新型碱性阻挡层抛光液的研究(英文)

为了达到Ta的高去除速率,通过实验改变碱性阻挡层抛光液中各组分的体积分数,研究各组分变化对阻挡层材料Cu和Ta抛光速率的影响。碱性阻挡层抛光液中,首先确定磨料及去离子水的比例,然后再改变盐酸胍和螯合剂等组分体积分数,得到Cu和Ta抛光速率的变化规律,便于选取此条件下阻挡层抛光液最佳配比。通过各种测试手段表征抛光液对12英寸(1英寸=2.54 cm)布线片碟形坑修正能力及铜布线表面粗糙度的影响。结果表明,Ta和Cu材料的抛光速率随各组分变化规律明显,当磨料体积分数为30%、盐酸胍体积分数为3%以及螯合剂体积分数为1%时,可以达到Ta和Cu的最大抛光速率差。优化后的新型阻挡层抛光液1 min内可以实现碟形坑的有效修正及粗糙度的明显降低。     

基于正交实验法的Cu/Ta/TEOS碱性抛光液的优化

研究了碱性阻挡层抛光液中各组分对Cu、Ta和正硅酸乙酯(TEOS)去除速率的影响。通过单因素实验分别考察了磨料、FA/OⅡ螯合剂、KNO3和FA/OⅡ表面活性剂质量分数和H2O2体积分数对Cu、Ta和TEOS去除速率的影响,再结合正交实验研发了磨料质量分数为20%、FA/OⅡ螯合剂质量分数为2%、H2O2体积分数为0.1%,KNO3质量分数为1.5%、FA/OⅡ表面活性剂质量分数为2%的碱性阻挡层抛光液,该抛光液的Cu、Ta和TEOS的去除速率选择比为1∶1.47∶1.65。对4片12英寸(1英寸=2.54 cm)65 nm铜互连图形片的M4层进行阻挡层抛光,结果显示,铜沟槽内剩余铜膜厚度约为300 nm (目标值),图形片表面缺陷数目在10颗左右,碟形坑和蚀坑深度分别由52.3 nm和40 nm降至19.9 nm和18.4 nm,铜的表面粗糙度由4.4 nm降至1.9 nm。     

碱性抛光液对铜与钽CMP选择比的影响

在ULSI多层铜布线中,由于钽与铜在物理及化学性质上的差别导致这两者的CMP去除速率不同,从而在抛光结束后出现蝶形坑等缺陷,影响器件性能。通过实验分析碱性抛光液中磨料、螯合剂、氧化剂、pH值、活性剂对铜与钽CMP选择比的影响。根据铜与钽的CMP去除机理,从实验结果分析出对铜、钽去除速率影响较为明显的成分,调节这些成分得到特定配比的抛光液,分别实现了铜与钽的去除速率相等、铜的去除速率大于钽、铜的去除速率小于钽。使用上述铜去除速率小于钽的抛光液对12英寸(1英寸=2.54 cm)图形片进行抛光,通过原子力显微镜观察,证明了这种抛光液能有效地修复多层布线CMP中的蝶形坑等缺陷。     

不同磨料质量分数对化学机械平坦化的影响

采用自主研发的碱性铜抛光液,在E460E机台上研究了不同磨料质量分数对铜和钽抛光速率与膜厚一致性的影响;分析了磨料质量分数为2%,2.8%和3.6%时,膜厚一致性对平坦化的影响。抛光结果显示:当磨料质量分数高于2.8%时,抛光液开始对钽进行有效的抛光;随着磨料浓度的增加,抛光液的膜厚一致性提高趋于平缓。磨料质量分数为2.8%和3.6%时,抛光后膜厚一致性变好,碟形坑满足工业生产要求;磨料质量分数为2%时,抛光后膜厚一致性比抛光前恶化,碟形坑相对较大。由此可见,当磨料质量分数为2.8%时,抛光液能有效去除残余铜,并且抛光后膜厚一致性好,有利于实现平坦化,尤其是对提高成品率和优品率有重要的作用。     

碱性抛光液中表面活性剂对铜钽的电偶腐蚀

在阻挡层化学机械抛光(CMP)过程中,阻挡层材料钽(Ta)易与铜(Cu)发生电偶腐蚀.针对这一问题,通过电化学分析方法研究了碱性抛光液中非离子表面活性剂对铜钽腐蚀电位的影响;通过CMP实验研究了非离子表面活性剂对铜钽去除速率的影响.结果表明,随着非离子表面活性剂体积分数增加至9％,铜钽的腐蚀电位均降低.最终确定最佳非离子表面活性剂的体积分数为6％.此时,在静态条件下,铜钽电极之间的电位差为1 mV;在动态条件下,铜钽电极之间的电位差为40 mV,可极大地减弱铜钽电偶腐蚀.同时,铜钽的去除速率分别为47 nm·min-1和39 nm·min-1,铜钽去除速率选择比满足阻挡层CMP要求.     

