一種TSV露頭工藝

《一種TSV露頭工藝》是華進半導體封裝先導技術研發中心有限公司於2013年5月3日申請的發明專利，該專利的申請號為2013101635106，公布號為CN103219282A，授權公布日為2013年7月24日，發明人是顧海洋、張文奇、宋崇申。

《一種TSV露頭工藝》是通過在對晶圓襯底的背面採用機械方式研磨減薄後，增加2次化學機械拋光工藝（CMP），第一次CMP採用無選擇比的拋光液，使襯底表面的TTV控制在1微米以下，減少因TTV過大而對露頭造成的均勻性差的問題。第二次CMP採用對襯底、TSV介質層、TSV阻擋層三者之間高選擇比的拋光液，使得刻蝕停留在TSV的阻擋層上，從而保護裡面的導電銅柱不被腐蝕，並且刻蝕出來的襯底形貌具有用於種子層沉積時的過渡結構，從而提高TSV後續電連線時的穩定性。

2019年7月15日，《一種TSV露頭工藝》獲第十一屆江蘇省專利項目獎優秀獎。

（概述圖為《一種TSV露頭工藝》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種TSV露頭工藝
• 公布號：CN103219282A
• 公布日：2013年7月24日
• 申請號：2013101635106
• 申請日：2013年5月3日
• 申請人：華進半導體封裝先導技術研發中心有限公司
• 地址：江蘇省無錫市菱湖大道200號中國感測網國際創新園D1棟
• 發明人：顧海洋、張文奇、宋崇申
• Int.Cl.：H01L21/768(2006.01)I
• 代理機構：北京集佳智慧財產權代理有限公司
• 代理人：唐靈、常亮
• 類別：發明專利

專利背景

隨著微電子技術的不斷進步，積體電路的特徵尺寸不斷縮小，互連密度不斷提高。同時用戶對高性能低耗電的要求不斷提高。在這種情況下，靠進一步縮小互連線的線寬來提高性能的方式受到材料物理特性和設備工藝的限制，二維互連線的電阻電容（RC）延遲逐漸成為限制半導體晶片性能提高的瓶頸。矽穿孔（Through Silicon Via，簡稱TSV）工藝通過在晶圓中形成金屬立柱，並配以金屬凸點，可以實現晶圓（晶片）之間或晶片與基板間直接的三維互連，這樣可以彌補傳統半導體晶片二維布線的局限性。這種互連方式與傳統的堆疊技術如鍵合技術相比具有三維方向堆疊密度大、封裝後外形尺寸小等優點，從而大大提高晶片的速度並降低功耗。因此，TSV技術已經被廣泛認為是繼鍵合、載帶焊和倒裝晶片之後的第四代封裝技術，將逐漸成為高密度封裝領域的主流技術。

TSV是通過在晶片和晶片、晶圓和晶圓之間通過刻蝕、雷射鑽孔等方式製作垂直導通孔，然後在導通孔內通過電鍍等方式沉積導電物質而實現互連的技術。由於TSV的深度通常比所在的晶片和晶圓的厚度小，要實現互連的目的，必須要對晶圓背面進行一減薄工藝，露出TSV的導電銅柱。2013年5月前已有的TSV露銅工藝中，首先通過機械研磨將晶圓減薄至離TSV底部一定距離，然後通過濕法刻蝕（或乾法刻蝕）將晶圓背面的矽去掉，露出TSV底部的銅。在此過程中，2013年5月前已有機械研磨機器在研磨時，對晶圓表面的厚度變化量（TTV）d1控制在2.5微米，如圖1所示。這個變化量會在下一步濕（/乾）法刻蝕露銅中，由於刻蝕的各項同性而維持。這樣導致的結果是，刻蝕完成後，不同區域的TSV露頭的高度也不一樣，某些地方的TSV露頭高度有可能達到了要求，而有些地方的TSV露頭高度則可能尚未達到要求。以10微米露頭高度為例，在晶圓較厚區域，有可能露出來的TSV導電柱只有7-8微米，從而導致這些區域的TSV在後續電連線上出現問題。

