KR101100951B1 - 스택 장치의 제작에서 베이스 웨이퍼 관통 비아를 형성시키는 방법 - Google Patents

스택 장치의 제작에서 베이스 웨이퍼 관통 비아를 형성시키는 방법 Download PDF

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Abstract

스택(stacked) 장치의 제작에서 베이스 웨이퍼 관통 비아(through-base wafer vias)를 형성시키는 효과적인 방법이 기술된다. 상기 베이스 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼일 수 있고, 어느 경우든 상기 방법은 TSV(실리콘 관통 비아) 기술에 관한 것이다. 상기 방법은 적합한 조건 하에서 실리콘과 금속(예를 들어, 구리) 둘 모두의 높은 제거율을 허용하며, 금속에 대한 베이스 웨이퍼 물질의 선택도에 있어서 조절가능하다.

Description

스택 장치의 제작에서 베이스 웨이퍼 관통 비아를 형성시키는 방법{METHOD FOR FORMING THROUGH-BASE WAFER VIAS IN FABRICATION OF STACKED DEVICES}
본 발명은 작업중인 베이스 웨이퍼를 스택 장치로 조립시키기 전에 이 베이스 웨이퍼의 후면을 박막화시키기 위한 베이스 웨이퍼 관통 기술 분야에 관한 것이다. 베이스 웨이퍼 관통 기술의 구체적인 예로는, 베이스 웨이퍼(들)가 실리콘 웨이퍼인 경우가 있으며, 어느 경우에서든지 이러한 기술은 실리콘 관통 비아(TSV) 기술로 칭해진다.
본 발명은 베이스 웨이퍼 물질(예를 들어, 실리콘) 및 금속 둘 모두가 높은 제거율로 제거되는, 화학 기계적 평면화(CMP)를 이용하는 베이스 웨이퍼 관통 기술을 수행하는 개선된 방법에 관한 것이다.
3D 집적화는 다양한 기술을 이용하여 제조된 칩의 직접적인 스태킹(stacking) 및 상호연결을 통해 시스템 형성 인자(system form factor)를 단일 시스템으로 감소시키는데 유망하다. 이러한 상호연결은 금속(예를 들어, 구리) 네일(nail) 형태의 작고 깊은 웨이퍼 관통 비아(via)로 구성된다. 3D 스택을 가능케하는 기술 중 하나는, 그 위에 반도체 회로(집적 회로)가 배치되는 베이스 웨이퍼를 박막화(thinning)하는 것이다. 반도체 웨이퍼 제조는 전형적으로 실리콘 웨이퍼의 표면 상에, 수주에 걸쳐 작업되는 수백개의 개별 작동부를 포함한다. 이러한 긴 제작 공정 동안에 쉽게 발생할 수 있는 웨이퍼 파괴 및 손상을 최소화하기 위해서, 베이스 웨이퍼는 전형적으로 300 내지 800 마이크론의 두께를 갖는다. 베이스 웨이퍼는 베이스 웨이퍼 물질(예를 들어, 실리콘 웨이퍼 프로세싱의 경우에는 실리콘)을 웨이퍼의 후면으로부터 제거함으로써 박막화된다. 이는, 그 위에 집적회로를 포함하는 웨이퍼의 전면을 캐리어 웨이퍼로 아교접합(gluing)시키고, 그라인딩(grinding) 다음, 웨이퍼가 임시적으로 캐리어에 아교접합되는 동안, 약 10 내지 50 마이크론의 두께를 달성할 수 있도록 웨이퍼 후면을 CMP시키는 것을 포함할 수 있다. 이러한 박막화에 의해 베이스 웨이퍼를 통해 적어도 부분적으로(예를 들어, 베이스 웨이퍼를 통해 전체적으로) 연장되는 전도성 비아가 노출된다.
상기 그라인딩 단계는, 특히 실리콘에 대한 CMP 공정이 과거에서부터 속도가 매우 제한적이었기 때문에 필수적인 것으로 고려되었다. 그러나, 실리콘 웨이퍼 후면의 그라인딩과 관련한 유감스러우며 흔한 문제점으로서, 웨이퍼 박리 및 파괴 뿐만 아니라 그라인딩 휠의 파괴가 있어왔다. 이것은, 웨이퍼가 다수의 정교한 제작 및 품질 조절 단계의 최종 산물이며, 따라서 이러한 웨이퍼의 불량은 현저한 경제적인 손실을 나타내므로 특히 문제시된다. 또한, 그라인딩 휠의 파괴는 상당한 라인 다운 시간(line down time)을 초래하며 부가적인 경제적인 손실을 초래한다.
충분히 높은 속도로 베이스 웨이퍼 물질(예를 들어, 실리콘 웨이퍼의 경우에 실리콘)을 연마시킬 수 있어 그라인딩 단계가 제거될 수 있는 CMP 공정이 요구된다. 심지어 후면 물질이 그라인딩 단계에서 그라인딩되는 공정에서도, 높은 제거율의 CMP를 이용하면 제조업자들은 웨이퍼 후면으로부터 그라인딩되어야 하는 더욱 적은 물질을 특정할 수 있다.
반도체 기판을 평면화시키기 위한 화학 기계적 평면화(화학 기계적 연마, CMP)는 현재 당업자들에게 널리 공지되어 있으며, 다수의 특허 및 공개된 문헌 공보에 기재되어 있다. CMP에 대한 몇몇의 입문 참고문헌으로는 하기한 것들이 있다: "Polishing Surfaces for Integrated Circuits", by B.L. Mueller and J.S. Steckenrider, Chemtech, February, 1998, pages 38-46; H. Landis et al., Thin Solids Films, 220(1992), page 1; and "Chemical-Mechanical Polish" by G.B. Shinn et al., Chapter 15, pages 415-460, in Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology, editors: Y. Nishi and R. Doering, Marcel Dekker, New York City (2000).
전형적인 하나의 CMP 공정에서, 기판(예를 들어, 웨이퍼)이, 플래튼(platen)에 부착된 회전하는 연마 패드와 접촉된 상태로 위치한다. 전형적으로 연마제와 화학적 반응성 혼합물인 CMP 슬러리가 기판의 CMP 공정 동안 상기 패드에 공급된 다. CMP 공정 동안, (플래튼에 고정된) 패드 및 기판이 회전하며, 그 동안 웨이퍼 캐리어 시스템 또는 연마 헤드는 기판에 대해 압력(하향력)을 가한다. 슬러리는 하향력 및 기판에 대한 패드의 회전 이동의 효과로 말미암아 평면화되는 기판 막과 화학 기계적으로 상호작용함으로써 평면화(연마) 공정을 수행한다. 연마는, 기판 상에 목적하는 막이 제거될 때까지 이러한 방식으로 계속되나, 일반적인 목적은 기판을 효과적으로 평면화시키는 것이다. 전형적으로 금속 CMP 슬러리는 산화성의 수성 매질 중에 현탁된 실리카 또는 알루미나와 같은 연마 물질을 함유한다.
집적회로(IC)와 같은 실리콘 기재 반도체 장치는 전형적으로 유전층을 포함한다. 전형적으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금 또는 구리로부터 형성된 다중수준(multilevel) 회로 트레이스가 유전층 기판 위로 패턴화된다. 이들은, CMP에 의해 연마될 수 있는 다양한 유형의 층들, 예를 들어 실리콘 니트라이드, 층간 유전체(ILD), 예컨대 실리콘 옥사이드 및 탄소 도핑된 옥사이드를 포함하는 낮은-k 막; 활동성 장치를 접속시키는데 사용되는, 텅스텐, 구리, 알루미늄 등과 같은 금속 층; 티타늄, 티타늄 니트라이드, 탄탈륨, 탄탈륨 니트라이드, 귀금속 등과 같은 배리어 층 물질이다.
CMP 공정은 종종 반도체 제작의 다양한 단계에서 과량의 금속을 제거하고 평면화시키는데 사용된다. 텅스텐, 알루미늄, 구리, 탄탈륨, 탄탈륨 니트라이드, 티타늄, 티타늄 니트라이드, 루테늄, 플래티늄, 이리듐, 금 및 이들의 조합물을 포함하는 다양한 금속 및 금속 합금이 반도체 제작의 다양한 단계에서 사용되어 왔다. 예를 들어, 유전성 기판 상에 다중수준 구리 상호연결부 또는 평면 구리 회로 트레이스를 형성시키는 하나의 방법을 다마센 공정(damascene process)으로 칭한다. 전형적으로 다중수준 구리 상호연결부를 형성시키는데 사용된 반도체 제작 공정에서, 금속화된 구리 라인 또는 구리 비아가 전기화학적 금속 증착에 이어 구리 CMP 공정에 의해 형성된다. 전형적인 하나의 공정에서, 층간 절연막(interlevel dielectric: ILD) 표면이 통상적인 건식 에칭 공정으로 패턴화되어 수직 및 수평 상호연결부에 대한 비아 및 트렌치를 형성하고, 서브층 상호연결 구조로 연결시킨다. 패턴화된 ILD 표면은 전형적으로, 이 ILD 표면 위로 그리고 에칭된 트렌치 및 비아 내로의 티타늄 또는 탄탈륨과 같은 접합 촉진 층 및/또는 티타늄 니트라이드 또는 탄탈륨 니트라이드와 같은 확산 배리어 층으로 코팅된다. 상기 접합 촉진 층 및/또는 확산 배리어 층은 이후 예를 들어 씨드(seed) 구리 층에 이어 전기화학적으로 증착된 구리 층에 의해 구리로 오버코팅된다. 전기-증착은 상기 구조가 증착된 금속으로 채워질 때까지 계속된다. 최종적으로, CMP 공정은 유전체(실리콘 디옥사이드 및/또는 낮은-k) 표면의 상승된 부분이 노출된 평면화된 표면이 얻어질 때까지, 구리 오버층(overlayer), 접합 촉진 층 및/또는 확산 배리어 층을 제거하는데 사용된다. 비아 및 트렌치는 회로 상호연결부를 형성하는 전기 전도성 구리로 채워진 채로 유지된다. 접합 촉진 층 및 확산 배리어 층을 전형적으로 일괄하여 "배리어 층"으로 칭한다.
다중단계의 구리 CMP 공정은, 단계 1 구리 CMP 공정으로 칭해지는 IC 칩의 생산에서 국소 및 전체적인 평면화에 이어 배리어 층 CMP 공정을 달성하는데 사용될 수 있다. 구리 CMP에 관하여, 이 기술의 현재 상태는 2단계 공정을 사용하는 것을 포함한다. 구리 CMP 공정의 단계 1 동안에, 과증착된(overburden) 구리가 제거되고 평면화된다. 이후, 구리 CMP 공정의 단계 2는 배리어 층 물질을 제거하고 국소 및 전체적인 평면화 둘 모두를 실시하기 위해 수행된다. 배리어 층 CMP 공정을 흔히 배리어 또는 단계 2 구리 CMP 공정으로 칭한다. 유전체 물질의 제거율에 대한 구리의 제거율의 비는, 구리, 배리어 층 물질 및 유전체 물질로 구성된 기판의 CMP 공정 동안에 유전체 물질과 관련한 구리의 제거에 대한 "선택도"로 칭해진다. 구리의 제거율에 대한 배리어 층 물질의 제거 율의 비는, 구리, 배리어 층 물질 및 유전체 물질로 구성된 기판의 CMP 공정 동안에 구리와 관련한 배리어 층 물질의 제거에 대한 "선택도"로 칭해진다. 배리어 층 물질에는 탄탈륨, 탄탈륨 니트라이드, 텅스텐, 루테늄 및 루테늄 옥사이드와 같은 귀금속, 및 이들의 조합물이 포함된다.
