微電子器件制備中CMP 拋光技術(shù)與拋光液的研究
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/5 源自:中華職工學(xué)習(xí)網(wǎng) 【字體：
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集成電路按照摩爾定律發(fā)展十分迅速，0．25μｍ的元器件已經(jīng)工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，目前正在研究的器件尺寸已經(jīng)達(dá)到0．10μｍ以下。ＵＬＳＩ襯底的尺寸已經(jīng)從φ200 ｍｍ發(fā)展到φ300 ｍｍ，目前已經(jīng)達(dá)到φ400 ｍｍ。化學(xué)機(jī)械拋光（ＣＭＰ）是最好也是唯一的全局平面化技術(shù)[1，2]。ＣＭＰ的可貴之處在于它在多層金屬互連結(jié)構(gòu)中既可對(duì)絕緣體又可對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行全局平面化。拋光表面的質(zhì)量直接關(guān)系到器件的性能質(zhì)量[3，4，5]。傳統(tǒng)的布線金屬是鋁，但是，由于金屬導(dǎo)線變得更細(xì)，因此互連線的電阻增大，產(chǎn)生的熱量增多，從而互連線金屬原子在電流的作用下產(chǎn)生嚴(yán)重的電遷移現(xiàn)象，這大大影響了器件的可靠性和使用壽命。目前采用Ｃｕ布線是研究的重點(diǎn)，Ｃｕ的電阻率低（Ｃｕ 1．7μ/ｃｍ，Ａｌ 3．0μ/ｃｍ）、電遷移率低（Ｃｕ＜107Ａ/ｃｍ，Ａｌ＜106 Ａ/ｃｍ），所以使用Ｃｕ代替Ａｌ[6，7]可以使效率提高40％，成本降低30％。但是，實(shí)現(xiàn)這一替代的技術(shù)難度很大，在銅布線中一直沒有得到有效解決的就是銅離子的去除問題，銅離子沾污對(duì)微電子的危害是致命的，同時(shí)還存在顆粒難以去除，選擇性差等難題，所以到現(xiàn)在也沒有實(shí)現(xiàn)完全取代。在ＵＬＳＩ制備過程中難度最大是介質(zhì)的拋光，因?yàn)楣枰呀?jīng)是最高價(jià)四價(jià)，且二氧化硅性質(zhì)比較穩(wěn)定，不能采用氧化還原的化學(xué)反應(yīng)。通用的方法是采取增大磨料粒徑，來提高拋光速率。但是這種方法會(huì)帶來金屬污染，不易清洗，磨料粒徑大會(huì)造成損傷層大，劃傷多。在銅拋光過程中，為了提高銅表面的平整度，要求高的凹凸選擇性，均用苯并三唑作為增膜劑，降低凹處拋光速率，但是同時(shí)也降低了銅的整體拋光速率，使得工藝變得復(fù)雜。對(duì)于阻擋層的全局平面化，一般在有氧化劑的介質(zhì)中將鉭轉(zhuǎn)化為高硬度的氧化鉭，難以平坦化，目前采取增加酸度的辦法來提高速率，但是卻加重了污染。所以要想實(shí)現(xiàn)理想的全局平面化還必須對(duì)介質(zhì)、阻擋層、插塞（鎢或者鋁）同時(shí)進(jìn)行平面化[8]。不徹底解決這些難題就難以將價(jià)值幾萬～幾十萬美元的芯片進(jìn)行ＣＭＰ 處理，所以至今仍處于規(guī)模應(yīng)用試驗(yàn)階段。
1 理論突破
1．1 ＣＭＰ 機(jī)理模型
ＣＭＰ的過程分為兩個(gè)部分，即化學(xué)作用和機(jī)械作用�；瘜W(xué)作用把表面損傷和表面附著的物質(zhì)變成可溶物而溶于水，提高拋光的速率。機(jī)械作用使化學(xué)作用的產(chǎn)物脫離表面，保證化學(xué)作用繼續(xù)進(jìn)行，這兩個(gè)作用周而復(fù)始的進(jìn)行[9]，速率慢者控制拋光的速率。
拋光中機(jī)械去除速度服從Ｐｒｅｓｔｏｎ方程[12]：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ
式中：ＲＲ——片子去除速率；
ＫＰ——Ｐｒｅｓｔｏｎ常數(shù)，與溫度、拋光液、拋光布及片子表面狀況有關(guān)；
Ｐ——壓力；
Ｓ——墊與片子表面的相對(duì)速率。
