关键词：铜;;化学机械抛光;;新型抛光液;;工艺优化;;机理分析
摘 要：随着集成电路的迅速发展,芯片的布线层数越来越多,对布线层金属的电学特性和平坦化性能提出了更高的要求。铜具有低电阻率和高抗电子迁移率等电学特性,已逐步取代铝而成为超大规模集成电路(VLSI)的布线层金属。随之而来的是,实现铜的全局平坦化成为了集成电路发展遇到的新挑战。在铜的平坦化工业领域,化学机械抛光(CMP)是目前唯一可以同时实现局部平坦化和全局平坦化的方法,也是应用最广泛的平坦化方法。抛光液是CMP区别于传统机械抛光最显著的特征,是铜CMP的关键技术之一,同时也是铜CMP工业中成本较高的部分。目前已有报导的铜抛光液中,大多使用了强酸、强碱、BTA等对操作人员和环境有潜在危害的化学试剂,不符合环保加工的理念,且很多抛光液需要较长的抛光时间,使用的添加剂种类和含量也较多,因此,有必要研发一种用于铜CMP的新型抛光液。本文以铜的CMP抛光液为研究方向,研究了抛光液中各成分对抛光结果的作用规律,通过理论分析和实验研究,最终选择过氧化氢、硅溶胶和壳寡糖作为添加剂,研发了铜的新型抛光液。在此基础上,本文对抛光液中各成分的含量以及抛光的转速、压力等进行了实验优化,最终抛光的最好结果是,在70×50μm~2的测量区域内,表面粗糙度Ra值和PV值分别达到0.444 nm和5.468 nm,低于目前常用的铜抛光液的抛光结果,且抛光时间仅需要7 min。此外,新型抛光液中不含对环境和操作人员有潜在危害的添加剂,是一种环保无污染的抛光液。在CMP过程中,材料的去除和工件表面平坦化的实现需要化学反应和机械去除的协同作用,对于本文研发的新型抛光液,过氧化氢起到对铜表面的氧化作用,壳寡糖起到溶解表面氧化层、形成配合物、降低抛光液表面张力和维持抛光液pH等多种作用,而硅溶胶对化学作用几乎没有贡献,主要起到机械去除的作用。本文还使用XPS、电化学、红外光谱等方法,对新型抛光液在铜CMP过程中的作用机理进行了分析。在CMP过程中,铜表面会发生一系列化学变化,表面多余材料被周期性地去除,从纯铜表面开始到露出下一个纯铜表面之前是CMP的一个材料去除周期。在一个材料去除周期内,工件表面的铜会首先被过氧化氢氧化而生成一层由氧化铜和氢氧化铜组成的氧化膜;接着该氧化层会在壳寡糖电离产生的氢离子的作用下被溶解而产生铜离子;之后壳寡糖分子会与产生的铜离子发生配合反应,在工件表面形成一层保护层;最后,在二氧化硅磨粒的作用下,通过机械磨削去掉表面的保护层,露出新的铜表面。
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