穿透硅通孔背面金属平坦化方法
【专利摘要】本发明揭示了一种穿透硅通孔背面金属平坦化方法，包括步骤：提供一硅衬底，硅衬底具有若干从硅衬底的背面露出的金属凸起；及以无应力电化学抛光的方式平坦化所述从硅衬底的背面露出的金属凸起，以使从硅衬底的背面露出的金属凸起的高度齐平。本发明通过采用无应力电化学抛光的方式平坦化硅衬底背面的金属凸起，具体通过控制抛光电压和/或电流或硅衬底旋转速度及水平移动速度来精确控制金属凸起的去除厚度，从而实现硅衬底背面的金属凸起的平坦化。
【专利说明】穿透硅通孔背面金属平坦化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体集成电路制造【技术领域】，尤其涉及一种穿透硅通孔背面金属平 坦化方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子整机系统不断向轻、薄、小的方向发展，对集成电路的集成度要求也越来 越高。目前，提高集成电路的集成度主要是采取减小特征尺寸，使得在给定区域能够集成更 多的元件，属于二维集成。然而，当集成电路的结构日益复杂，所要求具备的功能日益强大 时，二维集成技术应用的局限性逐渐凸显出来。因此，需寻求新的集成技术以提高集成电路 的集成度。
[0003] 基于穿透硅通孔（TSV)技术的三维集成技术已成为当下提高集成电路的集成度 最引人注目的一种新技术。三维集成技术利用TSV实现集成电路中堆叠芯片的互连。TSV 能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小，并且能够 大大改善芯片速度和低功耗的性能。
[0004] TSV结构制作工艺主要包括通孔的形成、硅衬底减薄及TSV键合。具体地，在硅衬 底的正面制作通孔，通孔向硅衬底的背面延伸，在通孔内依次沉积介质层和阻挡层，然后在 通孔内填充金属；将硅衬底的背面减薄至裸露出通孔底部的介质层；最后依次去除通孔底 部的介质层和阻挡层，通孔底部的金属从硅衬底的背面露出，以便与另一层芯片获得电连 接，从而实现芯片间的互连。
[0005] 在上述TSV结构制作过程中，硅衬底背面减薄通常采用机械研磨和湿法刻蚀相结 合的方式。具体地，先采用机械研磨进行初步减薄，由于机械研磨会对硅衬底表面产生刮 痕，机械研磨之后，硅衬底表面状况不是很好，因而，需要再采用湿法刻蚀对硅衬底表面进 行处理，改善硅衬底表面的同时对硅衬底进行一定程度的减薄至裸露出通孔底部的介质 层。然后，采用化学机械研磨（CMP)依次去除通孔底部的介质层和阻挡层。
[0006] 由于对硅衬底背面减薄时的均匀度及平坦度控制难以做到精确，以及在硅衬底不 同区域形成通孔的孔深有所差别，经过上述各工艺步骤后，从硅衬底背面露出的金属凸柱 的高度会不一致。通常采用CMP将金属凸柱磨平或者采用其他物料切削的方法使金属凸柱 高度一致。然而，无论是上述哪一种方法都会产生较强的机械应力，而通孔周围的介质层机 械强度较弱，在研磨或切削过程中很容易对通孔肩部的介质层造成破坏或使其产生缺陷， 进而影响通孔的电性能，使封装后的集成电路性能和寿命降低。除了通孔肩部的应力问题， CMP研磨以后还不可避免地产生碟形缺陷。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种穿透硅通孔背面金属平坦化方法，该方法实现穿透硅 通孔背面金属平坦化的同时不会对穿透硅通孔内的介质层造成破坏，提高了封装后集成电 路的性能和寿命。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供的穿透硅通孔背面金属平坦化方法，包括步骤：提供 一娃衬底，娃衬底具有若干从娃衬底的背面露出的金属凸起；及以无应力电化学抛光的方 式平坦化所述从硅衬底的背面露出的金属凸起，以使从硅衬底的背面露出的金属凸起的高 度齐平。
