一种化学机械抛光工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于TSV硅通孔化学机械抛光的工艺方法，包括以下步骤：第一步，用铜抛光液去除铜覆盖层并对表面进行平坦化；第二步，用抛光液去除钽阻挡层和TSV隔离层SiO2，并对表面进行平坦化。采用优化工艺进行抛光后的效果图，抛光的目的在于除去铜覆盖层、钽阻挡层和TSV隔离层SiO2，并且使抛光停留在停留层Si3N4上，从而保证对器件绝缘层SiO2不造成损伤。
【专利说明】一种化学机械抛光工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种化学机械抛光工艺，更具体地说，涉及一种用于硅通孔的化学机械抛光工艺。
【背景技术】
[0002]作为集成电路制造工艺中的一环，芯片封装技术也随着摩尔定律(Moore’ s law)的发展而不断改进。其中，三维封装(3D-packaging)技术自上世纪末以来发展迅速,并且已被应用于如数据储存器、感光数码芯片等的产业化生产工艺之中。三维封装具有尺寸小、硅片使用效率高、信号延迟短等特点，并且使得一些在传统二维封装中无法实现的特殊电路设计成为可能。
[0003]化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)是三维封装中一道必不可少的环节。通过刻蚀、沉积及化学机械抛光等工序在芯片的背面制造出的硅通孔(Through-silicon Via, TSV)是在芯片之间实现三维堆叠(3D_stacking)的关键。娃通孔的尺寸与芯片中的晶体管尺寸有着数量级的差别——例如目前主流集成电路中的晶体管尺寸已经微缩至100纳米以下，而硅通孔的尺寸一般在几微米到数十微米一因此硅通孔化学机械抛光工艺有着不同于传统化学机械抛光工艺的要求。例如，由于硅通孔结构中的各种介质层都有较大的厚度，因而要求化学机械抛光时要有较高的去除速率。另一方面，硅通孔结构对于平坦化以及表面粗糙度的要求则相对地宽松。
[0004]当前氧化铺抛光液主要被应用于STI (Shallow Trench Isolation,浅槽隔离)和Oxide (二氧化硅)的CMP加工工艺中。氧化铈抛光液的优点在于SiO2抛光速度快，经改良后较容易获得高的Si02/Si3N4选择比。另一方面Barrier Slurry (阻挡层抛光液,阻挡层通常指Ta、TaN,也有用Ru、Co作阻挡层的)也被广泛研究。此前的阻挡层抛光液一般使用二氧化硅作研磨颗粒，通常不需要同时快速去除Si02。
[0005]TSV的化学机械抛光是较新的领域，本发明所关注的高选择性TSV阻挡层抛光液结合了前述几种相对较成熟的CMP抛光液的一些优点，并对其不足之处进行了改进。
[0006]发明专利WO 2006/001558 Al介绍了一种用于浅槽隔离(STI)的抛光液，其含有金属氧化物(研磨剂)、表面活性剂、糖类化合物、PH调节剂、防腐剂、稳定剂和去离子水。该抛光液具有高Si02/Si3N4选择性，但该专利中并未提及抛光液对阻挡层材质(如钽，Ta)的去除速率。
[0007]发明专利US 2008/0276543A1介绍了一种碱性的抛光液，其含有氧化剂、二氧化硅研磨剂、聚乙烯吡咯烷酮、亚胺阻挡层去除剂、碳酸盐、铜腐蚀抑制剂、配体和水。其中的亚胺阻挡层去除剂选自甲脒、甲脒盐、甲脒衍生物、胍、胍盐、胍衍生物中的一种或组合。该发明中所列举实施例中SiO2 (TEOS)去除速率最高只有l320A/min，对于tsv阻挡层抛光而言明显过低，而且实施例中并未提及Si3N4去除速率，即Si02/Si3N4选择性未明。
[0008]发明专利WO 2009/064365A2介绍了一种偏碱性的抛光液，其含有水、氧化剂及硼酸根离子。该专利中的实施例所列举的SiO2(TEOS)去除速率较低，仅有一个实施例的TEOS去除速率达到了2136 A/min,其余均在1300 A/min以下。实施例中亦未提及Si3N4去除速率，即Si02/Si3N4选择性未明。且其实施例中所列举的配方在碱性条件下(pH值约10)使用了过氧化物类(如过氧化氢、过氧碳酸盐等)氧化物——根据以往公开的技术和文献资料，此类氧化物在碱性条件下通常不稳定，而该专利并未针对此问题进行讨论。
[0009]发明专利US 5735963介绍了一种含有羟胺和氧化铝研磨剂的酸性抛光液，但该专利并未列举任何关于去除速率的数据。
[0010]发明专利US 7037350B2介绍了含有硝酸羟胺和聚合物颗粒研磨剂的抛光液。该专利中仅有的三个实施例只列出了抛光液对铜(Cu)的去除速率，对其它物料的去除速率并未提及。
