ULSI堿性拋光液對(duì)銅布線平坦化的影響研究

唐心亮，智兆華，劉玉嶺，胡 軼，劉效巖，王立冉

（1.河北科技大學(xué)人事處，河北石家莊 050018；2.河北工業(yè)大學(xué)微電子技術(shù)與材料研究所，天津

300130；3.河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊 050018）

當(dāng)今化學(xué)機(jī)械拋光的發(fā)展非常迅速［1］。在過(guò)去的3年里，化學(xué)機(jī)械拋光的設(shè)備需求增長(zhǎng)了3倍，預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年里，化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備市場(chǎng)的增長(zhǎng)率將會(huì)達(dá)到60%［2］。化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是最理想的和唯一可以實(shí)現(xiàn)全局平坦化的技術(shù)［3］，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)的發(fā)展將會(huì)直接影響集成電路的發(fā)展。隨著ULSI（超大規(guī)模集成電路）多層互連的發(fā)展，化學(xué)機(jī)械拋光的過(guò)程中出現(xiàn)了很多問(wèn)題，如拋光速率、碟形坑、表面粗糙度和平整度等。這些問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致噪聲增大、電特性的破壞、RC（電阻電容）延遲的增加等問(wèn)題。

在實(shí)驗(yàn)中，將拋光頭置于拋光墊的上面，拋光液處于兩者的中間［4］。拋光示意圖見(jiàn)圖1。拋光頭和拋光墊按照一定的速度旋轉(zhuǎn)，使用自動(dòng)設(shè)備加入拋光液可以保證拋光的均勻性，運(yùn)輸拋光液中的有效成分和維持成分的穩(wěn)定性。在化學(xué)機(jī)械拋光的過(guò)程中，SiO2顆粒的硬度和拋光片表面相差不多［5］，表面既不會(huì)被劃傷，也不會(huì)失去光澤，并且化學(xué)機(jī)械拋光可以形成一個(gè)平整的表面，金屬缺陷也很少，短路和開(kāi)路很少發(fā)生。

普林斯頓方程［5］是用最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中的去除速率和其他參數(shù)之間的關(guān)系。

式中：Rp為去除速率；p為壓力；U為相對(duì)線速度；Kp為普林斯頓系數(shù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

圖1 拋光示意圖Fig.1 Sketch map of polishing

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用由蘭州蘭新通信設(shè)備集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的X62815-Ⅰ型單面拋光機(jī)；天津海倫晶片技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為CP-P-32的拋光墊；所用拋光片（銅片）的純度為99.99%，厚度為600μm，直徑為5.08cm（2英寸）。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1）壓力

拋光壓力是化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中最重要的參數(shù)。總的來(lái)說(shuō)，壓力越高，拋光速率越快。但是實(shí)驗(yàn)顯示過(guò)高的壓力會(huì)導(dǎo)致劃傷、彈性形變和應(yīng)力損傷，如大的表面缺陷［6］。所以選擇拋光壓力是至關(guān)重要的。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，變化不同的拋光壓力，從0～0.2MPa，步長(zhǎng)是0.04MPa。

2）流量

在相同實(shí)驗(yàn)條件下采用不同的拋光液流量，范圍為40～200mL／min，步長(zhǎng)為40mL／min，觀察拋光液流量對(duì)去除速率的影響。

3）拋光轉(zhuǎn)速

不改變其他條件，只分析改變拋光轉(zhuǎn)速的情況。在相同的條件下，采用不同的拋光轉(zhuǎn)速（10～60r／min），步長(zhǎng)為10r／min，考察其影響。

4）磨料濃度

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，改變硅溶膠濃度和去離子水的比例，配制不同磨料濃度的拋光液。

5）氧化劑

在相同條件下，使用不同濃度（以體積分?jǐn)?shù)計(jì)）的H2O2，從0～3.5%，步長(zhǎng)為0.5%，考察雙氧水濃度對(duì)銅去除速率的影響。

6）有機(jī)堿

在相同實(shí)驗(yàn)條件下使用不同濃度的有機(jī)堿，其體積分?jǐn)?shù)為0～3.5%，步長(zhǎng)為0.5%，觀察有機(jī)堿對(duì)拋光速率的影響。

2 結(jié)果與討論

圖2 拋光速率與壓力的關(guān)系Fig.2 Effect of polishing downforce on removal rate

1）壓力

如圖2所示，當(dāng)拋光壓力為0時(shí)，機(jī)械作用薄弱而化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，拋光速率低。當(dāng)增加壓力時(shí)，拋光液在拋光墊和拋光片之間起到了潤(rùn)滑的作用，有效地在金屬表面反應(yīng)。當(dāng)拋光速率升高時(shí)，表面效果非常好；當(dāng)壓力到達(dá)0.20MPa時(shí)，主要是直接的壓力作用，拋光速率繼續(xù)增加，但是拋光表面已經(jīng)有明顯劃傷。基于上述實(shí)驗(yàn)，得到當(dāng)壓力為0.08MPa時(shí)，表面粗糙度達(dá)到0.225nm，見(jiàn)圖3。