[0009] 在一个实施例中，以无应力电化学抛光的方式平坦化所述从硅衬底的背面露出 的金属凸起的步骤进一步包括：1)将硅衬底置于可旋转、可坚直移动及可水平移动的卡盘 上；2)使一抛光电源的阳极与硅衬底电导通并使该抛光电源的阴极与用于向硅衬底的背 面喷射电解液的喷嘴电连接；以及3)在所述抛光电源的供电下，使电解液通过喷嘴喷射至 硅衬底的背面，以使电解液与从硅衬底的背面露出的金属发生电化学反应。
[0010] 在一个实施例中，在所述步骤1)和步骤2)之间进一步包括：设置一承载片，其中 该承载片的表面涂覆有导电层，导电层上涂覆有导电胶水，其中，设置该承载片包括将硅衬 底的与背面相对的正面通过承载片的导电胶水粘贴在承载片的导电层上，以使所述抛光电 源的阳极与承载片的导电层电连接。导电层的材料与金属凸起的材料相同。
[0011] 在一个实施例中，所述步骤3)进一步包括：在使电解液与从硅衬底的背面露出 的金属发生电化学反应的过程中，通过控制抛光电压和/或电流来控制金属凸起的去除厚 度，包括：获取硅衬底背面的金属凸起的形貌图；设定金属凸起的目标高度值；将硅衬底的 背面划分为若干区域，计算出每一区域内金属凸起的去除厚度的平均值；以预设的速度移 动卡盘，使硅衬底背面的一区域正对着喷嘴；查占空比表，根据该区域的金属凸起的去除厚 度的平均值获得与该平均值相对应的占空比，其中所述占空比表是预先根据金属凸起的去 除厚度值与占空比的一一对应关系而建立的；供应预设的脉冲电压和/或电流至硅衬底及 喷嘴，抛光该区域内金属凸起的实际电压和/或电流等于与该区域的金属凸起的去除厚度 的平均值相对应的占空比乘以预设的脉冲电压和/或电流。
[0012] 在一个实施例中，所述步骤3)进一步包括：在使电解液与从硅衬底的背面露出的 金属发生电化学反应的过程中，通过控制卡盘的旋转速度及水平移动速度来控制金属凸起 的去除厚度，包括：获取硅衬底背面的金属凸起的形貌图；设定金属凸起的目标高度值；将 硅衬底的背面划分为若干区域，计算出每一区域内金属凸起的去除厚度的平均值；查转速 表，根据每一区域内金属凸起的去除厚度的平均值获得与该平均值相对应的卡盘的实际转 速，其中所述转速表是预先根据金属凸起的去除厚度值与卡盘的实际转速的一一对应关系 而建立的；对应每一区域设置卡盘的水平移动速度及转速；将与同一半径上每一区域相对 应的卡盘的实际转速与设置的转速比较，得到一转速比，并计算出同一半径上所有区域的 平均转速比；将与同一半径上每一区域相对应的卡盘的设置的水平移动速度乘以与该区域 相对应的平均转速比，得到与该区域相对应的卡盘的实际水平移动速度；当硅衬底背面的 一区域正对着喷嘴时，供应预设的电压和/或电流至硅衬底及喷嘴，同时驱动卡盘以与该 区域相对应的实际转速和实际水平移动速度旋转和水平移动。
[0013] 综上所述，本发明通过采用无应力电化学抛光的方式平坦化硅衬底背面的金属凸 起，具体通过控制抛光电压和/或电流或硅衬底旋转速度及水平移动速度来精确控制金属 凸起的去除厚度，从而实现硅衬底背面的金属凸起的平坦化。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1至图8B揭示了穿透硅通孔背面金属揭露方法的一实施例的各工艺步骤的剖 面结构示意图。
[0015] 图9揭示了根据本发明的穿透硅通孔背面金属平坦化方法的一实施例的流程图。
