TWI575040B - 可用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物及其用途 - Google Patents

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Description

可用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物及其用途
本發明係關於一種拋光組成物,特定言之,係關於一種用於研磨矽通孔(through-silicon via,TSV)晶圓之拋光組成物。本發明亦關於一種使用該拋光組成物研磨TSV晶圓之方法。
TSV晶圓1之原始結構如第1圖所示,其包含一積體電路層11、一位於該積體電路層11上之矽晶圓層12及導電材料13。其中,導電材料13係埋設於矽晶圓層12中,與矽晶圓層12之表面121概呈垂直且與積體電路層11連接。一般而言,在未經研磨之TSV晶圓中,導電材料13的端面131距離矽晶圓層12的表面121約數百微米。
表面121隨後將藉由「粗拋(grinding)」研磨,使矽晶圓層12快速薄化,同時使導電材料13之端面131與矽晶圓層12的表面121間之距離減少至約數十微米。
待粗拋並薄化矽晶圓層12後,靠近表面121的地方會形成一損害層(damage layer)14,如第2圖所示;因此,在粗拋步驟後,需以化學機械研磨(chemical mechanical polishing,簡稱為「CMP」)對表面121進行「精拋」(fine polishing),以修飾並移除損害層14,並進一步使TSV晶圓1研磨至所欲狀態。
TSV晶圓1於精拋後之理想狀態端視後續製程之需求而有所不同;例如可使導電材料13的端面131與包繞於其周圍之矽晶圓層12的頂面121齊平(如第3圖所示),或是使端面131凸出於該頂面121(如第4圖所示)。
在實務操作上,當TSV晶圓進行CMP製程時,矽晶圓層12與導電材料13通常是同時進行研磨,因此,對於需研磨大量TSV晶圓的廠商而言,若可同時且快速地移除矽晶圓層12與導電材料13至一適當狀態,則可在製備程序上省下極可觀的工時成本;然而,目前市面上可取得的拋光組成物,主要都是針對僅具有矽或導電材料之單一材質的一般晶圓所設計,並不適合直接用來研磨TSV晶圓。
美國專利第4,169,337揭露一種用於矽晶圓之拋光組成物,其包含膠態二氧化矽(SiO2)研磨粒子或矽膠(silica gel)與水溶性胺;美國專利第5,230,833號則揭露另一種用於矽晶圓之拋光組成物,其包含膠態二氧化矽研磨粒子、有機鹼及殺菌劑。如今,業界的看法是含有二氧化矽研磨粒子與有機鹼之拋光組成物可對矽展現明顯的研磨效果。
美國專利號5,225,034號揭露一種用於主要含有銅之金屬層的拋光組成物,其包含水、固體研磨物質與選自以下群組之第三成分:硝酸銀(AgNO3)、硝酸(HNO3)及硫酸(H2SO4)及其混合物。一般而言,本業界常用之導電材料拋光組成物中常含有酸性成分。
上述的拋光組成物皆適合用以研磨如矽或導電材料之單一特定材質,然而,若同時研磨矽與導電材料,二材質之移除速率差異過大,因此,難以藉由增加拋光組成物中之特定組份的含量而同步提升矽及導電材料的研磨速率;例如,增加拋光組成物中有機鹼的濃度時(如乙二胺),矽之移除速率的提升幅度顯然超過導電材料者甚多,即,此時矽之移除速率可能超過約10,000埃米/分鐘(/min)以上,但導電材料之移除速率卻可能僅為1,000埃米/分鐘左右。
類似地,過氧化氫,一種常用於拋光組成物中之氧化劑,可幫助研磨導電材料,但是卻可能使矽容易氧化為堅硬的二氧化矽。於是,當拋光組成物中過氧化氫的含量增加時,導電材料的移除速率也將隨之提升,但矽的移除速率則反而明顯降低。
由此看來,過氧化氫並不適用於作為同時研磨矽與導電材料之拋光組成物中的組份。至此,半導體業界需要一種適合研磨具有矽與導電材料之TSV晶圓、可穩定且同時移除TSV晶圓上待研磨的導電材料與矽、且拋光組成物的成分係易於取得,以及相關的研磨方法。
本案發明人嘗試以亞氯酸鹽或溴酸鹽為氧化劑組合有機鹼性化合物及螯合劑作為拋光組成物中之所含物料。所配製出的拋光組成物竟出人意表地對矽與導電材料展現出良好的研磨效果。
