半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及具有穿透硅通孔結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子整機(jī)系統(tǒng)不斷向輕、薄、小的方向發(fā)展，對(duì)集成電路的集成度要求也越來(lái)越高。目前，提高集成電路的集成度主要是采取減小特征尺寸，使得在給定區(qū)域能夠集成更多的元件，屬于二維集成。然而，當(dāng)集成電路的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，所要求具備的功能日益強(qiáng)大時(shí)，二維集成技術(shù)應(yīng)用的局限性逐漸凸顯出來(lái)。因此，需尋求新的集成技術(shù)以提高集成電路的集成度。
[0003]基于穿透娃通孔(Through Silicon Via, TSV)技術(shù)的三維集成技術(shù)已成為當(dāng)下提高集成電路的集成度最引人注目的一種新技術(shù)。三維集成技術(shù)利用TSV實(shí)現(xiàn)集成電路中堆疊芯片的互連。TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大、芯片之間的互連線最短、外形尺寸最小，并且能夠大大改善芯片速度和低功耗的性能。
[0004]要實(shí)現(xiàn)三維集成，首先，需制備TSV結(jié)構(gòu)。通常較為常見(jiàn)的TSV結(jié)構(gòu)的制備工藝包括:首先，在半導(dǎo)體襯底的正面形成孔，孔向半導(dǎo)體襯底的背面延伸，該孔通常具有較大的深寬比；然后，在孔內(nèi)依次沉積介質(zhì)層、阻擋層及金屬銅；然后，以化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)的方式將孔外的金屬銅層去除，僅保留孔內(nèi)的金屬銅；接著，對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行退火工藝，以提高金屬銅的導(dǎo)電性；最后，去除孔外的阻擋層，僅保留孔內(nèi)的阻擋層。
[0005]這種常規(guī)制備TSV結(jié)構(gòu)的工藝存在一個(gè)較大的技術(shù)弊端，主要是因?yàn)榻饘巽~在退火工藝后會(huì)產(chǎn)生塑性形變，而TSV具有較大的深寬比，金屬銅產(chǎn)生塑性形變?cè)诳椎臋M向難以伸展，只能沿孔的縱向向上伸展，從而導(dǎo)致在半導(dǎo)體襯底的正面形成若干個(gè)孤立的凸起，這些孤立的凸起會(huì)使后續(xù)工藝，例如鍵合變的很困難，導(dǎo)致鍵合不牢固，使器件的接觸電阻增大，降低器件的性能和壽命。雖然可以采用CMP的方式平坦化這些孤立的凸起，然而，這樣一方面在CMP工藝過(guò)程中，由于孤立的凸起肩部受到的很強(qiáng)的剪切力，會(huì)對(duì)孔的周圍結(jié)構(gòu)造成破壞，影響器件的質(zhì)量；另一方面，勢(shì)必會(huì)增加工藝成本。
[0006]鑒于此，需尋求新的方法來(lái)制備TSV結(jié)構(gòu)，解決上述技術(shù)問(wèn)題的同時(shí)，降低工藝成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法，該方法在制備TSV結(jié)構(gòu)時(shí)能夠避免在半導(dǎo)體襯底的正面形成孤立的凸起，提高器件的質(zhì)量，且該方法簡(jiǎn)單、成本低。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法，包括如下步驟:提供半導(dǎo)體襯底，半導(dǎo)體襯底的正面形成有孔，孔向半導(dǎo)體襯底的背面延伸，在半導(dǎo)體襯底的正面及孔的內(nèi)壁依次沉積介質(zhì)層和阻擋層，然后，向孔內(nèi)填充金屬銅，并使半導(dǎo)體襯底的正面形成連續(xù)銅膜表面；以無(wú)應(yīng)力電化學(xué)拋光的方式去除半導(dǎo)體襯底正面的連續(xù)銅膜以及孔內(nèi)部分金屬銅，使孔內(nèi)的金屬銅表面與半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層表面相距一設(shè)定距離dl ;對(duì)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行退火工藝，孔內(nèi)的金屬銅沿孔向上伸展；及對(duì)半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層進(jìn)行平坦化工藝，去除半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層，孔內(nèi)的金屬銅表面與半導(dǎo)體襯底正面的介質(zhì)層表面齊平。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，dl的取值范圍為:孔內(nèi)金屬銅退火時(shí)沿孔向上伸展的高度值(dl <孔內(nèi)金屬銅退火時(shí)沿孔向上伸展的高度值、半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層的厚度值及半導(dǎo)體襯底正面的介質(zhì)層的厚度值的三者之和。較佳的，dl等于孔內(nèi)金屬銅退火時(shí)沿孔向上伸展的高度值與半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層的厚度值之和。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底的正面形成的連續(xù)銅膜表面為平坦的連續(xù)銅膜表面。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，以無(wú)應(yīng)力電化學(xué)拋光的方式去除半導(dǎo)體襯底正面的連續(xù)銅膜以及孔內(nèi)部分金屬銅包括如下步驟:
[0012]測(cè)量半導(dǎo)體襯底正面的連續(xù)銅膜的厚度值，該厚度值與dl值之和即為無(wú)應(yīng)力電化學(xué)拋光需要去除的金屬銅的厚度值；
[0013]將半導(dǎo)體襯底置于可旋轉(zhuǎn)、可豎直移動(dòng)及可水平移動(dòng)的卡盤上；
[0014]使一拋光電源的陽(yáng)極與半導(dǎo)體襯底上的銅膜電導(dǎo)通并使該拋光電源的陰極與用于向半導(dǎo)體襯底的正面噴射電解液的噴嘴電連接；