CMP 슬러리가 구리 층을 과잉연마(over-polish)하는 경우에, 이들은 구리 비아 및 트렌치에서 함몰 또는 "디싱(dishing)" 효과를 나타낼 수 있다. 이러한 문제는 비아가 종종 큰 직경, 예를 들어 100㎛의 직경을 갖는 실리콘 관통 비아의 경우에 더욱 심각해진다. 이러한 피쳐 왜곡(feature distortion)은 반도체 제작에서의 리소그래픽 및 다른 제약(constraint)으로 인해 허용되지 않는다. 반도체 제작에 부적합한 다른 피쳐 왜곡을 "부식(erosion)"이라 칭한다. 부식은 유전체 구역과 구리 비아 또는 트렌치의 밀집된 어레이 사이에서의 위상(topology) 차이다. CMP에서, 밀집된 어레이 내의 물질은 유전체를 둘러싸는 구역에서보다 신속한 속도로 제거되거나 부식될 수 있다. 이에 의해, 유전체 구역과 밀집된 구리 어레이 사이에서 지형 차가 발생된다.
구리의 CMP를 위한 다수의 시스템이 개시되었다. 이의 몇몇의 예가 하기 나열되어 있다: 글리세롤 및 연마성 알루미나 입자를 함유하는 슬러리를 개시하고 있는, 명칭 "글리세롤 기재 슬러리 중에서의 구리의 화학-기계적 연마"의 쿠마르(Kumar) 등의 문헌(Materials Research Society Symposium Proceedings, 1996); 구리 용해 억제제로서 벤조트리아졸(BTA)을 함유할 수 있는 암모늄 히드록사이드 또는 질산 기재의 슬러리를 개시하고 있는, 명칭 "옥사이드 및 중합체 층간 절연막을 이용한 구리의 화학-기계적 연마"의 구트만(Gutmann) 등의 문헌(Thin Solid Films, 1995); 고분자 계면활성제 및 BTA를 함유하는 알루미나-질산철 슬러리를 개시하고 있는, 명칭 "구리의 화학-기계적 연마를 위한 알루미나 슬러리의 안정화"의 루오(Luo) 등의 문헌(Langmuir, 1996); 산화제로 과산화수소 또는 과망간산칼륨을 사용하는, 알루미나 또는 실리콘 입자, 질산 또는 암모늄 히드록사이드를 함유하는 슬러리를 개시하고 있는, 명칭 "구리 CMP 슬러리 화학성에 대한 최초 연구"의 카르피오(Carpio) 등의 문헌.
전형적으로, 단계 1 구리 CMP 슬러리는 7 psi 미만의 하향력으로 분당 4000 옹스트롬, 종종 분당 10,000 옹스트롬의 속도로 구리를 제거할 수 있다. 단계 2의 구리 CMP 슬러리는 전형적으로 10 내지 100의, 유전체에 대한 구리의 선택도(또는 배리어 층에 대한 구리의 선택도)를 갖는다. 일반적으로, 단계 1에서 과증착된 구리를 제거한 후에, 연마된 웨이퍼 표면은 웨이퍼 표면의 다양한 위치에서 단차(step) 높이에서의 차로 인해 불균일한 국소 및 전체적 평면화도를 갖는다. 낮은 밀도의 피쳐는 더욱 높은 구리 단차 높이를 갖는 경향이 있는 반면, 높은 밀도의 피쳐는 낮은 단차 높이를 갖는 경향이 있다. 단계 1 이후의 단차 높이에서의 차로 인해서, 선택적인 슬러리가, 구리와 관련한 배리어 층 물질의 선택적인 제거 및 구리와 관련한 유전체 물질의 선택적인 제거를 위한 단계 2 구리 CMP에 대해 매우 바람직하다. 전형적으로, 단계 2 구리 CMP 슬러리는 3 psi의 하향력을 이용하여 분당 2500 옹스트롬 또는 그 미만의 속도로 구리를 제거할 수 있다. 상기한 단계 2 구리 CMP 슬러리는 전형적으로 0.1 내지 1.5의, 유전체에 대한 구리의 선택도를 지니며, 0.1 내지 1.5의, 배리어 층에 대한 구리의 선택도를 지닌다.
전형적으로 사용된 CMP 슬러리는 화학적 성분 및 기계적 성분의 2가지 작용을 한다. 구리의 화학 기계적 연마에 대한 메커니즘에 관해서는 다수의 이론이 존재한다. 제이들러(Zeidler) 등의 문헌(Microelectronic Engineering, 1997)에서는 화학적 성분이, 구리에서 구리 옥사이드로 변화하는 구리 상에 패시베이션(passivation) 층을 형성함을 제안한다. 상기 구리 옥사이드는 금속성 구리보다 다양한 기계적 성질, 예컨대 밀도 및 경도를 지니며, 패시베이션은 연마 부분의 연마 속도를 변화시킨다. 구트만 등의 상기 문헌은 기계적 성분이 구리의 상승된 부분을 연마시키며 이후 화학적 성분이 연마된 물질을 용해시킴을 개시하고 있다. 화학적 성분은 또한 오목한 구리 영역을 패시베이션시키며 이는 이들 부분의 용해를 최소화한다.
금속 CMP의 경우에, 화학적 작용은 일반적으로 2가지 형태 중 하나를 취하는 것으로 고찰된다. 제 1 메커니즘에서, 용액 내의 화학물질이 금속 층과 반응하여 금속 표면 상에 옥사이드 층을 연속적으로 형성시킨다. 이것은 일반적으로 용액에 과산화수소, 질산철 등과 같은 산화제의 첨가를 요한다. 이후, 입자의 기계적인 연마 작용은 이러한 옥사이드 층을 연속적으로 그리고 동시에 제거한다. 이러한 2개 공정의 적절한 조절은 제거율 및 연마된 표면 품질의 측면에서 최적의 결과를 얻게한다.
제 2 메커니즘에서는 어떠한 보호성 옥사이드 층도 형성되지 않는다. 대신에, 용액 내의 성분들이 금속을 화학적으로 공격하고 용해시키는 반면, 기계적 작용은 주로, 더욱 큰 표면적을 화학적 공격에 연속적으로 노출시키는 공정에 의해 용해율을 기계적으로 향상시키는 것, 입자와 금속 간의 마찰에 의해 국소 온도(용해율을 증가시키는)를 상승시키는 것, 및 혼합하고 경계 층의 두께를 감소시킴으로써 표면으로 그리고 이러한 표면으로부터 멀리 반응물 및 생성물의 확산을 향상시키는 것 중 하나이다.
본 발명의 개요
일 구체예에서, 본 발명은, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법으로서, 상기 방법이
a) 전면 및 후면을 구비한 제 1 베이스 웨이퍼를 제공하는 단계로서, 전면이 이 위에 배치된 집적 회로를 포함하고, 베이스 웨이퍼가, 전도성 금속을 포함하며 베이스 웨이퍼의 전방으로부터 베이스 웨이퍼를 통해 적어도 부분적으로 연장되는 하나 이상의 전도성 비아(via)를 포함하는 단계;
b) 위에 집적회로를 구비한 베이스 웨이퍼의 전면을 캐리어에 고정시키는 단계;
c) 베이스 웨이퍼의 후면을 연마 패드 및 제 1 CMP 슬러리와 접촉시키는 단계로서, 제 1 CMP 슬러리가
1) 액체 캐리어,
2) 과요오드산 또는 이의 염, 과염소산 또는 이의 염, 과황산 또는 이의 염, 과망간산 또는 이의 염, 오존, 산화은 및 불소 원소로 구성되는 군으로부터 선택된, 0.1 내지 20중량%의 산화제,
3) 연마제, 및
4) 하나 이상의 금속 킬레이트제를 포함하는 단계; 및
d) 하나 이상의 전도성 비아가 노출될 때까지 베이스 웨이퍼의 후면을 연마시키는 단계로서, 제 1 베이스 웨이퍼가 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 5,000 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 CMP 슬러리를 이용하여 연마되는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
다른 구체예에서, 본 발명은, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법으로서, 상기 방법이
a) 전면 및 후면을 구비한 제 1 베이스 웨이퍼를 제공하는 단계로서, 전면이 이 위에 배치된 집적 회로를 포함하고, 베이스 웨이퍼가, 전도성 금속을 포함하며 베이스 웨이퍼의 전방으로부터 베이스 웨이퍼를 통해 적어도 부분적으로 연장되는 하나 이상의 전도성 비아를 포함하는 단계;
b) 베이스 웨이퍼의 후면을 연마 패드 및 제 1 CMP 슬러리와 접촉시키는 단계로서, 제 1 CMP 슬러리가
1) 액체 캐리어,
2) 과요오드산 또는 이의 염, 과염소산 또는 이의 염, 과황산 또는 이의 염, 과망간산 또는 이의 염, 오존, 산화은 및 불소 원소로 구성되는 군으로부터 선택된, 0.1 내지 20중량%의 산화제,
3) 슬러리 내에 현탁될 수 있거나, 연마 패드에 고정될 수 있거나, 이 둘 모두의 형태로 존재할 수 있는 연마제, 및
4) 하나 이상의 금속 킬레이트제를 포함하는 단계; 및
c) 하나 이상의 전도성 비아가 노출될 때까지 베이스 웨이퍼의 후면을 연마시키는 단계로서, 제 1 베이스 웨이퍼가 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 5,000 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 CMP 슬러리를 이용하여 연마되는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
다른 구체예에서, 본 발명은, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법으로서, 상기 방법이
a) 전면 및 후면을 구비하고 두께가 100 내지 약 800 마이크론인 제 1 베이스 웨이퍼를 제공하는 단계로서, 전면이 이 위에 배치된 집적 회로를 포함하는 단계;
b) 위에 집적회로를 구비한 베이스 웨이퍼의 전면을 캐리어에 고정시키는 단계;
c) 베이스 웨이퍼의 후면을 연마 패드 및 제 1 CMP 슬러리와 접촉시키는 단계로서, 제 1 CMP 슬러리가
1) 액체 캐리어,
2) 과요오드산 또는 이의 염, 과염소산 또는 이의 염, 과황산 또는 이의 염, 과망간산 또는 이의 염, 오존, 산화은 및 불소 원소로 구성되는 군으로부터 선택된, 0.1 내지 20중량%의 산화제,
3) 슬러리 내에 현탁될 수 있거나, 연마 패드에 고정될 수 있거나, 이둘 모두의 형태로 존재할 수 있는 연마제, 및
4) 유기산 또는 아미노-카르복실산으로부터 선택된 하나 이상의 금속 킬레이트제를 포함하는 단계; 및
d) 베이스 웨이퍼의 두께가 30 내지 80 마이크론으로 감소될 때까지 베이스 웨이퍼 후면을 연마시키는 단계로서, 제 1 베이스 웨이퍼가 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 5,000 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 CMP 슬러리를 이용하여 연마되는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
다른 구체예에서, 본 발명은, 두 개의 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법으로서, 상기 방법이
a) 전면 및 후면을 구비한 실리콘 베이스 웨이퍼를 제공하는 단계로서, 전면이 이 위에 배치된 집적 회로를 포함하고, 베이스 웨이퍼가, 전도성 금속을 포함하며 베이스 웨이퍼의 전방으로부터 베이스 웨이퍼를 통해 적어도 부분적으로 연장되는 하나 이상의 전도성 비아를 포함하는 단계;
b) 위에 집적회로를 구비한 실리콘 베이스 웨이퍼의 전면을 캐리어에 고정시키는 단계;
c) 실리콘 베이스 웨이퍼의 후면을 연마 패드 및 제 1 CMP 슬러리와 접촉시키는 단계로서, 제 1 CMP 슬러리가
1) 물,
2) 0.05 내지 10중량%의 과요오드산,
3) 연마제, 및
4) 하나 이상의 유기 산 또는 아미노-카르복실산을 포함하는 단계; 및
d) 하나 이상의 전도성 비아가 노출될 때까지 실리콘 베이스 웨이퍼의 후면을 연마시키는 단계로서, 제 1 베이스 웨이퍼가 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 10,000 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 CMP 슬러리를 이용하여 연마되는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 상세한 설명
이상에서 설명되었듯이, 본 발명은 조립되는 경우 스택 장치를 형성하는 둘 또는 그 초과의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법의 핵심적인 특징은, 베이스 웨이퍼 물질(예를 들어, 실리콘)과 전도성 금속(예를 들어, 구리) 둘 모두가 높은 제거율로 제거되는, 베이스 웨이퍼(들)의 후면의 평면화를 수행하기 위해, 화학 기계적 평면화(CMP)를 사용한다는 것이다. 또한, 상기 방법의 다른 주요한 특징은, 본 방법이 약 0.5 내지 약 2.0의 범위 내이며 이 범위 내에서 조정가능한, 전도성 금속에 대한 베이스 웨이퍼의 선택도 값을 제공하여, 노출된 전도성 금속 네일을 갖는 CMP 후 베이스 웨이퍼의 고도로 평면화된 후면 표면이 실현된다는 것이다.
