用于移除锯痕的化学机械研磨组合物转让专利
申请号 : CN200910143051.9
文献号 : CN101899265B
文献日 : 2013-12-25
发明人 : 谢崇伟 , 李康华 , 刘文政
申请人 : 长兴开发科技股份有限公司
摘要 :
本发明涉及一种用于移除锯痕的化学机械研磨浆液，其包含磨料、胺化物、研磨促进剂以及溶剂。本发明还涉及将上述化学机械研磨浆液用于移除半导体晶片表面锯痕的方法。
权利要求 :
1.一种于半导体晶片制程中移除晶片表面上锯痕的方法，其包含以研磨组合物进行研磨处理，其中所述研磨组合物包含胺化物、磨料、研磨促进剂以及溶剂，其中所述胺化物是选自由二乙醇胺、1-氨基-2-丙醇、乙二胺、二伸乙三胺、二甲胺、哌嗪、N-氨乙基哌嗪、二异丙醇胺、邻苯二胺及其混合物所组成的群组，其中所述研磨促进剂是聚乙烯亚胺、聚丙烯亚胺或其混合物。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述磨料是选自由二氧化硅、氧化铈、氧化锆、氧化铝、氧化钛及氧化镍及其混合物所组成的群组。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述研磨促进剂的分子量介于500至1,000,000之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述研磨促进剂的分子量介于500至800,000之间。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是水。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述胺化物的含量占所述研磨组合物总重量的
0.01％-20％。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述胺化物的含量占所述研磨组合物总重量的
0.05％-15％。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述磨料的含量占所述研磨组合物总重量的
0.05％-35％。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述磨料的含量占所述研磨组合物总重量的
0.1％-30％。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述研磨促进剂的含量占所述研磨组合物总重量的0.0001％-10％。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述研磨促进剂的含量占所述研磨组合物总重量的0.001％-5％。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述研磨组合物的pH值≥9。
说明书 :
用于移除锯痕的化学机械研磨组合物
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于半导体晶片薄化用的化学机械研磨组合物。
背景技术
[0002] 随着近年来各种电子设备的小型、薄型化趋势，半导体芯片的薄型化需求也日益增加。除了半导体前段制程朝向45、32纳米的芯片微缩化发展，后段封装制程也相当活跃地往3D封装的领域进行开发。3D封装制程中，晶片薄化可说是最关键的步骤，因为它决定着晶片级封装(Chip Scale Packaging，CSP)和系统级封装(System-in-packaging，SiP)中的最小封装尺寸，而越小的封装尺寸就能让更多不同功能的芯片整合在同一个封装内，如此就能借助于更轻、更小的封装尺寸，达到减少功耗、提高讯号传递速度，并提供更多的芯片功能。
[0003] 晶片薄化制程包含应用在半导体硅晶片薄化及硅通孔(Through Silicon Via，TSV)晶片薄化。硅晶片薄化是对半导体晶片的硅材质进行研磨薄化。硅通孔晶片薄化则是以经过蚀刻或雷射方式形成通孔(via)，并将导电材料，如铜、铝、钨、多晶硅等填入形成导电线路的硅通孔晶片进行薄化。目前业界常见制程是以机械式砂轮研磨(grinding)制程先将晶片快速薄化后，再以化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)制程进行表面修整抛光。在进行CMP制程时需消除机械式研磨在薄化的晶片表面所造成的残留缺陷层及锯痕(saw mark)。