因此,本發明之目的旨在提供一種用於研磨TSV晶圓之拋光組成物,該拋光組成物包括有機鹼性化合物、氧化劑、螯合劑、氧化矽研磨粒子、及溶劑。
本發明之另一目的在於提供一種之研磨方法,其使用上述拋光組成物以可同時且穩定地移除TSV晶圓上待研磨的導電材料與矽,該研磨方法包含:使用一拋光組成物對一TSV晶圓之表面進行一研磨處理,以同時移除該TSV晶圓上之矽與導電材料。
藉由本發明之拋光組成物與使用該組成物之研磨方法,可在未使用過氧化氫的情況下,以較可接受的速率同時移除TSV晶圓上之矽與導電材料,並為TSV晶圓之CMP製程提供了一個新穎、可靠的拋光組成物與研磨方法。
本發明旨在提供一種用於研磨TSV晶圓之拋光組成物,根據本發明,拋光組成物之pH值、各成分之種類與濃度並無特定限制。然考慮本發明拋光組成物之成本、所發揮之研磨功效,及配合業界實務,以下將針對各成分的種類與用量,提供進一步說明及建議。
在本發明之拋光組成物中,有機鹼性化合物較佳係選自以下群組:二胺類、三胺類、四胺類及前述之組合;適合的有機鹼性化合物包含,例如乙二胺(ethylenediamine)、N-(2-羥乙基)乙二胺(N-(2-hydroxyethyl)ethylenediamine)、1,2-二胺丙烷(1,2-diamino propane)、二伸乙三胺(diethylenetriamine)、三伸乙四胺(triethylenetetramine)、或前述之組合。於以下實施例中,所示範使用之有機鹼性化合物為乙二胺與1,2-二胺丙烷。
有機鹼性化合物的含量較佳是佔本發明拋光組成物的約0.01重量%至約25重量%,更佳地是佔約0.1重量%至約20重量%。於以下實施例中,所示範使用之有機鹼性化合物濃度是約0.5重量%至約15重量%。
根據本發明,該拋光組成物中所含的氧化劑是選自以下群組:亞氯酸鹽、溴酸鹽及前述之組合。例如,該氧化劑可選自以下群組:亞氯酸鹼金屬鹽(alkaline chlorites)、亞氯酸銨鹽(ammonium chlorites)、溴酸鹼金屬鹽(alkaline bromates)、溴酸銨鹽(ammonium bromates)及前述之組合。較佳地,該氧化劑係選自以下群組:亞氯酸鈉、亞氯酸鉀、亞氯酸銨、亞氯酸四甲基銨(tetramethyl ammonium chlorite)、溴酸鈉、溴酸鉀、溴酸銫、溴酸銨及前述之組合。於本發明某些較佳實施態樣中,該拋光組成物包含亞氯酸鈉及/或溴酸鉀作為氧化劑。
較佳地,本發明拋光組成物含有以ClO2 -及BrO3 -之總濃度計為約0.005重量莫耳濃度至約1重量莫耳濃度,更佳為約0.01重量莫耳濃度至約0.5重量莫耳濃度之氧化劑。即,於1,000公克的本發明拋光組成物中,ClO2 -及BrO3 -之總莫耳數較佳為約0.005莫耳至約1莫耳,更佳約0.01莫耳至約0.5莫耳。根據本發明之部分實施態樣,氧化劑為亞氯酸鹽且以約0.02重量莫耳濃度至約0.4重量莫耳濃度的ClO2 -濃度存在於拋光組成物中;或者,該氧化劑為溴酸鹽且以約0.03重量莫耳濃度至約0.3重量莫耳濃度的BrO3 -濃度存在於拋光組成物中。
本發明之拋光組成物更包含一螯合劑,於不受理論限制下,添加螯合劑可用於維持矽的移除速率。特定言之,當研磨同時含有矽與導電材料的TVS晶圓時,矽的研磨速率會受到影響且逐漸降低,原因可能在於研磨機台與工具被研磨過程中所產生的導電材料離子所污染。令人驚奇地,本案發明人發現拋光組成物中之螯合劑有助於移除導電材料離子,即形成螯合物,而可限制TSV晶圓上之矽的移除速率的降差(drop)。
根據本發明,適合的螯合劑通常具式(R2)n2-R-(R1)n1,其中R係C1-C8伸烷基、C2-C8伸烯基或C6-C12芳香族環,其係未經取代或經一或多個取代基取代,該取代基係選自以下群組:-C(O)OH、-OH、-(CH2)xP(O)(OH)2及C1-C4烷基,其中x係0、1、2或3,且其中,C1-C8伸烷基及C2-C8伸烯基中之一或多個碳原子可經選自O、N及S之雜原子替代;各R1係獨立為-C(O)OH或-(CH2)xP(O)(OH)2,其中x係0、1、2或3;各R2係獨立為H、-C(O)OH或-(CH2)xP(O)(OH)2,其中x係0、1、2或3;以及n1與n2係獨立為1或2。較佳地,於式(R2)n2-R-(R1)n1中,R係C1-C4伸烷基、C2-C4伸烯基、>N(CH2)2NH(CH2)2N<或苯基,其係未經取代或經一或多個取代基取代,該取代基係選自以下群組:-C(O)OH、-OH、-(CH2)P(O)(OH)2及甲基。