阻挡层CMP中表面活性剂对抛光效果的影响

研究了阻挡层在化学机械抛光过程中表面活性剂的作用。利用5种活性剂体积分数不同的抛光液对3英寸(1英寸=2.54 cm)Cu/Ta/SiO2光片进行抛光。通过抛光前后质量变化可得各晶圆片的抛光速率,再对12英寸布线晶圆片进行抛光,利用台阶仪测量抛光前后碟形坑大小的变化,最后利用原子力显微镜对抛光后布线晶圆片的表面形貌进行测试。研究表明抛光液中活性剂体积分数不同会引起抛光速率的变化,也会影响碟形坑的修正效果。当抛光液中活性剂体积分数达到2.0%时,修正值达到85.6 nm/min,优于其他活性剂体积分数时的修正值。另外,活性剂体积分数的增加有助于降低抛光后晶圆表面的粗糙度。活性剂体积分数小于3.0%时,粗糙度随着活性剂体积分数的增加而降低。这一发现可以对配制抛光液时活性剂体积分数的确定起到一定的参考作用。     

高稀释倍数碱性铜精抛液在Cu CMP中的应用

采用自制的不含常用的腐蚀抑制剂(BTA)碱性铜精抛液对铜和钽进行了化学机械抛光。研究了高稀释倍数(50倍)的精抛液对铜膜的静态腐蚀速率和抛光速率以及钽抛光速率的影响,并对65 nm技术节点的300 mm单层铜布线片进行了平坦化研究。结果表明,铜膜的静态腐蚀速率为1.5 nm/min,动态抛光速率为206.9 nm/min,阻挡层Ta/TaN抛光速率仅为0.4 nm/min,Cu/Ta选择比高。此精抛液能够有效去除残余铜,进一步过抛完全去除残余铜时,对阻挡层的去除速率趋于0,而沟槽里的铜布线去除量低,碟形坑和蚀坑大小满足实际平坦化要求。此精抛液可满足65 nm技术节点平坦化的要求。     

一种含有盐酸胍的新型TSV抛光液

本文中,对一种新型的含有盐酸胍的TSV抛光液在CMP(化学机械平坦化)中的性能进行了研究,该TSV抛光液是一种碱性抛光液,并且不含任何抑制剂。在抛光过程中,盐酸胍作为一种有效的表面复合单元,相对于铜和介质的去除速率,钛的去除速率是可以通过调节选择性来控制的。在TSV生产过程中对于表面蝶形坑的修正及得到好的表面平整度是有利的。本文主要研究了抛光液成分的作用机理以及盐酸胍在TSV抛光液中的巧妙应用。     

抛光液添加剂协同作用对铜互连阻挡层CMP后碟形坑及蚀坑的影响

为了有效控制铜互连阻挡层化学机械平坦化(CMP)过程中产生的碟形坑和蚀坑等缺陷,研究了在低磨料下柠檬酸钾(CAK)和FA/OⅡ络合剂协同作用对Cu/TEOS去除速率、碟形坑和蚀坑修正的影响.结果表明:加入质量分数为1％CAK后,TEOS去除速率增加了31.6 nm/min,Cu的去除速率无明显变化,说明CAK在不影响C...     

不同表面活性剂对铜互连阻挡层CMP一致性的影响北大核心CSCD

为实现铜互连阻挡层化学机械抛光的高平坦化,研究了阻挡层抛光液中表面活性剂的作用。在抛光液中分别添加非离子型表面活性剂异辛醇聚氧乙烯醚(JFC-E)、本课题组研发的Ⅱ型活性剂以及复合表面活性剂,研究其对阻挡层CMP中铜和正硅酸乙酯(TEOS)去除速率及一致性的影响。实验结果表明,表面活性剂不仅可以改善Cu和TEOS的去除速率一致性和晶圆全局一致性,还可以降低铜表面的粗糙度,通过复配两种不同的表面活性剂,可以提高Cu和TEOS的去除速率,使Cu和TEOS的剩余厚度片内非均匀性(WIWNU)分别降低至1.39%和1.38%,铜表面粗糙度从5.25 nm降至1.51 nm。基于实验结果,研究并提出了表面活性剂影响抛光液润湿性,从而改善片内非均匀性和铜表面质量的机理。     

