硅通孔的形成方法
【专利摘要】一种硅通孔的形成方法，包括：提供晶圆；在所述晶圆中形成通孔；在所述通孔表面形成绝缘层；在所述通孔内及所述晶圆上表面形成金属铜层；采用激光热退火对所述金属铜层表面进行均一化处理；对所述金属铜层进行平坦化至露出所述晶圆表面。所述硅通孔的形成方法形成的硅通孔表面平坦，并且所述硅通孔的形成方法形成的硅通孔导电能力和可靠性都得到提高。
【专利说明】硅通孔的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，尤其是涉及一种硅通孔的形成方法。
【背景技术】
[0002]随着半导体技术不断发展，目前半导体器件的特征尺寸已经变得非常小，希望在二维的封装结构中增加半导体器件的数量变得越来越困难，因此三维封装成为一种能有效提高芯片集成度的方法。目前的三维封装包括基于引线键合的芯片堆叠(Die Stacking)、封装堆叠(Package Stacking)和基于娃通孔(Through Silicon Via, TSV)的三维堆叠。
[0003]基于硅通孔的三维堆叠技术具有以下三个优点:(1)高密度集成；(2)大幅地缩短电互连的长度，从而可以很好地解决出现在二维系统级芯片(S0C)技术中的信号延迟等问题；(3)利用硅通孔技术，可以把具有不同功能的芯片(如射频、内存、逻辑、MEMS等)集成在一起来实现封装芯片的多功能。
[0004]现有硅通孔的形成方法通常包括在晶圆上形成通孔，在通孔表面形成绝缘层，在通孔内填充金属铜层，进行平坦化形成硅通孔。但是，由于工艺方面的原因，在硅通孔形成过程中，在通孔内所填充的金属铜层在平坦化后，上表面周边会出现破损，导致硅通孔产生表面缺口(pitting)。一旦娃通孔存在表面缺口，则后续继续在娃通孔上形成金属层时，一方面可能导致硅通孔与金属层接触不良，从而使硅通孔的导电性能下降，另一方面导致易金属铜层发生扩散，影响硅通孔的可靠性，影响生产效率。
[0005]为此，需要一种新的硅通孔的形成方法，以解决现有硅通孔存在表面缺口的问题。
【发明内容】
[0006]本发明解决的问题是提供一种硅通孔的形成方法，以形成没有表面缺口的硅通孔，从而提高硅通孔的导电性能和可靠性。
[0007]为解决上述问题，本发明提供一种硅通孔的形成方法，包括:
[0008]提供晶圆；在所述晶圆中形成通孔；在所述通孔表面形成绝缘层；采用电镀铜工艺在所述通孔内及所述晶圆上表面沉积金属铜层；采用激光热退火(Laser ThermalAnnealing，LTA)对所述金属铜层表面进行均一化处理；采用平坦化工艺对所述金属铜层进行平坦化。
[0009]可选的，所述电镀铜工艺沉积的金属铜层位于所述晶圆上表面的厚度范围包括4 μ m?5.5 μ m,并且最大厚度与最小厚度的差值范围包括0.3 μ m?0.5 μ m。
[0010]可选的，所述激光热退火采用的激光为脉冲激光，所述激光的波长范围为300nm?600nm，所述激光的投射面积范围为1cm2?4cm2，所述激光的每次投射时间范围为0.lus ?0.5us。
[0011]可选的，将所述晶圆上表面分为中央区域和外缘区域；在所述中央区域中，对位于所述通孔内及所述晶圆表面的金属铜层表面都进行所述激光热退火；在所述外缘区域中，对位于所述通孔内的金属铜层表面进行所述激光热退火。
[0012]可选的，在所述中央区域中，所述激光的投射面积范围包括1(^2?3(^2 ；在所述边缘区域中，所述激光的投射面积范围包括2(302?如!!!2。
[0013]可选的，在所述中央区域中，所述激光的每次投射时间范围包括0.1^8?0.3 8 ；在所述边缘区域中，所述激光的每次投射时间范围包括0.3 0 8?0.5 0 8。
[0014]可选的，采用电镀铜工艺在所述通孔内及所述晶圆上表面形成所述金属铜层。
[0015]可选的，所述平坦化工艺采用化学机械平坦化工艺。
[0016]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0017]本发明的技术方案中，在所述通孔内及所述晶圆上表面形成金属铜层后，采用激光热退火对所述金属铜层表面进行均一化处理，即进行激光热退火使所述金属铜层表面半熔融，并使半熔融的金属铜层在重力作用下流平，从而既减小了整个晶圆表面上金属铜层的厚度差异，又减小了单个硅通孔中金属铜层的厚度差异，因此，后续再进行平坦化工艺之后，就能够得到表面平坦的硅通孔，从而消除了硅通孔的表面缺口，提高硅通孔的导电性能和可靠性。