[0004] 美国专利第4,169,337号揭示使用胶态二氧化硅或硅胶(silica gel)与水溶性胺的掺合物，以作为研磨半导体表面用的研磨组合物。
[0005] 美国专利第5,230,833号是揭示包含胶态二氧化硅、有机碱及杀菌剂的研磨组合物。
[0006] 美国专利第5,391,258号揭示一种用于磨光含硅、硅石或硅酸盐的复合物的研磨组合物，其除包含研磨颗粒外，尚包含过氧化氢与邻苯二甲酸氢钾(potassium hydrogenphthalate)。
[0007] 中国台湾专利第338,836号揭示一种半导体硅衬底的截角部的研磨方法，其使用的研磨液组成为胶态氧化硅，其平均粒径为50-150nm，pH值为10-11，浓度为30-50wt％。
[0008] 中国台湾专利第500,789号揭示一种硅材料的化学机械研磨制程，是使用一氧化物研磨浆液，其包含去离子水、煅制硅石的研磨粒子，及化学反应剂，如氢氧化钾。
[0009] 虽然使用上述机械式研磨后搭配额外的化学机械研磨(CMP)制程是较为适合的晶片薄化制程，但化学机械研磨制程在搭配上仍有技术上的问题尚待克服。传统上通常使用含pH缓冲的碱性氧化硅CMP研磨浆液来抛光半导体晶片，但是在消除机械研磨制程所造成的锯痕现象效率不佳，故产业界亟需一种新颖的化学机械研磨液以解决上述问题。
发明内容
[0010] 本案发明人发现，一种含有胺化物、溶剂、磨料与研磨促进剂的研磨组合物适合用来研磨半导体晶片，可有效移除半导体晶片表面经机械式砂轮研磨后所残留的锯痕(Saw mark)。
[0011] 因此，本发明的目的，即在提供一种包含胺化物、溶剂、磨料以及研磨促进剂的研磨组合物。
[0012] 本发明另一目的在于提供一种将上述研磨组合物用于半导体晶片制程中，移除晶片表面上锯痕的方法。
附图说明
[0013] 图1图解说明本发明的研磨方法的一具体实施方面。
具体实施方式
[0014] 适用于本发明研磨组成物中的磨料，可选自由二氧化硅(Silicon dioxide)、氧化铈(Cerium oxide)、氧化锆(Zirconium oxide)、氧化铝(Aluminum oxide)、氧化钛(Titaniumoxide)、氧化镍(Nickel oxide)及其混合物所组成的群组。
[0015] 适用于本发明研磨组合物中的胺化物包括，但不限于，具有烷基或羟基的单胺化物、二胺化物或三胺化物；例如，甲胺(methylamine)、二甲胺(dimethylamine)、乙胺(ethylamine)、丙胺(propylamine)、异丙胺(isopropylamine)、烯丙胺(allylamine)、丁胺(butylamine)、异丁胺(isobutylamine)、环己胺(cyclohexylamine)、苯甲胺(benzylamine)、单乙醇胺(monoethanolamine)、二乙醇胺(diethanolamine)、三乙醇胺(triethanolamine)、异丙醇胺(isopropanolamine)、二异丙醇胺(diisopropanolamine)、N-甲基乙醇胺(N-methyl ethanolamine)、N-甲基二乙醇胺(N-methyldiethanolamine)、N，N- 二 甲 基 乙 醇 胺 (N，N-dimethyl ethanolamine)、N，N- 二 甲 基 乙 胺 (N，N-dimethylethylamine)、N，N，N′，N′，N″-五甲基二亚乙基三胺(N，N，N′，N′，N″-pentamethyldiethylenetriamine)、尿素(urea)、1-氨基-2-丙醇(1-amino-2-propanol)、2-氨 基-1-丙 醇(2-amino-1-propanol)、3- 氨 基-1- 丙 醇 (3-amino-1-propanol)、
