CN103834306B - 一种用于硅通孔平坦化的化学机械抛光液 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种适用于硅通孔平坦化的化学机械抛光液，含有一种磨料，一种唑类化合物，一种络合剂，一种阴离子表面活性剂，一种胍和一种氧化剂。该抛光液具有较高的二氧化硅去除速率，和较低的氮化硅去除速率，能够对硅通孔阻挡层进行高效的平坦化，同时不产生金属腐蚀，且对金属铜的去除速率可线性调节，具有较高的缺陷校正能力和较低的表面污染物指标。

Description

一种用于硅通孔平坦化的化学机械抛光液
技术领域
本发明涉及一种化学机械抛光液，更具体地说，涉及一种用于硅通孔平坦化的化学机械抛光液。
背景技术
随着CMOS工艺开发的发展，器件的特征尺寸逐渐缩小，电路密度变的更加复杂，由此带来的设计和制造变得愈加困难，互连过程中的信号拥堵进一步加剧，小型化和超高集成越加逼近其物理极限，为了延续摩尔定律，解决铜互连的延迟问题，满足性能，频宽和功耗的要求，3D IC集成技术逐渐发展起来。
即在垂直方向将芯片叠层，穿过有源电路直接实现高效互连，由于大大缩短了互联线的长度，不仅提高了电路性能，还进一步降低了功耗。如图1A-C所示硅通孔（TSV）技术主要分为几个步骤1：快速刻蚀形成通孔。2：通孔填注的过程包括氧化层的淀积、金属粘附层/阻挡层/种子层、ECP金属铜。3：采用化学机械抛光工艺去除金属铜。实现平坦化，形现金属导通。TSV制程的集成方式非常多，但都面临一个共同的难题，即TSV制作都需要打通不同材料层，包括硅材料、IC中各种绝缘或导电的薄膜层。例如金属铜，阻挡层金属钽，二氧化硅绝缘层以及氮化硅停止层等，各种膜层的厚度也比较高，为了提高三维集成技术的经济性，就需要在化学机械抛光过程中具有较高的去除速率和合适的抛光选择比，才能实现对前程缺陷的最大矫正，并停止在氮化硅层，同时不能产生金属的腐蚀和缺陷，表面颗粒物控制在工艺要求的范围。这对硅通孔阻挡层的CMP工艺提出了更高的要求。目前针对TSV技术的专用化学机械抛光液研究非常活跃，但至今还没有商业化的产品报道，尤其是TSV阻挡层的抛光液。
现有技术中，如专利CN 101302405B，其是用于IC制程的一种碱性阻挡层抛光液，该抛光液采用甲脒，甲脒衍生物，甲脒盐，胍，胍衍生物，胍盐以及它们的混合物作为阻挡层去除剂。
发明内容
本发明解决的技术问题是满足了硅通孔平坦化过程中二氧化硅对氮化硅的去除速率选择比较高的工艺要求，并对前程的缺陷值具有较好的矫正作用，且防止了金属抛光过程中产生的腐蚀，抛光后晶圆表面缺陷和污染物少。
本发明的一种用于硅通孔（TSV）平坦化的化学机械抛光液，其包含：
a：一种磨料；
b：一种唑类化合物；
c：一种络合剂；
d：一种阴离子表面活性剂；
e：一种胍；以及
f：一种氧化剂。
在本发明中，所述的研磨颗粒为二氧化硅溶胶。
在本发明中，所述的研磨颗粒的粒径为20-200nm。优选地，所述的研磨颗粒的粒径为40-120nm。
在本发明中，所述的研磨颗粒的浓度为10-50wt％。优选地，所述的研磨颗粒的浓度为10-30wt％。
在本发明中，所述的唑类化合物选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑，1，2，4-三氮唑，3-氨基-1，2，4-三氮唑，4-氨基-1，2，4-三氮唑和5-甲基-四氮唑中的一种或多种。
在本发明中，所述的唑类化合物浓度为0.01-0.5wt％。优选地，所述的唑类化合物浓度为0.05-0.2wt％。
在本发明中，所述的络合剂选自草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、2-膦酸丁烷基-1，2，4-三羧酸、羟基亚乙基二磷酸、乙二胺四亚甲基膦酸和氨基三亚甲基磷酸中的一种或多种。
在本发明中，所述的络合剂的浓度为0.01－1wt％。优选地，所述的络合剂的浓度为0.05-0.5wt％。
在本发明中，所述的阴离子表面活性剂为烷基磷酸酯盐表面活性剂。优选地，所述的烷基磷酸酯盐表面活性剂选自烷基磷酸酯铵盐，烷基磷酸酯钾盐，烷基磷酸酯二乙醇胺盐和烷基磷酸酯三乙醇胺盐中的一种或多种。优选地，所述烷基磷酸酯盐的烷基碳原子数选自8～18。
在本发明中，所述的烷基磷酸酯盐的浓度为50-5000ppm。