본 발명의 방법에서 CMP 공정에 사용되는 조성물은 높은 제거율 및 상대적으로 낮은 선택도(0.5 내지 2.0)와 관련하여 상기 기술된 바람직한 특성을 동시에 실현하는데 있어서 핵심적이다. 이러한 고찰의 견지에서, 먼저 본 발명의 방법에 사용된 CMP 슬러리 조성물에서 성분들의 특성을 구체적으로 설명할 것이다.
본 발명의 방법에 사용되는 조성물 중에 존재하는 액체 캐리어는 CMP 슬러리에 사용하기에 적합한 특성을 갖는, 주위 온도에서의 임의의 액체일 수 있다. 적합한 액체 캐리어는, 연마제(들)과는 별개로 성분의 대부분 또는 전부를 용해시키며 연마제(들)의 상대적으로 안정한 분산액을 제공하는 것들이다. 적합한 액체 캐리어에는 이들로 제한되는 것은 아니나, 물, 및 물과 물에 용해되거나 분산가능한 유기 화합물(들)의 혼합물이 포함된다. 이하에서 설명하겠지만, 다양한 유기 용매가 액체 캐리어로서 단독으로 또는 물과 함께 사용될 수 있다.
일 구체예에서, 산화제는 과요오드산, 과염소산, 과황산 또는 이의 염, 과망간산 또는 이의 염, 오존, 산화은 및 불소 원소로 구성되는 군으로부터 선택된다. 과황산염(persulfate salt)은 모노과황산염(monopersulfate) 또는 디과황산염(dipersulfate)(즉, 모노과황산 또는 디과황산의 염)일 수 있다. 이들 산화제의 혼합물이 사용될 수 있다.
일 구체예에서, 산화제는 과요오드산, 과염소산, 모노과황산, 디과황산, 이들의 염 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택된다. 다른 구체예에서, 산화제는 과요오드산 및 과염소산으로 구성되는 군으로부터 선택된다. 다른 구체예 에서, 산화제는 과요오드산을 포함하거나, 필수 성분으로 포함하거나, 또는 이로 구성된다.
본 발명의 조성물 중의 산화제는 약 0.01 내지 약 20중량%의 농도로 슬러리 중에 존재한다. 일 구체예에서, 산화제는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.02 내지 약 10중량%의 농도로 존재한다. 다른 구체예에서, 산화제는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.1 내지 약 5중량%의 농도로 존재한다. 일 구체예에서 산화제는 0.5 내지 2중량%의 농도로 존재하며, 더욱 다른 구체예에서 산화제는 0.75 내지 1.5중량%의 농도로 존재한다. 산화제가 과요오드산인 경우에, 바람직한 PIA 농도는 0.5 내지 2중량%, 더욱 바람직하게는 0.75 내지 1.5중량%, 예를 들어 1 내지 1.25중량%이다.
하나 이상의 금속 킬레이트제가 본 발명의 방법에 따른 CMP 공정 동안에 사용된 CMP 슬러리 조성물 중에 존재한다. 슬러리 조성물에 첨가될 수 있는 적합한 킬레이트제에는 이들로 제한되는 것은 아니나, 에틸렌디아민테트라아세트산, N-히드록시에틸에틸렌디아민트리아세트산, 니트릴로트리아세트산, 디에틸렌트리아민펜트아세트산, 에탄올디글리시네이트, 글리신, 트리신, 시트르산, 2,3-부탄디온 디옥심(디메틸글리옥심), 구아니딘 카보네이트, 및 이들의 혼합물이 포함된다.
일 구체예에서, 킬레이트제는 구조식 H2N-R-COOH(상기 식에서, R은 탄소수 1 내지 6개의 선형 또는 분지형 알킬 기이다)를 갖는 아미노카르복실산이다. 일 구체예에서, 킬레이트제는 구조식 H2N-R-COOH(상기 식에서, R은 탄소수 1 내지 6개의 선형 또는 분지형 알킬 기이다)를 갖는 아미노카르복실산이이며 추가로 히드록실-카르복실산을 포함한다. 일 구체예에서, 킬레이트제는 NH2-CH2-COOH(글리신)이다. 일 구체예에서, 킬레이트제는 글리신 및 아미노황산(aminosulfuric acid)으로 구성되는 군으로부터 선택된다. 다른 구체예에서, 킬레이트제는 글리신 또는 시트르산 또는 이의 혼합물이다. 일 구체예에서, 킬레이트제는 시트르산과 조합된 글리신이다. 일 구체예에서, 킬레이트제는 예를 들어, 약 0.01 내지 약 0.15중량%의 양의, 글리신, 트리신, 시트르산, 2,3-부탄디온 디옥심 및 에틸렌디아민테트라아세트산으로 구성되는 군으로부터 선택된다. 일 구체예에서, 킬레이트제는 슬러리 내에 0.01 내지 5중량%로 존재하는 시트레이트 염이다. 일 구체예에서, 킬레이트제는 약 0.1 내지 약 0.15중량%로 존재하는 암모늄 옥살레이트 일수화물이다.
킬레이트제는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.03 내지 약 10중량%의 농도로 슬러리 조성물 중에 존재할 수 있다. 일 구체예에서, 킬레이트제는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.1 내지 약 5중량%의 농도로 존재한다. 다른 구체예에서, 킬레이트제는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.5 내지 약 4중량%의 농도로 존재한다. 다른 구체예에서, 킬레이트제는 약 0.04 내지 약 0.1중량%의 농도로 존재한다.
표준(미개질된) 연마제 및 표면 개질된 연마제 둘 모두가 적용가능한 경우 본 발명에 사용될 수 있다. 적합한 미개질된 연마제에는 이들로 제한되는 것은 아니나 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 게르마니아, 세리아 및 함께 형성된 이들의 생산물, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 무기 또는 유기금속 화합물을 이용한 미개질된 연마제(예를 들어, 실리카)의 처리로 얻어진 표면-개질된 연마제가 또한 본 발명에 사용될 수 있다. 개질에 적합한 무기 화합물에는 보론산, 나트륨 알루미네이트, 및 칼륨 알루미네이트가 포함된다. 개질에 적합한 유기금속 화합물에는 알루미늄 아세테이트, 알루미늄 포르메이트, 및 알루미늄 프로피오네이트가 포함된다. 적합한 연마제에는 이들로 제한되는 것은 아니나, 콜로이드 생성물, 건식 생성물(fumed product), 및 이들의 혼합물이 포함된다. 표면-개질된 연마제의 몇몇의 구체적인 예에는, 보론산을 이용하여 실리카를 개질시켜 얻은 보론 표면-개질된 실리카가 있고, 나트륨 알루미네이트 또는 칼륨 알루미네이트를 이용하여 실리카를 개질시켜 얻은 알루미네이트 표면-개질된 실리카가 있다.
실리카 및 표면-개질된 실리카가 본 발명에 사용된 바람직한 연마제 물질이다. 상기 실리카는 예를 들어, 콜로이드 실리카, 건식 실리카 및 다른 실리카 분산액일 수 있다; 그러나, 바람직한 실리카는 콜로이드 실리카 또는 표면-개질된 콜로이드 실리카이다.
다수의 구체예에서, 연마제는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.001 내지 약 30중량%의 농도로 슬러리 내에 존재한다. 일 구체예에서, 연마제는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.5 내지 약 20중량%의 농도로 존재한다. 다른 구체예에서, 연마제는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 1 내지 약 10중량%의 농도로 존재하며, 더욱 다른 구체예에서 연마제는 약 1 내지 약 5중량%의 농도로 존재한다.
CMP 슬러리 조성물에 첨가될 수 있는 다른 화학물질에는 예를 들어, 추가적인 산화제, 수혼화성 용매, 계면활성제, pH 조절제, 산, 부식 억제제, 불소 함유 화합물, 킬레이트제, 비-중합성 질소 함유 화합물, 및 염이 포함된다.
슬러리 조성물에 첨가될 수 있는 적합한 수-혼화성 용매에는 예를 들어 에틸 아세테이트, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 상기 수-혼화성 용매는 슬러리 조성물 중에, 일 구체예에서는 약 0 내지 약 4중량%의 농도로, 다른 구체예에서는 약 0.1 내지 약 2중량%의 농도로, 더욱 다른 구체예에서는 약 0.5 내지 약 1중량%의 농도로 존재한다; 이들 중량% 값의 각각은 슬러리의 전체 중량을 기준으로 한 것이다. 바람직한 유형의 수-혼화성 용매는 이소프로판올, 부탄올 및 글리세롤이다.
