ULSI铜互连工艺中的CMP研究

ULSI铜互连工艺中的CMP研究摘要ULSI铜互连工艺中的CMP研究摘要：对于当今半导体制造工艺而言，具有诸多优点的铜代替传统的铝进行电路互连，解决了一系列的电路电学缺陷，但与此同时也因其工艺的复杂的自身材料的特殊原因，在制造过程中又出现了很多新的缺陷，最具典型的新缺陷就是铜和介质的腐蚀而造成晶圆物理平面的不理想，如何最大程度地降低甚至去除这些缺陷是我们必须要考虑的重中之重。本文由浅入深，从介绍CMP机理、铜互连工艺原理开始，逐步引入到新工艺的缺陷，最后讨论了采用二抛法和特定添加剂在研磨液中的采用这两种方法降低以上缺陷。关键词：化学机械抛光铜互连缺陷二抛法添加剂1ABSTRACTTitle:TheStudyofCMPinInterlinkagewithCuofULSIAbstract:Asforcurrentindustryofsemiconductorfabrication,CuprumhasmanyadvantagesthanAluminumtointerlinkdevicesinIC,andithassolutedmanydefectsincircuit.However,newdefectsappear,suchasthecauterizationofCuandthemediumlayer,becauseofthemorecomplicatedprocessanditsownmaterial.Howtosolvethosedefectsisourfocus.Inthisthesis,wemakeintroductionfromthetheoryofCMPandtheprocessofinterlinkagewithCutothenewdefectsofthenewprocess.Finally,wediscussthemethods,suchastwostepsofpolishandadditiveinthepolishingliquid,tosolvetheproblem.Keywords:CMP,interlinkagewithCu,defect,twostepsofpolish,additive2目录摘要.....................................................0ABSTRACT.................................................1目录.....................................................21引言..................................................32CMP工艺机理...........................................43铜互连工艺基础.........................................54CuCMP工艺............................................74.1CuCMP工艺缺陷....................................74.2CuCMP工艺缺陷解决方法...........................84.2.1采用二抛法解决CuCMP工艺缺陷...............84.2.2添加剂改善CuCMP工艺缺陷...................95结论..................................................116致谢..................................................117参考文献..............................................1231引言化学机械平坦化（CMP）是IBM公司于20世纪80年代后期发展CMOS产品时研发成功的一项新的工艺技术，并在1990年成功应用于动态随机存贮器（DRAM）的生产中。1995年以后，CMP技术得到了迅速发展，成为半导体集成电路制造工艺中不可或缺的一步。近年来，随着半导体产业的迅速发展，半导体芯片（die）不断地朝微型化、高密度化、快速、低功耗和低成本等方向发展。同时晶圆直径逐渐增大。有预计本年行业内可能开始使用直径450mm（18英寸）硅片，尽管目前业内对450mm晶圆的研发成本和经济效应还存在很大的争议，但是这种规模经济的趋势会稳步向前发展的。而450mm一旦被半导体制造产业所接受，将会带来又一次全面的工艺和设备革命。制造工艺线宽由0.18μm缩减至45nm甚至更精细（目前NANDflashmemory的制程一般为90nm和65nm），金属层数由5～6层向更多层数的目标迈进，在大大增加芯片复杂度的同时，也对工艺有了越来越高的要求，因此硅芯片表面平整度要求将日趋严格。由于金属层数增加，要在大直径晶圆上实现多层布线结构，刻蚀要求每一层都应具有很高的全局平整度，即要求对多层布线互连结构中凹凸不平的绝缘体、导体、层间介质（ILD）、镶嵌金属（Cu）、浅沟槽隔离（STI）、硅氧化物、多晶硅等进行高度全局平整化，这是实现大规模集成电路立体化结构的关键。在众多的平整化技术中，CMP是目前唯一能获得全局平面化效果的平整化技术。在传统工艺中，采用铝来互连电路中的各个组件。但是由于铝自身的性质，导致传统器件经常因铝的电迁移和结尖刺问题而失效，随着ULSI特征尺寸的逐步缩小，布线层数增加、宽度也随之变细，电迁移和结尖刺问题变得更加尖锐。而铜的多层布线恰恰能避免这一问题的出现，因此在深亚微米工艺中（0.18μm及以下），铜已经取代铝成为硅片上多层布线的材料。对于最小特征尺寸（CriticalDimension）在0.35μm及以下的器件，必须进行全局平面化，而CMP是最好的也是唯一的全局平面化技术。