CN108257863A - 一种化学机械抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学机械抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：在第一抛光盘上抛光金属铜；步骤B：在第二抛光盘上再次抛光剩余的铜，并停在钽阻挡层上，实现平坦化；步骤C：在第三抛光盘上抛光阻挡层和介电层，并停在氮化硅层上。其中，步骤A和步骤B中使用铜抛光液，步骤C中使用阻挡层抛光液。且，所述阻挡层抛光液中包含研磨颗粒、氨基硅烷试剂和水。本发明使用高选择比的阻挡层抛光液，能很好的停止在氮化硅层上，很好的控制芯片表面形貌，抑制金属腐蚀和表面缺陷；在CMP过程中可以严格控制基材表面污染物，且杜绝金属腐蚀，具有好的表面形貌和抛光均一性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺领域，尤其涉及一种半导体器件的化学机械抛光方法。
背景技术
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。晶圆的三维集成是在保持现有技术节点的同时提高芯片性能的解决方案，这种技术将两个或者多个功能相同或者不同的芯片通过键合集成在一起，这种集成在保持芯片体积的同时提高了芯片的性能；同时缩短了功能芯片之间的金属互连，使得发热、功耗、延迟大幅度减少；并大幅度提高了功能模块之间的带宽，从而在保持现有技术节点的同时提高了芯片的性能。
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氮化硅上。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。而且在CMP过程中不仅要严格控制表面污染物以及杜绝金属腐蚀，还要具有好的表面形貌和抛光均一性才能保证更加可靠的电性能。传统的阻挡层抛光液具有较高的氮化硅的去除速率，抛光后不能很好的停在氮化硅层上，造成芯片表面不均匀。
发明内容
为了解决这个问题，本发明采用以下抛光方法：在第一和第二抛光盘上去除铜覆盖层，第三个抛光盘上去除阻挡层和介电层并停在氮化硅上。其中，第一和第二抛光盘上使用的是铜抛光液，第三抛光盘上使用高选择比的阻挡层抛光液，能很好的停止在氮化硅层上，很好的控制芯片表面形貌，抑制金属腐蚀和表面缺陷。
具体地，本发明提供一种化学机械抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：在第一抛光盘上抛光金属铜，
步骤B：在第二抛光盘上再次抛光剩余的铜，并停在钽阻挡层上，实现平坦化；
步骤C：在第三抛光盘上抛光阻挡层和介电层，并停在氮化硅层上。
其中，步骤A和步骤B中使用的是铜抛光液，步骤C中使用的是阻挡抛光液。
其中，步骤A和/或B中所使用的铜抛光液，要求抛光后芯片的碟形凹陷小于500埃
其中，步骤C中所使用的阻挡层抛光液，具有高的二氧化硅/氮化硅去除速率选择比，即具有高的二氧化硅抛光速率和低的氮化硅抛光速率。
其中，所述阻挡层抛光液包含研磨颗粒，氨基硅烷试剂和水。
其中，所述研磨颗粒优选为二氧化硅溶胶，研磨颗粒的质量百分比浓度为1-20％。
其中，所述氨基硅烷试剂选自氨乙基甲基二乙氧基硅烷、氨乙基甲基二甲氧基硅烷、氨乙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基甲基二乙氧基硅烷、氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨丙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。氨基硅烷类化合物的质量百分比浓度为0.01～0.2％。
其中，所述阻挡层抛光液还包含缓蚀剂、络合剂、氧化剂，以及消泡剂和杀菌剂等的助剂。
其中，所述阻挡层抛光液还包含硝酸、氢氧化钾、氨水等常用的pH调节剂，所述阻挡层抛光液的pH值为4-6。
与现有技术相比较，本发明的优势在于：本发明使用高选择比的阻挡层抛光液，能很好的停止在氮化硅层上，很好的控制芯片表面形貌，抑制金属腐蚀和表面缺陷；在化学机械抛光过程中可以严格控制基材表面污染物，且杜绝金属腐蚀，具有好的表面形貌和抛光均一性。
具体实施方式
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。
对比实施例1
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液：市售阻挡层抛光液A，该抛光液具有高氮化硅去除速率，低二氧化硅对氮化硅的去除速率选择比。
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用市售的阻挡层抛光液。抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定。
对比实施例2
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液：市售阻挡层抛光液A，该抛光液具有高氮化硅去除速率，低二氧化硅对氮化硅的去除速率选择比。
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用市售的阻挡层抛光液A。抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间在对比实施例1的基础上过抛20秒。
对比实施例3
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液：市售阻挡层抛光液B，该抛光液具有低二氧化硅和氮化硅去除速率。
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用市售阻挡层抛光液B，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定。
实施例1
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液1：1wt％二氧化硅，0.2wt％氨乙基甲基二乙氧基硅烷，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＝5.0；
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用本发明的阻挡层抛光1，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定。
实施例2
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液2：5wt％二氧化硅，0.1wt％氨乙基甲基二甲氧基硅烷，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＝5.0；
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用阻挡层抛光液2，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定。
实施例3
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液3：10wt％二氧化硅，0.02wt％氨乙基二甲基甲氧基硅烷，缓蚀剂为1，2，4-三氮唑，络合剂为丙二酸，氧化剂为双氧水，水为余量，pH＝4.0；
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用阻挡层抛光液3，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定。
实施例4
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液4：15wt％二氧化硅，0.05wt％氨丙基甲基二乙氧基硅烷，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＝5.0；
