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通过基于DLVO理论计算相互作用力、利用AFM测量浆液颗粒与晶片表面之间的粘附力等基础研究,可以提高对清洗机理的认识和清洗过程的发展,本文从基础原理到当前和未来,概述了CMP后的清洗过程,为了控制表面的润湿性,研究了在不同浓度的氢氧化钾基添加剂溶液中的接触角和附着力,接触角和粘附力随溶液a浓度的变化而减小,溶液A作为聚硅表面的表面氧化剂,在去离子水中形成更亲水的表面。
在测量了聚硅CMP过程中的摩擦力和衬垫层温度与溶液a浓度的关系,由于溶液A浓度的增加,表面的亲水性导致摩擦力和垫温度低,在疏水聚硅晶片表面观察到垫片颗粒的污染,晶片上的衬垫颗粒污染量随着溶液A浓度的增加而减少,说明有机硅表面的疏水性可能是由有机垫颗粒污染和疏水性引起的,众所周知,在干燥过程中,在疏水表面上比在亲水表面上更容易产生水痕,在垫颗粒周围观察到水痕迹,结果表明,对晶片表面润湿性的控制对有机残留物在聚硅表面的粘附力和去除力起着重要作用。
选择性对于减少侵蚀非常重要,当晶片在染色垫上抛光时,由于浆料分布不佳,铜的去除率降低了约30%左右,由于垫上表面的副产物增强了机械磨损,选择性降低了40%以上,选择性越低,对抛光图案晶片的侵蚀程度就越高,染色垫上较高的摩擦力导致铜的温度和蚀刻率升高,这可能是铜线凹陷和倾斜的原因,通过调节溶液的pH值,可以控制溶液中粒子与表面之间的相互作用力。
下图显示了在泥浆溶液中浸渍后的晶片表面的FESEM图像,在酸性和中性浆液污染的晶片表面观察到相对大量的残留颗粒,而碱性浆液溶液在晶片表面的颗粒数量最少,碱性浆液在控制铜CMP期间的颗粒污染水平方面更为可取。
用含二氧化硅颗粒的铜浆料对铜晶片进行污染,这些晶圆片在不同的清洗溶液中进行清洗,下图为不同溶液中Cu表面清洗后的FESEM图像,在去离子水、柠檬酸溶液和TMAH柠檬酸溶液中清洗的铜表面观察到大量残留颗粒,然而,含有氢氧化铵的柠檬酸溶液显示出完全去除铜表面的颗粒,原子力显微镜测量的粘附力的大小与颗粒去除结果直接相关,较高的附着力导致颗粒的去除率较低,粒子去除实验也与DLVO总相互作用力的计算结果一致。
实验研究了铜CMP过程中磨料氧化铝和二氧化硅颗粒的摩擦特性,用含和不含柠檬酸的氧化铝和硅浆测量了研磨料颗粒与铜表面之间的摩擦曲线,氧化铝浆料对浆料的化学性质非常敏感,在氧化铝浆料中加入柠檬酸时,摩擦力最低,在粘附力测量中观察到,无论有无柠檬酸,浆液中硅颗粒的摩擦力都没有明显变化,颗粒在表面的附着力越大,对铜的摩擦力越大。
用AFM法测定了二氧化硅和氧化铝颗粒在去离子水和浆液溶液中的附着力,在pH值为6的柠檬酸溶液中,铜表面和氧化铝颗粒之间的附着力最小,在去离子水中测定了氧化铝颗粒的最大附着力,氧化铝颗粒在去离子水中的附着力最大,是由于氧化铝颗粒与去离子水中铜表面之间的静电吸引力更强,氧化铝颗粒在柠檬酸浆中的附着力最小是由于柠檬酸在氧化铝表面的选择性吸附,然而,柠檬酸的存在或不存在并没有改变氧化硅颗粒的粘附力,这表明柠檬酸的吸附显著降低了氧化铝颗粒的附着力,这些结果清楚地表明,在颗粒表面上吸附的化学物质的数量会影响颗粒在晶片表面上的附着力的大小,说明化学添加剂的选择直接影响粘附剂。粘附力与抛光过程中的摩擦力直接相关,无论去除率是什么,摩擦力就会越高,抛光表面上的划痕水平就会越高。
在高摩擦力下观察到的低铜去除率可能会导致铜表面的严重划痕,为了研究CMP过程中颗粒粘附强度、摩擦力和刮痕强度之间的关系,采用原子力显微镜对铜CMP过程后的铜表面进行了观察。在含有氧化铝颗粒的去离子水抛光铜表面观察到大量的残留颗粒和划痕,在去离子水或柠檬酸基浆液中,硅颗粒也会在铜表面产生颗粒污染和划痕,铜表面上划痕的深度取决于摩擦力的大小,更高的虚构力与观察到的铜表面上更深的划痕有关。
众所周知,粘附力不仅影响摩擦力的大小,还影响基底上的颗粒污染程度,这直接与CMP后的表面粗糙度和划痕数量有关,尽管在有和不有柠檬酸的硅浆中测量了相似的摩擦力,但在柠檬酸基硅浆中观察到较低的粘附力,较低的粘附力表明抛光过程中摩擦较小,这实际上导致柠檬酸基硅浆的表面更光滑。
CMP过程中磨粒与晶片表面的相互作用不仅与CMP后的清洗性能有关,而且与抛光后表面的最终质量也有很强的关系,在铜CMP过程中,研究了摩擦力、去除率、粘附力与划痕、颗粒污染等缺陷之间的关系,加入柠檬酸后,氧化铝基浆液中的粘附力最小,摩擦力最小,在CMP过程中,较高的颗粒粘附力产生较高的摩擦力、磨粒污染和铜表面的划痕,这表明,泥浆中晶片表面的颗粒粘附程度与CMP过程中的摩擦行为和表面质量直接相关,通过实验和理论研究了浆液pH对不同材料晶片表面磨料颗粒粘附和去除的影响,碱性浆液在控制铜CMP期间的颗粒污染水平方面更为可取。
用原子力显微镜法测定了清洗溶液中二氧化硅对铜的附着力,柠檬酸和BTA与氢氧化铵溶液混合物中的吸引力最小,理论上和实验上的粘附力表现出良好的一致性,当使用氢氧化铵柠檬基清洗溶液时,观察到颗粒完全去除,然而,TMAH的加入导致了最高的粘附力,这说明pH调节器的选择也很重要。颗粒与表面之间的粘附力直接关系到清洗溶液的清洗效率。
在聚硅CMP过程中,观察到聚硅CMP过程中聚合物残基的粘附和去除作为聚硅表面润湿性的影响,在疏水聚硅表面观察到的带有水标记的衬垫颗粒污染比亲水性表面多得多,在垫颗粒周围观察到水痕迹,疏水表面的润湿性和高附着力的机理表明,对晶片表面润湿性的控制对聚硅表面有机残基的粘附力和去除力起着重要作用。