采用cmp对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法
【专利摘要】本发明提出一种采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，该方法采用三步研磨来完成铜及阻挡层去除和聚合物（如Polyimide或BCB）的表面平坦化：首先TSV铜研磨液去除表面的铜，然后用阻挡层研磨液去除阻挡层，最后使用胶体研磨液对聚合物层进行平坦化处理。本发明的优点是：利用聚合物来替换硅作为转接板基板，可以省去CVD沉积介质层的工艺步骤，直接在聚合物表面进行工艺成本大大降低；采用化学机械研磨(CMP)对聚合物表面进行平坦化处理可以提高表面均匀性，使后续高密度小线宽的集成成为可能。
【专利说明】采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，属于半导体制造【技术领域】。
【背景技术】
[0002]大马士革工艺被广泛应用于半导体设计制造中的铜线互连。常见的大马士革工艺流程如下:在硅基板表面生成介质层，然后刻蚀深孔，生成阻挡层，利用PVD的方法在深孔里沉积铜。而应用于TSV转接板中的大马士革工艺稍有不同，先用PVD生成铜种子层，再通过铜电镀工艺填满刻蚀孔。大马士革工艺最后都需要应用CMP去除表面的铜露出介质层完成铜导线的制作。
[0003]目前常见的介质层都是通过CVD生成的氧化物层，其工艺技术相对成熟，表面均匀性好，内部空谷易于控制，但成本高。而以聚合物为介质层的多重大马士革工艺由于聚合物表面平整度较差，因此只能应用于大尺寸线宽的多重布线技术(RDL)，无法实现小线宽高密度集成的产品要求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种采用CMP对以聚合物(如polyimide或BCB)为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化处理的方法，以便获得良好的表面均匀性，同时降低工艺成本。
[0005]按照本发明提供的技术方案，所述的采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，包括以下步骤:
I)作为介质层的聚合物需要进行合理固化，以达到一定的亚胺化程度。固化后的聚合物表面接触角(contact angle)〈70度,在CMP研磨液的作用下更易于水解,保持较高的研
磨速率。
[0006]2)在完成步骤I)的聚合物表面刻蚀深孔并生成阻挡层，然后生成铜种子层，并通过电镀完成铜沉积；
3)采用CMP对完成步骤2)的表面进行平坦化处理，分三步进行:
3.1)在第一研磨垫上去除表面全部的铜，停止在阻挡层上；
3.2)在第二研磨垫上去除表面阻挡层，停止在聚合物介质层上；
3.3)在第三研磨垫上对聚合物进行研磨，调整聚合物表面平整度，使晶圆内均匀性WIff 达到 <1% ；
4)最后对研磨后的晶圆进行清洗。
[0007]进一步的，上述聚合物为聚酰亚胺或苯并环丁烯。
[0008]步骤I所述阻挡层的材料为氮化硅，氧化硅，钛或钽。
[0009]步骤3.1选用研磨速率>=lum/min，选择比(铜:聚合物)>=200:1的TSV铜研磨液，研磨颗粒选用SiO2, CeO2或者Al2O3, PH为:3~7 ;选用表面图案的沟槽深度在2mils~200mils,硬度 >=50 shore D 的研磨垫。
[0010]步骤3.2选用针对阻挡层的研磨液,研磨速率>500 A/min,选择比(铜:聚合物)〈3:1 ;研磨颗粒选用SiO2, CeO2或者Al2O3, PH为:3~7，选用表面图案的沟槽深度在2mils~200mils,硬度 >=50 shore D 的研磨垫。
[0011]步骤3.3选用对聚合物的研磨速率>500nm/min,选择比(铜:聚合物)为1:1,PH>7的研磨液，其研磨颗粒选用SiO2, CeO2或者Al2O3，研磨液中应含有在20~80度工艺环境下粘性稳定在18~300 mPa.s的物质(如:甘油)；最后研磨液中添加增加聚合物表面活性的添加剂:去离子水DIW，氢氧化钾Κ0Η，或四甲基氢氧化铵THAM ;选用的研磨垫表面图案的沟槽深度在2mi I s~200mi I s，硬度在40~50shore D之间，沟槽深度在2mi I s~200mi I s之间。
[0012]步骤3中所述研磨液,其中研磨颗粒大小在5~160 nm范围内，研磨颗粒硬度在30~90 shore D范围内，研磨液中研磨粒的含量在0.01wt%~20wt%范围内。研磨垫所用的微孔聚氨酯材料密度为0.13~1.6g/cm3。
[0013]本发明的优点是:
一、利用聚合物替代常用的化学沉积作为大马士革工艺中的介质层可以应用于多种产品中，其工艺易于控制，成本较低；
二、采用化学机械研磨(CMP)对聚合物表面进行平坦化处理可以提高表面均匀性，使后续高密度小线宽的集成成为可能。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是以聚合物作为介质层的基板。
