ULSI制备中铜布线化学机械抛光技术的研究与展望_王胜利

第 35卷 第 5期 河 北 工 业 大 学 学 报 2006年 10月 Vol.35 No.5 JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Octobor 2006 文章编号：1007-2373 (2006) 05-0017-06 ULSI制备中铜布线化学机械抛光技术的研究与展望 王胜利，刘玉岭 （河北工业大学 微电子研究所，天津 300130） 摘要 对ULSI制备中铜布线化学机械抛光（CMP）进行了分析，综述了铜 CMP技术的研究现状．主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 包 括铜 CMP去除机理、铜 CMP抛光液；分析了目前铜 CMP技术存在的问题，指出了铜 CMP今后的研究重点． 关 键 词 化学机械抛光；铜；去除机理；抛光液 中图分类号 TU528 文献标识码 A Research and Prospects on Copper Chemical Mechanical Polishing in ULSI Manufacturing WANG Sheng-li，LIU Yu-ling ( Institute of Microelectronics, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China ) Abstract The copper chemical mechanical polishing (CMP) which is the key planarization technology for ULSI manu- facturing was discussed，and the progress and problems of CMP were reviewed in the paper. The material removal mech- anisms and the slurry of copper CMP were analyzed especially. The emphases of the future research were also pointed out. Key words chemical mechanical polishing (CMP)；copper；removal rate；slurry 0 引言 随着 ULSI特征尺寸的进一步减小，布线层数增加，宽度也随之变细．由于铝自身的性质，导致传 统铝布线工艺制作的器件经常会因铝的电迁移而失效．铜的阻抗低、抗电迁移性好、价格便宜，采用铜 互连工艺可以提高芯片的速度和可靠性，降低多层布线的层数，使工艺简化，成本降低．ULSI 多层布 线金属正由传统的铝向铜转化 [1]．在多层布线立体结构中，材料 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 面的高平坦化是制约其发展的关键技 术之一．到目前为止，唯一能实现全局平面化的关键工艺技术是化学机械抛光（Chemical Mechanical polishing，简称 CM P）技术 [2]． CMP 技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用以及抛光液的化学腐蚀 作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面 [3，4]．CMP综合化学和机械两方面的特性，既能消除材料 表面前加工导致的损伤层，又能够较好地实现表面全局平坦化．因此，近年来在 ULSI制备中得到了广 泛的应用，并取得了飞速的发展．本文针对 ULSI制备中铜布线化学机械抛光技术的研究现状进行评述， 并对其研究进行了展望． 1 铜 CMP作用机理研究 由于人们对加工过程中材料去除的科学规律仍缺乏深入的了解，严格来说，大多数 IC材料的 CMP 作用机理尚不完全清楚 [5]．