不同表面活性劑對銅互連阻擋層CMP 一致性的影響

魏藝璇,王辰偉,劉玉嶺,趙紅東

(1.河北工業(yè)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.光電信息控制和安全技術(shù)重點實驗室,天津 300308)

隨著半導體技術(shù)的發(fā)展,加工晶圓尺寸逐漸增大,器件的特征尺寸逐漸減小,集成電路制造工藝步驟日趨復雜,因此,對晶圓表面平坦化加工的精細化程度要求也越來越高。在多層布線的立體結(jié)構(gòu)中,材料表面的高平坦化是制約其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一,而在現(xiàn)階段,化學機械拋光(CMP)是能實現(xiàn)全局平坦化的唯一關(guān)鍵工藝技術(shù)[1-4]。

多層銅互連CMP 工藝主要包括快速去除大量銅實現(xiàn)初步平坦化的粗拋(P1)、有效去除殘余銅的精拋(P2)和阻擋層拋光(P3)。阻擋層拋光的目的是去除阻擋層材料Ta/TaN、一部分Cu 和介質(zhì)TEOS,并修正銅精拋后的碟形坑和蝕坑[5-7]。如果阻擋層材料的去除速率低或一致性差,就會造成晶圓表面存在高低差,使CMP 后碟形坑、蝕坑等缺陷惡化,從而導致電阻、電容、漏電流等一系列參數(shù)的不利變化,使可靠性變差,嚴重影響器件性能。因此,阻擋層材料良好的一致性對提高芯片的質(zhì)量和成品率尤其重要。

在極大規(guī)模集成電路的制造工藝中,阻擋層CMP平坦化的研究主要包括兩方面內(nèi)容: 一是CMP 過程中材料去除速率一致性的研究;二是CMP 后晶圓全局一致性的研究。磨料顆粒大小、拋光墊、拋光液成分以及拋光工藝等因素都會影響晶圓表面的一致性及去除速率,可以通過調(diào)整拋光液成分和拋光工藝進行控制[8-9]。作為拋光液必要組分之一的表面活性劑,在拋光液的分散性、顆粒的吸附、拋光后清洗及金屬離子污染等方面具有積極影響,因此合理利用表面活性劑可以提高晶圓表面的平坦化性能,提高傳遞速率[10-11]。

李若津等[12]研究發(fā)現(xiàn),在堿性拋光液條件下,表面活性劑在控制材料去除速率和蝶形坑修正等方面起到積極作用。Xu 等[13]研究發(fā)現(xiàn)適當濃度的十二烷基硫酸銨(ADS)和脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)兩種不同表面活性劑復配使拋光液生成一種新的復合物,不僅可以使拋光液更加穩(wěn)定,還能降低銅去除速率的片內(nèi)非均勻性(Within-Wafer Nonuniformity,WIWNU)。張文倩等[14]研究發(fā)現(xiàn)非離子表面活性劑的加入不僅可以加強拋光液的潤濕性,使拋光液均勻鋪展在晶圓表面,還可以抑制拋光液的絮凝、聚結(jié)等不穩(wěn)定過程。

在不含氧化劑和緩蝕劑的堿性阻擋層拋光液中,表面活性劑對阻擋層CMP 的平坦化效果具有積極影響。但現(xiàn)階段相關(guān)研究較少,為實現(xiàn)晶圓表面高平坦化,本文選用了兩種表面活性劑,即非離子型表面活性劑異辛醇聚氧乙烯醚(JFC-E)和河北工業(yè)大學微電子所研發(fā)的Ⅱ型活性劑。在弱堿性環(huán)境中,本文不僅研究了在阻擋層CMP 下這兩種表面活性劑對Cu 和TEOS 去除速率及一致性的影響,還對兩種表面活性劑進行復配,研究復合表面活性劑對銅互連阻擋層CMP 全局一致性的影響。通過接觸角測量儀檢測拋光液的浸潤度以此來探究不同表面活性劑對Cu 和TEOS去除速率及一致性的控制機理。最終提高了晶圓表面的一致性,為后續(xù)進一步研究表面活性劑對晶圓蝶形坑、蝕坑的一致性提供了理論依據(jù)。

