多元胺醇型表面活性劑對銅晶圓平坦化的影響

閆辰奇，劉玉嶺，*，張金，張文霞，王辰偉，何平，潘國峰

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300130；

2.華北理工大學(xué)圖書館，河北 唐山 063009；

3.河北工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)及軟件學(xué)院，天津 300130）

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多元胺醇型表面活性劑對銅晶圓平坦化的影響

閆辰奇1，劉玉嶺1，*，張金1，張文霞2，王辰偉1，何平3，潘國峰1

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300130；

2.華北理工大學(xué)圖書館，河北 唐山 063009；

3.河北工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)及軟件學(xué)院，天津 300130）

研究了一種多元胺醇型非離子表面活性劑對銅化學(xué)機械拋光（CMP）液粒徑及分散度、拋光速率、拋光后銅膜的碟形坑高度、表面非均勻性和表面粗糙度的影響。拋光液的基本組成和工藝條件為：SiO2（粒徑60 ～ 70 nm） 5%（體積分?jǐn)?shù)，下同），多羥多胺螯合劑3%，30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）過氧化氫3%，工作壓力1 psi，背壓1 psi，拋頭轉(zhuǎn)速87 r/min，拋盤轉(zhuǎn)速93 r/min，拋光液流量300 mL/min，拋光時間60 s，拋光溫度23 °C。結(jié)果表明，表面活性劑的引入可提高拋光液的穩(wěn)定性。當(dāng)表面活性劑含量為3%時，拋光速率、拋光后碟形坑高度、表面非均勻性和表面粗糙度分別為614.86 nm/min、76.5 nm、3.26%和0.483 nm，對銅晶圓的平坦化效果最好。

銅；晶圓；化學(xué)機械拋光；平坦化；非離子型表面活性劑；機理

First-author's address: Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices， School of Electronic and Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China

化學(xué)機械拋光（CMP）已成為目前實現(xiàn)巨大規(guī)模集成電路（GLSI）半導(dǎo)體晶圓片表面局部和全局平坦化的最有效方法之一［1］。隨著器件尺寸的不斷減小，晶圓表面加工精度要求和難度不斷增大，銅的CMP愈顯重要［2-3］。拋光液中各組分的合理匹配是影響材料去除速率和拋光效果的重要因素。開發(fā)成分簡單、環(huán)保的拋光液是現(xiàn)階段CMP研究的方向。表面活性劑是拋光液的必要組分之一，其不僅影響拋光液的分散性、顆粒的吸附、拋光后清洗及金屬離子污染等問題，更重要的是表面活性劑能夠提高傳質(zhì)速率，進(jìn)而提高拋光晶圓的表面平整度［4-5］。微電子工業(yè)應(yīng)用的表面活性劑因具有分散懸浮、優(yōu)先吸附、潤濕滲透、降低表面張力等特性，能夠大幅度提高CMP效果及CMP后被拋光工件的表面質(zhì)量［6］。本課題組前期研究了多元胺醇型非離子表面活性劑對拋光液性能的影響，但未對拋光后晶圓平坦化性能進(jìn)行研究［7］。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，研究了拋光液中表面活性劑用量對拋光效果的影響，從表面活性劑的結(jié)構(gòu)特性方面探討了其對銅CMP的影響機理。

1　實驗

1. 1 化學(xué)機械拋光工藝

基體材料是直徑為12 in（1 in ≈ 2.54 cm）的銅光片和銅布線片，結(jié)構(gòu)如圖1所示。銅光片用于表征拋光速率和拋光后的表面粗糙度，銅布線片用于表征拋光后的剩余碟形坑高度。

圖1 12英寸銅晶圓剖面結(jié)構(gòu)Figure 1 Cross-section structure of 12-inch copper wafer

CMP在法國Alpsitec公司生產(chǎn)的E460E拋光機上進(jìn)行，拋光墊選用羅門哈斯的IC1000，每次拋光前用金剛石修整器對拋光墊進(jìn)行1 min的修正。CMP均在超凈環(huán)境、室溫（25 °C）條件下進(jìn)行，具體參數(shù)為：工作壓力1 psi（1 psi ≈ 6.895 kPa），背壓1 psi，拋頭轉(zhuǎn)速87 r/min，拋盤轉(zhuǎn)速93 r/min，拋光液流量300 mL/min，拋光時間60 s。