由公式可以看出：機(jī)械去除速率與壓力和相對(duì)速率成正比。另外還和漿料的顆粒粒徑有關(guān)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，拋光的速率除了和以上因素有關(guān)以外還與溫度和拋光介質(zhì)的ｐＨ 值有關(guān)。在堿性介質(zhì)中，拋光速率與ｐＨ 值成正比，而在酸性介質(zhì)中拋光速率和介質(zhì)的ｐＨ 值成反比。因此達(dá)到了改進(jìn)的拋光速率方程：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ×ＮｐＨ（堿性介質(zhì)）； ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ / ＮｐＨ（酸性介質(zhì)）
根據(jù)動(dòng)力學(xué)過程對(duì)于銅來說，為了防止酸性介質(zhì)腐蝕設(shè)備，河北工業(yè)大學(xué)研制了堿性拋光液，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)產(chǎn)物溶于水的技術(shù)突破。堿性拋光液使化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，采用弱氧化性的、無金屬離子污染的氧化劑便能使銅迅速氧化。堿性介質(zhì)使凹銅區(qū)自然氧化形成保護(hù)膜，減少化學(xué)腐蝕，提高選擇性，保證高平整度。大分子銅絡(luò)合物在ＣＭＰ中易在機(jī)械作用下去除，提高拋光速率2 倍以上。堿性介質(zhì)對(duì)不銹鋼設(shè)備還具有鈍化作用，防止金屬沾污。堿性介質(zhì)中ＳｉＯ2水溶膠很穩(wěn)定，不易凝聚，采用粒徑較小的ＳｉＯ2水溶膠作為磨料，就可以保證平整度。因此，采用堿性拋光液可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化學(xué)、弱氧化、小粒徑、高選擇、速率在200～900 ｎｍ可控的效果。
1．2 優(yōu)先吸附模型
剛加工的表面高密度懸掛鍵，能量高、活性強(qiáng)，它強(qiáng)烈地從周圍環(huán)境吸附一層物質(zhì)，而且很快成為極難去除的化學(xué)、鍵合吸附，以實(shí)現(xiàn)降低能量，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是客觀規(guī)律。我們首先研究了表面吸附機(jī)理與吸附動(dòng)力學(xué)過程，在掌握了基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，采取改變吸附環(huán)境，控制吸附狀態(tài)的辦法，特選一定物質(zhì)，讓它優(yōu)先吸附，滿足單晶片表面自由鍵降低能量達(dá)到穩(wěn)態(tài)的要求，同時(shí)讓它長(zhǎng)期處于易清洗去除的物理吸附狀態(tài)下，使吸附物在表面上的吸附不向難清洗的化學(xué)、鍵合吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化（如圖1 所示）。采用優(yōu)先吸附處理以后，可以有效解決顆粒的吸附問題。
2 技術(shù)突破和創(chuàng)新點(diǎn)
2．1 銅的拋光
由于銅是氫后金屬，為了補(bǔ)償和保證拋光速率，一般采用強(qiáng)機(jī)械研磨再化學(xué)溶除的機(jī)理模型，采用高硬度的Ａｌ2Ｏ3作為磨料。這樣會(huì)造成銅粒的再吸附，損傷大、粘度大、速率低，難清洗（尤其對(duì)納米粒子的清洗）等問題。因此，我們采用小粒徑磨料（15～20 ｎｍ）能夠提高拋光過程中銅與介質(zhì)之間的拋光速率差，進(jìn)而提高拋光的選擇性、為了既提高拋光速率，又能避免產(chǎn)生劃傷、殘余顆粒沾污，我們采用化學(xué)作用為主、小粒徑、高ｐＨ值、低溫、高速率的辦法。在相同的工藝條件下拋光速率高于國外同類產(chǎn)品，流動(dòng)性好、無沉淀、無毒、無污染、便于操作且存放時(shí)間較長(zhǎng)，能夠有效解決殘余顆粒的清洗和金屬離子沾污問題。
2．2 介質(zhì)ＣＭＰ
目前世界上通用的介質(zhì)拋光液是粒徑為130 ｎｍ 的氣相二氧化硅溶于氫氧化鈉溶液中，由小部分二氧化硅與堿反應(yīng)生成硅酸鈉，在ＣＭＰ 中，二氧化硅膠粒對(duì)片子產(chǎn)生機(jī)械摩擦，可除去表面拋光中與硅反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。但是，這種方法容易帶來污染，而且拋光液的ｐＨ 值不穩(wěn)定。且容易造成損傷層，劃傷缺陷多，易沉積，吸附物難清洗。為了上述問題，我們采用水中直接生長(zhǎng)的水溶性ＳｉＯ2，并且實(shí)現(xiàn)了粒徑達(dá)到120～130 ｎｍ，目前國際上只能生長(zhǎng)到60～80 ｎｍ。采用100～120 ｎｍ的ＳｉＯ2水溶膠作為介質(zhì)ＣＭＰ磨料有效解決了清洗與劃傷的問題。