新型阻挡层抛光液对CMP后清洗效果的影响

当集成电路制造工艺缩小到14 nm及以下,阻挡层抛光清洗后表面缺陷严重影响芯片成品率。针对新型碱性阻挡层抛光液,与线上抛光液对比,通过检测抛光清洗后的晶圆表面缺陷,研究了不同阻挡层抛光液对CMP后清洗效果的影响。研究结果表明：当新型碱性阻挡层抛光液中不含盐酸胍时,抛光清洗后的晶圆表面存在大量划伤,盐酸胍的加入可同时提高TEOS和Cu的去除速率,且显著降低表面划伤数量;使用单一成分清洗液对不同阻挡层抛光液CMP后的晶圆清洗,新型阻挡层抛光液抛光清洗后的晶圆表面无任何污染颗粒,利于CMP后清洗,而线上抛光液的晶圆表面存在大量有机残留物和氧化物颗粒,需复配清洗液清洗;相比较线上阻挡层抛光液+复配清洗液工艺,使用新型碱性阻挡层抛光液+单一成分清洗液工艺产生的Cu/Ta界面腐蚀小,抛光清洗后的晶圆表面无明显的宽线条边缘缝隙和细线条表面塌陷的现象。     

配置一种不加BTA和氧化剂的弱碱性阻挡层抛光液的机理分析

在阻挡层化学机械抛光中,实现可控的铜,钽,介质去除速率选择比是一项挑战。双氧水作为氧化剂加上BTA作为抑制剂的作用被认为是一种有效的方法。但是,由于双氧水易于分解使得含有双氧水的抛光液使用寿命短。另外,BTA对抛光后清洗带来挑战：在片子表面残留有毒的有机物和颗粒。最近,我们一直致力于研究一种不加氧化剂和BTA的阻挡层抛光液。在这些工作的基础上,本文的目的是通过实验研究抛光液中不同的组分（包括硅溶胶,FA/O螯合剂,溶液PH,硝酸）胍）对铜,钽,介质去除速率的影响来讨论配置这种新型的不加BTA和氧化剂的阻挡层抛光液的机理。相关可能的抛光机也会在本论文中提出。     

28nm集成电路铜互连弱碱性阻挡层抛光液性能北大核心

报道了一种用于技术节点为28 nm的集成电路多层铜互连阻挡层化学机械平坦化(CMP)的弱碱性抛光液(pH值为8.5),仅由平均粒径为20 nm的硅溶胶、FA/O多羟多胺螯合剂及非离子表面活性剂组成。实验结果表明,研发的弱碱性阻挡层抛光液对牺牲层SiO2、阻挡层Ta及金属互连线Cu等多种材料具有优异的速率选择性,去除速率一致性大于95%,并在28 nm多层铜布线片阻挡层CMP后具有较高的平坦化性能,分别获得了20 nm以下深度的碟形坑和蚀坑。通过电化学极化曲线测试表明,此弱碱性阻挡层抛光液能有效减少Cu和Ta之间的腐蚀电位差,并避免了铜互连结构Cu和Ta界面处电偶腐蚀的产生,这对提高集成电路芯片可靠性具有重要意义。     

FA/O阻挡层抛光液在铜布线中的去除速率的选择性优化

在阻挡层平坦化的过程中,由于不同材料去除速率的要求,所以有必要研发一种阻挡层抛光液来改善Cu/barrier/TEOS(SiO2)速率的选择性来减小蚀坑和碟形坑,。本次实验中,研发了一种不含腐蚀抑制剂BTA的FA/O碱性阻挡层抛光液。它包含了20mL/L的FA/O螯合剂,5mL/L的表面活性剂,磨料浓度为1:5,pH值为8.0。通过控制抛光液的成分,有效的控制了不同材料的去除速率。最后,考察FA/O阻挡层抛光液对介电层材料的影响。在进行完CMP过程后,检测介电层材料的性能。结果显示,漏电流在皮安级,电阻2.4 kΩ,电容2.3pF,碟形坑和蚀坑都在30nm以下。介质层的各项指标完全满足工业化生产的需要。     

有机胺碱对硅通孔铜膜化学机械抛光的影响

有机胺碱可与铜离子反应且产物在碱性条件下溶于水,这为硅通孔(TSV)铜膜的碱性化学机械抛光(CMP)提供了有利条件.研究了大分子有机胺碱对铜膜化学机械抛光的影响.首先测试了不同体积分数有机胺碱对碱性抛光液中磨料粒径和Zeta电位的影响,然后在直径3英寸(1英寸=2.54 cm)铜片上模拟了不同体积分数有机胺碱对铜去除速率的影响.实验结果表明:有机胺碱对抛光液中磨料粒径和Zeta电位没有影响;随着有机胺碱体积分数的增加,铜的去除速率先快速增加,达到一峰值后趋于稳定,最后略有下降;当有机胺碱的体积分数为5％时,TSV图形片铜膜去除速率达到最高值2.1tμm/min,剩余铜膜总厚度差减小到1.321 76 nm,实现了纳米级的化学机械抛光.     

