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稀有金属 2016,40(08),791-795 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2016.08.008

铜化学机械平坦化过抛过程中平坦化效率的计算方法

高娇娇 刘玉岭 王辰伟 王胜利 崔晋

河北工业大学电子信息工程学院

河北大学静电研究所

摘 要：

为了确保整个晶圆片上残余铜的去除,精抛后的过抛步骤至关重要,然而在铜过抛过程中会产生铜碟形坑和介质蚀坑等问题,去除残余铜的同时控制铜碟形坑和介质蚀坑是铜化学机械平坦化(CMP)研究的最重要的课题之一。为了解决这一问题,提出了一种铜过抛化学机械平坦化过程中基于氧化反应的平坦化效率计算方法。实验显示该方法计算结果与实验数据一致。采用碱性铜精抛液对铜光片进行抛光,获得的数据显示,增加过氧化氢浓度可以获得较低的铜去除率以及几乎为零的阻挡层去除速率。布线片CMP的结果表明,增加过氧化氢浓度可以获得较小的碟形坑。对含有不同浓度过氧化氢的抛光液进行电化学实验研究,研究结果表明在铜表面有钝化层形成。综上所述,该计算方法是计算过抛过程平坦化效率的适当方法。

关键词：

平坦化效率;碱性铜精抛液;过抛;过氧化氢;碟形坑;钝化层;

中图分类号： TN305.2

作者简介：高娇娇(1988-),女,河北唐山人,博士,研究方向:微电子材料与工艺;E-mail:ying.huacaode@163.com;;刘玉岭,教授;电话:13602103962;E-mail:Liuyl@jingling.com.cn;

收稿日期：2015-03-19

基金：河北省自然科学基金项目(E2014202147);河北省青年自然科学基金项目(F2015202267)资助;

A Method for Evaluating Planarization Efficiency of Over-Polish Process during Cu Chemical Mechanical Planarization

Gao Jiaojiao Liu Yuling Wang Chenwei Wang Shengli Cui Jin

School of Electronic and Information Engineering,Hebei University of Technology

Institute of Static Electricity,Hebei University

Abstract：

In order to ensure the copper residue being removed completely,the process of over-polishing( OP) was important for Cu chemical mechanical planarization( CMP). However,copper dishing and dielectric erosion would occur during OP process. Control of copper dishing and dielectric erosion was an important issue of Cu CMP. To solve this issue,a calculation method of planarization efficiency of Cu CMP was proposed. The calculation method was based on oxidation reaction. The method prediction trends were consistent with the experimental results. Alkaline copper slurry was utilized to implement CMP. The results revealed that low removal rate of copper and nearly zero removal rate of barrier would be obtained. The data obtained from copper patterned wafer suggested that lower dishing was also attributed to increasing concentration of H₂O₂. The dissolution of different concentrations of H₂O₂ was further studied by electrochemical experiments,which indicated the formation of a passivation layer on the copper surface. These results demonstrated that the calculation method was an appropriate approach for over-polish CMP process.

Keyword：

planarization efficiency; alkaline copper clearing slurry; over-polish; hydrogen peroxide; dishing; passivation layer;

Received： 2015-03-19

化学机械平坦化(CMP)已成为实现大体积半导体制造晶圆片表面局部和全局平坦化最有效的方法 ^[1] 。然而,传统的铜/低k介质集成电路CMP过程仍面临着许多技术挑战,包括膜剥离、划痕和脆弱薄膜的机械形变等 ^[2] 。铜布线片CMP过程中,为了确保整个晶圆片上残余铜的完全去除而增加过抛过程,以防止残余铜线条连接而导致器件短路,但过抛会导致铜线条碟形坑和介质侵蚀两种现象的发生 ^[3] 。铜线条碟形坑现象即铜线条凹陷,碟形坑现象加剧使得铜线条厚度减薄,导致电阻和电流密度的增加,产生电迁移现象的风险更高,从而导致器件失效。介质侵蚀会在晶圆片上产生严重的蚀坑现象,而碟形坑及蚀坑现象会使后光刻技术和多层金属化复杂化 ^[4] ,所以控制过抛过程至关重要。

