用于铜互连CMP工艺的抛光液研究进展及发展趋势
发布时间：2021-10-25 02:55
在集成电路制造中,双大马士革技术已经被广泛应用于铜互连工艺中,其中采用了化学机械抛光（CMP）技术去除在布线时电镀阶段形成的多余铜,为下面的多层金属化结构提供一个平坦的表面。CMP将化学作用和机械作用相结合,是获得晶圆局部和全局平坦化的唯一可靠技术。抛光液作为CMP工艺中最重要的耗材之一,其性能的好坏直接决定晶圆的抛光效果和良品率。本文回顾了近年来国内外开发的各种新型铜抛光液,归纳总结表明铜抛光液正在朝着弱碱性、绿色环保、一剂多用和复配协同作用的方向发展。此外,展望了铜抛光液未来的重点研究方向。
【文章来源】：电子元件与材料. 2020,39(09)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
CMP示意图
22 nm 以上多层铜互连的CMP过程示意图
由于氨基酸无污染和高性能的特性,以甘氨酸为代表的各种氨基酸类的络合剂被广泛采用,它们往往根据抛光液pH的不同以不同的形态存在,这使得它们适用的pH范围比较广[21-22]。由于氨基酸分子中含有氨基和羧基两种官能团,因此可以与铜发生络合反应,提高铜的去除速率。Patri等[23]的研究表明,在碱性环境中,氨基酸的络合能力与其分子结构、碳链的长度和官能团的相对位置有关,碳链长度和氨基与羧基间距离的增加都会导致络合能力的下降。2019年,Zhang等[24]开发了一种新型的壳寡糖(COS)基铜抛光液,仅包含硅溶胶、COS和过氧化氢三种成分,表面粗糙度达到了0.44 nm。COS是一种可降解、溶解度高、绿色环保的碱性低聚糖,同时分子结构中富含氨基,能很好地络合Cu2+并且产物可溶。其CMP机理如图3所示,包含氧化、溶解、络合和去除四个部分。CMP中常用的氧化剂有很多,包括过硫酸铵、硝酸、次氯酸钠、高锰酸钾等,但大多数具有腐蚀性强、易造成金属离子污染、后清洗困难等劣势,过氧化氢在很宽的pH值范围内具有很强的氧化能力,在溶液中分解产物只有水和氧气,在铜CMP工艺中,过氧化氢不需要后清洗,不会对晶片表面造成离子污染[25]。因此,过氧化氢是环境友好的,在铜抛光液中被广泛使用。2012年,Pan等[26]优化了抛光液中表面活性剂的选择,羟乙基纤维素(HEC)是一种无毒的天然高分子纤维素,能在铜抛光液中用作非离子表面活性剂,它的引入能明显提高一致性,降低腐蚀坑的数量,分子式中羟基的存在也能使其络合铜离子,提高去除速率。为了抑制凹处铜的腐蚀,对铜进行保护,达到平坦化的目的,铜抛光液中常常需要加入抑制剂。BTA是多层铜互连CMP中最常用的抑制剂,它能强烈抑制铜表面的腐蚀,但是其可燃有毒,与铜反应生成Cu-BTA钝化膜非常致密,需要较大的机械作用力才能去除,CMP后难清洗,晶圆表面的残留物严重影响表面质量,因此,科研人员一直致力于寻找BTA的替代品。2019年,Yang等[27]提出了一种生物相容性很好的铜抑制剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP),通过一系列电化学分析得出结论:PVP以物理吸附的形式吸附在铜的表面,能够提供与BTA相当的抑制效果,具有很好的应用前景。Prasad等[28]对比了一系列抑制剂,在碱性抛光液中,尿酸能够在铜表面形成钝化层,能够明显降低铜的去除速率和静态腐蚀速率,在铜CMP领域中,尿酸的低成本和生物相容性使其成为一种前景较好的环境友好型抑制剂。2.3 一剂多用
【参考文献】：
期刊论文
[1]铜互连CMP中BTA的缓蚀机理及Cu-BTA的去除研究进展[J]. 刘孟瑞,檀柏梅,高宝红,牛新环,孙晓琴,高鹏程,刘玉岭. 微纳电子技术. 2019(12)
[2]化学机械抛光液的研究进展[J]. 孟凡宁,张振宇,郜培丽,孟祥东,刘健. 表面技术. 2019(07)
[3]新型GLSI弱碱性铜抛光液稳定性研究[J]. 腰彩红,牛新环,赵欣,王辰伟,刘玉岭. 半导体技术. 2017(12)
[4]碱性铜精抛液中表面活性剂ADS对平坦化效果的影响[J]. 王彦,王胜利,王辰伟,田胜骏,腰彩红,田骐源. 半导体技术. 2017(11)
[5]有机胺碱对硅通孔铜膜化学机械抛光的影响[J]. 刘俊杰,刘玉岭,牛新环,王如. 半导体技术. 2017(01)
[6]铜化学机械抛光中复合缓蚀剂的作用机制[J]. 龚桦,王宁,顾忠华,潘国顺. 润滑与密封. 2013(09)
