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新型化学机械抛光垫和抛光液的研究

余剑峰  
【摘要】:在集成电路(IC)制造中,化学机械抛光(Chemical-mechanical polishing,CMP)技术在单晶硅衬底和多层金属互连结构的层间全局平坦化等方面得到了广泛应用,成为制造主流芯片的关键技术之一。随着芯片特征尺寸的不断缩小和芯片集成度的不断提高,对CMP技术提出了更高的要求,目前的CMP技术水平已不能满足下一代IC芯片制造的工艺要求,探索和研究新的CMP技术成为全球半导体持续发展的关键。 CMP是目前最佳也是唯一能够实现全局平坦化的技术,但是在CMP过程中,往往在材料的表面引入一些缺陷,如碟型凹陷、腐蚀、刮痕和各种污染等。为了解决这些存在的问题,各种新技术,如固体磨料抛光垫、无磨料化学机械抛光、电化学抛光等已成为CMP主要的研究方向。本文从抛光垫的改性和抛光液配方的改进出发,通过在抛光垫制作过程中加入各种反应组分和在抛光液中引入一种新型的络合剂这两种方法来提高抛光效果,并对其抛光机理和抛光效果进行系列的研究。 在化学机械抛光中抛光垫通常用于传输抛光液,传输下压力和打磨发生化学反应的材料表面。对于金属抛光来说,去除率的提高主要通过调整下压力和提高化学反应程度来控制。在传统的抛光过程中,需要相当大的下压力来达到一定的去除率,然而大的下压力能够带来高去除率的同时也会引起各种缺陷增加。通过提高材料表面的化学反应程度的方法可以在维持去除率的情况下降低下压力。本文在抛光垫中加入甘氨酸和苯骈三氮唑(BTA)的方法来提高材料表面的化学反应程度。在加入甘氨酸的抛光垫中,从抛光垫释出的甘氨酸先跟凸出的部分的铜发生反应。在机械力的帮助下,凸出部分去除率升高。同时由于凹陷部分与甘氨酸接触的机会降低,去除率降低,从而一定程度降低了缺陷的产生。相反,在加入BTA的抛光垫中,抛光垫析出的BTA会集中在晶片的凹陷部分,BTA的浓度局部增加,凹陷部分得以保护。在抛光垫中的甘氨酸和BTA对铜表面有不同的作用机理,甘氨酸在释放后会倾向于对凸出部分进行攻击,而BTA则倾向于留在凹陷的部分。两种反应型抛光垫,可以提高台阶高度降低的效率并且有效地降低缺陷的产生。 氨基酸是当前应用于铜化学机械抛光技术中最广泛最有效的络合剂,它可以提供较理想的去除率,可是氨基酸在提高去除率的同时却大大增加了铜片表面的缺陷,所以在甘氨酸抛光液中一般要加入缓蚀剂来减少缺陷的产生。本论文首次将既具有络合又具有缓蚀作用的有机化合物―2,4-二氨基-6-甲基-1,3,5-三嗪(TA),应用到化学机械抛光中。由于其结构中三嗪上的氮和两个氨基上具有孤对电子,可以跟铜离子发生络合反应,从而以铜的络合物的形式将晶片表面的铜带出。自身的甲基和环状结构有一定的疏水性,限制了铜络合物的溶出速率。环状结构能够平整地贴在铜表面,在表面形成一层保护膜,通过分子间氢键的帮助,增加了保护层的厚度从而起到了缓蚀的效果,具有减少晶片表面缺陷的潜力。在不添加任何缓蚀剂的情况下,TA抛光液能够大大地降低缺陷形成。 为了进一步改善TA抛光液的抛光效果,分别取用了1,2,4-三唑、1H-1,2,3-三唑、苯骈三氮唑、苯并咪唑(BIA)、5-苯基-1H-四唑(PTA)作为缓蚀剂来协助提高表面质量。图案晶片抛光结果表明,在pH为4时,BTA和TA的抛光液体系能够得到最好的抛光效果。在低pH值时,由于BTA中氮原子的质子化,不能很好地保护材料的表面。PTA的pKa较少,不容易质子化,所以能够在低pH值时对铜晶片保持很好的抛光效果,在保持表面质量的同时可以一定程度地提高去除率。


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