[0015]图2是在聚合物介质层刻蚀深孔后的表面。
[0016]图3是生成阻挡层后的表面。
[0017]图4是铜沉积之后的表面。
[0018]图5是CMP平坦化后的表面。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0020]在硅或其他材料的基板上旋涂聚合物(如Polyimide或BCB)作为层间介质(dielectric)，但其表面均匀性较差。旋涂聚合物后的基板I如图1所示。本发明提出采用三步研磨来去除铜及阻挡层，完成聚合物(如Polyimide或BCB)的表面平坦化:首先TSV铜研磨液(copper slurry)去除表面的铜,然后用阻挡层研磨液(Barrier slurry)去除阻挡层(Barrier),最后使用胶体研磨液(colloidal slurry)配合添加剂对聚合物层进行平坦化处理。具体如下:
I)对聚合物介质层进行固化预处理。在150-250摄氏度温度条件下烘烤大约30min~60min，使聚合物表面接触角〈70度，此时聚合物亚胺化程度良好，易于在CMP研磨液作用下进行水解，保持较高的研磨速率。
[0021]2)根据工艺要求在聚合物表面刻蚀深孔，如图2所示。[0022]3)生成阻挡层2，如图3所示。阻挡层2的作用通常是防止金属(copper)电子迁移(electro-migration)和增加金属与聚合物之间黏附性(adhesion),同时可以配合进行CMP工艺终点检测。可供选用作为阻挡层的材料包括氮化硅(PECVD silicon nitride),氧化娃(PECVD silicon dioxide),钛(Titan),组(tantalum)等。
[0023]4)铜种子层生长及铜电镀，如图4所示，顶部沉积了铜种子层与铜电镀层3。
[0024]5)采用化学机械研磨(CMP)对表面进行平坦化处理。研磨工艺分三步进行: 第一步，在第一研磨垫上去除表面全部的铜，工艺停在阻挡层(Barrier)上。耗材选用
如下:
(a)高研磨速率(copper removal rate>=lum/min)同时高选择比(铜:聚合物>=200:1)的TSV铜研磨液。研磨颗粒可选用如下材料:硅氧化物(SiO2),硒氧化物(CeO2)以及铝氧化物(Al2O3)等。PH为:3~7。研磨颗粒大小控制在5~160 nm范围内，研磨颗粒的形貌可以根据工艺要求选用圆形，尖角形等多种形貌，研磨颗粒硬度在3(T90 shore D。研磨粒的含量控制在0.01wt%~20wt%范围内。
[0025](b)研磨垫(pad)表面的沟槽可以根据工艺需要设计为各种图案(groovepattern),沟槽深度(groove depth)在 2mils~200mils;研磨垫硬度(pad hardness) >=50shore D;研磨垫所用的微孔聚氨酯材料(microcellular polyurethane)密度应为
0.13~1.6g/cm3。
[0026](c)本发明 利用终点检测技术(EPD)，包括实时工艺控制系统(RTPC)，光学终点检测(Fullscan)。
[0027]第二步，在第二研磨垫上去除表面阻挡层(Barrier),停在聚合物(Polyimide或BCB)层上。耗材选用如下:
(a)针对阻挡层研磨而设计的研磨液,研磨速率>500 A/min,选择比(铜:聚合物)〈3:1的研磨液。研磨颗粒可选用如下材料:硅氧化物(SiO2),硒氧化物(CeO2)以及铝氧化物(Al2O3)等。研磨颗粒大小控制在5~160 nm范围内，研磨颗粒的形貌可以根据工艺要求选用圆形，尖角形等多种形貌，研磨颗粒硬度在3(T90 shore D范围内。研磨粒的含量控制在
0.01wt%~20wt% 范围内。
[0028](b)研磨垫表面的沟槽可以根据工艺需要设计为各种图案(groove pattern),沟槽深度(groove depth)在2mils~200mils;研磨垫硬度>=50 shore D;研磨垫所用的微孔聚氨酯材料密度应为0.13^1.6g/cm3。
[0029](c)本发明利用EH)技术，包括光学终点检测技术(Fullscan)。
[0030]第三步，在第三研磨垫上对聚合物进行研磨，调整聚合物表面平整度(uniformity),使晶圆内均匀性WIW达到〈1%。耗材选用如下:
(a)低选择比的研磨液(colloidal slurry),如研磨速率>100nm/min,选择比(铜:聚合物)接近1:1，研磨颗粒包括SiO2, CeO2以及Al2O3等,PH在7~10之间的研磨液。研磨颗粒包括各种大小(5~160 nm等)，各种形貌(根据工艺要求选用圆形，尖角形等多种形貌)，以及各种硬度(30~90 shore D)的材料颗粒,研磨粒的含量在0.01wt%~20wt%范围内，研磨液中应含有在20~80度工艺环境下粘性稳定(>18 mPa.s且〈300 mPa.s)的物质(如:甘油)。
