一种TSV背面露头工艺制造技术

一种TSV背面露头工艺，通过在研磨衬底背面时，保留TSV上方的衬底，避免该物理减薄过程对TSV露头以及衬底的损坏，同时又使得原本TTV较高的衬底表面被研磨之后具有较好的表面平整度，使得后续刻蚀过程中的一致性较高。然后通过第一次湿法刻蚀，以衬底和介质层选择比较高的刻蚀液对衬底进行刻蚀，再根据TSV上的介质层和阻挡层在第一次刻蚀时的情况，选择是否进行第二次刻蚀和第三次刻蚀，保证TSV露头部分具有足够的高度，并且露头部分的导电柱不受刻蚀液的损坏。最后以感光性材料为介质保护层，以曝光显影的方式刻蚀出最终的TSV露头结构，避免传统工艺中对导电柱铜的腐蚀和氧化，减少了后续处理步骤。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子
一种制造或处理半导体或固体器件或其部件的方法，尤其涉及一种利用金属3D互连在微电子器件中的分离元件间传输电流的TSV露头工艺。
技术介绍
随着微电子技术的不断进步，集成电路的特征尺寸不断缩小，互连密度不断提高。同时用户对高性能低耗电的要求不断提高。在这种情况下，靠进一步缩小互连线的线宽来提高性能的方式受到材料物理特性和设备工艺的限制，二维互连线的电阻电容(RC)延迟逐渐成为限制半导体芯片性能提高的瓶颈。硅穿孔(Through Silicon Via，简称TSV)工艺通过在晶圆中形成金属立柱，并配以金属凸点，可以实现晶圆(芯片)之间或芯片与基板间直接的三维互连，这样可以弥补传统半导体芯片二维布线的局限性。这种互连方式与传统的堆叠技术如键合技术相比具有三维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小等优点，从而大大提高芯片的速度并降低功耗。因此，TSV技术已经被广泛认为是继键合、载带焊和倒装芯片之后的第四代封装技术，将逐渐成为高密度封装领域的主流技术。TSV是通过在芯片和芯片、晶圆和晶圆之间通过刻蚀、激光钻孔等方式制作垂直导通孔，然后在导通孔内通过电镀等方式沉积导电物质而实现互连的技术。由于TSV的深度通常比所在的芯片和晶圆的厚度小，要实现互连的目的，必须经过一个露头的工艺。目前通行的技术方法为:先通过研磨、CMP等方式对晶圆的背面减薄，直至露出TSV，之后在背面沉积介质层如Si02，Si3N4等，沉积方法可以是热氧化法、PECVD，LPCVD等。再利用化学或物理方法如plasma或CMP去掉一定厚度的介质层，然后进行后续的互连工艺如再分布层(RDL)等。然而上述工艺存在如下的一些缺陷:I)现有技术中直接通过研磨将晶圆背面减薄至TSV导电柱，在研磨过程中会将导电性物质引入到晶圆的表面中去，该导电性物质可能来源于研磨料中含有的金属物质或TSV孔内的导体，如铜离子，这将极大地降低晶圆衬底中的少数载流子寿命。2)传统TSV的露头方法很容易使TSV导电柱的头部受到机械性损伤，如划痕、裂口等，严重影响IC的性能、可靠性以及良品率。即使在通过电镀方式制作TSV的导电柱之前，先沉积一层介质层或阻挡层，该问题依旧存在。3)在背面减薄之后还需沉积介质层，以及后续的在TSV头部沉积介质层后进行开窗刻蚀去掉介质层的过程，采用的刻蚀方法会对TSV孔内铜产生腐蚀和氧化，需要额外工艺去除氧化铜，具有效率低、成本高的缺点。4)最重要的是目前已经公开的工艺只适合TTV (total thickness variation,表面高度差)很小的TSV。而现实中IC产品的TTV可能非常大，且不同厂家的水平不一样。这样就要求TSV的露头高度相对大一些，以保证所有的TSV都能有良好电接触，而传统的TSV露头方法还无法满足上述要求。因此有必要对现有的TSV背面露头工艺做改进，以克服上述缺陷。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种新的TSV背面露头工艺，该工艺不仅可以避免TTV对TSV露头部分的影响，保证所有的TSV均具有满足要求高度的露头部分，而且在TSV露头之后，减少对TSV露头部分的破坏，提高产品品质。同时，该工艺可以运用较少的步骤，实现TSV露头结构的制作，为整个TSV工艺提高效率。 根据本专利技术的一个目的提出的一种TSV背面露头工艺，包括衬底减薄工艺和介质保护层的制作及刻蚀工艺，所述衬底减薄工艺包括步骤:提供一具有TSV结构的半导体衬底，所述TSV结构包括位于TSV侧壁上的介质层、阻挡层和被该介质层、阻挡层包裹的导电柱；对所述半导体衬底的背面进行一研磨工艺，研磨后的半导体衬底背面与TSV底部之间留有一间隔；对研磨后的半导体衬底背面实施第一次刻蚀，该刻蚀采用的刻蚀液对半导体衬底的刻蚀速率大于对TSV侧壁上介质层的刻蚀速率，使半导体衬底被刻蚀至所需厚度。根据本专利技术另一目的，其中介质保护层的制作及刻蚀工艺包括步骤:在半导体衬底背面涂覆一层感光性材料；利用曝光显影技术对上述感光性材料进行局部光刻处理，露出TSV导电柱的头部；或者不曝光显影直接使用显影液去除一定深度的聚合物显露TSV导电柱的头部。 优选的，所述感光性材料包括聚酰亚胺、苯并环丁烯或聚苯酯中的一种。