[0018]进一步，采用波长为30011111?60011111的激光对所述金属铜层表面进行均一化处理，所述金属铜层对波长为30011111?60011111的激光具有较高的吸光率,从而使所述金属铜层表面的均一化处理高效进行。
[0019]进一步，由于每次激光投射持续的时间很短，仅为0.1 ^ 8?0.5^ 8，因此激光热退火时，晶圆的温度范围可以控制在3001以下的范围内，从而可以防止晶圆表面的其它结构受到影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为位于晶圆表面中央区域的硅通孔表面缺口电镜图；
[0021]图2为位于晶圆表面边缘区域的硅通孔表面缺口电镜图；
[0022]图3至图7为本发明实施例一硅通孔的形成方法示意图；
[0023]图8至图9为本发明实施例二硅通孔的形成方法示意图。
【具体实施方式】
[0024]硅通孔易存在表面缺口，经检测发现，位于晶圆表面中央区域的硅通孔与位于晶圆表面边缘区域的硅通孔出现表面缺口的情况不相同。请结合参考图1和图2，图1中的电镜扫描图显示出了位于晶圆表面中央区域的硅通孔出现表面缺口的情况，而图2中的电镜扫描图显示出了位于晶圆表面边缘区域的硅通孔出现表面缺口的情况。
[0025]造成硅通孔存在表面缺口的原因主要有两点。
[0026]第一点，对于整个晶圆而言，在电镀金属铜层工艺过程中，金属铜层在晶圆表面中央区域和晶圆表面边缘区域沉积的厚度不同。如图3所示，金属铜层1103在晶圆100表面中心位置上的厚度大，并且金属铜层1103的厚度沿晶圆100表面中心位置向外逐渐减小，但接近到晶圆100表面最外边缘时，金属铜层1103的厚度又突然增加。这种情况是由于电镀工艺过程中，电场在晶圆100表面分布不均等原因造成的。由于金属铜层1103的厚度分布不均，因此后续平坦化工艺后，位于晶圆100表面中心位置和边缘位置的硅通孔总是无法同时达到所需工艺要求，致使硅通孔出现表面缺口，并且位于晶圆100表面中央区域的娃通孔和位于晶圆100表面边缘区域的娃通孔存在不同的表面缺口，分别如图1和图2所
0
[0027]第二点，对于单个硅通孔而言，在电镀铜工艺时，由于通孔边缘处的电力线分布与孔内部存在差异，因此在通孔边缘处铜的沉积速度与通孔内部铜沉积的速度存在差异，使得电镀铜工艺后，通孔内铜的形貌如图4所示，金属铜层11匕位于通孔中间位置的部分具有最大厚度，最大厚度的金属铜层1113部分高于晶圆100表面，金属铜层1113位于通孔边缘位置的部分具有最小厚度，最小厚度的金属铜层11匕部分低于晶圆100表面，在平坦化工艺之后，金属铜层1113高于晶圆100表面的部分被去除，而金属铜层1113低于晶圆100表面的部分仍然存在，因此硅通孔出现表面缺口。
[0028]为此，本发明提供了一种新的硅通孔的形成方法，所述形成方法在电镀铜工艺后，采用激光热退火对所述金属铜层表面进行均一化处理，即进行激光热退火使所述铜表面半熔融，并使半熔融的铜在重力作用下流平，从而既减小了整个晶圆表面上金属铜层的厚度差异，又减小了单个硅通孔中铜的厚度差异，因此，后续再进行平坦化工艺之后，就能够得到表面平坦的硅通孔，从而消除了硅通孔的表面缺口，提高硅通孔的导电性能和可靠性。
[0029]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0030]本发明实施例一提供一种硅通孔的形成方法。
[0031]请参考图3，首先提供晶圆100。
[0032]本实施例中，晶圆100可以是体硅(8111& 81110011)、锗化硅或绝缘体上硅(81110011 011301)，并且可以掺杂有其它元素。在晶圆100中还可以形成有各类有源半导体器件和各类无源半导体器件，并可以形成有相应的隔离结构、介质层和导电互连结构。
[0033]请继续参考图3，在晶圆100中形成通孔(未示
[0034]本实施例中，在晶圆100中形成通孔的工艺可以为深反应性离子刻蚀工艺，所述深反应性离子刻蚀工艺可以是808(^深反应性离子刻蚀(808(311 0661) 0651(^1^6 1011￡1:0111118, 808011 0012)工艺或低温型深反应性离子蚀刻066^ 1？6801:1^6 1011
[0035]请继续参考图3，在所述通孔表面形成绝缘层(未示出兄
[0036]本实施例中，形成绝缘层的方法可以为常压化学气相沉积(紅!
