多元胺醇型表面活性剂对铜晶圆平坦化的影响

闫辰奇，刘玉岭，*，张金，张文霞，王辰伟，何平，潘国峰

（1.河北工业大学电子信息工程学院，天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300130；

2.华北理工大学图书馆，河北 唐山 063009；

3.河北工业大学计算机科学及软件学院，天津 300130）



多元胺醇型表面活性剂对铜晶圆平坦化的影响

闫辰奇1，刘玉岭1，*，张金1，张文霞2，王辰伟1，何平3，潘国峰1

（1.河北工业大学电子信息工程学院，天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300130；

2.华北理工大学图书馆，河北 唐山 063009；

3.河北工业大学计算机科学及软件学院，天津 300130）

研究了一种多元胺醇型非离子表面活性剂对铜化学机械抛光（CMP）液粒径及分散度、抛光速率、抛光后铜膜的碟形坑高度、表面非均匀性和表面粗糙度的影响。抛光液的基本组成和工艺条件为：SiO2（粒径60 ～ 70 nm） 5%（体积分数，下同），多羟多胺螯合剂3%，30%（质量分数）过氧化氢3%，工作压力1 psi，背压1 psi，抛头转速87 r/min，抛盘转速93 r/min，抛光液流量300 mL/min，抛光时间60 s，抛光温度23 °C。结果表明，表面活性剂的引入可提高抛光液的稳定性。当表面活性剂含量为3%时，抛光速率、抛光后碟形坑高度、表面非均匀性和表面粗糙度分别为614.86 nm/min、76.5 nm、3.26%和0.483 nm，对铜晶圆的平坦化效果最好。

铜；晶圆；化学机械抛光；平坦化；非离子型表面活性剂；机理

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

化学机械抛光（CMP）已成为目前实现巨大规模集成电路（GLSI）半导体晶圆片表面局部和全局平坦化的最有效方法之一［1］。随着器件尺寸的不断减小，晶圆表面加工精度要求和难度不断增大，铜的CMP愈显重要［2-3］。抛光液中各组分的合理匹配是影响材料去除速率和抛光效果的重要因素。开发成分简单、环保的抛光液是现阶段CMP研究的方向。表面活性剂是抛光液的必要组分之一，其不仅影响抛光液的分散性、颗粒的吸附、抛光后清洗及金属离子污染等问题，更重要的是表面活性剂能够提高传质速率，进而提高抛光晶圆的表面平整度［4-5］。微电子工业应用的表面活性剂因具有分散悬浮、优先吸附、润湿渗透、降低表面张力等特性，能够大幅度提高CMP效果及CMP后被抛光工件的表面质量［6］。本课题组前期研究了多元胺醇型非离子表面活性剂对抛光液性能的影响，但未对抛光后晶圆平坦化性能进行研究［7］。本文在前期研究的基础上，研究了抛光液中表面活性剂用量对抛光效果的影响，从表面活性剂的结构特性方面探讨了其对铜CMP的影响机理。

1　实验

1. 1 化学机械抛光工艺

基体材料是直径为12 in（1 in ≈ 2.54 cm）的铜光片和铜布线片，结构如图1所示。铜光片用于表征抛光速率和抛光后的表面粗糙度，铜布线片用于表征抛光后的剩余碟形坑高度。

图1 12英寸铜晶圆剖面结构Figure 1 Cross-section structure of 12-inch copper wafer

CMP在法国Alpsitec公司生产的E460E抛光机上进行，抛光垫选用罗门哈斯的IC1000，每次抛光前用金刚石修整器对抛光垫进行1 min的修正。CMP均在超净环境、室温（25 °C）条件下进行，具体参数为：工作压力1 psi（1 psi ≈ 6.895 kPa），背压1 psi，抛头转速87 r/min，抛盘转速93 r/min，抛光液流量300 mL/min，抛光时间60 s。

抛光液组成为：SiO2（粒径60 ～ 70 nm）质量分数为40%的硅溶胶磨料5%（体积分数，下同），多羟多胺螯合剂3%，多元胺醇型非离子表面活性剂0% ～ 5%，30%（质量分数）过氧化氢3%，pH 10.20 ～ 10.80。其中，多羟多胺螯合剂具有13个以上螯合环，其与多元胺醇型非离子表面活性剂均由河北工业大学研发所得。

1. 2 性能表征

以美国PSS公司生产的NiComp380 DLS型纳米激光粒度测试系统表征抛光液的粒径分布。采用XP-300台阶测试仪（美国 KLA Tencor/AMBIOS Technology公司）测量铜布线片的碟形坑高低差。抛光液的表面张力用JC2000C2型自动张力测量仪（上海中晨数字技术设备有限公司）测量。抛光后铜光片的表面形貌和表面粗糙度由美国Agilent 5600LS原子力显微镜（AFM）检测。