拋光液組成為：SiO2（粒徑60 ～ 70 nm）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的硅溶膠磨料5%（體積分?jǐn)?shù)，下同），多羥多胺螯合劑3%，多元胺醇型非離子表面活性劑0% ～ 5%，30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）過氧化氫3%，pH 10.20 ～ 10.80。其中，多羥多胺螯合劑具有13個以上螯合環(huán)，其與多元胺醇型非離子表面活性劑均由河北工業(yè)大學(xué)研發(fā)所得。

1. 2 性能表征

以美國PSS公司生產(chǎn)的NiComp380 DLS型納米激光粒度測試系統(tǒng)表征拋光液的粒徑分布。采用XP-300臺階測試儀（美國 KLA Tencor/AMBIOS Technology公司）測量銅布線片的碟形坑高低差。拋光液的表面張力用JC2000C2型自動張力測量儀（上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司）測量。拋光后銅光片的表面形貌和表面粗糙度由美國Agilent 5600LS原子力顯微鏡（AFM）檢測。

2　結(jié)果與討論

2. 1 表面活性劑對拋光液粒徑及分散度的影響

拋光液放置不同時間后，表面活性劑含量對磨料粒徑和分散度的影響如圖2所示。由圖2可知，拋光液靜置0 h時，表面活性劑含量對磨料粒徑和分散度的影響不明顯；靜置24 h和48 h時，隨表面活性劑體積分?jǐn)?shù)增大，拋光液中磨料的粒徑變化不大，分散度逐漸降低，當(dāng)表面活性劑體積分?jǐn)?shù)高于3%時，分散度趨于平穩(wěn)。這說明適量表面活性劑的加入能夠縮小拋光液的粒徑分布范圍，使磨料均勻分散而形成穩(wěn)定的懸濁液。這是因為表面活性劑分子會吸附在顆粒周圍，避免了大顆粒團聚而凝膠［8］。當(dāng)表面活性劑濃度達(dá)到其臨界膠束濃度（CMC）時，其對拋光液性能的影響達(dá)到飽和狀態(tài)。因此，適量表面活性劑的引入能夠保證體系穩(wěn)定及拋光液質(zhì)量。

圖2 靜置不同時間時表面活性劑用量對拋光液粒徑和分散度的影響Figure 2 Effect of storage time on particle size and dispersity of polishing slurry with different concentrations of surfactant

2. 2 表面活性劑對銅表面平坦化的影響

2. 2. 1 對拋光速率的影響

表面活性劑含量對拋光速率的影響見圖3。從圖3可知，隨著表面活性劑用量增大，銅的拋光速率略降，但總體下降幅度不大。當(dāng)表面活性劑用量為3%時，拋光速率為614.86 nm/min，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

2. 2. 2 對拋光后碟形坑高度和表面非均勻性的影響

表面活性劑含量對拋光后碟形坑高度和表面非均勻性的影響見圖4。布線片的初始碟形坑高度約為380 nm。從圖4可知，拋光液中添加表面活性劑后，碟形坑高度減小。隨表面活性劑用量增大，剩余碟形坑高度和WIWNU大幅下降，表面活性劑用量為3%時，剩余碟形坑高度和WIWNU分別為76.5 nm和3.26%。表面活性劑用量高于3%時，隨其用量增大，拋光后碟形坑高度略增，WIWNU趨于平穩(wěn)。結(jié)合圖2和圖3可知，可能是因為此時表面活性劑在溶液中形成膠束，使拋光速率略降，高、低處的拋光速率差減小。

圖3 表面活性劑用量對拋光速率的影響Figure 3 Effect of surfactant dosage on polishing rate

圖4 表面活性劑用量對碟形坑高度和WIWNU的影響Figure 4 Effect of surfactant dosage on depth of dishing pit and WIWNU

2. 2. 3 對拋光后表面粗糙度的影響

表面活性劑用量對拋光后銅膜表面粗糙度的影響如圖5所示，圖6為拋光后的形貌。從中可知，隨拋光液中表面活性劑含量增大，表面粗糙度逐漸降低并趨于平穩(wěn)。當(dāng)表面活性劑含量為3%時，銅膜的表面粗糙度降至0.483 nm。

圖5 表面活性劑用量對拋光后銅膜表面粗糙度的影響Figure 5 Effect of surfactant dosage on surface roughness of copper film after polishing

