一种化学机械抛光方法
【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：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：用阻挡层抛光液去除钽阻挡层和部分介电层并对表面进行平坦化，步骤C：用介电层化学机械抛光液去除介电层并保留氮化硅层。通过改变抛光工艺流程，产能得到提高，同时介电层抛光后能停在氮化硅停止层上，能较好的控制抛光过程。
【专利说明】一种化学机械抛光方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种化学机械抛光方法，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]随着集成电路的发展，一方面，在传统的IC行业中，为了提高集成度，降低能耗，缩短延迟时间，线宽越来越窄。另一方面，由于物理局限性，线宽不能无限缩小，半导体行业不再单纯地依赖在单一芯片上集成更多的器件来提高性能，而转向于多芯片封装。硅通孔(TSV)技术作为一种通过在芯片和芯片之间、晶圆与晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术而得到工业界的广泛认可。TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，夕卜形尺寸最小，大大改善芯片速度和低功耗的性能。
[0003]目前的TSV工艺是结合传统的IC工艺形成贯穿硅基底的铜穿孔，即在TSV开口中填充铜实现导通，填充后多余的铜和阻挡层也需要利用化学机械抛光去除达到平坦化。与传统IC工业不同，由于硅通孔很深，填充后的阻挡层通常有几千埃的厚度，而在介电层下面，通常有一个氮化硅停止层(如附图1所示)。
[0004]化学机械抛光需要将多余的铜、阻挡层和介电层去除并停在停止层上。为了快速去除这些铜和阻挡层，通常需要具有很高的铜，阻挡层和介电层的去除速率，同时氮化硅的去除速率要低，以便能很好地停在停止层上。通常阻挡层和介电层抛光使用同一种抛光液在一个抛光盘上完成，为了使阻挡层抛光能很好的停在停止层上，人们尝试在阻挡层抛光液中加入氮化硅抑制剂，但是氮化硅抑制剂通常也会抑制钽等阻挡层的去除速率，造成阻挡层去除速率较低，抛光时间加长，产能受到影响。为了解决这个问题，本发明采用以下抛光方法:在第一个抛光盘上去除铜，第二个抛光盘上去除钽阻挡层，第三个抛光盘上去除介电层并停在氮化硅上。其中，第一个抛光盘使用的是铜抛光液，第二个抛光盘使用阻挡层抛光液，第三个抛光盘上使用添加了氮化硅抑制剂的介电层抛光液。
[0005]发明专利US20090045164A1介绍了一种低介电材料抛光的“通用”阻挡层化学机械抛光液的抛光方法。该方法包括几个抛光步骤:首先用阻挡层抛光液去除阻挡层，在抛光覆盖层(Cap layer)时向抛光液中加入添加剂来降低低介电材料(low_k)的去除速率,改变了覆盖层与低介电材料(low-k)的选择比,从而使抛光停在低介电材料(low-k)上。
[0006]发明专利US20030008599A1介绍了一种化学机械抛光方法。该方法通过在抛光过程的不同阶段引入氧化剂和还原剂来改变铜抛光速率，降低抛光后铜的碟形凹陷。
[0007]发明专利US20100130101A1介绍了化学机械抛光方法，该方法通过用两条管路将不同的抛光液成分引入到抛光盘上，在线混合成抛光液用于抛光。通过调节不同成分的流量来调节抛光速率。
[0008]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。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种具有较高的阻挡层去除速率的同时能停止在氮化硅上的抛光方法。
[0010]本发明采用以下抛光方法:步骤A:在第一个抛光盘上去除铜，步骤B:在第二个抛光盘上去除钽阻挡层和部分介电层，步骤C:第三个抛光盘上去除介电层并停在氮化硅上。其中，第一个抛光盘使用的是铜抛光液，第二个抛光盘使用阻挡层抛光液，第三个抛光盘上使用添加了氮化硅抑制剂的介电层抛光液。
[0011]其中，步骤A中的铜抛光液，对铜的去除速率大于lOOOOA/min。
[0012]其中，步骤B中的阻挡层抛光液包含一种研磨颗粒和水。该研磨颗粒优选为二氧化硅溶胶。研磨颗粒的含量为5-10wt% (质量百分比)。阻挡层抛光液还包含缓蚀剂，络合剂和氧化剂。其PH值优选为2-4。
[0013]其中，步骤C中介电层抛光液还包含研磨颗粒和水。该研磨颗粒优选为二氧化硅溶胶。研磨颗粒的含量为15-40Wt%。
[0014]其中，氮化硅抑制剂的含量为0.1-0.5wt%。氮化硅抑制剂可以为萘磺酸盐类表面活性剂或磷酸酯类表面活性剂。优选为亚甲基二萘磺酸钠，甲基萘磺酸钠甲醛缩聚物，苄基萘磺酸甲醛缩聚物，烷基磷酸酯二乙醇胺盐和/或烷基磷酸酯三乙醇胺盐中的一种或多种。且烷基磷酸酯盐类表面活性剂的烷基碳原子数优选为8?12。
[0015]其中，介电层抛光液还包含缓蚀剂，络合剂和氧化剂。pH值优选为2-4。
[0016]本发明步骤B和C中所使用的抛光液中还可以包括硝酸、氢氧化钾、氨水等常用的PH调节剂，消泡剂和杀菌剂等本领域常用的助剂。
[0017]其中，步骤A中所使用的铜抛光液，可为市售可得的任意铜抛光液，例如安集市售TSV-A21，本领域技术人员可以很简单地理解，任何抛光液，仅需对铜的去除速率大于10000A/min，均可用于本发明的实施。
[0018]本发明的积极进步效果在于:与目前通用的抛光工艺流程(步骤A和B去除铜，步骤C去除阻挡层和介电层)，本发明的工艺流程(步骤A去除铜+步骤B去除阻挡层和部分介电层，步骤C去除介电层)优化了三个抛光步骤的抛光时间，使得三个抛光步骤的抛光时间更加匹配，三个步骤的最长抛光时间小于原有的最长抛光时间，产能得到提高，同时降低了阻挡层抛光液的含量，使得使用成本降低。介电层抛光后能停在氮化硅停止层上，能较好的控制抛光过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为对TSV图形晶圆进行抛光的工艺步骤。
【具体实施方式】
[0020]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。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
