李 炎，劉玉嶺，李洪波，3，樊世燕，

唐繼英1，閆辰奇1，張 金1

(1.河北工業(yè)大學(xué) 微電子研究所，天津 300130;2.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北石家莊 050018;3.河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院，河北唐山 063000)

引 言

隨著集成電路迅速發(fā)展，極大規(guī)模集成電路(GLSI)和特征尺寸(45nm)技術(shù)已成為主流。隨之而來(lái)的電阻電容(RC)延遲、電遷移和功耗等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。銅布線和低介電常數(shù)(K)介質(zhì)相結(jié)合的互連結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，但是多孔、易碎的超低K材料的引入，要求化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過(guò)程中拋光壓力必須減小到13.780kPa以下，而目前CMP技術(shù)需要在較高的壓力(＞13.780kPa)下進(jìn)行，如何兼顧壓力的降低和拋光后表面質(zhì)量的提高成為關(guān)鍵問(wèn)題［1-4］。傳統(tǒng)的拋光液由于磨料濃度較高，容易在銅膜表面造成大量微觀劃傷、凹坑等表面缺陷，還會(huì)產(chǎn)生大量的磨料顆粒殘留，給后續(xù)的清洗過(guò)程帶來(lái)極大的困難。現(xiàn)有的CMP工藝在降低壓力和磨料濃度后無(wú)法達(dá)到較高的去除速率，且CMP后銅膜的表面狀態(tài)也無(wú)法得到保證。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了低壓低磨料CMP技術(shù)，研制出了低磨料堿性拋光液，優(yōu)化了CMP工藝，獲得了較高拋光速率和較低的片內(nèi)速率非均勻性和粗糙度［5-8］。拋光液中的多羥多胺螯合劑在靜態(tài)條件下和銅反應(yīng)緩慢，而在CMP條件下，系統(tǒng)提供的大量能量克服了反應(yīng)勢(shì)壘，使反應(yīng)迅速加快，生成了可溶性的螯合物，從而加快拋光速率且能實(shí)現(xiàn)較大的凹凸處速率差。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試劑及方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)備。AlpsitecE460E型拋光機(jī);AMBIOSXP-300型臺(tái)階儀;Agilent5600LS原子力顯微鏡;Blanket銅膜(銅光片)(美國(guó)ADVANTEC公司)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，在d300mm的硅襯底上熱氧化3000nm的二氧化硅，然后依次淀積了150nm的氮化鉭、100nm的銅籽晶層，最后在銅籽晶層上面又淀積了1200nm的純銅。

圖1 d300mmblanket銅膜結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)試劑。實(shí)驗(yàn)采用H2O2作為氧化劑，采用自主研發(fā)的FA/O型螯合劑和FA/O型活性劑作為螯合劑和活性劑。

檢測(cè)方法。用臺(tái)階儀檢測(cè)拋光前后被腐蝕銅膜厚度。通過(guò)厚度差計(jì)算拋光速率和片內(nèi)速率非均勻性(實(shí)驗(yàn)中選取9個(gè)點(diǎn));采用原子力顯微鏡(AFM)檢測(cè)拋光前后的表面粗糙度。拋光速率計(jì)算方法為:

式中:v為銅膜去除速率，nm/min;δpre為拋光前拋光片表面厚度，nm;δpost為拋光后拋光片表面厚度，nm;t為拋光時(shí)間，min。

片內(nèi)速率非均勻性(Within Wafer Non Uniformity，WIWNU)的計(jì)算方法為:

式中:Mi為相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)的拋光速率，nm/min。片內(nèi)速率非均勻性越小，拋光速率一致性越好，拋光后表面平坦化效果也就越好［9-12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 拋光壓力的影響

拋光機(jī)轉(zhuǎn)速為 60r/min，拋光液流量為150mL/min，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，螯合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，拋光壓力對(duì)去除速率和表面非均勻性的影響如圖2所示。

