铜在含碘酸钾的CeO2浆料中CMP的抛光速率及影响因素的研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 5 3 铜在含碘酸钾的C e 0 2 浆料中C M P 的 抛光速率及影响因素的研究 胡建东1 ，李永绣1 ’2 ，周雪珍1 1 ．南昌大学材料科学与工程学院，南昌3 3 0 0 3 1 ；2 ．南昌大学理学院，南昌3 3 0 0 4 7 摘要研究了氧化剂碘酸钾及抛光粒子C e O 的浓度、抛光转速和抛光压力对铜的化学机械抛光速率的 影响，并初步解释了影响因素的机理。实验表明在一定范围内材料的去除速率与抛光压力、抛光转速的 关系可以用P r e s t o n 方程的一般式R K P 。咿来表示，并据此可得到a ，8 和K 的值；而氧化剂和抛光粉 浓度对抛光速率的影响无明确的规律。在0 ．2m o l ／LK 1 0 3 5 ％C e 0 2 、压力1 1 ．7 0 3k P a 、转速2 5r ／r a i n 的条件下，铜去除速率为4 3 ．9n m ／m i n ，抛光效果R 。 1 0 ．9n m ，R ⋯一1 1 2n l T l 。 关键词铜；C M P ；C e 0 2 ；抛光速率；影响因素 中图分类号T G l 4 6 ．1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 0 4 0 0 5 3 0 3 P o l i s h i n gR a t ea n dD e p e n d e n tF a c t o r so fC o p p e ri n C e 0 2S l u r r yC o n t a i n i n gK 1 0 3d u r i n gC M P H UJ i a n - d o n 9 1 ，L IY o n g - x i u l ’2 ，Z H O UX u e - z h e n l 1S c h o o lo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fM a t e r i a l ，N a n e h a n gU n i v e r s i t y ，N a n c h a n g3 3 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fS c i e n c e ，N a n e h a n gU n i v e r s i t y ，N a n e h a n g3 3 0 0 4 7 ，C h i n a A b s t r a c t D e p e n d e n c eo fr e m o v a lr a t eo fc o p p e ro no x i d i z e rK 1 0 3 ，C e 0 2a b r a s i v e sa n dp o l i s h i n gp r e s s u r e ， r o t a t i n gr a t e sw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ed e p e n d e n tm e c h a n i s mw e r ee x p l a i n e dp r i m a r i l y ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n dp o l i s h i n gp r e s s u r e ，r o t a t i v er a t e sc o n f i r m st h e g e n e r a l i z e df o r m so fP r e s t o n se q u a t i o nR K P 。V 9w i t h i ns o m er a n g e 。w h i l er u l e so fi n f l u e n c eo fc o n c e n t r a t i o no fo x i d i z e ra n da b r a s i v eo nr e m o v a lr a t e sw a sn o tf o u n dc l e a r l y ．I nt h ec o n d i t i o no f0 ．2m o l ／LK 1 0 3 1 5 ％C e 0 2 1 1 ．7 0 3k P a 2 5r ／m i n ，t h er e m o v a lr a t eo fc o p p e rw a s4 3 ．9n m ／m i n ，a n dR 。一1 0 ．9a m ，R 。。， 1 1 2a m ． K e y w o r d s C o p p e r ；C M P ；C e 0 2 ；P o l i s h i n gr o t a t i n gr a t e ；F a c t o r s 化学机械抛光 C M P 是目前唯一能提供超大 规模集成电路制造过程中全面平坦化的一种新技 术[ 1 _ 2 ] 。铜由于它的优越的导电性和高的抗电迁移 性，正取代铝作为集成电路中的互连金属导线材 料[ 1 ’3 ] 。C e O 由于化学活性高、硬度较小，在抛光过 程中不容易刮伤抛光面，从而保证有好的表面平整 度；且C e O 粒子在抛光过程中的化学腐蚀作用，使 作者简介胡建东 1 9 6 8 一 ，男，江西l 临川1 人，博士研究生 其具有抛光速率快的优点，因此广泛的用于在C M P 上c 4 ] 。 