2-[2-(二甲氨基)乙氧基]乙醇(2-[2-(dimethylamino)ethoxy]ethanol)、2-(2-氨基 乙 氧 基) 乙 醇 (2-(2-aminoethoxy)ethanol)、乙 二 胺(ethylenediamine)、二伸 乙 三 胺(diethylenetriamine)、三 伸 乙 四 胺 (triethylenetetramine)、己 二胺 (hexamethylenediamine)、邻 苯 二 胺(o-phenylenediamine)、1，2- 丙 二 胺 (1，
2-propyldiamine)、1，3-丙 二 胺 (1，3-propyldiamine)、1，5- 二 氨 基 -3- 戊 醇 (1，
5-diamino-3-pentanol)、1，3- 二 氨 基 -2- 丙 醇 (1，3-diamino-2-propanol)、哌嗪(piperazine，包含哌嗪六水合物及无水哌嗪)、1-(2-氨基乙基)哌 嗪(1-(2-aminoethyl)piperazine)、N-甲基哌嗪(N-methylpiperazine)、N-氨乙基哌嗪(N-aminoethylpiperazine)或1，4-双氨丙基哌嗪(1，4-piperazine dipropanamine)或其混合物。
2-[2-(二甲氨基)乙氧基]乙醇(2-[2-(dimethylamino)ethoxy]ethanol)、2-(2-氨基 乙 氧 基) 乙 醇 (2-(2-aminoethoxy)ethanol)、乙 二 胺(ethylenediamine)、二伸 乙 三 胺(diethylenetriamine)、三 伸 乙 四 胺 (triethylenetetramine)、己 二胺 (hexamethylenediamine)、邻 苯 二 胺(o-phenylenediamine)、1，2- 丙 二 胺 (1，
2-propyldiamine)、1，3-丙 二 胺 (1，3-propyldiamine)、1，5- 二 氨 基 -3- 戊 醇 (1，
5-diamino-3-pentanol)、1，3- 二 氨 基 -2- 丙 醇 (1，3-diamino-2-propanol)、哌嗪(piperazine，包含哌嗪六水合物及无水哌嗪)、1-(2-氨基乙基)哌 嗪(1-(2-aminoethyl)piperazine)、N-甲基哌嗪(N-methylpiperazine)、N-氨乙基哌嗪(N-aminoethylpiperazine)或1，4-双氨丙基哌嗪(1，4-piperazine dipropanamine)或其混合物。
[0016] 根据本发明的优选具体实施例，所述胺化物是选自由单乙醇胺、1-氨基-2-丙醇、乙二胺、二伸乙三胺、二甲胺、哌嗪、N-氨乙基哌嗪、二异丙醇胺及邻苯二胺及其混合物所组成的群组。
[0017] 本案发明人发现，本发明研磨组合物中所使用的研磨促进剂，会影响本发明研磨组合物对半导体晶片锯痕的移除效果。
[0018] 适用于本发明研磨组合物中的研磨促进剂，是选自由聚乙烯亚胺(Polyethylenimine)、聚丙烯亚胺(Polypropylenimine)及其混合物所组成的群组。所述研磨促进剂的分子量优选介于500至1,000,000之间，更优选地则是500至800,000之间。
[0019] 适用于本发明组成物中的溶剂并无特殊限制，凡能溶解本发明组合物除磨料以外的成分者，均属适用的溶剂。根据本发明的具体实施例，所述溶剂是水。
[0020] 研磨组合物可视研磨促进剂的添加量调配成不同浓度的研磨组合物，也可视使用需求，如方便运输或加速研磨效果，添加不同倍数添加量，配制成不同倍数研磨组合物浓缩液以供所需使用。
[0021] 研磨组合物于使用时，就组合物各成分的浓度而言，所述胺化物的含量优选是占所述研磨组合物的0.01％-20％，更优选地则是占0.05％-15％；所述磨料的含量优选是占所述研磨组合物的0.05％-35％，更优选地则是占0.1％-30％；所述研磨促进剂的含量优选地是占所述研磨组合物的0.0001％-10％，更优选地则是占0.001％-5％。另根据本发明的优选具体实施例，本发明研磨组合物具有≥9的pH值。
[0022] 本发明研磨组合物适用于半导体晶片封装制程中，且在以研磨垫研磨晶片时，可直接使用本发明组合物。因此，本发明另提供一种研磨半导体晶片的方法，其包含将本发明化学机械研磨组合物用于研磨半导体晶片，以移除晶片表面上的锯痕(sawmark)。