CMP研究一直致力于探索每个组分及工艺条件的影响规律及机制 ^[5] 。如河北工业大学微电子研究所关于评估铜抛光液的平坦化性能的研究,研究讨论了铜布线粗抛液对晶圆片进行粗抛过程中抛光液各组分及抛光工艺对形成凸处、凹处速率差以实现晶圆片平坦化的影响规律及机制,但关于过抛后平坦化能力的研究却鲜见报道。布线片抛光后,布线处凸出处为Ta/Ta N阻挡层材料,凹陷为铜线条。过抛是对精抛后铜线条和阻挡层材料(如Ta,Ta N及Ti N等)的抛光过程。CMP过程中,精抛后需要对晶圆片进行短时间的过抛,去除精抛后残余铜以避免器件短路现象的发生 ^[4,5] 。本研究建立了一个基于双氧水系统抛光液的过抛过程平坦化效率的计算方法,确定了铜布线片过抛过程中铜抛光速率(Cu PR),碟形坑变化值(ΔD)、过抛时间与平坦化效率(PE)之间的关系。

传统的平坦化效率计算方法多种多样,在相同的抛光时间内,凸处的去除量与凹处的去除量的比值越小(即凹处由于钝化作用几乎不被去除),平坦化效率(PE)则越高。

在去除一定的铜膜厚的同时,去除铜表面的高低差越大,平坦化效率就越高。

式(1)中ΔH代表布线片表面凸出处铜膜去除量,ΔU为凹陷处铜膜去除量,式(1)为现有粗抛平坦化效率计算方法;式(2)中ΔSH为布线片表面高低差变化值,ΔFR为铜膜去除厚度,式(2)为现有精抛平坦化效率计算方法。本文中所列过抛过程计算方法从未明确列出。

实验过程使用河北工业大学自主研发的碱性铜精抛抛光液 ^[6,7] ,包含硅溶胶磨料(20~30nm),FA/O型螯合剂,非离子表面活性剂,氧化剂(H₂O₂~30%(质量分数))。实验通过改变过氧化氢浓度确定铜、钽的抛光速率变化规律,以确定Cu/Ta选择比。使用65 nm技术节点300 mm晶圆片(一层布线片)评估平坦化性能,经粗抛后铜膜大量去除,精抛后剩余少量残余铜,下一步进行过抛以确保整个晶圆片上残余铜完全去除。通过抛光液的动电位和循环极化实验对过抛过程中的平坦化机制进行研究。

前期的研究成果显示,碱性抛光液中双氧水会作用在铜表面生成Cu O及Cu₂O薄膜并作为钝化层保护凹处铜,因此加入不同浓度双氧水的铜抛光液在晶圆上呈现不同的钝化能力 ^[8,9] 。为了避免整个晶圆铜布线之间的短路,短时间的过抛是必要的。过抛之前,使用铜的终点检测技术检测铜是否完全去除并停止在阻挡层上,因此,过抛是关于Cu PR和确保低阻挡层抛光速率的过程,所以要求铜精抛液抛光过程中阻挡层抛光速率趋于零。过抛过程中平坦化效率计算模型如式(3)所示,

PE表示过抛过程平坦化效率;ΔD代表过抛前后碟形坑差异值,nm;Cu PR是铜薄膜抛光速率,nm·min^-1;t为过抛时间,min。当ΔD/t远小于Cu PR时,铜精抛液具有良好的钝化性能,并能提供良好的平坦化效率。然而,ΔD/t等于或大于Cu PR,平坦化效率低;碟形坑现象归因于不可控的铜布线溶解 ^[4] 。与传统的平坦化效率计算方法不同点在于这种基于双氧水系统抛光液的过抛过程平坦化效率计算方法与过抛时间相关。过抛时间的控制一直是精抛乃至整个抛光过程的至关重要因素。