1 實驗

實驗過程均在恒溫為25 ℃的超凈環(huán)境條件下進行,拋光液呈堿性且不含緩蝕劑和氧化劑,其主要成分包含平均粒徑為62.5 nm 的SiO2磨料、表面活性劑和河北工業(yè)大學自主研發(fā)的FA/O Ⅱ型多羥多胺螯合劑。表面活性劑分別為體積分數(shù)為1%的非離子表面活性劑JFC-E、體積分數(shù)為1%的Ⅱ型活性劑、體積分別均為0.5%的JFC-E 和Ⅱ型活性劑組成的復合表面活性劑。其中,FA/OⅡ具有螯合金屬離子、調(diào)節(jié)pH值和促進化學反應(yīng)等多重作用[15]。

實驗采用直徑為12 英寸(1 英寸=2.54 cm),初始厚度約為1020 nm 的Cu 鍍膜片和初始厚度約為1030 nm 的TEOS 鍍膜片,用于研究Cu 和TEOS 的去除速率和一致性。拋光實驗采用華海清科股份有限公司的Universal-300 Dual 型拋光機,并采用H800 型黑色拋光墊和AG62 型金剛石修整器。在每次拋光前使用修整器對拋光墊修正60 s,以去除拋光墊表面的殘留物并恢復拋光墊粗糙表面。拋光工藝條件如表1所示。

表1 CMP 工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of the CMP

分別使用VR-120180S 型電阻率測量儀和Model F-REX300X介質(zhì)薄膜厚度測量儀測量Cu 和TEOS 拋光前后的材料厚度。若VRR為材料的去除速率,則:

式中: Δh為材料拋光前后的厚度差;Δt為拋光時間。

常用來表征Cu 和TEOS 一致性的參數(shù)是片內(nèi)非均勻性和極差,片內(nèi)非均勻性越好,極差越小,說明材料的一致性越好,其計算公式為[16]:

式中:W為片內(nèi)非均勻性值;R為極差值;當計算材料去除速率的一致性時,為拋光速率的平均值;MR為拋光速率的標準差;Mi為第i點的拋光速率;當計算拋光后晶圓全局一致性時,為材料拋光后剩余厚度的平均值;MR為材料拋光后剩余厚度標準差;Mi為材料第i點的剩余厚度。

采用上海中晨公司的JD200D 型接觸角測試儀測量拋光液的表面張力和接觸角,用以測量拋光液的親水性。并使用5600 LS 型原子力顯微鏡(AFM)測量拋光后的晶圓表面形貌和表面粗糙度(掃面范圍5 μm×5 μm),精度為0.01 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑對材料去除速率及一致性的影響

不同的表面活性劑對Cu 和TEOS 去除速率及一致性的影響如圖1 所示。從圖1 可以看出,由于拋光液的特性及拋光工藝條件的影響,兩種材料的邊緣去除速率均高于中心去除速率。與未添加表面活性劑的拋光液相比,添加了表面活性劑的拋光液明顯提高了兩種材料的去除速率,并且添加Ⅱ型活性劑的拋光液使銅的去除速率由44.0 nm/min 提高至56.5 nm/min,而添加了JFC-E 和復合表面活性劑的拋光液使TEOS的去除速率由52.1 nm/min 分別提高到60.8 nm/min和61.4 nm/min。這是由于添加的活性劑分子增強了拋光液的潤滑分散效果,使SiO2磨料均勻地鋪展在材料表面,增強了機械作用。此外,反應(yīng)物之間的傳遞速度由于活性劑分子的加入而加快,因此拋光液中添加適量的活性劑可以提高材料的去除速率。

圖1 不同表面活性劑對材料去除速率及一致性的影響。(a)Cu;(b)TEOSFig.1 Effects of different surfactants on material removal rate and uniformity.(a)Copper;(b)TEOS

