一種化學(xué)機(jī)械拋光方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種用于硅通孔的拋光工藝方法，用于TSV硅通孔化學(xué)機(jī)械拋光的工藝方法，包括以下步驟：步驟A：用銅拋光液去除銅覆蓋層并對(duì)表面進(jìn)行平坦化；步驟B：用阻擋層拋光液去除鉭阻擋層和部分介電層并對(duì)表面進(jìn)行平坦化；步驟C：用加入氮化硅抑制劑的阻擋層化學(xué)機(jī)械拋光液去除介電層并保留氮化硅層，其中，所述氮化硅抑制劑單獨(dú)從一個(gè)供料管在線加入。該拋光方法可提高產(chǎn)能，同時(shí)介電層拋光后能停在氮化硅停止層上，能較好的控制拋光過程。
【專利說明】一種化學(xué)機(jī)械拋光方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種化學(xué)機(jī)械拋光方法，更具體地說，涉及一種用于硅通孔的化學(xué)機(jī)械拋光工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路的發(fā)展，一方面，在傳統(tǒng)的IC行業(yè)中，為了提高集成度，降低能耗，縮短延遲時(shí)間，線寬越來越窄。另一方面，由于物理局限性，線寬不能無限縮小，半導(dǎo)體行業(yè)不再單純地依賴在單一芯片上集成更多的器件來提高性能，而轉(zhuǎn)向于多芯片封裝。硅通孔(TSV)技術(shù)作為一種通過在芯片和芯片之間、晶圓與晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)而得到工業(yè)界的廣泛認(rèn)可。TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大，外形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗的性能。
[0003]目前的TSV工藝是結(jié)合傳統(tǒng)的IC工藝形成貫穿硅基底的銅穿孔，即在TSV開口中填充銅實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，填充后多余的銅和阻擋層也需要利用化學(xué)機(jī)械拋光去除達(dá)到平坦化。與傳統(tǒng)IC工業(yè)不同，由于硅通孔很深，填充后的阻擋層通常有幾千埃的厚度，而在介電層下面，通常有一個(gè)氮化硅停止層(如附圖1所示)。
[0004]化學(xué)機(jī)械拋光需要將多余的銅、阻擋層和介電層去除并停在停止層上。為了快速去除這些銅和阻擋層，通常需要具有很高的銅，阻擋層和介電層的去除速率，同時(shí)氮化硅的去除速率要低，以便能很好地停在停止層上。通常阻擋層和介電層拋光使用同一種拋光液在一個(gè)拋光盤上完成，為了使阻擋層拋光能很好的停在停止層上，人們嘗試在阻擋層拋光液中加入氮化硅抑制劑，但是氮化硅抑制劑通常也會(huì)抑制鉭等阻擋層的去除速率，造成阻擋層去除速率較低，拋光時(shí)間加長，產(chǎn)能受到影響。為了解決這個(gè)問題，本發(fā)明采用以下拋光方法:在第一個(gè)拋光盤上去除銅，第二個(gè)拋光盤上去除鉭阻擋層，第三個(gè)拋光盤上去除介電層并停在氮化硅上。其中，第一個(gè)拋光盤使用的是銅拋光液，第二個(gè)拋光盤使用阻擋層拋光液，第三個(gè)拋光盤上使用同一種阻擋層拋光液，并在線添加了氮化硅抑制劑。
[0005]發(fā)明專利US20090045164A1介紹了一種低介電材料拋光的“通用”阻擋層化學(xué)機(jī)械拋光液的拋光方法。該方法包括幾個(gè)拋光步驟:首先用阻擋層拋光液去除阻擋層，在拋光覆蓋層(Cap layer)時(shí)向拋光液中加入添加劑來降低低介電材料(low-k)的去除速率，改變了覆蓋層與低介電材料(low-k)的選擇比,從而使拋光停在低介電材料(low-k)上。
[0006]發(fā)明專利US20030008599A1介紹了一種化學(xué)機(jī)械拋光方法。該方法通過在拋光過程的不同階段引入氧化劑和 還原劑來改變銅拋光速率，降低拋光后銅的碟形凹陷。
[0007]發(fā)明專利US20100130101A1介紹了化學(xué)機(jī)械拋光方法，該方法通過用兩條管路將不同的拋光液成分引入到拋光墊上，在線混合成拋光液用于拋光。通過調(diào)節(jié)不同成分的流量來調(diào)節(jié)拋光速率。
[0008]綜上所述，在此前公開的專利和文獻(xiàn)中，并未有一種專門針對(duì)TSV阻擋層拋光的拋光液。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種具有較高的阻擋層去除速率的同時(shí)能停止在氮化硅上的拋光方法。
[0010]本發(fā)明提供的用于TSV硅通孔化學(xué)機(jī)械拋光的工藝方法，包括以下步驟:
[0011]步驟A:用銅拋光液去除銅覆蓋層并對(duì)表面進(jìn)行平坦化；
