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CN115179186B - 半导体器件的制作方法 - Google Patents

半导体器件的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：提供衬底，所述衬底上形成有介质层；所述介质层和所述衬底中形成开口，金属层填充所述开口且覆盖所述介质层的上表面；研磨所述金属层高于所述介质层的部分，研磨垫接触所述金属层进行研磨，所述研磨垫的表面设置有硬质微粒子，所述硬质微粒子的粒径范围为国际筛网规格的目数6000～10000。本发明研磨工艺中研磨垫采用粒径尺寸更小的硬质微粒子对金属层进行研磨，实现超厚金属层(例如铜金属层)的研磨。

Description

半导体器件的制作方法
技术领域
本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种半导体器件的制作方法。
背景技术
三维(3D)封装技术可以满足消费者对电子产品更小、更便捷、更高可靠性不断增长的需求，而在众多3D封装技术中，开口(TSV)被认为是3D封装的核心。在TSV制作的过程中，需要使用电镀的方法将TSV通孔中填充铜作为内连线结构。制作工艺中，铜除了填充开口外，还覆盖衬底(例如硅衬底)上方的膜层表面，通过化学机械研磨(CMP)方法研磨铜以去除衬底上方的膜层表面的铜以及平坦化晶圆表面。
位于衬底上方的膜层表面的铜的厚度通常控制在10μm以内；但对于一些应用场合，位于衬底上方的膜层表面的铜的厚度可能在几十μm级别，对于这种超厚铜(Cu)研磨，目前采用传统的Cu工艺研磨，速率低，研磨时间超长，例如通过多次研磨，研磨时间达到几十分钟，而且研磨一致性差，工艺难控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体器件的制作方法，本发明CMP工艺中研磨垫采用粒径尺寸更小的硬质微粒子对金属层进行研磨，实现超厚金属层(例如铜金属层)的研磨。
本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：
提供衬底，所述衬底上形成有介质层；所述介质层和所述衬底中形成开口，金属层填充所述开口且覆盖所述介质层的上表面；
研磨所述金属层高于所述介质层的部分，研磨垫接触所述金属层进行研磨，所述研磨垫的表面设置有硬质微粒子，所述硬质微粒子的粒径范围为国际筛网规格的目数6000～10000。
进一步的，所述硬质微粒子包括钻石颗粒。
进一步的，所述金属层的材质包括Cu，所述研磨工艺中加入去离子水、Cu研磨液和Cu保护液进行研磨。
进一步的，所述Cu研磨液为酸性，包括：水性介质、研磨粒子、氧化剂、酸类及有机添加剂；相对于所述Cu研磨液的全部重量而言，所述研磨粒子、所述氧化剂、所述酸类及所述有机添加剂的含量分别为1-30wt％；1-10wt％；0.001-5wt％；0.001-1wt％，余量为所述水性介质。
进一步的，所述研磨粒子为胶粒状二氧化硅粒子或胶粒状氧化铝粒子，所述氧化剂为至少一种含过氧基的物质，所述酸类为至少一种有机酸或无机酸或二者混合，所述有机添加剂为季铵盐。
进一步的，所述酸类中的有机酸选自苯并三唑、柠檬酸、柠檬酸盐及乙二胺四乙酸中的至少一种成分。
进一步的，所述酸类中的无机酸选自硫酸、硝酸、盐酸及磷酸中的至少一种成分。
进一步的，所述Cu保护液包括：苯并三氮唑、乙醇和肥皂液的混合溶液。
进一步的，所述Cu研磨液的流量范围：100ml/min～300ml/min；所述研磨垫转速范围为：20rpm～30rpm。
进一步的，所述开口的侧壁和底面还形成有阻挡层，所述金属层覆盖所述阻挡层并填充所述开口。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：提供衬底，所述衬底上形成有介质层；所述介质层和所述衬底中形成开口，金属层填充所述开口且覆盖所述介质层的上表面；执行CMP工艺研磨所述金属层高于所述介质层的部分，研磨垫接触所述金属层进行研磨，所述研磨垫的表面设置有硬质微粒子，所述硬质微粒子的粒径范围为国际筛网规格的目数6000～10000。本发明CMP工艺中研磨垫采用粒径尺寸更小的硬质微粒子对金属层进行研磨，实现超厚金属层(例如铜金属层)的研磨。
进一步的，本发明采用研磨垫的硬质微粒子的粒径尺寸更小，同时配合去离子水、Cu研磨液和Cu保护液高效的减薄超厚Cu，实现超厚铜的研磨工艺。
附图说明
图1为本发明实施例的一种半导体器件的制作方法流程示意图。
图2为本发明实施例的半导体器件的制作方法中形成开口后的示意图。
图3为本发明实施例的半导体器件的制作方法中研磨示意图。
