基于新型抛光液研究工艺参数对片内非均匀性的影响之引言和实验

0 引 言

晶圆厂为了提高生产效率和降低成本,不断增大晶圆尺寸。当前12英寸(1英寸=2.54 cm)晶圆是各大厂的主流技术产品。大尺寸晶圆给化学机械抛光(CMP)带来严峻挑战,其中抛光速率一致性是一个亟待解决的关键问题。抛光速率一致性差容易造成铜膜厚度不均匀,从而增加过抛光时间。研究表明,过抛光时间越长,精抛后碟形坑就越大,从而导致沟槽内的铜布线腐蚀越严重,因此,良好的抛光速率一致性对提高芯片的产量和成品率尤为重要。

抛光速率一致性主要受抛光液组分、抛光垫、磨料粒径及抛光工艺等因素影响,通过调节抛光液组分浓度和磨料粒径可控制抛光速率一致性。T.Q.Wang等人基于正交实验方差分析总结了各工艺参数对抛光速率一致性的显著影响,但其使用的是含苯并三氮唑(BTA)及其衍生物的商用抛光液。研究表明加入BTA 及其衍生物的抛光液机械作用增强,形成的BTA-Cu钝化膜需要强机械力去除,造成晶圆表面划伤且不利于CMP后清洗。随着集成电路的发展,低缺陷及低k 介质的引入要求低压力、低机械力抛光,未来抛光液的发展趋势是以化学作用为主。

文献报道了一种不加任何缓蚀剂的以化学作用为主的弱碱性铜精抛光液,实现了较好的碟形坑控制。由于化学作用为主的抛光液性能与机械作用为主的抛光液相比存在较大差异,工艺对其抛光速率一致性的影响需要进一步研究。本文以抛光压力、相对转速、抛光液体积流量和活性剂体积分数四个因素设计L9(34)正交实验,拟通过方差分析确定各因素对抛光速率一致性的显著影响。通过单因素实验掌握各因素对抛光速率一致性的影响规律,并阐述相关的影响机制。

1 实 验

1.1 实验材料

根据先前研究成果[8],本文使用的弱碱性无缓蚀剂铜精抛光液配方为含有粒径约为65 nm 的硅溶胶(质量分数为0.5%)、H2O2 (质量分数为2.0%)、FA/O 螯合剂(体积分数为0.5%)和活性剂(脂肪醇聚氧乙烯醚),抛光液pH 值通过磷酸和氢氧化钾调节为9.51。

1.2 实验仪器

实验采用应用材料公司Reflexion LK 抛光机对直径为12英寸的铜镀膜光片进行抛光实验,抛光垫配备的是陶氏化学公司(Dow Chemical)生产的IC 1010TM,抛光时间为60 s。使用RESMAP463 FOUP四探针测量抛光前后光片直径上81个点的铜膜厚度,从而得到铜抛光速率。

抛光速率一致性可通过片内非均匀性(WIWNU)表征, WIWNU 越小说明抛光去除速率一致性越好,其计算公式为

式中:M R 为抛光速率的标准差;M 为抛光速率的平均值;Mi 为i 点的抛光速率,i=1,2,…,n,这里n=81。

1.3 实验设计

本文中的正交实验为4 因素3 水平,选择L9(34)正交表,如表1 所示。表1 中抛光压力(psi,1 psi=6.895 kPa)、相对转速(r/min)、抛光液体积流量(mL/min)、活性剂体积分数分别对应A、B、C和D四个控制因素。根据实际抛光经验,每种因素选择三个水平。

表1 正交实验因素水平表

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