發明內容

專利目的

《一種TSV露頭工藝》的目的在於提供一種新的TSV露頭工藝，該工藝不僅可以避免TTV對TSV露頭部分的影響，保證所有的TSV均具有滿足要求高度的露頭部分，而且在TSV露頭之後，減少對TSV露頭部分的破壞，提高產品品質。

技術方案

《一種TSV露頭工藝》包括步驟：提供一具有TSV結構的半導體襯底；對上述半導體襯底的背面進行一機械研磨工藝；對半導體襯底背面進行第一次化學機械拋光工藝，該第一次化學機械拋光工藝採用無選擇比的拋光液將半導體襯底背面拋光至距離TSV底部不超過1微米處，拋光後襯底表面的TTV小於1微米；對半導體襯底背面進行第二次化學機械拋光工藝，該第二次化學機械拋光工藝採用對半導體襯底、TSV介質層、TSV阻擋層高選擇比的拋光液進行；對半導體襯底背面進行濕法或乾法刻蝕，使TSV露出10微米以上。

優選的，所述第二次化學機械拋光工藝中採用的拋光液，其對半導體襯底和TSV介質層之間的選擇比為10:1至100:1，TSV介質層與TSV阻擋層之間的選擇比超過200:1。

優選的，所述第二次化學機械拋光工藝中採用的拋光液氫氟酸和硝酸混合體系、氫氟酸，TMAH體系或氫氧化鉀。

優選的，所述氫氟酸和硝酸混合體系中氫氟酸和硝酸的體積百分比的範圍在1:5到1:25之間，所述TMAH體系的重量百分比為3質量百分比-30質量百分比。

優選的，所述第二次化學機械拋光工藝後，TSV的露頭高度在0.2微米-0.5微米之間。

優選的，所述半導體襯底的材質為矽、鍺、氮化鎵或砷化鎵。

改善效果

上述的TSV露頭工藝，與2013年5月前已有技術相比，具有的技術優勢如下：

第一次CMP採用無選擇比的拋光液，使襯底表面的TTV控制在1微米以下，減少因TTV過大而對露頭造成的均勻性差的問題。

第二次CMP採用採用對襯底、TSV介質層、TSV阻擋層三者之間高選擇比的拋光液，使得刻蝕停留在TSV的阻擋層上，從而保護裡面的導電銅柱不被腐蝕，並且刻蝕出來的襯底形貌具有用於種子層沉積時的過渡結構，從而提高TSV後續電連線時的穩定性。

附圖說明

圖1是2013年5月前已有技術中，經過機械研磨後的襯底表面示意圖。

圖2是《一種TSV露頭工藝》的TSV露頭工藝的簡要流程示意圖。

圖3A至3E是圖2中各個步驟對應的結構示意圖。

權利要求

1.《一種TSV露頭工藝》特徵在於，包括步驟：提供一具有TSV結構的半導體襯底；對上述半導體襯底的背面進行一機械研磨工藝；對半導體襯底背面進行第一次化學機械拋光工藝，該第一次化學機械拋光工藝採用無選擇比的拋光液將半導體襯底背面拋光至距離TSV底部不超過1微米處，拋光後襯底表面的TTV小於1微米；對半導體襯底背面進行第二次化學機械拋光工藝，該第二次化學機械拋光工藝採用對半導體襯底、TSV介質層、TSV阻擋層高選擇比的拋光液進行；對半導體襯底背面進行濕法或乾法刻蝕，使TSV露出10微米以上。

2.如權利要求1所述的TSV露頭工藝，其特徵在於：所述第二次化學機械拋光工藝中採用的拋光液，其對半導體襯底和TSV介質層之間的選擇比為10:1至100:1，TSV介質層與TSV阻擋層之間的選擇比超過200:1。