目前已报道的抛光机理模型可根据 CMP 作用机制分成两大类：机械作用和 化学作用． 收稿日期：2006-04-10 作者简介：王胜利（1970-），男（蒙古族），博士生． 18 河 北 工 业 大 学 学 报 第 35卷 1.1 机械作用 根据抛光垫—抛光液—芯片间的接触状态的不同，研究者针对化学机械抛光加工过程中的磨损机理 和材料去除机制，归纳出 4种建模方法． 1）唯象学模型．Preston [6] 提出了第一个机械模型，建立了材料去除率与摩擦功之间的经验关系． 已报道的 CMP抛光机理多是在 Preston方程基础上改进的．Warnock等 [7] 在 Preston方程基础上建立可考 虑抛光中多种几何特征，其在物理学上是合理的，可是它并未完全揭示磨损机理． 2）流体动力学模型．Sundararajan 等 [8] 在假定抛光液腐蚀为主要的去除机理基础上，通过求解 Reynolds方程计算了 CMP过程中的抛光液膜厚度和流体压力，然而它忽略了嵌入抛光垫表面磨粒的机 械磨损．Runnels等 [9] 在数值求解了 Navier Stokes方程后，研究了化学机械抛光过程的润滑与磨损率． 3）接触力学模型．Liu等 [10]基于磨粒在抛光垫和硅片之间的滚动运动分析 CMP的磨损机理．Larsen- Basse和 Liang [11] 模型指出 CMP的主要磨损机理是由抛光液中的颗粒所产生的磨损．Yu等 [12] 通过测量 抛光垫表面粗糙度，探索了基于表面粗糙度分布的磨损机理． 4）接触力学和流体动力学混合模型．Tichy 等 [13] 提出了抛光液膜厚度被抛光垫凸凹不平的高点控 制，并且通过 Reynolds方程计算抛光垫和晶片界面间的压力．Yu等 [14] 认为载荷由流体动压润滑膜和抛 光盘接触表面共同承担，芯片材料的去除是由于抛光垫表面的微突体对芯片表面材料的直接机械作用所 致． 上述的 4种机理模型，并没有同时考虑抛光液的化学反应对抛光过程的影响．因此，用这些理论模 型揭示化学机械抛光加工过程的本质还有一定的局限性． 1.2 化学作用 金属材料的化学去除机理，最先提出的是 Kaufman模型 [2]．Kaufman模型认为，抛光过程首先是钨在 抛光液的氧化剂作用下形成氧化物膜，接下来氧化膜被机械去除从而实现钨的抛光材料去除．Lee等[15-18] 认为铜的 CMP 过程同样遵循 Kaufman 机制，即抛光过程是铜化合物表面膜的不断形成和去除的过程． Steigerwald等[19-21]对铜CMP的化学过程进行了研究，推断主要的材料去除机理为纯铜表面的机械磨损脱 落，以及随后磨削脱落的纯铜磨粒通过化学溶解进入抛光液，并认为化学作用在铜 CMP 起重要作用． Murarka[22]认为铜在 CMP过程中直接经由化学溶解而进入抛光液中，如硝酸可以与铜形成易溶于水的硝 酸铜从而使铜直接溶解．根据这种化学溶解机理和化学平衡原理，能够降低铜离子在抛光液中的浓度，有 利于提高铜的抛光速度．Hernandez [23]等采用 XPS对铜 CMP后的表面进行了化学分析，发现存在 CuO和 Cu(OH)2钝化膜，推断铜 CMP的去除率由金属铜的钝化速度和钝化膜的溶解速度决定．Liang等[24]研究了 SiO2抛光液抛光的 Cu表面分析，推测出基于化学作用的两种抛光机理． 1）在碱性溶液中，表面钝化膜形成，抛光颗粒与抛光垫间的机械能激发了氧化物膜的表面能，破 坏了铜氧化物的键连接，部分铜氧化物溶解在抛光液中； 2）抛光过程中形成纯铜表面，表面能受机械作用激发，铜键断裂，铜原子在抛光液中很快被氧化 为 Cu2O，然后随抛光液排出． 总的看来，CMP 过程是发生在微纳米尺度上的一个动态过程，材料去除机理的研究可能涉及到研 磨过程、腐蚀过程、流体动力学等诸多因素．从上述实验和理论研究也可以发现，己有的 CMP 机理研 究都只是从某个方面或侧面对 CMP 进行了简化分析或建模，然后再将模型应用于有限的实验中验证． 采用这些模型对揭示 CMP 加工过程的本质还存在相当的局限性，还缺乏一个能够综合考虑各方面因素 的 CMP模型． 