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用阻挡层抛光液4，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定。
实施例5
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液5：20wt％二氧化硅，0.01wt％氨丙基甲基二甲氧基硅烷，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＝6.0；
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用阻挡层抛光液5，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定
实施例6
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液6：5wt％二氧化硅，0.08wt％氨丙基二甲基甲氧基硅烷，缓蚀剂为1，2，4-三氮唑，络合剂为柠檬酸，氧化剂为双氧水，水为余量，pH＝5.0；
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用阻挡层抛光液6，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定。
实施例7
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液7：5wt％二氧化硅，0.1wt％氨丙基三甲氧基硅烷，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＝5.0；
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用阻挡层抛光液7，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间根据抛光液在钽和二氧化硅空片上的去除速率来决定。
实施例8
铜抛光液：市售铜抛光液
阻挡层抛光液7：5wt％二氧化硅，0.1wt％氨丙基三甲氧基硅烷，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＝5.0；
1.在第一个抛光盘和第二个抛光盘上使用市售铜抛光液，抛光条件为：抛光垫为IC pad，第一个抛光盘上下压力为2.0psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，第二个抛光盘上下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝73/67rpm，抛光液流速为300ml/min，，抛光时间通过终点控制系统来控制。
2.在第三抛光盘上使用阻挡层抛光液7，抛光条件为：抛光垫为IC pad,下压力为1.5psi，转速为抛光盘/抛光头＝93/87rpm，抛光液流速为300ml/min，抛光时间在实施例7的基础上过抛20秒。
效果实施例
采用对比实施例和本发明的实施例1～7的抛光方法进行抛光，抛光结果如下表所示。图形晶片的铜覆盖层约为5000埃阻挡层约为250埃介电层约为600埃氮化硅层约为800埃
其中，上文中所述Dishing，是指阻挡层抛光前在金属块上的碟型凹陷(埃)，Erosion是指阻挡层在铜线密集区域(50％铜/50％介电层)上的侵蚀(埃)。
由对比实施例1和2可见，对比阻挡层抛光液A的氮化硅由于去除速率高，导致抛光后，图形晶片上剩余的氮化硅层偏薄，造成侵蚀(Erosion)偏大，过抛20秒后剩余氮化硅厚度大大减少，过抛窗口窄，抛光过程难以控制。而对比实施例3所用的阻挡层抛光液B虽然氮化硅的去除速率低，抛光后的图形晶片上的氮化硅去除不多，而且有较好的形貌，但抛光时间过长，降低了产能。通过本发明提供的在第三步抛光时使用二氧化硅(TEOS)去除速率高，氮化硅(Si3N4)去除速率低的高选择比的阻挡层抛光液，既能保证第三步抛光具有很高的介电层的去除速率，降低了抛光时间，提高了产能，又能保证在第三步抛光时很好地停在氮化硅停止层上，保证了较好的晶片形貌。由实施例7和8可见，过抛20秒后剩余氮化硅厚度变化较少，过抛窗口宽，有利于抛光过程的控制和产品的稳定性
应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种化学机械抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：在第一抛光盘上抛光金属铜，
步骤B：在第二抛光盘上再次抛光剩余的铜，并停在钽阻挡层上，实现平坦化；
步骤C：在第三抛光盘上抛光阻挡层和介电层，并停在氮化硅层上。
其中，步骤A和步骤B中使用铜抛光液，步骤C中使用阻挡层抛光液。且，所述阻挡层抛光液中包含研磨颗粒、氨基硅烷试剂和水。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述研磨颗粒为二氧化硅溶胶。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述研磨颗粒的质量百分比浓度为1-20％。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述氨基硅烷试剂选自氨乙基甲基二乙氧基硅烷、氨乙基甲基二甲氧基硅烷、氨乙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基甲基二乙氧基硅烷、氨丙基甲基二甲氧基硅烷、氨丙基二甲基甲氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述氨基硅烷类化合物的质量百分比浓度为0.01～0.2％。
6.如权利要求1任一所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述阻挡层抛光液中还包含缓蚀剂，络合剂和氧化剂。
7.如权利要求1-6任一所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述阻挡层抛光液的pH值为4-6。
8.一种如权利要求1-7所述的化学机械抛光方法在抛光阻挡层上的应用。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201611231249.9A CN108257863A (zh) | 2016-12-28 | 2016-12-28 | 一种化学机械抛光方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201611231249.9A CN108257863A (zh) | 2016-12-28 | 2016-12-28 | 一种化学机械抛光方法 |
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| CN201611231249.9A Pending CN108257863A (zh) | 2016-12-28 | 2016-12-28 | 一种化学机械抛光方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113327852A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-31 | 上海芯物科技有限公司 | 一种晶圆表面的化学机械研磨方法 |
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2016
- 2016-12-28 CN CN201611231249.9A patent/CN108257863A/zh active Pending
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