？1~688111~6 01161111081 7叩01~ 06^)0811:1011,八?(^0)法、等离子体辅助化学气相沉积(91381118￡111181106 01161111081 7叩01~ 06^)0811:1011,法或低压化学气相沉积([0? ？1~688111~6
0116111108106^0811:1011,法。绝缘层的材料可以为氮化物(例如氮化娃)或者氧化物。绝缘层可用于电性隔绝硅衬底和后续的填充于通孔中的金属铜层。
[0037]本实施例中，在通孔表面形成绝缘层之后，还可以继续在通孔表面形成扩散阻挡层，并在形成扩散阻挡层之后再进行所述电镀铜工艺。扩散阻挡层可用于防止后续填充于通孔中的金属铜层发生扩散，其材料可以包括氮化钽和钽。
[0038]请继续参考图3，在所述通孔内及晶圆100上表面形成金属铜层110&。
[0039]本实施例中，可以采用电镀铜工艺在晶圆100上形成金属铜层1103。具体的，首先形成铜籽晶层(未显示)覆盖扩散阻挡层，且所述铜籽晶层同时覆盖晶圆100的表面，从而使晶圆100的表面具有导电性，然后将所述晶圆100转移至电镀装置中，所述电镀装置包括有电镀溶液和电源正负极，电镀过程中所述晶圆100固定在负极，所述电镀溶液中包含加速齐U、抑制剂、调整剂(leveler)等多种添加剂。在电镀过程中，铜填满通孔，并且覆盖在晶圆100上，即形成金属铜层110a。
[0040]本实施例中，晶圆100上表面沉积的金属铜层110a如图3所示，金属铜层110a在晶圆100表面中心位置上的厚度高，并且金属铜层110a的厚度沿晶圆100表面中心位置向外逐渐减小，但快到晶圆100表面最外边缘时，金属铜层110a的厚度又突然增加。
[0041]本实施例中，金属铜层110a位于晶圆100上表面的厚度分布不均，为保证金属铜层110a填充满通孔,金属铜层110a的厚度范围包括4 μ m?5.5 μ m,金属铜层110a最大厚度与最小厚度的差值范围为0.3 μ m?0.5 μ m。
[0042]请参考图4，晶圆100中单个硅通孔如图4所示，其中所述通孔内形成有金属铜层111a。本实施例中，金属铜层111a厚度不一致，金属铜层111a位于通孔中间位置的部分具有最大厚度，最大厚度高于晶圆100表面，金属铜层111a位于通孔边缘位置的部分具有最小厚度，最小厚度低于晶圆100表面。
[0043]由本说明书前面的分析可知，金属铜层110a在晶圆100上表面的厚度分布不均，而金属铜层111a在所述通孔内的厚度不一致，因此，后续平坦化后硅通孔出现表面缺口。
[0044]为此，本实施例在所述通孔内及晶圆100上表面形成金属铜层110a之后，采用激光热退火对所述金属铜层110a表面进行均一化处理。
[0045]请参考图5，图5显示了一种可运用于本实施例形成方法的激光热退火工作平台。所述激光热退火工作平台包括激光发射器210、可变衰减器220、第一反射镜230、光束均匀器240、第二反射镜250和载台260组成。其中，激光发射器210发出的激光经过可变衰减器220后，在第一反射镜230发生全反射，再进入到光束均匀器240，并从光束均匀器240传出，经过第二反射镜250反射后，投射到金属铜层110a表面，从而对金属铜层110a表面进行均一化处理。晶圆100承载在载台260上，载台260的承载面水平。
[0046]本实施例中，所采用的激光为脉冲激光，即激光发射器210为脉冲激光发射器，而激光发射器210的每次投射时间可以通过发射器210本身进行调节和控制。需要说明的是，物质吸收光子具有选择性，只有特定波长的光子才会金属铜层吸收。虽然金属铜层可以吸收多个特定波长的激光，但是金属铜层对其中一些激光(能量)的吸收率很低，而金属铜层对波长为300nm?600nm左右的激光达到一个吸收高峰，特别当激光波长为532nm时，金属铜层对激光的吸收率高达50%，因此，本实施例中，所述激光热退火采用的激光波长为532nm。但是，本发明的其它实施例中，也可以选取对金属铜层而言，同样具有较高吸收率的其它波长的激光，即激光波长的范围可以为300nm?600nm。