化学机械抛光实际上是一个化学作用和机械作 用相结合的组合过程，化学机械抛光速率的大小不 仅与工件的性质和抛光垫片的性质和表面粗糙度、 形貌有关，而且与抛光液的化学组成、抛光粒子的浓 度、抛光压力和抛光转速等有关。P r e s t o n [ s 3 于1 9 2 4 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 年根据玻璃抛光工艺总结出了一个抛光速率的经验 公式，即P r e s t o n 方程 R 一△H ／a t K P V 其中，R 为抛光速率 n m ／m i n ；A H 为抛光磨 损的厚度 n m ；A t 为抛光时间 m i n ；K 为P r e s t o n 系数；P 为抛光压力 k P a ，；V 抛光垫片和抛光工件 的相对速度 r ／m i n 。该经验方程用于C M P 过程 时，抛光速率与压力P 和转速V 的关系与抛光状况 有很大的关系，后人在此基础上做了一个修正[ 6 1 7 ] ， 亦即更普遍P r e s t o n 方程R K P 。V p 。d ，j 3 及K 与 许多因素有关，如抛光粒子的种类、性质、粒子的大 小与分布、抛光垫片的性质和表面粗糙度、抛光浆料 的p H 、离子强度和温度等有关。本实验以碘酸钾 氧化剂，以C e O 。为抛光粉对铜C M P 时的抛光速率 及其影响因素进行研究讨论。 1实验部分 实验试剂自制的C e O 抛光粉 一次粒子约为 3 0 ～5 0n m ，激光粒度仪测得的粒径D 。。 O ．4 6 肚m ，碘酸钾，二次蒸馏水，纯铜片。实验仪器 U N I P O L 8 0 2 精密研磨抛光机，F A l l 0 4 电子天平， C S P M 一3 1 0 0 原子力显微镜，真空干燥箱。实验方 法铜片在用砂纸打磨后，在研磨抛光机上进行抛 光，抛光垫为聚氨脂，以C e O 。抛光粉为抛光粒子， 每次抛光时间1 5m i n ，以三次抛光为一组。抛光速 率以抛光前后铜片的质量差换算成单位时间的厚度 变化，抛光后表面质量采用原子力显微镜观察。 2结果与讨论 2 ．1 抛光压力与抛光速度的影响 图1 显示了抛光压力与抛光速率关系影响，在 2 5r ／m i n 的条件下，抛光速率随抛光压力的增大而 增大，但是随压力逐渐增大，抛光速率的增加程度变 化逐渐变小。同时增大压力，工件的表面粗糙度将 变差。图2 为在1 1 ．7 0 3k P a 的压力条件下，铜 C M P 速率与抛光盘相对转速的关系，从图2 我们可 以看到材料的去除速率在所考察的范围内，随转动 速度的增大而增大，但变化的幅度也在逐渐的减小。 将图1 和图2 的数据代人P r e s t o n 方程一般公式R K P 。驴，并据此可求出K ，a ，8 的值。所得结果为 a 一5 ／6 ，B 一2 ／3 ，K 一0 ．6 6 1 。 2 ．2C e O 抛光粉浓度与抛光速率的关系 在一定抛光压力和抛光转速条件下，用不同浓 度的C e O 抛光液进行抛光，所得结果见图3 。 f 曼 暑 E E 祷 剥 篮 代 器 f 三 军 g 邑 静 瑙 篷 稍 嗫 } 曼 置 岳 E ≤ 黔 划 筮 代 罡 抛光压力N P a 图1 铜去除速率与压力的关系 F i g ．1 R e l a t i o n s h i pb e t w e e np o l i s h i n g p r e s s u r ea n dr e m o v a lr a t eo fc o p p e r 图2 铜去除速率与旋转速率的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i n gr a t e a n dr e m o v a lr a t eo fc o p p e r 24681 01 21 41 6 抛光粒子浓度，％ 图3 铜去除速率与抛光粒子浓度的关系 F i g ．3R e l a t i o n s h i pb e t w e e np a r t i c l e c o n c e n t r a t i o na n dr e m o v a l r a t eo fc o p p e r 由图3 可以看出，随着抛光粒子浓度的增大，工 件与抛光垫片之间的颗粒增多，参与去除氧化薄层 的颗粒多，材料的去除速率增大，基本上符合认为在 使用软质抛光垫片时，材料去除速率主要由工件与 Ⅲ 吼 瓢 孔 “尉 “ 瓤 甄 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年4 期 5 5 垫片接触区域的总粒子数所决定的接触力学模 型‘卜引。但是在浓度达到1 5 ％左右，抛光速率达到 最大值，随着浓度的继续增加，抛光能力反而下降， 说明此时一方面氧化物薄层的生成速度赶不上而破 坏了化学一机械作用的平衡，化学作用和机械作用 不再匹配，抛光粉粒子将直接作用到工件铜的表面 上，形成划痕刻伤，所得到的表面也不光滑；另一方 面抛光粉浓度高，因颗粒之间的距离更近而出现团 聚的趋势也增大，因此对抛光浆料来说，抛光粉的浓 图5 抛光后铜的原子力显微镜图 度保持在一个合适的条件下，才能发挥最大的效应， F i g 5 A F M i m a g eo fc o p p e ra f t e rp o l i s h i n g 既保持了高的材料去除速率，又不损伤表面。 抛光压力 P 、抛光转速 V 的关系可以用一般的 2 ．3碘酸钾浓度对抛光速率的影响P r e s t o n 方程，即R K P 。驴来表示，并求出该条件 由于在C M P 中工件表面需要有氧化剂与之反 下旺一5 ／6 ，p 2 ／3 。K 与抛光粉粒子的用量和氧化 应，生成比工件本身硬度小的反应薄层才能进行化 剂浓度有关，在5 ％C e 0 2 和0 ．