碱性铜抛光液在CMP工艺中的性能评估

研究了一种碱性铜抛光液,其基本组分是硅溶胶磨料、新型FA/O V型螯合剂、非离子表面活性剂和氧化剂(H2O2)。在压力为2 psi(1 psi=6.895 kPa)、抛头转速与抛盘转速分别为97和103 r/min、流量为300 mL/min的条件下,分析了铜膜去除速率随着螯合剂和氧化剂体积分数增加的作用规律。结果表明,加入体积分数2%的螯合剂和体积分数3%的氧化剂时,抛光液具有较好的自钝化能力和较高的铜膜去除速率。同时,研究了工艺参数在抛光过程中对去除速率和片内非均匀性(WIWNU)的影响,平坦化实验的抛光工艺选择压力1.5 psi、抛头和抛盘转速分别为87和93 r/min、流量300 mL/min。实验结果表明:此种抛光液在上述工艺条件下,抛光结束时剩余高低差为63.7 nm,具有较好的平坦化效果,对抛光液商业化提供了参考价值。     

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.     

低压力Cu布线CMP速率的研究

采用低介电常数材料(低k介质)作为Cu布线中的介质层,已经成为集成电路技术发展的必然趋势.由于低k介质的低耐压性,加工的机械强度必须降低,这对传统化学机械抛光(CMP)工艺提出了挑战.通过对CMP过程的机理分析,提出了影响低机械强度下Cu布线CMP速率的主要因素,详细分析了CMP过程中磨料体积分数、氧化剂体积分数、FA/O螯合剂体积分数等参数对去除速率的影响.在4.33 kPa的低压下通过实验得出,在磨料体积分数为20%,氧化剂体积分数为3%,FA/O螯合剂体积分数为1.5%时可以获得最佳的去除速率及良好的速率一致性.     

无氧化剂条件下铜钴CMP去除速率的控制北大核心

利用不含氧化剂的碱性抛光液对铜和钴进行化学机械抛光,深入分析了抛光液组分包括硅溶胶磨料、FA/O螯合剂以及非离子表面活性剂对两种金属去除速率的影响规律及作用机理。实验结果表明,铜和钴的去除速率随着磨料质量分数的增加而升高,并且在磨料质量分数低于5%时钴的去除速率为20~30 nm/min,而铜的去除速率几乎为零;加入FA/O螯合剂可增强其与金属离子的络合,从而加快铜和钴的去除速率;非离子表面活性剂可以有效降低铜和钴的表面粗糙度。在抛光液各组分的协同作用下,可以达到两种材料的低表面粗糙度和高去除速率选择性。     

GLSI钨插塞CMP碱性抛光液组分优化的研究

钨插塞化学机械平坦化(CMP)是极大规模集成电路(GLSI)铜互连多层布线的关键工艺之一。首先研究了钨在碱性条件下化学机械抛光机理;接着采用单因素实验方法分析了抛光液组分中纳米SiO2水溶胶磨料、氧化剂、有机碱(pH调节剂)和表面活性剂对W-CMP速率的影响。最后通过正交优化实验,确定抛光液最优配比为V(纳米SiO2水溶胶)∶V(去离子水)=1∶1,氧化剂体积分数为20 mL/L,pH调节剂体积分数为4 mL/L,表面活性剂体积分数为20 mL/L时,此时抛光液的pH值为10.36,获得的去除速率为85 nm/min,表面粗糙度为0.20 nm。     

碱性铜粗抛液中氧化剂对化学机械平坦化的影响

针对不合腐蚀抑制剂苯并三氮唑(BTA)的碱性铜粗抛液,通过对3英寸(1英寸=2.54 cm)铜片上的动态抛光速率和静态腐蚀速率的研究来模拟评估氧化剂对晶圆表面平坦化的影响.在12英寸铜镀膜片和TM1图形片上分别研究氧化剂体积分数对表面平坦化的影响.实验结果表明:动态抛光速率和静态腐蚀速率均随着氧化剂体积分数的增加先逐渐增大,达到最大值,然后下降,趋于平缓.片内非均匀性和剩余高低差均随H2O2体积分数的增加,先呈下降趋势,后缓慢上升.当氧化剂体积分数为3％时,动态去除速率(vRR)为398.988 nm/min,静态腐蚀速率vER为6.834 nm/min,vRR/vER比值最大,片内非均匀性最小为3.82％,台阶高低差最小为104.6 nm/min,此时晶圆片有较好的平坦化效果.     

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。     

碱性阻挡层抛光液各成分对CMP的影响

为实现图形片的全局平坦化,通过研究碱性阻挡层抛光液各成分对铜和介质(TEOS)去除速率的影响,遴选出一种碱性阻挡层抛光液。在此抛光液基础上添加不同质量分数的盐酸胍,对钽光片进行抛光,选出满足要求的抛光液,并在中芯国际图形片上验证此抛光液的修正能力。实验表明,当磨料质量分数为20%、盐酸胍质量分数为0.3%、I型螯合剂(FA/O I)体积分数为1%、非表面活性剂体积分数为3%时,钽和TEOS去除速率之和是铜去除速率的3.3倍,此种碱性阻挡层抛光液对钽的去除速率为42 nm/min,各项参数均满足工业要求。与商用酸性、碱性抛光液相比,该抛光液对碟形坑和蚀坑有更好的修正能力。     