[0012]步驟B:用阻擋層拋光液去除鉭阻擋層和部分介電層并對(duì)表面進(jìn)行平坦化；步驟C:用加入氮化硅抑制劑的阻擋層化學(xué)機(jī)械拋光液去除介電層并保留氮化硅層，其中，所述氮化硅抑制劑單獨(dú)從一個(gè)供料管在線加入。氮化硅抑制劑單獨(dú)加入可以抑制氮化硅的去除速率，提高二氧化硅對(duì)氮化硅去除速率的選擇比。
[0013]在本發(fā)明中，所述步驟A中的銅拋光液，對(duì)銅的去除速率大于10OOOA/mina
[0014]在本發(fā)明中，所述步驟4所用的下壓力為1.0-3.0?81，轉(zhuǎn)速為50-120印111。所述步驟B所用的下壓力為1.0-3.0psi，轉(zhuǎn)速為50-120rpm。所述步驟C所用的下壓力為
1.0-3.0psi，轉(zhuǎn)速為 50-120rpm。
[0015]在本發(fā)明中，所述步驟B中的阻擋層拋光液包含一種研磨顆粒和水。
[0016]在本發(fā)明中，所述的研磨顆粒為二氧化硅溶膠。
[0017]在本發(fā)明中，所述的研磨顆粒的含量為15_40wt%。
[0018]在本發(fā)明中，所述阻擋層拋光液還包含緩蝕劑，絡(luò)合劑和氧化劑。
[0019]在本發(fā)明中，阻擋層拋光液的pH值為2-4。
[0020]在本發(fā)明中，所述氮化硅抑制劑為萘磺酸鹽類表面活性劑或磷酸酯類表面活性劑。
[0021]在本發(fā)明中，所述氮化硅抑制劑為亞甲基二萘磺酸鈉，甲基萘磺酸鈉甲醛縮聚物，芐基萘磺酸甲醛縮聚物，烷基磷酸酯二乙醇胺鹽和/或烷基磷酸酯三乙醇胺鹽中的一種或多種。
[0022]在本發(fā)明中，所述烷基磷酸酯鹽類表面活性劑的烷基碳原子數(shù)選自8~12。
[0023]在本發(fā)明中，所述氮化硅抑制劑的含量為0.1-0.5wt%。
[0024]本發(fā)明步驟B和C中所使用的拋光液中還可以包括硝酸、氫氧化鉀、氨水等常用的PH調(diào)節(jié)劑，消泡劑和殺菌劑等本領(lǐng)域常用的助劑。
[0025]其中，步驟A中所使用的銅拋光液，可為市售可得的任意銅拋光液，例如安集市售TSV-A21，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很簡單地理解，任何拋光液，僅需對(duì)銅的去除速率大于10000A/min，均可用于本發(fā)明的實(shí)施。
[0026]本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于:
[0027]I)通過工藝整合合理分配各拋光盤的拋光時(shí)間，與傳統(tǒng)的三步拋光方法相比縮短了拋光時(shí)間，提聞廣能
[0028]2)通過工藝改進(jìn)使得阻擋層拋光液既能較快地去除阻擋層，又能很好地停在氮化
硅停止層上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為對(duì)TSV圖形晶圓進(jìn)行拋光的工藝步驟?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明拋光硅通孔的化學(xué)機(jī)械拋光液進(jìn)行詳細(xì)描述，以使更好的理解本發(fā)明，但下述實(shí)施例并不限制本發(fā)明范圍。實(shí)施例中各成分百分比均為質(zhì)量百分比。實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。
[0031]對(duì)比實(shí)施例1
[0032]銅拋光液:安集市售A-21銅拋光液
[0033]阻擋層拋光液:15%二氧化硅，緩蝕劑為苯并三氮唑，絡(luò)合劑為草酸，氮化硅抑制劑為0.1 %亞甲基二萘磺酸鈉，氧化劑為雙氧水，水余量，pH=3.0
[0034]1.在第一個(gè)拋光盤和第二個(gè)拋光盤上使用A-21銅拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad,下壓力為3.0psi,轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm,拋光液流速為150ml/min,拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0035]2.在第三個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0036]對(duì)比實(shí)施例2
[0037]銅拋光液:安集市售A-21銅拋光液
[0038]阻擋層拋光液:15%二氧化硅，緩蝕劑為苯并三氮唑，絡(luò)合劑為草酸，氮化硅抑制劑為0.1 %亞甲基二萘磺酸鈉，氧化劑為雙氧水，水余量，pH=3.0
[0039]1.在第一個(gè)拋光盤上使用A-21銅拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi,轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0040]2.在第二個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0041]3.在第三個(gè)拋光盤上使用同一種阻擋層拋光液。拋光條件同第二個(gè)步驟。