[0016] 图10至图11揭示了根据本发明的穿透硅通孔背面金属平坦化方法的一实施例的 工艺步骤的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] 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。
[0018] 在详细说明本发明穿透硅通孔背面金属平坦化方法之前，先对穿透硅通孔背面金 属揭露予以说明。穿透硅通孔背面金属揭露后，采用本发明对穿透硅通孔背面金属平坦化， 使穿透硅通孔背面金属齐平。穿透硅通孔背面金属揭露方法并不局限于下述方法，下述方 法仅作为一代表性实施例予以说明。
[0019] 参阅图1至图8B，穿透硅通孔背面金属揭露方法包括如下步骤：
[0020] 首先，如图1所示，提供硅衬底100及承载片200。硅衬底100具有正面和与正面 相对的背面，硅衬底100的正面形成有通孔和集成电路器件，通孔向硅衬底100的背面延 伸，在通孔的内壁依次沉积介质层101和阻挡层102,然后向通孔内填充金属103。其中，优 选的，介质层101的材料为氧化硅，阻挡层102的材料为钽、氮化钽、钛、氮化钛或它们中的 几种依次形成的多层膜，金属103的材料为铜。承载片200的上表面涂覆有导电层201，导 电层201上涂覆有导电胶水202。优选的，导电层201的材料为铜。
[0021] 如图2所示，将硅衬底100倒置，使硅衬底100的正面朝下，硅衬底100的背面朝 上，并将硅衬底1〇〇的正面通过导电胶水202粘贴在承载片200的导电层201上，从而使承 载片200承载硅衬底100。
[0022] 如图3所示，对硅衬底100的背面进行初步减薄。通常采用机械研磨或化学机械 研磨的方法将硅衬底100减薄至50-250微米，其减薄后的厚度根据通孔的深度和其他参数 的不同要求而定。
[0023] 如图4所示，对硅衬底100的背面进一步减薄，直至通孔底部处沉积的一部分的金 属103、阻挡层102和介质层101从硅衬底100的背面凸起，其中，通孔底部处的介质层101 被暴露出来。具体地，对硅衬底100的背面进行初步减薄后，接着，对硅衬底100的背面进 行湿法刻蚀，改善硅衬底100背面均匀性和粗糙度的同时，对硅衬底100的背面进行进一步 减薄，此时，距离通孔底部处的介质层101仍有一定距离。湿法刻蚀的刻蚀液可以是，例如， KOH，HF和硝酸的混合液，TMAH溶剂。在通孔底部处的介质层101被暴露出来之前，停止湿 法刻蚀。然后，对硅衬底100的背面进行干法气相刻蚀。由于二氟化氙与硅在常温下自发 的发生化学反应，因此，较佳的，采用二氟化氙气体或者二氟化氙气体同氮气、氟化氢气体 或水蒸气的混合气体对硅衬底100的背面进行气相刻蚀，直至通孔底部处沉积的一部分的 金属103、阻挡层102和介质层101从硅衬底100的背面凸起。通孔底部处沉积的一部分的 金属103、阻挡层102和介质层101从硅衬底100的背面凸起的高度Η可以采用终点控制的 方法进行控制，其中，当检测到介质层101时，硅衬底100的背面与通孔底部处沉积的介质 层101齐平。气相刻蚀过程中可以以本时间点作为刻蚀工艺终点的参考点，根据通孔底部 处沉积的一部分的金属103、阻挡层102和介质层101实际需要凸起的高度决定进一步继续 刻蚀的时间，在继续刻蚀的过程中，气体流量以及其他工艺参数保持不变。通过控制继续刻 蚀的时间段来控制通孔底部处沉积的一部分的金属103、阻挡层102和介质层101从硅衬底 100的背面凸起的高度H。干法气相刻蚀仅能够去除硅衬底100,而与介质层101不发生反 应，能够很好的保护介质层101不受损伤。