슬러리 조성물에 첨가될 수 있는 적합한 계면활성제 화합물에는 예를 들어, 당업자에게 공지된 다수의 비이온성, 음이온성, 양이온성 또는 양쪽성 계면활성제 중 임의의 것이 포함된다. 계면활성제 화합물은 일 구체예에서는 약 0 내지 약 1중량%의 농도로, 다른 구체예에서는 약 0.0005 내지 약 1 중량%의 농도로, 그리고 더욱 다른 구체예에서는 약 0.001 내지 약 0.5중량%의 농도로 슬러리 조성물 중에 존재할 수 있다; 이들 중량% 값의 각각은 슬러리의 전체 중량을 기준으로 한 것이다. 바람직한 유형의 계면활성제는 비이온성, 음이온성 계면활성제, 또는 이들의 혼합물이며, 가장 바람직하게는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 10 내지 약 1000 ppm의 농도로 존재한다. 비이온성 계면활성제가 바람직하다.
pH 조절제가 연마 조성물의 안정성을 개선시키기 위해, 사용시 안전도를 개선시키기 위해, 또는 다양한 규제의 요건을 충족하기 위해 사용된다. 본 발명의 연마 조성물의 pH를 저하시키는데 사용되는 pH 조절제로, 염산, 질산, 황산, 클로로아세트산, 타르타르산, 숙신산, 시트르산, 말산, 말론산, 다양한 지방산, 다양한 폴리카르복실산이 사용될 수 있다. 한편, pH를 상승시키기 위해 사용되는 pH 조절제로는, 수산화칼륨, 수산화나트륨, 암모니아, 테트라메틸암모늄 히드록사이드, 에틸렌디아민, 암모늄 히드록사이드, 피페라진, 폴리에틸렌이민 등이 사용될 수 있다. 본 발명의 연마 조성물은 pH에 대해서는 특별히 제한되지 않으나, 일반적으로는 pH 5 내지 12로 조정된다. 일 구체예에서, 적합한 슬러리의 pH는 염기성, 예를 들어 약 7 내지 약 11이다. 다른 구체예에서, 적합한 슬러리의 pH는 약 8 내지 약 10이다. 다른 구체예에서, pH는 10.01 내지 10.49이다. 일 구체예에서, pH는 10.5 내지 11.5이다. 다른 구체예에서, pH는 11.6 내지 13이다.
슬러리 조성물에 첨가될 수 있는(상기 언급된 pH 조절용 산 대신에 또는 이에 추가하여) 다른 적합한 산 화합물에는 이들로 제한되는 것은 아니나 포름산, 아세트산, 프로판산, 부탄산, 펜탄산, 헥산산, 헵탄산, 옥탄산, 노난산, 락트산, 염산, 질산, 인산, 황산, 불화수소산, 말산, 타르타르산, 글루콘산, 시트르산, 프탈산, 피로카테콜산, 피로갈롤 카르복실산, 갈산, 탄닌산, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 이러한 산 화합물은 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0 내지 약 5중량%의 농도로 슬러리 조성물 중에 존재할 수 있다.
슬러리 조성물에 첨가될 수 있는 적합한 부식 억제제에는 예를 들어, 1,2,4-트리아졸, 벤조트리아졸, 6-톨릴트리아졸, 톨릴트리아졸 유도체, 1-(2,3-디카르복시프로필)벤조트리아졸, 및 분지된-알킬페놀 치환된 벤조트리아졸 화합물이 포함된 다. 몇몇의 유용한 상업적인 부식 억제제에는 마포(Mafo) 13MOD1, 이코놀(Iconol) TDA-9 및 이코놀 TDA-6(이들은 모두 뉴저지 플로르햄 파크에 소재한 바스프 코포레이션(Basf Corp.)으로부터 입수가능함), 및 다에텍(Daetec) MI-110(캘리포니아 카마르밀로에 소재한 다에텍 엘.엘.씨로부터 입수가능함)가 포함된다. 일 구체예에서, 부식 억제제는 페놀 화합물이며, 다른 구체예에서 페놀 화합물은 0.001(10ppm) 내지 5중량%의 수준에서 존재하는 카테콜이다. 부식 억제제는 일 구체예에서는 약 0 내지 약 4000ppm의 농도로, 다른 구체예에서는 약 10 내지 약 4000 ppm의 농도로, 다른 구체예에서는 약 50 내지 약 2000ppm의 농도로, 그리고 더욱 다른 구체예에서는 약 50 내지 약 500 ppm의 농도로 슬러리 중에 존재할 수 있다. 일 구체예에서, 부식 억제제는 0.0005 (5ppm) 내지 0.1중량%(1000ppm)의 수준에서 존재한다.
첨가되는 경우 카르복실산이 또한 슬러리 조성물에 부식 억제 특성을 부여할 수 있다.
필요에 따라 CMP 동안 유전체 및/또는 베이스 웨이퍼에 대한 특정 금속의 제거에 대한 선택성을 추가로 증가시키기 위해서, 불소 함유 화합물이 슬러리 조성물에 첨가될 수 있다. 적합한 불소 함유 화합물에는 예를 들어, 불화수소, 과불소산, 알칼리 금속 플루오라이드 염, 알칼리 토금속 플루오라이드 염, 암모늄 플루오라이드, 테트라메틸암모늄 플루오라이드, 암모늄 비플루오라이드, 에틸렌디암모늄 디플루오라이드, 디에틸렌트리암모늄 트리플루오라이드, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 불소 함유 화합물은 일 구체예에서는 약 0 내지 약 5중량%의 농도로, 다른 구체예에서는 바람직하게는 약 0.65 내지 약 5중량%의 농도로, 더욱 다른 구체예에 서는 약 0.5 내지 약 2중량%의 농도로 슬러리 조성물 중에 존재할 수 있으며, 이들 모두의 농도는 슬러리의 전체 중량을 기준으로 한 것이다. 적합한 불소 함유 화합물은 암모늄 플루오라이드이다.
슬러리 조성물에 첨가될 수 있는 적합한 비-중합성 질소 함유 화합물(아민, 히드록사이드 등)에는 예를 들어 암모늄 히드록사이드, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 디에틸렌글리콜아민, N-히드록실에틸피페라진, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 이러한 비-중합성 질소 함유 화합물은 약 0 내지 약 1중량%의 농도로 슬러리 조성물 중에 존재할 수 있고, 존재하는 경우 일반적으로는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.01 내지 약 0.2중량%의 수준에서 존재한다. 바람직한 비-중합성 질소 함유 화합물은 암모늄 히드록사이드이며, 가장 바람직하게는 슬러리의 전체 중량에 대해 약 0.01 내지 약 0.1중량%의 농도로 존재한다.
슬러리 조성물에 첨가될 수 있는 또 다른 화학물질은, 특히 pH가 약 6 내지 9의 근방인 경우에, 생물학적 제제, 예컨대 살균제, 살생물제 및 살곰팡이제이다. 적합한 살생물제에는 이들로 제한되는 것은 아니나 1,2-벤즈이소티아졸린-3-온; 2-(히드록시메틸)아미노에탄올; 1,3-디히드록시메틸-5,5-디메틸히단토인; 1-히드록시메틸-5,5-디메틸히단토인; 3-요오도-2-프로피닐-부틸카르바메이트; 글루타르알데히드; 1,2-디브로모-2,4-디시아노부탄; 5-클로로-2-메틸-4-이소티아졸린-3-온; 2-메틸-4-이소티아졸린-3-온; 및 이들의 혼합물이 포함된다. 바람직한 살생물제는 이소티아졸린 및 벤즈이소티아졸린이다. 존재하는 경우, 살생물제는 슬러리의 전체 중량에 대해 일반적으로 약 0.001 내지 약 0.1중량%의 농도로 존재한다.
연마를 만족스러운 수준으로 완료하기에 충분한 성분들만을 함유하는 묽은 슬러리가 비용 및 폐기물 처분과 관련한 비용의 측면에서 바람직하다. 일 구체예에서, 제 1 CMP 슬러리는 0.01 내지 5중량%의 과요오드산을 포함한다. 예를 들어, 상기 CMP 슬러리는 0.75 내지 1.5중량%의 과요오드산, 0.3 내지 1.5중량%의 암모늄 히드록사이드, 1 내지 6중량%의 실리카 연마제를 포함하며, pH는 약 8 내지 약 14이다. 일 구체예에서, 제 1 CMP 슬러리의 pH는 염기성이다. 계면활성제, 10 내지 200 ppm 양의, 구체적으로 선택된 비이온성 및 양쪽성 계면활성제가 가장 유용하다. 0.01 내지 0.1% 양의 시트르산 염, 암모늄 옥살레이트 일수화물 염, 또는 이둘 모두가 가장 유용하다. 10 내지 200 ppm 양의 부식 억제제가 가장 유용하다. 0.01 내지 0.1% 양의 아미노산 킬레이트제가 가장 유용하다.
CMP 방법
본 발명에 사용된 CMP 방법은 베이스 웨이퍼 관통 공정 동안 베이스 웨이퍼(예를 들어, 실리콘 웨이퍼) 후면의 화학 기계적 평면화를 위해 상기 언급된(상기 개시된) 조성물의 사용을 필요로 한다. 일 구체예에서, 베이스 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼이다.
본 발명에서의 베이스 웨이퍼는 전면 및 후면을 구비하며, 전면은 이 위에 배치된 집적 회로를 구비한다. 베이스 웨이퍼는 전도성 금속을 포함하는 하나 이상의 전도성 비아를 포함하며, 하나 이상의 전도성 비아는 베이스 웨이퍼의 전면으로부터 베이스 웨이퍼를 통해 적어도 부분적으로 연장된다. 하나 이상의 전도성 비아의 전도성 금속은 일반적으로 주위 온도에서 고체인 임의의 전도성 금속일 수 있다. 주위 조건의 온도 및 압력 하에서 고체가 아닌(예를 들어, 액체) 수은 및 다양한 합금과 같은 전도성 금속은 본 발명에서의 전도성 비아에 대해 가능한 물질로서 배제된다. 전도성 금속의 예로 구리, 텅스텐 및 알루미늄이 있다. 일 구체예에서, 전도성 금속은 구리이다. 다른 구체예에서, 전도성 금속은 구리 및 텅스텐으로 구성되는 군으로부터 선택된다.
본 발명의 방법에서, (제 1) 베이스 웨이퍼의 전면이 캐리어에 고정된다. 캐리어는 후속하는 CMP 공정(이하 기술됨) 동안 베이스 웨이퍼에 대해 적합한 지지체로 작용할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 적합한 캐리어 물질에는 이들로 제한되는 것은 아니나 강철, 유리 및 다양한 중합체, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리(비닐 클로라이드)가 포함된다.
