CN102101980B - 一种化学机械抛光液 - Google Patents

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    • H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]

Abstract

本发明公开了一种化学机械抛光液，其含有研磨颗粒，氧化剂，多羟基化合物，有机碱和水。本发明的化学机械抛光液显著提高了在碱性条件下的铜的抛光速度，使得在碱性抛光条件下，硅和铜的抛光速度同时被显著地提高。

Description

一种化学机械抛光液
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光液，具体涉及一种含有研磨颗粒，氧化剂，多羟基化合物，有机碱和水的化学机械抛光液。
背景技术
TSV技术(Through-Silicon-Via)是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV优势在于能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，缩短了互连从而改善芯片速度和低功耗的性能。
TSV技术中晶背减薄技术(backsidethinning)需要抛光时，对硅和铜两种材料同时具有非常高的抛光速度。
对硅的抛光通常都在碱性条件下进行，可以获得较高的抛光速度。例如：
US2002032987公开了一种用醇胺作为添加剂的抛光液，以提高多晶硅(Polysilicon)的去除速率(removalrate)，其中添加剂优选2-(二甲氨基)-2-甲基-1-丙醇。
US2002151252公开了一种含具有多个羧酸结构的络合剂的抛光液，用于提高多晶硅去除速率，其中优选的络合剂是EDTA(乙二胺四乙酸)和DTPA(二乙基三胺五乙酸)。
EP1072662公开了一种含孤对电子和双键产生离域结构的有机物的抛光液，以提高多晶硅(Polysilicon)的去除速率(removalrate)，优选化合物是胍类的化合物及其盐。
US2006014390公开了一种用于提高多晶硅的去除速率的抛光液，其包含重量百分比为4.25％～18.5％研磨剂和重量百分比为0.05％～1.5％的添加剂。其中添加剂主要选自季铵盐、季胺碱和乙醇胺等有机碱。此外，该抛光液还包含非离子型表面活性剂，例如乙二醇或丙二醇的均聚或共聚产物。
CN101497765A通过利用双胍和唑类物质的协同作用，显著提高了硅的抛光速度。
对铜的抛光通常都在酸性条件下进行，利用氧化剂(双氧水)在酸性条件下的高氧化电势，以及铜在酸性条件下易配位、溶解，实现高的抛光速度。例如：
CN1705725A公开一种抛光铜金属表面的抛光液，该抛光液处在2.5至4.0之间，在氧化剂(双氧水等)、螯合剂和钝化剂的作用下，去除铜金属的表面。
CN1787895A公开了一种CMP组合物，其包含流体剂以及氧化剂、鳌合剂、抑制剂、研磨剂和溶剂。在酸性条件下，这种CMP组合物有利地增加在CMP方法中的材料选择性，可用于抛光半导体衬底上铜元件的表面，而不会在抛光的铜内产生凹陷或其他不利的平坦化缺陷。
CN01818940A公开了一种铜抛光浆料可通过进一步与氧化剂如过氧化氢，和/或腐蚀抑制剂如苯并三唑相组合而形成，提高了铜的移除速率。在获得这较高的抛光速率的同时维持了局部PH的稳定性，并显著减少了整体和局部腐蚀。
对铜的抛光有时也会在碱性条件下进行，例如：
CN1644640A公开一种在碱性条件下用于抛光铜的水性组合物，该组合物包含重量百分比为0.001％至6％的非铁金属抑制剂，重量百分比为0.05％至10％该金属的配位剂，重量百分比为0.01％至25％用于加速铜的去除的铜去除剂，重量百分比为0.5％至40％的研磨剂等，通过铜去除剂咪唑和BTA的相互作用，提高了铜的去除速率。
CN1398938A中公开一种超大规模集成电路多层铜布线用化学机械全局平面化抛光液，用于提高铜的去除速率，抛光液的组成成分如下：磨料的重量百分比18％至50％，螯合剂的重量百分比0.1％至10％，络合剂的重量百分比0.005％至25％，活性剂的重量百分比0.1％至10％，氧化剂的重量百分比1％至20％，和去离子水。
在现有技术中，在酸性条件下抛光，虽然可以获得很高的铜抛光速度，但是对硅的抛光速度通常较低。原因是在酸性条件下，硅的抛光速度普遍低于在碱性条件下的抛光速度，另外，如果在酸性条件下加入氧化剂，氧化剂将单质硅的表面氧化成二氧化硅，与硅相比，二氧化硅更难去除。
在碱性条件下抛光，如果不加氧化剂，虽然可以获得很高的硅抛光速度，但是对铜的抛光速度通常较低。原因是铜需要氧化后才易被去除。但是，如果加了氧化剂，和在酸性条件下类似，氧化剂会将单质硅的表面氧化成二氧化硅，更难去除。除此之外，在碱性条件下，双氧水等氧化剂很不稳定，会迅速分解失效。
