1 前言
由于鋁自身的性質，導致傳統的鋁布線工藝制作的器件經常會因鋁的電遷移而失效，隨著ULSI特征尺寸的進一步減小，布線層數增加、寬度也隨之變細，這個問題也變得更加突出。而銅的多層布線恰恰能避免這一問題的出現，因此在深亞微米工藝中（0.18μm及以下），銅將逐步代替鋁成為硅片上多層布線的材料。現在，已被普遍承認的是，對于最小特征尺寸在0.35μm及以下的器件，必須進行全局平面化，而化學機械拋光（CMP）是最好的也是唯一的全局平面化技術。
銅與傳統的鋁及其合金相比主要有以下一些優點[1]：較低的電阻率（Cu：1.68 μΩ·cm ；A1：2.66～4.0 μΩ·cm）；更好的抗電遷移能力；更高的熔點（1358℃），更高的熱傳導系數（Cu：398W/m；A1：238W/m）。但是銅本身也有一些缺點：易氧化，易與周圍的環境發生反應；與介質層的粘結性差以及很關鍵的是銅易擴散進入硅與二氧化硅，并且在較低的溫度下就會形成銅與硅的化合物。銅擴散進入硅會成為深能級的雜質，影響器件的可靠性；硅擴散入銅將增加銅的電阻率。因此要成功實現硅芯片上的銅金屬化布線，首先應找到一種能有效阻擋銅硅互擴散的材料。
大量的難熔金屬及其二元、三元化合物都被研究作為阻擋材料。如Ti，TiN，WNx，Ta，TaNx，TaCx，TaSiN，WSiN。這些材料中，鉭有較高的電導率，性質不活潑，在高溫下也不與銅和二氧化硅反應生成合金，有很高的熔點（2996℃），與介質材料有良好的粘結性，因此成了銅硅之間阻擋層的極佳選擇。鉭（Ta）有體心立方晶體結構，晶格常數a=32.959nm，除氫氟酸、發煙硫酸和強堿外，在室溫附近幾乎能抗所有鹽溶液和無機酸的腐蝕。鉭的主要物理和機械性質見表1[2] 。
2 兩步拋光原理及終拋拋光液
優化依據
2.1 銅鉭兩步拋光原理分析
在銅多層布線CMP過程中，如果使用一種拋光液和拋光條件，在CMP剛開始時拋光速率相對很快，拋到鉭層時，因為鉭的拋光速率較低，銅的拋光速率較高，這樣必然行成碟型坑。碟形坑的出現降低了金屬線的厚度，增大了布線電阻，進而降低了器件的可靠性。為此，國際上常采用二拋方法 [3]，即初拋和終拋，來避免這一問題。
初拋要求銅的拋光速率相對較快，拋光液大速率地去除過多的銅，達到全局平面化。為此，我們設計的銅的化學機械拋光動力學為化學控制。即機械作用充分，化學作用不夠，拋光液中，通過控制組分含量的變化來控制CMP的工藝參數。采用的過程為：磨料粒度小、濃度大、轉速快、拋光布平而硬；流速很大，產物可溶情況下，一般化學作用較慢，所以反應為化學過程控制。根據CMP初拋要求來解決化學控制的主要因素，我們設計的拋光漿料路線是：低氧化、強絡合；磨料小粒徑、高濃度。這樣就達到高速率、無污染、高選擇、低損傷、高平整和高潔凈的目的，可在較短的時間內達到全局平面化。
在終拋過程中以拋光液去除殘留的銅和阻擋層膜，為確保可接受的良好CMP形貌，關鍵在于獲得一個合理的銅鉭去除速率。鉭是惰性金屬，要想通過提高化學作用來提高它的CMP速率很不容易。因此，我們在初拋漿料的基礎上提高機械作用、降低對銅的化學作用來降低銅的CMP速率，并以低氧化、加快生成鉭的可溶性鹽的反應速率來提高鉭的CMP速率，以使CMP速率比達到Ta:Cu = 1:1。
2.2 拋光液優化依據
文獻[4]中分析了Ta在 SiO 2和Al2O3拋光液中的拋光速率，提出在無氧化劑存在時，Ta的拋光速率最高，Ta的拋光速率隨著氧化劑的加入濃度的增加而減少。在水溶液中Ta表面易形成氧化層保護膜Ta2O5[5]。而在有氧化劑的情況下，加強了氧化層的形成，使氧化層變得更厚，因此鉭表面的抗蝕性更強[6]，拋光速率降低，更加難以去除。而在銅CMP中氧化劑濃度的增加，使銅的拋光速率增加。因此在對具有阻擋層金屬Ta的Cu拋光中，氧化劑的加入對Cu和Ta的拋光形成了矛盾，拋光液的成分優化顯得尤為重要。
在終拋酸性拋光液中，銅表面形成的氧化鈍化層的結構和成分因pH值不同而不同。低pH值時銅表面鈍化層為多孔易滲透的Cu2O膜；高pH值時為致密緊湊的CuO膜，該膜能阻止銅離子從基質金屬中擴散。銅的氧化物在pH值為2～4的Cu－H2O系統中熱力學性質不穩定。因此隨著pH值的升高，由于銅表面膜鈍化程度的提高，銅的拋光速率逐漸降低。拋光液的pH值對鉭的去除速率也有非常強的影響。在氧化劑存在時，鈍化表面層的性質支配著金屬去除過程[4]，堿性拋光液情況下，鉭的拋光速率隨著pH值（>10）的增加而增加。低pH時鉭的表面生成的鈍化層要比高pH值時生成的鈍化層更具有保護性。而在pH值剛超過10時鉭的拋光速率陡增，因此在超過該值時鈍化層的性質發生了改變，此時的鈍化層變得較軟而容易被拋光液去除。
從上面的討論可知，氧化劑存在時，Ta的拋光速率隨著pH值的升高而升高，在相同條件下，Cu的拋光速率隨著pH值的升高而下降。在我們選取的堿性拋光液中，減小氧化劑的作用，絡合充分的前提下，因為氧化不充分而抑制了整個化學動力學過程[7]的緣故，致使銅的拋光速率進一步降低；而氧化劑作用的減小，使鉭表面抗蝕性強的氧化物的產生減小，有利于鉭的可溶性鹽類的形成，因而提高了鉭的拋光速率。這就是說，通過優化一些拋光液的配比特性，可以達到最合適的銅對鉭的拋光選擇一致性。
