ULSI多层铜布线CMP影响因素分析研究_刘博

微纳电子技术 !""#年第 $期 !"#$%&’&%()(*+$%&"* ,(*-&%)%./0 !"#$"%&"’ ())* ! 引 言 集成电路密度的增加和器件特征尺寸的减小使 得线间电容与金属连线的电阻增大! 由此引起的金 属互连线的 "# 延迟甚至比器件的本征延迟还要 大" 由于 $% 比 &’ 具有更低的电阻率# 优越的抗 电迁移特性和低的热敏感性! 而且可以产生较小的 "$ 延迟并能提高电路的可靠性! 因此已经被用作 互连线的理想材料 $()*%" 同时! 由于 $% 与介质层 的黏滞性较差! 且易扩散到 +, 与 +,-.中! 形成深 能级杂质! 影响器件的功率特性" 因此! 要成功实 现硅芯片上的铜金属化布线! 需要能有效阻挡铜硅 互扩散的材料即阻挡层 $/)0%" 采用 $%1$23 的大马 士革镶嵌工艺是目前唯一成熟和已经成功应用到 4$ 制造中的铜图形化工艺 $5%" 为了得到准确的光 刻图案# 布线后良好的电学特性! 在多层布线立体 结构中! 要求保证每层全局平坦化! 这是实现多层 布线的关键" $%1$23 主要去除多余的铜层和阻挡 层! 能够同时兼顾铜片 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面全局和局部平坦化! 如 图 ( 所示" 本文研究了 $%1$23 的机理! 并对影响 收稿日期! .66578/)(8 !"#$%&’%()! !)*&+$),)-.! !"’$%/*0$"’*."%- 1 23+"(,)-. ULSI多层铜布线CMP影响因素分析研究 刘 博! 刘玉岭! 孙 鸣! 贾英茜! 刘长宇 "河北工业大学 微电子研究所! 天津 !""#!"# 摘要! 研究了 $%&’ 多层互连工艺中铜布线的 ()* 的机理$ 对影响抛光速率和抛光后表面状态 的诸因素! 如抛光条件% 抛光方式和抛光耗材进行了分析$ 特别针对抛光液对铜布线 ()* 的影 响! 提出了目前存在的主要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ! 并对未来的研究方向和研究内容进行了展望& 关键词! 甚大规模集成$ 化学机械抛光$ 铜布线$ 抛光液 中图分类号! 9:/8;<=>" 9:?80<. 文献标识码! @ 文章编号! (5>(1/>>5 &.885’ 8=18//.18; !"#$%&’& (") *+,)% -" +./ 0"1$,/"2’"3 4(2+-5& -1 6-77/5 0"+/52-""/2+’-" 689 ’" :;*0 A4B CD! A4B E%1’,FG! +B: 2,FG! H4@ E,FG1I,JF! A4B $KJFG1L% &!"#$%$&$’ () *%+,(-.-+$,("%+#! /-0-% 1"%2-,#%$3 () 4-+5"(.(63! 4%7"8%" ?88(?8! 95%"7’ <=&+5(2+( 2MNKJF,OP DQ NDRRMS ,FTMSNDFFMNT,DF #23 ,F BA+4 UJO OT%V,MV< 9KM QJNTDSO O%NK JO RD’,OK NDFV,T,DFO! PMTKDVO JFV NDFO%PRT,DFO UK,NK JQQMNTMV RD’,OK ORMMV JFV O%SQJNM OTJTM UMSM JFJ’LWMV< +RMN,J’’L J,P,FG JT TKM MQQMNT DQ RD’,OK O’%SSL DF NDRRMS NKMP,NJ’1PMNKJF,NJ’ RD’,OK! TKM RS,PJ’ RSDX1 ’MPO MY,OTMV JT RSMOMFT UMSM XSD%GKT QDSUJSV! JFV TKM RSDORMNT DQ SMOMJSNK V,SMNT,DF JFV NDFTMFT ,F Q%1 T%SM UMSM RSMOMFTMV< >/% ?-5)&( BA+4) $23) NDRRMS ,FTMSNDFFMNT,DF) O’%SSL 图 ! 铜布线 $23 前后对比示意图 $>% 9J层 +,-Z $% +,-Z $% !!" !"