舉例言之,該螯合劑可選自以下群組:檸檬酸(如其單水合物)、水楊酸、DL-酒石酸、蘋果酸、琥珀酸、丙烯酸、乳酸、己二酸、二伸乙三胺五(亞甲基膦酸)(diethylene triamine penta(methylene phosphonic acid,DTPMPA,如 2060S)、羥亞乙基二膦酸(hydroxy ethylidene diphosphonic acid,HEDP,如 2010)及前述之組合;且較佳係選自以下群組:水楊酸、丙烯酸、DL-酒石酸、HEDP、乳酸、檸檬酸、己二酸、DTPMPA及前述之組合。
螯合劑的含量係佔該拋光組成物的約0.01重量%至約15重量%,較佳地係佔約0.1重量%至約10重量%。於以下實施例中,所示範使用之螯合劑係佔本發明拋光組成物的約0.5重量%至約8重量%。
另外,該溶劑可為水,如以下實施例中所示範者。
該氧化矽研磨粒子可選自以下群組:膠態氧化矽(colloid silica)、煙霧狀氧化矽(fumed silica)、沉澱氧化矽(precipitated silica)及前述之組合。於以下實施例中,所示範使用之氧化矽研磨粒子為膠態氧化矽。
於本發明拋光組成物中,氧化矽研磨粒子較佳是佔約0.01重量%至約30重量%,更佳是佔約0.1重量%至約15重量%。於以下實施例中,所示範使用之氧化矽研磨粒子的濃度是佔約0.5重量%至約10重量%。
根據本發明,拋光組成物之pH值範圍較佳是大於9,更佳是大於10。
本發明亦提供一種使用如上述之拋光組成物之研磨TSV晶圓的方法,特定言之,本發明之研磨方法是使用上述本發明拋光組成物對一TSV晶圓之表面進行一研磨處理。於研磨處理進行時,拋光組成物是以一流速流向研磨墊與TSV晶圓之間的地方,同時以一研磨壓力使TSV晶圓接觸研磨墊,TVS晶圓與研磨墊具有各自的轉速以研磨TSV晶圓。
須先說明的是,上述「TSV晶圓之表面」係指該TSV晶圓中遠離其積體電路層11的表面,其可能為矽晶圓層之表面121(如第1圖所示),或者同時包含導電材料13之端面131(如第3圖所示)。
在此操作下,TSV晶圓上待研磨之矽的移除速率的降差可受到限制,且可同時移除TSV晶圓上的矽與導電材料;其中,導電材料較佳地係選自於銅、鎢、鋁及多晶矽。於以下實施例中,所示範使用之導電材料的材質為銅。
需說明的是,本發明方法可配合各式研磨機台之構件設計、或使用者的操作習慣加以調整。各物料可先摻混成本發明拋光組成物後,再透過該研磨機台而流出,或者是使各物料同步且分別地經由研磨機台的不同管道引入,再流出並同時混合成本發明拋光組成物;另,為便於組合物的穩定性與運輸、或使用者儲放物料之便利性,亦可將本發明拋光組成物分開或合併配置成濃縮液。於以下實施例中,是以「先將各物料混摻成較佳濃度之拋光組成物,再透過研磨機台流出」的操作方式來進行示範。
以下將以各實施例及比較例來說明本發明之實施態樣與功效,各實施例與比較例之拋光組成物中的物料種類與含量係列於表1中。該等實施例與比較例將使用到下列化學品與設備,且須注意的是,該等實施例僅為例示說明之用,不應作為限制本發明範圍之解釋。
若未特別說明,各實施例與比較例中之研磨方法皆是在常溫常壓的環境下,以水為溶劑配製成各自的拋光組成物,並各對一第一矽空白晶圓、一銅空白晶圓與一第二矽空白晶圓在一預定時間內進行研磨。矽與銅之研磨速率則是於研磨開始前及結束後量測晶圓厚度並計算而得。各實施例與比較例的研磨方法皆使用相同的機台參數【即研磨壓力3磅/吋、研磨頭轉速(亦即TSV晶圓轉速)87轉/分鐘、研磨墊轉速93轉/分鐘、拋光組成物之流速200毫升/分鐘、研磨時間1分鐘】。