2m o l ／LK 1 0 3 条件 学机械抛光，因此氧化剂的浓度对薄层的生成速度， 下K 0 ．6 6 1 ，此时抛光速率为4 3 ．9n m ／m i n ，表面 进而对化学机械抛光的；} j ．料去除速率有重要的影 质量为R 。一1 0 ．9n m ，R 。。。一1 2 0n m 。而在1 2 ．5 ％ 响。图4 为氧化剂碘酸钾的浓度对抛光速率的影 C e 0 2 0 ．2m o l ／LK I O a 1 1 ．7 0 3k P a 2 5r ／m i n 响。 的条件下，铜的抛光速率为9 1 ．3n m ／m i n 。 暑 ； l 喜 蝌 篮 稍 罪 图4 铜去除速率与氧化剂浓度的关系 F i g ．4 E f f e c to fo x i d i z e rc o n c e n t r a t i o n O nr e m o v a lr a t eo fC u 图4 可以看出，当碘酸钾的浓度为0 ．2m o l ／L 时，抛光速率最大，当低于此浓度时，由于生成氧化 反应物薄层的速度不足，而使抛光速率降低。而大 于该浓度时，因降低了氧化物薄层的厚度及增加了 可能的再沉积作用导致抛光速率降低。 2 ．4 表面质量 将在5 ％C e 0 2 0 ．2m o l ／LK 1 0 3 1 1 ．7 0 3 k P a 2 5r ／m i n 条件下，抛光3 0r a i n 的铜片清洗干 燥后，以原子力显微镜观察表面质量，结果见图5 。 图5 数据结果为R 。一1 0 ．9n m ，R 。。。一1 1 2n m 。 3结论 在采用软质聚氨脂抛光垫下，抛光速率 R 与 参考文献 [ 1 ] 刘玉岭，王弘英，王新．U L S I 制备中C u 布线的C M P 技 术抛光液的研究[ J ] ．半导体技术，2 0 0 1 ，2 6 8 6 5 6 9 ． [ 2 ] 雷红，张朝辉，张朝辉．化学机械抛光技术的研究进展 [ J ] ．上海大学学报 自然科学版 ，2 0 0 3 ，9 6 4 9 4 5 0 2 ． I s ] 张兆强，郑国祥，黄榕旭，等．铜互连布线及其镶嵌技术 在深亚微米I C 工艺中的应用[ J ] ．固体电子学研究与进 展，2 0 0 1 ，2 1 4 4 0 7 4 1 1 ． [ 4 ] 宋晓岚，杨振华，邱关周，等．纳米氧化铈在高新技术领 域中的应用及其制备研究进展[ J ] ．材料导报，2 0 0 3 ，1 7 1 2 3 6 3 9 ． [ 5 - ] P r e s t o nFW ．T h et h e o r ya n dd e s i g no fp l a t eg l a s sp o l i s h i n gm a c h i n e s F , J ] ．J ．S o e ．G l a s sT e c h n 0 1 ．，1 9 2 7 ，1 l 2 1 4 2 5 6 ． [ 6 ] T s e n gWT ，W a n gYL ，C h i nJH ．M o d e l i n go ft h ew e a r m e c h a n i s md u r i n gc h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n g [ J ] ． J ．E l e c t r o c h e m ．S o c ．，1 9 9 7 ，L 1 5 1 4 4 1 5 1 ． F , 7 ] S h iFG ，Z H A OB ．M o d e l i n go fc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n gw i t hs o f tp a d s [ J ] ．A p p l i e dP h y s i c sA M a t e r i a l s S c i e n c e ＆P r o c e s s i n g ，1 9 9 8 ，6 7 2 2 4 9 - - 2 5 2 ． [ 8 ] L U OJF ，D O M F E L DDA ．M a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m i nc h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g T h e o r ya n dm o d e l i n g r J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n so nS e m i c o n d u c t o rM a n u f a c t u r i n g ，2 0 0 1 ，1 4 2 1 1 2 1 3 3 ． F , 9 ] L U JF ，D O M F E L DDA ．M a t e r i a lr e m o v a lr e g i o n si n c h e m i c a lm e c h a n i c a lp l a n a r a z a t i o nf o rs u b m i c r o ni n t e g r a t e dc i r c u i tf a b r i c a t i o n ，a n dw a f e r p a dc o n t a c ta r e a [ J ] ． I E E ET r a n s a c t i o n so nS e m i c o n d u c t o rM a n u f a c t u r i n g ， 2 0 0 3 ，1 6 1 4 5 5 6 ． 万方数据