[0042]實(shí)施例1分步化學(xué)機(jī)械拋光法
[0043]銅拋光液:安集市售A-21銅拋光液
[0044]阻擋層拋光液:15wt%二氧化硅，緩蝕劑為苯并三氮唑，絡(luò)合劑為草酸，氧化劑為雙氧水，水為余量，pH=3.0
[0045]氮化硅抑制劑:亞甲基二萘磺酸鈉
[0046]1.在第一個(gè)拋光盤上使用A-21銅拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi,轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0047]2.在第二個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0048]3.在第三個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，同時(shí)用另一個(gè)加料管以15ml/min的流速加入濃度為10wt%的亞甲基二萘磺酸 鈉溶液。拋光條件同第二個(gè)步驟。[0049]實(shí)施例2分步化學(xué)機(jī)械拋光法
[0050]銅拋光液:安集市售A-21銅拋光液
[0051]阻擋層拋光液:25wt%二氧化硅，緩蝕劑為甲基苯并三氮唑，絡(luò)合劑為檸檬酸，氧化劑為雙氧水，水為余量，pH=2.0
[0052]氮化硅抑制劑:甲基萘磺酸鈉甲醛縮聚物
[0053]1.在第一個(gè)拋光盤上使用A-21銅拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi,轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=55/50rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0054] 2.在第二個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=55/50rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0055]3.在第三個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，同時(shí)用另一個(gè)加料管以45ml/min的流速加入濃度為10wt%的甲基萘磺酸鈉甲醛縮聚物溶液。拋光條件同第二個(gè)步驟。
[0056]實(shí)施例3分步化學(xué)機(jī)械拋光法
[0057]銅拋光液:安集市售A-21銅拋光液
[0058]阻擋層拋光液:30wt%:氧化硅，緩蝕劑為1，2，4-三氮唑，絡(luò)合劑為丙二酸，氧化劑為雙氧水，水為余量，PH=4.0
[0059]氮化硅抑制劑:芐基萘磺酸甲醛縮聚物
[0060]1.在第一個(gè)拋光盤上使用A-21銅拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為2.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=115/1 lOrpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0061]2.在第二個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為2.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=115/1 lOrpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0062]3.在第三個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，同時(shí)用另一個(gè)加料管以75ml/min的流速加入濃度為10wt%的芐基萘磺酸甲醛縮聚物溶液。拋光條件同第二個(gè)步驟。
[0063]實(shí)施例4分步化學(xué)機(jī)械拋光法
[0064]銅拋光液:安集市售A-21銅拋光液
[0065]阻擋層拋光液:40Wt% 二氧化硅，緩蝕劑為苯并三氮唑，絡(luò)合劑為草酸，氧化劑為雙氧水，水為余量，pH=2.0
[0066]氮化硅抑制劑:八烷基磷酸酯二乙醇胺鹽
[0067]1.在第一個(gè)拋光盤上使用A-21銅拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為1.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=120/115rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0068]2.在第二個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為1.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=120/115rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0069]3.在第三個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，同時(shí)用另一個(gè)加料管以15ml/min的流速加入濃度為10wt%的八烷基磷酸酯二乙醇胺鹽溶液。拋光條件同第二個(gè)步驟。[0070]實(shí)施例5分步化學(xué)機(jī)械拋光法