2．3 阻擋層鉭和插塞的ＣＭＰ
同時(shí)我們也研究了阻擋層鉭和插塞的ＣＭＰ，在堿性介質(zhì)下采用15～20 ｎｍ 的磨料，并且介質(zhì)和銅的速率相近，這樣既保證了鉭的去除速率，又防止了碟形坑的出現(xiàn)。并且實(shí)現(xiàn)低損傷、易清洗，對(duì)設(shè)備防腐。這種拋光液對(duì)于鎢或鋁的插塞也有很好的拋光效果。
2．4 吸附粒子的去除
目前，全局平面化中最難以解決的問題就是化學(xué)拋光以后表面難以清洗干凈，在集成度日益提高的今天，對(duì)表面潔凈度的要求更高。在顆粒的去除問題上，我們提出了優(yōu)先吸附模型，剛加工的表面能量比較高，有吸附周圍物質(zhì)降低能量的趨勢(shì)，由物理吸附變成化學(xué)吸附最終達(dá)到鍵合，與表面形成一體很難去除。我們采用活性劑，來其優(yōu)先吸附與拋光表面，形成保護(hù)層，控制其它顆粒吸附物的吸附狀態(tài)，人為地將吸附狀態(tài)控制在易于清洗的物理吸附上，達(dá)到快速、有效去除顆粒的目的，很好的解決了拋光表面的清洗問題。臺(tái)灣廣潤(rùn)公司試用證明，φ200 ｍｍ的硅片上，粒徑大于0．2μｍ 的粒子小于10 個(gè)/片。
2．5 金屬離子的去除
目前集成電路對(duì)于金屬離子的要求已經(jīng)達(dá)到了ｐｐｔ級(jí)，以前去除金屬離子都是采用具有5個(gè)螯合環(huán)的ＥＤＴＡ 二鈉鹽，它的螯合強(qiáng)度難以達(dá)到ｐｐｔ級(jí)的要求。我們發(fā)明了螯合強(qiáng)度很強(qiáng)，具有13個(gè)螯合環(huán)、無金屬離子、溶于水的螯合劑，能夠有效去除多種金屬離子的沾污。
2．6 系列產(chǎn)品
集成電路的制備工藝中最重要的問題包括應(yīng)力帶來的缺陷和鐵離子的污染問題，為了減少應(yīng)力的影響，我們從襯底加工開始研究。為在襯底硅片加工的滾磨、切削、研磨、倒角等工藝上嚴(yán)格控制應(yīng)力產(chǎn)生的缺陷，我們研究了適合與加工生產(chǎn)的切削液、磨削液、倒角液等，它們不但可以減少應(yīng)力帶來的缺陷，而且還可以有效防止鐵離子的污染，經(jīng)過廠家試用，效果顯著，目前已經(jīng)用于規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，我們也對(duì)目前受到重視的外延生長(zhǎng)問題做了進(jìn)一步的研究，使得外延層晶格缺陷少，潔凈度高、能有效去除劃移線，實(shí)現(xiàn)薄層無劃移外延層。
3 結(jié)束語
�。茫停惺翘岣吖饪坦に嚨年P(guān)鍵工序，它之所以重要是因?yàn)橹圃鞆S家向0．25μｍ和更小圖形尺寸發(fā)展，尖端產(chǎn)品的生產(chǎn)面臨0．10μｍ 的挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)界多數(shù)人士認(rèn)為ＣＭＰ 的使用將變得更為廣泛。如果能夠解決ＣＭＰ 中的眾多難題，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的ＣＭＰ 將對(duì)微電子的進(jìn)一步發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。
參考文獻(xiàn)
[1] Ｏ’ｍａｒａ Ｗ Ｃ． Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ｀ ｂｙ ＣＭＰ： Ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｆｕｔｕｒｅ [Ｊ]． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，1994，17（8）： 140～144．
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1 理論突破
1．1 ＣＭＰ 機(jī)理模型
ＣＭＰ的過程分為兩個(gè)部分，即化學(xué)作用和機(jī)械作用�；瘜W(xué)作用把表面損傷和表面附著的物質(zhì)變成可溶物而溶于水，提高拋光的速率。機(jī)械作用使化學(xué)作用的產(chǎn)物脫離表面，保證化學(xué)作用繼續(xù)進(jìn)行，這兩個(gè)作用周而復(fù)始的進(jìn)行[9]，速率慢者控制拋光的速率。
