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缓蚀在集成电路异相复合材料的同步CMP化学机械抛光中的应用

作者:郜培丽 等日期:2021-06-24浏览:145
导读:CMP 化学机械加工主要是针对大尺寸凹凸不平结构表面的平坦化, 化学腐蚀和刻蚀是通过化学试剂的溶液接触实现。

CMP 加工主要是针对大尺寸凹凸不平结构表面的平坦化, 化学腐蚀和刻蚀是通过化学试剂的溶液接触实现的, 不能起到凹处不反应、凸处反应的局部腐蚀. 而腐蚀抑制剂的添加可以通过物理和化学吸附、螯合成键、沉积保护等复杂作用机理, 起到对凹处待抛材料的缓蚀保护, 进而有助于CMP原子级精度平坦化的实现.

其作用机理是通过使腐蚀抑制剂与待抛晶圆表面原子或溶液中解离的金属离子生成一种钝化复合物, 并通过物理吸附和化学吸附双重作用使其沉积在待抛材料表面形成钝化薄膜, 从而使材料表面产生一种对氧化层溶解的抑制效果, 同时在磨粒磨削去除表面凸起腐蚀层时对表面凹陷区域起到有效的力缓冲保护作用.因此, 在腐蚀抑制剂作用下, 材料表面凹陷区域与凸起区域高度差逐渐持平, 最终实现凹凸两区域同步去除, 迅速高效地获得原子级精度的超光滑表面.

由于腐蚀抑制剂对凹凸不平结构具有优异的抛光性能优化特性, 而且异相复合材料表面通常由于不同材料对氧化剂或腐蚀剂的耐腐蚀性不同而容易在表面形成凹凸不平的沟槽, 因此腐蚀抑制剂常被用于异相复合材料表面平坦化加工, 尤其是大型集成电路晶圆中Cu 互连线的超精密表面制造,如图5(a) 所示.

Cu 互连线是由Cu 材料和多层衬套材料堆栈而成, 其表面的多余涂覆层去除需要依靠CMP 工艺来实现. 然而由于材料硬度和耐腐蚀性存在显著差异, 因而在氧化剂和pH 调节剂的双重腐蚀作用下, 极易产生Cu 过度腐蚀、衬套材料缓慢腐蚀的凹凸不平的高度差, 如图5(b) 所示的碟状图纹, 进而导致Cu 互联线产生电位差和电偶腐蚀, 如图5(c) 示意图所示, 最终影响集成电路失效的严重后果. 因此, 腐蚀抑制剂的缓蚀性对集成电路表面平坦化至关重要.

致力于提升集成电路制程工艺的众多学者和专家为了实现高效高质的Cu 互连线无高度差加工, 对腐蚀抑制剂的抛光效果和作用机理进行了大量的研究. 其中, 唑类有机化合物(BTA, 1, 2, 4-三氮唑(TAZ), 2, 2'-[[(甲基–1 H-苯并三唑–1-基) 甲基] 亚氨基] 双乙醇(TT-LYK)) 由于具有稳定性高、成本低、碱性适应性强、工业应用潜力较大等优势, 在Cu 互连线的CMP 加工中应用最为广泛.

然而, 研究表明BTA 溶解度较低, 而且经其作用产生的缓蚀层不易在低压条件下去除, 不适用于具有易碎介电体的Cu 互连线表面加工,而且BTA 具有一定的生物毒性, 不符合绿色环保添加剂的使用要求, 本文将不对其加以详细介绍. 鉴于多篇文献将TAZ 和TT-LYK 的单一或混合缓蚀剂作为BTA 的替代品, 因此本文主要介绍这两种唑类有机化合物以及其他腐蚀抑制剂在Cu 互连线CMP 加工中的腐蚀抑制效果和作用机理.

cmp加工后典型的碟状结构图型

本稿资料来源:郜培丽, 张振宇, 王冬, 张乐振, 徐光宏, 孟凡宁, 谢文祥, 毕胜. 绿色环保化学机械抛光液的研究进展 [J]. 物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 70, No. 6 (2021) 068101.

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