磨料混合對硅通孔銅膜拋光效果的影響*

鄭晴平 王 如 吳彤熙

(1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 天津 300130；2.微電子技術(shù)與材料研究所 天津 300130)

化學(xué)機(jī)械拋光(CMP,Chemical mechanical polishing)是利用化學(xué)腐蝕與磨料機(jī)械磨削的協(xié)同作用,從而獲得超精密表面的一項(xiàng)技術(shù)[1]，其也可理解為在機(jī)械拋光的基礎(chǔ)上根據(jù)所拋光表面的性質(zhì)加入相應(yīng)的添加劑從而達(dá)到增強(qiáng)拋光和選擇性拋光的效果[2-3]。在拋光過程中,拋光液中的添加劑(如氧化劑、螯合劑、緩蝕劑)等與工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使其軟化，而拋光液中的磨料和拋光墊機(jī)械磨削其軟化層,使未反應(yīng)的工件表面裸露出來,確保工件表面的化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行[4]。

TSV電鍍銅時硅通孔被銅填充的同時，在其表面淀積了0.5～60 μm的不均勻銅膜，需要通過超高速的拋光工藝除去，只留下通孔中的銅從而形成貫穿晶圓的互連結(jié)構(gòu)，且對晶圓拋光質(zhì)量及一致性要求較高，因此TSV銅膜通過CMP技術(shù)實(shí)現(xiàn)全局平坦化是芯片三維制程中的關(guān)鍵[5-6]。關(guān)于CMP去除速率(MRR,Materials Removal Rate)的理論模型，最開始是由Preston利用工藝過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)值而建立的[7]，其方程式為vMRR=Kppv，即去除速率與壓力(Pressure,p)、拋光墊和拋頭的相對速度(Velocity,v)呈正相關(guān)。Kp為Preston系數(shù)，為經(jīng)驗(yàn)值，其影響因素眾多，如工件表面狀態(tài)、拋光墊、拋光液成分、磨料硬度和大小等。因此，該理論模型無法闡明CMP機(jī)制[8]。之后針對一種或多種影響因素的新型拋光理論模型相繼被提出，如BROWN等[9]和COOK[10]分別針對金屬和硅片的拋光提出了以磨料為基礎(chǔ)的二體磨損模式和三體磨損模式；LUO和DORNFELD[11-12]研究了晶圓片、拋光墊和磨料之間的接觸磨損，建立的模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測拋光速率,但其只考慮二維的研磨顆粒，忽略三維的研磨顆粒作用效果。隨著CMP應(yīng)用范圍的增大和加工要求的提升,一些新的現(xiàn)象(如粒徑分布的影響)無法用這些模型進(jìn)行解釋，主要原因在于磨料含有大量不同粒徑的顆粒,卻又無法精確追蹤不同粒徑磨料的數(shù)量和其作用[13]。

目前在拋光液的研究中，利用添加劑之間的復(fù)配協(xié)同作用成為一大研究熱點(diǎn)?；旌夏チ蠏伖庖?Mixed abrasive slurry，MAS)是一種具有2種以上不同尺寸、形狀或材料的非傳統(tǒng)磨料拋光液，其目的是利用大小磨料之間的復(fù)配協(xié)同作用提高CMP性能。本文作者基于硅溶膠拋光液對TSV銅膜的拋光,以不同粒徑磨料的混合映射粒徑分散性的影響,研究了粒徑分布對TSV銅膜拋光的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

拋光實(shí)驗(yàn)采用法國Acpsitec公司生產(chǎn)的E460E型拋光機(jī)，所有實(shí)驗(yàn)均采用下壓力10.34 kPa、拋頭轉(zhuǎn)速87 r/min、拋盤轉(zhuǎn)速93 r/min和拋光液流量300 mL/min。磨料選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的堿性硅溶膠(粒徑40、60、80 nm)，用氫氧化鉀調(diào)節(jié)拋光液pH值。采用銅靶材拋光，用Metle Toledo的型號為AB204-N的電子分析天平測試拋光前后銅靶材質(zhì)量。銅拋光速率采用式(1)計(jì)算。

(1)

式中：vMRR為去除速率；R為半徑；ρ為銅的密度(文中取ρ=8.9 g/cm3)；Δm為拋光前后銅質(zhì)量差；t為拋光時間。

為研究粒徑分布對TSV銅膜拋光的影響，分別設(shè)計(jì)了單一磨料、2種和3種粒徑磨料混合的拋光液對硅通孔銅膜的拋光實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一、2種和3種磨料拋光液的對比

粒徑分布是指某一粒子群中，不同粒徑的粒子所占比例，亦為粒子多分散系數(shù)。多分散系數(shù)(Polydispersion Index，PDI)大于1.2為多分散體系，在1.0～1.2之間為低分散體系。普遍用平均粒徑代指磨料的粒徑，多分散系數(shù)越小粒徑分布曲線越接近平均粒徑。表1給出 了3種不同粒徑硅溶膠的平均粒徑和PDI。

