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標題：微電子器件制備中CMP 拋光技術與拋光液的研究
日期：2007/6/5 源自:中華職工學習網	【字體：】

集成電路按照摩爾定律發展十分迅速，0．25μｍ的元器件已經工業規模生產，目前正在研究的器件尺寸已經達到0．10μｍ以下。ＵＬＳＩ襯底的尺寸已經從φ200 ｍｍ發展到φ300 ｍｍ，目前已經達到φ400 ｍｍ。化學機械拋光（ＣＭＰ）是最好也是唯一的全局平面化技術[1，2]。ＣＭＰ的可貴之處在于它在多層金屬互連結構中既可對絕緣體又可對半導體進行全局平面化。拋光表面的質量直接關系到器件的性能質量[3，4，5]。傳統的布線金屬是鋁，但是，由于金屬導線變得更細，因此互連線的電阻增大，產生的熱量增多，從而互連線金屬原子在電流的作用下產生嚴重的電遷移現象，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，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，實現這一替代的技術難度很大，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，銅離子沾污對微電子的危害是致命的，同時還存在顆粒難以去除，選擇性差等難題，所以到現在也沒有實現完全取代。在ＵＬＳＩ制備過程中難度最大是介質的拋光，因為硅已經是最高價四價，且二氧化硅性質比較穩定，不能采用氧化還原的化學反應。通用的方法是采取增大磨料粒徑，來提高拋光速率。但是這種方法會帶來金屬污染，不易清洗，磨料粒徑大會造成損傷層大，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，但是同時也降低了銅的整體拋光速率，使得工藝變得復雜。對于阻擋層的全局平面化，一般在有氧化劑的介質中將鉭轉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。所以要想實現理想的全局平面化還必須對介質、阻擋層、插塞（鎢或者鋁）同時進行平面化[8]。不徹底解決這些難題就難以將價值幾萬～幾十萬美元的芯片進行ＣＭＰ處理，所以至今仍處于規模應用試驗階段。
1 理論突破
1．1 ＣＭＰ機理模型
　　ＣＭＰ的過程分為兩個部分，即化學作用和機械作用。化學作用把表面損傷和表面附著的物質變成可溶物而溶于水，提高拋光的速率。機械作用使化學作用的產物脫離表面，保證化學作用繼續進行，這兩個作用周而復始的進行[9]，速率慢者控制拋光的速率。
　　拋光中機械去除速度服從Ｐｒｅｓｔｏｎ方程[12]：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ
式中：ＲＲ——片子去除速率；
ＫＰ——Ｐｒｅｓｔｏｎ常數，與溫度、拋光液、拋光布及片子表面狀況有關；
Ｐ——壓力；
Ｓ——墊與片子表面的相對速率。
　　由公式可以看出：機械去除速率與壓力和相對速率成正比。另外還和漿料的顆粒粒徑有關。經過研究發現，拋光的速率除了和以上因素有關以外還與溫度和拋光介質的ｐＨ值有關。在堿性介質中，拋光速率與ｐＨ值成正比，而在酸性介質中拋光速率和介質的ｐＨ值成反比。因此達到了改進的拋光速率方程：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ×ＮｐＨ（堿性介質）；ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ / ＮｐＨ（酸性介質）
　　根據動力學過程對于銅來說，為了防止酸性介質腐蝕設備，河北工業大學研制了堿性拋光液，實現了反應產物溶于水的技術突破。堿性拋光液使化學反應增強，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。堿性介質使凹銅區自然氧化形成保護膜，減少化學腐蝕，提高選擇性，保證高平整度。大分子銅絡合物在ＣＭＰ中易在機械作用下去除，提高拋光速率2 倍以上。堿性介質對不銹鋼設備還具有鈍化作用，防止金屬沾污。堿性介質中ＳｉＯ2水溶膠很穩定，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現強化學、弱氧化、小粒徑、高選擇、速率在200～900 ｎｍ可控的效果。

1．2 優先吸附模型