#$%&’&%()(*+$%&"* ,(*-&%)%./0 !"#$"%&"’ ())* 微纳电子技术 !""#年第 $期 !" 阻挡层材料 #$ 介质层 表面的 %" 被 &’(’氧化成 %"’( 和 %"( %"’( 和 %"(与钝化剂或络合剂 反应生成钝化层 研磨垫 %")和 !"’) 可溶络合物 磨料 !"#$%&’%()! !)*&+$),)-.! !"’$%/*0$"’*."%- 1 23+"(,)-. 抛光速率和抛光后表面状态的诸多因素如抛光条 件! 抛光方式和抛光耗材进行了分析和研究" ’ 铜化学机械抛光机理 铜布线是一项最近兴起的新技术# 对 !" 的化 学机械抛光机理的研究目前还很不完善" 但是# 它 的机理又制约着铜布线技术的进一步发展" 铜布线 的 !*+ 过程包含机械和化学两个过程" 机械作用 以机械磨削为主# 主要磨去 %" 表面的凸起部分和 化学反应生成的反应生成物" 机械作用过强# 抛光 后表面容易产生划伤# 且容易造成较高的表面粗糙 度$ 化学作用主要是将 %"! 阻挡层以及介质层转 化为易溶的! 易于去除的物质# 通过其流动性# 将 反应生成物带走" 化学作用过强# 化学腐蚀不均 匀# 且由于化学反应过快# 反应后的产物可能来不 及带走# 重新淀积在硅片表面# 造成二次沾污" 根据目前所了解的化学和机械研究# %" 的抛 光过程大致分为以下几步 %,-.’&’ (.) 圆晶片 (!" 表面) 在氧化剂的作用下被 氧化# 形成表面氧化膜# 一部分被氧化为 !"( 和 !"’(# 还有一部分被腐蚀为铜离子而溶解到浆料 中# 表面膜的组成为 !"( 和 !"’(的混合物$ (’) 使用磨料将 !" 表面凸起处的氧化膜磨 去# 低凹处的表面膜依然存在# 阻止了浆料中的氧 化剂对深层 !"的进一步腐蚀$ (/) %"’)或 %")与钝化剂或络合剂反应# 转化 为极稳定的可溶络合物进入溶液# 从而有效控制了 铜离子的沾污$ (0) 浆料中的络合物被浆料的湍流带走" 如图 ’ 所示# 新鲜的 %" 表面在浆料的作用下 继续被氧化# 机械磨除! 络合# 反应产物被浆料的 湍流带走# 周而复始# 完成 %"的 %1+过程" 由于双镶嵌大马士革工艺中 %" 的化学机械抛 光需要去除 %"! 阻挡层材料以及介质层# 而这三 者的物理和化学性质均有很大的差异# 因而采用同 一种抛光方式# 不能达到理想的抛光效果" 在实际 的生产过程中# 大多采用分步抛光的方法’ 首先进 行初抛# 主要以去除阻挡层上大量的 %" 为主# 要 求 %" 对阻挡层! 介质层的选择比要高# 抛光速率 快# 并且可控$ 然后进行终抛# 降低 %" 的抛光速 率# 使 %"! 阻挡层! 介质层的抛光速率尽量达到 一致# 得到好的平整化效果" / 影响因素 化学机械抛光的抛光速率遵循 +234567方程 !"#*$*% 式中’ ! 为抛光速率$ # 为比例常数# 与抛光材料 和抛光条件有关$ $ 为加在硅片表面的压力$ % 为 硅片与抛光布的相对运动速度" 在铜布线的 %*+过程中# 抛光速率不能太快# 因为淀积在硅片表面的 %" 厚度一般为 . !8 左右# 而 9$ 仅为 .:: 78左右" 抛光速率过快# 容易造成 过抛# 有可能产生断线从而造成短路# 进而造成灾 难性的后果# 同时容易产生凹陷和侵蚀# 影响抛光 后的平整化效果" 但在实际中# 影响铜 %*+ 的抛光速率! 平坦 化效果和硅片内不均匀性 (;<;=>) 的因素很多! 很复杂# 涉及到抛光过程中的外界环境条件! 抛光 方式的选择以及抛光耗材 (抛光布和抛光液) 的选 择等诸多因素" %&’ 抛光条件 抛光条件涉及到抛光过程中的许多外界参数# 如温度! 流量! 转速! 压力! 载盘压力等" 这些参 数对抛光效果有很大的影响" 随着温度的上升# 化 学反应和抛光速率加快# 但若温度过高# 化学反应 过快# 化学作用起主导地位# 抛光后表面状况不理 想$ 大流量的抛光液循环# 有利于降低 %" 表面的 温度# 同时可以及时地将机械磨削下来的研磨物和 化学反应的生成物带走# 防止杂质的二次沾污# 但 同时也要考虑经济因素$ 铜布线 %1+ 的研磨范围图 ’ %" 化学机械抛光机理示意图 %.:& !!" 