微電子行業(yè)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，使得半導(dǎo)體芯片布線層數(shù)不斷增加和特征尺寸逐漸減小。目前布線最多已達(dá)1l層，300mm的晶圓、45 nm工藝已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，平坦化技術(shù)面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，晶片的完美性平坦化成為IC制造業(yè)追求的目標(biāo)。Cu互連層的平坦化是深亞微米后IC制程中的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)今廣泛采用的是化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)，其拋光過程機(jī)理復(fù)雜，拋光質(zhì)量依賴的工藝參數(shù)繁多且穩(wěn)定性不好，易造成成品率和生產(chǎn)率較低的問題，但CMP仍然是目前最實(shí)用、不可替代的平整化方法。
在CMP過程中，拋光液是影響材料去除率和拋光表面質(zhì)量的重要因素。從環(huán)保方面考慮，拋光液中應(yīng)盡量減少有害化學(xué)物質(zhì)的種類和含量，但從實(shí)際拋光效果上，拋光液中諸多化學(xué)組分合理匹配是晶片表面質(zhì)量提高的重要因素。表面活性劑是拋光液中必要的組分之一，不僅影響著拋光液的分散性、顆粒吸附、拋后晶片清洗和減少金屬離子沾污等問題，更重要的是表面活性劑可以提高質(zhì)量傳遞速率，提高拋光晶片的表面平整度。
由特殊的分子結(jié)構(gòu)所決定，表面型活性劑具有吸附、潤濕、滲透、分散和降低表面張力等特性，表面型活性劑分子具有一定的雙親結(jié)構(gòu)，其分子包含對水有親和性的極性基團(tuán)和對油有親和性的非極性基團(tuán)，活性劑分離子型與非離子型，為了避免金屬離子對拋光基片的污染，ULSI拋光液中多使用非離子型表面活性劑。按親水基的結(jié)構(gòu)分類，非離子型表面活性劑主要分為聚氧乙烯型、多元醇型和烷基醇酰胺型等，其優(yōu)點(diǎn)是在拋光液中不是以離子狀態(tài)存在、穩(wěn)定性高、不易受強(qiáng)電解質(zhì)存在的影響(同時受酸、堿的影響也較小)，與其他類型表面型活性劑能混合使用，相容性好。通過對非離子型活性劑在堿性Cu CMP拋光液中對材料去除率和表面質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)研究，使所配制的堿性Cu拋光液的性能有了較大提高。
1 實(shí)驗(yàn)
在美國CETR公司CP-4型CMP實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行，該設(shè)備具有溫度、電容和聲發(fā)射等傳感器，可對摩擦力、法向載荷和拋光墊硬度等參數(shù)進(jìn)行在線測量；表面劃痕和腐蝕等缺陷用日本OLYMPUS公司MX40科研檢測顯微鏡觀測；使用的拋光墊型號為roder IC 1400；拋光后試件質(zhì)量用Sartorius CP225D型精密天平測量(最高可讀性達(dá)0．01 mg，重復(fù)精度小于±0．02 mg)；材料去除率以拋光前后重復(fù)測量三次的試件質(zhì)量差平均值計算；拋光后表面粗糙度用3D表面輪廓儀(美國CENTER FORTRIBOLOGY公司，NewView5022型，垂直方向分辨率0．1 nm)測量；試件：直徑50．8 mm電解Cu棒線切割并經(jīng)過拋光的薄片；實(shí)驗(yàn)所用非離子活性劑詳見表1。
本實(shí)驗(yàn)使用Si02水溶膠(Si02含量為30％，粒徑20~30 nm)為磨料，體積比濃度為45％，過氧化氫體積比濃度為10％。首先將有機(jī)堿溶解在一定量的去離子水中，然后緩加入規(guī)定數(shù)量的Si溶膠，之后加入其他附加試劑并攪拌，將一定量的非離子活性劑溶于一定體積的去離子水中，最后加入到前面所配置的拋光液中，并用電磁攪拌均勻，氧化劑在拋光前加入，拋光時拋光液在電磁攪拌狀態(tài)下供應(yīng)。
實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)為：拋光盤轉(zhuǎn)速為60 r／min；拋光頭擺動速度為10 mm／min；拋光液流量為100 mL/min；拋光壓力為31．7 Pa；環(huán)境溫度為20℃；拋光時長為2 min，拋光前和拋光后分別用去離子水拋1 min。
2 結(jié)果與討論