物料與器材包含:(1)研磨機台:商購自韓國G&P公司之POLI-500;(2)研磨墊:商購自美商Cabot Microelectronics公司之EPIC D100研磨墊;(3)矽空白晶圓(bare silicon wafer):商購自美商Silicon Valley Microelectronics公司之一般矽空白晶圓;(4)銅空白晶圓(blanket copper wafer):商購自美商SKW Associates公司、銅膜厚度為1.5微米之銅空白晶圓;(5)氧化矽研磨粒子:商購自Akzo Nobel公司(阿姆斯特丹,荷蘭)之BINDZIL SP599L;(6)商購自數家供應商包含如Sigma-Aldrich(密蘇里,美國)、Alfa Aesar(麻薩諸塞州,美國)、ACROS(吉爾,比利時)、MERCK KGaA(達姆施塔特,德國)、Showa Chemical(東京,日本)及Thermphos(楚格,瑞士)之純度99%或以上之化學試劑:乙二胺(EDA)、1,2-二胺丙烷(DAP)、亞氯酸鈉(NaClO2)、溴酸鉀(KBrO3)、水楊酸、DL-酒石酸、檸檬酸單水合物、丙烯酸、乳酸、 2060S(二伸乙三胺五(亞甲基膦酸),DTPMPA)、 2010(羥亞乙基二膦酸,HEDP)以及己二酸。
實施例1至15顯示根據本發明之研磨TSV晶圓的方法可同時研磨TSV晶圓上的導電材料與矽材質。已發現,相較於比較例1(未添加螯合劑),實施例1至15中第一矽空白晶圓與第二矽空白晶圓的移除速率的降差係優於比較例1,即於研磨TSV晶圓期間,添加螯合劑可適度地限制矽的移除速率的降差。
因此,根據本發明之拋光組成物與TSV晶圓之研磨方法為現有TSV晶圓之CMP領域提供了一可穩定且同時地研磨矽材質與導電材料且大幅節約工時成本之技術方案。
所有列於本文中之文獻(包含出版物、專利公開案、專利案)皆列於此處以供參考,如同該等文獻已單獨且具體地引述於本文中。
除非文中有另外說明或在文意中已清楚否定,於本說明書中(尤其是在後述專利申請範圍中)所使用之「一」、「該」及類似用語應理解為包含單數及複數形式。除非其它說明,「包括」、「包含」、「具有」等用語應理解為開放式用語(意指「包含提及者,但不非限於此」)。除非額外說明,在本文數值範圍之記載形式僅作為各別說明各個落於所載範圍之獨立數值的簡記方式,且各個獨立數值應視為已各別列於本文之中。除非額外說明或文亦中已清楚否定,本文中所有方法均可以任何適當順序實施。除非額外主張,本文中任何及所有實施例之用法、或表示示範之用語(如「例如」)係用來具體說明本發明,蓋其無限制本發明之含意。在本說明書所有關乎實施本發明之用語皆不應視為非主張要件。
本文已說明本發明之較佳實施態樣(包含本案發明人所悉知之最佳實施態樣)。在本說明指引下,在本領域中具有通常知識者當明瞭該等較佳實施態樣之變化態樣,本案發明人希望本領域具通常知識者可適當運用本案之變化態樣並應用本發明於未陳述之技術領域。至此,根據現行法律,本發明當包含所有專利申請範圍中所列標的之調整變化及等意範圍。此外,除非額外說明或文意中已清楚否定,任何本文中所述要件之組合亦包含於本發明範圍中。
1...TSV晶圓
11...積體電路層
12...矽晶圓層
121...矽晶圓層之頂面
13...導電材料
131...導電材料之端面
14...損害層
第1圖為一未經研磨之TSV晶圓之原始結構示意圖;
第2圖為TSV晶圓經粗拋前後之各構件之相對狀況示意圖;以及
第3圖與第4圖各為經CMP研磨後導電材料之端面示意圖,其中導電材料的端面是齊平於或凸出於該矽晶圓層的表面。
1...矽通孔晶圓
11...積體電路層
12...矽晶圓層
121...矽晶圓層之頂面
13...導電材料
131...導電材料之端面

Claims (16)

  1. 一種用於拋光矽通孔(TSV)晶圓之拋光組成物,包含有機鹼性化合物、氧化劑、螯合劑、氧化矽研磨粒子、及溶劑;其中,該氧化劑係選自以下群組:亞氯酸鹽、溴酸鹽及前述之組合,該螯合劑具式(R2)n2-R-(R1)n1,其中:R係C1-C8伸烷基、C2-C8伸烯基或C6-C12芳香族環,其係未經取代或經一或多個取代基取代,該取代基係選自以下群組:-C(O)OH、-OH、-(CH2)xP(O)(OH)2及C1-C4烷基,其中x係0、1、2或3,且其中C1-C8伸烷基及C2-C8伸烯基中之一或多個碳原子可經選自O、N及S之雜原子替代;各R1係獨立為-C(O)OH或-(CH2)xP(O)(OH)2,其中x係0、1、2或3;各R2係獨立為H、-C(O)OH或-(CH2)xP(O)(OH)2,其中x係0、1、2或3;以及n1與n2係獨立為1或2。
