ULSI碱性抛光液对铜布线平坦化的影响研究

研究了铜化学机械平坦化的模型。通过研究分析,采用40 nm粒径的硅溶胶作为磨料,H2O2作为氧化剂,还包含螯合剂和FA/O表面活性剂作为抛光液。分析了工艺条件(包括压力、流量、转速、温度等)和抛光液(H2O2、有机碱、磨料粒径)对抛光过程的影响。通过实验结果,确定了相应的实验条件和抛光液来解决铜化学机械抛光过程中出现的碟形坑等问题,分析了表面活性剂对表面粗糙度的影响。

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。

弱碱性抛光液中铜化学机械抛光的电化学行为

在弱碱性介质里以铁氰化钾为钝化剂 ,对铜化学机械抛光技术 (CMP)过程中的电化学行为进行了在线测试。考察了铜在有无铁氰化钾存在下的极化行为及铁氰化钾浓度对腐蚀电位的影响 ,研究了在不同压力下铜抛光前后的腐蚀电位 (φE)和腐蚀电流密度 (Jc)的变化规律 ,比较了抛光前及抛光过程中铜极化曲线的变化。定性地通过成膜的快慢及抛光过程中腐蚀电流密度的大小来说明抛光速率的高低。证明了以弱碱性溶液为介质、铁氰化钾为成膜剂、纳米γ Al2 O3 为磨粒的CMP配方的可行性。

用碱性抛光液化学机械抛光304不锈钢片研究

为提高化学机械抛光的加工效果,我们研究了pH值、氧化剂种类和氧化剂含量对材料去除率和表面粗糙度的影响。结果表明:不同氧化剂的抛光液在各自的最佳pH值时达到最大的材料去除率,分别为181nm/min(H_2O_2抛光液,pH=9),177nm/min(Cr_2O_3抛光液,pH=11),172nm/min(Na2Cr_2O_7抛光液,pH=11)和147nm/min(NaClO抛光液,pH=13);抛光液中氧化剂含量、pH值对抛光后不锈钢的表面粗糙度影响较小。其中,材料去除率较高的H_2O_2和Cr_2O_3可作为304不锈钢化学机械抛光碱性抛光液的氧化剂。

钨CMP中碱性抛光液组分间化学作用及其影响

CMP工艺水平很大程度上依赖于抛光液的组分及配比,组分之间的相互作用是化学机械抛光的研究内容之一。对以纳米SiO2为磨料、H2O2为氧化剂、有机碱为pH调节剂的钨碱性抛光液组分之间的化学相互作用进行理论分析。纳米SiO2表面存在不饱和的羟基,和有机碱之间存在化学反应,在抛光过程中不仅起机械研磨的作用,同时以化学抛光作用对抛光产生影响。有机碱和H2O2之间的氧化还原反应会使抛光液中的OH-含量发生变化,氧化能力降低,从而影响钨的抛光速率。

双氧水在碱性抛光液中的稳定性研究

氧化剂是铜互连化学机械抛光液的重要组成部分,是决定抛光速率和平坦化效率的重要影响因素。双氧水(H2O2)是抛光液中最常用的氧化剂,其稳定性是评估抛光液性能的重要指标之一,直接关系到抛光液的寿命及其是否可以产业化。针对抛光速率、抛光液的pH值以及抛光后表面质量进行考察,分析了这三方面随抛光液放置时间的变化规律,从而得到H2O2在碱性抛光液中的稳定性规律。实验结果表明,抛光液主要成分的体积分数分别为硅溶胶2.5%、螯合剂1%、氧化剂1%时,抛光液最稳定,寿命可以达到24 h,满足工业化生产要求。

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 m V;在动态条件下,铜钽电极之间的电位差为40 m V,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。