[0047]进行均一化处理时，所述激光的投射面积范围为1cm2?4cm2。可以沿着特定的运动轨迹使激光投射在金属铜层110a上，例如可按照自下而上、左右来回的投射轨迹进行。如果时间太长，温度太高，可能影响到晶圆100表面的其它结构，如果时间太短，铜温度太低，无法达到熔融状态。因此本实施例中，每次投射(shot)时间可以为0.1 μ s?0.5μ s,从而将温度范围控制在1250°C?1350°C。由于激光热退火的温度范围可以控制在1250°C?1350°C，因此，被所述激光投射的金属铜层会出现半熔融状态，半熔融状态的铜具有流动性，其会在重力作用下发生流动，而此时晶圆100位于水平的承载面上，因此，金属铜层1103表面在流动后会逐渐趋近于水平。由于每次激光投射持续的时间很短，仅为0.8?0.5118,因此激光热退火时，晶圆100的温度范围可以控制在3001以下的范围内，从而可以防止晶圆100表面的其它结构受到影响。
[0048]激光退火处理是采用特定波长的激光打到相应材料的表面，材料通过吸收激光中含有的能量而升温，实现退火。这种方法最大的特点是升温速度和降温速度极快，基本在纳秒级别。激光退火处理过程中，热量基本集中在几百纳米到几微米的被处理表面层中，不会对下层材料发生影响。因此只要停止激光的入射，温度自然就降低了，不需要做特殊冷却处理。
[0049]请参考图6，在采用激光热退火对图3所示的金属铜层1103进行均一化处理之后，得到金属铜层110比金属铜层1106具有比金属铜层1103更加平坦的表面，因此，减轻了后续平坦化工艺的负担，即在均一化处理之后，晶圆100上表面各个位置上的金属铜层厚度相差较小，防止晶圆100中不同位置的硅通孔在平坦化后出现较大差异，从而使不同位置的硅通孔能够统一满足相应的工艺需求。
[0050]请参考图7，在采用激光热退火对图4所示的金属铜层11匕进行均一化处理之后，得到金属铜层11化，金属铜层11化具有比金属铜层11匕更加平坦的表面，因此，后续平坦化工艺之后，硅通孔不容易出现表面缺口。
[0051]在采用激光热退火对所述金属铜层表面进行均一化处理之后，采用平坦化工艺对所述金属铜层进行平坦化。
[0052]本实施例中，采用化学机械平坦化工艺进行第一次平坦化工艺，化学机械平坦化能够精确和均匀地将相应结构平坦至所需厚度和平坦度。
[0053]本实施例所提供的硅通孔的形成方法中，在电镀铜工艺后，采用激光热退火对所述金属铜层表面进行均一化处理，使位于晶圆表面的金属铜层厚度差异减小，更重要的是，使单个硅通孔中铜的厚度差异减小，因此，在平坦化之后，能够得到表面平坦的硅通孔，消除了硅通孔的表面缺口，提高硅通孔的导电性能和可靠性。
[0054]本发明实施例二提供另外一种硅通孔的形成方法。
[0055]请参考图8，所述形成方法包括提供晶圆300，然后在晶圆300中形成通孔(未示)，之后在所述通孔表面(包括侧壁和底部)形成绝缘层(未示),接着采用电镀铜工艺在所述通孔内及晶圆300上表面沉积金属铜层310，此时，金属铜层310厚度不均匀，厚度大小范围
厚度差值范围为0.3 4 III?0.5 4 III。本实施例中，上述各结构及其性质可参考实施例一相应内容。
[0056]与实施例一不同的是，本实施例中，采取分区域对金属铜层310进行均一化处理。
[0057]请结合参考图8和图9，图9为晶圆300的俯视示意图(图9中省略了图8中的金属铜层310 )。在电镀铜工艺之后，对晶圆300上表面的铜进行表面形貌探测，获得所述金属铜层310的三维形貌图。
[0058]可通过测量金属铜层310的电阻值的方式，获得金属铜层310相应位置的厚度，并根据多个不同位置金属铜层310的厚度，得到金属铜层310的三维形貌图。具体的，请参考图8，可采用在晶圆300的一条直径上选取121个点(未全部示出),分别测试这121个点的铜的电阻值，从而得到金属铜层310相应的厚度，由于晶圆300上各直径上的金属铜层310厚度分布大致相同，因此，可通过一条直径上金属铜层310的厚度分布，得到整个晶圆300表面上金属铜层310的三维形貌图。
[0059]在得到上述金属铜层310的三维形貌图后，可以图中设定一条基准线，以将所述晶圆300上表面分为中央区域300A和边缘区域300B。所述基准线的设置方法可以为:根据上述金属铜层310的三维形貌图得到金属铜层310的平均厚度，将具有该平均厚度的金属铜层310所在的圆周位置设定为所述基准线的位置，如图9所示。基准线以内的晶圆表面为中央区域300A，基准线以外的晶圆表面为边缘区域300B。
[0060]本实施例中，针对13μπιΧ130μπι (开口直径X深度)的硅通孔，设定晶圆300上表面的金属铜层310厚度为5 μ m所在位置为基准线，从而将晶圆300上表面划分为中央区域300A和边缘区域300B。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，针对13 μ mX 130 μ m的硅通孔，基准线可以设置在5 μ m?5.2 μ m的任意位置。
