抛光压力与表面活性剂对铜CMP均匀性的影响

研究了铜化学机械抛光(CMP)过程中,不同压力和非离子型表面活性剂对片内非均匀性(WIWNU)的影响。通过改变抛光压力大小和非离子型表面活性剂浓度,得出WIWNU的变化规律。实验表明,在不同抛光压力下,铜去除速率有明显的变化。当抛光压力为0 psi(1 psi=6.89×103Pa)时,去除速率呈中间高边缘低。当压力为0.5 psi时,边缘处去除速率较高,且随着压力的增大,晶圆边缘处去除速率与晶圆中心处去除速率差将更明显,导致片内非一致性增大。通过添加非离子型表面活性剂,可以改善WIWNU。当压力为1.5 psi时,非离子型表面活性剂体积分数为5%,WIWNU可降低到3.01%,并且得到良好的平坦化结果。同时,非离子型表面活性剂对晶圆表面残留颗粒具有良好的去除作用。

300mm铜膜低压CMP速率及一致性

随着铜互连结构中低k介质的应用,要求CMP抛光过程中必须将压力减小到6.89kPa以下,传统的化学机械抛光已不符合当前的工艺要求,如何兼顾超低压力下抛光速率和速率一致性成为关键问题。对300mm Blanket铜膜进行了低压化学机械抛光实验,分析研究了碱性抛光液组分及抛光工艺参数对铜膜去除速率及其一致性的影响。通过实验可得,在低压力1kPa,流量200mL/min,转速30r/min,氧化剂体积分数2%,磨料体积分数30%,螯合剂体积分数3%时,抛光速率为330nm/min,表面非均匀性为0.049,抛光后表面粗糙度为0.772nm,得到了较为理想的实验结果。

CMP中TEOS去除速率的一致性

针对300 mm正硅酸乙酯(TEOS)镀膜片在化学机械平坦化(CMP)过程中中心去除速率快而边缘去除速率慢的问题,研究了抛光头摆动位置、抛光头不同区域压力和非离子型表面活性剂对TEOS去除速率一致性的影响。实验结果显示,抛光头距抛光盘中心越远,中心去除速率越慢,去除速率一致性越好;增加抛光头边缘压力,加快了边缘去除速率,提高了去除速率一致性;增加非离子表面活性剂添加量,提高了温度分布均匀性,进而改善去除速率一致性。与初始工艺对比,在抛光头摆动位置距抛光盘中心7.2~8.2英寸(1英寸=2.54 cm)、抛光头边缘压力增加20%、添加非离子表面活性剂体积分数1.5%条件下,片内非均匀性(WIWNU)降低了60.9%。

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。

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。

碱性铜粗抛液中氧化剂对化学机械平坦化的影响

针对不含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。

硅片化学机械抛光时运动形式对片内非均匀性的影响分析

分析了目前几种常见的化学机械抛光机中抛光头与抛光垫的运动关系,针对不同的硅片运动形式,计算了磨粒在硅片表面的运动轨迹;通过对磨粒在硅片表面上的运动轨迹分布的统计分析,得出了硅片在不同运动形式下的片内材料去除非均匀性。从硅片表面材料去除非均匀性方面,对几种抛光机的运动形式进行了比较,结果表明,抛光头摆动式抛光机所产生的硅片内非均匀性最小。该研究为化学机械抛光机床的设计和使用中选择和优化运动参数提供了理论依据。

基于新型抛光液研究工艺参数对片内非均匀性的影响

基于正交实验研究了抛光压力、相对转速、抛光液体积流量和表面活性剂体积分数四个因素对抛光速率一致性的影响,采用方差分析确定各因素对抛光速率一致性的显著影响。研究结果表明:各因素对抛光速率一致性均有显著的影响。通过单因素实验研究了各因素对铜抛光速率一致性的影响规律,并阐述了相关的影响机制。实验结果表明:抛光压力和活性剂体积分数主要控制晶圆中心处的抛光速率;相对转速和抛光液体积流量主要控制晶圆边缘处的抛光速率;低抛光压力、高相对转速、高抛光液体积流量以及高活性剂体积分数可获得低片内非均匀性(WIWNU),即高去除速率一致性。最终确定的工艺参数为:抛头中心区域压力1.0 psi(1 psi=6.895 kPa);靠近中心区域抛光压力1.3 psi;边缘区域抛光压力1.5 psi;抛头转速97 r/min;抛盘转速103 r/min;抛光液体积流量400 mL/min;活性剂体积分数5.0%。获得的WIWNU为3.86%,满足工业化要求。