  2. 如請求項1之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該有機鹼性化合物係選自以下群組:二胺類、三胺類、四胺類及前述之組合;該氧化劑係選自以下群組:亞氯酸鹼金屬鹽、亞氯酸銨鹽、溴酸鹼金屬鹽、溴酸銨鹽及前述之組合。。
  3. 如請求項1或2之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該有機鹼性化合物係選自以下群組:乙二胺、N-(2-羥乙基)乙二胺、1,2-二胺丙烷、二伸乙三胺、三伸乙四胺及前述之組合;該氧化劑係選自於以下群組:亞氯酸鈉、亞氯酸鉀、亞氯酸銨、亞氯酸四甲基銨、溴酸鈉、溴酸鉀、溴酸銫、溴酸銨及前述之組合。
  4. 如請求項3之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該有機鹼性化合物係乙二胺;該氧化劑係選自以下群組:亞氯酸鈉、溴酸鉀及前述之組合。
  5. 如請求項1或2之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該有機鹼性化合物之含量係佔該拋光組成物的約0.01重量%至約25重量%;該拋光組成物含有以ClO2 -及BrO3 -之總濃度計係約0.005重量莫耳濃度至約1重量莫耳濃度之該氧化劑。
  6. 如請求項5之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該有機鹼性化合物之含量係佔該拋光組成物的約0.1重量%至約20重量%;該拋光組成物含有以ClO2 -及BrO3 -之總濃度計係約0.01重量莫耳濃度至約0.5重量莫耳濃度之該氧化劑。
  7. 如請求項1之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該氧化矽研磨粒子之含量係佔該拋光組成物的約0.01重量%至約30重量%。
  8. 如請求項1之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該溶劑係水。
  9. 如請求項1之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中:R係C1-C4伸烷基、C2-C4伸烯基、>N(CH2)2NH(CH2)2N<或苯基,其係未經取代或經一或多個取代基取代,該取代基係選自以下群組:-C(O)OH、-OH、-(CH2)P(O)(OH)2及甲基。
  10. 如請求項1或9之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該螯合劑係選自以下群組:檸檬酸、水楊酸、DL-酒石酸、蘋果酸、琥珀酸、丙烯酸、乳酸、己二酸、二伸乙三胺五(亞甲基膦酸)(diethylene triamine penta(methylene phosphonic acid,DTPMPA)、羥亞乙基二膦酸(hydroxy ethylidene diphosphonic acid,HEDP)及前述之組合。
  11. 如請求項10之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該螯合劑係選自以下群組:水楊酸、丙烯酸、DL-酒石酸、HEDP、乳酸、檸檬酸、己二酸、DTPMPA及前述之組合。
  12. 如請求項1或9之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該螯合劑之含量係佔該拋光組成物的約0.01重量%至約15重量%。
  13. 如請求項12之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該螯合劑之含量係佔該拋光組成物的約0.1重量%至約10重量%。
  14. 如請求項13之用於拋光矽通孔晶圓之拋光組成物,其中該螯合劑之含量係佔該拋光組成物的約0.5重量%至約8重量%。
  15. 一種研磨矽通孔晶圓之方法,包含使用一如請求項1至14中任一項之拋光組成物對一矽通孔晶圓之表面進行一研磨處理,以同時移除該矽通孔晶圓上之矽與導電材料。
  16. 如請求項15之拋光矽通孔晶圓之方法,其中該導電材料之材質係銅。
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