[0023] 参考图1，使用本发明的化学机械研磨组合物进行晶片薄化制程前，其中方式之一是在半导体晶片的被保护面(101)于研磨前先贴上软质性保护胶膜(102)，在一研磨机台中使用砂轮对所述半导体晶片进行第一阶段机械式研磨，将晶片表面材质(100)大量移除，从而达到薄化的目的。粗磨后的晶片表面会留下不均匀的表面，称之为锯痕(103)，故需进行第二阶段化学机械研磨制程将晶片研磨成一平坦的表面。
[0024] 第二阶段化学机械研磨制程是在一研磨机台中使所述半导体晶片，被施以一研磨压力与一研磨垫接触，并通入本发明的化学机械研磨组合物，所述研磨组合物具有一流速，且在所述研磨处理进行时，所述研磨垫与所述半导体晶片分别具有一转速，以将半导体晶片表面移除约1-100μm的厚度，并使晶片表面均匀磨平。
[0025] 根据本发明的具体实施例，上述研磨压力优选地介于0.5psi-10psi之间；更优选地是介于1psi-8psi之间。
[0026] 上述半导体晶片转速优选地是介于10rpm-600rpm之间；更优选地是介于30rpm-510rpm之间。
[0027] 上述研磨垫转速优选地是介于10rpm-600rpm之间；更优选地是介于30rpm-510rpm之间。
[0028] 至于上述本发明研磨组合物的流速优选地是介于50ml/min-500ml/min之间；更优选地是介于50ml/min-350ml/min。
[0029] 以下将以各实施例及比较例来说明本发明的实施方式与功效。所述实施例与比较例将使用到下列化学品与设备，且若未特别说明，则皆是在常温常压的环境下进行配制及研磨。须注意的是，所述实施例仅为例示说明之用，而不应被解释为本发明实施的限制。
[0030] 实施例
[0031] 使用物料及器材
[0032] 研磨机台：由韩国G&P TECHNOLOGY公司制造，型号为Poli 500。
[0033] 研磨垫：由美商罗门哈斯(Rohm and Haas)公司制造，型号为IC1010。
[0034] 硅空白晶片(bare silicon wafer)：为购自美商硅谷微电子公司(Silicon ValleyMicroelectronics，Inc.)的一般市售硅晶片。
[0035] 原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)：由Vecco仪器公司制造，型号为Dimension 3100。
[0036] 聚乙烯亚胺：可购于爱克丝(ACROS)、奥德里奇(ALDRICH)等药品供货商。
[0037] 磨料：阿克苏诺贝尔(Akzo Nobel)公司制造的氧化硅磨料，型号为BINDZIL2040、9950、SP599L。
[0038] 本发明研磨组合物实施例及比较例的配制方式，若未特别说明，所有成分先行混合而形成一混合物，再直接进行研磨处理。
[0039] 各混合物、研磨组合物中各成分所使用的物料种类与所占的重量百分比与pH值，以及进行研磨处理时的相关操作参数，皆表示于下表1中。锯痕的移除则是以AFM量测表面粗糙度(Ra)变化及以目视观察锯痕。
[0040] 各研磨组合物中的溶剂是水，另若未特别说明，各研磨组合物中的磨料为氧化硅磨料。表1中所示各实施例与比较例皆使用相同的机台参数(即研磨压力、晶片转速、研磨垫转速与研磨组合物的流速)。
[0041] 以下将依各操作条件的变化来探讨所述成分对本发明的意义与影响性。
[0042] 不同胺化物与研磨促进剂对移除锯痕的影响：
[0043] 研磨条件：研磨压力＝3psi，研磨垫转速＝93rpm，晶片转速＝87rpm，流速＝200ml/min，时间＝1min.
[0044]
[0045] *锯痕：○：完全移除、△：部分移除、×：无法移除
[0046] 上述实例1至8在未添加研磨促进剂前，搭配不同胺化物及氧化硅磨料进行研磨处理，半导体晶片表面的锯痕皆无法被有效移除。经未添加研磨促进剂的研磨液研磨后，晶片表面粗糙度仍是大于10nm以上，锯痕移除效率十分有限，目视观察可发现仍有明显锯痕残留。
[0047] 然而由实例9至26可知，在添加研磨促进剂后，增进了研磨液的研磨效率，研磨后的晶片表面粗糙度可以有效降低至10nm以下，晶片表面呈现光亮平滑，完全移除锯痕残留。在研磨液添加聚乙烯亚胺可大幅增进锯痕移除的效果。