[0024] 如图5所示，在硅衬底100的背面沉积第一保护层104,第一保护层104在后续工 艺中保护硅衬底1〇〇不被刻蚀。第一保护层104可以为钝化层，钝化层的材料可以是SiC、 SiN、SiCN或者它们中的几种依次形成的多层膜。
[0025] 如图6所示，在硅衬底100的背面的第一保护层104上沉积第二保护层105。第 二保护层105的厚度不低于通孔底部处沉积的一部分的金属103、阻挡层102和介质层101 从硅衬底100的背面凸起的高度H。第二保护层105可以为光刻胶层。
[0026] 如图7所示，去除沉积于通孔底部处的第二保护层105,沉积于硅衬底100的背面 除通孔底部外的部分的第二保护层105保留。
[0027] 如图8至图8B所示，采用气相刻蚀或等离子刻蚀的方法依次去除沉积于通孔底 部处的第一保护层104、介质层101及阻挡层102,沉积于通孔底部处的金属103从硅衬底 100的背面露出。图8为依次去除沉积于通孔底部处的第一保护层104、介质层101及阻挡 层102后的硅衬底100背面的俯视图。图8A为图8中A区域的部面图。图8B为图8中B 区域的部面图。由于在上述硅衬底100背面减薄的各工艺中对硅衬底100背面的均匀度及 平坦度控制的精度不够，以及在硅衬底100的不同区域形成通孔的孔深有所差别，经过上 述各工艺步骤后，从硅衬底100的背面露出的金属凸起的高度不一致。由于沉积于硅衬底 100背面的第二保护层105的厚度不低于通孔底部处沉积的一部分的金属103、阻挡层102 和介质层101从硅衬底100的背面凸起的高度H，从硅衬底100的背面露出的金属凸起的高 度不一致换言之即为从硅衬底100的背面露出的金属相对于第二保护层105凹陷的深度不 一致。金属103从硅衬底100的背面凸起的高低不平会给后续的TSV键合工艺带来不利影 响，因此，需对从硅衬底100的背面露出的金属凸起进行平坦化处理，使从硅衬底100的背 面露出的金属凸起齐平。
[0028] 如图9所示，揭示了根据本发明的穿透硅通孔背面金属平坦化方法的一实施例的 流程图，该穿透硅通孔背面金属平坦化方法包括如下步骤：
[0029] 步骤S001 :提供硅衬底100,该硅衬底100已完成穿透硅通孔背面金属揭露，硅衬 底100具有若干从娃衬底100的背面露出的金属凸起；及
[0030] 步骤S002 :以无应力电化学抛光的方式平坦化从硅衬底100的背面露出的金属凸 起，以使从硅衬底100的背面露出的金属凸起的高度齐平。
[0031] 本发明穿透硅通孔背面金属平坦化方法通过采用无应力电化学抛光，能够无机械 应力的将从硅衬底100的背面露出的金属凸起平坦化，使金属103从硅衬底100的背面凸 起的高度一致。无应力电化学抛光基于电化学抛光原理，包括：1)将硅衬底100置于可旋 转、可坚直移动及可水平移动的卡盘上；2)使一抛光电源的阳极与硅衬底100电导通并使 该抛光电源的阴极与用于向硅衬底100的背面喷射电解液的喷嘴电连接；以及3)在抛光电 源的供电下，使电解液通过喷嘴喷射至硅衬底100的背面，以使电解液与从硅衬底100的背 面露出的金属103发生电化学反应。通过控制抛光电压和/或电流、卡盘的旋转速度及水 平移动速度或抛光时间等控制金属凸起的去除厚度，从而实现金属凸起的平坦化。下面将 列举两种方法详细说明如何控制金属凸起的去除厚度。
[0032] 方法一，通过控制抛光电压和/或电流来控制金属凸起的去除厚度，在该实施例 中，所用抛光电源为脉冲电源，具体包括：
[0033] 获取硅衬底100背面的金属凸起的形貌图，可采用非接触式的光学测量方法获取 硅衬底1〇〇背面的金属凸起的形貌图；
[0034] 设定金属凸起的目标高度值；
