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本文的應(yīng)用背景
盡管銅化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)已成為半導(dǎo)體制造業(yè)實(shí)現(xiàn)集成電路局部和全局平坦化的關(guān)鍵技術(shù),但在阻擋層CMP過程中仍有一些問題需要克服,如有機(jī)殘留物、表面顆粒、蝶形缺陷、侵蝕和劃痕,其中,劃痕將是CMP過程中最有害的缺陷。因?yàn)樵贑MP后的清洗過程中,產(chǎn)生的其他類型的缺陷可以通過不同方法去除,但晶圓表面的微劃痕不容易消除,這些微劃痕可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電路故障,從而影響晶圓產(chǎn)量。
我們所熟知的CMP工藝由晶圓和拋光墊之間的化學(xué)和機(jī)械相互作用組成。一般認(rèn)為,CMP漿料中團(tuán)聚的大顆?;蚱教够^程中聚集的大顆粒是CMP劃痕的主要來源。部分研究通過單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)(SPOS)來量化漿料中大顆粒濃度(LPC),并建立LPC與CMP過程中劃痕形成的相關(guān)性。
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本文應(yīng)用思路
本文重點(diǎn)研究乙氧基化二烷醇(EDA)這一分散劑的添加濃度對(duì)減少CMP過程中銅表面的劃痕的影響。通過考察分散劑添加濃度與漿料粒徑分布(PSD)、ZETA電位、LPC的關(guān)系。另外,通過掃描電鏡確定晶圓表面缺陷情況,具體研究思路如下圖所示:
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試驗(yàn)準(zhǔn)備
在顆粒穩(wěn)定乳液中,乳液類型的選擇是由其潤濕性決定的,并且用接觸角進(jìn)行量化。根據(jù)班克羅夫特規(guī)則,親水顆粒(接觸角小于90°的顆粒)能更好地穩(wěn)定O/W乳液。相反,疏水顆粒(接觸角大于90°的顆粒)更適合于穩(wěn)定W/O乳液(圖2)。
阻擋層CMP的拋光墊使用FUJIBO H7000HN,用于阻擋層CMP的研磨液中成分包含20%的膠體硅磨料(平均粒徑接近90nm),乙氧基化二烷醇(EDA)[(C2H4O)n. C10H22O,n = 7] 用作為分散劑以減少劃痕,阻擋層研磨液配有20wt%硅磨料、0.15wt% FA/O II絡(luò)合劑、0.2wt% BRIJ30作為非離子表面活性劑和不同濃度的EDA
KLATencor 2915光學(xué)顯微鏡掃描拋光銅膜上殘留的缺陷;KLA-Tencor SEMVision俯視掃描電子顯微鏡能確定模式晶片上不同缺陷類型
Figure 1. Cross section view of pattern wafers used in the experiments.
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表征方法
Nicomp Z3000(老型號(hào):Nicomp 380ZLS)用于測(cè)定了研磨液的平均粒徑和ZETA電位
AccuSizer A7000 APS (老型號(hào):AccuSizer 780APS)用于測(cè)定尾端大顆粒濃度(≥0.5 μm)
接觸角測(cè)量?jī)xJD200D測(cè)量研磨液表面張力、晶片與漿料之間的接觸角
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方案流程
流程一
研磨液中是否添加分散劑對(duì)晶圓表面劃痕數(shù)量的影響:分別使用不含0.02wt% EDA和含0.02wt% EDA的研磨液對(duì)銅晶圓表面進(jìn)行拋光,利用掃描電鏡圖像觀察晶圓表面的劃痕缺陷數(shù)量。觀察EDA的添加與晶圓表面缺陷數(shù)量的關(guān)系。
結(jié)果一
采用不含EDA的研磨液拋光后得到的晶圓表面具有相對(duì)較高的缺陷數(shù)(~861ea),但當(dāng)采用加入0.02wt% EDA的研磨液拋光時(shí),缺陷數(shù)減少了近一半。掃描電鏡得到的晶圓表面圖像如圖2所示,晶圓片表面的缺陷主要由劃痕組成。
結(jié)果表明:
在研磨液中加入EDA可以有效地減少拋光后晶圓表面缺陷數(shù)量,劃痕數(shù)量也明顯減少。
Figure 2. Defect map and typical SEM review results without(a) and with the addition of 0.02wt% EDA(b).
