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。     

阻挡层CMP中铜钴电偶腐蚀的影响因素北大核心

在Co化学机械抛光(CMP)过程中,Co的化学反应活性强于Cu,Co/Cu界面存在较大的电化学腐蚀电位差。采用动电位扫描电化学技术,表征金属铜钴表面的电化学反应。采用降低Cu/Co接触腐蚀电位差的方法,表征铜钴电偶腐蚀。研究了阻挡层CMP中影响铜钴电偶腐蚀的几个因素:pH值、H_2O_2和FA/O螯合剂;并对其控制机理进行了深入的研究。实验结果表明:pH值对钴的腐蚀电位影响较大,对铜的腐蚀电位影响不大,随着pH值的增加降低了铜和钴的腐蚀电位差;在碱性环境下,H_2O_2可降低Cu和Co的腐蚀电位差(最小可降到3 mV),可有效抑制Cu和Co之间电偶腐蚀现象的产生;在H_2O_2基电解液中添加适量的FA/O螯合剂有助于降低Cu和Co的腐蚀电位差,对抑制Cu和Co电偶腐蚀现象的产生具有重大的作用。     

硅衬底CMP过程中抛光雾的控制

抛光雾(Haze)是硅晶圆精抛过程中表面质量评定的重要参数之一.主要研究了化学机械抛光(CMP)过程中抛光液磨料质量分数、pH值、FA/O型非离子表面活性剂和混合表面活性剂对Haze值的影响.实验结果显示,磨料质量分数为0.1％是影响Haze值变化的拐点.当磨料质量分数由2％降至0.1％时Haze值下降迅速;当磨料质量分数由0.1％降至0.01％乃至0％时Haze值稍有增加.抛光液pH值约为9.5时Haze值最低,硅片表面质量最好,在此基础上提高或降低pH值都会增加Haze值.随着非离子表面活性剂体积分数的增加,Haze值快速下降.渗透剂脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)和FA/O型非离子表面活性剂混合使用比单独使用其中任何一种更有利于降低Haze值,且当JFC与FA/O的体积比为3∶1时,Haze值降到0.034,满足了工业生产的要求.     

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.     

柠檬酸对CeO2磨料分散稳定性及抛光性能的影响

采用柠檬酸作为pH调节剂和分散剂,针对CeO₂磨料水溶液的分散性差以及浅沟槽隔离(STI)化学机械抛光(CMP)过程中正硅酸乙酯(TEOS)/氮化硅(Si₃N₄)的去除速率选择性难以控制的问题进行了研究。分散实验结果表明,由于柠檬酸可以结合在CeO₂颗粒表面从而极大提高了CeO₂磨料的空间位阻,CeO₂溶液的分散稳定性得到提升,因此,与酒石酸、硝酸和磷酸相比,在CeO₂溶液中使用柠檬酸作为pH调节剂,可以使CeO₂磨料具有更小的粒径和较低的分散度以及使CeO₂溶液具有较高绝对值的Zeta电位。抛光实验结果表明,柠檬酸可以极大抑制Si₃N₄的去除速率,且对TEOS的去除速率影响较小,因此,使用柠檬酸作为pH调节剂和分散剂能实现TEOS/Si₃N₄的高去除速率选择比。同时抛光后TEOS和Si₃N₄薄膜具有良好的表面形貌和低的表面粗糙度。     

咪唑提升硅片CMP速率的机理研究

为了提高硅片的抛光速率,从机械作用及化学作用两个方面分析研究了咪唑在硅片表面的作用机理。接触角测试和静态腐蚀实验结果显示,咪唑对于硅表面的水解反应影响较小。Zeta电位结果显示,咪唑的加入使Zeta电位呈现上升的趋势,Zeta电位升高减弱了抛光垫、硅片、硅溶胶磨料之间的静电斥力,从而提高了硅的机械研磨速率。XPS分析显示,咪唑在硅片表面发生吸附行为,其1号位上的N原子由于具有更高的电子云密度,水解后替换了原有Si—H键中的H吸附在硅片表面,形成了新的Si—N键,使相邻原子间的化学键产生了极化现像,在机械力的作用下更容易被去除。相比传统以腐蚀为主的硅速率促进剂,咪唑在提高硅去除速率的同时保持低静态腐蚀速率,更加符合实际生产要求。     

钴插塞化学机械平坦化的抛光液组分优化

目的提高Co在超大规模集成电路全局化学机械抛光过程中的去除速率及Co/Ti去除选择比,并对去除机理进行详细描述。方法研究不同浓度的磨料、多羟多胺络合剂(FA/OII)、氧化剂等化学成分及不同pH值对钴去除率的影响。利用电化学实验、表面化学元素分析(XPS)揭示钴实现高去除速率的机理,通过原子力显微镜(AFM)对钴抛光前后的表面形貌进行了观察,并采用正交实验法找到抛光液最佳组分配比。结果随磨料浓度的升高,钴去除速率增大。随pH值的升高,钴去除速率降低。随氧化剂浓度的提升,钴去除速率升高,但Co/Ti去除选择比先升后降。随螯合剂浓度的增大,钴去除速率及Co/Ti去除选择比均先升后降。正交试验找到了最佳的抛光液配比及条件(3%磨料+20 mL/L多胺螯合剂(FA/OⅡ)+5 mL/L氧化剂(H_2O_2),pH=8),实现了钴的高去除(～500 nm/min)及较好的Co/Ti去除选择比(100:1)。并且,表面的平坦化效果明显提高,原子力显微镜测试结果显示Co面粗糙度由原本的3.14 nm降低到0.637 nm。结论采用弱碱性抛光液能有效提升钴的去除速率,并保证腐蚀可控。抛光液中同时含有氧化剂和螯合剂时,通过强络合作用实现了钴的抛光速率和Co/Ti去除选择比的大幅度提升。     

半导体器件硅衬底化学机械平坦化研究

主要对分立器件硅衬底化学机械平坦化(CMP)进行了研究。首先通过正交实验方法研究活性剂、螯合剂、磨料浓度和有机碱对硅材料去除速率的影响,得出活性剂体积分数对去除速率的影响最大,并且研究出去除速率最快的抛光液的最优配比,去除速率可以达1 410nm/min。同时平坦化后的硅衬底具有良好的表面状态:表面粗糙度仅为0.469nm,表面总厚度变化小于工业标准指标5μm。在考虑工艺影响的情况下,硅衬底制造双极型晶体管的成品率达到90%以上,满足工业成品率要求。     

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。