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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)聚的大顆粒或平坦化過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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在顆粒穩(wěn)定乳液中，乳液類型的選擇是由其潤(rùn)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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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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• 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(zhǎng)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

1. 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）

2. 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）變小（參考6.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）。

3. 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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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：

1. 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, 。

   
   

2. 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)。

   
   

3. 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.

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

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)