微纳电子技术 !""#年第 $期 !"#$%&’&%()(*+$%&"* ,(*-&%)%./0 !"#$"%&"’ ())* !"#$%&’%()! !)*&+$),)-.! !"’$%/*0$"’*."%- 1 23+"(,)-. 是以 !" 为单位来计算的! 因此硅片表面的压力必 须均匀分布! 否则便会造成硅片上各点间的研磨速 率不一致! 抛光后造成严重的凹陷和侵蚀" 芯片的 固定装置一般由吸附装置# 芯片边缘压覆环# 晶背 缓冲垫和研磨载台装置构成" 为了将芯片对称放 置! 在研磨头中心设置回转轴! 采取沿轴加压的方 式" 为了防止表面压力分布由中心向边缘减小的倾 向! 再辅助性地在研磨头载台装置内另加一组等压 控制器! 同时加入气囊可得到良好的芯片压力均匀 特性" %&! 抛光方式 在铜布线的抛光过程中 ! 除了采用传统的 #$% 方法外 ! 还采用 &’()*% $+,-+./01(2-11% 和 3&(#*% $2/415(+,-+./01% &67869’" 通常! 3&(#*% 工 艺在整个晶片上显现出更好的台阶高度一致性! 而 &3(#*% 因为没有研磨颗粒! 故晶片上几乎没有划 痕和其他缺陷" 在相同的抛光速率条件下! 传统的 #*% 和 &3(#*% 经过相同时间抛光后具有相似的 表面形貌" 而对于传统的 #*% 和 &3(#*% 来说! 铜线特征尺寸的大小对平整化效果的影响要大于磨 料质量分数大小的影响! 不同尺寸的铜线! 平整化 速率具有很大的不同! 且 &3(#*% 相对于传统的 #*% 来说! 平整化过程起始速率更慢" 原因在于 #:淀积后! 暴露在空气中的表面形成一层氧化层! 由于 ;3(#*%浆料中不含磨料! 因此就需要更长的 时间磨去这层氧化层" 3&(#*% 是将磨料固定在研 磨垫上! 具有最优的平整化效果! 不同尺寸和图形 密度的铜线在高速抛光条件下具有一致的平整化效 果" 依据硅片在 #*% 过程中的运动方式! 可将化 学机械抛光过程分为 -<=+-> ?@+=2<-"! @/!1+- ?@+=( 2<-" 和 <.A/@@+=/ ?@+=2<-" 即传 统的旋转式抛光平台( @/!1+- ?@+=2<-" 指将芯片压 在同一方向移动的研磨垫上的研磨方法( 而 <.A/@( @+=/ ?<@/.C1-. 的抛光速率比较稳 定 ( 而 @/!1+- ?@+=2<-" 由于它良好的 +/-(,1+-/!D "<0/!D ,1@=和 .1@2(-<=+=15 A+--/1-! 能够提供更好的 一致性和平坦化效果( 而 <.A/@@+=/?" *@A;? 和日本 ,BCD8D 等大公司为主" 国内仅有中科院$ 清华大 学$ 河北工业大学等少数机构从事该领域研究" 且 处于起步阶段 ! 表 1 列举了目前生产中常用铜 *89系列抛光液! 铜抛光液 阻挡层抛光液 研究机构 :;<-" 河北工业大学 :;<-" =+(;>? 产品类型 EF%G1 EF%H%I0 J9E#%21 ,! K $ *+L1%%1 *+L1%M1 =IN968 体积质量 K %O)IN3%& 1PGQ 1PGH0 1PGM 1PGQR1PG4 1R1P# 质量分数 K S 10P1G MP%G 0G 4PHG 1#P0G () H 1GPM 0PM H H 4PH HP#R1GP1 磨料 &’$# &’$# &’$# &’$# &’$# &’$# &’$# 磨料粒径 K >N Q4T1 MG U#G 1MR#G *+的静态腐蚀 K %>N)N’>31& UGP1 UGP1 UGP1 UGP1 UGP1 表 % 国内外 &’和阻挡层抛光液 0 展 望 *+ 的化学机械抛光效果的好坏要考虑抛光速 率 %影响生产能力&" 还要考虑一系列问题" 比如 *+ 的损耗$ 晶片表面互连线厚度的一致性 %这些 直接关系到互连线的电阻率&$ 表面的平整度$ 缺 陷的数量 %比如滑痕&$ 磨料粒径的变化$ 残留物$ 腐蚀还有整个过程的成本$ 低 !介质应用带来工艺 条件的改变等" 因而对铜布线 *89 来说" 应该更 加注重以下几方面的研究! %1& 为了降低寄生电容的影响" 低 !介质已经 逐渐取代传统的 &’$# 作为层间绝缘介质层 ! 