新型碱性抛光液对300mm TaN镀膜片CMP效果评估

TaN由于其良好的性能广泛用于布线铜与介质之间的阻挡层和黏附层.在对直径为300 mm的TaN镀膜片进行化学机械抛光(CMP)后,对比并分析了两种碱性抛光液对TaN去除速率、片内非均匀性、去除速率选择性和表面粗糙度的影响.结果表明,经过自主研发且不合氧化剂的碱性阻挡层抛光液抛光后,TaN的去除速率为40.1 nm/min,片内非均匀性为3.04％,介质、TaN与Cu的去除速率之比为1.69∶1.26∶1,中心、中间以及边缘的表面粗糙度分别为0.371,0.358和0.366 nm.与商用抛光液抛光结果相比,虽然采用自主研发的抛光液抛光的去除速率低,但片内非均匀性以及选择性均满足商用要求,且抛光后TaN表面粗糙度小,易清洗,无颗粒沾污.综合实验结果表明,自主研发的高性能碱性抛光液对TaN镀膜片具有良好的抛光效果,适合工业生产.     

新型碱性抛光液各组分对铜化学机械平坦化性能的影响

随着集成电路特征尺寸的减小、晶圆尺寸的增大以及布线层的逐渐增多,加工晶圆过程中实现较高的材料去除速率、较小的片内非一致性(WIWNU)及较小的表面粗糙度已经成为铜化学机械抛光工艺的几大难点.采用正交实验法选取5组抛光液进行Cu CMP实验,系统研究了含有双氧水、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)、FA/O Ⅰ型螯合剂与苯骈三氮唑(BTA)的碱性抛光液化学组分对铜去除速率、WIWNU的影响,并对铜CMP的各种变化规律做出机理分析.结果表明:采用pH值约为8.6,体积分数为3％的H202,质量分数为0.08％的非离子表面活性剂AEO与体积分数为1.5％的螯合剂的碱性抛光液,在12英寸(1英寸=2.54 cm)铜镀膜片抛光后有助于去除速率达到629.1 nm/min,片内非一致性达到4.7％,粗糙度达到1.88 nm.     

碱性铜精抛液中表面活性剂ADS对平坦化效果的影响

研究了阴离子表面活性剂十二烷基硫酸铵(ADS)在弱碱性铜抛光液中对晶圆平坦化效果的影响.对不同质量分数的阴离子表面活性剂ADS下的抛光液表面张力、铜去除速率、抛光后铜膜的碟形坑高度、晶圆片内非均匀性和表面粗糙度进行了测试.实验结果表明,当阴离子表面活性剂ADS的质量分数为0.2％时,抛光液的表面张力降低,铜的去除速率为202.5 nm·min-1,去除速率片内非均匀性减小到4.15％,抛光后铜膜的碟形坑高度从132 nm降低到68.9 nm,表面粗糙度减小到1.06 nm.与未添加表面活性剂相比,晶圆表面的平坦化效果得到改善.     

ULSI铜多层布线中钽阻挡层CMP抛光液的研究与优化

以高浓度纳米SiO2水溶胶为磨料,H2O2为氧化剂的碱性抛光液,研究了适用于终抛铜/钽的CMP抛光液.通过调节pH值,降低抛光液的氧化,增强有机碱的作用,来降低铜的去除速率并提高钽的去除速率,得到了很好的铜/钽抛光选择性.     

碱性抛光液中纳米SiO_2磨料在Cu CMP中的作用

GLSI多层铜互连线的平坦化中,抛光液中的SiO2磨料对铜的平坦化效率具有重要的作用。研究了碱性纳米SiO2质量分数对300 mm铜去除速率和300 mm铜布线平坦化作用的影响。结果表明,随着磨料质量分数的增大,铜的去除速率增大,晶圆的均匀性变好,但磨料质量分数过高时,铜的去除速率略有降低,可能由于纳米SiO2表面硅羟基吸附在金属铜表面,导致质量传递作用变弱,引起速率降低。通过对图形片平坦化实验研究表明,随着磨料质量分数的增大,平坦化能力增强,这是因为磨料的质量分数增大使得高低速率差增大,能够有效消除高低差,实现平坦化。