[0021]实施例[0022]对比实施例1
[0023]铜抛光液:安集市售TSV-A21铜抛光液
[0024]阻挡层抛光液:15被％二氧化硅，缓蚀剂为苯并三氮唑，络合剂为草酸，氮化硅抑制剂为0.lwt%亚甲基二萘磺酸钠，氧化剂为双氧水，水余量，pH = 3.01.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用TSV-A21铜抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm,抛光液流速为150ml/min,第一个抛光盘上下压力为3.0psi,第二个抛光盘上下压力为lpsi，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0025]2.在第三抛光盘上使用阻挡层抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad，下压力为
3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0026]对比实施例2
[0027]铜抛光液:安集市售TSV-A21铜抛光液；
[0028]阻挡层抛光液:15wt% 二氧化硅，缓蚀剂为苯并三氮唑，络合剂为草酸，氮化硅抑制剂为0.1w吼亚甲基二萘磺酸钠，氧化剂为双氧水，水余量，pH = 3.01.在第一个抛光盘上使用TSV-A21铜抛光液，抛光条件为:抛光盘为IC pad，下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0029]2.在第二个抛光盘上使用阻挡层抛光液，抛光条件为:抛光盘为IC pad，下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0030]3.在第三个抛光盘上使用同一种阻挡层抛光液，抛光条件同第二个步骤。
[0031]实施例1分步化学机械抛光法
[0032]铜抛光液:安集市售TSV-A21铜抛光液；
[0033]阻挡层抛光液:5wt% 二氧化硅，缓蚀剂为苯并三氮唑，络合剂为草酸，氧化剂为双氧水，水为余量，pH = 2.0 ；
[0034]介电层抛光液:15wt%二氧化硅，缓蚀剂为苯并三氮唑，络合剂为草酸，氮化硅抑制剂为0.lwt%亚甲基二萘磺酸钠，氧化剂为双氧水，水为余量，pH = 3.0
[0035]1.在第一个抛光盘上使用TSV-A21铜抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad,下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0036]2.在第二个抛光盘上使用阻挡层抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad，下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0037]3.在第三个抛光盘上使用介电层抛光液，抛光条件同第二个步骤。
[0038]实施例2分步化学机械抛光法
[0039]铜抛光液:安集市售TSV-A21铜抛光液
[0040]阻挡层抛光液:8wt%二氧化硅，缓蚀剂为甲基苯并三氮唑，络合剂为柠檬酸，氧化剂为双氧水，水为余量，PH = 3.0
[0041]介电层抛光液:25wt%二氧化硅，缓蚀剂为甲基苯并三氮唑，络合剂为柠檬酸，氮化硅抑制剂为0.3wt%甲基萘磺酸钠甲醛缩聚物，氧化剂为双氧水，水为余量，pH = 3.0[0042]1.在第一个抛光盘上使用TSV-A21铜抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad,下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=55/50rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0043]2.在第二个抛光盘上使用阻挡层抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad，下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=55/50rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0044]3.在第三个抛光盘上使用介电层抛光液，抛光条件同第二个步骤。
[0045]实施例3分步化学机械抛光法
[0046]铜抛光液:安集市售TSV-A21铜抛光液
[0047] 阻挡层抛光液:10% Wt 二氧化硅，缓蚀剂为I，2，4-三氮唑，络合剂为丙二酸，氧化剂为双氧水，水为余量，PH = 4.0
[0048]介电层抛光液:30被％二氧化硅，缓蚀剂为I，2，4-三氮唑，络合剂为丙二酸，氮化硅抑制剂为0.5wt%苄基萘磺酸甲醛缩聚物，氧化剂为双氧水，水为余量，pH = 4
[0049]1.在第一个抛光盘上使用TSV-A21铜抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad,下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头=115/110rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0050]2.在第二个抛光盘上使用阻挡层抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad，下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头=115/110rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0051]3.在第三个抛光盘上使用介电层抛光液，抛光条件同第二个步骤。
[0052]实施例4分步化学机械抛光法
[0053]铜抛光液:安集市售TSV-A21铜抛光液