2）流量

如圖4所示，拋光液流量小，機(jī)械作用占主導(dǎo)作用，摩擦力大，化學(xué)反應(yīng)受限制，拋光速率低，表面易被劃傷。隨著流量的增加，去除速率逐漸增加，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率增加，機(jī)械研磨作用增加氧化劑和螯合劑參加化學(xué)反應(yīng)的速率。同時(shí)，流量的增加導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物能夠被及時(shí)帶走，不會(huì)將反應(yīng)產(chǎn)物留在表面影響下一步的反應(yīng)。當(dāng)拋光液流量增大到200mL／min時(shí)，化學(xué)作用被限制，機(jī)械作用也隨之降低，拋光速率穩(wěn)定不變。綜合考慮后，選擇拋光液流量為200mL／min。

3）轉(zhuǎn)速

從圖5中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，拋光速率也隨之增加。這主要是由于拋光盤轉(zhuǎn)速的增加，拋光液在表面的化學(xué)反應(yīng)速率增加，從而提高了拋光速率；同時(shí)，相關(guān)的速率增加，加速了機(jī)械作用，而機(jī)械反應(yīng)速率的增加，最終使銅的去除速率提高。綜合考慮后，選擇50r／min為最佳轉(zhuǎn)速。

4）磨料濃度（以體積分?jǐn)?shù)計(jì)，下同）

磨料濃度與拋光速率的關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，銅拋光速率是隨著磨料濃度的增加而增加的。磨料濃度越大，有效反應(yīng)的磨料顆粒的數(shù)量越高，去除速率增加。當(dāng)磨料濃度低于30%時(shí)，由于磨料濃度減小，化學(xué)作用減弱，機(jī)械劃傷將會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)磨料濃度高于50%時(shí)，銅表面劃傷明顯降低。但是過(guò)高的濃度很容易導(dǎo)致飛片，所以選擇50%為最優(yōu)磨料濃度。

5）氧化劑濃度（以體積分?jǐn)?shù)計(jì)，下同）

當(dāng)加入H2O2時(shí)，銅表面形成了Cu2O和CuO薄膜。銅表面形成的氧化薄膜較硬。表面薄膜的存在能夠減小銅表面的粗糙度和凹凸選擇性，因此增加了銅的去除速率。如圖7所示，隨著氧化劑濃度的增加，pH值降低。表面形成薄膜的速率增加，表面粗糙度減小。綜合考慮去除率和粗糙度，選擇氧化劑濃度為3.0%。

圖3 壓力為0.08MPa時(shí)表面粗糙度Fig.3 Roughness in pressure of 0.08MPa

6）有機(jī)堿濃度（以體積分?jǐn)?shù)計(jì)，下同）

拋光速率與有機(jī)堿濃度的關(guān)系見(jiàn)圖8。從圖8中可以看出，隨著有機(jī)堿濃度的增加，銅的拋光速率增加，當(dāng)達(dá)到2.5%時(shí)，拋光速率下降。這是因?yàn)閽伖庖褐蠬2O2作為氧化劑，銅表面鈍化層結(jié)構(gòu)和組成在不同pH值時(shí)不同。在低pH值時(shí)，銅表面鈍化層容易滲透多孔的Cu2O層；在高pH值時(shí)，致密的CuO薄膜能夠阻擋銅向基底擴(kuò)散。根據(jù)波拜圖，銅氧化Cu-H2O系統(tǒng)在高pH值時(shí)，致密的CuO薄膜能夠阻擋銅向基底擴(kuò)散。根據(jù)波拜圖，銅氧化Cu-H2O系統(tǒng)在pH值為2～4時(shí)熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。所以隨著有機(jī)堿濃度不斷增加，pH值升高，鈍化層薄膜增加，拋光速率下降。綜合考慮去除率和粗糙度，選擇有機(jī)堿濃度為2.0%。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)磨料濃度、氧化劑濃度以及拋光壓力、轉(zhuǎn)速、拋光液流量的研究，得出了最優(yōu)的工藝條件：壓力為0.08 MPa，轉(zhuǎn)速為50r／min，流量為200mL／min，磨料濃度為50%，氧化劑濃度為3.0%，有機(jī)堿濃度為2.0%。

圖8 拋光速率與有機(jī)堿濃度關(guān)系Fig.8 Effect of organic alkali concentration on removal rate

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