方法，包括以下步骤:提供衬底，衬底形成有通孔；向衬底的通孔内填充金属并在衬底的表面形成金属层；以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近衬底的表面；对衬底表面的金属层进行退火工艺，通孔上方的金属层形成金属凸起；去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起，仅保留通孔内的金属。
[0006]在一个实施例中，去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。
[0007]在一个实施例中，去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:先以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层，然后再以无应力电化学抛光的方式去除通孔上方的金属凸起。
[0008]在一个实施例中，衬底为介质层，通孔形成于介质层内，通孔从介质层的正面向介质层的背面延伸，通孔的底壁及侧壁以及介质层的正面形成有阻挡层，金属层形成于阻挡层上。
[0009]为实现上述目的，本发明提出的又一金属镀层处理方法，包括以下步骤:提供衬底，衬底形成有通孔；向衬底的通孔内填充金属并在衬底的表面形成金属层；对衬底表面的金属层进行退火工艺，通孔上方的金属层形成金属凸起；以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近衬底的表面；去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起，仅保留通孔内的金属。
[0010]在一个实施例中，去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。
[0011 ] 在一个实施例中，去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起之前对衬底表面的金属层进行第二次退火工艺。去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。
[0012]在一个实施例中，去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起之前对衬底表面的金属层进行第二次退火工艺。去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:以无应力电化学抛光的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。
[0013]在一个实施例中，衬底为介质层，通孔形成于介质层内，通孔从介质层的正面向介质层的背面延伸，通孔的底壁及侧壁以及介质层的正面形成有阻挡层，金属层形成于阻挡层上。
[0014]综上所述，本发明金属镀层处理方法通过整合无应力电化学抛光、化学机械研磨及退火工艺，突破了因金属层内应力造成衬底的翘曲和通孔上方金属凸起的技术瓶颈，提高了集成电路器件的质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1 (a)至图1 (d)揭示了根据本发明第一实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。
[0016]图2 (a)至图2 (e)揭示了根据本发明第二实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。
[0017]图3 (a)至图3 (d)揭示了根据本发明第三实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。
[0018]图4 (a)至图4 (e)揭示了根据本发明第四实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。
[0019]图5 (a)至图5 (e)揭示了根据本发明第五实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0020]为详细说明本发明的技术内容、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
[0021]参阅图1 (a)至图1 (d)，揭示了根据本发明第一实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。如图1 (a)所示，TSV的通孔形成于衬底内，在本发明中，衬底为介质层110，通孔从介质层110的正面向介质层110的背面延伸。为了防止金属，通常优选金属铜，向介质层110扩散，在通孔的底壁及侧壁以及介质层110的正面形成有阻挡层112，阻挡层112的材料可以为钽、氮化钽、钛、氮化钛或它们的组合，阻挡层112除了可以防止金属向介质层110扩散外，阻挡层112还可以是金属与介质层110之间的粘结层。然后，以物理气相沉积的方式在阻挡层112上形成金属种子层。接着，以电化学电镀(ECP)的方式进行金属电镀，金属114填满通孔并在阻挡层112的表面形成具有一定厚度的金属层，图1 (a)为电化学电镀工艺后的剖面示意图。
