[发明专利]一种化学机械抛光液及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学机械抛光液及其应用。

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，电路密度的变得更加复杂，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，叠层芯片封装（3D封装）技术逐渐发展起来，3D封装即在垂直方向将芯片叠层，采用直接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。3D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。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。

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的关键。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。硅通孔的尺寸与芯片中的晶体管尺寸有着数量级的差别，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。

硅通孔的制程不同，所涉及的材料和CMP工艺也不一样。图1和2所示的是其中两种比较常见的制程。从图中可见，硅通孔结构中涉及的材料比较多，包括金属铜、阻挡层（钽或钛）、二氧化硅，氮化硅等材料。图1所示为前端铜/阻挡层抛光工艺，其中铜的去除使用TSV铜抛光液并停在阻挡层上，然后用TSV阻挡层抛光液来去除阻挡层、二氧化硅并且调节铜的碟形凹陷。图2所示为后端铜/绝缘层抛光工艺，需要使用具有较高二氧化硅，氮化硅去除速率，铜的速度可调的抛光液来抛光。

发明专利US 2008/0276543 A1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。

发明专利WO 2009/064365 A2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。

发明专利US 6447563 B1介绍了一种二元分装的抛光液，其中第一部分包含有研磨剂、稳定剂和表面活性剂，另一部分包含有氧化剂、酸、胺（含羟胺）、络合剂、含氟化合物、腐蚀抑制剂、杀菌剂、表面活性剂、缓冲试剂中的至少两种。该专利仅列举了两个抛光相关的实施例，SiO2的去除速率也偏低。

发明专利US 6638326 B2和US 7033409 B2介绍了用于阻挡层（钽Ta、氮化钽TaN）抛光的酸性抛光液，其包含有水、氧化剂、胶体二氧化硅研磨剂。其中的氧化剂为硝酸羟胺、硝酸、苯并三氮唑、硝酸铵、硝酸铝、肼或其混合物水溶液。该抛光液具有较高的阻挡层（TaN）去除速率，但对SiO2（ILD）去除速率很低

发明专利US 7514363 B2介绍了一种含有研磨剂、苯磺酸、过氧化物和水的抛光液。该抛光液具有该抛光液具有较高的阻挡层（TaN）去除速率，但对SiO2（ILD）去除速率很低（2psi压力下，）。

综上所述，在此前公开的专利和文献中，并未有一种专门针对TSV阻挡层抛光、晶背铜/介电层抛光的抛光液，即具有较高的介电层（SiO2），较高的钽（Ta）和钛（Ti），较高的氮化硅（SiN）去除速率，且Cu去除速率可调的化学机械抛光液。

发明内容

本发明提供了一种抛光液具有较高的二氧化硅、阻挡层金属、氮化硅的去除速率，金属铜可根据氧化剂的浓度进行调整，并具有合适的敏感度，并对前程的缺陷值（碟型凹陷Dishing）具有较好的矫正作用，表面污染物水平较低。