與晶圓邊緣處去除速率相比,活性劑的加入使晶圓中心的上升幅度更加明顯,這使Cu 和TEOS 兩種材料去除速率一致性明顯得到改善。并且與不添加表面活性劑的拋光液相比,添加復合活性劑的拋光液使Cu和TEOS 去除速率的片內(nèi)非均勻性降到最低,銅去除速率的片內(nèi)非均勻性由26.16%降低至11.39%,TEOS去除速率的片內(nèi)非均勻性由7.83%降低至5.69%。因為表面活性劑可以促進拋光液中各成分均勻分散,加速晶圓中心物質(zhì)交換,晶圓中心的去除速率由于化學作用加強而增快,最終減小了晶圓表面中心與邊緣之間的去除速率差,使一致性得到改善。

2.2 表面活性劑對CMP 后材料晶圓全局平坦化影響

使用不同拋光液CMP 后Cu 和TEOS 鍍膜片剩余厚度的片內(nèi)非均勻性和極差如表2 所示。從表2 可以看出,添加表面活性劑可以明顯提高晶圓拋光后的全局一致性,使晶圓剩余厚度的片內(nèi)非均勻性降低,因為表面活性劑能夠降低拋光液的表面張力,通過滲透作用迅速包圍在磨料顆粒周圍,提高了拋光液中磨料顆粒的分散性,使其很容易均勻地分布在拋光墊上,與晶圓表面充分接觸。此外,溫度也會影響大多數(shù)化學反應(yīng)速率,對于均相熱化學反應(yīng),反應(yīng)溫度每升高10 K,反應(yīng)速率就會變?yōu)樵瓉淼?～4 倍[17],而活性劑還會提高拋光液的流動性,避免局部溫度過高而導致局部化學反應(yīng)的不均勻問題,從而提高晶圓剩余厚度一致性。

表2 CMP 后晶圓全局一致性Tab.2 Uniformity of global wafer of material after CMP

復合表面活性劑結(jié)合了JFC-E 和Ⅱ型活性劑的優(yōu)點,使Cu 和TEOS 鍍膜片在拋光后具有更好的剩余厚度一致性,其片內(nèi)非均勻性分別從拋光液中不添加表面活性劑的2.07%和1.63%降低至1.39%和1.38%。圖2 為Cu 鍍膜片拋光后全局圖。

圖2 Cu 鍍膜片拋光后全局圖。(a)無活性劑;(b)Ⅱ型活性劑;(c)JFC-E 活性劑;(d)復合表面活性劑Fig.2 Global diagram of Cu blanket wafer after polishing.(a) Without surfactant;(b) Type II surfactant;(c) JFC-E surfactant;(d) Composite surfactant

2.3 表面活性劑對拋光液潤濕性的影響

在拋光液中加入不同種類的表面活性劑,其表面張力和接觸角變化如圖3 所示。接觸角通常用來表征液體在固體表面的潤濕性。由圖3 可知,添加表面活性劑后,拋光液的表面張力及在銅表面的接觸角均呈下降趨勢,并且添加復合表面活性劑的拋光液具有最大的鋪展系數(shù)和最強的潤濕性能,能夠充分鋪展在晶圓表面。因為從分子結(jié)構(gòu)上看,Ⅱ型活性劑具有較長的碳鏈結(jié)構(gòu),而JFC-E 的碳鏈結(jié)構(gòu)較短,兩種活性劑分子在拋光液中相互作用更容易吸附在晶圓表面和SiO2磨料粒子周圍,更好地提高了拋光液的分散性,避免了硅溶膠粒子的團聚和晶圓表面顆粒與反應(yīng)物殘留,其復配機理如圖4 所示。

圖3 不同表面活性劑對拋光液表面張力及在銅表面的接觸角的影響Fig.3 The effect of different surfactants on the surface tension of the polishing slurry and the contact angle on the copper surface

圖4 JFC-E 與Ⅱ型活性劑的復配機理圖Fig.4 Compound mechanism diagram of JFC-E and type II surfactant