[0071]銅拋光液:安集市售A-21銅拋光液
[0072]阻擋層拋光液:20被％二氧化硅，緩蝕劑為苯并三氮唑，絡(luò)合劑為丙二酸，PH調(diào)節(jié)劑為硝酸或氫氧化鉀，氧化劑為雙氧水，水為余量，PH=2.0
[0073]氮化硅抑制劑:十二烷基磷酸酯三乙醇胺鹽
[0074]1.在第一個(gè)拋光盤上使用A-21銅拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi,轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0075]2.在第二個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，拋光條件為:拋光墊為IC pad，下壓力為3.0psi，轉(zhuǎn)速為拋光盤/拋光頭=93/87rpm，拋光液流速為150ml/min，拋光時(shí)間通過終點(diǎn)控制系統(tǒng)來控制。
[0076]3.在第三個(gè)拋光盤上使用阻擋層拋光液，同時(shí)用另一個(gè)加料管以30ml/min的流速加入濃度為10wt%的十二烷基磷酸酯三乙醇胺鹽溶液。拋光條件同第二個(gè)步驟。
[0077]效果實(shí)施例
[0078]采用對(duì)比實(shí)施例和本發(fā)明的實(shí)施例1~5的拋光方法進(jìn)行拋光，拋光結(jié)果如下表所示。TSV圖形晶片的銅覆蓋層約為50000埃，阻擋層約為1000埃，介電層約為5000埃。
[0079]
【權(quán)利要求】
1.一種用于TSV硅通孔化學(xué)機(jī)械拋光的工藝方法，包括以下步驟: 步驟A:用銅拋光液去除銅覆蓋層并對(duì)表面進(jìn)行平坦化； 步驟B:用阻擋層拋光液去除鉭阻擋層和部分介電層并對(duì)表面進(jìn)行平坦化； 步驟C:用加入氮化硅抑制劑的阻擋層化學(xué)機(jī)械拋光液去除介電層并保留氮化硅層，其中，所述氮化硅抑制劑單獨(dú)從一個(gè)供料管在線加入。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述步驟A中的銅拋光液，對(duì)銅的去除速率大于10000A/min。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述步驟A所用的下壓力為.1.0-3.0psi，轉(zhuǎn)速為 50-120rpm。
4.如權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述步驟B所用的下壓力為.1.0-3.0psi，轉(zhuǎn)速為 50-120rpm。
5.如權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述步驟C所用的下壓力為.1.0-3.0psi，轉(zhuǎn)速為 50-120rpm。
6.如權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述步驟B中的阻擋層拋光液包含一種研磨顆粒和水。
7.如權(quán)利要求6所述的工藝方法，其特征在于，所述的研磨顆粒為二氧化硅溶膠。
8.如權(quán)利要求6所述的工藝方法，其特征在于，所述的研磨顆粒的含量為15-40wt%。
9.如權(quán)利要求6所述的工藝方法，其特征在于，所述阻擋層拋光液還包含緩蝕劑，絡(luò)合劑和氧化劑。
10.如權(quán)利要求9所述的工藝方法，其特征在于，阻擋層拋光液的pH值為2-4。
11.如權(quán)利要求1所述的工藝方法，其特征在于，所述氮化硅抑制劑為萘磺酸鹽類表面活性劑或磷酸酯類表面活性劑。
12.如權(quán)利要求11所述的工藝方法，其特征在于，所述氮化硅抑制劑為亞甲基二萘磺酸鈉，甲基萘磺酸鈉甲醛縮聚物，芐基萘磺酸甲醛縮聚物，烷基磷酸酯二乙醇胺鹽和/或烷基磷酸酯三乙醇胺鹽中的一種或多種。
13.如權(quán)利要求12所述的工藝方法，其特征在于，所述烷基磷酸酯鹽類表面活性劑的烷基碳原子數(shù)選自8~12。
14.如權(quán)利要求11所述的工藝方法，其特征在于，所述氮化硅抑制劑的含量為.0.1—0.5wt %。
【文檔編號(hào)】H01L21/321GK103903979SQ201210584555
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月28日
【發(fā)明者】姚穎, 荊建芬, 王雨春, 王文龍 申請(qǐng)人:安集微電子（上海）有限公司