CN105598825A - 提高glsi硅通孔碱性cmp中铜膜厚度一致性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，具体步骤如下：测量抛光片的初始铜膜厚度，选择抛光垫；调整FA/O抛光液的流速150—300mL/min、抛光机的工作压力12kPa-40kPa、抛光头的转速30rpm—120rpm和抛光盘的转速30pm-120rpm，抛光时间60s-300s，开始抛光；在抛光结束后将抛光片取出，清洗干净，选取多个测试点测量抛光后的剩余铜膜厚度，用抛光前后的铜膜厚度差换算出抛光速率，有益效果：在FA/O表面活性剂与抛光头/抛光盘转速的协同作用下提高了抛光片表面质量传递与温度均匀性，从而控制铜膜的一致性，可以使片内非均匀性降至3％以下。

Description

提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法
技术领域
本发明属于化学机械抛光领域，尤其涉及一种提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法。
背景技术
随着集成电路的发展，芯片的集成度越来越高，芯片互连技术的一些挑战也随之而来，摩尔定律在传统的二维封装中已经走到了极限，因此需要研发新的路线。三维IC集成技术正席卷半导体工业，穿透硅通孔(TSV)技术是3D硅集成与3DIC集成的最重要的核心技术。其优点包括减少互连线延迟，增加带宽，降低功耗和减少成本，它是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。制作TSV所用的工艺步骤有：(1)通过刻蚀在硅晶体中形成通孔；(2)淀积氧化介质层；(3)淀积金属粘附层/阻挡层/种子层；(4)通过电化学反应往通孔中淀积铜金属；(5)通过化学机械抛光(CMP)将氧化介质层上多余的铜与阻挡层除去。TSV制程的集成方式非常多，但都面临一个共同的难题。TSV的结构如图1所示，由于把铜填满深达300μm的通孔需要较长的电镀时间，则会在晶圆表面淀积一层厚度不均的铜膜。最厚处可达60μm，是常规互连线淀积铜膜厚度的60倍之多。为了提高生产效率必须将多余铜膜快速清除，故对硅通孔多余铜膜的CMP工艺提出了更高的要求。虽然现在铜膜的去除速率已经满足生产要求，但是由于抛光片直径越来越大、抛光过程中温度分布不均等因素的限制，去除铜膜厚度的一致性至今未能解决，一致性的好坏直接影响器件的电参数以及产品的成品率和优品率，解决一致性问题对硅通孔技术的发展和应用具有重要意义。CNIO2248477A公开了一种化学机械抛光方法,其特征在于，包括：利用抛光头夹持晶圆以在抛光盘上对所述晶圆进行化学机械抛光，其中在所述化学机械抛光过程中，所述抛光头自转且沿所述抛光盘的径向往复平移，所述往复平移覆盖所述抛光盘的半径，但并未对抛光过程中铜膜厚度的一致性进行说明。
US7037350B2公开了含有硝酸轻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的去除速率，对其去除速率的一致性并未提及。
US20030008599A1公开了一种化学机械抛光方法。该方法通过在抛光过程的不同阶段引入氧化剂和还原剂来改变铜抛光速率，降低抛光后铜的碟形凹陷。但对其抛光过程中铜膜厚度的一致性并未提及。
US20100130101A1公开了化学机械抛光方法，该方法通过用两条管路将不同的抛光液成分引入到抛光垫上，在线混合成抛光液用于抛光。通过调节不同成分的流量来调节抛光速率。但对其抛光过程中铜膜厚度的一致性并未提及。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，通过抛光液中FA/O表面活性剂在抛光过程中的优先吸附原理可以控制反应表面的温度分布和质量传递；通过抛光头与抛光盘的转速可以控制抛光片线速度，使铜膜一致性得到显著提升。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，其特征是：具体步骤如下：
一、测量抛光片的初始铜膜厚度，选择抛光垫并用修整器修整，修整时间为60s；
二、调整FA/O抛光液的流速150—300mL/min、抛光机的工作压力12kPa-40kPa、抛光头的转速30rpm—120rpm和抛光盘的转速30pm-120rpm，抛光时间60s-300s，开始抛光；
三、在抛光结束后将抛光片取出，清洗干净，选取多个测试点测量抛光后的剩余铜膜厚度，用抛光前后的铜膜厚度差换算出抛光速率，考察速率一致性，铜镀膜去除速率一致性通过片内非均匀性表示，片内非均匀性越小说明去除速率一致性越好，即抛光后铜膜厚度一致性越好。
