针对高级技术节点中钨的 CMP 后清洗剂

作者：Ruben R. Lieten、Daniela White、Thomas Parson、鄭湘寧 - Entegris, Inc.

以下摘要来自 2016 年 9 月在比利时克诺克举行的第 13 届半导体表面超清洁处理 (UCPSS) 国际研讨会的研究演示稿。本摘要由演示稿作者之一 Ruben Lieten 提供，他是 Entegris 高级科学家 - IMEC 受让人。

目前，集成电路制造商高度依赖化学机械研磨 (CMP) 工艺来平整表面并去除导电金属层之间的多余绝缘层，以及与镶嵌工艺相关的金属互连（铜或钨）或钨插塞。

这些工艺中使用的研磨液通常是水溶液、含有研磨颗粒的低 pH 值或高 pH 值纳米分散剂、氧化剂、过氧化氢分解加速剂和/或钨防腐蚀添加剂。正因为如此，CMP 后表面被污染的概率非常高，制造商通常使用 CMP 后清洁配方来解决这一问题。随着钨被引入高级技术节点，CMP 后清洁化学品面临着下一个巨大挑战。

钨工艺中 CMP 后处理面临哪些挑战？

低 pH 值钨 CMP 研磨液中的粒子电荷通常是正极电荷。但是，钨表面在 pH 值大于 3 时始终带负电荷。这导致 CMP 后清洁过程中钨表面和残留颗粒之间产生强大的静电引力，从而造成 CMP 处理后表面被严重污染，例如研磨颗粒、有机残留物、抛光垫碎片、金属离子。

最佳清洁原理

利用 Entegris PlanarClean® AG CMP 后清洁技术，我们通过两种方法（图 1）来分解晶圆表面强大的 CMP 后颗粒静电相互作用，阻止颗粒分散并防止再沉淀。这包括：

1.使用可以吸收钨表面电荷并反转电荷的清洁添加剂，使钨表面发生电荷反转。
2.使用可以防止 CMP 后清洁完成后颗粒和有机残留物再沉淀的添加剂，在改性钨表面和研磨颗粒之间产生强大的排斥力。

图1: 钨的CMP后清洗配方 – 机械设计理念

方法 1 使用表面电荷反转和静电保护，看似可行。然而，方法 2 却提供了最佳解决方案，两个强负电荷表面相互排斥，实现最低附着力。

表 1 总结了方法 2 中 Entegris PlanarClean AG W-100 配方使用的主要添加剂及其作用。

表 1 - PlanarClean AG W-100 配方添加剂列表 - 功能与机理

总结

针对实验，我们观察了几种用于改进钨插塞的CMP后清洁的机械方法和实验数据，它们都使用 TiN 作为“阻挡层/衬垫”，以及用于 10 nm 技术节点（金属间距为 40 nm）的SiO2 和 Si3N4作为绝缘底层。我们选取了两种主要方法：一个使用可以吸收钨表面电荷并反转钨表面电荷的清洁添加剂，另一个使用有机添加剂来反转粒子电荷。后者产生了两个相互排斥的强负电荷表面，实现了最佳清洁效果。对于采用 TiN 阻挡层/衬垫的钨，PlanarClean AG W-100（及各种版本）显示出优异的材料兼容性以及 CMP 后残留物去除能力。与稀氨水清洁相比较，该方法大大降低了（20 倍以上）Si3N4 表面的缺陷水平（见图 2）。

图 2：在 Si3N4 表面使用 PlanarClean AG W-100 配方的缺陷帕累托分析结果

有关更多详细信息和研究结果，请参阅此处完整的海报展示。

演示稿作者：Ruben R. Lieten、Daniela White、Thomas Parson、鄭湘寧、Don Frye、Michael White、Lieve Teugels、Herbert Struyf – “Post-CMP Cleaners for Tungsten at Advanced Nodes” – 《Solid State Phenomena》 255、186 （2016 年）。Doi：10.4028/www.scientific.net/SSP.255.186.