1 实验

所有实验在超净室室温下进行。直径7.62 cm的钽片(纯度99.99%)用于评估精抛液对钽的抛光速率(Ta PR),实验参数设定工作压力1.379×10^-2MPa,抛头转速55 r·min^-1,抛盘转速设定在60 r·min^-1,抛光液流量为300 ml·min^-1。300 mm铜光片和300 mm布线片用于评估铜的抛光速率(Cu PR)和评估抛光液用于65 nm技术节点上的平坦化性能以及一致性。此时,实验参数设定工作压力和背侧压力均为6.895×10^-3MPa。抛头转速和抛盘速度被设定在60 r·min^-1,抛光液流量是300ml·min^-1。

法国Alpsitec公司制造的E460E抛光设备以及Rohm&Hass公司提供的IC 1000TM抛光垫用于抛光实验。所有实验开始之前使用金刚石修整器对抛光垫进行修整,时间为2 min。用XP-300分析器(Ambios)测量铜薄膜的厚度和布线片碟形坑值。碟形坑为70μm×50μm测试单元。XP-300分析仪扫描速度为0.01 mm·s^-1,扫描长度为0.18mm。铜膜去除率取决于抛光前后薄膜厚度的差值,XP-300分析器使用9点测试并计算测试平均值,得到Cu PR。抛光前后碟形坑变化值也是采用9点测试,取平均值得到ΔD。

用分析天平(梅特勒-托利多AB204-N)测量钽片的质量,通过测量钽抛光前后质量变化计算得到钽的去除速率。Ta PR计算如公式(4)所示,

式中RR为去除速率,nm·min^-1;Δm是抛光前后质量变化值,g;R是半径,cm(R=3.81 cm);ρ是材料密度,g·cm^-3(ρ_Ta=16.68 g·cm^-3);t是抛光时间,min。实验数据为3次实验的平均值。

电化学测试使用电化学仪器CHI660C在标准三电极配置下进行。Pt电极作为对电极,饱和甘汞电极(SCE)为参考电极。15 mm直径(纯度99.99%)铜电极作为工作电极。动电位扫描在-0.1和0.1 V之间以10 m V·s^-1的速度进行扫描。每次实验之前使用Si C刚性砂纸研磨电极表面,然后使用无水乙醇仔细脱脂,去离子水冲洗并用氮气进行干燥。通过塔费尔曲线的横纵坐标的线性外推计算腐蚀电位(E_corr)和腐蚀电流密度值(I_corr)。实验数据使用新的溶液重复实验3次取均值。

2 结果与讨论

图1表示过氧化氢浓度对铜/钽抛光速率的影响。两种图形分别表示Cu PR和Ta PR,横坐标A-G分别表示7种含有不同浓度过氧化氢的抛光液。最初,随着过氧化氢浓度从0.03%增加到0.15%(质量分数,下同)铜的抛光速率上升。然而,当过氧化氢浓度高于0.15%时,Cu PR开始缓慢下降。Ta PR对应所有不同浓度过氧化氢没有明显的抛光速率。过氧化氢低浓度条件下,增加过氧化氢浓度,Cu氧化率增加,Cu表面生成氧化铜及氧化亚铜,氧化铜及氧化亚铜会随之转化为氢氧化铜,铜离子增加,与大分子螯合物螯合后转化为可溶性的物质,可溶性物质随流动抛光液排出CMP体系,铜的抛光速率增加。反之,高的过氧化氢浓度会导致金属上形成厚的氧化层钝化膜,离子的扩散受到限制导致抛光速率降低。钽的质地坚硬致密,与过氧化氢反应在钽表面形成五氧化二钽,质地比钽更加致密。此外,较低的磨料和机械作用下,钽的抛光速率几乎检测不到。铜和钽的去除速率选择比高。

图1 不同浓度的过氧化氢对铜/钽抛光速率的影响Fig.1Effects of different concentrations of H2O2on removal rate of Cu and Ta