本发明特定的氧化剂和多羟基化合物，在提高硅的抛光速度的同时，又显著提高了在碱性抛光环境下的铜的抛光速度。
发明内容
本发明解决的技术问题是通过加入特定的氧化剂和多羟基化合物显著提高了在碱性条件下的铜的抛光速度，使得在碱性抛光条件下，硅和铜的抛光速度能“同时”显著提高的问题。
本发明的化学机械抛光液，含有研磨颗粒，氧化剂，多羟基化合物，有机碱和水。
本发明中，所述的研磨颗粒选自SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2和/或Si3N4中的一种或多种。较佳地为SiO2。
本发明中，所述的研磨颗粒的质量百分含量为2～25％，较佳地为5～15％。
本发明中，所述的氧化剂选自高氯酸盐、硝酸盐、碘酸盐、单过硫酸盐和/或3-硝基苯磺酸盐中的一种或多种。所述的碘酸盐为钾盐，所述的硝酸盐为硝酸铵盐和/或钾盐。
本发明中，所述的氧化剂的质量百分含量为1～3％。
本发明中，所述的多羟基化合物为糖类。所述的糖类为葡萄糖和/或乳糖，所述的有机碱为有机胺和/或季铵碱，所述的有机胺为乙二胺和/或哌嗪，所述的季铵碱为四甲基氢氧化铵。
本发明中，所述的有机碱的质量百分含量为1～10％。
本发明中，含有pH调节剂。本发明的化学机械抛光液的pH值为10.0～12.0。
本发明的积极进步效果在于：显著提高了在碱性条件下的铜的抛光速度，使得在碱性抛光条件下，硅和铜的抛光速度同时被显著地提高。
具体实施方式
制备实施例
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。下述实施例中，百分比均为质量百分比。
表1给出了本发明的化学机械抛光液实施例1～25及对比例1～3的配方，按表1中所列组分及其含量，在去离子水中混合均匀，用pH调节剂调到所需pH值，即可制得化学机械抛光液。
表1本发明的化学机械抛光液制备实施例1～25及对比例1～3
效果实施例
抛光条件：抛光机台为Logitech(英国)1PM52型，polytex抛光垫，4cm×4cm正方形晶圆(Wafer)，研磨压力3psi，研磨台转速70转/分钟，研磨头自转转速150转/分钟，抛光液滴加速度100ml/分钟。
表2实施例1～6以及对比例1～3的效果实施例
从对比例1-3的数据中可以发现，在只有研磨剂存在的情况下，铜和硅的去除速率都很低。
从实施例1-2和对比例1的数据中可以发现，在研磨剂浓度相同的情况下，加入我们特定的氧化剂和多羟基化合物后，铜和硅的去除速率有明显的提高。
从实施例3-5和对比例2的数据中可以发现，在研磨剂浓度相同的情况下，加入我们特定的氧化剂和多羟基化合物后，铜和硅的去除速率有明显的提高。
从实施例6-11和对比例3的数据中可以发现，在研磨剂浓度相同的情况下，加入我们特定的氧化剂和多羟基化合物后，铜和硅的去除速率有明显的提高。
从实施例7和实施例12的数据中可以发现，在氧化剂和多羟基化合物不变的情况下，通过只改变研磨剂的浓度后发现，提高研磨剂的浓度对铜和硅的去除速率没有明显的提高，说明实施例7的条件优于实施例12。
从实施例10和11的数据中可以发现，多羟基化合物的存在能提高铜的去除速率。
从实施例6和实施例9的数据中可以发现，提高氧化剂的量，铜和硅的去除速率都有明显的提高。

Claims (8)

1.一种化学机械抛光液，含有研磨颗粒，氧化剂，多羟基化合物，有机碱和水，其中所述的多羟基化合物为糖类，所述的糖类为葡萄糖和/或乳糖，所述的氧化剂选自高氯酸盐、硝酸盐、碘酸盐、单过硫酸盐和/或3-硝基苯磺酸盐中的一种或多种，所述的氧化剂的质量百分含量为1～3％，所述的研磨颗粒的质量百分含量为2～25％，所述的有机碱的质量百分含量为1～10％，且所述的化学机械抛光液，pH值为10.0～12.0。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，所述的研磨颗粒选自SiO2、Al2O3、ZrO2、CeO2、SiC、Fe2O3、TiO2和/或Si3N4中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，所述的碘酸盐为钾盐。
4.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，所述的硝酸盐为硝酸铵盐和/或钾盐。
5.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，所述的有机碱为有机胺和/或季铵碱。
6.根据权利要求5所述的化学机械抛光液，所述的有机胺为乙二胺和/或哌嗪。
7.根据权利要求5所述的化学机械抛光液，所述的季铵碱为四甲基氢氧化铵。
8.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，含有pH调节剂。
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