在拋光液中添加復合表面活性劑后,接觸角降低至19.5°。接觸角的變化主要與內(nèi)聚力和附著力有關(guān),內(nèi)聚力是指拋光液分子由于相互吸引而彼此黏附的力,附著力是指不同分子或不同表面相互吸引的力。內(nèi)聚力與附著力的相對大小不同會影響拋光液對材料浸潤程度,當附著力較大時,拋光液會在材料表面均勻鋪展,使接觸角減小。接觸角越小,則親水性越強,說明拋光液更容易潤濕材料表面,避免了拋光液中顆粒的黏附。

未添加表面活性劑的拋光液表面張力為45.2 mN/m,添加復合表面活性劑后,表面張力降低至29.4 mN/m,這說明表面活性劑能夠有效降低拋光液的表面張力。因為非離子表面活性劑具有極性親水基團和極性疏水基團,在水中解離后,它們被吸附并排列在液體界面上,親水基指向拋光液,疏水基指向拋光液面外的空氣,形成的定向吸附層以半膠束或膠束狀態(tài)存在,阻止空氣與拋光液接觸,最終降低拋光液的表面張力。

2.4 表面活性劑對銅表面形貌的影響

使用原子力顯微鏡測量四種拋光液對Cu 拋光后的表面質(zhì)量,掃描范圍為5 μm×5 μm,圖5 為不同種類的表面活性劑對銅表面形貌的影響。從圖中可以看出,當拋光液中添加復合表面活性劑時,如圖5(d)所示,銅表面粗糙度(Sq)最小,為1.51 nm。

圖5 不同表面活性劑對銅表面形貌的影響。(a)無活性劑, Sq=5.25 nm;(b)Ⅱ型活性劑, Sq=2.65 nm;(c)JFC-E 活性劑, Sq=2.81 nm;(d)復合活性劑, Sq=1.51 nmFig.5 Effect of different surfactants on surface roughness of copper.(a)Without surfactant, Sq=5.25 nm;(b) Type II surfactant,Sq=2.65 nm;(c) JFC-E surfactant, Sq=2.81 nm;(d) Composite surfactant, Sq=1.51 nm

使用添加表面活性劑的拋光液對銅鍍膜片進行CMP時,其表面粗糙度會得到改善,這是因為表面活性劑分子會以膠束的形式在銅表面形成一層保護膜,凸起部分的銅會發(fā)生多個方向的化學反應(yīng),并且會在機械研磨過程中被去除,而凹面部分的銅只能在一個方向上發(fā)生化學反應(yīng),并得到鈍化保護,凸凹部分的高低差減小,最終降低了銅表面的粗糙度。另外,晶圓凹處滯留層較厚,散熱慢,使得凸凹處溫度差增加。表面活性劑的加入能使凹處散熱過程加快,溫度降低使凹處化學反應(yīng)減慢,而凸處分子間熱運動加快,反應(yīng)速率加快,凸凹處反應(yīng)速率差減小,最終實現(xiàn)晶圓的平坦化。

3 結(jié)論

本文通過對比分析單一表面活性劑及復配表面活性劑對阻擋層CMP 的實驗效果,揭示了不同的表面活性劑對銅互連阻擋層CMP 的影響,說明了JFC-E 與Ⅱ型活性劑的復配機理。研究表明: (1)在阻擋層拋光液中加入適量的表面活性劑,不僅可以提高Cu 和TEOS 的去除速率,而且使Cu 和TEOS 去除速率的片內(nèi)非均勻性分別降低至11.39%和5.69%,Cu 和TEOS晶圓全局片內(nèi)非均勻性分別降低至1.39%和1.38%,晶圓表面更加平坦;(2)表面活性劑的加入降低了拋光液的表面張力和接觸角,避免了SiO2顆粒的沉積,增強了拋光液的分散性和潤濕性,改善了溫度分布均勻性,使銅表面的粗糙度由5.25 nm 降低至1.51 nm;(3)非離子型表面活性劑JFC-E 和Ⅱ型活性劑復配得到的復合表面活性劑展現(xiàn)了優(yōu)越的拋光性能,當添加復合表面活性劑時,Cu 和TEOS 的片內(nèi)非均勻性最小,且銅的表面質(zhì)量最好。實驗最終提高了晶圓表面的平坦化效果,對提高芯片的質(zhì)量和成品率具有積極作用。