[发明专利]一种化学机械抛光工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学机械抛光工艺，更具体地说，涉及一种用于硅通孔的化学机械抛光工艺。 

背景技术

作为集成电路制造工艺中的一环，芯片封装技术也随着摩尔定律（Moore’s law）的发展而不断改进。其中，三维封装（3D-packaging）技术自上世纪末以来发展迅速，并且已被应用于如数据储存器、感光数码芯片等的产业化生产工艺之中。三维封装具有尺寸小、硅片使用效率高、信号延迟短等特点，并且使得一些在传统二维封装中无法实现的特殊电路设计成为可能。 

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是三维封装中一道必不可少的环节。通过刻蚀、沉积及化学机械抛光等工序在芯片的背面制造出的硅通孔（Through-silicon Via，TSV）是在芯片之间实现三维堆叠（3D-stacking）的关键。硅通孔的尺寸与芯片中的晶体管尺寸有着数量级的差别——例如目前主流集成电路中的晶体管尺寸已经微缩至100纳米以下，而硅通孔的尺寸一般在几微米到数十微米——因此硅通孔化学机械抛光工艺有着不同于传统化学机械抛光工艺的要求。例如，由于硅通孔结构中的各种介质层都有较大的厚度，因而要求化学机械抛光时要有较高的去除速率。另一方面，硅通孔结构对于平坦化以及表面粗糙度的要求则相对地宽松。 

当前氧化铈抛光液主要被应用于STI（Shallow Trench Isolation，浅槽隔离）和Oxide（二氧化硅）的CMP加工工艺中。氧化铈抛光液的优点在 于SiO₂抛光速度快，经改良后较容易获得高的SiO₂/Si₃N₄选择比。另一方面Barrier Slurry（阻挡层抛光液，阻挡层通常指Ta、TaN，也有用Ru、Co作阻挡层的）也被广泛研究。此前的阻挡层抛光液一般使用二氧化硅作研磨颗粒，通常不需要同时快速去除SiO₂。 

TSV的化学机械抛光是较新的领域，本发明所关注的高选择性TSV阻挡层抛光液结合了前述几种相对较成熟的CMP抛光液的一些优点，并对其不足之处进行了改进。 

发明专利WO 2006/001558 A1介绍了一种用于浅槽隔离（STI）的抛光液，其含有金属氧化物（研磨剂）、表面活性剂、糖类化合物、pH调节剂、防腐剂、稳定剂和去离子水。该抛光液具有高SiO₂/Si₃N₄选择性，但该专利中并未提及抛光液对阻挡层材质（如钽，Ta）的去除速率。 

发明专利US 2008/0276543A1介绍了一种碱性的抛光液，其含有氧化剂、二氧化硅研磨剂、聚乙烯吡咯烷酮、亚胺阻挡层去除剂、碳酸盐、铜腐蚀抑制剂、配体和水。其中的亚胺阻挡层去除剂选自甲脒、甲脒盐、甲脒衍生物、胍、胍盐、胍衍生物中的一种或组合。该发明中所列举实施例中SiO₂（TEOS）去除速率最高只有对于TSV阻挡层抛光而言明显过低，而且实施例中并未提及Si₃N₄去除速率，即SiO₂/Si₃N₄选择性未明。 

发明专利WO 2009/064365A2介绍了一种偏碱性的抛光液，其含有水、氧化剂及硼酸根离子。该专利中的实施例所列举的SiO₂（TEOS）去除速率较低，仅有一个实施例的TEOS去除速率达到了其余均在以下。实施例中亦未提及Si₃N₄去除速率，即SiO₂/Si₃N₄选择性未明。且其实施例中所列举的配方在碱性条件下（pH值约10）使用了过氧化物类（如过氧化氢、过氧碳酸盐等）氧化物——根据以往公开的技术和文献资料，此类氧化物在碱性条件下通常不稳定，而该专利并未针对此问题进行讨论。 

发明专利US 5735963介绍了一种含有羟胺和氧化铝研磨剂的酸性抛光液，但该专利并未列举任何关于去除速率的数据。 

发明专利US 7037350B2介绍了含有硝酸羟胺和聚合物颗粒研磨剂的抛光液。该专利中仅有的三个实施例只列出了抛光液对铜（Cu）的去除速率，对其它物料的去除速率并未提及。