STI CMP中SiO_(2)/CeO_(2)混合磨料对SiO_(2)介质层CMP性能的影响

为了在浅沟槽隔离(STI)化学机械平坦化(CMP)过程中提高对SiO_(2)介质层去除速率的同时保持晶圆表面一致性,研究了SiO_(2)/CeO_(2)混合磨料的协同作用以及对SiO_(2)介质层去除速率及一致性的影响。结果显示,相比于单一磨料,采用混合磨料能够兼顾介质去除速率和一致性。采用质量分数10%SiO_(2)(粒径为80 nm)与质量分数0.7%CeO_(2)磨料混合抛光后,对介质层的去除速率达到347 nm/min,片内非均匀性(WIWNU)为9.38%。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察颗粒状态发现,晶圆表面吸附大量的SiO_(2)颗粒会阻碍CeO_(2)磨料与晶圆表面接触,从而降低对晶圆中心的去除速率,使化学作用更均匀。通过将小粒径SiO_(2)磨料(40 nm)与CeO_(2)磨料混合,使介质层去除速率进一步提升至374 nm/min, WIWNU降低到8.83%,用原子力显微镜(AFM)表征抛光后晶圆的表面质量,小粒径SiO_(2)混合磨料抛光后的SiO_(2)介质层表面粗糙度为0.35 nm,在达到较高抛光性能的同时获得了较好的表面质量。

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。

CMP抛光运动机理研究

通过对硅晶片化学机械抛光过程中抛光运动机理的理论分析,研究了硅晶片的抛光运动特性,探讨了主要工艺参数对硅晶片化学机械抛光后晶片表面粗糙度和表面平整度、抛光均匀性的影响规律。

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/OⅠ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H_2O_2,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。

不同表面活性剂对铜互连阻挡层CMP一致性的影响

为实现铜互连阻挡层化学机械抛光的高平坦化,研究了阻挡层抛光液中表面活性剂的作用。在抛光液中分别添加非离子型表面活性剂异辛醇聚氧乙烯醚(JFC-E)、本课题组研发的Ⅱ型活性剂以及复合表面活性剂,研究其对阻挡层CMP中铜和正硅酸乙酯(TEOS)去除速率及一致性的影响。实验结果表明,表面活性剂不仅可以改善Cu和TEOS的去除速率一致性和晶圆全局一致性,还可以降低铜表面的粗糙度,通过复配两种不同的表面活性剂,可以提高Cu和TEOS的去除速率,使Cu和TEOS的剩余厚度片内非均匀性(WIWNU)分别降低至1.39%和1.38%,铜表面粗糙度从5.25 nm降至1.51 nm。基于实验结果,研究并提出了表面活性剂影响抛光液润湿性,从而改善片内非均匀性和铜表面质量的机理。

CMP系统中抛光头与抛光台运动关系分析

目前半导体制造技术已经进入0.13μm、300mm时代,随着硅片尺寸的增大以及特征线宽的减小,作为目前硅片超精密平坦化加工的主要手段-化学机械平坦化,已经成为IC制造技术中不可缺少的技术。介绍了在化学机械抛光过程中,可以通过抛光头与抛光台运动速度关系优化配置,降低晶片表面不均匀度,从而更好地实现晶片局部和全局平坦化。

Effect of copper slurry on polishing characteristics

The composition of the polishing solution is optimized by investigating the impact of the WIWNU （the so-called within-wafer-non-uniformity WIWNU） and the removal rate （RR） on the polishing characteristics of copper, The oxidizer concentration is 1 Vol%; the abrasive concentration is 0.8 Vol%; the chelating agent of the solution is 2 Vol%. The working pressure is 1 kPa. The defect on the surface is degraded and the surface is clean after polishing. The removal rate is 289 nm/min and the WIWNU is 0,065. The surface roughness measured by AFM after CMP （chemical mechanical planarization） is 0.22 nm.