所述FA/O抛光液主要由研磨颗粒、FA/O螯合剂、FA/O表面活性剂、过氧化氢和超纯水组成；研磨颗粒含量为重量百分比1—30％，FA/O螯合剂的含量为重量百分比1—10％，FA/O表面活性剂的含量为重量百分比0.01—5％，氧化剂的含量为重量百分比0.01—3％，用水补足含量至重量百分比100％，其pH值优选为9—12。
所述的研磨颗粒为粒径20—100nm的二氧化硅水溶胶。
所述超纯水的电阻率为18.1MΩ.cm。
所述修整器为金刚石修整器。
有益效果：与现有技术相比，本发明的化学机械抛光方法中可使抛光表面吸附物处理易清洗的物理吸附状态，有利于表面沾污物的去除，同时减少损伤层。另外，抛光头和抛光盘设定的转速可以使抛光片的线速度达到最优值，使抛光片边缘与中心的温度和质量传递均趋于一致，在FA/O表面活性剂与抛光头/抛光盘转速的协同作用下提高了抛光片表面质量的均匀性，从而控制铜膜抛光速率的一致性，可以使片内非均匀性降至3％以下。
附图说明
图1是TSV结构的剖面图；
图2是抛光中加入活性剂，晶圆上凹凸部位出现速率差的示意图。
具体实施方式
下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
本发明提供了一种提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，具体步骤如下：
一、用CornellRESMAP463FOUP四探针测量抛光片的初始铜膜厚度，选择抛光垫并用修整器修整，修整时间为60s；
二、调整FA/O抛光液的流速150—300mL/min、抛光机的工作压力12kPa-40kPa、抛光头的转速30rpm—120rpm和抛光盘的转速30pm-120rpm，抛光时间60s-300s，开始抛光；
三、在抛光结束后将抛光片取出，清洗干净，选取多个测试点测量抛光后的剩余铜膜厚度，用抛光前后的铜膜厚度差换算出抛光速率，考察速率一致性，铜镀膜去除速率一致性通过片内非均匀性表示，片内非均匀性越小说明去除速率一致性越好，即抛光后铜膜厚度一致性越好。
所述FA/O抛光液主要由研磨颗粒、FA/O螯合剂、FA/O表面活性剂、过氧化氢和超纯水组成；研磨颗粒含量为重量百分比1—30％，FA/O螯合剂的含量为重量百分比1—10％，FA/O表面活性剂的含量为重量百分比0.01—5％，氧化剂的含量为重量百分比0.01—3％，用水补足含量至重量百分比100％，其pH值优选为9—12。所述的研磨颗粒粒径为20—100nm。
所述超纯水的电阻率为18.1MΩ.cm。
FA/O抛光液制备方法：将除氧化剂以外的其他组分按上述比例混合搅拌均匀，使用前加氧化剂，搅拌均匀即可使用。
抛光垫采用美国IC1000—A2型抛光垫。所述修整器为金刚石修整器。
实施例1
配制2kgFA/O抛光液，进行化学机械抛光。
取1000g粒径80nm二氧化硅水溶胶，边搅拌边加入50gFA/OⅡ型螯合剂，然后边搅拌边加入15gFA/OⅠ型表面活性剂，之后边搅拌边加入到去离子水927.5g中，最后边搅拌边分别加入7.5g过氧化氢；将抛光片用无水酒精擦净，用水冲洗干净残余酒精后把抛光片加载到抛光机台上。工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：65/60rpm；流量:225mL/min，抛光时间180s。抛光结束后取出抛光片，先用水冲洗干净，后用氮气将水吹干，将抛光片放入无尘盒中送去检测室。结果为：铜膜去除速率1.94μm/min；片内非均匀性为2.9％。
实施例2
配制2kgFA/O抛光液，进行化学机械抛光。
取1000g粒径80nm二氧化硅水溶胶，边搅拌边加入50gFA/OⅡ型螯合剂，然后边搅拌边加入15gFA/OⅠ型表面活性剂，之后边搅拌边加入到去离子水927.5g中，最后边搅拌边分别加入7.5g过氧化氢；将抛光片用无水酒精擦净，用水冲洗干净残余酒精后把抛光片加载到抛光机台上。工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：85/80rpm；流量:225mL/min，抛光时间180s。抛光结束后取出抛光片，先用水冲洗干净，后用氮气将水吹干，将抛光片放入无尘盒中送去检测室。结果为：铜膜去除速率1.92μm/min；片内非均匀性为3.2％。
实施例3
配制2kgFA/O抛光液，进行化学机械抛光。
取1000g粒径80nm二氧化硅水溶胶，边搅拌边加入50gFA/OⅡ型螯合剂，然后边搅拌边加入15gFA/OⅠ型表面活性剂，之后边搅拌边加入到去离子水927.5g中，最后边搅拌边分别加入7.5g过氧化氢；将抛光片用无水酒精擦净，用水冲洗干净残余酒精后把抛光片加载到抛光机台上。工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：105/100rpm；流量:225mL/min，抛光时间180s。抛光结束后取出抛光片，先用水冲洗干净，后用氮气将水吹干，将抛光片放入无尘盒中送去检测室。结果为：铜膜去除速率1.91μm/min；片内非均匀性为3.7％。