圖2 拋光壓力對(duì)拋光速率和WIWNU的影響

由圖2可知，拋光速率隨著壓力的增加而遞增，表面非均勻性隨著壓力的增加而遞減，隨著壓力的增大，機(jī)械作用逐漸增強(qiáng)，拋光液與銅的化學(xué)作用也隨之越發(fā)劇烈，必然會(huì)導(dǎo)致拋光速率的急劇增加，而壓力的增大也會(huì)使銅片上各個(gè)位置的速率差減小，因此，表面非均勻性越來(lái)越小，但是在P為13.780kPa時(shí)，拋光速率已達(dá)到較高水平，而此時(shí)表面非均勻性也已接近最低值，在 13.780kPa到27.560kPa范圍內(nèi)，速率和表面非均勻性變化不明顯，由于目前要求CMP壓力越小越好，為此實(shí)驗(yàn)選擇拋光壓力P為13.780kPa。

2.2 拋光轉(zhuǎn)速的影響

拋光 P 為 13.780kPa，拋光液流量為150mL/min，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，螯合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，轉(zhuǎn)速對(duì)拋光速率和表面非均勻性的影響如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)拋光速率和WIWNU的影響

由圖3可知，拋光速率和表面非均勻性均隨著轉(zhuǎn)速的增加而上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)65r/min時(shí)，表面非均勻性仍持續(xù)增加，而拋光速率卻有所下降，轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致動(dòng)能的增大，轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能也會(huì)增大，螯合劑與銅離子越容易克服反應(yīng)勢(shì)壘而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)了銅的去除;轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物還未來(lái)得及發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就被帶離拋光盤(pán)，造成原材料的浪費(fèi)。綜合考慮拋光速率和表面非均勻性，實(shí)驗(yàn)選擇轉(zhuǎn)速為65r/min。

2.3 拋光液流量的影響

拋光P為13.780kPa，拋光機(jī)轉(zhuǎn)速為65r/min，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，氧化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，螯合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，拋光液流量對(duì)拋光速率和表面非均勻性的影響如圖4所示。由圖4可知，隨著流量的增加，拋光速率在開(kāi)始階段有緩慢的上升趨勢(shì)，表面非均勻性降低，當(dāng)流量超過(guò)175mL/min，拋光速率開(kāi)始下降而表面非均勻性上升。由于拋光液流量的增加，使拋光液在拋光墊上的流動(dòng)性增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)參加到CMP過(guò)程中的磨料和化學(xué)試劑增加，反應(yīng)產(chǎn)物迅速脫離拋光片表面，導(dǎo)致速率增加。但流量過(guò)大，使拋光液不能及時(shí)均勻的分布在拋光墊上造成磨料堆積，實(shí)際參加CMP的拋光液濃度降低，流量越大，在拋光墊和拋光片之間的水化膜越厚，機(jī)械摩擦作用越少，導(dǎo)致拋光速率下降和表面非均勻性上升，因此流量選擇175mL/min。

圖4 流量對(duì)拋光速率和WIWNU的影響

通過(guò)以上工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)可得d300mm銅光片化學(xué)機(jī)械拋光工藝參數(shù)列于表1。表1中1)真空吸附行中“1”表示加真空吸附，“0”表示未加真空吸附。2)拋光機(jī)中運(yùn)輸拋光液的泵最大流量為300mL/min。3)拋光液2管中為含有表面活性劑的去離子水，主要目的是對(duì)拋光后表面的清洗。4)步驟1為拋光準(zhǔn)備階段，步驟2為預(yù)拋光階段，步驟3為正式拋光階段，步驟4為過(guò)渡階段，步驟5為水拋光階段。

表1 拋光機(jī)參數(shù)

