二氧化硅介質(zhì)層CMP拋光液研制及其性能研究.pdf

1、集成電路(IC，Integrated Circuit)是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，是推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化發(fā)展最主要的高新技術(shù)之一。從IC制造過(guò)程中可以看到，無(wú)論是氧化層、阻擋層還是金屬布線，都多次使用化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical mechanical polishing or Chemicalmechanical planarization，簡(jiǎn)稱CMP)技術(shù)。目前CMP廣泛應(yīng)用于IC制造中，已成為半導(dǎo)體加工行業(yè)實(shí)現(xiàn)晶片全局平坦化的主流技

2、術(shù)之一。 化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的技術(shù)，實(shí)際上其微觀過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，影響因素也很多，其中拋光液既影響CMP化學(xué)作用過(guò)程，又影響CMP機(jī)械作用過(guò)程，是影響CMP質(zhì)量的決定性因素之一。盡管CMP被認(rèn)為是獲得平坦化表面的最有效的方法之一，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于SiO2層間介質(zhì)膜的制程之中，但目前對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光SiO2的過(guò)程變量作用機(jī)理、材料去除機(jī)理、拋光液中各成分的微觀作用機(jī)理以及材料去除非均勻性形成機(jī)理等方面問(wèn)題還沒(méi)有

3、完全弄清楚。因此如何調(diào)整拋光液配方，控制材料去除率，獲得更高的表面質(zhì)量，建立更加完善的材料去除率模型，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的生產(chǎn)，滿足下一代超薄介質(zhì)膜的要求等，仍然是各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)及前沿問(wèn)題。 本文針對(duì)SiO2介質(zhì)膜化學(xué)機(jī)械拋光中拋光液特性及其作用機(jī)理的研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，綜合運(yùn)用摩擦學(xué)、接觸力學(xué)、物理化學(xué)、膠體化學(xué)及表面與界面物理等方面的理論，對(duì)二氧化硅CMP中拋光液的物理化學(xué)性質(zhì)、拋光液成分的選擇及其優(yōu)化、拋光液中磨粒與晶片接觸形

4、式、晶片表面材料去除率、化學(xué)反應(yīng)活化能的測(cè)量和計(jì)算等方面進(jìn)行了細(xì)致研究。 首先，使用激光粒度儀和TEM觀測(cè)了拋光液中磨粒的大小和形貌，研究了納米磨粒在拋光液中和在拋光過(guò)程中的存在形式，結(jié)果表明納米磨粒在拋光液中存在一定的軟團(tuán)聚現(xiàn)象。使用SEM、表面輪廓儀和微觀顯微鏡等觀測(cè)了拋光墊表面形貌和剖面微觀組織結(jié)構(gòu)及其他特性參數(shù)，為揭示材料去除機(jī)理，建立材料去除率模型提供參考。同時(shí)確定了從拋光效果和拋光液本身穩(wěn)定性兩方面為本文中拋光液性能

5、的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為配制拋光液明確了方向。 其次，分析了拋光液配方中各主要成分應(yīng)必備的性質(zhì)，以及它們?cè)趻伖庖褐械淖饔谩Ｔ趦?yōu)化拋光工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)從候選的化學(xué)試劑和物質(zhì)中找出拋光效果或作用效果最明顯的一組基本成分，采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化各成分比例，最終確定配方為白炭黑30g(6.O％wt)，KOH1.0g(0.2％wt)，40％硅溶膠280ml(22.4％wt)，有機(jī)堿20ml(4.0％wt)，添加劑5g(1.0％wt)。雖然本配

6、方材料去除率僅達(dá)到同類產(chǎn)品的80％，但通過(guò)使用有機(jī)堿大大降低了金屬離子含量，同時(shí)拋光表面粗糙度與同類產(chǎn)品相當(dāng)。 然后，分析了表面活性劑的吸附模型和特性，以及其在拋光液中的各種作用。使用紫外分光光度計(jì)、Zeta電位分析儀和激光粒度儀，根據(jù)EDLVO理論，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比不同分散劑的分散效果，確定使用多羥基聚合物分散劑D，濃度為0.3wt％時(shí)，其分散效果最好，可以穩(wěn)定半年左右。 然后，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，建立了二氧化硅介質(zhì)膜

7、拋光過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)速率方程，并根據(jù)化學(xué)反應(yīng)活化能的基本原理，通過(guò)浸泡試驗(yàn)測(cè)量了SS25拋光液與晶片反應(yīng)的靜態(tài)化學(xué)反應(yīng)活化能為67.406 kJ/mol，同時(shí)對(duì)比不同堿與二氧化硅介質(zhì)膜反應(yīng)的靜態(tài)化學(xué)反應(yīng)活化能，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)化學(xué)反應(yīng)在整個(gè)去除率中所占的比重并不大，其他形式的作用能在CMP中起到了至關(guān)重要的作用。 接著，基于摩擦化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，在修正阿倫尼烏斯公式的基礎(chǔ)上，建立了考慮摩擦效應(yīng)在內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率方程，并建立二氧化硅介質(zhì)膜化學(xué)

8、機(jī)械拋光總材料去除率模型，同時(shí)通過(guò)浸泡、變溫拋光、壓力和轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)等確定了材料去除模型。結(jié)果表明在CMP過(guò)程中，摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能并不是通過(guò)熱能形式發(fā)生作用的，而是直接轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，即直接降低了化學(xué)反應(yīng)活化能，產(chǎn)生一定的活化能降低量，從而大大提高了反應(yīng)速率。純化學(xué)作用和純機(jī)械作用在整個(gè)CMP去除量中所占比重很小可以忽略不計(jì)。不同濃度通過(guò)對(duì)摩擦力和活化能降低量的影響，從而影響了溫度和拋光效果的相關(guān)性，活化能降低量與摩擦力基本呈線性關(guān)系。

9、 最后，根據(jù)SiO2顆粒在拋光過(guò)程中的納米效應(yīng)，建立了粘附去除模型，并通過(guò)SS25拋光液和不同粒徑拋光液循環(huán)拋光試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①介質(zhì)膜表面二氧化硅在拋光液中的納米二氧化硅磨粒的粘附作用和磨粒、拋光墊等的摩擦作用所產(chǎn)生的活化能降低量的共同作用下，內(nèi)部化學(xué)鍵斷裂，從而與內(nèi)部脫離，產(chǎn)生去除作用。②磨粒粒徑在小于65nm左右時(shí)，磨粒粒徑的增加所產(chǎn)生的粘附作用減小要小于隨粒徑的增加而產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)的增加，即增加粒徑有助于提

10、高粘附和摩擦的總效應(yīng)，有助于提高材料去除率。③磨粒粒徑在65～80nm范圍時(shí)，應(yīng)該為過(guò)渡狀態(tài)。④在80nm～143nm范圍時(shí)，隨著粒徑的增加，磨粒粘附所產(chǎn)生的摩擦力減小，磨粒劃擦所產(chǎn)生的摩擦力增加，雖然總的摩擦力增加，但是粘附作用的大幅減小在總?cè)コ噬掀饹Q定作用，整體去除率下降。⑤在143～160nm應(yīng)該為過(guò)渡狀態(tài)，磨粒粘附所產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)一步減小，磨粒劃擦所產(chǎn)生的摩擦力增加不足以彌補(bǔ)粘附產(chǎn)生的減小量，總的摩擦力開(kāi)始下降，整體去除率下降