s微电子学与固体电子学_glsi多层铜布线cmp铜膜厚度均匀性研究

1、： 类分号 级：密U D C： 号编： I S线L布G铜层究多研性匀P均M度C厚膜铜尹康达王胜利教授河北工业大学师 导指教微电子学与固体电子学别：位级请申学： 名称专业科学、期：交日提2102年11 月 期：辩日答2102年21 月：河北工业大学予 位学授员会辩答委： 评阅 ：人2102年21 月si sedhetTti mbuSoti ebytei sHr evi n U ygol onfhoce Tr oferheTt sa Meer ge Df osci nort cel eor ci Mdnadil oSsectiant oSrt cel EHCRAES ERRENPOPSOSCENK

2、CI HTYTI MROFI NUNPSISMECORPDETCENNOCRETNIREFYIOASLIGTLU MGNI RWIREPP OCy BnaidYgna K:r osi vr epuS.f or Pgna iWl gnehSreb mece D0221si h Tkrdoetrwoppust ynabterhotp mI l anoit a N ecnei c Sygol onhc&e Tcifi cepSst cej or Pf loanoait anmui de mo-tgnolmr etmar gor pcirfiotfnei csdnal aci gol onhc

3、et .t ne mpol eved. 80320.XoZN9002河北工业大学I S线L布G铜层究多研性匀P均M度C厚膜铜摘 要随着器件集成度的不断增加，布线层数已达到了十层以上，因此，保证铜布线过程中表面的高平整是非常关键的。化学机械抛光P（MC）是实现全局平坦化的唯一技术。晶圆在不断增大，保证P MC过程中的均匀性是保证 良率的关键。力动械机，学究化研从的文入本深了行进理机性匀均和除去P M料C材的中P MC要主的碱性抛光液采取以络合与胺化为主的技术路线，可以实现低机械强度下的高去实的量大过通并目标O/ 。AF除速率，本文重点研P究MC过程中的化学作用对速率及均匀性的影响。首先进行了抛光

4、液各成分对去除速率影响的正交试验，来探索各成分对速率的影响规均度厚膜铜对面方个三从后然P M。C究研的以除去P M料C材的中抛握掌而从，律：究研行进性匀及平坦化机理，对今后的理论和实验研究有很好的指导作用。通过研究取得了以下成果：P1、MC过程中络合作用与氧化作用对材料去除的贡献最大，当氧化剂含量较高时，为络合作用控制过程；当氧化剂含量较低时，为氧化作用控制以可此因。程过从2、化学机械动力学角度提出了碱性抛光液实现平坦化的机理，并得出适当提高氧化剂含量可以提高抛光液的平坦化能力，有效消除台阶，提高局部均匀性。很好的解释了去除速率和平坦化能力两个关键参数之间的，并且提出了通过去除速率对 和温度的

5、敏感性来坦平的液光抛、对小大的献贡用作学化对递传量质与度温从3、化学作用中温度分布与质量传递之间的补偿、机械作用分布与化学作用分布之间的补偿角度P对MC过程的全局均匀性进行研究，提出了提高全局均匀性的方法。4、影响片间均匀性的主要是双氧水在碱性条件下的不稳定性，对双氧水在碱性抛光液中的反应机理进行了研究。：化学机械抛光，化学机械动力学，均匀性，碱性抛光液，去除速率，平坦化能力，补偿iGLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究RESEARCH ON COPPER THICKNESS UNIFORMITYIN CMP PROCESS OF GLSI MULTILAYER COPPER INTE

6、RCONNECTED WIRINGABSTRACTWith the increase of the device integration level, the wiring layers have reached more than ten. Therefore, it is very critical to ensure the high flatness of the surface in the wiring process. Chemical mechanical polishing (CMP) is the unique technology to achieve global pl

7、anarization. The wafer size is increasing, so ensuring the uniformity in the CMP process is the key to ensure the yield of products.In this paper, the mechanism of material removal and uniformity were deeply researched from the perspective of chemical mechanical kinetics, which was verified through

8、plenty of experiments. To achieve high material removal rate and flat surface was the goal of CMP. The alkaline slurry adopted the way of complexation and amination, which could achieve high removal rate under low mechanical strength. Thus, the impact of chemical reaction on the removal rate and uni

9、formity was mainly researched in the CMP process.Firstly, the orthogonal experiment of the impact of slurry components on the removal rate was conducted, through which the impact law of slurry components on the removal rate was explored. So the properties of slurry could be grasped, which could guid

10、e the research of copper pattern wafer CMP process. Then the copper film uniformity was researched through the following three aspects: local uniformity, global uniformity and wafer-to-wafer uniformity. And the mechanism of material removal and planarization was proposed, which was a good guide for

11、future theoretical and experimental research.Achievements obtained in the research were as follows: 1. Complexation and oxidation of the CMP made the largest contribution to the material removal in the CMP process. When the oxidant concentration was higher, the complexation was the control process;