表1 3種磨料的平均粒徑和PDI

在單粒徑硅溶膠拋光液中，在其平均粒徑左右范圍內(nèi)也存在很多顆粒，如圖1所示的單一磨料、2種和3種混合磨料拋光液的粒徑分布曲線證明了該說法。這些顆粒的存在必然會影響到銅膜拋光的結(jié)果，雖然相比于主要粒徑的顆粒數(shù)目而言，這些顆粒數(shù)較少，且常因?qū)嶒?yàn)誤差而將其帶來的影響所掩蓋，因此這些顆粒帶來的影響難以準(zhǔn)確評估。為了測試粒徑分散性的影響，可將樣品A、B、C混合，采用兩磨料拋光液和三磨料拋光液進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，考察拋光速率隨磨料混合比例的變化。文中選擇40、60、80 nm 3種粒徑較為相近的硅溶膠，是為了更貼近粒徑分布曲線的真實(shí)狀況。實(shí)驗(yàn)中拋光液磨料總量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，pH值為10，拋光結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在磨料總量相同的情況下(質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%)，混合磨料拋光液的去除速率總大于單一磨料拋光液的去除速率；2種磨料混合時，磨料A和C混合時去除速率最大；3種磨料等比例混合時去除速率最大。HONG等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在相同磨料濃度條件下，混合磨料拋光液的去除速率大于單一磨料拋光液的去除速率。這與文中得到的2種磨料混合時的結(jié)論相一致。但在3種磨粒以其他比例混合時是否也有相同規(guī)律無法斷定，因此文中考察了3種磨粒以不同比例混合的情況。

圖1 單一磨料、2種和3種混合磨料的粒徑分布曲線

圖2 單一磨料、2種和3種混合磨料對去除速率的影響

對于磨損而言，硬質(zhì)顆粒或表面上硬的凸體在摩擦過程中引起材料脫落的現(xiàn)象稱為磨料磨損。如圖3(a)所示為根據(jù)微觀切削機(jī)制而建立的磨料磨損的簡單模型，其分類方法主要有以下2種。若按磨料和表面的相對位置來劃分，可分為:①二體磨料磨損，如圖3(b)(c)所示；②三體磨料磨損，如圖3(d)所示。若按摩擦表面所受應(yīng)力和沖擊力的大小來劃分，可分為:①鑿削式磨料磨損；②高應(yīng)力碾碎式磨料磨損；③低應(yīng)力擦傷式磨料磨損[15]。而被磨損材料表面的塑變層的厚度只與荷載的大小有關(guān),若磨料的粒徑大,則單位面積上的磨料數(shù)量就少,單個磨料顆粒承受的載荷就大,塑變層就深[16]。

圖3 磨料磨損的2種模式

圖4示出了單一磨料、2種和3種混合磨料拋光后銅表面質(zhì)量和表面3D AFM圖。由圖4(a)可以看出，磨料混合有利于降低銅表面粗糙度；單一磨料時，粒徑越大粗糙度越大；2種磨料混合時，平均粒徑越大粗糙度越大；3種磨料等比例混合時粗糙度最小。由圖4(b)—(d)可以看出，銅表面的高低差分別為1.3、0.83、0.44 μm，表明大粒徑磨料在磨料總含量中的占比越小銅表面的高低差越小，即塑變層越小。HONG等[14]研究發(fā)現(xiàn)， 在相同磨料濃度條件下，多分散磨料拋光液拋光后的表面粗糙度小于單分散磨料拋光液拋光后的粗糙度。這與文中得到的結(jié)論一致。所以，推斷3種磨料混合可以改善銅的去除速率和粗糙度。但為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種推斷是否合理，需要考察3種磨料不同配比對銅拋光性能的影響。

圖4 單一磨料、2種和3種混合磨料拋光后銅表面質(zhì)量和表面3D AFM圖

2.2 3種磨料不同配比對銅拋光性能的影響

在磨料總質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%不變的情形下，小粒徑磨料取代部分大粒徑磨料，則一定會導(dǎo)致磨料顆粒數(shù)增多。3種粒徑磨料混合的情形下硅溶膠的實(shí)際個數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于只有大粒徑磨料的情形，且在拋光中不是所有硅溶膠顆粒均能同時起作用，其中能起到作用的為有效顆粒[17]。圖5所示為單一磨料、2種和3種混合磨料的SEM圖。

圖5 單一磨料、2種和3種混合磨料的SEM圖

從圖5(c)中可看出，3種磨料混合時大小顆粒間的排布相比于單一磨料而言較為緊密，這是因?yàn)樵陬w粒的堆積過程中，大小越不均勻的顆粒在排布過程中，其顆粒間的空隙率越小，大小顆粒間可實(shí)現(xiàn)相互充填，以達(dá)到較高的堆積密度。且由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出，采用單一粒徑的顆粒無法實(shí)現(xiàn)緊密堆積。

