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。     

稀释倍数对弱碱性铜粗抛液性能的影响

研究了三种不同稀释倍数的弱碱性铜粗抛液,原液采用商用FA/O型铜抛光液,稀释倍数分别为1倍、3倍和5倍。基于化学机械抛光(CMP)作用机理,在相同工艺条件下分析了三种粗抛液对铜膜的平均去除速率、片内非均匀性(WIWNU)和平坦化性能等指标的影响。铜膜的抛光实验结果表明:稀释3倍的弱碱性铜粗抛液对铜膜平均去除速率高达869.76 nm/min,片内非均匀性仅为2.32%。四层图形片的平坦化测试结果显示,图形片初始高低差为312.5 nm,采用稀释3倍的粗抛液抛光20 s后,有效消除高低差261.5 nm,基本实现了全局平坦化,满足45 nm技术节点的要求。     

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。     

催化反应对低磨料浓度化学机械平坦化的影响

通过低磨料浓度下催化反应对铜膜抛光速率的影响,证实了纳米SiO2胶体作为催化反应物可以极大地提高铜膜表面的化学反应速率。通过浸泡在不同磨料浓度抛光液中的铜电极表面腐蚀电位和腐蚀电流数值,进一步证实了催化反应能够加速凹处钝化膜的生成,并确定了在静态腐蚀条件下催化反应速率转换临界点所对应的纳米SiO2溶胶浓度为0.1vol%和1vol%。根据催化反应对铜晶圆各平坦化参数的影响,确定了低磨料CMP的最佳纳米SiO2溶胶浓度为0.3vol%,此时铜晶圆的抛光速率、台阶消除量、平坦化效率、碟形坑高度和腐蚀坑高度分别为535nm/min、299nm、56%、103nm和19nm。     

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.     

不含抑制剂的碱性抛光液对铜布线平坦化的研究

本文提出一种碱性铜布线抛光液,其不含通用的腐蚀抑制剂,并对其化学机械抛光和平坦化 (CMP)性能进行了研究。首先研究了此抛光液对铜的静态腐蚀速率和抛光速率,并与含抑制 剂的铜抛光液做了对比实验。在静态条件下,此不含抑制剂的碱性铜抛光液对铜基本无腐蚀速率,而在动态抛光过程中对铜有较高的速率。而含抑制剂的抛光液对静态腐蚀速率略有降低,但是却大幅度降低了铜的去除速率。另外,对铜布线的化学机械平坦化研究表明,此不含抑制剂的碱性铜抛光液能够有效的去除铜布线表面的高低差,有较高的平坦化能力。此抛光液能够应用于铜CMP的第一步抛光,能够去除大量多余铜时初步实现平坦化。     

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。     

新型碱性阻挡层抛光液对铜布线化学机械平坦化的评估研究

化学机械平坦化(CMP)是铜互连制备过程中唯一的全局平坦化技术。但是由于互连线铜与扩散阻挡层物理及化学性质上的差异,在阻挡层的化学机械平坦化过程中将加剧导致碟形坑的产生。目前,国际上抛光液以酸性为主,但是其存在固有的问题,如酸性气体挥发,腐蚀严重等。本论文研发出一种新型碱性阻挡层抛光液,与商用的阻挡层抛光液做对比,评估了其抛光性能。实验结果表明,新型碱性阻挡层抛光液抛光后表面状态好,粗糙度较低。另外,碟形坑及电阻测试结果表明,新型碱性阻挡层抛光后铜布线的表面形貌好,碟形坑小,能够应用于铜布线阻挡层的CMP中。     

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.     

FA/O精抛液组分对Cu/Ta CMP去除速率的影响

研究了精抛液中各组分对Cu/Ta去除速率的影响.在分别考察磨料质量分数、Ⅱ型螯合剂、活性剂和双氧水等各组分对Cu/Ta去除速率的影响后,研发了磨料质量分数为2％,Ⅱ型螯合剂体积分数为0.35％,活性剂体积分数为2％,H2O2体积分数为2％的FA/O精抛液.并在MIT854布线片上进行了精抛测试.结果显示,精抛12 s之后,100-100线条处高低差从精抛前的76.7 nm降低为63.2 nm,而50-50线条处高低差从精抛前的61.3 nm降低为59.8 nm.并且,经过FA/O精抛液精抛后粗抛后产生的尖峰也有所减小,台阶趋于平坦.精抛后,100-100和50-50处的高低差均小于70 nm,能够达到产业化指标.     

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。     

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...     

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。     

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.     

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。     

ULSI铜布线阻挡层Ta CMP及抛光液的研究

ULSI多层铜互连线中,由于Cu与Ta的硬度不同带来抛光速率的差异,使得在CMP过程中各种缺陷如碟形坑缺陷、磨蚀缺陷极易发生。研究分析了H2O2、有机碱对Cu和Ta抛光速率的影响,并进行了不同抛光液配比的试验。实验证明,在温度为30℃、压力0.08 MPa,转速60 r/min、抛光液流量为160 mL/min、抛光液成份为V(H2O2)∶V(有机碱)∶V(活性剂)∶V(螯合剂)=5∶15∶15∶25时,抛光速率一致性较好,能够有效降低碟形坑的出现几率;Cu、Ta的抛光速率均为500 nm/min左右,实现了CMP的全局平坦化。     

新型GLSI弱碱性铜抛光液稳定性研究

随着极大规模集成电路(GLSI)技术节点逐渐降低至28 nm,多层铜布线化学机械抛光过程中弱碱性抛光液的稳定性成为人们研究的热点.以四乙基氢氧化铵作为pH调节剂,配制不同pH值的新型弱碱性抛光液,研究各组抛光液的pH值、粒径、Zeta电位以及铜去除速率、表面粗糙度和去除速率一致性随存放时间(0,12,24,36和48 h)的变化,并与KOH作为pH调节剂的抛光液进行了对比.结果表明,pH值、粒径、Zeta电位在存放时间内基本不变.pH值大于10时平坦化效果较差,pH值为9.0时,平坦化效果较好,0和48 h铜去除速率为530 nm/min和493.1 nm/min,抛光后铜表面粗糙度为0.718和0.855 nm,铜去除速率一致性为4.31％和4.54％,该抛光液加入双氧水后可以稳定存放48 h以上,可满足工业生产的要求.     

磷酸和酒石酸在GSI阻挡层CMP抛光液中的应用

在阻挡层的化学机械平坦化(CMP)过程中,Cu与阻挡层去除速率的一致性是保证平坦化的关键问题之一。低k介质材料的引入要求阻挡层在低压力下用弱碱性抛光液进行CMP,这给抛光液对不同材料的选择性提出了新的挑战。研究了低压2 psi,(1 psi=6.89 kPa)CMP条件下,磷酸和酒石酸作为阻挡层抛光液pH调节剂对Cu和Ta的络合作用。实验结果表明,酒石酸对Cu和Ta有一定的络合作用,能够提高它们的去除速率;磷酸能提高Ta的去除速率,而对Cu的去除有抑制作用。最终在加入磷酸浓度为2×10-2mol/L,酒石酸浓度为1×10-2mol/L,H2O2体积分数为0.3%,pH=8.5时,Cu/Ta/SiO2介质的去除速率选择比达到了1∶1∶1,去除速率约为58 nm/min;同时,磷酸和酒石酸的加入能够有效改善Cu的表面状态。