본 발명의 방법에서, 이 위에 집적회로를 구비한 베이스 웨이퍼의 전면을 캐리어에 고정시키는 것은 당업계에 공지된 임의의 방식으로 수행될 수 있다. 일 예로, 베이스 웨이퍼의 전면을 캐리어에 임시적으로 접합시키기 위해 적합한 접착제를 사용하면서, CMP 공정 및/또는 그라인딩은 베이스 웨이퍼의 후면에 대해 실시하는 방법이 있다. 베이스 웨이퍼를 캐리어에 고정시키면 샌드위치 구조의 베이스 웨이퍼/캐리어가 얻어지며, 이 때 베이스 웨이퍼의 후면이 외부 표면이 된다.
제 1 베이스 웨이퍼의 후면으로부터 상당량의 물질을 제거하기 위한 그라인딩 단계는 베이스 웨이퍼의 후면을 평면화시키기 위한 CMP 공정 전에 베이스 웨이퍼/캐리어 상에서 실시되거나 실시되지 않을 수 있다. 당업계에 공지된 임의의 그라인딩 공정이 사용될 수 있다. 일 구체예에서, 베이스 웨이퍼의 후면에는, 이 베이스 웨이퍼의 후면을 화학 기계적으로 연마시키기 전에는 그라인딩 단계가 실시되지 않는다. 다른 구체예에서, 베이스 웨이퍼의 후면에는, 이 베이스 웨이퍼의 후면을 화학 기계적으로 연마시키기 전에 그라인딩 단계가 실시된다.
다음으로, 실시되는 경우, 본 발명의 방법에 따라 그라인딩 단계를 수행한 후에, 베이스 웨이퍼/캐리어의 후면을, 이 베이스 웨이퍼의 후면이, CMP 연마장치의 회전가능한 플래튼에 고정적으로 부착되는 연마 패드 상에서 아래를 향하도록 배치시킨다. 이러한 방식으로, 연마하고 평면화시킬 베이스 웨이퍼의 후면이 연마 패드와 직접 접촉하도록 배치된다. 웨이퍼 캐리어 시스템 또는 연마 헤드가 베이스 웨이퍼/캐리어를 적소에 유지시키는데, 그리고 CMP 공정 동안, 플래튼 및 기판이 회전하는 동안, 베이스 웨이퍼/캐리어의 후면에 대해 하향 압력이 적용되도록 하는데 사용된다. 연마 조성물(제 1 CMP 슬러리)은 베이스 웨이퍼(예를 들어, 실리콘 웨이퍼)의 후면으로부터 물질을 제거하기 위해, CMP 공정 동안 패드 상에 적용된다(대개는 연속적으로). 본 발명에 따르면, 제 1 CMP 슬러리를 이용하는 상기 방법은, 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 5,000 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 베이스 웨이퍼를 연마시킬 것이다.
일 구체예에서, 제 1 CMP 슬러리를 이용하는 상기 방법은 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 7,500 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 베이스 웨이퍼를 연마시킬 것이다. 일 구체예에서, 제 1 CMP 슬러리를 이용하는 상기 방법은 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 10,00 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 베이스 웨이퍼를 연마시킬 것이다. 일 구체예에서, 제 1 CMP 슬러리를 이용하는 상기 방법은 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 12,000 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 베이스 웨이퍼를 연마시킬 것이다. 일 구체예에서, 제 1 CMP 슬러리를 이용하는 상기 방법은 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 15,000 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 베이스 웨이퍼를 연마시킬 것이다. 더욱 많은 양의 베이스 층 물질이 전형적으로 제거되기 때문에, 높은 베이스 웨이퍼 제거율이 본 발명의 이용에 필수적이다.
제 1 베이스 웨이퍼의 후면을 박막화하고 평면화하기 위해 상기 기술된 CMP 공정을 실시한 후에, 캐리어는 대개 제거될 것이고, 생성되는 더욱 박막화된 베이스 웨이퍼는 베이스 웨이퍼 관통 장치를 제작하는데 사용될 것이다.
일 구체예에서, 사전 처리 슬러리를 이용하는 방법이, 제 1 CMP 슬러리를 사용하여 베이스 웨이퍼의 후면을 연마시키기 전에 베이스 웨이퍼의 후면을 화학 기계적으로 연마시키는데 사용될 수 있으며, 상기 사전 처리 슬러리를 이용하는 방법은 7 psi의 하향력으로 분당 5000 옹스트롬 이상의 속도로 베이스 웨이퍼를 연마시킨다. 사전 처리 슬러리의 조성은 제 1 CMP 슬러리에 대해 기술된 것과 동일할 수 있다.
본 발명을 하기 실시예로 추가로 입증한다.
실시예
실시예에 사용된 재료의 공급원은 하기와 같다:
화학 성분:
1. 듀퐁 에어 프로덕츠 나노머티리얼즈, 엘.엘.씨.(DuPont Air Products NanoMaterials, L.L.C., Tempe AZ)로부터 입수한 연마제와 Cu 킬레이트제를 함유하는 시톤 SR330®(Syton SR330®)
2. 듀퐁 에어 프로덕츠 나노머티리얼즈, 엘.엘.씨.(Tempe AZ)로부터 입수한 시톤 HT-50(34-52nm 크기, Na 안정화됨)
3. 시트르산, 29% KMG 일렉트로닉 케미컬스, 인코포레이티드(KMG Electronic Chemicals, Inc, Orange, CA)
4. 글리신, 샤템 케미컬스(Chattem Chemicals)
5. 암모늄 히드록사이드, 29% KMG 일렉트로닉 케미컬스, 인코포레이티드(Orange, CA)
6. 과요오드산, 듀퐁 에어 프로덕츠 나노머티리얼즈, 엘.엘.씨.(Tempe AZ)
7. 마포(Mafo) 13MOD1, 바스프 코포레이션(BASF Corporation, Florham Park, NJ), 에톡실화된 아민
8. 다에텍 MI-110(Daetec MI-110), 다에텍 엘.엘.씨.(Daetec L.L.C., Camarmillo, CA)
9. 이코놀 TDA-9(Iconol TDA-9), 바스프 코포레이션(Florham Park, NJ), 에톡실화된 알코올
10. 이코놀 TDA-6, 바스프 코포레이션(Florham Park, NJ), 에톡실화된 알코올
11. 테트라 메틸 암모늄 히드록사이드 25%(TMAH), 에어 프로덕츠 케미컬스, 인코포레이티드(Allentown, PA)
12. 카테콜(Catechol) 99%, 아크로스 오가닉스(Acros Organics)
13. 구아니딘 카보네이트 99%, 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)
14. 카톤(Kathon), 에어 프로덕츠 케미컬스, 인코포레이티드(Allentown, PA)
15. 디에틸렌트리아민 99%, 시그마 알드리치
16. 질산, 금속 등급, 피셔(Fisher)
17. 아세트산, 빙상 결정, 아크로스 오가닉스
18. CDI4302D, 킹 인더스트리스(King Industries), 개질된 트리아졸 화합물(DI H2O로 희석됨)
19. 암모늄 옥살레이트 일수화물, 아크로스 오가닉스
연마 패드:
1. 로델, 인코포레이티드(Rodel, Inc, Phoenix, AZ)로부터의 IC1000
2. 로델, 인코포레이티드로부터의 IC1010
3. 토마스, 웨스트 인코포레이티드(Thomas West Inc, TX)로부터의 711
기호 및 정의:
1. CMP는 화학 기계적 평탄화 = 화학 기계적 연마이다.
2. Å은 옹스트롬, 즉, 길이의 단위이다.
3. Å/min은 분당 옹스트롬의 연마 속도이다.
4. psi는 제곱 인치 당 파운드이다.
5. BP는 psi 단위의 배압이다.
6. PS는 연마 도구의 플래튼 회전 속도 rpm(분당 회전)이다.
7. SF는 슬러리 유속 ml/min이다.
8. CS는 운반 속도이다.
9. DF는 하향력 psi이다.
10. min은 분이다.
11. ml은 밀리리터이다.
12. mV는 밀리볼트이다.
13. NA는 데이터를 얻을 수 없음을 의미한다.
성분의 모든 농도는 달리 언급되어 있지 않는 한 wt%이다.
웨이퍼:
1. 실리콘 블랭킷 웨이퍼, 실리콘 밸리 마이크로일렉트로닉스, 인코포레이티드.,(Silicon Valley Microelectronics, Inc., Santa Clara, CA), 725㎛ 두께
2. 구리 블랭킷 웨이퍼, 실리콘 밸리 마이크로일렉트로닉스, 인코포레이티드., 15-20k 두께
3. TiN 블랭킷 웨이퍼, 실리콘 밸리 마이크로일렉트로닉스, 인코포레이티드., 3k 두께
4. TEOS 블랭킷 웨이퍼, ATDF(Austin, TX), 15K 두께
메트롤로지(metrology):
1. 메틀러 AE 160 아날리티컬 밸런스(Mettler AE 160 Analytical Balance)
2. 니콘 BF DF DIC L200 마이크로스코프
3. 비코 VX300 AFP(Veeco VX300 AFP)
연마 도구 및 공정:
1. IPEC 플래나르 472(IPEC Planar 472)(IPEC), 실시예 1-19
a. 패드를 하기와 같이 파괴하였다: 첫번째는 7lbs 하향력 100의 스윕 조건 처리(sweep condition process), 두번째는 12개 충전제 웨이퍼를 웨이퍼를 시험하기 전에 대조군 슬러리로 처리한다.
b. 연마 방법:
DF: 7psi
테이블 속도: 110rpm
헤드 속도: 112rpm
슬러리 유속: 200ml/min
컨디셔너 압력: 5lb
2. 미라®(Mirra®), 실시예 20-44
a. CMP 미라® 도구는 어플라이드 머티리얼스(Applied Materials, 3050 Boweres Avenue, Santa Clara, California, 95054)에 의해 제작되었다. 로델, 인코포레이티드(Rodel, Inc, 3804 East Watkins Street, Phoenix, AZ 85034)에 의해 제작된 IC1010을 블랭킷 실리콘 및 구리 웨이퍼를 연마하기 위한 플래튼 1에 사용하여 제거속도 및 선택도를 획득하였다.
b. 패드를 하기와 같이 파괴하였다: 첫번째는 7lbs 하향력 18분 조건 처리, 두번째는 12개 충전제 웨이퍼를 웨이퍼를 시험하기 전에 대조군 슬러리로 처 리한다.
c. 연마 방법:
DF: 6psi
테이블 속도: 120rpm
헤드 속도: 112rpm
슬러리 유속: 200ml/min
컨디셔너 압력: 7lb
모든 실험에서, 물은 슬러리 조성물이 100이 되게 하는 양이다. 실시예 1 및 2에서, H2O2의 효과는 시톤® SR330으로 확인할 수 있다. 과산화수소는 본 발명에 유용한 조성물에 적합하지 않은 것으로 밝혀졌다. 표 1 참조.