在本发明中，所述的胍选自硝酸胍，硫酸胍，磷酸胍，碳酸胍，盐酸胍，盐酸二甲双胍和盐酸吗啉胍中的一种或多种。
在本发明中，所述的胍的浓度为0.05-1wt％。优选地，所述的胍的浓度为0.1-0.5wt％。
在本发明中，所述的氧化剂为过氧化氢，过氧化钾，过硫酸钾和/或过硫酸铵。
在本发明中，所述的氧化剂的浓度为0.05-0.5wt％。
在本发明中，所述的抛光液还包含添加剂。优选地，所述添加剂为有机溶剂和/或杀菌防霉变剂，更优选地，所述有机溶剂为甘油，所述杀菌防霉变剂为季铵盐活性剂，其中，所述季铵盐活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵。
在本发明中，所述的抛光液的PH值为1－5。优选地，所述的抛光液的PH值为2－3。
烷基磷酸酯盐在硅通孔的抛光中可抑制氮化硅和钽的抛光速率。
胍类化合物在抛光中可减少烷基磷酸酯盐对Ta抑制效果。
本发明的技术效果在于：
1.本发明的抛光液具有较高的二氧化硅和钽的去除速率以及较低的氮化硅去除速率，获得较高的二氧化硅对氮化硅的去除速率选择比；
2.金属铜的抛光速率可根据氧化剂的浓度进行调整，并具有合适的敏感度；
3.本发明的抛光液具有较高的缺陷校正能力（碟型凹陷Dishing），同时不产生金属腐蚀，提高产品良率；
4.采用本发明的抛光液抛光后，晶圆具有完好的表面形貌和较低的表面污染物残留。
附图说明
图1A-1C为TSV硅通孔阻挡层抛光前后的抛面示意图。
具体实施方式
本发明所用试剂及原料均市售可得。本发明的抛光液由上述成分简单均匀混合即可制得。
下面通过具体实施方式来进一步阐述本发明的优势。本发明包括但不限于下述实施例的配方。
表1给出了对比抛光液和本发明的抛光液1～10的配方，按表中配方，将各成分简单均匀混合，余量为水，之后采用氢氧化钾、氨水和硝酸调节至合适PH值，即可制得各实施例抛光液。
表1 对比抛光液和本发明的抛光液1～10
效果实施例1
采用对比抛光液和本发明的抛光液1～10按照下述条件对铜(Cu)、钽（Ta）、二氧化硅（TEOS）、氮化硅（Si3N4）和图形晶圆进行抛光。抛光条件：抛光垫为IC pad，下压力为3.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝70/90rpm，抛光液流速为100ml/min，抛光时间为1min。
表2 对比例和本发明实施例对铜(Cu)、钽（Ta）、二氧化硅（TEOS）和氮化硅（Si3N4）的去除速率。
SER：静态腐蚀速率（埃/分）Pre DSH：阻挡层抛光前的在金属垫上的蝶形凹陷（埃），
Pos DSH：抛光后金属垫上的蝶形凹陷（埃），Def.：表面污染物颗粒总数（颗/片）。
结果如表2所示：本发明的抛光液和对比抛光液相比，具有较高的钽和二氧化硅的去除速率，添加一定量的烷基磷酸酯盐阴离子表面活性剂后，氮化硅的去除速率得到有效的抑制而不影响氧化硅的去除。但烷基磷酸酯盐表面活性剂的加入降低了钽的去除速率，因而加入胍后改变了磷酸酯盐表面活性剂对钽去除速率的抑制作用，且不影响氮化硅的去除速率。且由抛光液1～3对铜的抛光结果可以看出，金属铜的去除速率可根据氧化剂的浓度进行调整，并具有合适的敏感度。
本发明的抛光液和对比抛光液相比，铜的静态腐蚀速率较低，显示了较好的抗腐蚀性能，且抛光后能较好的修正前程在晶圆上产生的碟形凹陷，无颗粒物和有机物质残留等污染物，获得了较好的晶圆形貌。
应当理解的是，本发明所述wt％均指的是质量百分含量。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (24)

1.一种用于硅通孔(TSV)平坦化的化学机械抛光液，其包含：
a：一种磨料；
b：一种唑类化合物；
c：一种络合剂；
d：一种阴离子表面活性剂；
e：一种胍；以及
f：一种氧化剂
其中，所述的阴离子表面活性剂为烷基磷酸酯盐表面活性剂，所述的胍选自硝酸胍，硫酸胍，磷酸胍，碳酸胍，盐酸胍，盐酸二甲双胍和盐酸吗啉胍中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒为二氧化硅溶胶。
3.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒的粒径为20-200nm。