圖6 表面活性劑用量對拋光后銅膜表面形貌的影響Figure 6 Effect of surfactant dosage on surface morphology of copper film after polishing

2. 3 表面活性劑在銅膜CMP過程中的作用機理

綜上可知，在拋光液中加入多元胺醇型非離子表面活性劑可以顯著改善化學(xué)機械拋光的效果。分析原因為：首先，多元胺醇型非離子表面活性劑具有疏水基和親水基，可吸附在溶液表面而形成定向吸附層，以分子間作用力較弱的疏水基替代分子間作用力較強的水分子，使空氣和溶液的接觸面積減少，從而使溶液的表面張力急劇下降［9］（如圖7所示）。如圖8所示，在CMP過程中，表面活性劑先滲入到晶圓表面與拋光液間的縫隙中，附著并迅速鋪展在晶圓表面，加快了CMP過程的質(zhì)量傳遞和熱傳遞，迅速將反應(yīng)產(chǎn)物帶離表面，不會造成局部反應(yīng)產(chǎn)物滯留或溫度過高而引起的拋光速率不均勻［10-11］。另外，銅膜表面凹處的動能小，表面活性劑優(yōu)先吸附在凹處，阻礙了反應(yīng)產(chǎn)物向界面擴散，從而減弱了凹處的質(zhì)量傳遞作用，使凹處的拋光速率慢。而凸處的動能大，受到各個方向力的作用，拋光速率快［12］。由此可獲得凹凸速率差，最終實現(xiàn)平坦化。

圖7 表面活性劑含量對拋光液表面張力的影響Figure 7 Effect of surfactant concentration on surface tension of polishing solution

圖8 表面活性劑加快質(zhì)量傳遞過程示意圖Figure 8 Schematic diagram showing the acceleration of mass transfer process by surfactant

3　結(jié)論

（1） 多元胺醇型非離子表面活性劑有利于拋光液中磨料顆粒的分散懸浮，對體系粒徑及分散度起到控制作用，從而保證體系穩(wěn)定及拋光液質(zhì)量。

（2） 多元胺醇型非離子表面活性劑能夠降低溶液表面張力，且其優(yōu)先吸附特性和加快質(zhì)量傳遞作用可提高晶圓表面均勻性與高低速率差，降低拋光后碟形坑高度，并能有效去除固體顆粒，降低表面粗糙度，最終實現(xiàn)平坦化。

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［ 編輯：周新莉 ］

Effect of multiple amino alcohol surfactant on planarization of copper wafer

YAN Chen-qi， LIU Yu-ling*， ZHANG Jin， ZHANG Wen-xia， WANG Chen-wei， HE Ping， PAN Guo-feng

The effect of a kind of nonionic multiple amino alcohol surfactant on the particle size and dispersion of chemical mechanical polishing solution， polishing rate， depth of dishing pit， surface nonuniformity and surface roughness of copper film after polishing was studied. The basic polishing solution composition and process conditions are as follows: SiO2（particle size 60-70 nm） 0.5vol%， multiple hydroxyl amino chelating agent 5vol%， 30wt% H2O20.5vol%， polishing temperature 23 °C， working pressure 1 psi， back pressure 1 psi， rotation rate of polishing head 60 r/min， rotation rate of polishing disc 65 r/min， flow rate of polishing solution 300 mL/min， and polishing time 60 s. It is shown that the addition of surfactant improves the stability of polishing solution. The planarization effectiveness of copper wafer is the best when polished at a surfactant content of 3% as shown by the polishing rate， depth of dishing pit， surface nonuniformity and surface roughness being 614.86 nm/min， 76.5 nm， 3.26% and 0.483 nm， respectively.

copper； wafer； chemical mechanical polishing； planarization； nonionic surfactant； mechanism

TN305

A

1004 - 227X （2016） 16 - 0845 - 05

2016-05-20

2016-07-18

國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃 02科技重大專項（2014ZX02301003-007）；河北省青年自然科學(xué)基金（F2015202267）；河北省自然科學(xué)重點項目（ZD2016123）。

閆辰奇（1988-），女，河北邢臺人，在讀博士研究生，主要研究方向為微電子技術(shù)與材料。

劉玉嶺，教授，（E-mail） liuyl@jingling.com.cn。