不同铜布线片经过含不同浓度过氧化氢抛光液抛光后碟形坑数值(dishing value)如图2所示。过抛之前(Pre OP),铜布线片碟形坑数值相同。这些数据的总体趋势符合图1所示的数据,碟形坑数值随过氧化氢浓度的增加而减少。过氧化氢浓度是0.03%时,碟形坑数值最高。CMP条件下,较低浓度的过氧化氢氧化率增加,铜线条凹陷处腐蚀速率也会增加 ^[10] 。更高的过氧化氢浓度在铜表面形成氧化层———钝化保护膜,与此同时,凹陷处铜线条不直接接触抛光垫,保持钝化效果 ^[11,12] 。因此,经过含不同浓度过氧化氢的抛光液过抛后布线片会产生不同的碟形坑值。

图2 过氧化氢浓度对过抛后碟形坑的影响Fig.2Effects of different concentrations of H2O2on dishing values after over-polish step

图3所示为对应不同过氧化氢浓度抛光液过抛(OP)后ΔD和晶片平坦化效率(PE)数值。使用不同抛光液(包含不同浓度过氧化氢)是为了检验铜CMP的PE。铜CMP的PE定义如式(3)所示,它提供了一个衡量加工后表面形貌质量的方法 ^[2] 。众所周知,碟形坑是由于布线片凹陷处金属线条下降过多所致,如果凹陷处金属线条过度下降会降低布线片的平坦化效率。因此,对应不同浓度过氧化氢含量的抛光液的PE测定取决于ΔD和Cu PR值。

利用电化学实验了解铜膜在抛光液中的溶解和钝化特征 ^[13,14] 。抛光液(含不同浓度的过氧化氢)中铜电极的极化曲线如图4所示,动电位极化曲线表征工作电极上电压V与电流i之间的关系。表1所示为铜电极腐蚀电位(E_corr)和腐蚀电流密度(I_corr)。E_corr和I_corr的值提供不同抛光液中定性衡量铜表面薄膜厚度的方法和对铜的溶解和氧化效果的简单估计 ^[15] 。结果显示,过氧化氢浓度为0.03%时,铜电极没有钝化,I_corr最高。极化曲线的阳极分支显示,1.50%过氧化氢浓度的抛光液中存在明显的电流降低的现象,标志着钝化膜的形成。铜电极表面覆盖氧化层,氧化层不能及时溶解,导致铜电极钝化。I_corr随着过氧化氢浓度增加以及极化曲线的阳极分支左移而减小,这时钝化现象更加明显。氧化层覆盖大部分的铜电极表面并且氧化层厚度足以更好地保护铜不致溶解,进而导致E_corr增加。这些结果说明,过氧化氢浓度的增加可能在铜电极表面生成氧化层提高钝化效果。

图3 过氧化氢浓度对过抛后PE和ΔD的影响Fig.3Effects of different concentrations of H2O2on PE andΔD after over-polish step

图4 过氧化氢浓度对铜动电位极化曲线的影响Fig.4 Effect of H2O2concentration on potentiodynamic polari-zation curves of Cu

表1 铜精抛液H₂O₂浓度对铜腐蚀电化学参数的影响Table 1Effect of H₂O₂concentration on corrosion pa-rameters of copper in copper clearing slurries  下载原图

表1 铜精抛液H₂O₂浓度对铜腐蚀电化学参数的影响Table 1Effect of H₂O₂concentration on corrosion pa-rameters of copper in copper clearing slurries

3 结论

文中给出了一种铜CMP过抛过程中基于氧化反应的平坦化效率计算模型。模型可以明确地计算出过抛过程中的平坦化效率,实验使用含有不同过氧化氢浓度的精抛液证实该模型的准确性。提高过氧化氢浓度导致Cu PR降低并且阻挡层抛光速率几乎为零,钝化层厚度也会增加,过氧化氢浓度为1.5%时晶圆片上铜布线去除速率几乎为零,铜布线表面钝化膜形成,继续增大过氧化氢浓度,钝化膜阻碍过氧化氢与Cu表面接触,多余过氧化氢在实验中无作用。

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