不同表面活性剂对铜互连阻挡层CMP 一致性的影响

魏艺璇,王辰伟,刘玉岭,赵红东

(1.河北工业大学 电子信息工程学院,天津 300130;2.天津市电子材料与器件重点实验室,天津 300130;3.光电信息控制和安全技术重点实验室,天津 300308)

随着半导体技术的发展,加工晶圆尺寸逐渐增大,器件的特征尺寸逐渐减小,集成电路制造工艺步骤日趋复杂,因此,对晶圆表面平坦化加工的精细化程度要求也越来越高。在多层布线的立体结构中,材料表面的高平坦化是制约其发展的关键技术之一,而在现阶段,化学机械抛光(CMP)是能实现全局平坦化的唯一关键工艺技术[1-4]。

多层铜互连CMP 工艺主要包括快速去除大量铜实现初步平坦化的粗抛(P1)、有效去除残余铜的精抛(P2)和阻挡层抛光(P3)。阻挡层抛光的目的是去除阻挡层材料Ta/TaN、一部分Cu 和介质TEOS,并修正铜精抛后的碟形坑和蚀坑[5-7]。如果阻挡层材料的去除速率低或一致性差,就会造成晶圆表面存在高低差,使CMP 后碟形坑、蚀坑等缺陷恶化,从而导致电阻、电容、漏电流等一系列参数的不利变化,使可靠性变差,严重影响器件性能。因此,阻挡层材料良好的一致性对提高芯片的质量和成品率尤其重要。

在极大规模集成电路的制造工艺中,阻挡层CMP平坦化的研究主要包括两方面内容: 一是CMP 过程中材料去除速率一致性的研究;二是CMP 后晶圆全局一致性的研究。磨料颗粒大小、抛光垫、抛光液成分以及抛光工艺等因素都会影响晶圆表面的一致性及去除速率,可以通过调整抛光液成分和抛光工艺进行控制[8-9]。作为抛光液必要组分之一的表面活性剂,在抛光液的分散性、颗粒的吸附、抛光后清洗及金属离子污染等方面具有积极影响,因此合理利用表面活性剂可以提高晶圆表面的平坦化性能,提高传递速率[10-11]。

李若津等[12]研究发现,在碱性抛光液条件下,表面活性剂在控制材料去除速率和蝶形坑修正等方面起到积极作用。Xu 等[13]研究发现适当浓度的十二烷基硫酸铵(ADS)和脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)两种不同表面活性剂复配使抛光液生成一种新的复合物,不仅可以使抛光液更加稳定,还能降低铜去除速率的片内非均匀性(Within-Wafer Nonuniformity,WIWNU)。张文倩等[14]研究发现非离子表面活性剂的加入不仅可以加强抛光液的润湿性,使抛光液均匀铺展在晶圆表面,还可以抑制抛光液的絮凝、聚结等不稳定过程。

在不含氧化剂和缓蚀剂的碱性阻挡层抛光液中,表面活性剂对阻挡层CMP 的平坦化效果具有积极影响。但现阶段相关研究较少,为实现晶圆表面高平坦化,本文选用了两种表面活性剂,即非离子型表面活性剂异辛醇聚氧乙烯醚(JFC-E)和河北工业大学微电子所研发的Ⅱ型活性剂。在弱碱性环境中,本文不仅研究了在阻挡层CMP 下这两种表面活性剂对Cu 和TEOS 去除速率及一致性的影响,还对两种表面活性剂进行复配,研究复合表面活性剂对铜互连阻挡层CMP 全局一致性的影响。通过接触角测量仪检测抛光液的浸润度以此来探究不同表面活性剂对Cu 和TEOS去除速率及一致性的控制机理。最终提高了晶圆表面的一致性,为后续进一步研究表面活性剂对晶圆蝶形坑、蚀坑的一致性提供了理论依据。

1 实验

实验过程均在恒温为25 ℃的超净环境条件下进行,抛光液呈碱性且不含缓蚀剂和氧化剂,其主要成分包含平均粒径为62.5 nm 的SiO2磨料、表面活性剂和河北工业大学自主研发的FA/O Ⅱ型多羟多胺螯合剂。表面活性剂分别为体积分数为1%的非离子表面活性剂JFC-E、体积分数为1%的Ⅱ型活性剂、体积分别均为0.5%的JFC-E 和Ⅱ型活性剂组成的复合表面活性剂。其中,FA/OⅡ具有螯合金属离子、调节pH值和促进化学反应等多重作用[15]。

实验采用直径为12 英寸(1 英寸=2.54 cm),初始厚度约为1020 nm 的Cu 镀膜片和初始厚度约为1030 nm 的TEOS 镀膜片,用于研究Cu 和TEOS 的去除速率和一致性。抛光实验采用华海清科股份有限公司的Universal-300 Dual 型抛光机,并采用H800 型黑色抛光垫和AG62 型金刚石修整器。在每次抛光前使用修整器对抛光垫修正60 s,以去除抛光垫表面的残留物并恢复抛光垫粗糙表面。抛光工艺条件如表1所示。