2.4 d300mmblanket銅膜CMP拋光液的研究

P 為 13.780kPa，v 為 65r/min，流 量 為175mL/min，拋光液中各組分對(duì)拋光速率和表面非均勻性的影響如圖5(5%螯合劑，0.5%氧化劑)、圖6(0.5%磨料，5%螯合劑)和圖 7(0.5% 磨料，0.5%氧化劑)所示。由圖5可知，銅膜去除速率隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大先是急劇增大，在w(磨料)為0.5%和 1%時(shí)數(shù)值分別為 982nm/min和1011nm/min，而后速率開(kāi)始下降進(jìn)而趨于穩(wěn)定，而表面非均勻性卻隨著磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大不斷減小，一直保持在較低水平。磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接決定著機(jī)械作用的強(qiáng)弱，較高的磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)能提供更強(qiáng)的機(jī)械作用，進(jìn)而使化學(xué)反應(yīng)加速，使銅膜各部分速率差顯著降低，因此速率加快而且表面非均勻性降低，考慮到低磨料CMP的優(yōu)勢(shì)，磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)取0.5%為最佳值。由圖6可以看出，銅膜去除速率在 w(氧化劑)為 0.5%時(shí)達(dá)到最大值1018.3nm/min(與 圖 5中 最 大 拋 光 速 率1011nm/min較為接近，證明在相同拋光液配比下得到的拋光速率的正確性和可重復(fù)性)，之后又呈下降趨勢(shì)，而表面非均勻性基本不隨氧化劑的用量而呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。氧化劑的主要作用是將銅氧化成氧化銅和氫氧化銅，電離出銅離子，進(jìn)而和螯合劑發(fā)生螯合反應(yīng)生成穩(wěn)定且可溶的螯合物，而單位時(shí)間能被氧化的銅是有極限值的，超過(guò)此極限值，即使氧化劑再多也不能產(chǎn)生更多的銅離子。此外，氧化劑濃度過(guò)大，會(huì)與螯合劑發(fā)生反應(yīng)，從而與螯合劑與銅離子的反應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng)，最終導(dǎo)致去除速率的下降，同時(shí)，H2O2極為不穩(wěn)定，加入的量越大，拋光液越不穩(wěn)定，發(fā)生其他副反應(yīng)的幾率就越大，因此確定0.5%氧化劑為最佳值。由圖7可知，螯合劑的濃度不斷增加，去除速率也不斷增大，直到螯合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，速率達(dá)到最大值1120nm/min，說(shuō)明這時(shí)與銅離子發(fā)生反應(yīng)的螯合劑已經(jīng)達(dá)到飽和，再增加螯合劑也不能使有效反應(yīng)粒子增加，相反還可能與氧化劑反應(yīng)，與銅被氧化為銅離子的反應(yīng)相競(jìng)爭(zhēng)，使去除速率下降，此外當(dāng)螯合劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí)，拋光片表面會(huì)出現(xiàn)少量劃痕(如圖8所示)，所以7%螯合劑為最佳值，此時(shí)表面非均勻性也處于較低值(0.059)。

圖5 w(磨料)對(duì)拋光速率和WIWNU的影響

圖6 w(氧化劑)對(duì)拋光速率和WIWNU的影響

圖7 w(螯合劑)對(duì)拋光速率和WIWNU的影響

圖8 拋光后銅膜表面AFM圖

2.5 拋光前后表面粗糙度的對(duì)比

拋光后表面粗糙度是衡量CMP工藝優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。表面粗糙度過(guò)高，會(huì)增加互連線電阻，增加RC延遲，同時(shí)會(huì)造成集成電路電特性一致性差等問(wèn)題，因此必須獲得較低的表面粗糙度。拋光工藝和拋光液配比參照2.1～2.4中優(yōu)化后的數(shù)值，采用原子力儀檢測(cè)銅膜拋光前后表面粗糙度。圖9 和圖10分別顯示d為300mm blanket銅膜拋光前后的粗糙度。通過(guò)檢測(cè)，拋光后表面粗糙度由原來(lái)的14.1nm降低到5.49nm。說(shuō)明在CMP過(guò)程中拋光液對(duì)拋光片表面的損傷很小。