圖6顯示的是3種磨料以不同比例混合對銅去除速率的影響。在拋光過程中磨料存在二體磨損、三體磨損或者不具活性等3種狀態(tài)。二體磨損即為磨料全部或大部分被約束時的三體磨損，其為三體磨損中的特例，三體磨損更具普遍性。當(dāng)磨料不具活性時，其不參與拋光過程。而二體磨損和三體磨損的磨損率隨載荷的變化規(guī)律不同，二體磨損中，磨損率與載荷呈現(xiàn)線性關(guān)系，載荷越大，磨損率越大；而三體磨損在低載荷范圍內(nèi),磨損率隨載荷的增加而緩慢增長，隨著載荷的進(jìn)一步增加,磨損率才逐漸呈現(xiàn)線性增長的趨勢。且后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，隨著粒徑增大，磨料與晶圓的接觸面積逐漸增大。根據(jù)以上原理分析：①對于圖6中樣品A、B、C比例分別為1∶2∶3和2∶1∶3的2種工況，樣品C含量相同，且稍大于平均含量，樣品A極有可能全部進(jìn)行三體磨損，樣品B可能部分進(jìn)行二體磨損，部分進(jìn)行三體磨損，所以前者速率稍大于后者；②對于圖6中樣品A、B、C比例分別為1∶3∶2和3∶1∶2的2種工況，樣品C含量相同，且等于平均含量，樣品B可能大部分進(jìn)行二體磨損，所以前者速率遠(yuǎn)大于后者；③對于圖6中樣品A、B、C比例分別為2∶3∶1和3∶2∶1的2種工況，樣品C含量相同，且稍小于平均含量，樣品B極有可能全部進(jìn)行二體磨損，樣品A前者可能比后者更有可能全部進(jìn)行三體磨損，且后者顆粒數(shù)多于前者，所以前者速率稍小于后者；④對于圖6中樣品A、B、C比例分別為1∶4∶1和4∶1∶1的2種工況，樣品C含量相同，且稍小于平均含量，后者可能A、B、C 3種樣品都進(jìn)行二體磨損，所以前者速率小于后者。其中樣品A、B、C比例為1∶3∶2時銅去除速率最快，是因?yàn)榇箢w粒相對較多，銅片和拋光墊之間的磨料大部分都在進(jìn)行二體磨損，所以其去除速率快。當(dāng)樣品A、B、C比例為1∶1∶4時銅去除速率最慢，是因?yàn)闃悠稢太多，且在相同含量內(nèi)相比于樣品A、B磨料數(shù)目少，銅片和拋光墊之間樣品A、B極有可能全部進(jìn)行三體磨損，載荷小，磨損率低，所以其去除速率最慢。

圖6 3種磨料以不同比例混合時對去除速率的影響

圖7所示是3種磨料以不同比例混合時拋光后銅表面質(zhì)量和表面3D AFM圖。

圖7 3種磨料以不同比例混合時拋光后銅表面質(zhì)量和表面3D AFM圖

如圖7(a)所示，當(dāng)樣品A、B、C的比例為1∶2∶3時，粗糙度最大；樣品A、B、C的比例為1∶4∶1時，粗糙度最?。粯悠稟、B、C的比例為1∶3∶2時粗糙度適中。從圖7(b)—(d)可看出，樣品A、B、C比例為1∶3∶2時銅表面雖然粗糙度適中，但平整度較好。

圖8所示為樣品A、B、C比例為1∶3∶2時，拋光前后拋光液中磨料的粒徑分布。通過對比拋光前后拋光液中磨料的粒徑分布發(fā)現(xiàn)，磨料在拋光前后的狀態(tài)基本不變，粒徑分布也基本一樣，證明了磨料沒有發(fā)生團(tuán)聚或破碎。這可能是因?yàn)橐环矫鎵毫?0.34 kPa，比較適中；另一方面是因?yàn)閽伖庖弘S拋光墊和拋頭的轉(zhuǎn)動而處在高速流動狀態(tài)，對磨料的擠壓轉(zhuǎn)瞬即逝，所以磨料的形態(tài)幾乎沒有發(fā)生變化。

圖8 樣品A、B、C比例為1∶3∶2時拋光前后拋光液的粒徑分布

而不同磨料對不同位置(如通孔處和非通孔處)的銅膜的拋光效果是不一樣的，如圖9所示。拋光前，通孔處通常是凸起的，大粒徑磨料容易輕松作用在剛產(chǎn)生的金屬氧化膜上，剪切力和機(jī)械壓力使其破裂、進(jìn)而磨除；小粒徑磨料增大作用面積，輔助加強(qiáng)機(jī)械作用的磨除效果。在非通孔處，與通孔處相比通常較低洼，承受的機(jī)械作用小，磨料不易去除其上的氧化膜。隨著CMP的進(jìn)行，逐漸達(dá)到一致效果。如圖9所示，拋光后其片內(nèi)一致性為4.8%，滿足工業(yè)要求。