[0011]发明专利US 6447563B1介绍了一种二元分装的抛光液，其中第一部分包含有研磨剂、稳定剂和表面活性剂，另一部分包含有氧化剂、酸、胺(含羟胺)、络合剂、含氟化合物、腐蚀抑制剂、杀菌剂、表面活性剂、缓冲试剂中的至少两种。该专利仅列举了两个抛光相关的实施例，且并未提及Si3N4去除速率，SiO2的去除速率(1300 A/min)也偏低。
[0012]发明专利US 6866792B2介绍了一种用于铜(Cu)抛光的酸性(pH 2?5)抛光液，其包含有氧化剂、研磨剂、羟胺化合物、腐蚀抑制剂、自由基抑制剂。其中羟胺化合物包括硝酸羟胺、羟胺、硫酸羟胺。此种抛光液具有高的Cu去除速率和高Cu/TaN选择性，即对阻挡层的去除速率较低。且专利中并未提及SiO2与Si3N4的去除速率。
[0013]发明专利US 6638326B2和US 7033409B2介绍了用于阻挡层(钽Ta、氮化钽TaN)抛光的酸性抛光液，其包含有水、氧化剂、胶体二氧化硅研磨剂。其中的氧化剂为硝酸羟胺、硝酸、苯并三氮唑、硝酸铵、硝酸铝、肼或其混合物水溶液。该抛光液具有较高的阻挡层(TaN)去除速率，但对SiO2 (ILD)去除速率很低(<900 A/min)。而且实施例中并未提及Si3N4去除速率，即Si02/Si3N4选择性未明。
[0014]发明专利US 7514363B2介绍了一种含有研磨剂、苯磺酸、过氧化物和水的抛光液。该抛光液具有该抛光液具有较高的阻挡层(TaN)去除速率，但对SiO2 (ILD)去除速率很低(2psi压力下，<1000 A/min)。而且实施例中并未提及Si3N4去除速率，即sio2/si3N4选择性未明。
[0015]综上所述，在此前公开的专利和文献中，并未有一种专门针对TSV阻挡层抛光的抛光液，即具有较高的SiO2去除速率，较高的Si02/Si3N4去除速率选择比，较高的钽(Ta)去除速率，且Ta/Cu去除速率选择比接近I的化学机械抛光液。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于提供一种具有较高的SiO2去除速率，较高的Si02/Si3N4去除速率选择比，较高的钽(Ta)去除速率，且Ta/Cu去除速率选择比接近I的化学机械抛光液。
[0017]本发明的抛光液包含载体，研磨颗粒，水溶性含氧酸盐以及水溶性多羟基聚合物，可在不影响其它底物的去除速率的基础上，抑制Si3N4的去除速率，从而提高Si02/Si3N4去除速率选择比。
[0018]在本发明中，水溶性含氧酸盐为硝酸盐，硫酸盐，碳酸盐和/或碘酸盐，优选为硝酸钾，硫酸钾，碳酸钾和/或碘酸钾。
[0019]在本发明中，水溶性含氧酸盐的质量百分比含量为0.1-0.6%。[0020]在本发明中，研磨颗粒优选为氧化铈，氧化铈的质量百分比含量为0.2-5%。优选地为0.75-1.2%，其中，研磨颗粒的平均粒径可选自200?350nm。
[0021 ] 本发明的抛光液还可包含钽去除速率促进剂，其中，钽去除速率促进剂选自羟胺化合物及其衍生物或盐，抛光液中加入羟胺，提高了钽(Ta)的去除速率，使Ta/Cu去除速率选择比接近I ;羟胺化合物优选为羟胺和/或硫酸羟胺。
[0022]在本发明中，羟胺化合物的质量百分比含量为0.5_2%。
[0023]在本发明中，水溶性多羟基聚合物为葡聚糖和/或聚乙烯醇，其中，葡聚糖的聚合度优选为20000，聚乙烯醇的聚合度优选为1700。
[0024]在本发明中，水溶性多羟基聚合物的质量百分比含量为0.01-0.1%。
[0025]在本发明中，抛光液还可包含铜腐蚀抑制剂，其中铜腐蚀抑制剂优选为三氮唑类化合物，更优选地为苯并三氮唑和/或3-氨基-1，2，4-三氮唑。
[0026]在本发明中，铜腐蚀抑制剂的质量百分比含量为0.01-0.1%。
[0027]在本发明中，抛光液还可包含二甲亚砜和/或N，N- 二甲基乙酰胺。
[0028]在本发明中，载体为水，更优选地为去离子水。
[0029]在本发明中，抛光液的pH值为8.1-12。
[0030]本发明的化学机械抛光液用于对硅通孔的抛光。
[0031]本发明所用试剂及原料均市售可得。
[0032]本发明的另一方面在于提供一种用于TSV硅通孔化学机械抛光的工艺方法，包括以下步骤:
[0033]步骤A:用铜抛光液去除铜覆盖层并对表面进行平坦化，
[0034]步骤B:用钽抛光液去除钽阻挡层并对表面进行平坦化。
[0035]上述步骤还进一步包括:步骤C:用二氧化硅抛光液去除隔离层中的二氧化硅层并对表面进行平坦化。
[0036]其中，步骤A中的铜抛光液，在AMAT 8”Mirra机台上对铜的去除速率为2_4um/min，对钽的去除速率小于100A/min，对二氧化硅的去除速率小于100A/min，对氮化硅的去除速率小于50A/min。
[0037]其中，步骤A中的铜抛光液，铜/钽或铜/ 二氧化硅的选择比大于50。