流程二
不同EDA濃度的研磨液對(duì)晶圓表面劃痕數(shù)量的影響:選取5種不同EDA添加濃度:0.05wt%、0.1wt%、0.25wt%、0.35wt%和0.5wt%的研磨液進(jìn)行晶圓平坦化實(shí)驗(yàn),并測(cè)試拋光后晶圓表面的劃痕缺陷數(shù)量。
結(jié)果二
圖3為晶圓缺陷圖隨EDA濃度的變化情況。在0.05wt%~0.35wt%的范圍內(nèi),缺陷數(shù)隨著EDA濃度的增加而顯著降低,當(dāng)EDA濃度進(jìn)一步增加至0.5wt%時(shí),其缺陷數(shù)保持不變。
Figure 3. Defect map and count of wafer surface polished by barrier slurry with different concentration of EDA: (a)0.05wt%, (b)O.1wt%, (c) 0.25wt%, (d) 0.35wt%, 0.5wt%.
圖4為不同EDA濃度研磨液對(duì)晶圓表面劃痕數(shù)量的影響,劃痕數(shù)通過G4 SEM統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)計(jì)算,與晶圓表面劃痕數(shù)的結(jié)果相對(duì)應(yīng)??梢钥闯?,當(dāng)EDA濃度從0.05wt%增加到0.35wt%時(shí),劃痕數(shù)首先從214ea逐漸減少到14ea,當(dāng)EDA濃度進(jìn)一步增加到0.5wt%時(shí),劃痕數(shù)趨于平穩(wěn)。結(jié)果表明,EDA表面活性劑對(duì)晶片表面缺陷數(shù)量有很大的影響,在研磨液中添加EDA能有效降低晶圓表面的劃痕數(shù)。
Figure 4. Seratch counts as a function of EDA a concentrations.
圖5為用不同EDA濃度研磨液在銅晶圓上拋光后形成的劃痕的掃描電鏡圖像,隨著研磨液中EDA濃度的增加,劃痕的長度和強(qiáng)度明顯減小。
結(jié)果進(jìn)一步表明:在研磨液中添加EDA可以有效地避免劃痕的產(chǎn)生。
Figure 5. SEM image of seratch on copper pattern wafers polished with different concentration of EDA: (a)0.05wt%, (b)O.1wt%, (c) 0.25wt%, (d) 0.35wt%, 0.5wt%.
流程三
研究EDA添加量對(duì)硅磨料在研磨液中分散性的影響及研磨液中尾端大粒子的關(guān)系,采用動(dòng)態(tài)光散射(DLS)技術(shù)檢測(cè)研磨液顆粒粒徑分布(PSD),利用ZETA電位檢測(cè)側(cè)面反映研磨液的穩(wěn)定性
結(jié)果三
粒徑分布及ZETA穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果:
圖6為不同EDA濃度研磨液的粒徑分布圖(6.a),研磨液平均粒徑與EDA添加濃度的關(guān)系圖(6.b),研磨液粒徑分布的PDI值與EDA添加濃度的關(guān)系圖(6.c)。
結(jié)果表明
在研磨液中添加EDA(EDA濃度從0.05wt%增加到0.50wt%)對(duì)其平均粒徑影響不大,主體粒徑在90nm左右。(參考6.a 和 6.b)
隨著研磨液中EDA添加濃度的增加(EDA濃度從0.05wt%增加到0.35wt%),研磨液的粒徑分布均一性變好,其粒徑分布圖變窄(參考6.a),PDI值(即多分散系數(shù),其值越小表明體系均一性越好)變?。▍⒖?.c)。進(jìn)一步增加EDA的濃度(EDA濃度從0.35wt%增加到0.50wt%),則對(duì)研磨液粒徑分布的均一性影響較小對(duì)其平均粒徑影響不大(參考6.a 和 6.c)。
綜合來說,在研磨液中添加EDA可有效提高研磨液粒徑分布均一性,但對(duì)主體粒徑影響不大
Figure 6. Relationship between EDA nonionic surfactant and (a) particle size distribution, (b) intensity average particle diameters. and (c) polydispersity indexes.
常規(guī)而言,研磨液的Zeta電位反映了其穩(wěn)定性。也就是說,Zeta電位的絕對(duì)值越大,研磨顆粒能更好地分散在研磨液中。圖8顯示了研磨液的Zeta電位隨EDA濃度的變化關(guān)系。隨著EDA濃度的增加,研磨液的Zeta電位的絕對(duì)值增加,粒子間的排斥力增強(qiáng),越不容易團(tuán)聚。推測(cè)是由于EDA表面活性劑分子的環(huán)氧乙烷段與磨料顆粒表面的硅醇基團(tuán)相互作用所致。
結(jié)果表明:在研磨液中加入EDA后,其Zeta電位絕對(duì)值越大,可有效降低納米二氧化硅磨料間的團(tuán)聚。
Figure 7, Zeta potential of the slurry as a function of EDA concentration.
