拋光液添加劑協同作用對銅互連阻擋層CMP 后碟形坑及蝕坑的影響

崔志慧 ,王辰偉 ,劉玉嶺 ,趙紅東 ,李紅亮

(1.河北工業大學 電子信息工程學院,天津 300130;2.天津市電子材料與器件重點實驗室,天津 300130;3.天津市計量監督檢測科學研究院,天津 300130)

隨著集成電路(IC)特征尺寸進一步減小,互連線層數不斷增加,對芯片表面平坦化質量也提出了更加嚴苛的要求[1-4]?；瘜W機械拋光(簡稱CMP)是目前唯一能夠實現全局和局部平坦化的關鍵工藝技術[5]。銅互連CMP 工藝主要包括粗拋、精拋和最后的阻擋層拋光[6],如圖1 所示。精拋為了有效去除銅互連表面殘余銅,在CMP 過程中通常進行一定時間的過拋,但在過拋過程中會產生和加深碟形坑、蝕坑[7-9]。因此,最后的阻擋層CMP 需要有一定的銅和介質去除速率選擇比以實現對碟形坑和蝕坑的有效修正[10]。

圖1 銅互連阻擋層CMP 過程示意圖Fig.1 Copper interconnect barrier CMP process

Jiang 等[11]研究發現使用1,2,4-三唑和低濃度的聚胺Trilon?P 組合來代替緩蝕劑BTA,可以在不降低銅去除速率的條件下,有效地減小銅互連碟形坑和蝕坑深度。齊嘉城等[12]研究發現,在H2O2和FA/OⅡ絡合劑的基礎液中加入苯并異噻唑啉酮(BIT),能有效降低Cu 的去除速率,進而提高TEOS 和Cu 的去除率選擇比,降低碟形坑和蝕坑深度,并且拋光后Cu表面無明顯沾污。Zhang 等[13]研究發現在不含緩蝕劑的堿性阻擋層拋光液中,非離子型表面活性劑脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)能夠有效控制碟形坑和蝕坑,提高晶圓表面的平坦化效果。

在前人研究的基礎上,本文研究了促進劑檸檬酸鉀(CAK)和FA/O Ⅱ型絡合劑協同作用對材料去除速率、碟形坑和蝕坑修正的影響;對比四種不同濃度的磨料、絡合劑和檸檬酸鉀(CAK)拋光液的材料去除速率,提出了其協同作用的機理,對降低碟形坑和蝕坑缺陷,提高CMP 后平整度具有重要意義。

1 實驗

1.1 材料

實驗所用晶圓為直徑12 英寸(30.48 cm)的ECP Cu 鍍膜片(厚度約為1200 nm)、PECVD 的TEOS 光片(厚度約為420 nm)和直徑為30.48 cm 的銅互連圖形片。將磨料、絡合劑和CAK 濃度作為單因素變量,配制四種不同的拋光液如表1 所示,四種不同堿性拋光液的主要成分是粒徑為60 nm 的硅溶膠磨料、FA/OⅡ螯合劑、綜合活性劑和CAK 等,其中FA/O Ⅱ螯合劑由河北工業大學自主研發。

表1 四種不同拋光液組分Tab.1 Four different slurries components %

1.2 拋光實驗

本實驗采用Universal-300 Dual 型拋光機(華海清科股份有限公司) 進行拋光實驗,拋光墊為日本FUJIBO 公司H800 型,修整器為韓國SAESOL 公司AG62 型。在阻擋層拋光之前,使用商用拋光液完成圖形片的粗拋和精拋。每組拋光實驗開始之前都會用去離子水沖洗管路以去除上組實驗殘留拋光液,并在每組實驗結束后修整拋光墊30 s 以恢復拋光墊狀態,具體拋光工藝見表2。

表2 CMP 工藝參數Tab.2 Process parameters of the CMP

拋光后銅和TEOS 的去除速率分別通過VR-120108S 型電阻率測量儀(測量剩余電阻,最后換算成薄膜厚度)和Model F-REX300X 介質薄膜厚度測量儀來測量。若MRR 為去除速率,則:

式中:Δh為材料拋光前后的厚度差,Δh=h1-h2,h1為材料拋光前的厚度,h2為材料拋光后的厚度;Δt為拋光時間。

使用美國維易科(Veeco)精密儀器公司型號為Veeco DimensionTM原子力輪廓儀(Atomic Force Profiler,AFP)對圖形片進行阻擋層拋光前后碟形坑、蝕坑測試;采用PSS 380 激光納米粒度測試儀測量拋光液粒徑分布和Zeta 電位。