3.如權利要求1所述的TSV露頭工藝，其特徵在於：所述第二次化學機械拋光工藝中採用的拋光液氫氟酸和硝酸混合體系、氫氟酸，TMAH體系或氫氧化鉀。

4.如權利要求3所述的TSV露頭工藝，其特徵在於：所述氫氟酸和硝酸混合體系中氫氟酸和硝酸的體積百分比的範圍在1:5到1:25之間，所述TMAH體系的重量百分比為3質量百分比-30質量百分比。

5.如權利要求1所述的TSV露頭工藝，其特徵在於：所述第二次化學機械拋光工藝後，TSV的露頭高度在0.2微米-0.5微米之間。

6.如權利要求1所述的TSV露頭工藝，其特徵在於：所述半導體襯底的材質為矽、鍺、氮化鎵或砷化鎵。

實施方式

正如專利背景所述，2013年5月前已有的TSV露頭工藝，由於機械研磨機器在研磨時，對晶圓表面的厚度變化量（TTV）d1控制在2.5微米，這個變化量會在下一步濕（/乾）法刻蝕露頭中，由於刻蝕的各項同性而維持。這樣導致的結果是，刻蝕完成後，不同區域的TSV露頭的高度也不一樣，某些地方的TSV露頭高度有可能達到了要求，而有些地方的TSV露頭高度則可能尚未達到要求。以10微米露頭高度為例，在晶圓較厚區域，有可能露出來的銅只有7-8微米，從而導致這些區域的TSV在後續電連線上出現問題。

因此，針對這些問題，該發明提出了一種新的TSV露頭工藝，該工藝不僅可以避免TTV對TSV露頭部分的影響，保證所有的TSV均具有滿足要求高度的露頭部分，而且在TSV露頭之後，減少對TSV露頭部分的破壞，提高產品品質。同時，運用該發明的工藝在進行TSV露頭操作之後，可以在TSV露銅端與襯底的交界處出現一定弧度的過渡區域，該過渡區域可以使得後續在TSV上沉積電鍍用的種子層時，形成連續的種子層沉積，避免了後續TSV上微凸點的連線缺陷問題。

《一種TSV露頭工藝》的技術方案中，主要改進點在於，在對晶圓襯底的背面採用機械方式研磨減薄後，增加2次化學機械拋光工藝（CMP），第一次CMP採用無選擇比的拋光液，將研磨後的襯底進一步減薄至距離TSV底部1微米左右的距離，通過該步驟的拋光，使得襯底表面TTV的高度差降低至1微米以下的程度，同時使得襯底背面的高度儘量接近TSV底部，可以為後續的刻蝕步驟節省時間。第二次CMP則採用對襯底、TSV介質層、TSV阻擋層三者之間高選擇比的拋光液，在對襯底進行拋光時，控制對介質層和阻擋層的刻蝕速率，使得襯底被刻蝕至0.2微米至0.5微米的時候，TSV的刻蝕被停留在阻擋層上，避免對TSV中銅導電柱的腐蝕。同時，在該步驟拋光之後，會在襯底表面形成如下的圖案：在靠近TSV側壁的地方，襯底被向下刻蝕的少，而遠離TSV的地方，襯底被向下刻蝕的多，從而在TSV與襯底的交界處出現了TSV至襯底的高度過渡區，該過渡區可以使得後續沉積種子層時，幫助種子層連續的沉積，從而避免原有垂直結構中的斷層問題出現。在2次CMP之後，再利用襯底刻蝕工藝對襯底進行濕法或乾法刻蝕，沿著第二次CMP之後出現的襯底形狀繼續往下刻蝕，從而露出所需高度的TSV銅層。