流程4
通過SPOS單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)檢測(cè)0.5μm以上的尾端大顆粒與不同EDA濃度之間的關(guān)系。
結(jié)果4
在圖9顯示了研磨液中0.5μm以上的顆粒數(shù)與EDA濃度的關(guān)系。當(dāng)研磨液中EDA濃度從0.05wt%增加到0.25wt%時(shí),≥0.5μm的顆粒數(shù)量從2.68*10^5顆/ml顯著減少至1.32 × 10^5 顆/ml,當(dāng)EDA濃度進(jìn)一步增加到0.5wt%時(shí),則進(jìn)一步下降到1.05×10^5顆/ml。
結(jié)果表明:
在研磨液中加入EDA可以有效減少大顆粒(≥0.5μm)的數(shù)量。
Figure 8. Relationship between LPC for particles with diameter ≥0.5pm and different EDA concentrations.
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總結(jié)
本研究采用乙氧基化二烷醇(EDA)作為分散劑,研究其添加量對(duì)于Cu CMP后晶圓劃痕數(shù)量的影響。通過考察不同分散劑添加量下研磨液粒徑分布(PSD)、ZETA電位、LPC的關(guān)系。另外,通過掃描電鏡確定晶圓表面缺陷情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
研磨液中隨著EDA的加入,其主體粒徑變化不大,但粒徑分布均一性變好;Zeta電位絕對(duì)值變大,說明體系更穩(wěn)定;通過SPOS技術(shù)測(cè)得的研磨液尾端大顆粒(≥0.5 μm)數(shù)量減少, 。
掃描電鏡結(jié)果表明,研磨液中EDA的添加可有效減少拋光后晶圓表面缺陷和劃痕數(shù);研磨液中尾端大顆粒濃度與拋光后晶圓表面缺陷數(shù)呈正相關(guān)。
推測(cè)研磨液中添加EDA可增強(qiáng)粒子間的斥力,減少二氧化硅顆粒間的團(tuán)聚,從而使得研磨液體系更均一穩(wěn)定,尾端大顆粒數(shù)量降低。
可以簡(jiǎn)要理解為: EDA 的添加,使得 Slurry 的穩(wěn)定性變好,均一性變好,所以 LPC 變少,因?yàn)?LPC 變少,所以劃痕變少
文獻(xiàn)來源: Li Y , Liu Y , Wang C ,et al.Role of Dispersant Agent on Scratch Reduction during Copper Barrier Chemical Mechanical Planarization[J].ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2018(6):7.
推薦型號(hào)及優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)
本文中,用于研磨液粒徑分布(PSD)以及Zeta電位檢測(cè)對(duì)應(yīng)的儀器型號(hào)是Nicomp Z3000納米激光粒度儀;用于測(cè)量研磨液中LPC對(duì)應(yīng)的儀器型號(hào)是Accusizer A7000系列顆粒計(jì)數(shù)器
Nicomp Z3000納米粒度及Zeta電位分析儀:采用動(dòng)態(tài)光散射(DLS)原理檢測(cè)分析樣品的粒度分布;基于多普勒電泳光散射原理(ELS)檢測(cè)Zeta電位。
粒徑檢測(cè)范圍:0.3nm~10.0μm
Zeta電位檢測(cè)范圍:-500mV~+500mV,超高靈敏度的Zeta電位模塊
搭載Nicomp多峰算法,可以實(shí)時(shí)切換成多峰分布觀察各部分的粒徑
高分辨率的納米檢測(cè),Nicomp納米激光粒度儀對(duì)于小于10nm的粒子仍然現(xiàn)實(shí)較好的分辨率和準(zhǔn)確度。
高斯粒徑分布圖
Nicomp多峰粒徑分布圖
Nicomp Z3000納米激光粒度儀
AccuSizer顆粒計(jì)數(shù)器系列:采用單顆粒光學(xué)傳感技術(shù)(SPOS)檢測(cè)液體中的顆粒數(shù)量的同時(shí)精確測(cè)量顆粒的數(shù)量及粒度分布
檢測(cè)范圍為0.5~400μm(可將下限拓展至0.15μm)
0.01μm的超高分辨率,該系列具有1024個(gè)數(shù)據(jù)通道,能反映復(fù)雜樣品的細(xì)微差異,為研發(fā)及品控保駕護(hù)航。
10PPT級(jí)別的超高靈敏度,即使只有微量的顆粒通過傳感器,也可以精準(zhǔn)檢測(cè)出來。
模塊化設(shè)計(jì),具有多模式進(jìn)樣系統(tǒng)