磨料粒径对多层Cu布线CMP的影响北大核心

阐述了碱性抛光液中磨料的质量传递作用对多层Cu布线化学机械抛光(CMP)过程中抛光速率和抛光后晶圆表面状态的影响,通过对比不同磨料粒径抛光液在3英寸(1英寸=2.54 cm)铜晶圆上的抛光实验结果,分析了不同磨料粒径抛光液的抛光速率以及抛光后晶圆的表面状态,选择了一种粒径为100 nm、质量分数为3%的磨料,粗抛(P1)的抛光速率达到650 nm/min,抛光后晶圆表面粗糙度由10.5 nm降至2.5 nm,大大提高了抛光后晶圆的表面状态以及平坦化效果,可对多层Cu布线CMP过程中磨料的选择提供一定的参考。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

Cu CMP工艺中新型低pH碱性抛光液稳定性的研究

Abstract： The stability of a novel low-pH alkaline slurry （marked as slurry A, pH = 8.5） for copper chemical mechanical planarization was investigated in this paper. First of all, the stability mechanism of the alkaline slurry was studied. Then many parameters have been tested for researching the stability of the slurry through comparing with a traditional alkaline slurry （marked as slurry B, pH = 9.5）, such as the pH value, particle size and zeta potential. Apart from this, the stability of the copper removal rate, dishing, erosion and surface roughness were also studied. All the results show that the stability of the novel low-pH alkaline slurry is better than the traditional alkaline slurry. The working-life of the novel low-pH alkaline slurry reaches 48 h.     

Alkaline barrier slurry applied in TSV chemical mechanical planarization

We have proposed a TSV （through-silicon-via） alkaline barrier slurry without any inhibitors for barrier CMP （chemical mechanical planarization） and investigated its CMP performance. The characteristics of removal rate and selectivity of Ti/SiO2/Cu were investigated under the same process conditions. The results obtained from 6.2 mm copper, titanium and silica show that copper has a low removal rate during barrier CMP by using this slurry, and Ti and SiO2 have high removal rate selectivity to Cu. Thus it may be helpful to modify the dishing. The TSV wafer results reveal that the alkaline barrier slurry has an obvious effect on surface topography correction, and can be applied in TSV barrier CME     

不同压力下螯合剂浓度在碱性Cu CMP中的影响

We propose the action mechanism of Cu chemical mechanical planarization(CMP) in an alkaline solution.Meanwhile,the effect of abrasive mass fraction on the copper removal rate and within wafer non-uniformity(WIWNU) have been researched.In addition,we have also investigated the synergistic effect between the applied pressure and the FA/O chelating agent on the copper removal rate and WIWNU in the CMP process.Based on the experimental results,we chose several concentrations of the FA/O chelating agent,which added in the slurry can obtain a relatively high removal rate and a low WIWNU after polishing,to investigate the planarization performance of the copper slurry under different applied pressure conditions.The results demonstrate that the copper removal rate can reach 6125 °/min when the abrasive concentration is 3 wt.%.From the planarization experimental results,we can see that the residual step height is 562 ° after excessive copper of the wafer surface is eliminated.It denotes that a good polishing result is acquired when the FA/O chelating agent concentration and applied pressure are fixed at 3 vol% and 1 psi,respectively.All the results set forth here are very valuable for the research and development of alkaline slurry.     

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。     

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.