图4为本发明实施例的半导体器件的制作方法中研磨后的示意图。
其中，附图标记如下：
10-衬底；11-介质层；12-金属层；20-研磨垫；30-喷管；V-开口。
具体实施方式
基于上述研究，本发明实施例提供了一种半导体器件的制作方法。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
为了便于描述，本申请一些实施例可以使用诸如“在…上方”、“在…之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为在其它元件或部件“上方”或“之上”。下文中的术语“第一”、“第二”、等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。
本发明实施例提供了一种半导体器件的制作方法，如图1所示，包括：
步骤S1、提供衬底，所述衬底上形成有介质层；所述介质层和所述衬底中形成开口，金属层填充所述开口且覆盖所述介质层的表面；
步骤S2、研磨所述金属层高于所述介质层的部分，研磨垫接触所述金属层进行研磨，所述研磨垫的表面设置有硬质微粒子，所述硬质微粒子的粒径范围为国际筛网规格的目数6000～10000。
下面结合图2至图4介绍本发明实施例的半导体器件的制作方法的各步骤。
如图2和图3所示，提供衬底10，所述衬底10上形成有介质层11，所述介质层11和所述衬底10中形成开口V，金属层12填充所述开口且覆盖所述介质层11的上表面。
具体的，提供衬底10，在所述衬底10上形成有介质层11。所述介质层11例如为氧化硅层和/或氮化硅层。衬底10可包括例如硅、锗、硅-锗等的半导体材料，或者例如GaP、GaAs、GaSb等的III-V半导体化合物。在一些实施例中，衬底10可为绝缘体上硅(SOI)衬底或绝缘体上锗(GOI)衬底。此外，虽然未示出，但是衬底10可以包括导电图案。导电图案可以是金属线路、接触件、导电焊盘等，并且可以是晶体管的栅电极、晶体管的源极/漏极、或二极管，但是实施例不限于此。
形成开口V，所述开口V贯穿所述介质层11和部分厚度的衬底10。例如可采用干法刻蚀形成开口V。
形成金属层12，所述金属层12填充所述开口V且覆盖所述介质层11的上表面。金属层12的材质包括铜、钨以及钴中的至少一种。可使用传统的大马士革镶嵌工艺在开口中沉积金属阻挡层(未示出)和金属层12。可在开口的侧壁和底面形成阻挡层，阻挡层可包括例如钛、氮化钛、钽和氮化钽等。阻挡层防止金属层12中的金属离子扩散到衬底10中。所述金属层12覆盖所述阻挡层并填充所述开口，即开口中的金属层12的侧面和底部被阻挡层包裹。示例性的，位于介质层11的上表面的金属层12的厚度大于等于20μm。
如图3所示，研磨所述金属层12高于所述介质层11的部分，可以通过执行CMP工艺进行研磨，研磨垫20接触所述金属层12进行研磨，所述研磨垫20的表面设置有硬质微粒子，所述硬质微粒子的粒径范围为国际筛网规格的目数6000～10000。硬质微粒子例如为钻石颗粒。目数越高，粒径越小。目是指单位面积筛网上的孔眼数目，目数越高，孔眼越多。除了表示筛网的孔眼外，目同时用于表示能够通过筛网的粒子的粒径，目数越高，粒径越小。本发明实施例采用研磨垫的硬质微粒子的粒径尺寸更小，实现超厚铜的研磨工艺。
具体的，晶圆减薄(Grind)设备上设置有用来进行晶圆研磨的研磨台，及一个用来承载被研磨晶圆的吸盘所组成。其中吸盘固定住晶圆的背面，然后把晶圆的正面压在设置有一层研磨垫20的研磨台上。当进行化学机械研磨时，研磨台将顺着一固定方向旋转，且研磨头的运动方向例如是线性移动或是与研磨台一样顺着一固定方向旋转。所述金属层的材质例如包括Cu，所述CMP工艺中加入去离子水、Cu研磨液和Cu保护液进行研磨。去离子水、Cu研磨液和Cu保护液可从喷管30中喷出。
如图4所示，通过化学机械研磨(CMP)方法研磨以去除衬底10上方的介质层表面的金属层且平坦化半导体器件的表面。
Cu研磨液例如为PH 2～5的酸性研磨液，包括：水性介质、研磨粒子、氧化剂、酸类及有机添加剂。相对于Cu研磨液全部重量而言，上述研磨粒子、氧化剂、酸类及有机添加剂的含量分别为1-30wt％；1-10wt％；0.001-5wt％；0.001-1wt％，余量为水性介质；wt％为重量百分率。示例性的，研磨粒子为胶状氧化物颗粒，氧化剂为至少一种含过氧基的物质，酸类为至少一种有机酸或无机酸或二者混合，有机添加剂为季铵盐。水性介质为去离子水或蒸馏水。研磨粒子胶状氧化物颗粒为胶粒状二氧化硅(SIO2)粒子或胶粒状氧化铝粒子。所述含过氧基的物质选自过氧化氢、过硫酸铵、过氧乙酸、及过碘酸中的至少一种。所述酸类中的有机酸选自苯并三唑、柠檬酸、柠檬酸盐及乙二胺四乙酸中的至少一种成分。所述酸类中的无机酸选自硫酸、硝酸、盐酸及磷酸中的至少一种成分。Cu研磨液流量范围：100ml/min～300ml/min，研磨垫转速范围为：20rpm～30rpm。