　　剛加工的表面高密度懸掛鍵，能量高、活性強，它強烈地從周圍環境吸附一層物質，而且很快成為極難去除的化學、鍵合吸附，以實現降低能量，達到穩定狀態，這是客觀規律。我們首先研究了表面吸附機理與吸附動力學過程，在掌握了基本規律的基礎上，采取改變吸附環境，控制吸附狀態的辦法，特選一定物質，讓它優先吸附，滿足單晶片表面自由鍵降低能量達到穩態的要求，同時讓它長期處于易清洗去除的物理吸附狀態下，使吸附物在表面上的吸附不向難清洗的化學、鍵合吸附狀態轉化（如圖1 所示）。采用優先吸附處理以后，可以有效解決顆粒的吸附問題。
2 技術突破和創新點
2．1 銅的拋光
　　由于銅是氫后金屬，為了補償和保證拋光速率，一般采用強機械研磨再化學溶除的機理模型，采用高硬度的Ａｌ2Ｏ3作為磨料。這樣會造成銅粒的再吸附，損傷大、粘度大、速率低，難清洗（尤其對納米粒子的清洗）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之間的拋光速率差，進而提高拋光的選擇性、為了既提高拋光速率，又能避免產生劃傷、殘余顆粒沾污，我們采用化學作用為主、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品，流動性好、無沉淀、無毒、無污染、便于操作且存放時間較長，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ＣＭＰ
　　目前世界上通用的介質拋光液是粒徑為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生成硅酸鈉，在ＣＭＰ中，二氧化硅膠粒對片子產生機械摩擦，可除去表面拋光中與硅反應的化學反應產物。但是，這種方法容易帶來污染，而且拋光液的ｐＨ值不穩定。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的水溶性ＳｉＯ2，并且實現了粒徑達到120～130 ｎｍ，目前國際上只能生長到60～80 ｎｍ。采用100～120 ｎｍ的ＳｉＯ2水溶膠作為介質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
　　同時我們也研究了阻擋層鉭和插塞的ＣＭＰ，在堿性介質下采用15～20 ｎｍ的磨料，并且介質和銅的速率相近，這樣既保證了鉭的去除速率，又防止了碟形坑的出現。并且實現低損傷、易清洗，對設備防腐。這種拋光液對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拋光以后表面難以清洗干凈，在集成度日益提高的今天，對表面潔凈度的要求更高。在顆粒的去除問題上，我們提出了優先吸附模型，剛加工的表面能量比較高，有吸附周圍物質降低能量的趨勢，由物理吸附變成化學吸附最終達到鍵合，與表面形成一體很難去除。我們采用活性劑，來其優先吸附與拋光表面，形成保護層，控制其它顆粒吸附物的吸附狀態，人為地將吸附狀態控制在易于清洗的物理吸附上，達到快速、有效去除顆粒的目的，很好的解決了拋光表面的清洗問題。臺灣廣潤公司試用證明，φ200 ｍｍ的硅片上，粒徑大于0．2μｍ的粒子小于10 個/片。
2．5 金屬離子的去除
　　目前集成電路對于金屬離子的要求已經達到了ｐｐｔ級，以前去除金屬離子都是采用具有5個螯合環的ＥＤＴＡ二鈉鹽，它的螯合強度難以達到ｐｐｔ級的要求。我們發明了螯合強度很強，具有13個螯合環、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 系列產品
　　集成電路的制備工藝中最重要的問題包括應力帶來的缺陷和鐵離子的污染問題，為了減少應力的影響，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、倒角等工藝上嚴格控制應力產生的缺陷，我們研究了適合與加工生產的切削液、磨削液、倒角液等，它們不但可以減少應力帶來的缺陷，而且還可以有效防止鐵離子的污染，經過廠家試用，效果顯著，目前已經用于規模生產。同時，我們也對目前受到重視的外延生長問題做了進一步的研究，使得外延層晶格缺陷少，潔凈度高、能有效去除劃移線，實現薄層無劃移外延層。
3 結束語
　　ＣＭＰ是提高光刻工藝的關鍵工序，它之所以重要是因為制造廠家向0．25μｍ和更小圖形尺寸發展，尖端產品的生產面臨0．10μｍ的挑戰，產業界多數人士認為ＣＭＰ的使用將變得更為廣泛。如果能夠解決ＣＭＰ中的眾多難題，實現高質量的ＣＭＰ將對微電子的進一步發展起到至關重要的作用。
參考文獻
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