TSV硅衬底CMP后表面微粗糙度分析与优化

为实现TSV硅衬底表面微粗糙度及去除速率的优化,对影响TSV硅衬底精抛后表面微粗糙度的关键因素——抛光液组分的作用进行分析。采用正交实验方法进行精抛液组分(包括有机胺碱、螯合剂、磨料和活性剂)配比控制的组合实验。实验结果表明,抛光液组分中活性剂体积分数对CMP过程中硅衬底片表面微粗糙度及去除速率的影响最为显著。优化抛光液组分配比条件下,CMP后硅衬底表面微粗糙度可有效降到0.272 nm(10μm×10μm),去除速率仍可达到0.538μm/min。将优化后的抛光液与生产线上普遍采用的某国际商用抛光液进行对比,在抛光速率基本一致的条件下,粗糙度有效降低50%。     

纳米级三氧化二铝对碱性钨抛光液的影响

研究了纳米级三氧化二铝颗粒的加入对以二氧化硅为磨料的碱性钨抛光液的影响。首先用单一因素法分析了三氧化二铝与二氧化硅质量比对原有碱性钨抛光液的去除速率的影响,以及氧化剂体积分数和pH值对抛光液去除速率的影响,取最优值,然后对添加三氧化二铝抛光液抛光后晶圆表面粗糙度进行了测试分析。实验结果显示在三氧化二铝与二氧化硅质量比为1∶2,二氧化硅水溶胶与去离子水体积比为1∶1,氧化剂体积分数为2%,pH值为9时,去除速率达到175 nm/min,较原有碱性钨抛光液提高约1倍,表面粗糙度为2.24 nm,能满足实际生产要求。     

不同体积分数螯合剂对Cu-BTA去除的影响

化学机械抛光(CMP)过程中苯并三氮唑(BTA)与金属铜反应生成表面难溶、难以去除的Cu-BTA钝化膜,是抛光后清洗过程中主要去除的对象。采用自主研发的FA/OⅡ型碱性螯合剂作为清洗液的主要成分,并对清洗过程中有效去除Cu-BTA的螯合剂体积分数进行了研究。通过Cu-BTA膜厚生长实验,确定Cu-BTA的生长方式。根据BTA在不同FA/O型螯合剂中溶解度对比实验,确定FA/OⅡ型螯合剂为清洗液的主要成分。通过大量实验得到,FA/OⅡ型螯合剂体积分数为0.007 5%~0.015%时,能有效去除Cu-BTA钝化膜及表面其他残留物,接触角下降到29°,表面粗糙度得到改善约为3.91 nm。此外,静态腐蚀速率实验进一步验证接触角的测试结果,确定有效去除Cu-BTA的螯合剂体积分数。     

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.     

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。     

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.     

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。     

用于TSV硅衬底的碱性抛光液研究

在穿透硅通孔(TSV)工艺中,研究了碱性抛光液组分的组合方式和抛光液的稀释倍数对硅衬底去除速率的影响。分析了硅衬底的去除机理;研究了抛光液对Si/Cu去除速率的选择性;研究了抛光液的存储时间不同时pH值和硅衬底去除速率的变化。该抛光液通过在硅溶胶中依次加入表面活性剂、无机碱、有机胺碱,再用去离子水稀释15倍配制而成,并应用于TSV图形片。实验结果表明:该抛光液对硅衬底的去除速率较高,达到1.045 μm/min;采用该抛光液对TSV图形片抛光120 s后,铜柱露出2 μm;抛光液储存时间30天后,硅衬底去除速率仅损失1.3%。该碱性抛光液满足半导体制造行业要求。     

碱性条件下硬盘NiP基板抛光速率正交试验分析

利用单面抛光机和SiO2碱性抛光液进行了以硬盘NiP基板CMP去除速率为考核指标的工艺试验.针对抛光速率是受各个工艺因素共同影响这一特性,应用正交试验方法分析了CMP中5个重要工艺参数(抛光压力、抛光液流量、抛光盘转速、抛光液浓度,氧化剂质量分数)对硬盘NiP基板抛光去除速率的影响规律,并结合抛光机理对其进行了分析.试验分析表明,抛光压力为0.2 MPa,抛光液流量为500 mL/min,抛光盘转速为50 r/min,磨料质量分数为20%,氧化剂体积分数为0.3%时,可以得到较高的抛光速率,为740 nm/min.     

抛光液组成对LiNbO3 CMP去除速率的影响

影响LiNbO3化学机械抛光速率的因素很多,如抛光液组成、抛光垫质量、抛光工艺参数等.主要研究了抛光液对去除速率的影响,采用磨料 碱 活性剂的配方,首先分析了抛光液各成分对去除速率的影响机理,然后结合各因素的部分相关实验,从机械、化学角度分析其性质特点,对LiNbO3晶片的去除速率进行了研究.结果表明,在保证获得较好抛光表面的前提下,采用的磨料质量分数越高越好,但活性剂体积分数不宜过高,溶液pH值采用无机碱进行调节,即可获得较高的去除速率.     

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。     

碱性抛光液中H_2O_2对铜布线CMP的影响

化学机械平坦化(CMP)过程中,抛光液的化学作用对平坦化效果起着不可替代的作用。介绍了碱性抛光液中氧化剂(H2O2)对铜布线CMP的作用:H2O2对铜的强氧化性可以将铜氧化为离子状态,然后在螯合剂的螯合作用下快速去除铜膜;H2O2对铜的钝化作用可以保护凹处铜膜不被快速去除,从而有效降低高低差。此外,还研究了碱性抛光液中不同H2O2浓度对铜的静态腐蚀速率、动态去除速率及铜布线平坦化结果的影响。研究表明:抛光液对铜的静态腐蚀速率随H2O2浓度的增大逐渐降低然后趋于饱和;铜的动态去除速率随H2O2浓度的增大而逐渐降低;抛光液的平坦化能力随H2O2浓度的增大逐渐增强再趋于稳定。