实施例4
配制2kgFA/O抛光液，进行化学机械抛光。
取1000g粒径80nm二氧化硅水溶胶，边搅拌边加入50gFA/OⅡ型螯合剂，然后边搅拌边加入到去离子水942.5g中，最后边搅拌边分别加入7.5g过氧化氢；将抛光片用无水酒精擦净，用水冲洗干净残余酒精后把抛光片加载到抛光机台上。工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：65/60rpm；流量:225mL/min，抛光时间180s。抛光结束后取出抛光片，先用水冲洗干净，后用氮气将水吹干，将抛光片放入无尘盒中送去检测室。结果为：铜膜去除速率1.84μm/min；片内非均匀性为11％。
实施例5
配制2kgFA/O抛光液，进行化学机械抛光。
取1000g粒径80nm二氧化硅水溶胶，边搅拌边加入50gFA/OⅡ型螯合剂，然后边搅拌边加入到去离子水942.5g中，最后边搅拌边分别加入7.5g过氧化氢；将抛光片用无水酒精擦净，用水冲洗干净残余酒精后把抛光片加载到抛光机台上。工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：80/40rpm；流量:225mL/min，抛光时间180s。抛光结束后取出抛光片，先用水冲洗干净，后用氮气将水吹干，将抛光片放入无尘盒中送去检测室。结果为：铜膜去除速率1.69μm/min；片内非均匀性为17％。
FA/OⅡ型螯合剂，FA/OⅠ型表面活性剂均为天津晶岭微电子材料有限公司市售商品。
工作原理
通过抛光液中的低表面张力和铺展效应来有效提高质量传递一致性和温度分布一致性，防止300mm晶圆上凸心、凹心和塌边现象的出现，同时在化学机械抛光过程中，所述抛光头自转且沿所述抛光盘的径向往复平移且覆盖抛光盘的半径，使抛光片的线速度趋近最优值，以FA/O表面活性剂和抛光头/抛光盘转速的相同作用来使一致性得到显著提升。以此实现全局平坦化；局部硅通孔与介质的凹凸差通过FA/O表面活性剂的优先吸附原理，在凹处优先吸附活性剂分子层，阻止凹处的质量传递，而凸出在CMP的条件下实现高速率，从而实现局部的平坦化。
其中表面活性剂影响吸附的作用机理是：先把它分散于水中，当用到表面能量很高的硅通孔铜膜新抛镜面时，使它优先吸附于表面上，因是有大分子，它与表面间的吸附为物理吸附，它既能满足降低新生表面能量的要求，又易于吸附后的清洗。抛光时加入活性剂，由于活性剂低的表面张力和铺展效应，加速了反应剂与反应产物的质量传递。
详见附图2中1、2、3处为损伤峰，它除了有向下去除速率，还有周围去除速率，而图2中4、5、6、7处为凹处，仅有向下去除速率，这样峰处出现加速去除效果，实现了低损伤，高平整的表面。
上述参照实施例对该一种提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，其特征是：具体步骤如下：
一、测量抛光片的初始铜膜厚度，选择抛光垫并用修整器修整，修整时间为60s；
二、调整FA/O抛光液的流速150—300mL/min、抛光机的工作压力12kPa-40kPa、抛光头的转速30rpm—120rpm和抛光盘的转速30pm-120rpm，抛光时间60s-300s，开始抛光；
三、在抛光结束后将抛光片取出，清洗干净，选取多个测试点测量抛光后的剩余铜膜厚度，用抛光前后的铜膜厚度差换算出抛光速率，考察速率一致性，铜镀膜去除速率一致性通过片内非均匀性表示，片内非均匀性越小说明去除速率一致性越好，即抛光后铜膜厚度一致性越好。
2.根据权利要求1所述的提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，其特征是：所述FA/O抛光液主要由研磨颗粒、FA/O螯合剂、FA/O表面活性剂、过氧化氢和超纯水组成；研磨颗粒含量为重量百分比1—30％，FA/O螯合剂的含量为重量百分比1—10％，FA/O表面活性剂的含量为重量百分比0.01—5％，氧化剂的含量为重量百分比0.01—3％，用水补足含量至重量百分比100％，其pH值为9—12。
3.根据权利要求2所述的提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，其特征是：所述的研磨颗粒为粒径20—100nm的二氧化硅水溶胶。
4.根据权利要求2所述的提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，其特征是：所述超纯水的电阻率为18.1MΩ.cm。
5.根据权利要求1所述的提高GLSI硅通孔碱性CMP中铜膜厚度一致性的方法，其特征是：所述修整器为金刚石修整器。
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