TWI385244B - 用於移除鋸痕之化學機械研磨組合物 - Google Patents

Description

用於移除鋸痕之化學機械研磨組合物

本發明係關於一種用於半導體晶圓薄化用之化學機械研磨組合物。

隨著近年來各種電子設備的小型、薄型化趨勢，半導體晶片之薄型化需求也日益增加。除了半導體前段製程朝向45、32奈米的晶片微縮化發展，後段封裝製程也相當活躍地往3D封裝的領域進行開發。3D封裝製程中，晶圓薄化可說是最關鍵的步驟，因為它決定著晶圓級封裝(Chip Scale Packaging,CSP)和系統級封裝(System-in-packaging，SiP)中的最小封裝尺寸，而越小的封裝尺寸就能讓更多不同功能的晶片整合在同一個封裝內，如此就能藉著更輕、更小的封裝尺寸，達到減少功耗、提高訊號傳遞速度，並提供更多的晶片功能。

晶圓薄化製程包含應用在半導體矽晶圓薄化及矽通孔(Through Silicon Via,TSV)晶圓薄化。矽晶圓薄化是對半導體晶圓之矽材質進行研磨薄化。矽通孔晶圓薄化則是以經過蝕刻或雷射方式形成通孔(via)，並將導電材料，如銅、鋁、鎢、多晶矽等填入形成導電線路之矽通孔晶圓進行薄化。目前業界常見製程是以機械式砂輪研磨(grinding)製程先將晶圓快速薄化後，再以化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)製程進行表面修整拋光。在進行CMP製程時需消除機械式研磨在薄化的晶圓表面所造成的殘留缺陷層及鋸痕(saw mark)。

美國專利第4,169,337號揭示使用膠態二氧化矽或矽膠(silica gel)與水溶性胺之摻合物，以作為研磨半導體表面用之研磨組合物。

美國專利第5,230,833號係揭示包含膠態二氧化矽、有機鹼及殺菌劑之研磨組合物。

美國專利第5,391,258號揭示一種用於磨光含矽、矽石或矽酸鹽之複合物之研磨組合物，其除包含研磨顆粒外，尚包含過氧化氫與鄰苯二甲酸氫鉀(potassium hydrogen phthalate)。

台灣專利第338,836號揭示一半導體矽基板之截角部的研磨方法，其使用之研磨液組成為膠態氧化矽，其平均粒徑為50-150nm，pH值為10-11，濃度為30-50wt%。

台灣專利第500,789號揭示一矽材料之化學機械研磨製程，係使用一氧化物研磨漿液，其包含去離子水、煅製矽石的研磨粒子，及一化學反應劑，如氫氧化鉀。

雖然使用上述機械式研磨後搭配額外的化學機械研磨(CMP)製程是較為適合的晶圓薄化製程，但化學機械研磨製程在搭配上仍有技術上的問題尚待克服。傳統上通常使用含pH緩衝的鹼性氧化矽CMP研磨漿液來拋光半導體晶圓，但是在消除機械研磨製程所造成的鋸痕現象效率不佳，故產業界亟需一新穎之化學機械研磨液以解決上述問題。

本案發明人發現，一種含有胺化物、溶劑、磨料與研磨促進劑之研磨組合物適合用來研磨半導體晶圓，可有效移除半導體晶圓表面經機械式砂輪研磨後所殘留的鋸痕(Saw mark)。

因此，本發明之目的，即在提供一種包含胺化物、溶劑、磨料以及研磨促進劑之研磨組合物。

本發明另一目的在於提供一種將上述研磨組合物用於半導體晶圓製程中，磨除晶圓表面上鋸痕的方法。

適用於本發明研磨組成物中的磨料，可選自由二氧化矽(Silicon dioxide)、氧化鈰(Cerium oxide)、氧化鋯(Zirconium oxide)、氧化鋁(Aluminum oxide)、氧化鈦(Titanium oxide)、氧化鎳(Nickel oxide)及其混合物所組成之群。