2 铜 CMP抛光液研究 在铜 CMP 过程中，抛光液是影响铜 CMP 全局平坦化质量的决定性因素．它既影响 CMP 化学作用 过程，又影响 CMP机械作用过程 [25]．理想的抛光液应该能够获得高去除率、低缺陷、高平整度、高选 19王胜利，等：ULSI制备中铜布线化学机械抛光技术的研究与展望第 5期 择性等． 2.1 酸性和碱性抛光液 国际上，铜 CMP的抛光液按 pH值主要分为两类：酸性抛光液和碱性抛光液． 2.1.1 酸性抛光液 酸性抛光液的研制和开发主要有美国的 Cabot [26-27]、Motorola [28-29] 等公司，其主要成份有氧化剂、抗 蚀剂、pH 值调制剂等．由于铜在酸性溶液中腐蚀速率高，酸性范围内氧化剂多，抛光选择性高，所以 目前国际上开发的铜 CMP抛光液以酸性抛光液为主流． 在酸性抛光液中氧化剂主要有硝酸、磺酸、Fe (NO3) 3，H2SO4，AgNO3等，但使用最广泛的是硝酸， 其作用是腐蚀铜表面．硝酸与铜的化学作用为： 3Cu + 8 HNO3 (稀）= 3Cu (NO3) 2 + 2NO + 4H2O Cu + 4HNO3 (浓) = Cu（NO3）2 + 2NO2 + 2H2O 铜表面或被研磨下来的铜在硝酸的氧化作用下变为可溶解于抛光液的铜离子，同时有 NO，NO2生 成，这些氮的氧化物又可溶解在水中生成硝酸继续对铜进行腐蚀． 酸性抛光液在开发过程中也遇到了许多问题．首先，酸性抛光液不利于平整化效果．铜在硝酸抛光 液中受到的腐蚀具有各向同性，抛光后表面易形成碟形误差．国际上为解决此问题，采用在抛光液中加 入抗蚀剂 BTA 的方法 [30]．BTA 可以与铜生成 Cu-BTA 表面膜，抑制硝酸对铜的腐蚀，增加对凹表面的 保护，从而提高抛光的平整度．但 BTA 的加入降低了抛光液的稳定性，需再加入稳定剂或分散剂，这 样造成抛光液的复杂性和成本的提高；其次，酸性抛光液通常选用 A12O3为磨料，因为 A12O3颗粒在 pH 值等于 4左右的抛光液中分散性最好，对铜的去除速率高．但是，A12O3颗粒硬度大容易造成表面损伤， 铝离子还会对芯片造成污染等；另外，酸性抛光液腐蚀性大，对抛光设备要求高． 2.1.2 碱性抛光液 碱性抛光液的主要成份有氧化剂、络合剂、pH值调制剂等．对于铜的 CMP，使用碱性抛光液有两 大优点：一是络合剂氨的引入增大了铜离子在抛光液中的溶解度和抛光速率 [31]，降低了被研磨掉物质 的再沉积，提高了机械作用对 CMP 的有效作用，并且抛光过程中可以使铜离子以络合物的形式出现而 不产生金属离子玷污；二是铜在碱性抛光液中能形成一层氧化膜，提高了凸处与凹处的抛光选择性，从 而提高了抛光材料的表面平整度．然而，碱性抛光液也存在缺点．比如，氨水容易挥发，给超净间和操 作人员带来伤害，造成抛光液的 pH值不稳定，导致抛光速率低，并且抛光的选择性较低．因此，采用 有机碱代替氨水作为络合剂成为目前研究的热点，这样既可解决氨气挥发问题，又可提高抛光液的 pH 值稳定性和抛光速率． 如果碱性抛光液的腐蚀性过强也可以采用适当的腐蚀抑制剂以提高抛光质量．研究表明，在 H2O2 为氧化剂的抛光液中，采用柠檬酸为腐蚀抑制剂可以得到较好的抛光效果 [32]．此外，在碱性环境下，加 入 BTA等活性剂也可以提高抛光液的分散性，减少铜表面的腐蚀坑的形成 [33，34]． 2.2 Al2O3和 SiO2磨料抛光液 目前国际上研究的铜 CMP抛光液，根据磨料的不同，主要分为两大类：Al2O3磨料和 SiO2磨料抛光 液．研究发现，在相同的抛光条件下，磨料的尺寸、形状和粒径分布等是影响抛光表面质量的决定因 素．通常，磨料越细则相应的抛光表面质量越高．Wrschka等 [25] 比较了 Al2O3和 SiO2磨料对铜抛光速率 的影响，总体表明磨料 SiO2的抛光速率低于 Al2O3． 由于 Al2O3硬度大，粒径大，材料表面去除率高，比较适用于工业生产．但是，由于三氧化二铝硬 度大，因此抛光表面划伤严重，而且其粘度大，抛光表面不易清洗干净，很难保证抛光材料的表面平整 度．