[0038]其中，步骤B中的抛光液，在AMAT 8”Mirra机台上对铜的去除速率为500-800A/min，对钽的去除速率大于1000A/min，对二氧化硅的去除速率为2000_5000A/min，对氮化硅的去除速率小于200A/min。
[0039]其中，步骤B中的抛光液，钽/ 二氮化硅或二氧化硅/氮化硅的选择比大于20。
[0040]其中，步骤C中选择性抛光液，对氮化硅的去除速率不小于二氧化硅的去除速率。
[0041]其中，步骤A所用的抛光时间为60_200sec，下压力为3psi，转速为93rpm。步骤B所用的抛光时间为60-200sec，下压力为3psi，转速为93rpm。述步骤C所用的抛光时间为60_200sec,下压力为3psi,转速为93rpm。
[0042]本发明的积极进步效果在于:
[0043]I)具有较高的SiO2抛光速率，并具有高的Si02/Si3N4去除速率选择比；
[0044]2)同时，其具有较高的钽抛光速率，且Ta/Cu去除速率选择比接近I。【专利附图】
【附图说明】
[0045]图1A为第一步抛光后的凹陷深度结果图；
[0046]图1B为第二步抛光后的凹陷深度结果图；
[0047]图2为使用这两组不同的抛光液组合，在相同抛光工艺下对TSV图形晶圆进行抛光后的效果对比。
【具体实施方式】
[0048]下面通过具体实施例对本发明抛光硅通孔的化学机械抛光液进行详细描述，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。实施例中各成分百分比均为质量百分比。
[0049]制备实施例
[0050]表I给出了本发明的化学机械抛光液配方。以下所述百分含量均为质量百分比含量。配方中所用化学试剂均为市面采购。葡聚糖(2万)的聚合度为20000 ;聚乙烯醇1799的聚合度为1700，醇解度为99%。聚乙烯醇使用前先在75° C去离子水中溶解配制成1%水溶液，待冷至室温后使用。所用羟胺为50%水溶液。抛光液中使用的氧化铈颗粒为原始浓度10%至20%的水分散液，颗粒的粒径为平均折合直径，其平均粒径由Malvern公司的Nano-ZS90激光粒度分析仪测定。
[0051]将除研磨颗粒外的组分按照表中所列的含量，在去离子水中混合均匀，用KOH调节到所需PH值，然后加入研磨颗粒分散液，若pH下降则用KOH调节到所需的pH值，并用去离子水补足百分含量至100%，即可制得化学机械抛光液。
[0052]表I本发明的化学机械抛光液实施例配方及对比例
[0053]
【权利要求】
1.一种用于TSV硅通孔化学机械抛光的工艺方法，包括以下步骤: 步骤A:用铜抛光液去除铜覆盖层并对表面进行平坦化， 步骤B:用钽抛光液去除钽阻挡层并对表面进行平坦化。
2.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，还进一步包括: 步骤C:用二氧化硅抛光液去除隔离层中的二氧化硅层并对表面进行平坦化。
3.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤A中的铜抛光液，对铜的去除速率为2-4um/min,对钽的去除速率小于ΙΟΟΑ/min,对二氧化娃的去除速率小于100A/min,对氮化硅的去除速率小于50A/min。
4.如权利要求1或3所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤A中的铜抛光液，铜/钽或铜/ 二氧化硅的选择比大于50。
5.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤B中的抛光液，对铜的去除速率为500-800A/min，对钽的去除速率大于1000A/min，对二氧化硅的去除速率为2000-5000A/min,对氮化硅的去除速率小于200A/min。
6.如权利要求1或5所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤B中的抛光液，钽/二氮化硅或二氧化硅/氮化硅的选择比大于20。
7.如权利要求2所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤C中选择性抛光液，对氮化硅的去除速率不小于二氧化硅的去除速率。
8.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤A所用的抛光时间为60_200sec,下压力为3psi,转速为93rpm。
9.如如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤B所用的抛光时间为60_200sec,下压力为3psi,转速为93rpm。