2 結果與討論

2.1 低磨料下FA/O Ⅱ絡合劑與促進劑CAK 對銅、介質去除速率的影響

選用A、B 兩種拋光液進行拋光實驗,研究促進劑CAK 對Cu 和TEOS 去除速率的影響;選用B、C兩種拋光液,研究絡合劑濃度對Cu 和TEOS 去除速率的影響;選用C、D 兩種拋光液,研究不同濃度磨料對Cu 和TEOS 去除速率的影響。圖2 為四種不同組分拋光液對Cu 和TEOS 去除速率的影響。從圖2可以發現,當拋光液中不含CAK 時,Cu 和TEOS 去除速率分別為42.3 nm/min 和38.8 nm/min;在加入質量分數1% CAK 后,Cu 的去除速率未發生明顯變化,TEOS 的去除速率則從38.8 nm/min 提高到70.4 nm/min,這是由于在CMP 過程中TEOS 表面帶有負電荷,與表面帶負電荷的SiO2磨料顆粒存在靜電斥力,進而抑制了磨料顆粒與TEOS 間的機械作用。FA/O Ⅱ絡合劑與促進劑CAK 對TEOS 去除的作用機理如圖3 所示,加入CAK 后,在拋光液中電離出的K+離子可以中和兩者間的負電荷,進而減弱靜電斥力,促進磨料與TEOS 的接觸,提高TEOS 的研磨效率[14]。

圖2 四種拋光液對Cu 和TEOS 去除速率及其選擇比的影響Fig.2 Effect of four slurries on removal rate and selectivity of Cu and TEOS

在此基礎上,將FA/O Ⅱ絡合劑的質量分數從0.5%增加到2%后,發現此時Cu 去除速率從41.0 nm/min 提高到52.2 nm/min,TEOS 去除速率從70.4 nm/min 降低至46.5 nm/min。在CMP 過程中,銅會被氧化,其氧化物在拋光液中會電離出Cu+、Cu2+,然后被FA/O Ⅱ型絡合劑絡合為易溶于水的銅胺絡離子[15],即[Cu(R(NH2)4)]+,隨著絡合劑質量分數的增加,該化學反應加速進行,進而Cu 的去除速率增加;對于TEOS 的去除,隨著FA/O Ⅱ絡合劑質量分數的增加,拋光液pH 值增加,SiO2磨料顆粒表面負電性增強,從而使磨料與TEOS 表面靜電斥力增大,機械研磨作用減小,從而使TEOS 的去除速率降低,圖3 為作用機理示意圖。綜合利用FA/O Ⅱ絡合劑與促進劑CAK 的協同作用,可以使Cu 和TEOS 的去除速率及選擇比達到較理想的值。

圖3 FA/O Ⅱ絡合劑與促進劑CAK 對TEOS 去除的作用機理Fig.3 Mechanism of FA/O II complex and promoter CAK on TEOS removal

最后當磨料質量分數從5%提高到10%,此時,Cu 去除速率未有明顯提高,TEOS 的去除速率從46.5 nm/min 提高到88.8 nm/min,這是由于在CMP 過程中,Cu 的去除主要是以化學作用為主,磨料濃度的提高不會對Cu 的去除產生顯著作用;但TEOS 的去除是以機械作用為主,磨料濃度提高后,有效研磨顆粒增加,機械研磨作用增強,因此TEOS 的去除速率會明顯提高。

2.2 FA/O Ⅱ絡合劑與促進劑CAK 協同作用對碟形坑與蝕坑修正的影響

對12 英寸銅互連層圖形片進行拋光并清洗以后,在晶圓表面隨機選擇一塊測試區域,如圖4 所示,選擇Pad 2 和Pad 6 作為蝕坑和碟形坑測試點,測試CMP 后碟形坑和蝕坑深度(前值已在拋光之前測出),結果如圖5 所示。由圖5 可以看出,不含CAK 的拋光液A 在CMP 后,碟形坑和蝕坑都出現了加深現象;加入質量分數為1% CAK 后,在基本不改變Cu 去除速率的同時,促進了TEOS 的去除速率,提高了Cu/TEOS 的去除速率選擇比,碟形坑和蝕坑分別修正了45.5 nm 和19.5 nm;當FA/O Ⅱ絡合劑的質量分數從0.5%增加到2%后,低凹處Cu 的去除速率加快,而TEOS 的去除速率降低,進而導致Cu/TEOS 去除速率選擇比降低,碟形坑和蝕坑進一步加深。