2　结果与讨论

2. 1 表面活性剂对抛光液粒径及分散度的影响

抛光液放置不同时间后，表面活性剂含量对磨料粒径和分散度的影响如图2所示。由图2可知，抛光液静置0 h时，表面活性剂含量对磨料粒径和分散度的影响不明显；静置24 h和48 h时，随表面活性剂体积分数增大，抛光液中磨料的粒径变化不大，分散度逐渐降低，当表面活性剂体积分数高于3%时，分散度趋于平稳。这说明适量表面活性剂的加入能够缩小抛光液的粒径分布范围，使磨料均匀分散而形成稳定的悬浊液。这是因为表面活性剂分子会吸附在颗粒周围，避免了大颗粒团聚而凝胶［8］。当表面活性剂浓度达到其临界胶束浓度（CMC）时，其对抛光液性能的影响达到饱和状态。因此，适量表面活性剂的引入能够保证体系稳定及抛光液质量。

图2 静置不同时间时表面活性剂用量对抛光液粒径和分散度的影响Figure 2 Effect of storage time on particle size and dispersity of polishing slurry with different concentrations of surfactant

2. 2 表面活性剂对铜表面平坦化的影响

2. 2. 1 对抛光速率的影响

表面活性剂含量对抛光速率的影响见图3。从图3可知，随着表面活性剂用量增大，铜的抛光速率略降，但总体下降幅度不大。当表面活性剂用量为3%时，抛光速率为614.86 nm/min，满足工业生产的需求。

2. 2. 2 对抛光后碟形坑高度和表面非均匀性的影响

表面活性剂含量对抛光后碟形坑高度和表面非均匀性的影响见图4。布线片的初始碟形坑高度约为380 nm。从图4可知，抛光液中添加表面活性剂后，碟形坑高度减小。随表面活性剂用量增大，剩余碟形坑高度和WIWNU大幅下降，表面活性剂用量为3%时，剩余碟形坑高度和WIWNU分别为76.5 nm和3.26%。表面活性剂用量高于3%时，随其用量增大，抛光后碟形坑高度略增，WIWNU趋于平稳。结合图2和图3可知，可能是因为此时表面活性剂在溶液中形成胶束，使抛光速率略降，高、低处的抛光速率差减小。

图3 表面活性剂用量对抛光速率的影响Figure 3 Effect of surfactant dosage on polishing rate

图4 表面活性剂用量对碟形坑高度和WIWNU的影响Figure 4 Effect of surfactant dosage on depth of dishing pit and WIWNU

2. 2. 3 对抛光后表面粗糙度的影响

表面活性剂用量对抛光后铜膜表面粗糙度的影响如图5所示，图6为抛光后的形貌。从中可知，随抛光液中表面活性剂含量增大，表面粗糙度逐渐降低并趋于平稳。当表面活性剂含量为3%时，铜膜的表面粗糙度降至0.483 nm。

图5 表面活性剂用量对抛光后铜膜表面粗糙度的影响Figure 5 Effect of surfactant dosage on surface roughness of copper film after polishing

图6 表面活性剂用量对抛光后铜膜表面形貌的影响Figure 6 Effect of surfactant dosage on surface morphology of copper film after polishing

2. 3 表面活性剂在铜膜CMP过程中的作用机理

综上可知，在抛光液中加入多元胺醇型非离子表面活性剂可以显著改善化学机械抛光的效果。分析原因为：首先，多元胺醇型非离子表面活性剂具有疏水基和亲水基，可吸附在溶液表面而形成定向吸附层，以分子间作用力较弱的疏水基替代分子间作用力较强的水分子，使空气和溶液的接触面积减少，从而使溶液的表面张力急剧下降［9］（如图7所示）。如图8所示，在CMP过程中，表面活性剂先渗入到晶圆表面与抛光液间的缝隙中，附着并迅速铺展在晶圆表面，加快了CMP过程的质量传递和热传递，迅速将反应产物带离表面，不会造成局部反应产物滞留或温度过高而引起的抛光速率不均匀［10-11］。另外，铜膜表面凹处的动能小，表面活性剂优先吸附在凹处，阻碍了反应产物向界面扩散，从而减弱了凹处的质量传递作用，使凹处的抛光速率慢。而凸处的动能大，受到各个方向力的作用，抛光速率快［12］。由此可获得凹凸速率差，最终实现平坦化。

图7 表面活性剂含量对抛光液表面张力的影响Figure 7 Effect of surfactant concentration on surface tension of polishing solution

图8 表面活性剂加快质量传递过程示意图Figure 8 Schematic diagram showing the acceleration of mass transfer process by surfactant

3　结论

（1） 多元胺醇型非离子表面活性剂有利于抛光液中磨料颗粒的分散悬浮，对体系粒径及分散度起到控制作用，从而保证体系稳定及抛光液质量。

（2） 多元胺醇型非离子表面活性剂能够降低溶液表面张力，且其优先吸附特性和加快质量传递作用可提高晶圆表面均匀性与高低速率差，降低抛光后碟形坑高度，并能有效去除固体颗粒，降低表面粗糙度，最终实现平坦化。

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［ 编辑：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

国家中长期科技发展规划 02科技重大专项（2014ZX02301003-007）；河北省青年自然科学基金（F2015202267）；河北省自然科学重点项目（ZD2016123）。

闫辰奇（1988-），女，河北邢台人，在读博士研究生，主要研究方向为微电子技术与材料。

刘玉岭，教授，（E-mail） liuyl@jingling.com.cn。