[0022]接下来，需要对阻挡层112上的金属层进行平坦化处理，以去除金属层，仅保留通孔内的金属114。首先，以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近阻挡层112。本 申请人:的 申请人:于2005年2月23日提出的美国专利申请号US10/590，460中所揭露的电化学抛光方法及装置均适用于本发明，故在此仅对无应力电化学抛光方法作简要介绍。在一实施例中，无应力电化学抛光方法可以包括以下步骤:首先，使喷嘴位于靠近衬底的中心处；然后，旋转衬底，当衬底旋转时，喷嘴向衬底上的金属层供应电解液，从而开始电化学抛光；接着，移动衬底，由衬底的中心向边缘电化学抛光衬底上的金属层。采用无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近阻挡层112的目的是将连续的金属层减薄以释放金属层内应力。电化学电镀工艺后，虽然金属层内应力致使介质层110翘曲，但是无应力电化学抛光时由于不会产生机械力，因此无应力电化学抛光不会损坏介质层110，如图1 (b)所示，图
1(b)为无应力电化学抛光工艺后的剖面示意图。
[0023]然后，对金属层进行退火工艺，由于金属层已经减薄，退火工艺后，金属层内应力增加的较小，因而在通孔上方形成的金属凸起较小，如图1 (c)所示，图1 (c)为退火工艺后的剖面示意图。最后，以CMP的方式将通孔以外的金属114全部去除，仅保留通孔内的金属114，如图1 (d)所示，图1 (d)为CMP工艺后的剖面示意图。
[0024]参阅图2 (a)至图2 (e)，揭示了根据本发明第二实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。如图2 (a)所示，TSV的通孔形成于介质层210内，通孔从介质层210的正面向介质层210的背面延伸。为了防止金属，通常优选金属铜，向介质层210扩散，在通孔的底壁及侧壁以及介质层210的正面形成有阻挡层212，阻挡层212的材料可以为钽、氮化钽、钛、氮化钛或它们的组合，阻挡层212除了可以防止金属向介质层210扩散外，阻挡层212还可以是金属与介质层210之间的粘结层。然后，以物理气相沉积的方式在阻挡层212上形成金属种子层。接着，以电化学电镀(ECP)的方式进行金属电镀，金属214填满通孔并在阻挡层212的表面形成具有一定厚度的金属层，图2 (a)为电化学电镀工艺后的剖面示意图。
[0025]接下来，需要对阻挡层212上的金属层进行平坦化处理，以去除金属层，仅保留通孔内的金属214。首先，以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近阻挡层212，目的是将连续的金属层减薄以释放金属层内应力，如图2 (b)所示，图2 (b)为无应力电化学抛光工艺后的剖面示意图。这里所述的无应力电化学抛光的方法与第一实施例中所述的无应力电化学抛光方法相同，故在此不再赘述。然后，对金属层进行退火工艺，由于金属层已经减薄，退火工艺后，金属层内应力增加的较小，因而在通孔上方形成的金属凸起较小，如图
2(c)所示，图2 (c)为退火工艺后的剖面示意图。然后，以CMP的方式平坦化余下的金属层，由于通孔上方形成有金属凸起，化学机械研磨可能无法完全平坦化通孔上方的金属凸起，而使得通孔上方的金属凸起成为孤立的金属凸柱，如果采用CMP的方式继续研磨金属凸柱，化学机械研磨产生的机械剪切力会造成通孔侧壁介质层210的损伤，进而使制成的集成电路器件失效，如图2 (d)所示，图2 (d)为CMP工艺后的剖面示意图。为了克服化学机械研磨存在的缺陷，最后，以无应力电化学抛光的方式将通孔上方的金属凸起去除，仅保留通孔内的金属214，如图2 (e)所示，图2 (e)为无应力电化学抛光工艺后的剖面示意图。
[0026]参阅图3 (a)至图3 (d)，揭示了根据本发明第三实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。如图3 (a)所示，TSV的通孔形成于介质层310内，通孔从介质层310的正面向介质层310的背面延伸。为了防止金属，通常优选金属铜，向介质层310扩散，在通孔的底壁及侧壁以及介质层310的正面形成有阻挡层312，阻挡层312的材料可以为钽、氮化钽、钛、氮化钛或它们的组合，阻挡层312除了可以防止金属向介质层310扩散外，阻挡层312还可以是金属与介质层310之间的粘结层。然后，以物理气相沉积的方式在阻挡层312上形成金属种子层。接着，以电化学电镀(ECP)的方式进行金属电镀，金属314填满通孔并在阻挡层312的表面形成具有一定厚度的金属层，图3 (a)为电化学电镀工艺后的剖面示意图。