在 *+ K低 !V*89工艺中" 凹状变形和腐蚀会直接影响 到布线电阻的增加! 因此全力改进研磨头的压力控 制和研磨液特性是 *+ K低 !V*89 工艺中尤为突出 的问题! 目前在铜布线方面" 虽然开发工作已经达 到了能够量产的水平" 但在 !W# 及以下的低介电 薄膜方面必须解决因薄膜的机械强度减弱而导致薄 膜脱落的问题! 因此必须开发低压力控制的研磨 头" 并改进研磨液和研磨盘! %#& *89 过程是对不同的材料同时进行抛光" 由于抛光速率的差异" 导致了铜片表面的不平整! 因而必须更加深入地研究抛光过程的控制" 同时基 于材料去除的机理" 搞清抛光液各成分的化学作 用" 从而优化抛光液" 改善抛光后的表面状态! %%& *+ 在抛光结束后" 由于抛光表面悬挂键 化学活性很高" 致使其抛光表面在低温 %U#GG X& 空气中易氧化" 而且不能形成自保护层来阻止自身 进一步被氧化和腐蚀! 氧化层的出现增加了内连线 的电阻" 使 :* 延迟增大" 直接影响到器件的性 !!" 微纳电子技术 !""#年第 $期 !"#$%&’&%()(*+$%&"* ,(*-&%)%./0 !"#$"%&"’ ())* !"#$%&’%()! !)*&+$),)-.! !"’$%/*0$"’*."%- 1 23+"(,)-. 能! 另外在两层布线间通孔处" 氧化非晶层的出 现" 不但使插塞金属与铜布线的接触电阻增大" 进 一步增加 !" 延迟" 而且还会使插塞金属的覆盖性 及黏附性受到影响" 易产生孔洞甚至脱落# 因此" 必须开发适当的工艺" 以防止 "# 在空气中的氧 化" 造成对器件性能的影响# $$% 对于铜 "%& 的终点检测是 "%& 设备 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中又一个重大挑战" 由于铜 "%& 与氧化物 "%& 不 同" 它的终点检测非常重要& 一旦出现 "# 断路" 后果将不堪设想" 而磨多了" 整个布线的结构将会 改变& 这种检测不是单点" 而是一个多点的全面检 测& 总之" 铜布线的 "%&过程涉及到物理’ 化学’ 机械’ 材料’ 热力学等许多领域" 需要对其机理和 影响因素进行更为深入的研究和分析" 找到改进和 优化的方法" 以获得良好的抛光速率和表面状态# 参考文献! (’) ()*%&+! * ," -.(+/0+! % 1" )0*2 34 *56789:5 ;<=<8> !" 5:?7@ :8:=7KA 08K? 08K:=9C88:9K ):9M "C8B4 1#=?<8>7J:" "7? CB 9CRR:= (S) 4 %7K:= "M:J &M@A" ’NNI" $’ $T%* H’Y4 ($) "Z+2 S "" )(*0 W )4 "M:J<97?EJ:9M78<97? RC? D:M7E 6 9A ):9M8C?C>@" HFF$" ’OI* IFQIY\ (I) +!2.! X" ,L2XL (" (Z*%0!]*2 X\ 086:AK<>7K7?678<9 9C==CA<8::=<8>" HUUH" P$* ’’YQ’H$\ (P) Z. " ," /.)Z+! 1" ,*.-%*2 - 1" !" #$\ "CRR:=Q<8K:=E 9C88:9K=7K (S) \ *RR?<:5 (#=B79: (9<:89:" HFFT" H’F* ’NFQHFI\ (’F) "Z+2 , W" W*2V ] /" /0. " &" !" #$\ 2C6:? A?#==@ ACE ?#K :?@ (S) \ )M<8 (C?<5 -MEA:?:9K<6 ( S) \ )M<8 (C?<5 - R75 9MC<9:A C8 KM: R?787=<_7K #A<8> 7 A?#==@EB=:: K:9ME 8<8::=<8>" HFF’" II* TFIQT’H\ (’I) "Z+2 , W" W*2V ] /" /0. " &" !" #$\ +67?#7K 7>:8K 785 <8M8::=<8>" HFF$" Y’ $’%* NFQNY\ (’Y) ]*2V ," )(+2V ( %" S+2V W\ (?#==@ 9CJRCA CB 9CRR:= 785 D7==<:= B