[0035] 将硅衬底100的背面划分为若干区域，计算出每一区域内金属凸起的去除厚度的 平均值，例如，可将硅衬底100的背面划分为若干半径为0. 5_的圆形区域；
[0036] 以预设的速度移动卡盘，使硅衬底100背面的一区域正对着喷嘴；
[0037] 查占空比表，根据该区域的金属凸起的去除厚度的平均值获得与该平均值相对应 的占空比，其中占空比表是预先根据金属凸起的去除厚度值与占空比的一一对应关系而建 立的；
[0038] 供应预设的脉冲电压和/或电流至硅衬底100及喷嘴，抛光该区域内金属凸起的 实际电压和/或电流等于与该区域的金属凸起的去除厚度的平均值相对应的占空比乘以 预设的脉冲电压和/或电流。
[0039] 方法二，通过控制卡盘的旋转速度及水平移动速度来控制金属凸起的去除厚度， 具体包括：
[0040] 获取硅衬底100背面的金属凸起的形貌图，可采用非接触式的光学测量方法获取 硅衬底100背面的金属凸起的形貌图；
[0041] 设定金属凸起的目标高度值；
[0042] 将硅衬底100的背面划分为若干区域，计算出每一区域内金属凸起的去除厚度的 平均值，例如，可将硅衬底100的背面划分为若干半径为0. 5_的圆形区域；
[0043] 查转速表，根据每一区域内金属凸起的去除厚度的平均值获得与该平均值相对应 的卡盘的实际转速，其中转速表是预先根据金属凸起的去除厚度值与卡盘的实际转速的 一一对应关系而建立的；
[0044] 对应每一区域设置卡盘的水平移动速度及转速；
[0045] 将与同一半径上每一区域相对应的卡盘的实际转速与设置的转速比较，得到一转 速比，并计算出同一半径上所有区域的平均转速比；
[0046] 将与同一半径上每一区域相对应的卡盘的设置的水平移动速度乘以与该区域相 对应的平均转速比，得到与该区域相对应的卡盘的实际水平移动速度；
[0047] 当硅衬底100背面的一区域正对着喷嘴时，供应预设的电压和/或电流至硅衬底 100及喷嘴，同时驱动卡盘以与该区域相对应的实际转速和实际水平移动速度旋转和水平 移动。
[0048] 通过采用上述方法一或方法二，每一区域内的通孔底部处金属103去除的厚度值 能够得到精确的控制，从而保证了不同区域内的金属103从硅衬底100的背面凸起的高度 一致，如图10所示。
[0049] 在上述的方法一和方法二的无应力电化学抛光过程中，由于娃衬底100的背面沉 积有第一保护层104和第二保护层105,抛光电流只能通过硅衬底100背面的电解液传导， 而硅衬底100背面的电解液呈薄膜状，其电阻较高，降低了抛光效率，且回路电压较高，进 而导致对抛光电源的要求较高。为了提高抛光效率，在上述方法一和方法二中，优选的，将 电源的阳极与承载片200的导电层201电连接，从而使得抛光电流通过通孔中的金属103、 导电胶水202及导电层201传导，降低了回路电阻，提高了抛光效率。
[0050] 通常，为了后续工艺的需要，可以进一步将硅衬底100背面的除通孔底部外的部 分的第二保护层105去除，如图11所示。
[0051] 综上所述，本发明穿透硅通孔背面金属平坦化方法通过上述实施方式及相关图式 说明，已具体、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. 一种穿透硅通孔背面金属平坦化方法，其特征在于，包括步骤： 提供一娃衬底，所述娃衬底具有若干从娃衬底的背面露出的金属凸起；及 以无应力电化学抛光的方式平坦化所述从硅衬底的背面露出的金属凸起，以使从硅衬 底的背面露出的金属凸起的高度齐平。