拋光中機(jī)械去除速度服從Ｐｒｅｓｔｏｎ方程[12]：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ
式中：ＲＲ——片子去除速率；
ＫＰ——Ｐｒｅｓｔｏｎ常數(shù)，與溫度、拋光液、拋光布及片子表面狀況有關(guān)；
Ｐ——壓力；
Ｓ——墊與片子表面的相對(duì)速率。
由公式可以看出：機(jī)械去除速率與壓力和相對(duì)速率成正比。另外還和漿料的顆粒粒徑有關(guān)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，拋光的速率除了和以上因素有關(guān)以外還與溫度和拋光介質(zhì)的ｐＨ 值有關(guān)。在堿性介質(zhì)中，拋光速率與ｐＨ 值成正比，而在酸性介質(zhì)中拋光速率和介質(zhì)的ｐＨ 值成反比。因此達(dá)到了改進(jìn)的拋光速率方程：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ×ＮｐＨ（堿性介質(zhì)）； ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ / ＮｐＨ（酸性介質(zhì)）
根據(jù)動(dòng)力學(xué)過程對(duì)于銅來說，為了防止酸性介質(zhì)腐蝕設(shè)備，河北工業(yè)大學(xué)研制了堿性拋光液，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)產(chǎn)物溶于水的技術(shù)突破。堿性拋光液使化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)，采用弱氧化性的、無金屬離子污染的氧化劑便能使銅迅速氧化。堿性介質(zhì)使凹銅區(qū)自然氧化形成保護(hù)膜，減少化學(xué)腐蝕，提高選擇性，保證高平整度。大分子銅絡(luò)合物在ＣＭＰ中易在機(jī)械作用下去除，提高拋光速率2 倍以上。堿性介質(zhì)對(duì)不銹鋼設(shè)備還具有鈍化作用，防止金屬沾污。堿性介質(zhì)中ＳｉＯ2水溶膠很穩(wěn)定，不易凝聚，采用粒徑較小的ＳｉＯ2水溶膠作為磨料，就可以保證平整度。因此，采用堿性拋光液可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化學(xué)、弱氧化、小粒徑、高選擇、速率在200～900 ｎｍ可控的效果。
1．2 優(yōu)先吸附模型
剛加工的表面高密度懸掛鍵，能量高、活性強(qiáng)，它強(qiáng)烈地從周圍環(huán)境吸附一層物質(zhì)，而且很快成為極難去除的化學(xué)、鍵合吸附，以實(shí)現(xiàn)降低能量，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是客觀規(guī)律。我們首先研究了表面吸附機(jī)理與吸附動(dòng)力學(xué)過程，在掌握了基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，采取改變吸附環(huán)境，控制吸附狀態(tài)的辦法，特選一定物質(zhì)，讓它優(yōu)先吸附，滿足單晶片表面自由鍵降低能量達(dá)到穩(wěn)態(tài)的要求，同時(shí)讓它長(zhǎng)期處于易清洗去除的物理吸附狀態(tài)下，使吸附物在表面上的吸附不向難清洗的化學(xué)、鍵合吸附狀態(tài)轉(zhuǎn)化（如圖1 所示）。采用優(yōu)先吸附處理以后，可以有效解決顆粒的吸附問題。
2 技術(shù)突破和創(chuàng)新點(diǎn)
2．1 銅的拋光
由于銅是氫后金屬，為了補(bǔ)償和保證拋光速率，一般采用強(qiáng)機(jī)械研磨再化學(xué)溶除的機(jī)理模型，采用高硬度的Ａｌ2Ｏ3作為磨料。這樣會(huì)造成銅粒的再吸附，損傷大、粘度大、速率低，難清洗（尤其對(duì)納米粒子的清洗）等問題。因此，我們采用小粒徑磨料（15～20 ｎｍ）能夠提高拋光過程中銅與介質(zhì)之間的拋光速率差，進(jìn)而提高拋光的選擇性、為了既提高拋光速率，又能避免產(chǎn)生劃傷、殘余顆粒沾污，我們采用化學(xué)作用為主、小粒徑、高ｐＨ值、低溫、高速率的辦法。在相同的工藝條件下拋光速率高于國外同類產(chǎn)品，流動(dòng)性好、無沉淀、無毒、無污染、便于操作且存放時(shí)間較長(zhǎng)，能夠有效解決殘余顆粒的清洗和金屬離子沾污問題。