[0027]接下来，需要对阻挡层312上的金属层进行平坦化处理，以去除金属层，仅保留通孔内的金属314。首先，对金属层进行退火工艺，目的是得到较低的薄膜电阻率和较好的抗电迁移性，消除金属晶粒缺陷，但是退火工艺后金属层内应力增加，从而导致通孔上方的金属层形成凸起，如图3 (b)所示，图3 (b)为退火工艺后的剖面示意图。然后，以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近阻挡层312，目的是将连续的金属层减薄以释放金属层内应力，同时对通孔上方的金属凸起进行一定程度的去除，如图3 (c)所示，图3 (c)为无应力电化学抛光工艺后的剖面示意图。这里所述的无应力电化学抛光的方法与第一实施例中所述的无应力电化学抛光方法相同，故在此不再赘述。最后，以CMP的方式平坦化余下的金属层和通孔上方的金属凸起，仅保留通孔内的金属314，如图3 (d)所示，图3 (d)为CMP工艺后的剖面示意图。由于金属层内应力大部分已经释放，化学机械研磨余下的金属层和通孔上方的金属凸起时不会对介质层310造成损伤。
[0028]参阅图4 (a)至图4 (e)，揭示了根据本发明第四实施例的金属镀层处理方法的流程示意图。如图4 (a)所示，TSV的通孔形成于介质层410内，通孔从介质层410的正面向介质层410的背面延伸。为了防止金属，通常优选金属铜，向介质层410扩散，在通孔的底壁及侧壁以及介质层410的正面形成有阻挡层412，阻挡层412的材料可以为钽、氮化钽、钛、氮化钛或它们的组合，阻挡层412除了可以防止金属向介质层410扩散外，阻挡层412还可以是金属与介质层410之间的粘结层。然后，以物理气相沉积的方式在阻挡层412上形成金属种子层。接着，以电化学电镀(ECP)的方式进行金属电镀，金属414填满通孔并在阻挡层412的表面形成具有一定厚度的金属层，图4 (a)为电化学电镀工艺后的剖面示意图。
[0029]接下来，需要对阻挡层412上的金属层进行平坦化处理，以去除金属层，仅保留通孔内的金属414。首先，对金属层进行第一次退火工艺，目的是得到较低的薄膜电阻率和较好的抗电迁移性，消除金属晶粒缺陷，但是退火工艺后金属层内应力增加，从而导致通孔上方的金属层形成凸起，如图4 (b)所示，图4 (b)为第一次退火工艺后的剖面示意图。然后，以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近阻挡层412，目的是将连续的金属层减薄以释放金属层内应力，同时对通孔上方的金属凸起进行一定程度的去除，如图4(c)所示，图4 (c)为无应力电化学抛光工艺后的剖面示意图。这里所述的无应力电化学抛光的方法与第一实施例中所述的无应力电化学抛光方法相同，故在此不再赘述。然后，对余下的金属层进行第二次退火工艺，如图4 (d)所示，图4 (d)为第二次退火工艺后的剖面示意图。本实施例中采用两次退火工艺，其好处在于:电化学电镀工艺后，对金属层进行第一次退火工艺的时间较短，温度较低，从而使退火工艺造成的金属层内应力增加尽可能减小；无应力电化学抛光后，金属层减薄，金属层内应力释放，然后再对金属层进行第二次退火工艺的时间可以更短，温度可以更低，退火工艺后金属层内应力增加更小，因此，通孔上方的金属凸起较小，而且，分两次对金属层退火，可以降低介质层410的翘曲度。最后，以CMP的方式平坦化余下的金属层和通孔上方的金属凸起，仅保留通孔内的金属414，如图4 (e)所示，图4 (e)为CMP工艺后的剖面示意图。
[0030]参阅图5 (a)至图5 (e)，揭示了根据本发明第五实施例的金属镀层处理方法的流程不意图。如图5 (a)所不,TSV的通孔形成于介质层510内，通孔从介质层510的正面向介质层510的背面延伸。为了防止金属，通常优选金属铜，向介质层510扩散，在通孔的底壁及侧壁以及介质层510的正面形成有阻挡层512，阻挡层512的材料可以为钽、氮化钽、钛、氮化钛或它们的组合，阻挡层512除了可以防止金属向介质层510扩散外，阻挡层512还可以是金属与介质层510之间的粘结层。然后，以物理气相沉积的方式在阻挡层512上形成金属种子层。接着，以电化学电镀(ECP)的方式进行金属电镀，金属514填满通孔并在阻挡层512的表面形成具有一定厚度的金属层，图5 (a)为电化学电镀工艺后的剖面示意图。