2. 根据权利要求1所述的穿透硅通孔背面金属平坦化方法，其特征在于，所述以无应 力电化学抛光的方式平坦化所述从硅衬底的背面露出的金属凸起的步骤进一步包括： 1) 将硅衬底置于可旋转、可坚直移动及可水平移动的卡盘上； 2) 使一抛光电源的阳极与硅衬底电导通并使该抛光电源的阴极与用于向硅衬底的背 面喷射电解液的喷嘴电连接；以及 3) 在所述抛光电源的供电下，使电解液通过喷嘴喷射至硅衬底的背面，以使电解液与 从硅衬底的背面露出的金属发生电化学反应。
3. 根据权利要求2所述的穿透硅通孔背面金属平坦化方法，其特征在于，在所述步骤 1)和步骤2)之间进一步包括： 设置一承载片， 其中该承载片的表面涂覆有导电层，导电层上涂覆有导电胶水， 其中，设置该承载片包括将硅衬底的与背面相对的正面通过承载片的导电胶水粘贴在 承载片的导电层上，以使所述抛光电源的阳极与承载片的导电层电连接。
4. 根据权利要求3所述的穿透硅通孔背面金属平坦化方法，其特征在于，所述导电层 的材料与金属凸起的材料相同。
5. 根据权利要求2所述的穿透硅通孔背面金属平坦化方法，其特征在于，所述步骤3) 进一步包括：在使电解液与从硅衬底的背面露出的金属发生电化学反应的过程中，通过控 制抛光电压和/或电流来控制金属凸起的去除厚度。
6. 根据权利要求5所述的穿透硅通孔背面金属平坦化方法，其特征在于，所述通过控 制抛光电压和/或电流来控制金属凸起的去除厚度的步骤进一步包括： 获取硅衬底背面的金属凸起的形貌图； 设定金属凸起的目标高度值； 将硅衬底的背面划分为若干区域，计算出每一区域内金属凸起的去除厚度的平均值； 以预设的速度移动卡盘，使硅衬底背面的一区域正对着喷嘴； 查占空比表，根据该区域的金属凸起的去除厚度的平均值获得与该平均值相对应的占 空比，其中所述占空比表是预先根据金属凸起的去除厚度值与占空比的一一对应关系而建 立的； 供应预设的脉冲电压和/或电流至硅衬底及喷嘴，抛光该区域内金属凸起的实际电压 和/或电流等于与该区域的金属凸起的去除厚度的平均值相对应的占空比乘以预设的脉 冲电压和/或电流。
7. 根据权利要求2所述的穿透硅通孔背面金属平坦化方法，其特征在于，所述步骤3) 进一步包括：在使电解液与从硅衬底的背面露出的金属发生电化学反应的过程中，通过控 制卡盘的旋转速度及水平移动速度来控制金属凸起的去除厚度。
8. 根据权利要求7所述的穿透硅通孔背面金属平坦化方法，其特征在于，所述通过控 制卡盘的旋转速度及水平移动速度来控制金属凸起的去除厚度的步骤进一步包括： 获取硅衬底背面的金属凸起的形貌图； 设定金属凸起的目标高度值； 将硅衬底的背面划分为若干区域，计算出每一区域内金属凸起的去除厚度的平均值； 查转速表，根据每一区域内金属凸起的去除厚度的平均值获得与该平均值相对应的 卡盘的实际转速，其中所述转速表是预先根据金属凸起的去除厚度值与卡盘的实际转速的 一一对应关系而建立的； 对应每一区域设置卡盘的水平移动速度及转速； 将与同一半径上每一区域相对应的卡盘的实际转速与设置的转速比较，得到一转速 t匕，并计算出同一半径上所有区域的平均转速比； 将与同一半径上每一区域相对应的卡盘的设置的水平移动速度乘以与该区域相对应 的平均转速比，得到与该区域相对应的卡盘的实际水平移动速度； 当硅衬底背面的一区域正对着喷嘴时，供应预设的电压和/或电流至硅衬底及喷嘴， 同时驱动卡盘以与该区域相对应的实际转速和实际水平移动速度旋转和水平移动。
【文档编号】H01L21/768GK104143525SQ201310169389
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月9日 优先权日:2013年5月9日
【发明者】王坚, 贾照伟, 金一诺, 王晖 申请人:盛美半导体设备（上海）有限公司