新型碱性抛光液对Si晶圆抛光速率的优化

研发了一种新型的碱性抛光液,用于提高Si晶圆的抛光速率以及循环使用时的高速率稳定性。分析了FA/OⅡ型螯合剂与KOH调节剂对Si晶圆抛光速率的影响,单因素实验发现:当FA/OⅡ型螯合剂调节抛光液的pH值时,随着pH值增大,Si晶圆的抛光速率先增大后减少;当KOH调节剂调节抛光液的pH值时,Si晶圆的抛光速率随pH值增加先增大后减少。新型碱性抛光液的组成包括单因素实验中抛光速率最佳的FA/OⅡ型螯合剂与KOH调节剂,以及硅溶胶研磨料。在对Si晶圆进行抛光过程中,新型碱性抛光液要稀释30倍。结果显示,抛光速率可高达900 nm/min,相对于国际上通用的抛光液,抛光速率提高了近5%。此外,对新型碱性抛光液进行循环抛光实验,发现该新型碱性抛光液可以实现16次高速率抛光。

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。

pH值对碱性抛光液速率稳定性的影响

通过分析pH值对碱性抛光液抛光速率稳定性的影响,得出了碱性抛光液抛光速率相对稳定的pH值区间,并与酸性抛光液进行了对比,在酸性环境中至少稳定24 h,pH≤4时甚至可稳定6天。在碱性环境中pH为8时稳定性效果较好。研究得出了不同体积分数的螯合剂对碱性抛光液速率稳定性的影响,河北工业大学微电子所研制的螯合剂为多羟多胺有机碱,具有调节pH的作用。随螯合剂的体积分数逐渐增加,碱性抛光液抛光速率的稳定性逐渐变差,因此在研究碱性抛光液配比时应注意螯合剂的体积分数,以提高稳定性。观察和分析了碱性抛光液在全pH值范围内的速率稳定性变化,并将碱性抛光液的pH值调至7以下,在不产生凝胶的前提下观察其速率的稳定性。

各组分体积分数对碱性抛光液存储时间的影响

主要研究了碱性抛光液各组分体积分数对其有效存储时间的影响。实验中每隔两个月测试了抛光液的pH值、平均粒径和Cu膜去除速率等参数随存储时间的变化值。研究表明:FA/O螯合剂体积分数是影响抛光液有效存储时间的主要因素,螯合剂体积分数越高抛光液的有效存储时间越短。在FA/O螯合剂体积分数较低时(8%),Cu布线碱性抛光液的有效存储时间在半年以上,基本能够符合产业化要求。SiO2磨料体积分数和非离子型表面活性剂体积分数是影响碱性抛光液有效存储时间的次要因素,对其有效存储时间影响不明显。

6061铝合金碱性抛光液及工艺的研究

铝和铝合金材料的化学抛光工艺多以酸性(硫酸、磷酸、硝酸)抛光为主,抛光效果好,但腐蚀速率大,使用温度高,产生的黄烟(即氮氧化物)环境污染严重,危害极大。通过对碱性抛光液中各成分的研究,发现以质量浓度为250 g/L的硝酸钠、275 g/L的氢氧化钠为基础试剂,以质量浓度为2.5 g/L的五水合硫酸铜和体积分数为15 m L/L的三乙醇胺为增亮剂的碱性配方在抛光温度为85℃、抛光时间为30 s的条件下,抛光效果最好,可以在6061表面获得镜面光亮,实现了低温碱性抛光。

新型碱性抛光液对300 mm 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,经过自主研发且不含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。

铝和铝合金碱性化学抛光液及工艺的研究

主要研究了适合铝及铝合金的碱性化学抛光液及抛光工艺 .该抛光液的稳定性和抛光性能可以与酸性抛光液相媲美 ,但它所造成的环境污染却要小得多 .另外 ,该抛光液具有抛光光亮度高、铝及铝合金损失少、成本低廉等优点 ,且具有工艺流程短、设备简单、易于操作等特点 ,在灯具、光学仪器、日用五金、工艺品等方面具有广阔的应用前景 .