12、when the oxidant concentration was lower, the oxidation was the control process. Therefore the control of the removal rate was achieved by adjusting the concentration ratio of chelating agent and oxidizing agent. 2. The mechanism of planarization was proposed from the perspective of chemicalmechanic

13、al kinetics. We concluded that the planarization capability was strengthened while theii河北工业大学concentration of oxidizing agent was increased, by which the step height was eliminated and the local uniformity was improved. The relationship between the two key parameters of the removal rate and planari

14、zation capability was well explained. And the method of evaluating the planarization capability of slurry through pressure sensitivity and temperature sensitivity of the removal rate was proposed. 3. The CMP global uniformity was researched from the following three aspects: the contribution of tempe

15、rature and mass transfer to the chemical reaction, the compensation of temperature distribution and mass transfer, and the compensation of mechanical function distribution and chemical function distribution. And the method of improving global uniformity was proposed. 4. The instability of hydrogen p

16、eroxide in alkaline condition was the main factor which influenced the wafer-to-wafer uniformity. Thus, the reaction mechanism ofhydrogen peroxide in alkaline slurry was researched.KEYWORDS: chemical mechanical polishing, chemical mechanicalalkaline slurry, removal rate, planarization capability, co

17、mpensationkinetics,uniformity,iiiGLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究iv河北工业大学目录第一章 绪论1§1-1 集成电路发展及制造工艺概述11-1-1 集成电路发展现状11-1-2 集成电路制造工艺概述3的31-1-3 集成电路制造技术§1-2 化学机械抛光技术介绍41-2-1 化学机械抛光技术的发展41-2-2 化学机械抛光技术的原理51-2-3 化学机械抛光设备与耗材简介51-2-4 铜布线制造工艺与化学机械抛光的应用6§1-3 CMP 膜厚均匀性研究与现状分析71-3-1 CMP 膜厚均匀性简介71-3-2 CMP

18、 均匀性研究现状8§1-4 课题研究目的及主要内容9第二章 铜布线 CMP 及均匀性机理研究10§2-1 铜的性质10§2-2 铜布线碱性抛光液简介10§2-3 铜布线 CMP 均匀性机理研究142-3-1 CMP 中铜去除机理研究142-3-2 铜布线 CMP 均匀性机理研究15§2-4 本章小结16第三章 铜布线 CMP 设备及检测设备17第四章 铜 CMP 去除速率实验研究19§4-1 速率可控的重要性19§4-2 速率正交试验19§4-3 本章小结23第五章 铜布线 CMP 均匀性实验研究24§5

19、-1 局部均匀性实验24§5-2 全局均匀性实验295-2-1 温度与质量传递对全局均匀性的影响295-2-2 抛光工艺对全局均匀性的影响31§5-3 片间均匀性实验32§5-4 本章小结33vGLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究第六章 结论与创新性成果35参考文献36致谢40攻读学位期间所取得的相关科研成果41vi河北工业大学符号说明R-Preston 方程中的抛光速率，Å/min。K-Preston 系数。P-抛光片所承受的，psi。V-抛光垫与抛光片的相对转速，rpm。VRR-铜的去除速率，Å/min。t-抛光时间，min。T-

20、环境温度，。viiGLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究viii河北工业大学第一章 绪论§1-1 集成电路发展及制造工艺概述1-1-1 集成电路发展现状随着科学技术领域的飞速发展，集成电路制造技术已广泛应用于人们的生产和生活当中，成为微电子行业的技术，并带动了其他支柱产业的发展。集成电路技术的不断进步，使得电子元器件向大规模、微细化方向发展，集成电路制造技术已经成为竞争的焦点1-3。根据摩尔定律，摩尔定律指出，每三年器件科技和经济实力的标志，日益成为世界强国经济缩小 2/3，面积增加 1.5 倍，集成度翻两番，这就要求线条宽度不断减小，布线层数不断增加。如图 1.1 所示，近

21、 20 年来，集成电路密度已飞速增长，同时成本在不断降低，动态随机器每比特位的价格每年下降 27%，并且将来 65nm 及以下技术不断缩小4-9。节点仍会保持这一趋势。光刻和图形布线领域的不断创新，使器件的图 1.1和逻辑器件发展趋势Fig.1.1 Trends in memory and logic devices随着集成电路向着大规模、微细化方向发展，铝布线会因电迁移而失效。由于铜的抗电迁移特性强， 电阻率低，信号延迟小，在极大规模集成电路铜布线中已逐步取代铝10。但铜膜无法用刻蚀工艺实现图形转移，因此使用大马士革工艺形成铜互连。大马士革工艺首先是在硅衬底上淀积介质层，然后平坦 化，再光刻

