基于新型抛光液研究工艺参数对片内非均匀性的影响之结果与讨论

请参阅前文所述：引言与实验，以下为正文：

2 结果与讨论

2.1 方差分析

本实验选取的正交表各列都已安排满了因素,为提高统计分析的精确性和可靠性,本文采取重复实验评估实验误差,实验结果如表2所示。对表2正交实验结果进行方差分析,求出各因素对应的F分布值,即平均偏差平方和除以误差的平均偏差平方和[11]。通过与F 分布临界值Fɑ (f1,f2)相比,可考察各因素对WIWNU 的影响是否显著,其中f1 代表各因素自由度,f2 代表误差自由度,a 为假设检验中的显著性水平。当F >F0.01 (f1,f2)时,表明该因素对实验指标有极显著影响;当F0.05 (f1,f2)

表2 正交实验结果

表3列出了正交实验方差分析的结果。由表3可知,偏差平方和、自由度和均方差的误差分别为1.156、9 和0.128;F0.01 (f1,f2 ) 临界值为8.02,各因素F 值均远大于该值,表明本组实验中抛光压力、相对转速、抛光液体积流量和活性剂体积分数对WIWNU 均有显著的影响。

表3 正交实验方差分析结果

2.2 单因素实验

2.2.1 抛光压力对WIWNU 的影响

实验固定抛头转速为87 r/min,抛盘转速为93 r/min,抛光液体积流量为300 mL/min,活性剂体积分数为3.0%,图1为不同抛光压力(抛头各区域压力相同)对铜抛光速率轮廓的影响规律,其中vCu 为铜抛光速率,d 为抛光点到铜光片中心的距离。根据普林斯顿方程[12],抛光速率与抛光压力、相对转速呈正比,抛光压力越大,施加的机械力就越强,使磨料与晶圆接触面积增大,从而导致抛光速率加快。从图1可知,整体抛光速率随着抛光压力的增大而增大,符合普林斯顿方程关系。但是,晶圆中心处的铜抛光速率增大幅度明显比边缘处高,导致铜抛光速率轮廓呈现凸形,中间高、边缘低。上述实验结果表明,抛光压力主要控制晶圆中心处的抛光速率,且随着压力的增大,抛光速率一致性变差。导致此实验结果的原因是本文采用的是以化学作用为主的铜精抛光液,由阿伦尼乌斯方程可知[13],化学反应速率对温度十分敏感。根据范德霍夫规则[14]:温度每升高10 ℃,化学反应速率变为原来的2~4 倍。抛光过程中的晶圆表面将产生大量的热,低抛光压力下,抛光垫形变小,抛光液质量传递快,利于中心处的热量及时散出,因此晶圆中心处与边缘处温度差距小,抛光速率一致性高。随着抛光压力的增大,抛光垫形变增大,质量传递变差,使新鲜抛光液不容易到达晶圆中心处,同时抛光副产物不能及时传递出去,导致中心处产生的热量不能及时散出,造成中心处温度明显高于边缘处的,因此,铜抛光速率轮廓呈现中间高、边缘低的凸形。

图1 抛光压力对铜抛光速率轮廓的影响

2.2.2 相对转速对WIWNU 的影响

实验固定抛头各区域抛光压力为1.0 psi,抛光液体积流量为300 mL/min,活性剂体积分数为3.0%,图2显示的是不同相对转速对铜抛光速率轮廓的影响规律。从图2可知,整体抛光速率随着相对转速的增大而增大,仍然符合普林斯顿方程关系。相对转速越高,转动动能就越高,为化学机械抛光提供的机械能就越多,从而铜抛光速率越高。然而铜抛光速率的增加主要发生在晶圆边缘处,中心处的铜去除速率增加幅度较小。这是因为边缘处线速度明显高于中心处的,转动动能大,因此边缘铜抛光速率提高幅度大。上述实验结果表明,相对转速主要控制晶圆边缘处的抛光速率,且随着相对转速的增大,铜抛光速率轮廓趋于平直,抛光速率一致性变好。

图2 相对转速对铜抛光速率轮廓的影响

2.2.3 抛光液体积流量对WIWNU 的影响

实验固定抛头各区域抛光压力为1.0 psi,抛头转速为87 r/min,抛盘转速为93 r/min,活性剂体积分数为3.0%,图3为不同抛光液体积流量对铜抛光速率轮廓的影响规律。从图中可以看出,随着抛光液体积流量的不断增大,整体抛光速率逐渐增大,且边缘处的铜抛光速率增大幅度高于中心处的。抛光液体积流量会影响新的化学物质输送到抛光垫和反应副产物从抛光垫中移除的速度。抛光液体积流量大,质量传递快,反应物充足,同时副产物能够及时被送出抛光垫,化学反应彻底,因此铜抛光速率高。另外,反应副产物从抛光垫中移除的同时必然带走大量的热,高抛光液体积流量利于晶圆中心处的热量及时散出,使抛光垫上的温度分布更均匀,因此铜抛光速率轮廓趋于平直。上述实验结果表明,抛光液体积流量主要控制晶圆边缘处的抛光速率,且随着抛光液体积流量的增大,抛光速率一致性变好。

图3 抛光液体积流量对铜抛光速率轮廓的影响

2.2.4 活性剂体积分数对WIWNU 的影响

实验固定抛头各区域压力为1.0 psi,抛头转速为87 r/min,抛盘转速为93 r/min,抛光液体积流量为300 mL/min,图4为不同活性剂体积分数对铜抛光速率轮廓的影响规律。从图中可知,随着活性剂体积分数的增加,晶圆中心处的铜抛光速率显著降低,而边缘处抛光速率降低幅度不明显。研究表明活性剂分子可优先吸附在铜表面[15],形成的分子膜可减少摩擦系数,从而降低铜抛光速率。另外,活性剂分子在铜表面定向排列,使铜表面亲水性增强,利于抛光液质量传递。如前文所述,质量传递快,晶圆中心处的热量容易及时散出,抛光垫上的温度分布更均匀。实验结果表明,活性剂主要控制晶圆中心处的抛光速率,且随着活性剂体积分数的增大,铜抛光速率轮廓趋于平直,抛光速率一致性变好。

图4 活性剂体积分数对铜抛光速率轮廓的影响

2.3 工艺参数改进

根据上述研究结果,低抛光压力、高相对转速、高抛光液体积流量以及高活性剂体积分数可获得低WIWNU,即高去除速率一致性。超低抛光压力使抛光速率达不到指标要求(200 nm/min),高转速可导致晶圆飞片,而含有高体积分数活性剂的抛光液容易起泡沫,同时考虑到高抛光液体积流量造成的经济成本,本文改进的CMP 工艺参数为:抛头中心区域抛光压力1.0 psi;抛头转速97 r/min;抛盘转速103 r/min;抛光液体积流量400 mL/min;活性剂体积分数5.0%。

本实验使用的抛光头可根据抛光速率的高低调节不同区域的抛光压力。为了提高抛光速率一致性,根据单因素速率轮廓实验结果,抛头边缘区域抛光压力设置应高于中心区域抛光压力,因此靠近中心区域抛光压力设置为1.3 psi,边缘区域抛光压力为1.5 psi。图5 为使用改进的工艺参数获得的抛光速率轮廓。从图中可以看出,平均铜抛光速率约为200 nm/min,抛光速率轮廓呈现直线形,抛光速率一致性极高,其WIWNU 为3.86%,满足<5%的工业化要求[16]。

图5 工艺改进后的铜抛光速率轮廓