根据本专利技术又一目的，对半导体衬底背面实施第一次刻蚀之后，所述TSV侧壁上仍有介质层的，则所述衬底减薄工艺进一步包括步骤:第二次刻蚀，将剩余介质层和阻挡层去除；第三次刻蚀，将衬底面的高度刻蚀至小于或等于介质层和阻挡层的高度为止。优选的，所述第二次刻蚀采用0.5%-10%的HF溶液对所述介质层和阻挡层处理5s_60so优选的，所述第三次刻蚀采用弱碱性刻蚀液进行刻蚀。优选的，所述第一次刻蚀采用的刻蚀液包括氢氟酸和硝酸混合体系、氢氟酸，TMAH体系或氢氧化钾。优选的，所述氢氟酸和硝酸混合体系中氢氟酸和硝酸的体积百分比的范围在1:5到1:25之间，所述TMAH体系的重量百分比为3w%-30w%。优选的，所述半导体衬底为硅，所述介质层为二氧化硅时，所述第一次刻蚀中选用的刻蚀液为 HFiHNO3 =H2O=1:20:10 (vol.%)。优选的，所述半导体衬底为硅，所述介质层为二氧化硅时，所述第一次刻蚀中选用的刻蚀液对硅和二氧化硅的选择比为10:1-100:1。优选的，所述半导体衬底为硅，所述介质层为二氧化硅，所述第一次刻蚀时选择的刻蚀液对于硅和二氧化硅的选择比正好满足将硅衬底刻蚀到预定深度时，所需高度的二氧化娃被刻蚀干净。上述的TSV背面露头工艺中，通过在研磨衬底背面时，保留TSV上方的衬底，避免该物理减薄过程对TSV露头以及衬底的损坏，同时又使得原本TTV较高的衬底表面被研磨之后具有较好的表面平整度，使得后续刻蚀过程中的一致性较高。然后通过第一次湿法刻蚀，以衬底和介质层选择比较高的刻蚀液对衬底进行刻蚀，再根据TSV上的介质层和阻挡层在第一次刻蚀时的情况，选择是否进行第二次刻蚀和第三次刻蚀，保证TSV露头部分具有足够的高度，并且露头部分的导电柱不受刻蚀液的损坏。最后以感光性材料为介质保护层，以曝光显影的方式刻蚀出最终的TSV，避免了导电柱的腐蚀氧化，减少了后续处理步骤。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术的TSV背面露头工艺的简要流程示意图。图2A-2G是本专利技术第一实施方式中各步骤对应的产品结构图。图3A-3F是本专利技术第二实施方式中各步骤对应的器件结构图。具体实施例方式正如
技术介绍
中所述，现有的TSV背面露头工艺，由于直接将晶圆背面减薄至TSV的导体层，使得该减薄过程中实施的研磨工艺容易对TSV的导电柱和晶圆产生破坏，导致TSV的露头部分产生划口或裂缝缺陷，或者使得晶圆中侵入金属离子，降低载流子寿命。再者，该研磨工艺受晶圆表面的TTV影响，容易造成TSV露头高度不一，甚至在晶圆较厚区域的TSV无法露头等缺陷。另外，现有的TSV露头工艺中，在减薄后的晶圆上形成介质保护层后，对TSV进行局部刻蚀时，容易在TSV的导电柱头部形成氧化层，使得工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TSV背面露头工艺，包括衬底减薄工艺和介质保护层的制作及刻蚀工艺，其特征在于，所述衬底减薄工艺包括步骤：提供一具有TSV结构的半导体衬底，所述TSV结构包括位于TSV侧壁上的介质层、阻挡层和被该介质层、阻挡层包裹的导电柱；对所述半导体衬底的背面进行一研磨工艺，研磨后的半导体衬底背面与TSV底部之间留有一间隔；对研磨后的半导体衬底背面实施第一次刻蚀，该刻蚀采用的刻蚀液对半导体衬底的刻蚀速率大于对TSV侧壁上介质层的刻蚀速率，使半导体衬底被刻蚀至所需厚度。

【技术特征摘要】
1.一种TSV背面露头工艺，包括衬底减薄工艺和介质保护层的制作及刻蚀工艺，其特征在于，所述衬底减薄工艺包括步骤: 提供一具有TSV结构的半导体衬底，所述TSV结构包括位于TSV侧壁上的介质层、阻挡层和被该介质层、阻挡层包裹的导电柱； 对所述半导体衬底的背面进行一研磨工艺，研磨后的半导体衬底背面与TSV底部之间留有一间隔； 对研磨后的半导体衬底背面实施第一次刻蚀，该刻蚀采用的刻蚀液对半导体衬底的刻蚀速率大于对TSV侧壁上介质层的刻蚀速率，使半导体衬底被刻蚀至所需厚度。2.如权利要求1所述的TSV背面露头工艺，其特征在于:介质保护层的制作及刻蚀工艺包括步骤: 在半导体衬底背面涂覆一层感光性材料； 利用曝光显影技术对上述感光性材料进行局部光刻处理，露出TSV导电柱的头部；或者不曝光显影直接使用显影液去除一定深度的聚合物显露TSV导电柱的头部。3.如权利要求2所述的TSV背面露头工艺，其特征在于:所述感光性材料包括聚酰亚胺、苯并环丁烯或聚苯酯中的一种。4.如权利要求1所述的TSV背面露头工艺，其特征在于:对半导体衬底背面实施第一次刻蚀之后， 所述TSV侧壁上仍有介质层的，则所述衬底减薄工艺进一步包括步骤: 第二次刻蚀，将剩余介质层和阻挡层去除； 第三次刻蚀，将衬底面的高度刻蚀至小于或等于介质层和阻挡层的高度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文奇，王磊，宋崇申，王谆，
申请(专利权)人：华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：