表1 CMP 工艺参数Tab.1 Process parameters of the CMP

分别使用VR-120180S 型电阻率测量仪和Model F-REX300X介质薄膜厚度测量仪测量Cu 和TEOS 抛光前后的材料厚度。若VRR为材料的去除速率,则:

式中: Δh为材料抛光前后的厚度差;Δt为抛光时间。

常用来表征Cu 和TEOS 一致性的参数是片内非均匀性和极差,片内非均匀性越好,极差越小,说明材料的一致性越好,其计算公式为[16]:

式中:W为片内非均匀性值;R为极差值;当计算材料去除速率的一致性时,为抛光速率的平均值;MR为抛光速率的标准差;Mi为第i点的抛光速率;当计算抛光后晶圆全局一致性时,为材料抛光后剩余厚度的平均值;MR为材料抛光后剩余厚度标准差;Mi为材料第i点的剩余厚度。

采用上海中晨公司的JD200D 型接触角测试仪测量抛光液的表面张力和接触角,用以测量抛光液的亲水性。并使用5600 LS 型原子力显微镜(AFM)测量抛光后的晶圆表面形貌和表面粗糙度(扫面范围5 μm×5 μm),精度为0.01 nm。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂对材料去除速率及一致性的影响

不同的表面活性剂对Cu 和TEOS 去除速率及一致性的影响如图1 所示。从图1 可以看出,由于抛光液的特性及抛光工艺条件的影响,两种材料的边缘去除速率均高于中心去除速率。与未添加表面活性剂的抛光液相比,添加了表面活性剂的抛光液明显提高了两种材料的去除速率,并且添加Ⅱ型活性剂的抛光液使铜的去除速率由44.0 nm/min 提高至56.5 nm/min,而添加了JFC-E 和复合表面活性剂的抛光液使TEOS的去除速率由52.1 nm/min 分别提高到60.8 nm/min和61.4 nm/min。这是由于添加的活性剂分子增强了抛光液的润滑分散效果,使SiO2磨料均匀地铺展在材料表面,增强了机械作用。此外,反应物之间的传递速度由于活性剂分子的加入而加快,因此抛光液中添加适量的活性剂可以提高材料的去除速率。

图1 不同表面活性剂对材料去除速率及一致性的影响。(a)Cu;(b)TEOSFig.1 Effects of different surfactants on material removal rate and uniformity.(a)Copper;(b)TEOS

与晶圆边缘处去除速率相比,活性剂的加入使晶圆中心的上升幅度更加明显,这使Cu 和TEOS 两种材料去除速率一致性明显得到改善。并且与不添加表面活性剂的抛光液相比,添加复合活性剂的抛光液使Cu和TEOS 去除速率的片内非均匀性降到最低,铜去除速率的片内非均匀性由26.16%降低至11.39%,TEOS去除速率的片内非均匀性由7.83%降低至5.69%。因为表面活性剂可以促进抛光液中各成分均匀分散,加速晶圆中心物质交换,晶圆中心的去除速率由于化学作用加强而增快,最终减小了晶圆表面中心与边缘之间的去除速率差,使一致性得到改善。

2.2 表面活性剂对CMP 后材料晶圆全局平坦化影响

使用不同抛光液CMP 后Cu 和TEOS 镀膜片剩余厚度的片内非均匀性和极差如表2 所示。从表2 可以看出,添加表面活性剂可以明显提高晶圆抛光后的全局一致性,使晶圆剩余厚度的片内非均匀性降低,因为表面活性剂能够降低抛光液的表面张力,通过渗透作用迅速包围在磨料颗粒周围,提高了抛光液中磨料颗粒的分散性,使其很容易均匀地分布在抛光垫上,与晶圆表面充分接触。此外,温度也会影响大多数化学反应速率,对于均相热化学反应,反应温度每升高10 K,反应速率就会变为原来的2～4 倍[17],而活性剂还会提高抛光液的流动性,避免局部温度过高而导致局部化学反应的不均匀问题,从而提高晶圆剩余厚度一致性。

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

复合表面活性剂结合了JFC-E 和Ⅱ型活性剂的优点,使Cu 和TEOS 镀膜片在抛光后具有更好的剩余厚度一致性,其片内非均匀性分别从抛光液中不添加表面活性剂的2.07%和1.63%降低至1.39%和1.38%。图2 为Cu 镀膜片抛光后全局图。

图2 Cu 镀膜片抛光后全局图。(a)无活性剂;(b)Ⅱ型活性剂;(c)JFC-E 活性剂;(d)复合表面活性剂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 表面活性剂对抛光液润湿性的影响