[0054]阻挡层抛光液:10wt%二氧化硅，缓蚀剂为苯并三氮唑，络合剂为草酸，氧化剂为双氧水，水为余量，pH = 2.0
[0055]介电层抛光液:40Wt% 二氧化硅，缓蚀剂为苯并三氮唑，络合剂为草酸，氮化硅抑制剂为0.lwt%八烷基磷酸酯二乙醇胺盐，氧化剂为双氧水，水为余量，pH = 2.0
[0056]1.在第一个抛光盘上使用TSV-A21铜抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad,下压力为1.0?^，转速为抛光盘/抛光头=120/115rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0057]2.在第二个抛光盘上使用阻挡层抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad，下压力为1.0?^，转速为抛光盘/抛光头=120/115rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0058]3.在第三个抛光盘上使用介电层抛光液，抛光条件同第二个步骤。
[0059]实施例5分步化学机械抛光法
[0060]铜抛光液:安集市售TSV-A21铜抛光液
[0061]阻挡层抛光液:10wt%二氧化硅，缓蚀剂为苯并三氮唑，络合剂为丙二酸，氧化剂为双氧水，水为余量，pH = 3.0
[0062]介电层抛光液:20Wt% 二氧化硅，缓蚀剂为苯并三氮唑，络合剂为丙二酸，氮化硅抑制剂为0.2wt%十二烷基磷酸酯二乙醇胺盐，氧化剂为双氧水，水为余量，pH = 2.0[0063]1.在第一个抛光盘上使用TSV-A21铜抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad,下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0064]2.在第二个抛光盘上使用阻挡层抛光液，抛光条件为:抛光垫为IC pad，下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头=93/87rpm，抛光液流速为150ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
[0065]3.在第三个抛光盘上使用介电层抛光液，抛光条件同第二个步骤。
[0066]效果实施例1
[0067]采用对比实施例和本发明的实施例1~5的抛光方法进行抛光，抛光结果如下表所示。TSV图形晶片的铜覆盖层约为50000埃，阻挡层约为1000埃，介电层约为5000埃。
[0068]表1本发明的实施例1-5与对比实施例的抛光效果比较
[0069]
【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:用阻挡层抛光液去除钽阻挡层和部分介电层并对表面进行平坦化， 步骤C:用介电层化学机械抛光液去除介电层并停留在氮化硅层。
2.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，对铜的去除速率大于10000A/min。
3.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤C中的介电层抛光液中含有氮化娃抑制剂。
4.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤A所用的下压力为1.0-3.0psi，转速为 50-120rpm。
5.如如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤B所用的下压力为1.0-3.0psi，转速为 50-120rpm。
6.如如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤C所用的下压力为1.0-3.0psi，转速为 50-120rpm。
7.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤B中的阻挡层抛光液包含一种研磨颗粒和水。
8.如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于，所述的研磨颗粒为二氧化硅溶胶。
9.如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于，所述的研磨颗粒的含量为5-10wt%。
10.如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于，所述阻挡层抛光液还包含缓蚀剂，络合剂和氧化剂。
11.如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于，阻挡层抛光液的pH值为2-4。
12.如权利要求3所述的工艺方法，其特征在于，所述介电层抛光液包含一种研磨颗粒和水。
13.如权利要求12所述的工艺方法，其特征在于，所述研磨颗粒为二氧化硅溶胶。
14.如权利要求12所述的工艺方法，其特征在于，所述研磨颗粒的含量为15-40wt%。
15.如权利要求3或12所述的工艺方法，其特征在于，所述氮化硅抑制剂为萘磺酸盐类表面活性剂或磷酸酯类表面活性剂。
16.如权利要求15所述的工艺方法，其特征在于，所述氮化硅抑制剂为亚甲基二萘磺酸钠，甲基萘磺酸钠甲醛缩聚物，苄基萘磺酸甲醛缩聚物，烷基磷酸酯二乙醇胺盐和/或烷基磷酸酯三乙醇胺盐中的一种或多种。
17.如权利要求15所述的工艺方法，其特征在于，所述烷基磷酸酯盐类表面活性剂的烷基碳原子数选自8~12。
18.如权利要求3或12所述的工艺方法，其特征在于，所述氮化硅抑制剂的含量为0.1—0.5wt % ο
19.如权利要求3或12所述的工艺方法，其特征在于，所述介电层抛光液还包含缓蚀剂，络合剂和氧化剂。
20.如权利要求3或1 2所述的工艺方法，其特征在于，所述介电层抛光液pH值为2-4。
【文档编号】C09G1/02GK103894918SQ201210585149
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年12月28日
【发明者】荆建芬, 姚颖, 王雨春, 王文龙 申请人:安集微电子（上海）有限公司