通常，CMP工艺可以分为两大类：单一材料抛光和不同材料组合抛光。单一材料抛光包括硅晶圆或其它本体材料抛光、ILD平坦化或任何抛光过程中只有一4种材料暴露在外面的抛光工艺。通常单一材料抛光要比不同材料组合的抛光直接得多。CMOS制造工艺流程中，不同材料组合的抛光工艺包括WCMP、STI（浅沟槽隔离）CMP和先进互连系统中的双嵌入式铜CMP等工艺。在材料组合中，CMP工艺不仅要分别符合每种材料的要求，而且当所有材料都暴露在外面时还要求能够保持适当的抛光速度比。抛光速度比也称为选择比。铜与传统的铝及其合金相比主要有以下一些优点:【1】较低的电阻率（Cu：1.68μΩ·cm；A1：2.66～4.0μΩ·cm）；【2】更好的抗电迁移能力；【3】更高的熔点（1358℃），更高的热传导系数（Cu：398W/m；A1：238W/m）。但是铜也存在自身的一些问题：【1】易氧化，影响后续工艺的迅速进行；【2】与介质层的粘结性差；【3】易扩散进入硅与二氧化硅，在较低的温度下就会形成铜与硅的化合物。铜扩散进入硅会成为深能级的杂质，影响器件的可靠性；硅扩散入铜将增加铜的电阻率。因此要成功实现硅芯片上的铜金属化布线，首先应找到一种能有效阻挡铜硅互扩散的材料，即有效的阻挡层。铜互连和低介电常数材料的引入，以及双嵌入式结构的应用对CMP技术的发展起到了至关重要的影响作用。一个6层布线的芯片在制备过程中需要至少8次CMP工艺，可以说CMP对布线质量和产品性能起着至关重要的作用。如何减小甚至去除铜CMP凹陷和腐蚀的新缺陷，是本文要着重讨论的关键。2CMP工艺机理硅片CMP机台整个系统由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液输送装置三大部分组成。化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨图2.1CMP工艺的微观形貌5粒和化学溶液组成的抛光液在硅片与抛光垫之间流动，抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与硅片产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工，从而达到平坦化的目的。晶圆经过CMP工艺之后，需要清洗。因为存在CMP工艺过程中有研磨颗粒的产生,CMP工艺会产生表面颗粒和污染。只有有效地去除这些表面污染物才能充分利用化学机械抛光来实现硅片表面的整体平坦化。所以目前大部分制造公司化学机械抛光设备都与清洗设备捆绑组合。清洗流程：噪声清洗双面擦洗漂洗与干燥倒置干法出片图2.3CMP后清洗流程3铜互连工艺基础铜互连工艺可以简单地概括为阻挡层(BarrierLayer)和种子层(SeedLayer)淀积、电镀（Electroplating）、介电材料层淀积、CMP和刻蚀(etch)5步工艺。在45nm时代来临时，传统的铜淀积工艺面对更加精细的结构和脆弱的材料，不得不更加重视细节。随着工艺尺寸的减小，所有相关工艺都需要不断地升级，以适应更具挑战性的技术要求。铜工艺与铝工艺完全不同。这主要是由于铜难以刻蚀和能够快速渗入氧化物的本征特性所造成的。铝工艺通常首先将铝沉积成金属薄膜，蚀刻后再沉积上绝图2.2AppliedMaterial65nmCMP6缘的电介质。而铜工艺则是采用嵌入式工艺（damasceneprocessing），通常是双嵌入式工艺（双大马士革工艺），即首先沉积一层电介质，然后通过两道光刻和蚀刻，在电介质中蚀刻出微通孔和导线沟道结构。由于铜的扩散速度很快，因此需要紧接着沉积一层扩散阻档层；然后沉积上一层铜电镀种子层。种子层是铜电镀的必要条件。随后进行退火和平坦化处理。对铜进行平坦化处理和清洗后，再沉积上一层Si3N4或SiC介电材料层。至此，该工艺周期结束，然后开始重复下一个工艺周期。其中，Si3N4或SiC起到后续微通孔（via）蚀刻硬掩膜层的作用。（见图3.1）图3.1铜互连工艺铜的硬度低于研磨液中研磨颗粒的硬度（如Al2O3或SiO2），在铜表面形成机械研磨之前，通过研磨液的化学作用在其表面形成较硬的氧化物或氢氧化物。化学反应为：我们知道，CuCMP的研磨液要保证既能氧化铜又不能侵蚀铜。图3.2给出了CuCMP的研磨机理：图3.2铜CMP研磨机理7CuCMP研磨工艺通常包括三步：【1】磨掉晶圆表面的大部分金属；【2】降低研磨速率的方法精磨与阻挡层接触的金属，并通过终点侦测使研磨停在阻挡层上；【3】磨掉阻挡层以及少量的介质氧化物，并用大量的去离子水（DIW）清洗研磨垫和晶圆两侧表面。第一和第二步的的研磨液通常是酸性的，使之对阻挡层和介质层具有高的选择性，而第三步的研磨液通常是偏碱性，对不同材料具有不同的选择性。目前用于CuCMP的研磨液分为酸性、中性和碱性三种，其中都会用H2O2作氧化剂。4CuCMP工艺互连工艺中第一次采用CMP是在Al互连中的钨塞的平坦化工艺中。但是随着铝互连的种种弊端在超大规模电路中变得越来越尖锐，Cu互连大大缓解了这一矛盾，但同时也带来了新的问题。4.1CuCMP工艺缺陷CuCMP工艺一个的典型问题便是氧化物上的金属残余物(residue)，这会导致电学短路。这种金属残留主要是由于介质层的表面不平引起的。尽管这种下陷厚度比较小，实践发现其表面的金属残留很难被去除，需要长时间的“过磨”，但是这会在连通孔的位置产生侵蚀，影响工艺结构的完整性。图4.1金属CMP常见缺陷8CuCMP典型的缺陷是金属区的碟形缺陷（dishing）和介质区的侵蚀（erosion），如图4.1所示。在解决这种缺陷问题时，不光要考虑晶圆上图案密度（patterndensity）、线宽（linewidth）、施加压力（applieddownforce）和研磨液的选择比（selectivity），还要考虑研磨垫的性能。图4.2在高图案密度区域的腐蚀现象铜的侵蚀（Corrosion）是另一种常见的缺陷。引起侵蚀的原因可能是金属/介质接口处没有