10.如如权利要求2所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤C所用的抛光时间为60_200sec,下压力为3psi,转速为93rpm。
11.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液，含有:载体，研磨颗粒，水溶性含氧酸盐以及水溶性多羟基聚合物。
12.如权利要求11所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述水溶性含氧酸盐为硝酸盐，硫酸盐，碳酸盐和/或碘酸盐。
13.如权利要求12所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述水溶性含氧酸盐为硝酸钾，硫酸钾，碳酸钾和/或碘酸钾。
14.如权利要求11-13所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述水溶性含氧酸盐的质量百分比含量为0.1-0.6%。
15.如权利要求11所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述研磨颗粒为氧化铺。
16.如权利要求11或15所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述研磨颗粒的质量百分比含量为0.2-5%。
17.如权利要求16所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述研磨颗粒的质量百分比含量为0.75-1.2%。
18.如权利要求11所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，还包含钽去除速率促进剂，其中，所述钽去除速率促进剂选自羟胺化合物及其衍生物或盐。
19.如权利要求18所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述羟胺化合物及其衍生物或盐为羟胺和/或硫酸羟胺。
20.如权利要求18或19所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述羟胺化合物的质量百分比含量为0.5-2%。
21.如权利要求11所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述水溶性多羟基聚合物为葡聚糖和/或聚乙烯醇。
22.如权利要求21所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述葡聚糖的聚合度为20000，聚乙烯醇的聚合度为1700。
23.如权利要求21或22所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述水溶性多羟基聚合物的质量百分比含量为0.01-0.1 %。
24.如权利要求11所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，还包含铜腐蚀抑制剂。
25.如权利要求24所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述铜腐蚀抑制剂为三氮唑类化合物。
26.如权利要求25所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述三氮唑类化合物为苯并三氮唑和/或3-氨基-1，2，4-三氮唑。
27.如权利要求24-2 6任一项所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述铜腐蚀抑制剂的质量百分比含量为0.01-0.1 %。
28.如权利要求11所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，还包含二甲亚砜和/或N，N-二甲基乙酰胺。
29.如权利要求11所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，所述载体为水。
30.如权利要求11所述的工艺方法，其特征在于，所述钽抛光液中，pH值为8.1-12。
【文档编号】B24B37/04GK103831706SQ201210492228
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月27日 优先权日:2012年11月27日
【发明者】王雨春, 荆建芬, 庞可亮 申请人:安集微电子（上海）有限公司