표 1: TSV 포뮬레이션의 예: 대조군에 대한 H2O2의 효과
성분 실시예 1: 대조군 SR330 As-is 실시예 2: 대조군 SR330 w/H2O2 pH 11
시톤® SR330(wt%, H2O2 첨가 전에 희석된 시중의 생성물) 2.4 2.38
H2O(wt%) 97.6 96.62
시트르산(wt%) 0 0
카테콜(wt%) 0 0
암모늄 히드록사이드(wt%) 0 0
TMAH(wt%) 0 0
콜로이드 실리카(wt%) 0 0
H2O2(wt%) 0 1
PIA(wt%) 0 0
H2O2 첨가 전의 pH ~11 ~11
H2O2 첨가 후의 pH - ~10.8
7psi에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 60 32
7psi에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 12000 0
Si:Cu 선택도 255 0
- = 적용되지 않음
실시예 3-5는 상이한 유형의 산화제의 비교를 나타낸다: 표 2의 데이터에 나타낸 바와 같이 H2O2를 사용하면 구리를 거의 내지 전혀 제거하지 못하고 실리콘을 전혀 제거하지 못하는 반면, 과요오드산(PIA)는 구리와 실리콘 둘 모두를 현저하게 제거하였다. 약 1의 Si:Cu 선택도를 얻기 위해서는, 구리 제거속도가 크게 증가되어야 한다.
표 2: TSV 포뮬레이션의 추가적인 예: 산화제의 유형 및 농도의 효과
성분 실시예 3: 20675-38-2 w/1% H2O2 실시예 4: 20675-58-2 w/1% PIA 실시예 5: 20675-58-3 w/3% PIA
시톤® SR330(wt%, H2O2 첨가 전에 희석된 시중의 생성물) 2.38 0 0
H2O 96.62 100이 되게 하는 양 100이 되게 하는 양
HT 50 0 5 5
TMAH 0 3 3
NH4OH 0 0 0
구아니딘 카보네이트 0 5 5
카톤 0 0.0001 0.0001
H2O2 1 0 0
PIA 0 1 3
PIA 첨가전의 pH 10.31 13.34 13.16
PIA 또는 H2O2 첨가 후의 pH 10.2 13.16 11.45
7psi에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 32 2476 4368
7psi에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 0 15502 12466
Si:Cu 선택도 0 6.3 2.9
실시예 6 및 7은 Si:Cu 선택도 및 제거속도에 대한 pH의 차이를 나타낸다. pH 11에서, 구리 및 실리콘 블랭킷 제거속도가 더 높다. 표 3 참조.
표 3: TSV 포뮬레이션의 추가적인 예: pH의 효과
성분* 실시예 6: pH 11 실시예 7: pH 7
콜로이드 실리카(wt%) 5 5
PIA(wt%) 1 1
PIA 첨가 전의 pH 11.94 6.88
PIA 첨가 후의 pH 10.92 1.77
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 5904 208
7psi, 600sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 6317 4253
Si:Cu 선택도 1 20
*물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
실시예 8-12는 1% PIA 및 5% 실리카 연마제를 사용한 상이한 킬레이트제의 효과를 나타낸다. 이러한 킬레이트제는 대조군과 비교하여 실리콘 및 구리 블랭킷 제거속도를 증가시켰다. 그러나, 실리콘 제거속도가 구리 제거속도보다 훨씬 높게 유지되었다. 표 4 참조.
표 4: TSV 포뮬레이션의 추가적인 예: 킬레이트제의 효과
성분 실시예 8: 2wt% DETA 실시예 9: 5wt% DETA 실시예 10 G.C. 실시예 11: DETA 실시예 12: TMAH
디에틸렌트리아민 2 5 0 5 0
구아니딘 카보네이트(wt%) 0 0 5 0 0
TMAH(wt%) 0 0 3 3 3
EDTA 염 0 0 0 0 5
카톤(wt%) 0 0 0.0001 0.0001 0.0001
콜로이드 실리카(wt%) 5 5 0 5 5
HNO3 0 0 0 0 0
PIA(wt%) 1 1 1 1 1
PIA 첨가 전의 pH 11.57 11.74 13.34 10.98 13.65
PIA 첨가 후의 pH 10.28 10.8 13.16 10.58 13.23
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 815 1092 2476 1394 1736
7psi, 600sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 14138 13790 15502 13901 11820
Si:Cu 선택도 17 12.6 6 10 7
*물은 각 실시예의 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
실시예 13-16에서, 기타 선택된 구리 킬레이트제를, 1% PIA 및 5% 실리카 연마제를 사용하여 평가하였다. 구리 제거속도가 높다 하더라도, 산이 구리를 에칭하는 것이 가능하며, 그런 경우, 형성된 형태는 이상적인 것에 못미칠 것이다.
표 5: TSV 포뮬레이션의 예: 킬레이트제의 효과
성분* 실시예 13: 실시예 14: 실시예 15: 실시예 16:
시트르산(wt%) 0.05 0 0 0.05
글리신(wt%) 1 0 0 0
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%)
질산 0 0.05 0 0
아세트산 0 0 0.05 0
콜로이드 실리카(wt%) 5 5 5 5
PIA(wt%) 1 1 1 1
PIA 첨가 전 pH 10.91 10.99 10.99 11
PIA 첨가 후 pH 10.76 9.83 9.98 9.95
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) (>24000)# 15656 (>28000)# 14026
7psi, 600sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 16424 9630 16701 9781
Si:Cu 선택도 0.69 0.62 0.59 0.70
# 이러한 웨이퍼 상의 모든 구리가 제거되어 Cu 제거속도에 대한 더 낮은 하한치가 보고된다.
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
실시예 17-19는 0.05% 시트르산 염, 0.01% 글리신, 1% PIA, 5% 실리카 연마제, 및 pH를 10.2로 달성하기 위한 암모늄 히드록사이드를 갖는 바람직한 포뮬레이션을 이용하여 패드 유형의 효과를 나타내었다. 동일한 샘플을 3개의 상이한 유형의 패드에 대해 실험하여 선택도 및 제거속도에 대한 이들의 효과를 측정하였다. 표 6 참조.
표 6: TSV 포뮬레이션의 예: 패드 유형의 효과
성분 실시예 17 실시예 18 실시예 19
패드 토마스 웨스트 711 IC1000 IC1010
시트르산(wt%) 0.05 0.05 0.05
글리신(wt%) 0.01 0.01 0.01
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%) pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%) pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%)
콜로이드 실리카(wt%) 5 5 5
PIA(wt%) 1 1 1
PIA 첨가 전 pH 10.91 10.91 10.91
PIA 첨가 후 pH 10.2 10.2 10.2
7psi, 60sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 15260 14064 14678
7psi, 10min에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 11590 12816 15921
Si:Cu 선택도 0.76 0.91 1.08
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
조성물은 다양한 연마 조건을 고려하여, 즉, 다양한 패드를 사용하는 것을 고려하여 조정되어야 함을 알 수 있다. 실시예 20-24는 100rpm에서의 다양한 부식 억제제의 효과를 나타낸다. 실온 및 40C에서 이들 성분중 일부에 대한 구리의 정적 식각률(static etch rate: SER)을 표 15(PIA 첨가 없이) 및 16(다양한 양의 PIA 첨가)에서 확인할 수 있다. 낮은 정적 식각률 즉, 16C 및 40C에서 분당 300 옹스트롬 미만이 바람직하다. 놀랍게도, 일부 공지된 구리 부식 억제제 예를 들어, 벤조트리아졸(BTA) 및 DP521의 첨가는, 부식 억제제를 함유하지 않는 조성물에 의해 나타나는 것보다 높은 정적 식각률을 나타내었다. 특정 억제제 즉, MAFO 및 다에텍은 탁월한 정적 식각률 보호력을 제공한다. 기록된 각각의 부식 억제제는 상이한 SER을 제공한다; 그러나, 표 7에 나타낸 바와 같이, 구리 제거속도는 블랭킷 웨이퍼에서와 유사하다. Cu 제거속도는, 대부분의 부식 억제제가 단지 미세하게 영 향을 끼치는 연마 동안에 매우 높다. 배리어 층 제거속도는 낮은채 유지되며, TiN은 중지층으로서 혼입될 수 있음에 주목하길 바란다.
표 7: TSV 포뮬레이션의 예: 부식 억제제의 효과
성분 실시예 20: 100ppm 다에텍 실시예 21: 100ppm DP512 실시예 22: 100ppm BTA 실시예 23: 100ppm MAFO13 MOD1 실시예 24: 100ppm CDI4302D
시트르산(wt%) 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
글리신(wt%) 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%) pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%) pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%) pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%) pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%)
BTA(wt%) 0 0 0.01 0.002 0.002
DP512 0 0.01 0 0 0
다에텍 0.01 0 0 0 0
Mafo 13MOD1 0 0 0 0.01 0
CDI4302D 0 0 0 0 0.01
콜로이드 실리카(wt%) 5 5 5 5 5
PIA(wt%) 1 1 1 1 1
PIA 첨가 전 pH 10.99 10.98 10.98 10.9 10.9
PIA 첨가 후 pH 10.5 10.4 10.3 10.7 10.2
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 7298 8638 6874 9280 8778
7psi, 300sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 13807 13797 14584 12484 15631
7psi, 30sec에서의 TiN의 제거속도(Å/min) NA NA NA 1768 1560
Si:Cu 선택도 0.53 0.63 0.47 0.74 0.56
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
하나 또는 그 초과의 폴리에톡실화된 지방 아미노 카르복실레이트와 하나 또는 그 초과의 폴리에톡실화된 지방 아민의 배합물, 예를 들어, 아민 질소에 부착된 2개의 폴리에틸렌 옥사이드 기를 갖는 3차 폴리에톡실화된 지방 아민을 포함하는 MAFO13MOD1이 가장 우수한 SER 결과를 유도하였다. 이 성분의 농도가 증가함에 따 라, 구리 및 TEOS 제거속도가 감소하였다.
표 8: TSV 포뮬레이션의 예: 부식 억제제의 농도 효과
성분* 실시예 25: 10ppm MAFO 실시예 26:25ppm MAFO 실시예 27:50ppm MAFO 실시예 28: 100ppm MAFO
시트르산(wt%) 0.05 0.05 0.05 0.05

글리신(wt%)		 0.01 0.01 0.01 0.01
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%)
MAFO13MOD1 0.001 0.0025 0.005 0.01
콜로이드 실리카
(wt%)		 5 5 5 5
PIA(wt%) 1 1 1 1
PIA 첨가 전 pH 10.97 10.96 10.85 10.9
PIA 첨가 후 pH 10.4 10.5 10.6 10.7
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å
/min)		 10884 10598 9384 9280
7psi,300sec에서의 실리콘의 제거속도
(Å/min)		 13085 12847 11856 12484
7psi, 30sec에서의 TiN의 제거속도(Å/min) 1042 1016 898 1768
7psi, 30sec에서의 TEOS의 제거속도(Å/min) 1134 1088 1015 NA
Si:Cu 선택도 0.83 0.82 0.79 0.74
TEOS = 테트라에틸오르토실리케이트
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
실시예 29-30은 슬러리 중 BTA 농도의 효과를 나타낸다. BTA 농도가 증가함에 따라, Cu 제거속도가 억제되며, Cu 제거속도 차이의 일부는 실시예 29에서와 같이 더 높은 pH로 인한 것일 수 있다. BTA는 공지된 구리 부식 억제제이지만, 수집된 SER 데이터로부터 다른 부식 억제제가 PIA(과요오드산) 환경에서 구리를 보호하는데 더욱 효과적인 것으로 나타났다. BTA는 0.0005 중량% 내지 0.005 중량%의 매 우 낮은 비율로 사용되며, 다른 더욱 효과적인 부식 억제제(예를 들어, 양쪽성 억제제)와 함께 사용되는 것이 유용할 수 있다.