[7]浅析Cu互连化学机械抛光液发展趋势及技术挑战[J]. 杜志友. 中国集体经济. 2009(27)
硕士论文
[1]Cu/low-k介质化学机械抛光中的表面接触分析[D]. 郑光锋.太原科技大学 2012
本文编号：3456506
【文章来源】：电子元件与材料. 2020,39(09)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
CMP示意图
22 nm 以上多层铜互连的CMP过程示意图
由于氨基酸无污染和高性能的特性,以甘氨酸为代表的各种氨基酸类的络合剂被广泛采用,它们往往根据抛光液pH的不同以不同的形态存在,这使得它们适用的pH范围比较广[21-22]。由于氨基酸分子中含有氨基和羧基两种官能团,因此可以与铜发生络合反应,提高铜的去除速率。Patri等[23]的研究表明,在碱性环境中,氨基酸的络合能力与其分子结构、碳链的长度和官能团的相对位置有关,碳链长度和氨基与羧基间距离的增加都会导致络合能力的下降。2019年,Zhang等[24]开发了一种新型的壳寡糖(COS)基铜抛光液,仅包含硅溶胶、COS和过氧化氢三种成分,表面粗糙度达到了0.44 nm。COS是一种可降解、溶解度高、绿色环保的碱性低聚糖,同时分子结构中富含氨基,能很好地络合Cu2+并且产物可溶。其CMP机理如图3所示,包含氧化、溶解、络合和去除四个部分。CMP中常用的氧化剂有很多,包括过硫酸铵、硝酸、次氯酸钠、高锰酸钾等,但大多数具有腐蚀性强、易造成金属离子污染、后清洗困难等劣势,过氧化氢在很宽的pH值范围内具有很强的氧化能力,在溶液中分解产物只有水和氧气,在铜CMP工艺中,过氧化氢不需要后清洗,不会对晶片表面造成离子污染[25]。因此,过氧化氢是环境友好的,在铜抛光液中被广泛使用。2012年,Pan等[26]优化了抛光液中表面活性剂的选择,羟乙基纤维素(HEC)是一种无毒的天然高分子纤维素,能在铜抛光液中用作非离子表面活性剂,它的引入能明显提高一致性,降低腐蚀坑的数量,分子式中羟基的存在也能使其络合铜离子,提高去除速率。为了抑制凹处铜的腐蚀,对铜进行保护,达到平坦化的目的,铜抛光液中常常需要加入抑制剂。BTA是多层铜互连CMP中最常用的抑制剂,它能强烈抑制铜表面的腐蚀,但是其可燃有毒,与铜反应生成Cu-BTA钝化膜非常致密,需要较大的机械作用力才能去除,CMP后难清洗,晶圆表面的残留物严重影响表面质量,因此,科研人员一直致力于寻找BTA的替代品。2019年,Yang等[27]提出了一种生物相容性很好的铜抑制剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP),通过一系列电化学分析得出结论:PVP以物理吸附的形式吸附在铜的表面,能够提供与BTA相当的抑制效果,具有很好的应用前景。Prasad等[28]对比了一系列抑制剂,在碱性抛光液中,尿酸能够在铜表面形成钝化层,能够明显降低铜的去除速率和静态腐蚀速率,在铜CMP领域中,尿酸的低成本和生物相容性使其成为一种前景较好的环境友好型抑制剂。2.3 一剂多用
【参考文献】：
期刊论文
[1]铜互连CMP中BTA的缓蚀机理及Cu-BTA的去除研究进展[J]. 刘孟瑞,檀柏梅,高宝红,牛新环,孙晓琴,高鹏程,刘玉岭. 微纳电子技术. 2019(12)
[2]化学机械抛光液的研究进展[J]. 孟凡宁,张振宇,郜培丽,孟祥东,刘健. 表面技术. 2019(07)
[3]新型GLSI弱碱性铜抛光液稳定性研究[J]. 腰彩红,牛新环,赵欣,王辰伟,刘玉岭. 半导体技术. 2017(12)
[4]碱性铜精抛液中表面活性剂ADS对平坦化效果的影响[J]. 王彦,王胜利,王辰伟,田胜骏,腰彩红,田骐源. 半导体技术. 2017(11)
[5]有机胺碱对硅通孔铜膜化学机械抛光的影响[J]. 刘俊杰,刘玉岭,牛新环,王如. 半导体技术. 2017(01)
[6]铜化学机械抛光中复合缓蚀剂的作用机制[J]. 龚桦,王宁,顾忠华,潘国顺. 润滑与密封. 2013(09)
[7]浅析Cu互连化学机械抛光液发展趋势及技术挑战[J]. 杜志友. 中国集体经济. 2009(27)
硕士论文
[1]Cu/low-k介质化学机械抛光中的表面接触分析[D]. 郑光锋.太原科技大学 2012
本文编号：3456506
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3456506.html
教材专著