低压下极大规模集成电路碱性铜化学机械抛光液的研究

对低压下铜化学机械抛光(CMP)碱性抛光液的性能进行了研究.在分析碱性抛光液作用机理的基础上,对铜移除速率、表面粗糙度等性能进行了考察.结果表明:加入络合剂R NH2 OH实现铜在碱性抛光液中的溶解,同时提高了的铜移除速率(41.34kPa:1050nm/min;6.89 kPa:440nm/min)并降低了表面粗糙度:在较高压力(41.34 kPa)下,铜晶圆表面粗糙度虽然从18.2 nm降至2.19 nm,但仍有明显的划伤存在,并且最大划伤达到了18.2 nm;在低压下(6.89 kPa),铜晶圆表面粗糙度从13.5 nm降至0.42 nm,最大划伤只有1.8nm,可满足45 nm极大规模集成电路的光刻焦深要求.

pH值对低磨料碱性铜抛光液稳定性的影响

稳定性是衡量化学机械抛光（CMP）中抛光液性能的一个重要指标,低磨料和低p H值是抛光液发展的方向。研究了不同p H值对低磨料碱性铜抛光液稳定性的影响。选取了磨料质量分数为1%的抛光液,加入磷酸调节p H值,得到p H值分别为7.3,8.11,9.21,10.02和11.04抛光液,测量比较了各组抛光液随存放时间的变化其p H值、磨料粒径、Zeta电位和铜去除速率的变化。结果表明,低磨料碱性铜抛光液的p H值随时间的延长而降低,磨料粒径也随存放时间的延长而变大,抛光液的Zeta电位的绝对值随p H值的降低而降低,铜的去除速率随抛光液的存放时间的增加而降低,当p H值为9.21~10.02时,抛光液存放时间超过48 h。

28nm集成电路铜互连弱碱性阻挡层抛光液性能

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。

新型碱性阻挡层抛光液在300mm铜布线平坦化中的应用

研发了一种新型碱性阻挡层抛光液,其不含通用的腐蚀抑制剂和不稳定的氧化剂(通常为H2O2)。Cu/Ta/TEOS去除速率和选择性实验结果表明,此阻挡层抛光液对Cu具有较低的去除速率,能够保护凹陷处的Cu不被去除,而对阻挡层(Ta)和保护层(TEOS)具有较高的去除速率,利于碟形坑和蚀坑的修正。在300mm铜布线CMP中应用表明,此碱性阻挡层抛光液为高选择性抛光液,能够实现Ta/TEOS/Cu的选择性抛光,对碟形坑(dishing)和蚀坑(erosion)具有较强的修正作用,有效地消除了表面的不平整性,与去除速率及选择性实验结果一致,能够用于多层铜布线阻挡层的抛光。

碱性铜抛光液在65nm多层铜布线平坦化中的应用

为适应极大规模集成电路(GLSI)集成度按摩尔定律飞速发展的需要,同时解决国际酸性化学机械平坦化(CMP)技术存在的多项问题,本文研发了以多羟多胺为螯合剂的不含副作用大的苯并三唑(BTA)的碱性铜布线抛光液.实验结果表明:研发的碱性铜抛光液在常态下对铜几乎不反应(20/min),而在常压(2 psi)CMP下,能够快速地去除铜膜,去除速率(RR)高达8 235/min(工业要求5 000/min).凹处自钝化,凸处快速率,实现了高的平坦化效率.8层铜布线平坦化结果表明,60s可消除约1.162 m的高低差,且单层图形片基本实现平坦化(高低差<10 nm),抛光后表面粗糙度低(0.178 nm),表面洁净度高.

碱性阻挡层抛光液中ULK介质抛光性能的研究

研究了化学机械抛光(CMP)过程中抛光液的SiO_(2)磨料质量分数和表面活性剂对多孔SiOCH薄膜(ULK介质)介电常数(k)及抛光速率的影响。所用抛光液(pH=10)主要由0%~4%(质量分数,下同)SiO_(2)、0.075%H_(2)O_(2)、1%邻苯二甲酸氢钾和不同质量浓度的表面活性剂组成,其中表面活性剂为非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9和AEO-15)、阴离子表面活性剂十二烷基硫酸铵(ADS)和两亲性非离子表面活性剂辛基苯酚聚氧乙烯醚(OP-50)。结果表明,磨料质量分数的增大会使ULK介质的去除速率和k值都增大。聚醚类表面活性剂都能在CMP过程中很好地保护ULK介质表面,降低其去除速率,OP-50的效果尤其好。当采用2%SiO_(2)+0.075%H_(2)O_(2)+1%KHP+200 mg/L OP-50的抛光液进行CMP时,ULK介质的去除速率为5.2 nm/min,k值增幅低于2%,Cu和Co的去除速率基本不变。