圖4 碟形坑和蝕坑測試點示意圖Fig.4 Schematic diagram of dishing and erosion test points

圖5 使用四種拋光液CMP 后碟形坑和蝕坑的修正結果Fig.5 Reduction results of dishing and erosion after CMP using four slurries

研究還發現,提高磨料濃度后,在Cu 去除速率不變的情況下,TEOS 去除速率被大幅度提高,最終Cu/TEOS 去除速率選擇比也可達到較理想的1.68,此時,碟形坑和蝕坑分別修正了40.9 nm 和16.6 nm,說明較高的磨料濃度也可以使碟形坑和蝕坑得到較好的修正,但高磨料濃度拋光液會使晶圓表面劃傷和顆粒沾污等缺陷增多,不利于CMP 后續工藝的進行。

2.3 FA/O Ⅱ絡合劑與CAK 對電參數和粒徑的影響

圖形片經過CMP 并且充分清洗以后,進行漏電流測試,測試位置及結果如圖6 所示。不含CAK 的拋光液A 在CMP 后,圖形片漏電流平均為1.5×10-11A;加入質量分數為1% CAK 的拋光液B 在CMP 后,漏電流增加到2.97×10-11A,這是由于CAK 會在拋光液中電離出K+離子,其可能對圖形片的電參數造成影響;由于FA/O Ⅱ絡合劑可以絡合拋光液中的金屬離子,在將FA/O Ⅱ絡合劑質量分數提高至2%后,絡合作用增強,圖形片漏電流降為2.47×10-11A。

圖6 圖形片漏電流測試的(a)位置及(b)結果Fig.6 (a) Location and (b) result of leakage current test for pattern wafer

四種拋光液粒徑測試結果及粒徑分布如圖7 所示。從圖7 中可以看出,不含CAK 的拋光液A 的平均粒徑為63.6 nm,加入質量分數1% CAK 后,拋光液中的磨料顆粒由于靜電斥力變小,易發生團聚效應,因此拋光液平均粒徑增大為66.4 nm;當提高FA/O Ⅱ絡合劑的濃度后,磨料顆粒間靜電斥力增大,團聚效應減弱,拋光液粒徑降低為65.5 nm。最后發現,提高磨料濃度后,拋光液平均粒徑增大到67.8 nm,這是由于磨料濃度提高后,磨料顆粒相對間距減小,更易發生團聚效應。

圖7 (a)四種拋光液粒徑測試結果;(b)～(e)A、B、C、D 四種拋光液的粒徑分布Fig.7 (a) Particle size test results of four kinds of slurries;(b)-(e) Particle size distributions of slurry A,B,C and D

3 結論

本文通過對比不同濃度磨料、絡合劑和CAK 的拋光液CMP 結果,研究了在低磨料下檸檬酸鉀(CAK)和FA/O Ⅱ型絡合劑協同作用對材料去除速率、碟形坑和蝕坑的影響,并提出了其協同作用機理。實驗結果表明:CAK 對TEOS 的去除速率有明顯促進作用,而對Cu 的去除影響較小,加入質量分數1% CAK 后,TEOS 去除速率增加了31.6 nm/min,Cu/TEOS 去除速率選擇比從0.92 增加到1.72,碟形坑和蝕坑分別平均修正了45.5 nm 和19.5 nm;當FA/O II 絡合劑質量分數從0.5%增加到2%時,Cu 去除速率增加了11.2 nm/min,TEOS 去除速率則降低了23.9 nm/min,Cu/TEOS 去除速率選擇比降低,碟形坑和蝕坑出現了加深現象。提高磨料濃度后,在Cu 去除速率未發生明顯改變的同時,TEOS 的去除速率被大幅提高,也可提高Cu/TEOS 去除速率選擇比,改善碟形坑和蝕坑修正的結果。通過測試漏電流和粒徑,絡合劑能夠有效降低漏電流,提高穩定性;而鉀離子易引起顆粒聚集,粒徑增大。