Cu保护液预防Cu金属层氧化变色。Cu保护液可包括：苯并三氮唑(BTA)、乙醇和肥皂液的混合溶液；示例性的，先将苯并三氮唑200-400克与乙醇100-200毫升配成溶液，然后将该溶液溶于质量浓度3-4％的160-240毫升的肥皂液中，即制成Cu保护液。Cu与苯并三氮唑(BTA)分子中的H+相置换，形成了与铜表面平行取向的链状聚合物的薄膜，该薄膜即使在较高温下也有某种程度的稳定性，从而抑制铜的氧化。
本实施例采用研磨垫的硬质微粒子的粒径尺寸更小，同时配合去离子水、Cu研磨液和Cu保护液高效的减薄超厚Cu，实现超厚铜的研磨工艺。
综上所述，本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括：提供衬底，所述衬底上形成有介质层；所述介质层和所述衬底中形成开口，金属层填充所述开口且覆盖所述介质层的上表面；执行CMP工艺研磨所述金属层高于所述介质层的部分，研磨垫接触所述金属层进行研磨，所述研磨垫的表面设置有硬质微粒子，所述硬质微粒子的粒径范围为国际筛网规格的目数6000～10000。本发明CMP工艺中研磨垫采用粒径尺寸更小的硬质微粒子对金属层进行研磨，实现超厚金属层(例如铜金属层)的研磨。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种半导体器件的制作方法，用于研磨厚度大于10μm的金属层，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底上形成有介质层；所述介质层和所述衬底中形成开口，金属层填充所述开口且覆盖所述介质层的表面；
研磨所述金属层高于所述介质层的部分，研磨垫接触所述金属层进行研磨，所述研磨垫的表面设置有硬质微粒子，所述硬质微粒子的粒径范围为国际筛网规格的目数6000～10000；
所述金属层的材质包括Cu，所述研磨工艺中加入Cu保护液；所述Cu保护液包括：苯并三氮唑、乙醇和肥皂液的混合溶液；所述Cu保护液配置比例包括：先将所述苯并三氮唑200-400克与所述乙醇100-200毫升配成溶液，然后将所述溶液溶于质量浓度3-4％的160-240毫升的肥皂液中，即制成所述Cu保护液；Cu与所述苯并三氮唑分子中的H+相置换，形成了与铜表面平行取向的链状聚合物的薄膜，从而抑制铜的氧化；所述Cu保护液预防Cu金属层氧化变色。
2.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述硬质微粒子包括钻石颗粒。
3.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述研磨工艺中还加入去离子水和Cu研磨液进行研磨。
4.如权利要求3所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述Cu研磨液为酸性，包括：水性介质、研磨粒子、氧化剂、酸类及有机添加剂；相对于所述Cu研磨液的全部重量而言，所述研磨粒子、所述氧化剂、所述酸类及所述有机添加剂的含量分别为1-30wt％；1-10wt％；0.001-5wt％；0.001-1wt％，余量为所述水性介质。
5.如权利要求4所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述研磨粒子为胶粒状二氧化硅粒子或胶粒状氧化铝粒子，所述氧化剂为至少一种含过氧基的物质，所述酸类为至少一种有机酸或无机酸或二者混合，所述有机添加剂为季铵盐。
6.如权利要求5所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述酸类中的有机酸选自苯并三唑、柠檬酸、柠檬酸盐及乙二胺四乙酸中的至少一种成分。
7.如权利要求5所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述酸类中的无机酸选自硫酸、硝酸、盐酸及磷酸中的至少一种成分。
8.如权利要求3所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述Cu研磨液的流量范围：100ml/min～300ml/min；所述研磨垫转速范围为：20rpm～30rpm。
9.如权利要求1所述的半导体器件的制作方法，其特征在于，所述开口的侧壁和底面还形成有阻挡层，所述金属层覆盖所述阻挡层并填充所述开口。
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