3 實驗分析
3.1 初拋實驗
研制出的初級拋光液，初拋選擇性好，Ⅰ型以有機堿為絡合劑，Ⅱ型以醇胺為絡合劑，Ⅲ型是純化后的Ⅰ型。已進行了上線試驗。試驗條件為，研磨機：壓力3.5pis，時間60s，ps/cs 35/40rpm；水拋機：壓力1.5pis，時間20s，ps/cs 60/65rpm。其測試結果如表2。
由以上結果可以看出，這種拋光液只適合初拋，在此過程中，銅的拋光速率很快，對氧化層和鉭層進行CMP的選擇性很高（大于14:1），有利于迅速達到全局平面化，適合生產的要求。但是在終拋過程中，要求氧化層、銅層和鉭層拋光速率基本為1:1:1，因此需要研究適合終拋的拋光液。
3.2 終拋銅/鉭拋光液優化實驗
拋光設備：C6382I-W/YJ型二氧化硅拋光機。檢測設備：紅外測溫儀、電熱鼓風箱和千分表。實驗材料：表面上沉積900nm厚Ta層的硅單晶片，與硅單晶片等厚的銅片。
3.2.1 試驗一
試驗條件：壓力：1.9atm；溫度：25℃；漿料的流速：450mL/min；使用拋光液CMP時間：1min；水拋1min。取1kg硅膠，向其中加入1kg去離子水，再加入10mL螯合劑和10ml活性劑，攪拌均勻。
試驗結果如表3。
由以上試驗結果可以看出，未加氧化劑以降低氧化作用，同時通過降低對銅的絡合作用、提高機械作用（通過提高磨料的含量），可以明顯降低銅的CMP速率。氧化作用很低使鉭的CMP速率較高，可以滿足生產的要求。為了達到銅∶鉭等于1:1的要求，就需要再加入微量的絡合劑，來提高銅的CMP速率。
3.2.2 實驗二
試驗條件：壓力：1.9atm；溫度：25℃；漿料流速：450mL/min；拋光液拋時間：1min；水拋30s。
取1kg硅溶膠，加入1kg去離子水，再向其中加入25ml有機堿，攪拌均勻；再向其中加入10mL螯合劑和10mL活性劑，攪拌均勻。
試驗結果如表4。
由以上試驗結果可以看出，有機堿的加入對銅離子產生絡合作用，使銅的拋光速率有所上升，達到1000nm/min；對帶鉭層的單晶硅拋光速率也基本為對鉭的CMP速率，并且速率大小基本與銅的CMP速率一致。因此，這種拋光液適合ULSI多層布線金屬阻擋層的CMP。
由這兩個試驗可以看出，在終拋過程中，提高機械作用，降低對銅的化學作用，可以達到鉭/銅的CMP速率為1:1。
4 小結
本實驗中的拋光液為堿性拋光液，拋光液中的化學介質為有機堿[8]，所選用的有機堿帶有羥基和雙胺基。拋光液中氧化劑及pH值對拋光速率有著重要的影響，由于銅與鉭自身性質的原因，氧化劑與pH值對兩者的影響趨勢是不一樣的：有氧化劑存在時，Ta的拋光速率隨著pH值的升高而升高，在相同條件下，Cu的拋光速率卻隨著pH值的升高而下降。這就為優化銅布線拋光液，以達到銅鉭的一致性并避免碟形坑的出現提供了保證，并且還可以進一步進行拋光截止點的相關研究。
參考文獻:
[1] 龐恩文，林晶，汪榮昌，等. 銅布線工藝中阻擋層鉭膜的研究[J].固體電子學研究與進展，2002,22（1）：78-81.
[2] 黃波.固體材料及其應用[M].廣東：華南工學院出版社，1994.
[3] GUTMANN R J, STEIGERWALD J M, YOU L, et al. Chemical mechanical polishing of copper with oxide and polymer interlevel[J].Thin Solid Films,1995,270(1-2): 596-600.
[4 ] LI Y. Mechanisms of chemical-mechanical planarization of copper/tantalum thin film using fumed silica abrasives[D]. Degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering (Materials Science). Clarkson University, 2001.
[5] Corrosion [M]. Metal Handbook, 9th edition, Vol.13, 1992,627.
[6] POURBAIX M. Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutis [M]. NACE, Houston, TX 1974,384.
[7] 王新，劉玉嶺，檀柏梅.用于銅的化學機械拋光液的研究[J].固體電子學研究與進展，2002,22（3）：318-320.
[8] 王弘英，劉玉嶺，張德臣. 適于ULSI的一種新的銅的CMP拋光液[J].半導體學報，2002,23（2）：217-221.
】
相關鏈接