圖9 拋光前后銅膜的膜厚2D圖

2.3 銅片、磨料和拋光墊的接觸

為了更好地解釋不同粒徑磨料對銅去除速率的影響，建立了銅片、拋光墊和磨料的接觸模型，計(jì)算了不同粒徑的磨料壓入銅片的深度以及與銅的接觸面積。

銅片、磨料和拋光墊的微觀接觸如圖10所示，δaw為磨料變形后壓入銅片的深度，δap為磨料壓入拋光墊的深度。CHEN等[18]分析了磨料與晶圓以及磨料與拋光墊之間的作用力，得到了關(guān)于δaw的方程，如式(2)所示。該方程同理也可測量磨料壓入銅片的深度。

3D2δaw-D3=0

(2)

式中:Hw為銅片的硬度;D為磨料的直徑;Eap為磨料和拋光墊的綜合彈性模量；Eaw為磨料和銅片的綜合彈性模量，兩者的方程如下：

(3)

(4)

其中:Ep、νp分別為拋光墊的彈性模量和泊松比;Ea、νa分別為磨料的彈性模量和泊松比;Ew、νw分別為銅片的彈性模量和泊松比。

所以，銅片和磨料之間的接觸面積Aaw為

Aaw≈πDδaw

(5)

圖10 銅、磨料與拋光墊的微觀接觸

根據(jù)文獻(xiàn)[19-20]，硅溶膠、拋光墊和銅片的部分機(jī)械性能如表2所示。

表2 機(jī)械能參數(shù)

根據(jù)式(2)—(5)，可以算出不同粒徑磨料壓入銅片的深度以及其和銅片的接觸面積，如表3所示。可以看出，磨料的壓入深度與其粒徑成正比，這是因?yàn)槟チ系牧酱?則單位面積上的磨料數(shù)量就少,則單個磨料承受的載荷就大,壓力深度也就大。

表3 不同粒徑磨料的壓入深度δaw和接觸面積Aaw

利用MatLab模擬在總面積為1 200 nm×1 200 nm的方形區(qū)域內(nèi)單一或混合磨料分布的接觸面積，模擬結(jié)果如表4所示?？芍?，當(dāng)不同粒徑的磨料混合時，相比于單一磨料，其小顆粒和大顆粒之間可形成密堆積，增加了磨料與銅片的接觸面積。2種磨料混合時，其粒徑相差大則磨料與銅片的接觸面積大，符合顆粒尺寸相差越大越形成密堆積，接觸面積也越大；3種磨料混合時，磨料與銅的接觸面積最大，與拋光實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

表4 單一磨料、2種和3種混合磨料分布的接觸面積

3 結(jié)論與展望

(1)在相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，不同粒徑磨料混合能提高銅膜拋光速率和改善表面質(zhì)量；2種粒徑磨料混合時，粒徑差距大，則拋光速率快；3種粒徑磨料混合時其拋光速率和表面質(zhì)量優(yōu)于單一粒徑和2種粒徑混合，當(dāng)樣品A、B、C比例為1∶3∶2時，拋光效果最好，是比較合適的拋光選擇。

(2)磨料的壓入深度與其粒徑成正比，這是因?yàn)槟チ系牧酱?則單位面積上的磨料數(shù)量就少,則單個磨料承受的載荷就大，壓力深度也就大。隨著磨料粒徑增大，壓入深度逐漸增大，接觸面積也逐漸增大。

(3)不同粒徑的磨料混合時，相比于單磨料，其小顆粒和大顆粒之間可形成密堆積，增加了磨料與銅片的接觸面積。2種磨料混合時，其粒徑相差大則磨料與銅片的接觸面積大，符合顆粒尺寸相差越大越容易形成密堆積，接觸面積也越大；3種磨料混合時，磨料與銅的接觸面積最大。

(4)文中的討論僅限于磨料的純機(jī)械摩擦作用，沒有考慮磨料混合時雙電層電荷量的變化以及由此可能引起的磨料團(tuán)聚或者顆粒排斥情況，也沒有考慮磨料之間以及磨料與被拋材料表面之間存在吸附層時的摩擦因數(shù)改變情況。TSV材料實(shí)際的CMP環(huán)境復(fù)雜多變，磨料的去除效果受多種因素影響，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能偏離文中模型。但文中實(shí)驗(yàn)在微觀定量研究CMP方面，做了很好的嘗試，也為下一步精準(zhǔn)測量與分析提供了很好的研究思路。