표 9: TSV 포뮬레이션의 예: BTA 부식 억제제의 농도 효과
성분 실시예 29: 20ppm BTA 실시예 30: 100ppm BTA
시트르산(wt%) 0.05 0.05
글리신(wt%) 0.01 0.01
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%) pH 조절에 충분한 양(<1.5 wt%)
BTA(wt%) 0.002 0.01
콜로이드 실리카(wt%) 5 5
PIA(wt%) 1 1
PIA 첨가 전 pH 10.97 10.98
PIA 첨가 후 pH 10.5 10.3
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 10980 6874
7psi,300sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 14081 14584
Si:Cu 선택도 0.78 0.47
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
실시예 31-34는 50ppm MAFO13MOD1(양쪽성 계면 활성제)와 PIA 농도의 효과를 나타낸다. 10 내지 200ppm, 예를 들어, 50 내지 100ppm의 계면활성제 농도가 유용하다. 1.25% PIA에서, Si:Cu 선택도는 0.97이다. 이러한 성분 MAFO13MOD1이 가장 우수한 SER 결과를 제공하며, 이는 표 15 및 표 16에 기재되어 있다.
실시예 10: TSV 포뮬레이션의 예: 산화제 농도의 효과
성분 실시예 31: 실시예 32: 실시예 33: 실시예 34:
시트르산(wt%) 0.05 0.05 0.05 0.05
글리신(wt%) 0.01 0.01 0.01 0.01
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위해(<1.5 wt%)
MAFO13MOD1 0.005 0.005 0.005 0.005
콜로이드 실리카
(wt%)		 5 5 5 5
PIA(wt%) 0.1 0.5 1 1.25
PIA 첨가 전 pH 10.98 10.96 10.85 10.93
PIA 첨가 후 pH 10.92 10.8 10.3 10.5
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 2610 6322 9384 12082
7psi, 300sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 9924 12078 11856 12482
7psi, 30sec에서의 TiN의 제거속도(Å/min) 882 642 898 770
7psi, 30sec에서의 TEOS의 제거속도(Å/min) 778 1025 1015 1245
Si:Cu 선택도 0.26 0.52 0.79 0.97
TEOS = 테트라에틸오르토실리케이트
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
실시예 35-37에서, PIA 사용 농도는 0.25% 내지 2%로 가변된다. 상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 구리 제거속도는 산화제의 양으로 조정될 수 있다. 1% PIA에서, 50ppm 다에텍(독점 부식 억제제)과 함께 사용되는 경우, Si:Cu의 선택도가 약 1:1인 것으로 밝혀졌다.
표 11: TSV 포뮬레이션의 예: 산화제 농도의 효과
성분 실시예 35: 실시예 36: 실시예 37:
시트르산(wt%) 0.05 0.05 0.05
글리신(wt%) 0.01 0.01 0.01
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절을 위
해(<1.5 wt%)		 pH 조절을 위
해(<1.5 wt%)		 pH 조절을 위
해(<1.5 wt%)
다에텍 부식 억제제(wt%) 0.005 0.005 0.005
콜로이드 실리카(wt%) 5 5 5
PIA(wt%) 0.25 1 2
PIA 첨가 전 pH 10.97 10.98 10.98
PIA 첨가 후 pH 10.9 9.8 10.8
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 3380 15104 4790
7psi,300sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 12714 14712 11281
7psi, 30sec에서의 TiN의 제거속도(Å/min) 1270 1126 856
7psi, 30sec에서의 TEOS의 제거속도(Å/min) 717 1145 596
Si:Cu 선택도 0.27 1.02 0.42
TEOS = 테트라에틸오르토실리케이트
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
실시예 38로부터 0.91의 Si:Cu 선택도가 얻어졌다. 본 실시예에서, 암모늄 옥살레이트 일수화물이 패드로부터의 잔여물의 세정을 보조하는지를 시험하였다. 슬러리로의 PIA의 첨가는 패드를 염색시키고 가능하게는 글레이징(glaze)시키는 염을 형성시킬 것이다. 암모늄 옥살레이트 일수화물은 킬레이트제로서 작용하여 이러한 염 형성을 억제한다. 이 성분은 Cu 제거속도를 또한 증가시켰다.
실시예 12: TSV 포뮬레이션의 예: 부식 억제제의 효과
성분* 실시예 38
시트르산(wt%) 0.05
글리신(wt%) 0.01
암모늄 옥살레이트 일수화물 0.05
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절을 위해(<1.5 wt%)
BTA(wt%) 0.002
콜로이드 실리카(wt%) 5
PIA(wt%) 1
PIA 첨가 전 pH 10.93
PIA 첨가 후 pH 9.88
7psi, 60sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 14486
7psi, 10min에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 15953
Si:Cu 선택도 0.91
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
놀랍게도, 실리콘 및 구리 제거에 있어서, 연마제 바람직하게는, 실리카의 양은 Cu 및 Si 연마율의 실제적인 변화 없이 1% 미만 내지 10%일 수 있다. 표 13에 나타낸 실시예 39-42에서, Si:Cu 선택도에 대한 고형물 농도의 효과를 평가하였다. 결과는 1wt% 내지 9wt%의 고형물이 실리콘 또는 구리 제거속도에 거의 내지 전혀 영향을 끼치지 않음을 보여준다. 그러나, 고형물 농도가 증가함에 따라, TiN 제거속도는 증가하는 것으로 밝혀졌다. TiN이 TSV 패턴 웨이퍼에서 배리어 층으로서 사용될 수 있기 때문에 TiN 블랭킷 웨이퍼를 시험하였다. 제조업자가 중지 물질로서 배리어 물질을 원하는 경우, 예를 들어, 0.2% 내지 1% 실리카 연마제(50 내지 100 나노미터 직경)를 갖는 고형물 저함량의 슬러리가 사용될 수 있다.
표 13: TSV 포뮬레이션의 예: 고형물의 효과
성분* 실시예 39 실시예 40 실시예 41 실시예 42
시트르산(wt%) 0.05 0.05 0.05 0.05
글리신(wt%) 0.01 0.01 0.01 0.01
PIA 첨가 전 암모늄 히드록사이드(wt%) pH 조절제 pH 조절을 위
해(<1.5 wt%)		 pH 조절을 위해(<1.5 wt%) pH 조절을 위
해(<1.5 wt%)		 pH 조절을 위해(<1.5 wt%)
BTA(wt%) 0.002 0.002 0.002 0.002
콜로이드 실리카(wt%) 1 3 7 9
PIA(wt%) 1 1 1 1
PIA 첨가 전 pH ~10.9 ~10.9 ~10.9 ~10.9
PIA 첨가 후 pH 10.5 10.4 10.5 10.6
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) 10716 11636 11438 10006
7psi,300sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 15138 16350 16151 15638
7psi, 30sec에서의 TiN의 제거속도(Å/min) 708 1076 1510 1788
Si:Cu 선택도 0.71 0.71 0.71 0.64
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
실시예 43 및 44에서, 단지 연마제를 사용하여 실리콘 및 구리 블랭킷 웨이퍼를 연마하였다. 실리콘은 약 3622Å/min의 제거속도를 갖는 반면, 구리는 제거되지 않았다. 이러한 유형의 슬러리는 큰 구리 융기부(protrusion)를 달성하고자 하는 경우 사용될 수 있다. 비교에서, 1% PIA가 첨가되는 경우, Si:Cu의 선택도는 0.75이다.
표 14: TSV 포뮬레이션의 예: 산화제의 존재 및 부재하의 연마제
성분* 실시예 43 실시예 44
시트르산(wt%) 0 0
글리신(wt%) 0 0
암모늄 히드록사이드(wt%) 0 0
BTA(wt%) 0 0
콜로이드 실리카(wt%) 10 10
PIA(wt%) 0 1
PIA 첨가 전 pH 10.88 11.01
PIA 첨가 후 pH NA 9.1
7psi, 30sec에서의 Cu의 제거속도(Å/min) <1 9760
7psi, 300sec에서의 실리콘의 제거속도(Å/min) 3622 13051
7psi, 30sec에서의 TiN의 제거속도(Å/min) NA 884
7psi, 30sec에서의 TEOS의 제거속도(Å/min) NA 2387
Si:Cu 선택도 0.049 0.75
TEOS = 테트라에틸오르토실리케이트
* 물은 각 실시예에 대한 조성물이 100이 되게 하는 양이다.
표 15 및 16이 다양한 부식 억제제에 대한 정적 식각 시험의 결과를 나타낸다. MAFO13MOD1TM은 탁월한 결과를 제공하였다. 연마 슬러리는 유리하게는, 5ppm 내지 500ppm, 예를 들어, 25ppm 내지 150ppm의 화학식 N(R1, R2, R3-X)(여기서, R1은 8 내지 30개의 비분지된 탄소 원자를 갖는 알킬기일 수 있으며; R2는 하나 이상의 히드록실 측기를 가질 수 있는 1 내지 약 6개의 비분지된 탄소 원자를 갖는 짧은 알킬기일 수 있으며; R3은 3 내지 40개의 에틸렌 옥사이드 단위를 갖는 폴리에틸렌 옥사이드 기, 및 1 내지 10개, 더욱 바람직하게는, 2 내지 5개의 프로필렌 옥사이드 단위를 갖는 폴리프로필렌 옥사이드 기로부터 선택될 수 있으며; X는 음이온 산 기, 음이온 산 에스테르 또는 음이온 산 또는 산 에스테르의 알칼리금속염일 수 있으며, 여기서 산은 바람직하게는, 설폰산, 카르복실산 또는 인산임)의 양쪽성 부식 억제제를 포함한다. 또 다른 적합한 양쪽성 계면활성제는 화학식 N(R1, R2, R3)(여기서, R1은 질소 원자에 결합하는 경우 지방족 지방 아민을 형성하는 8 내지 30개 탄소 원자를 갖는 비분지된 알킬 기일 수 있으며; R2는 3 내지 40개 에틸렌 옥사이드 단위를 갖는 폴리에틸렌 옥사이드 기, 및 1 내지 10개, 더욱 바람직하게는, 2 내지 5개의 프로필렌 옥사이드 단위를 갖는 폴리프로필렌 옥사이드 기로부터 선택될 수 있으며; R3은 폴리에틸렌 옥사이드 기 또는 폴리프로필렌 옥사이드 기일 수 있으나, 또한 수소일 수 있음)을 갖는다. 바람직한 계면활성제는 아민 질소에 부착된 2개의 폴리에틸렌 옥사이드 기를 갖는 3차 폴리에톡실화된 지방 아민이다. 바람직한 양태에서, 아노드에서의 양쪽성 계면활성제는 하나 또는 그 초과의 폴리에톡실화된 지방 아미노 카르복실레이트와 하나 또는 그 초과의 폴리에톡실화된 지방 아민의 배합물을 포함하는데, 이는 BASF 코포레이션으로부터의 MAFO13MOD1TM을 형성하는 것으로 여겨진다.