SiO2水溶胶粒径较小，解决了 Al2O3磨料的划伤问题，而且抛光液一般以碱性为主，避免了对设备 的腐蚀，但存在抛光液稳定性差以及粒径分布范围宽等缺点． 20 河 北 工 业 大 学 学 报 第 35卷 2.3 以 H2O2为氧化剂的抛光液 在铜 CMP抛光液中，可以选用的氧化剂有 HNO3 [30，35]、Fe (NO3) 3 [36-37]，K3Fe (CN) 6 [21]，H2O2 [38-40] 等． 研究表明 [37]，Fe (NO3) 3的氧化能力要强于 H2O2，可以获得较高的去除率和选择性，但表面的平整度较 低，而采用 H2O2抛光液，可以获得比较好的平整度．尽管 H2O2的稳定性比较差，容易分解，但是 H2O2 具有很高的氧化能力，并且不会引入金属离子，有利于 CMP后清洗．所以，目前已经成为铜 CMP氧化 剂研究的热点． 抛光液中 H2O2的添加量对铜的材料去除率有直接的影响．研究表明 [34]，随着 H2O2添加量的增大， 材料去除率先增加后降低，表明了 H2O2的浓度达到一定程度后将对铜的腐蚀起到抑制作用．通过在 H2O2 中加入各种添加剂，可以适当增加铜的去除率．在碱性条件下加入氨基乙酸，形成铜胺络离子，增强 Cu 的可溶性，提高了铜的去除率 [41-43]．通过在 H2O2抛光液加入氨基乙酸、柠檬酸、邻苯二甲酸盐等络 合剂得到较高的去除率 [23，44]．另外，由于 H2O2是不稳定的，加入磷酸等可以提高其稳定性，并提高磨 料的分散性等等 [45]． 3 终点检测 CMP设备最难开发的是如何精确控制和检测被抛除的量 [46]．为避免过抛（Over Polishing）现象的发 生，必须有性能良好的终点检测技术． 通常，人们采用控制抛光时间和对抛光片厚度进行测量来对抛光速率进行经验性的控制．这种检测 方法易于实施，操作性较强，但不能有效避免抛光不足和过度抛光，因此，开发实用的在线检测技术和 工具是非常必要的．迄今为止，国内外对化学机械抛光过程中的在线实时终点检测技术进行了一系列研 究，提出了基于光学、电学、声学、热学、摩擦学、化学或者电化学原理的方式，主要方法是通过检测 驱动电机电流变化 [47]、声发射信号 [48]、抛光垫温度变化 [49] 来实现．利用光学方法进行实时终点检测是 目前最具发展前景的在线检测技术，另外，基于抛光液离子浓度变化的重点检测和基于机械力学信号测 量的终点检测也是当前 CMP在线检测的热点． 4 存在的问题与发展趋势 随着超大规模集成制造技术的发展，铜 CMP需要解决的理论及技术问题还很多．比如，由于 CMP 工艺的复杂性，影响因素的多样性，目前还没有完全揭示真实的铜 CMP机理．尽管有用电化学的方法 来考察抛光液组分对抛光作用的研究，但很少有人系统地提出抛光液的配方原则或原理，目前抛光液配 方的研究还是靠经验来进行，势必带来一些盲目性．另外，开发实用的在线终点检测技术，对于保证表 面更高精度和平整度的加工要求是非常必要的．关于铜布线 CMP 的进一步研究将影响下一代 IC 的发 展． 综上所述，今后铜 CMP的研究可以重点在以下几个方面． 1）铜 CMP的材料去除机理或模型的研究．定量确定最佳 CMP工艺，系统地研究铜 CMP工艺过程 参数，建立完善的铜 CMP理论模型，以满足不同的工艺要求，是研究 CMP技术的重大课题． 2）铜 CMP抛光液的研究．通过对铜 CMP材料去除机理分析，优化铜 CMP抛光液配制，同时兼顾 抛光液废料的处理、铜 CMP 后清洗等问题，最终目标是找到化学作用和机械作用的最佳结合，以正确 获得高去除速度、高平整度、膜厚均匀性好及选择性高的抛光液，进而提高铜 CMP的表面质量． 3）铜 CMP终点检测研究．开发带有声学信号、力学信号等多种在线检测装置于一体的 CMP设备， 通过抛光终点的检测来提高铜 CMP的稳定性和生产率，实现对抛光过程的全自动控制． 21王胜利，等：ULSI制备中铜布线化学机械抛光技术的研究与展望第 5期 参考文献： [1] Wijekoon Kappila．IEEE/SEMI Advanced 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