ULSI堿性拋光液對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.河北科技大學人事處，河北石家莊 050018；2.河北工業大學微電子技術與材料研究所，天津

300130；3.河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊 050018）

當今化學機械拋光的發展非常迅速［1］。在過去的3年里，化學機械拋光的設備需求增長了3倍，預計在未來的幾年里，化學機械拋光設備市場的增長率將會達到60%［2］?；瘜W機械拋光技術是最理想的和唯一可以實現全局平坦化的技術［3］，化學機械拋光技術的發展將會直接影響集成電路的發展。隨著ULSI（超大規模集成電路）多層互連的發展，化學機械拋光的過程中出現了很多問題，如拋光速率、碟形坑、表面粗糙度和平整度等。這些問題將會導致噪聲增大、電特性的破壞、RC（電阻電容）延遲的增加等問題。

在實驗中，將拋光頭置于拋光墊的上面，拋光液處于兩者的中間［4］。拋光示意圖見圖1。拋光頭和拋光墊按照一定的速度旋轉，使用自動設備加入拋光液可以保證拋光的均勻性，運輸拋光液中的有效成分和維持成分的穩定性。在化學機械拋光的過程中，SiO2顆粒的硬度和拋光片表面相差不多［5］，表面既不會被劃傷，也不會失去光澤，并且化學機械拋光可以形成一個平整的表面，金屬缺陷也很少，短路和開路很少發生。

普林斯頓方程［5］是用最簡單的數學模型來描述化學機械拋光過程中的去除速率和其他參數之間的關系。

式中：Rp為去除速率；p為壓力；U為相對線速度；Kp為普林斯頓系數。

1 實 驗

圖1 拋光示意圖Fig.1 Sketch map of polishing

1.1 實驗條件

實驗采用由蘭州蘭新通信設備集團有限公司生產的X62815-Ⅰ型單面拋光機；天津海倫晶片技術開發有限公司生產的型號為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 實驗參數

1）壓力

拋光壓力是化學機械拋光過程中最重要的參數。總的來說，壓力越高，拋光速率越快。但是實驗顯示過高的壓力會導致劃傷、彈性形變和應力損傷，如大的表面缺陷［6］。所以選擇拋光壓力是至關重要的。在相同實驗條件下，變化不同的拋光壓力，從0～0.2MPa，步長是0.04MPa。

2）流量

在相同實驗條件下采用不同的拋光液流量，范圍為40～200mL／min，步長為40mL／min，觀察拋光液流量對去除速率的影響。

3）拋光轉速

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

4）磨料濃度

在相同的實驗條件下，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（以體積分數計）的H2O2，從0～3.5%，步長為0.5%，考察雙氧水濃度對銅去除速率的影響。

6）有機堿

在相同實驗條件下使用不同濃度的有機堿，其體積分數為0～3.5%，步長為0.5%，觀察有機堿對拋光速率的影響。

2 結果與討論

圖2 拋光速率與壓力的關系Fig.2 Effect of polishing downforce on removal rate

1）壓力

如圖2所示，當拋光壓力為0時，機械作用薄弱而化學反應強烈，拋光速率低。當增加壓力時，拋光液在拋光墊和拋光片之間起到了潤滑的作用，有效地在金屬表面反應。當拋光速率升高時，表面效果非常好；當壓力到達0.20MPa時，主要是直接的壓力作用，拋光速率繼續增加，但是拋光表面已經有明顯劃傷?；谏鲜鰧嶒?，得到當壓力為0.08MPa時，表面粗糙度達到0.225nm，見圖3。

2）流量

如圖4所示，拋光液流量小，機械作用占主導作用，摩擦力大，化學反應受限制，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，導致化學反應速率增加，機械研磨作用增加氧化劑和螯合劑參加化學反應的速率。同時，流量的增加導致反應產物能夠被及時帶走，不會將反應產物留在表面影響下一步的反應。當拋光液流量增大到200mL／min時，化學作用被限制，機械作用也隨之降低，拋光速率穩定不變。綜合考慮后，選擇拋光液流量為200mL／min。

3）轉速

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

4）磨料濃度（以體積分數計，下同）

磨料濃度與拋光速率的關系見圖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，有效反應的磨料顆粒的數量越高，去除速率增加。當磨料濃度低于30%時，由于磨料濃度減小，化學作用減弱，機械劃傷將會出現。當磨料濃度高于50%時，銅表面劃傷明顯降低。但是過高的濃度很容易導致飛片，所以選擇50%為最優磨料濃度。

5）氧化劑濃度（以體積分數計，下同）

當加入H2O2時，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時表面粗糙度Fig.3 Roughness in pressure of 0.08MPa

6）有機堿濃度（以體積分數計，下同）

拋光速率與有機堿濃度的關系見圖8。從圖8中可以看出，隨著有機堿濃度的增加，銅的拋光速率增加，當達到2.5%時，拋光速率下降。這是因為拋光液中H2O2作為氧化劑，銅表面鈍化層結構和組成在不同pH值時不同。在低pH值時，銅表面鈍化層容易滲透多孔的Cu2O層；在高pH值時，致密的CuO薄膜能夠阻擋銅向基底擴散。根據波拜圖，銅氧化Cu-H2O系統在高pH值時，致密的CuO薄膜能夠阻擋銅向基底擴散。根據波拜圖，銅氧化Cu-H2O系統在pH值為2～4時熱力學性質不穩定。所以隨著有機堿濃度不斷增加，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，選擇有機堿濃度為2.0%。

4 結 論

通過對磨料濃度、氧化劑濃度以及拋光壓力、轉速、拋光液流量的研究，得出了最優的工藝條件：壓力為0.08 MPa，轉速為50r／min，流量為200mL／min，磨料濃度為50%，氧化劑濃度為3.0%，有機堿濃度為2.0%。

圖8 拋光速率與有機堿濃度關系Fig.8 Effect of organic alkali concentration on removal rate

［1］ 張楷亮，劉玉嶺，王 芳.ULSI硅襯底的化學機械拋光［J］.半導體學報（Journal of Semiconductors），2004，25（1）：115-119.

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