4.根据权利要求3所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒的粒径为40-120nm。
5.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒的浓度为10-50wt％。
6.根据权利要求5所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的研磨颗粒的浓度为10-30wt％。
7.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的唑类化合物选自苯并三氮唑、甲基苯并三氮唑，1，2，4-三氮唑，3-氨基-1，2，4-三氮唑，4-氨基-1，2，4-三氮唑和5-甲基-四氮唑中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的唑类化合物浓度为0.01-0.5wt％。
9.根据权利要求8所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的唑类化合物浓度为0.05-0.2wt％。
10.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的络合剂选自草酸、丙二酸、丁二酸、柠檬酸、2-膦酸丁烷基-1，2，4-三羧酸、羟基亚乙基二磷酸、乙二胺四亚甲基膦酸和氨基三亚甲基磷酸中的一种或多种。
11.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的络合剂的浓度为0.01－1wt％。
12.根据权利要求11所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的络合剂的浓度为0.05-0.5wt％。
13.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的烷基磷酸酯盐表面活性剂选自烷基磷酸酯铵盐，烷基磷酸酯钾盐，烷基磷酸酯二乙醇胺盐和烷基磷酸酯三乙醇胺盐中的一种或多种。
14.根据权利要求13所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述烷基磷酸酯盐的烷基碳原子数选自8～18。
15.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的烷基磷酸酯盐的浓度为50-5000ppm。
16.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的胍的浓度为0.05-1wt％。
17.根据权利要求16所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的胍的浓度为0.1-0.5wt％。
18.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的氧化剂为过氧化氢，过氧化钾，过硫酸钾和/或过硫酸铵。
19.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的氧化剂的浓度为0.05-0.5wt％。
20.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的抛光液还包含添加剂。
21.根据权利要求20所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述添加剂为有机溶剂和/或杀菌防霉变剂。
22.根据权利要求21所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述有机溶剂为甘油，所述杀菌防霉变剂为季铵盐活性剂，其中，所述季铵盐活性剂为十二烷基二甲基苄基氯化铵。
23.根据权利要求1所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的抛光液的PH值为1－5。
24.根据权利要求23所述的化学机械抛光液，其特征在于：所述的抛光液的PH值为2－3。
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