在抛光液中加入不同种类的表面活性剂,其表面张力和接触角变化如图3 所示。接触角通常用来表征液体在固体表面的润湿性。由图3 可知,添加表面活性剂后,抛光液的表面张力及在铜表面的接触角均呈下降趋势,并且添加复合表面活性剂的抛光液具有最大的铺展系数和最强的润湿性能,能够充分铺展在晶圆表面。因为从分子结构上看,Ⅱ型活性剂具有较长的碳链结构,而JFC-E 的碳链结构较短,两种活性剂分子在抛光液中相互作用更容易吸附在晶圆表面和SiO2磨料粒子周围,更好地提高了抛光液的分散性,避免了硅溶胶粒子的团聚和晶圆表面颗粒与反应物残留,其复配机理如图4 所示。

图3 不同表面活性剂对抛光液表面张力及在铜表面的接触角的影响Fig.3 The effect of different surfactants on the surface tension of the polishing slurry and the contact angle on the copper surface

图4 JFC-E 与Ⅱ型活性剂的复配机理图Fig.4 Compound mechanism diagram of JFC-E and type II surfactant

在抛光液中添加复合表面活性剂后,接触角降低至19.5°。接触角的变化主要与内聚力和附着力有关,内聚力是指抛光液分子由于相互吸引而彼此黏附的力,附着力是指不同分子或不同表面相互吸引的力。内聚力与附着力的相对大小不同会影响抛光液对材料浸润程度,当附着力较大时,抛光液会在材料表面均匀铺展,使接触角减小。接触角越小,则亲水性越强,说明抛光液更容易润湿材料表面,避免了抛光液中颗粒的黏附。

未添加表面活性剂的抛光液表面张力为45.2 mN/m,添加复合表面活性剂后,表面张力降低至29.4 mN/m,这说明表面活性剂能够有效降低抛光液的表面张力。因为非离子表面活性剂具有极性亲水基团和极性疏水基团,在水中解离后,它们被吸附并排列在液体界面上,亲水基指向抛光液,疏水基指向抛光液面外的空气,形成的定向吸附层以半胶束或胶束状态存在,阻止空气与抛光液接触,最终降低抛光液的表面张力。

2.4 表面活性剂对铜表面形貌的影响

使用原子力显微镜测量四种抛光液对Cu 抛光后的表面质量,扫描范围为5 μm×5 μm,图5 为不同种类的表面活性剂对铜表面形貌的影响。从图中可以看出,当抛光液中添加复合表面活性剂时,如图5(d)所示,铜表面粗糙度(Sq)最小,为1.51 nm。

图5 不同表面活性剂对铜表面形貌的影响。(a)无活性剂, Sq=5.25 nm;(b)Ⅱ型活性剂, Sq=2.65 nm;(c)JFC-E 活性剂, Sq=2.81 nm;(d)复合活性剂, 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

使用添加表面活性剂的抛光液对铜镀膜片进行CMP时,其表面粗糙度会得到改善,这是因为表面活性剂分子会以胶束的形式在铜表面形成一层保护膜,凸起部分的铜会发生多个方向的化学反应,并且会在机械研磨过程中被去除,而凹面部分的铜只能在一个方向上发生化学反应,并得到钝化保护,凸凹部分的高低差减小,最终降低了铜表面的粗糙度。另外,晶圆凹处滞留层较厚,散热慢,使得凸凹处温度差增加。表面活性剂的加入能使凹处散热过程加快,温度降低使凹处化学反应减慢,而凸处分子间热运动加快,反应速率加快,凸凹处反应速率差减小,最终实现晶圆的平坦化。

3 结论

本文通过对比分析单一表面活性剂及复配表面活性剂对阻挡层CMP 的实验效果,揭示了不同的表面活性剂对铜互连阻挡层CMP 的影响,说明了JFC-E 与Ⅱ型活性剂的复配机理。研究表明: (1)在阻挡层抛光液中加入适量的表面活性剂,不仅可以提高Cu 和TEOS 的去除速率,而且使Cu 和TEOS 去除速率的片内非均匀性分别降低至11.39%和5.69%,Cu 和TEOS晶圆全局片内非均匀性分别降低至1.39%和1.38%,晶圆表面更加平坦;(2)表面活性剂的加入降低了抛光液的表面张力和接触角,避免了SiO2颗粒的沉积,增强了抛光液的分散性和润湿性,改善了温度分布均匀性,使铜表面的粗糙度由5.25 nm 降低至1.51 nm;(3)非离子型表面活性剂JFC-E 和Ⅱ型活性剂复配得到的复合表面活性剂展现了优越的抛光性能,当添加复合表面活性剂时,Cu 和TEOS 的片内非均匀性最小,且铜的表面质量最好。实验最终提高了晶圆表面的平坦化效果,对提高芯片的质量和成品率具有积极作用。