適用於本發明研磨組合物中的胺化物包括，但不限於，具有烷基或羥基之單胺化物、二胺化物或三胺化物；例如，甲胺(methylamine)、二甲胺(dimethylamine)、乙胺(ethylamine)、丙胺(propylamine)、異丙胺(isopropylamine)、烯丙胺(allylamine)、丁胺(butylamine)、異丁胺(isobutylamine)、環己胺(cyclohexylamine)、苯甲胺(benzylamine)、乙醇胺(monoethanolamine)、二乙醇胺(diethanolamine)、三乙醇胺(triethanolamine)、異丙醇胺(isopropanolamine)、二異丙醇胺(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"-五甲基二亞乙基三胺(N,N,N',N',N"-pentamethyldiethylenetriamine)、尿素(urea)、1-胺基-2-丙醇(1-amino-2-propanol)、2-胺基-1-丙醇(2-amino-1-propanol)、3-胺基-1-丙醇(3-amino-1-propanol)、2-[2-(二甲胺基)乙氧基]乙醇(2-[2-(dimethylamino)ethoxy]ethanol)、2-(2-胺基乙氧基)乙醇(2-(2-aminoethoxy)ethanol)、伸乙二胺(ethylenediamine)、二伸乙三胺(diethylenetriamine)、三伸乙四胺(triethylenetetramine)、六伸甲基二胺(hexamethylenediamine)、鄰苯二胺(o-phenylenediamine)、1,2-丙二胺(1,2-propyldiamine)、1,3-丙二胺(1,3-propyldiamine)、1,5-二胺基-3-戊醇(1,5-diamino-3-pentanol)、1,3-二胺基-2-丙醇(1,3-diamino-2-propanol)、哌嗪(piperazine，包含哌嗪六水合物及無水哌嗪)、1-(2-胺基乙基)哌嗪(1-(2-amihoethyl)piperazine)、N-甲基哌嗪(N-methylpiperazine)、N-氨乙基哌嗪(N-aminoethylpiperazine)或1,4-雙胺丙基哌嗪(1,4-piperazine dipropanamine)或其混合物。

根據本發明之較佳具體實施例，該胺化物係選自由乙醇胺、1-胺基-2-丙醇、伸乙二胺、二伸乙三胺、二甲胺、哌嗪、N-氨乙基哌嗪、二異丙醇胺及鄰苯二胺及其混合物所組成之群。

本案發明人發現，本發明研磨組合物中所使用之研磨促進劑，會影響本發明研磨組合物對半導體晶圓鋸痕的移除效果。

適用於本發明研磨組合物中的研磨促進劑，係擇自由聚乙烯亞胺(Polyethylenimine)、聚丙烯亞胺(Polypropylenimine)及其混合物所組成之群。該研磨促進劑之分子量較佳介於500至1,000,000之間，更佳地則是500至800,000之間。

適用於本發明組成物中之溶劑並無特殊限制，凡能溶解本發明組合物除磨料以外的成分者，均屬適用之溶劑。根據本發明之具體實施例，該溶劑是水。

研磨組合物可視研磨促進劑之添加量調配成不同濃度的研磨組合物，亦可視使用需求，如方便運輸或加速研磨效果，添加不同倍數添加量，配製成不同倍數研磨組合物濃縮液以供所需使用。

研磨組合物於使用時，就組合物各成分的濃度而言，該胺化物之含量較佳是佔該研磨組合物的0.01%-20%，更佳地則是佔0.05%-15%；該等磨料之含量較佳是佔該研磨組合物的0.05%-35%，更佳地則是佔0.1%-30%；該等研磨促進劑之含量較佳地是佔該研磨組合物的0.0001%-10%，更佳地則是佔0.001%-5%。另根據本發明之較佳具體實施例，本發明研磨組合物具有≧9之pH值。

本發明研磨組合物適用於半導體晶圓封裝製程中，且在以研磨墊研磨晶圓時，可直接使用本發明組合物。因此，本發明另提供一種研磨半導體晶圓之方法，其包含將本發明化學機械研磨組合物用於研磨半導體晶圓，以磨除晶圓表面上的鋸痕(saw mark)。

參考圖1，使用本發明之化學機械研磨組合物進行晶圓薄化製程前，其中方式之一是在半導體晶圓之被保護面(101)於研磨前先貼上軟質性保護膠膜(102)，在一研磨機台中使用砂輪對該半導體晶圓進行第一階段機械式研磨，將晶圓表面材質(100)大量磨除，藉此達到薄化的目的。粗磨後的晶圓表面會留下不均勻的表面，稱之為鋸痕(103)，故需進行第二階段化學機械研磨製程將晶圓研磨成一平坦之表面。

第二階段化學機械研磨製程係在一研磨機台中使該半導體晶圓，被施以一研磨壓力與一研磨墊接觸，並通入本發明之化學機械研磨組合物，該研磨組合物具有一流速，且在該研磨處理進行時，該研磨墊與該半導體晶圓分別具有一轉速，以將半導體晶圓表面磨除約1-100μm的厚度，並使晶圓表面均勻磨平。

根據本發明之具體實施例，上述研磨壓力較佳地介於0.5psi-10psi之間；更佳地是介於1psi-8psi之間。

上述半導體晶圓轉速較佳地是介於10rpm-600rpm之間；更佳地是介於30rpm-510rpm之間。

上述研磨墊轉速較佳地是介於10rpm-600rpm之間；更佳地是介於30rpm-510rpm之間。

至於上述本發明研磨組合物的流速較佳地是介於50ml/min-500ml/min之間；更佳地是介於50ml/min-350ml/min。

以下將以各實施例及比較例來說明本發明之實施方式與功效。該等實施例與比較例將使用到下列化學品與設備，且若未特別說明，則皆是在常溫常壓的環境下進行配製及研磨。須注意的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

