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1 前言
目前集成电路器件尺寸已经达到纳米级，平整化技术越来越重要。化学机械全局平面化（CMP）成为能够满足多层布线要求唯一有关的技术[1－3]。CMP后芯片表面存在各种颗粒、金属离子、有机物以及残留的磨料颗粒等污染物，对集成电路芯片会产生致命的影响，因此去除CMP后芯片表面的各种污染物，已经成为半导体工业发展的一个十分重要的问题，但国际上报到CMP后芯片表面吸附杂质去除技术的文献却很少。由于在CMP过程中芯片表面的环境发生了变化，理想的CMP洁净技术是去除芯片表面的所有污染物，并且不会造成二次沾污。
半导体技术对于芯片表面吸附颗粒的数量和尺寸方面的要求越来越苛刻。0.07μm集成电路工艺要求粒径小于20nm的颗粒小于10个/片，目前普遍采用刷片清洗的方法来去除CMP后表面吸附的颗粒[4，5]，晶片在水平方向旋转，同时两个PVA（聚乙烯醇）刷子也绕水平轴线转动，去离子水不停地从刷子中心流过。这种清洗方法在日本、朝鲜和台湾非常普遍，在欧洲和美国也广泛应用。但刷片法存在一些缺点，比如保存时间短（2h），逐片刷洗效率低，凹槽内颗粒无法去除，残留粒子对表面有划伤可能，设备也比较昂贵，并且，刷子寿命短，一个刷片系统，很难在每周仅1h保养的条件下正常工作，因此研究新的CMP表面洁净技术是目前一项十分重要的课题。
2 CMP表面吸附状态的分析
CMP后新生表面能量高，急待吸附一层物质达到稳态，其吸附过程首先是周围物质粒子以范德华力物理吸附在表面，作用力弱，易去除，随着距离接近，很快放出能量进入难清洗的化学吸附，直至和主体相键合而成为一体，一般清洗方法无法去除。我们研究了控制吸附状态，使吸附长期处于易清洗的物理吸附，在CMP的最后阶段加入一些能优先吸附在表面的物质，且吸附后又不转化为难清洗的化学吸附，以便用通常清洗方法将吸附粒子有效去除（如图1所示）。
能满足芯片清洗条件的最好物质为非离子界面活性剂，主要参数要求如下：
（1）分子结构选择
能满足芯片表面降低能量达到稳态的要求，同时又要以分子间范德华力的物理吸附状态相吸附，在活性剂中以烷基醇聚氧乙烯醚RO－（CH2CH2O）n－H为最佳。它在水溶液中不电离，其疏水基为烷基，亲水基为醚醇基，在水溶液中呈电中性。
（2）优先吸附性
实验表明，碳氢键越长越优先吸附。因此选用长链亲油基，可优先被表面吸附。它是不电离的共价键大分子，与表面作用为范德华力，其吸附为物理吸附。
（3）在表面吸附量
为了对表面起到有效作用，活性剂在表面应有足够的吸附量，实验表明，饱和吸附量随直链增长而增加。吸附量C12＞C10＞C8＞C6。
（4）临界胶束浓度与胶束聚集数选择
为了保证在使用中具有较大的缓冲性，应选择合适的临界胶束浓度与较大的聚集数，以便确定最佳使用浓度。当选择使用浓度超过临界胶束浓度值（CMC）时，有利于降低界面张力、实现润湿铺展，使活性剂与镜面距离r变小、有较大的渗透压，有利于取代原吸附物。根据理论分析和试验，我们选择了结构为RE6，其亲油基R＝C12－18，亲水基E6，为聚氧乙烯链，HLB（亲水亲油平衡值）为11－17，胶束聚集数为400的烷基醇聚氧乙烯醚非离子界面活性剂，其浓度＞0.2％，实现了优先吸附，并能有效控制抛光镜面及介质铜、布线表面以物理障碍吸附，降低能量达到稳态，其结构式为：
R－O（CH2CH2O）nCH2CH2－OH
实现优先吸附，且形成保护膜。为了有效地保护表面，选择了胶束聚集数高的活性剂。试验表明，非离子表面活性剂亲油基越长，聚集数越大。
通过对粒子在电子材料表面吸附动力学及吸附状态变化的研究，确定粒子优先吸附数学模型
式中t为吸附时间：f1为吸附体单位面积表面力场；f2为吸附质单位面积表面力场；r为吸附质与吸附体间距；S为吸附质被吸附的面积。吸附时间越短越优先吸附，吸附质与吸附体距离的平方与优先吸附顺序成反比，距离越近越优先吸附；吸附质的面积越大越优先吸附。不与表面发生化学反应的非离子的单质或化合物，只能以分析间力即范德华力与材料表面相作用。通过加入优先吸附物质，改变材料表面所处的环境，使吸附状态被控制在易清洗的物理吸附阶段。
3 实验研究
3.1 活性剂实验
CMP后，立即将芯片放入1％的复合活性剂溶液内存放，n（100），p（111）各100片（4盒），放置12，24，48，72，120，168h后进行清洗，其结果如表1所示。
合格标准为SEMI标准：粒径＞0.5μm，颗粒＜10个/片；ULSI最高要求：粒径＞0.2μm，颗粒＜10个/片。
3.2 抛光后镜面吸附颗粒去除应用的典型实验
n（100）、φ100mm芯片，CMP完成后立即取片，将片盒分别放入加有1％复合活性剂溶液槽和一般去离子水槽中，存放24h，进行不刷片的正常清洗，其对比结果如表2所示。
3.3 颗粒的粒径大小吸附状态的典型实验
n（100）、φ100mm芯片，CMP完成后立即取片，放入1％复合活性剂水溶液内，浸泡24h后，进行正常清洗，其符合物未清洗下来的颗粒按粒径大小，结果如表3所示。在所有芯片上，大于0.2μm的颗粒，均小于10个/片。粒径小于0.3μm，平均为1.1个/片，远远优于SEMI国际标准。
4 结果与结论
表4是实验结果。从试验结果可以看出，加入表面活性剂可以有效去除表面残留的颗粒，达到提高表面洁净度的目的。 |