[0015]在拋光電源的供電下，使電解液通過(guò)噴嘴噴射至半導(dǎo)體襯底的正面，以使電解液與半導(dǎo)體襯底的正面的金屬銅發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，阻擋層不與電解液反應(yīng)，無(wú)應(yīng)力電化學(xué)拋光將半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層上的連續(xù)銅膜去除后，再繼續(xù)拋光一時(shí)間段，使孔內(nèi)的金屬銅表面與半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層表面相距設(shè)定距離dl。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，孔內(nèi)金屬銅退火時(shí)沿孔向上伸展的高度值僅包括金屬銅退火后填滿孔的增量值d3，不包括金屬銅退火后金屬銅表面的凸起高度。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，退火工藝處理后，孔內(nèi)的金屬銅表面與半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層表面相距距離d2。d2為半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層的厚度值。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，以CMP方式去除半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層。
[0020]綜上所述，本發(fā)明通過(guò)采用無(wú)應(yīng)力電化學(xué)拋光控制孔內(nèi)的金屬銅表面與半導(dǎo)體襯底正面的阻擋層表面相距的距離dl，以使孔內(nèi)金屬銅退火后，孔內(nèi)的金屬銅表面與半導(dǎo)體襯底正面的介質(zhì)層表面齊平，從而避免了退火工藝后，在半導(dǎo)體襯底的正面形成孤立金屬銅凸起。此外，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)所需的成本較低。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1揭示了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的示例性實(shí)施例的流程圖。
[0022]圖2揭示了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的示例性實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3揭示了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的示例性實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4揭示了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的示例性實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖5為圖4中A部位的局部放大圖。
[0026]圖6揭示了根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的示例性實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、所達(dá)成目的及功效，下面將結(jié)合實(shí)施例并配合圖式予以詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]參閱圖1，揭示了根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的示例性實(shí)施例的流程圖。如圖1所示，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法包括以下步驟:
[0029]步驟S101，提供半導(dǎo)體襯底202，半導(dǎo)體襯底202的正面形成有孔，孔向半導(dǎo)體襯底202的背面延伸，在半導(dǎo)體襯底202的正面及孔的內(nèi)壁依次沉積介質(zhì)層204和阻擋層206，然后，向孔內(nèi)填充金屬銅208，并使半導(dǎo)體襯底202的正面形成連續(xù)銅膜表面；
[0030]步驟S103，以無(wú)應(yīng)力電化學(xué)拋光的方式去除半導(dǎo)體襯底202正面的連續(xù)銅膜以及孔內(nèi)部分金屬銅208，使孔內(nèi)的金屬銅208表面與半導(dǎo)體襯底202正面的阻擋層206表面相距一設(shè)定距離dl，dl的取值范圍為:孔內(nèi)金屬銅208退火時(shí)沿孔向上伸展的高度值< dl<孔內(nèi)金屬銅208退火時(shí)沿孔向上伸展的高度值、半導(dǎo)體襯底202正面的阻擋層206的厚度值及半導(dǎo)體襯底202正面的介質(zhì)層204的厚度值的三者之和，本文中，所述孔內(nèi)金屬銅208退火時(shí)沿孔向上伸展的高度值僅包括金屬銅208退火后填滿孔的增量值d3，不包括金屬銅208退火后金屬銅208表面的凸起高度；
[0031]步驟S105，對(duì)半導(dǎo)體襯底202進(jìn)行退火工藝，孔內(nèi)的金屬銅208沿孔向上伸展d3 ；
[0032]步驟S107，對(duì)半導(dǎo)體襯底202正面的阻擋層206進(jìn)行平坦化工藝，去除半導(dǎo)體襯底202正面的阻擋層206，孔內(nèi)的金屬銅208表面與半導(dǎo)體襯底202正面的介質(zhì)層204表面齊平。
[0033]參閱圖2、圖3、圖4及圖6，揭示了根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法的示例性實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。下面將結(jié)合圖2、圖3、圖4及圖6具體說(shuō)明該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成方法。
[0034]首先，如圖2所示，執(zhí)行步驟S101，提供半導(dǎo)體襯底202，半導(dǎo)體襯底202的正面形成有孔，孔向半導(dǎo)體襯底202的背面延伸，在半導(dǎo)體襯底202的正面及孔的內(nèi)壁依次沉積介質(zhì)層204和阻擋層206，然后，向孔內(nèi)填充金屬銅208，并使半導(dǎo)體襯底202的正面形成連續(xù)銅膜表面。半導(dǎo)體襯底202材料可以選用硅或玻璃等?？椎闹睆皆贗微米至50微米，優(yōu)選的，在2微米至20微米。孔的深度與直徑的比例，即深寬比在5至50?；诠枰r底的TSV結(jié)構(gòu)，介質(zhì)層204選用硅的氧化物或者含有二氧化硅的材料，比如熱二氧化硅、TEOS, BD或者PSG、FSG等，介質(zhì)層204的厚度在10nm到2000nm之間，根據(jù)不同的孔的深寬比，介質(zhì)層204的厚度會(huì)有所不同?；诠枰r底的TSV結(jié)構(gòu)，阻擋層206選用下