實施例 使用物料及器材

研磨機台：由韓國G＆P TECHNOLOGY公司製造，型號為Poli 500。

研磨墊：由美商羅門哈斯(Rohm and Haas)公司製造，型號為IC 1010。

矽空白晶圓(bare silicon wafer)：為購自美商矽谷微電子公司(Silicon Valley Microelectronics,Inc.)之一般市售矽晶圓。

原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)：由Vecco儀器公司製造，型號為Dimension 3100。

聚乙烯亞胺：可購於愛克絲(ACROS)、艾瑞契(ALDRICH)等藥品供應商。

磨料：安科智諾貝爾(Akzo Nobel)公司製造之氧化矽磨料，型號為BINDZIL 2040、9950、SP599L。

本發明研磨組合物實施例及比較例之配製方式，若未特別說明，所有成分先行混合而形成一混合物，再直接進行研磨處理。

各混合物、研磨組合物中各成分所使用之物料種類與所佔的重量百分比與pH值，以及進行研磨處理時的相關操作參數，皆表示於下表1中。鋸痕的移除則是以AFM量測表面粗糙度(Ra)變化及以目視觀察鋸痕。

各研磨組合物中的溶劑是水，另若未特別說明，各研磨組合物中的磨料為氧化矽磨料。表1中所示各實施例與比較例皆使用相同的機台參數(即研磨壓力、晶圓轉速、研磨墊轉速與研磨組合物之流速)。

以下將依各操作條件之變化來探討該等成分對本發明之意義與影響性。

不同胺化物與研磨促進劑對移除鋸痕之影響：

上述實例1至8在未添加研磨促進劑前，搭配不同胺化物及氧化矽磨料進行研磨處理，半導體晶圓表面的鋸痕皆無法被有效磨除。經未添加研磨促進劑之研磨液研磨後，晶圓表面粗糙度仍是大於10nm以上，鋸痕移除效率十分有限，目視觀察可發現仍有明顯鋸痕殘留。

然而由實例9至26可知，在添加研磨促進劑後，增進了研磨液的研磨效率，研磨後的晶圓表面粗糙度可以有效降低至10nm以下，晶圓表面呈現光亮平滑，完全磨除鋸痕殘留。在研磨液添加聚乙烯亞胺可大幅增進鋸痕磨除的效果。

100．．．半導體晶圓之被研磨面

101．．．半導體晶圓之被保護面

102．．．保護膠膜

103．．．鋸痕

圖1圖解說明本發明之研磨方法之一具體實施態樣。

100．．．半導體晶圓之被研磨面

101．．．半導體晶圓之被保護面

102．．．保護膠膜

103．．．鋸痕

Claims (13)

1. 一種於半導體晶圓製程中磨除晶圓表面上鋸痕的方法，包括以研磨組合物進行研磨處理，其中該研磨組合物包含胺化物、磨料、研磨促進劑以及溶劑，其中該胺化物係選自由二乙醇胺、1-胺基-2-丙醇、伸乙二胺、二伸乙三胺、二甲胺、哌嗪、N-氨乙基哌嗪、二異丙醇胺、鄰苯二胺及其混合物所組成之群。
2. 如請求項1之方法，其中該磨料係選自由二氧化矽、氧化鈰、氧化鋯、氧化鋁、氧化鈦及氧化鎳及其混合物所組成之群。
3. 如請求項1之方法，其中該研磨促進劑是聚乙烯亞胺、聚丙烯亞胺或其混合物。
4. 如請求項3之方法，其中該研磨促進劑之分子量係介於500至1,000,000之間。
5. 如請求項3之方法，其中該研磨促進劑之分子量係介於500至800,000之間。
6. 如請求項1之方法，其中該溶劑係水。
7. 如請求項1之方法，其中該胺化物之含量係佔該研磨組合物總重量的0.01%-20%。
8. 如請求項1之方法，其中該胺化物之含量係佔該研磨組合物總重量的0.05%-15%。
9. 如請求項1之方法，其中該磨料之含量係佔該研磨組合物總重量的0.05%-35%。
10. 如請求項1之方法，其中該磨料之含量係佔該研磨組合 物總重量的0.1%-30%。
11. 如請求項1之方法，其中該研磨促進劑之含量係佔該研磨組合物總重量的0.0001%-10%。
12. 如請求項1之方法，其中該研磨促進劑之含量係佔該研磨組合物總重量的0.001%-5%。
13. 如請求項1之方法，其中該研磨組合物之pH值≧9。