[0031](b)可增加聚合物表面活性的添加剂(如:去离子水DIW，氢氧化钾Κ0Η，四甲基氢氧化铵THAM)。
[0032](c)研磨垫包括各种表面沟槽图案(groove pattern)和沟槽深度(groovedepth),如研磨垫表面图案的沟槽深度在2mils~200mils;研磨垫硬度在40~50shore D;研磨垫所用的微孔聚氨酯材料密度应为0.13"!.6g/cm3)。
[0033]最后，按照常规的研磨后清洗(clean post CMP)分四步完成:
第一步，利用超声波(Megasonic)和超纯水(DIW)去除附着在娃片表面的较大颗粒。
[0034]第二步，将娃片(wafer)浸入适当的化学试剂(如:CX100, SCI, SC2等)中，在娃片旋转状态下利用聚乙烯醇软刷(PVA)转 动将硅片表面黏附的颗粒除去。
[0035]第三步，在新的清洗槽中重复第二步操作，进一步去除表面黏附的颗粒。
[0036]第四步，采用异丙醇(IPA)和机械力共同作用干燥硅片。
[0037]得到的硅片如图5所示。
【权利要求】
1.采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，其特征是，包括以下步骤: 1)对聚合物表面进行固化处理，使聚合物表面接触角〈70度； 2)在聚合物表面刻蚀深孔并生成阻挡层，然后进行铜种子层生长及电镀； 3)采用化学机械研磨对基板表面进行平坦化处理，分三步进行: 3.1)在第一研磨垫上去除表面全部的铜，停止在阻挡层上； 3.2)在第二研磨垫上去除表面阻挡层，停止在聚合物介质层上； 3.3)在第三研磨垫上对聚合物进行研磨，调整聚合物表面平整度，使晶圆内均匀性WIW 达到 <1% ； 4)最后对研磨后的晶圆进行清洗。
2.如权利要求1所述采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，其特征是，所述聚合物为聚酰亚胺或苯并环丁烯。
3.如权利要求1所述采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，其特征是，步骤I所述阻挡层的材料为氮化硅，氧化硅，钛或钽。
4.如权利要求1所述采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，其特征是，步骤3.1选用研磨速率>=lum/min，选择比(铜:聚合物)>=200:1的TSV铜研磨液，研磨颗粒选用SiO2, CeO2或者Al2O3, PH为:4~7 ;选用表面图案的沟槽深度在2mils~200mils,硬度>=50 shore D的研磨垫。
5.如权利要求1所述采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，其特征是，步骤3.2选用针对阻挡层的研磨液，研磨速率>500 A/min,选择比(铜:聚合物)〈3:1 ;研磨颗粒选用SiO2, CeO2或者Al2O3, PH为:4~7，选用表面图案的沟槽深度在2mils~200mils,硬度>=50 shore D的研磨垫。
6.如权利要求1所述采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，其特征是，步骤3.3选用对聚合物的研磨速率>500nm/min,选择比(铜:聚合物)为I山PH>7的研磨液，其研磨颗粒选用SiO2, CeO2或者Al2O3，研磨液中应含有在20-80度工艺环境下粘性稳定在18~300 mPa.s的物质；最后研磨液中添加增加聚合物表面活性的添加剂:去离子水DIW，氢氧化钾Κ0Η，或四甲基氢氧化铵THAM ;选用的研磨垫表面图案的沟槽深度在2mils~200mils，硬度在4(T50shore D之间，沟槽深度在2mi I s~200mi I s 之间。
7.如权利要求4，5或6所述采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，其特征是，所述研磨颗粒大小在5~160 nm范围内，研磨颗粒硬度在30~90 shore D范围内，研磨液中研磨粒的含量在0.01wt%~20wt%范围内。
8.如权利要求4，5或6所述采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦 化的方法，其特征是，所述研磨垫所用的微孔聚氨酯材料密度为0.13~1.6g/cm3。
9.如权利要求6所述采用CMP对以聚合物为介质层的大马士革工艺中铜沉积后的表面进行平坦化的方法，其特征是，步骤3.3所述研磨液中所含粘性稳定的物质为甘油。
【文档编号】H01L21/3105GK103943558SQ201410174849
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】李婷, 顾海洋 申请人:华进半导体封装先导技术研发中心有限公司