2．2 介質(zhì)ＣＭＰ
目前世界上通用的介質(zhì)拋光液是粒徑為130 ｎｍ 的氣相二氧化硅溶于氫氧化鈉溶液中，由小部分二氧化硅與堿反應(yīng)生成硅酸鈉，在ＣＭＰ 中，二氧化硅膠粒對(duì)片子產(chǎn)生機(jī)械摩擦，可除去表面拋光中與硅反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。但是，這種方法容易帶來污染，而且拋光液的ｐＨ 值不穩(wěn)定。且容易造成損傷層，劃傷缺陷多，易沉積，吸附物難清洗。為了上述問題，我們采用水中直接生長(zhǎng)的水溶性ＳｉＯ2，并且實(shí)現(xiàn)了粒徑達(dá)到120～130 ｎｍ，目前國際上只能生長(zhǎng)到60～80 ｎｍ。采用100～120 ｎｍ的ＳｉＯ2水溶膠作為介質(zhì)ＣＭＰ磨料有效解決了清洗與劃傷的問題。
2．3 阻擋層鉭和插塞的ＣＭＰ
同時(shí)我們也研究了阻擋層鉭和插塞的ＣＭＰ，在堿性介質(zhì)下采用15～20 ｎｍ 的磨料，并且介質(zhì)和銅的速率相近，這樣既保證了鉭的去除速率，又防止了碟形坑的出現(xiàn)。并且實(shí)現(xiàn)低損傷、易清洗，對(duì)設(shè)備防腐。這種拋光液對(duì)于鎢或鋁的插塞也有很好的拋光效果。
2．4 吸附粒子的去除
目前，全局平面化中最難以解決的問題就是化學(xué)拋光以后表面難以清洗干凈，在集成度日益提高的今天，對(duì)表面潔凈度的要求更高。在顆粒的去除問題上，我們提出了優(yōu)先吸附模型，剛加工的表面能量比較高，有吸附周圍物質(zhì)降低能量的趨勢(shì)，由物理吸附變成化學(xué)吸附最終達(dá)到鍵合，與表面形成一體很難去除。我們采用活性劑，來其優(yōu)先吸附與拋光表面，形成保護(hù)層，控制其它顆粒吸附物的吸附狀態(tài)，人為地將吸附狀態(tài)控制在易于清洗的物理吸附上，達(dá)到快速、有效去除顆粒的目的，很好的解決了拋光表面的清洗問題。臺(tái)灣廣潤(rùn)公司試用證明，φ200 ｍｍ的硅片上，粒徑大于0．2μｍ 的粒子小于10 個(gè)/片。
2．5 金屬離子的去除
目前集成電路對(duì)于金屬離子的要求已經(jīng)達(dá)到了ｐｐｔ級(jí)，以前去除金屬離子都是采用具有5個(gè)螯合環(huán)的ＥＤＴＡ 二鈉鹽，它的螯合強(qiáng)度難以達(dá)到ｐｐｔ級(jí)的要求。我們發(fā)明了螯合強(qiáng)度很強(qiáng)，具有13個(gè)螯合環(huán)、無金屬離子、溶于水的螯合劑，能夠有效去除多種金屬離子的沾污。
2．6 系列產(chǎn)品
集成電路的制備工藝中最重要的問題包括應(yīng)力帶來的缺陷和鐵離子的污染問題，為了減少應(yīng)力的影響，我們從襯底加工開始研究。為在襯底硅片加工的滾磨、切削、研磨、倒角等工藝上嚴(yán)格控制應(yīng)力產(chǎn)生的缺陷，我們研究了適合與加工生產(chǎn)的切削液、磨削液、倒角液等，它們不但可以減少應(yīng)力帶來的缺陷，而且還可以有效防止鐵離子的污染，經(jīng)過廠家試用，效果顯著，目前已經(jīng)用于規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，我們也對(duì)目前受到重視的外延生長(zhǎng)問題做了進(jìn)一步的研究，使得外延層晶格缺陷少，潔凈度高、能有效去除劃移線，實(shí)現(xiàn)薄層無劃移外延層。
3 結(jié)束語
�。茫停惺翘岣吖饪坦に嚨年P(guān)鍵工序，它之所以重要是因?yàn)橹圃鞆S家向0．25μｍ和更小圖形尺寸發(fā)展，尖端產(chǎn)品的生產(chǎn)面臨0．10μｍ 的挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)界多數(shù)人士認(rèn)為ＣＭＰ 的使用將變得更為廣泛。如果能夠解決ＣＭＰ 中的眾多難題，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的ＣＭＰ 將對(duì)微電子的進(jìn)一步發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。
參考文獻(xiàn)
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