分別將四種活性劑以不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加到按如上規(guī)定的方法配置好的拋光液中，在規(guī)定的工藝參數(shù)下進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，得到的材料去除率隨活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(圖1)。從圖線變化可以看出，烷基醇酰胺含量對材料去除率的影響較大，隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加材料去除率基本呈下降趨勢并且材料去除率都低于150 nm／min。脂肪醇聚氧乙烯醚和壬基酚聚氧乙烯醚隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加材料去除率呈增加趨勢，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(0．05％)材料去除率為330 nm／min左右，低于未添加任何活性劑前的材料去除率526 nm／min；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0．5％時，材料去除率接近未添加任何活性劑前的材料去除率。烷基酚聚氧乙烯醚的材料去除率在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25％時達(dá)到了最大的534 nm／min，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高和較低時材料去除率都低于未添加任何活性劑前的材料去除率。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，非離子表面活性劑對堿性Cu CMP拋光液的材料去除率有一定的影響，材料去除率多數(shù)情況下都略有降低，其下降幅度不影響工業(yè)生產(chǎn)對材料去除率的要求。
拋光后表面質(zhì)量用ZYGO測得的粗糙度(Ra)來衡量，通過實(shí)驗(yàn)觀察添加烷基酚聚氧乙烯醚后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25％時表面質(zhì)量較好，與未添加前相比表面Ra值由原來的1．354 nm降到0．897 6 nm(圖2)。
當(dāng)非離子活性劑烷基酚聚氧乙烯醚質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0．25％或大于0．5％時，試件表面Ra沒有降低，仍然為2 nm左右；當(dāng)添加烷基醇酰胺后，在實(shí)驗(yàn)限定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi)，表面Ra都有所上升，且劃痕嚴(yán)重，Ra值約為4 nm。同時發(fā)現(xiàn)，脂肪醇聚氧乙烯醚和壬基酚聚氧乙烯醚兩種表面活性劑其表面Ra與未添加時相比變化不大。
對添加烷基酚聚氧乙烯醚的情況進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25％時表面質(zhì)量穩(wěn)定，通過CP-4型CMP實(shí)驗(yàn)臺的在線檢測法向載荷和摩擦力，發(fā)現(xiàn)拋光過程中拋光壓力與添加活性劑之前相比，波動幅度變小且呈周期性變化，摩擦力由未添加時的0．9 N左右下降到0．3 N左右，其波動的幅度也較小。未添加非離子活性劑烷基酚聚氧乙烯醚前拋光后表面產(chǎn)生的腐蝕點(diǎn)和劃痕較多(圖3(a))，由圖3(b)可見經(jīng)過以烷基酚聚氧乙烯醚為活性劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)O．25％)的拋光液拋光后，此點(diǎn)的劃痕和腐蝕坑明顯減少。這是由于活性劑的滲透和潤濕作用，使拋光液中的雜質(zhì)顆粒和較大的磨料顆粒更加容易被帶出拋光區(qū)域。加入活性劑后由于表面張力降低、滲透力增強(qiáng)，從而使拋光區(qū)域溫度均一性提高，有效地控制了因溫度不均產(chǎn)生的非均勻化腐蝕現(xiàn)象。烷基酚聚氧乙烯醚的親水基為聚氧乙烯鏈，其分子較大，親水基占到整個分子的2／3以上，聚氧乙烯鏈可以通過醚鍵與水分子形成氫鍵，因而在聚氧乙烯周圍形成一層溶劑化的水膜，形成較大的空間障礙，所以被吸附的表面會受到一定程度的保護(hù)，消弱了化學(xué)成分對被吸附表面的腐蝕反應(yīng)。又由于凸處表面很容易受到機(jī)械磨除和拋光液流動的沖擊作用，新鮮的表面不斷露出，活性劑分子無法對此處形成保護(hù)作用。而低處和腐蝕坑的表面會在一定程度上受到這層水膜的保護(hù)，從而導(dǎo)致了低凹處的低去除率，腐蝕坑也不會被繼續(xù)腐蝕變大，因此隨著拋光的進(jìn)行，表面會更加光亮平整。
3 結(jié)論
在Cu拋光液中加入合適的非離子活性劑，可以有效地減少腐蝕坑、劃痕等缺陷，拋光過程也較平穩(wěn)，能夠提高拋光表面質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)中，除烷基醇酰胺外，其他幾種非離子活性劑對材料去除率的影響不大。烷基酚聚氧乙烯醚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．25％時，拋光后表面微劃痕消失，腐蝕坑明顯減少，表面質(zhì)量較好，拋光表面Ra值下降到0．897 6 nm，材料去除率為534 nm／min，原因是聚氧乙烯鏈可以通過醚鍵與水分子形成氫鍵，在聚氧乙烯周圍形成一層溶劑化的水膜保護(hù)了被吸附表面。
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