표 15: PIA의 부재하에 부식 억제제를 비교한 SER 데이터
샘플 온도(℃) 정적 식각률(Å/min), 2개 해독값의 평균
대조군: SR330 실온 2.6
부식억제제 비첨가 실온 102.05
500ppm 암모늄 옥살레이트 실온 74.7
100ppm BTA 실온 너무 부식되어 해독 불가능
100ppm DP512 실온 74.7
100ppm 다에텍 실온 67.25
대조군:SR330 40 0
부식 억제제 비첨가 40 228.2
500ppm 암모늄 옥살레이트 40 너무 부식되어 해독 불가능
100ppm BTA 40 너무 부식되어 해독 불가능
100ppm DP512 40 286.7
100ppm 다에텍 40 177.25
표 16: PIA 농도에 따라 부식 억제제를 비교한 SER 데이터
샘플 온도(℃) 정적 식각률(Å/min),
대조군 SR330 실온 0
50ppm MAFO, 0.1% PIA 실온 50
50ppm MAFO, 0.5% PIA 실온 116
50ppm MAFO, 1.25% PIA 실온 512
대조군 SR330 40 0
50ppm MAFO, 0.1% PIA 40 262
50ppm MAFO, 0.5% PIA 40 277
50ppm MAFO, 1.25% PIA 40 너무 부식되어 해독 불가능
실시예 45에서, 구리 및 실리콘의 제거속도를 결정하고, 선택도(Cu/Si)를 슬러리 유속에 따라 결정하였다. 수득된 결과를 하기 나타내었다:
슬러리 유속
250mL/min 200mL/min 150mL/min 100mL/min
Si 13654 13656 14031 14993
Cu 10144 9434 8202 7096
선택도(Cu/Si) 0.74 0.69 0.58 0.47
ML/min = 분당 밀리리터
웨이퍼가 웨이퍼에 손상이 가지 않는 압력하에서 연마될 수 있는 경우 본 발명자들은 후면을 연마하기 위해 하향력으로서 7psi를 선택하였다. 약 3psi 내지 약 10psi의 하향력이 바람직하다. 본 발명을 이러한 선택된 실시예로 설명하였으나, 이러한 실시예로 제한하고자 하는 것은 아니다.

Claims (31)

  1. 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법으로서,
    a) 전면 및 후면을 구비한 제 1 베이스 웨이퍼를 제공하는 단계로서, 전면이 이 위에 배치된 집적 회로를 포함하고, 베이스 웨이퍼가, 전도성 금속을 포함하며 베이스 웨이퍼의 전방으로부터 베이스 웨이퍼를 통해 부분적으로 또는 전체적으로 연장되는 하나 이상의 전도성 비아(via)를 포함하는 단계;
    b) 위에 집적회로를 구비한 베이스 웨이퍼의 전면을 캐리어에 고정시키는 단계;
    c) 베이스 웨이퍼의 후면을 연마 패드 및 제 1 CMP 슬러리와 접촉시키는 단계로서, 제 1 CMP 슬러리가
    1) 액체 캐리어,
    2) 과요오드산 또는 이의 염, 과염소산 또는 이의 염, 과황산 또는 이의 염, 과망간산 또는 이의 염, 오존, 산화은 및 불소 원소로 구성되는 군으로부터 선택된, 0.1 내지 20중량%의 산화제,
    3) 연마제, 및
    4) 하나 이상의 금속 킬레이트제를 포함하는 단계; 및
    d) 하나 이상의 전도성 비아가 노출될 때까지 베이스 웨이퍼의 후면을 연마시키는 단계로서, 제 1 베이스 웨이퍼가 7 psi 또는 그 미만의 하향력(down force)에서 분당 5,000 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 CMP 슬러리를 이용하여 연마되는 단계를 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 제 1 베이스 웨이퍼가 실리콘 웨이퍼인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 전도성 금속이 구리 및 텅스텐으로 구성되는 군으로부터 선택되는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 산화제가 과요오드산 또는 이의 염, 과염소산 또는 이의 염, 및 과황산 또는 이의 염으로 구성되는 군으로부터 선택되는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 산화제가 과요오드산인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 금속 킬레이트제가 구조식 H2N-R-COOH(상기 식에서, R은 탄소수 1 내지 6개의 선형 또는 분지형 알킬 기이다)의 아미노카르복실산을 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 금속 킬레이트제가 히드록시-카르복실산을 추가로 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 금속 킬레이트제가 글리신인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 금속 킬레이트제가 시트르산과 조합된 글리신인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 제 1 베이스 웨이퍼가 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 10,000 옹스트롬 이상의 속도로 슬러리를 이용하여 연마되는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 슬러리가 0.0005 내지 0.1중량%의 부식 억제제를 추가로 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 슬러리가 0.01 내지 5중량%의 시트레이트 염을 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 슬러리가 0.01 내지 5중량%의 과요오드산, 0.3 내지 1.5중량%의 암모늄 히드록사이드를 포함하고 pH가 8 내지 14인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 액체 캐리어가 물을 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 부식 억제제가 페놀 화합물인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 제 1 CMP 슬러리 내의 페놀 화합물이 0.001 내지 5중량% 수준에서 존재하는 카테콜인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 전도성 금속에 대한 제 1 베이스 웨이퍼의 선택도가 0.5 내지 2.0의 범위 내인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  18. 제 1항에 있어서, 베이스 웨이퍼가 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 7,500 옹스트롬 이상의 속도로 제 1 CMP 슬러리를 이용하여 연마되는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  19. 제 1항에 있어서, 제 1 CMP 슬러리의 pH가 염기성인, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  20. 제 1항에 있어서, 베이스 웨이퍼의 후면을 화학 기계적으로 연마시키기 전에 베이스 웨이퍼의 후면에 그라인딩(grinding) 단계가 실시되지 않는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  21. 제 1항에 있어서, 베이스 웨이퍼의 후면을 화학 기계적으로 연마시키기 전에 베이스 웨이퍼의 후면에 그라인딩 단계가 실시되는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  22. 제 1항에 있어서, 베이스 웨이퍼의 후면을 제 1 CMP 슬러리를 이용하여 연마시키기 전에 베이스 웨이퍼의 후면을 사전 처리 슬러리로 CMP시키는 단계를 추가로 포함하며, 상기 사전 처리 슬러리는 7 psi의 하향력으로 분당 5,000 옹스트롬 이상의 속도로 베이스 웨이퍼를 연마시키는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  23. 제 1항에 있어서, 전도성 금속을 포함하며 베이스 웨이퍼의 전면으로부터 연장되는 하나 이상의 전도성 비아가, 전도성 금속이 실리콘을 통해 이동하지 않도록 구성된 배리어 물질을 추가로 포함하고,
    상기 방법은 베이스 웨이퍼의 후면을 제 1 CMP 슬러리로 연마시킨 후에 베이스 웨이퍼의 후면을 제 2 CMP 슬러리로 연마시키는 단계로서, 상기 제 2 CMP 슬러리가 0.6 내지 1.5의, 배리어 물질에 대한 전도성 금속의 선택도를 갖는 단계를 추가로 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  24. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 노출된 비아를 포함하는 제 2 베이스 웨이퍼를, 제 1 베이스 웨이퍼의 후면 상의 하나 이상의 전도성 비아로 전기적으로 접속시키는 것을 추가로 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  25. 제 1항에 있어서, 제 1 베이스 웨이퍼를 연마시킨 후에 제 1 베이스 웨이퍼의 후면 상에 회로를 형성시키는 단계로서, 상기 회로의 일부 또는 전부를 제 1 베이스 웨이퍼의 후면 상의 하나 이상의 노출된 전도성 비아로 전기적으로 접속시키는 단계를 추가로 포함하는, 두 개 이상의 베이스 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  26. 두 개의 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법으로서,
    a) 전면 및 후면을 구비한 실리콘 베이스 웨이퍼를 제공하는 단계로서, 전면이 이 위에 배치된 집적 회로를 포함하고, 실리콘 베이스 웨이퍼가, 전도성 금속을 포함하며 실리콘 베이스 웨이퍼의 전방으로부터 실리콘 베이스 웨이퍼를 통해 부분적으로 또는 전체적으로 연장되는 하나 이상의 전도성 비아를 포함하는 단계;
    b) 실리콘 베이스 웨이퍼의 전면을 캐리어에 고정시키는 단계;
    c) 실리콘 베이스 웨이퍼의 후면을 연마 패드 및 제 1 CMP 슬러리와 접촉시키는 단계로서, 제 1 CMP 슬러리가
    1) 물,
    2) 0.05 내지 10중량%의 과요오드산,
    3) 연마제, 및
    4) 하나 이상의 유기 산 또는 아미노-카르복실산을 포함하는 단계; 및
    d) 하나 이상의 전도성 비아가 노출될 때까지 웨이퍼 후면을 연마시키는 단계로서, 제 1 CMP 슬러리가 7 psi 또는 그 미만의 하향력으로 분당 10,000 옹스트롬 이상의 속도로 실리콘을 연마시키는 단계를 포함하는, 두 개의 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  27. 제 26항에 있어서, 실리콘 베이스 웨이퍼의 후면을 화학 기계적으로 연마시키기 전에 실리콘 베이스 웨이퍼의 후면에 그라인딩 단계가 실시되지 않는, 두 개의 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  28. 제 26항에 있어서, 제 1 CMP 슬러리가 시트르산 및 글리신을 포함하는, 두 개의 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  29. 제 26항에 있어서, 구리에 대한 실리콘의 선택도가 0.5 내지 1.5의 범위 내인, 두 개의 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  30. 제 26항에 있어서, 하나 이상의 노출된 비아를 포함하는 제 2 실리콘 웨이퍼를, 제 1 베이스 웨이퍼의 후면 상의 하나 이상의 전도성 비아로 전기적으로 접속시키는 것을 추가로 포함하는, 두 개의 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
  31. 제 26항에 있어서, 제 1 CMP 슬러리가 10.5 내지 11.5의 pH를 갖는, 두 개의 웨이퍼를 포함하는 조립체를 구성하는 방법.
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