[0061]在中央区域300A上方的金属铜层310厚度较大，并且两个区域中金属铜层310厚度的差值平均值在0.3 μ m?0.5 μ m。因此，对位于中央区域300A上方的金属铜层310而言，除了需要对每个通孔内的金属铜层310表面进行均一化处理，还要对位于晶圆300上表面的金属铜层310也进行均一化处理，并且要保证铜有较多时间处于半熔融状态，从而有足够时间向发生回流(流平)，达到提高金属铜层310厚度均匀性的目的。为此，在中央区域300A上，对位于所述通孔内及晶圆300上表面的金属铜层310都进行所述激光热退火，所述激光的投射面积范围包括2cm2?4cm2，所述激光的每次投射时间范围包括0.3 μ s?0.5 μ So
[0062]在边缘区域300B上方的金属铜层310厚度较小，只需要使得位于通孔内的铜发生回流(在重力作用下流平)，填补通孔内铜边缘的凹陷处，从而防止硅通孔产生表面缺口即可，因此，只需对位于所述通孔内的金属铜层310表面进行所述激光热退火。为此，在边缘区域300B上，仅对位于所述通孔内的铜表面进行所述激光热退火，从而提高处理效率，而且所述激光的投射面积范围包括lcm2?3cm2，所述激光的每次投射时间范围包括0.1 μ s?0.3 μ So
[0063]相比于实施例二而言，本实施例对晶圆300上表面的金属铜层310a进行分区域均一化处理，提高了处理效率，并且同样消除了硅通孔的表面缺口，提高硅通孔的导电性能和可靠性。
[0064]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【权利要求】
1.一种硅通孔的形成方法，其特征在于，包括: 提供晶圆； 在所述晶圆中形成通孔； 在所述通孔表面形成绝缘层； 在所述通孔内及所述晶圆上表面形成金属铜层； 采用激光热退火对所述金属铜层表面进行均一化处理； 对所述金属铜层进行平坦化至露出所述晶圆表面。
2.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述激光热退火采用的激光为脉冲激光，所述脉冲激光的波长范围包括300nm?600nm。
3.如权利要求2所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述激光的每次投射时间范围为 0.lys ?0.5ys。
4.如权利要求3所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述激光的投射面积范围为lcm2 ?4cm2 ο
5.如权利要求4所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，金属铜层位于所述晶圆上表面的厚度范围包括4 μ m?5.5 μ m，并且最大厚度与最小厚度的差值范围包括0.3 μ m?0.5 μ m。
6.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，将所述晶圆上表面分为中央区域和外缘区域； 在所述中央区域中，对位于所述通孔内及所述晶圆表面的金属铜层表面都进行所述激光热退火； 在所述外缘区域中，对位于所述通孔内的金属铜层表面进行所述激光热退火。
7.如权利要求6所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，在所述中央区域中，所述激光的投射面积范围包括lcm2?3cm2 ;在所述边缘区域中，所述激光的投射面积范围包括2cm2 ?4cm2。
8.如权利要求7所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，在所述中央区域中，所述激光的每次投射时间范围包括0.1 μ s?0.3μ s ;在所述边缘区域中，所述激光的每次投射时间范围包括0.3ys?0.5ys。
9.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，采用电镀铜工艺在所述通孔内及所述晶圆上表面形成所述金属铜层。
10.如权利要求1所述的硅通孔的形成方法，其特征在于，所述平坦化工艺采用化学机械平坦化工艺。
【文档编号】H01L21/768GK104465495SQ201310450092
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】沈哲敏, 赵洪波, 何作鹏 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司