圖9 拋光前表面粗糙度

圖10 拋光后表面粗糙度

2.6 拋光前后表面狀態(tài)對(duì)比

利用OLYMPUS BX60M型金相顯微鏡和DT2000圖像分析軟件組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行拋光前后銅膜表面狀態(tài)的檢測(cè)，見(jiàn)圖11和圖12。由圖11、圖12可以看出，優(yōu)化后的拋光液能避免拋光過(guò)程中由于顆粒導(dǎo)致的劃傷等缺陷，表面平整度也得到較大改善，突起小顆粒也得到了有效控制。

圖11 拋光前表面狀態(tài)照片

圖12 拋光后表面狀態(tài)照片

3 結(jié)論

1)堿性FA/O型螯合劑的螯合能力為銅獲得高拋光速率提供了保證，拋光機(jī)提供的能量為銅與拋光液中化學(xué)試劑的反應(yīng)提供了克服勢(shì)壘所需的能量，銅表面凹處動(dòng)能低，螯合反應(yīng)速率緩慢，而凸處高速旋轉(zhuǎn)造成的高動(dòng)能、高摩擦能和高溫，導(dǎo)致凸處螯合反應(yīng)速率很快，解決了拋光后表面一致性的問(wèn)題。

2)在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)d為300mm blanket銅膜進(jìn)行了低壓力低磨料化學(xué)機(jī)械拋光，在P為13.780kPa，拋光機(jī)轉(zhuǎn)速為65r/min，流量為175ml/min，w(磨料)為 0.5%，w(氧化劑)為0.5%，w(FA/O型螯合劑)為7%的工藝條件下，拋光速率為1120nm/min，表面非均勻性為0.059，表面粗糙度為5.49nm，拋光后銅膜表面缺陷明顯減少，所得結(jié)果均符合工業(yè)生產(chǎn)的需要。

［1］Christopher M Sulyma，Dipankar R.Electrochemical characterization of surface complexes formed on Cu and Ta in succinic acid based solutions used for chemical mechanical planarization［J］.Applied Surface Science，2010，256:2583-2595.

［2］Oh S，Seok J.An Integrated Material Removal Model for Silicon Dioxide Layers in Chemical Mechanical Polishing Processes［J］.Wear，2009，266(7-8):839-849.

［3］Tsai T C，Tsao W C，Lin W，et al.CMP process development for the via-middle 3D TSV applications at 28 nm technology node［J］.Microeletronic Engineering，2012，92(3):29-33.

［4］劉玉嶺，檀柏梅，張楷亮.微電子技術(shù)工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:420-567.

［5］Zheng J P，Roy D.Electrochemical Examination of Surface Films Formed During Chemical Mechanical Planarization of Copper in Acetic Acid and Dodecyl Sulfate Solutions［J］.Thin Solid Films，2009，517(16):4587-4592.

［6］Yang J C，Oh D W，Lee G W，et al.Step Height Removal Mechanism of Chemical Mechanical Planarization(CMP)for Sub-Nano-Surface Finish［J］.Wear，2010，268(3-4):505-510.

［7］王新，劉玉嶺，王弘英.Cu-CMP中磨料粒子的機(jī)械作用實(shí)驗(yàn)分析［J］.電子器件，2002，(09):87-89.

［8］張楷亮，宋志棠，張建新，等.ULSI介質(zhì)CMP用大粒徑硅溶膠納米研磨料的合成及應(yīng)用研究［J］.電子器件，2004，27(4):556-558.

［9］張磊，汪海波，張澤芳，等.一種新型復(fù)合磨料對(duì)銅的化學(xué)機(jī)械拋光研究［J］.功能材料與器件學(xué)報(bào)，2011，(05):520-525.

［10］Lei H，Luo J J.CMP of hard disk substrate using a colloidal SiO2slurry:pr eliminary experimental investigation［J］.Wear，2004，257(5-6):461-470.

［11］Kristin G，Shattuck，Jeng Yu Lin，et al.Characterization of phosphate electrolytes for use in Cu electrochemical mechanical planarization［J］.Electrochemical Acta，2008，53:8211-8216.

［12］Noh K，Saka N，Chun J H.Effect of Slurry Selectivity on Dielectric Erosion and Copper Dishing in Copper Chemical-Mechanical Polishing［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2004，53(1):463-466.