參見圖2，圖2是《一種TSV露頭工藝》的TSV露頭工藝的簡要流程示意圖。如圖所示，該工藝的主要步驟包括：

S11：提供一具有TSV結構的半導體襯底。

S12：對上述半導體襯底的背面進行一機械研磨工藝。

S13：對步驟S12之後的襯底背面進行第一次化學機械拋光工藝，該第一次化學機械拋光工藝採用無選擇比的拋光液將襯底背面拋光至距離TSV底部不超過1微米處，拋光後襯底表面的TTV小於1微米。

S14：對步驟S13之後的襯底背面進行第二次化學機械拋光工藝，該第二次化學機械拋光工藝採用對襯底、TSV介質層、TSV阻擋層高選擇比的拋光液進行。

S15：對步驟S14之後的襯底背面進行濕法或乾法刻蝕，使TSV露出10微米以上。

下面，將通過具體實施方式對上述方法進行詳細描述。

參見圖3A-3E，圖3A至3E上上述各個步驟對應的結構示意圖。如圖所示：

首先，準備一具有TSV結構的半導體襯底，如圖3A所示。該半導體襯底11在一種實施方式中為半導體晶片，其材質比如是矽、鍺、氮化鎵、砷化鎵等半導體材料，其包括形成在其襯底正面12和/或其內部的若干電子元器件，和優選但非必須的半導體層間結構40，比如介質層、導電層、導電圖案區等為上述電子元器件形成完整電路而設計的連線和布線結構。於實際套用中，該半導體晶片還可以為包括多層由上述介質和導電層構成的互動層，互動層的層數較為典型的可以為三層至十二層左右。該半導體襯底11在另一種實施方式也可以直接為晶圓，此時其正面12可以為未包含任何半導體器件的裸晶。多個TSV30被製作在該半導體襯底11中。

這些TSV30的具體結構參見圖3B。包括位於TSV側壁上的介質層2、阻擋層4和被該介質層2、阻擋層4包裹的導電柱31。介質層2可以是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽等等，製作該介質層的方法可以是對襯底進行氧化、氮化等方式直接製得，也可以使用化學氣相沉積（CVD）、電漿增強化學氣相沉積（PECVD）、低壓化學氣相沉積（LPCVD）等鍍膜方式製作而成。該介質層2設定在導電柱31和半導體襯底11之間，主要起到絕緣的作用，防止TSV中的導電材料對半導體中的載流子變化造成影響。阻擋層4通常由多層金屬依次沉積而成，其結構比如是鈦/鈦鎢/銅的排列或者鈦/鎳/金的排列等等。該阻擋層4的作用可以防止在製作TSV導電柱31時，導電材料穿過介質層2滲透至半導體襯底11中，從而對半導體襯底以及設定於該半導體襯底中的電子元器件造成損壞。TSV導電柱31通過金屬沉積的方法製作在該孔洞內。TSV導電柱31優選的使用金屬材料，比如Al、Cu、Ag等，也可以使用其它導電材料，比如摻雜多晶矽或其組合物等等，在《一種TSV露頭工藝》中，該導電柱31優選以銅材料為主。TSV導電柱31的頂部32優選地與設定於半導體襯底11正面的電子元器件或者導電層、導電圖案區連線，TSV導電柱31的底部33則深入至半導體襯底11中，其深度一般達到50微米-100微米左右，直徑一般在5微米-50微米左右。由於2013年5月前晶圓製程工藝後，晶圓的厚度可達到700微米-725微米，因此為了能夠使得TSV導電柱31的底部32能夠露出於襯底背面，需要對該襯底的背面13實施一減薄工藝。

參見圖3C，首先以機械研磨的手段對該半導體襯底11的背面13進行減薄。由於襯底11的厚度較厚，需要減薄的厚度通常超過500微米，該過程需要以減薄效率較高的手段進行。因此優選以機械研磨的方式，對襯底直接以研磨墊（比如砂輪形式）進行研磨。由於機械研磨的手段相對來說比較粗糙，因此經過該研磨之後的晶圓表面TTV較高，如圖所示，其表面的厚度差d1可能達到2微米-3微米甚至以上。