[0031]接下来，需要对阻挡层512上的金属层进行平坦化处理，以去除金属层，仅保留通孔内的金属514。首先，对金属层进行第一次退火工艺，目的是得到较低的薄膜电阻率和较好的抗电迁移性，消除金属晶粒缺陷，但是退火工艺后金属层内应力增加，从而导致通孔上方的金属层形成凸起，如图5 (b)所示，图5 (b)为第一次退火工艺后的剖面示意图。然后，以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近阻挡层512，目的是将连续的金属层减薄以释放金属层内应力，同时对通孔上方的金属凸起进行一定程度的去除，如图5 (c)所示，图5(c)为无应力电化学抛光工艺后的剖面示意图。然后，对余下的金属层进行第二次退火工艺，如图5 (d)所示，图5 (d)为第二次退火工艺后的剖面示意图。本实施例中采用两次退火工艺，其好处在于:电化学电镀工艺后，对金属层进行第一次退火工艺的时间较短，温度较低，从而使退火工艺造成的金属层内应力增加尽可能减小；无应力电化学抛光后，金属层减薄，金属层内应力释放，然后再对金属层进行第二次退火工艺的时间可以更短，温度可以更低，退火工艺后金属层内应力增加更小，因此，通孔上方的金属凸起较小，而且，分两次对金属层退火，可以降低介质层510的翘曲度。最后，再以无应力电化学抛光的方式平坦化余下的金属层和通孔上方的金属凸起，仅保留通孔内的金属514，如图5 (e)所示，图5 (e)为无应力电化学抛光工艺后的剖面示意图。相较于化学机械研磨，无应力电化学抛光过程中，由于没有机械应力产生，因而可以保证不会对介质层510造成损伤。本实施例中所述的无应力电化学抛光的方法与第一实施例中所述的无应力电化学抛光方法相同，故在此不再赘述。
[0032]本发明金属镀层处理方法通过整合无应力电化学抛光、化学机械研磨及退火工艺，突破了因金属层内应力造成的翘曲和金属凸起的技术瓶颈，提高了集成电路器件的质量。
[0033]综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。
【权利要求】
1.一种金属镀层处理方法，其特征在于，包括以下步骤: 提供衬底，所述衬底形成有通孔； 向衬底的通孔内填充金属并在衬底的表面形成金属层； 以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近衬底的表面； 对衬底表面的金属层进行退火工艺，通孔上方的金属层形成金属凸起； 去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起，仅保留通孔内的金属。
2.根据权利要求1所述的金属镀层处理方法，其特征在于，所述去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。
3.根据权利要求1所述的金属镀层处理方法，其特征在于，所述去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:先以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层，然后再以无应力电化学抛光的方式去除通孔上方的金属凸起。
4.根据权利要求1所述的金属镀层处理方法，其特征在于，所述衬底为介质层，通孔形成于介质层内，通孔从介质层的正面向介质层的背面延伸，通孔的底壁及侧壁以及介质层的正面形成有阻挡层，金属层形成于阻挡层上。
5.一种金属镀层处理方法，其特征在于，包括以下步骤: 提供衬底，所述衬底形成有通孔； 向衬底的通孔内填充金属并在衬底的表面形成金属层； 对衬底表面的金属层进行退火工艺，通孔上方的金属层形成金属凸起； 以无应力电化学抛光的方式将金属层抛光至接近衬底的表面； 去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起，仅保留通孔内的金属。
6.根据权利要求5所述的金属镀层处理方法，其特征在于，所述去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。
7.根据权利要求5所述的金属镀层处理方法，其特征在于，所述去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起之前对衬底表面的金属层进行第二次退火工艺。
8.根据权利要求7所述的金属镀层处理方法，其特征在于，所述去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:以化学机械研磨的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。
9.根据权利要求7所述的金属镀层处理方法，其特征在于，所述去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起包括:以无应力电化学抛光的方式去除衬底表面的金属层及通孔上方的金属凸起。
10.根据权利要求5所述的金属镀层处理方法，其特征在于，所述衬底为介质层，通孔形成于介质层内，通孔从介质层的正面向介质层的背面延伸，通孔的底壁及侧壁以及介质层的正面形成有阻挡层，金属层形成于阻挡层上。
【文档编号】H01L21/768GK104347481SQ201310330145
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月31日 优先权日:2013年7月31日
【发明者】王坚, 金一诺, 王晖 申请人:盛美半导体设备（上海）有限公司