參見圖3D，機械研磨之後，為了使得襯底表面的TTV在可接受的範圍之內，對該襯底背面實施第一次化學機械拋光工藝，該化學機械拋光工藝採用無選擇比的拋光液進行，目的是將襯底表面的TTV控制在1微米以下，得到較平整的襯底表面，同時將襯底的厚度進一步減薄，使得襯底背面距離TSV底部的距離d2小於1微米。該拋光液視襯底的材質而定，比如當襯底為矽時，該研磨液可以採用普通的矽研磨液，其組成包括磨料、pH值調節劑、滲透劑、潤滑劑、表面活性劑、螯合劑、去離子水等成分。

參見圖3E，在第一次化學機械拋光之後，半導體襯底11的背面已經非常接近TSV的底部33了，此時對該半導體襯底實施第二次化學機械拋光工藝。該第二次化學機械拋光工藝採用對半導體襯底11、TSV介質層2、TSV阻擋層4選擇比較大的拋光液進行，其中半導體襯底11和介質層2之間的選擇比在10:1至100:1，而介質層2與阻擋層4之間的選擇比則最好超過200:1。這樣一來，在該第二次化學機械拋光工藝，拋光液對於襯底的刻蝕速率最大，而對於阻擋層的刻蝕速率最小，基本可以視作無法對阻擋層進行刻蝕，即可以將該第二次化學機械拋光在TSV部分的刻蝕停留在阻擋層4上，而無法對位於阻擋層4內部的導電銅柱部分進行刻蝕。第二次化學機械拋光時，拋光液在對襯底進行向下的侵蝕時，由於在垂直方向和水平方向對襯底的壓力不同，導致拋光液在垂直方向和水平方向刻蝕速率略微有差別。此外，加上拋光液在TSV介質層和阻擋層上的刻蝕速率遠遠小於對襯底的刻蝕速率，導致接近TSV的區域，其對襯底的刻蝕速率也受到影響。因此整個第二次化學機械拋光工藝結束之後，其對襯底刻蝕形成的表面形貌如圖3E中所示，與TSV交接的區域，襯底高度最高，並沿著遠離TSV的方向高度逐漸減小，形成一個坡形的過渡區域。在接下來的濕法刻蝕或乾法刻蝕中，由於刻蝕具有各向同性，因此只在深度方向上對襯底進行刻蝕，而該坡形的過渡區域，則得以保留。如此一來，可以在後續的沉積種子層時，起到一個緩衝的作用，使得種子層能夠在此形成一個連續的沉積面，從而改善該TSV對外部的電連線效果。

該第二次化學機械拋光對襯底的拋光深度，即TSV露出的高度d3最好控制在0.2微米-0.5微米之間，視TSV之間的間距而定，如果TSV之間間隔較小，則相應的拋光深度則也選擇較淺，反之，如果TSV之間的間隔較大，則可以在該步驟中對襯底進行較深的拋光。

在實際套用中，該第二次化學機械拋光採用的拋光液可以為氫氟酸和硝酸混合體系、氫氟酸，TMAH體系或氫氧化鉀。這些拋光液中，通過控制各組成的體積百分比或自身的重量百分比實現對襯底和介質層的選擇比的調控。比如，氫氟酸和硝酸的體積百分比的範圍可以在1:5到1:25之間調控，TMAH刻蝕溶液的重量百分比為3質量百分比-30質量百分比。

當完成第二次化學機械拋光之後，對襯底進行濕法或乾法刻蝕工藝，將襯底刻蝕至一定深度，從而露出所需高的TSV導電柱為止。該TSV露頭高度通常為10微米以上。

榮譽表彰

2019年7月15日，《一種TSV露頭工藝》獲第十一屆江蘇省專利項目獎優秀獎。