22、图形。为金属连线和通孔刻蚀沟槽和孔，然后将金属电镀到沟槽上，最后进行平坦化到介质层，形成铜互连11。大马士革结构如图1.2所示1GLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究图1.2 大马士革铜互连结构Fig.1.2 Structure of damascene copper interconnects1997 年 IBM 用大马士革工艺制成了第一个 copper chip，铜已经开始取代铝和钨，成为互连线的主要材料12。如图 1.3 所示，在亚 0.5 微米特征互连线结构中，RC 时间延迟会有显著的增加13-14。从两层金属布线开始，布线层数在 2001 年已增加到 8 层。多层金属互连技术

23、的未来趋势如图 1.4 所示4图 1.3 时间延迟与特征的关系Fig.1.3 The relationship between Delay time and feature size图 1.4 金属互连发展趋势Fig.1.4 The trends in metal interconnects现在，集成电路制造技术发展到了一个新时期，随着栅极线宽（即特征）的不断减小，对相关材料和工艺的要求越来越高。指出在 6 年后，集成电路上一个栅长将只有几个纳米，这意味着2河北工业大学集成电路制造技术的发展将到物理规律的极限和技术、材料以及传统理论方面的限制。针对这些问题， 按照集成电路发展的摩尔定律和等比例

24、缩小定律15-16，科研者必须提升材料的物理性质和工艺能力。高 K 金属栅极和超微细光刻等集成电路技术的出现，和工艺的提升，为集成电路制造技术的进步开创了新途径，集成电路制造技术也在向着多模式改变。1-1-2 集成电路制造工艺概述IC 制造技术是微电子学发展的关键，IC 制造技术的进步导致了极大规模集成电路的诞生。1952 年， 科学家 G. W. A. Dummer 首次提出了设计集成电路的构想。1958 年以德州仪器的科学家 Clair Kilby 为首的科研小组设计并且研制出了第一块集成电路，于 1959 年向世界公布了这一结果。IC 制造分 4 个不同的阶段：材料准备、晶体生长与晶圆准

25、备、 制造以及封装。集成电路工艺的分类如下：（1）前工序：指从原始的晶片到最终测试前的所有工序，包括：图形转移技术：包括光刻、刻蚀等。薄膜：包括外延、氧化、PVD 、CVD。掺杂技术：包括离子注入、扩散等。（2） 后工序：指最终测试直至集成电路出厂的工序，包括:划片、封装、测试、筛选等。（3） 辅助工序：保证前后工序能够顺利进行的辅助工艺。包括:超净厂房、高纯气体、超纯水等。CMOS 集成电路工艺流程如图 1.5 所示图 1.5 CMOS 工艺Fig.1.5 The CMOS process1-1-3 集成电路制造技术（1）大直径硅的通常用的硅单晶片直径已到 200mm，300mm 的硅单晶片

26、也已大规模量产。美国半导体工业对硅单晶片作出了估计：在 22×22mm 的区域里局部平整度必须达到 0.23um，在 1um 以上的颗粒物必须3GLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究要控制在每平方厘米小于 0.2 个，表面微粗糙度应为 0.2nm；晶体内重金属等杂质的含量必须大幅度降低；硅晶片少数载流子复合和产生的为 500us 和 2000us；单晶中的位错要消除。200mm 的硅单晶片已经满足了器件加工的要求。但随着硅片的不断增大，如何控制 400mm 晶片上的点缺陷是一个很大的。单晶增加会使成本增加，如：200mm 的单晶片，0.25$/cm2，而 300mm 的单晶片

27、，1.21$/cm2，那么，未来 400mm 的单晶片，成本也将大幅度增加。（2） 光刻光刻在微电子制造技术中是非常关键的。目前，0.13um 光刻仍采用 193nm 光学光源，而 90nm、50nm 以至 20nm 的线宽对光刻技术和光源的要求会更高17。（3） 制造工艺当器件的特征缩小到 0.1um 时，开始逼近传统半导体物理的极限。随栅氧化层的不断减薄，传统的 SiO2 栅氧化层难以保证器件性能。因此，超薄栅氧化层是工艺领域的热门课题；当器件特征缩小时，MOSFET 源漏的垂向也会缩小，来减小沟道效应影响，提高制造工艺也变得很重要。特征。此外， 多层布线§1-2 化学机械抛光技

28、术介绍1-2-1 化学机械抛光技术的发展近年来，随着极大规模集成电路趋于高速化、高集成化和高性能化，对于平坦化技术的要求不断提 高。在实现多层布线立体结构中，获得高平坦的表面形貌非常关键。铜互连和低 K 材料的引入，以及大马士革镶嵌工艺的应用，使得多种材料在同一平面实现平坦化的难度越来越大。采用低 K 材料，可以降低 RC 互连延迟，但是造成了绝缘层介质抗机械强度的降低，因此如何实现低压下铜互连全局平坦化，消除低 K 介质膜层划伤和剥离，已成为国际亟待攻克的技术难题。光技术（CMP）产生并快速发展18-19。化学机械抛光技术是由 IBM 公司提出来的20-22，随着微电子技术的不断发展，化学机

29、械抛光已成为深亚微米集成电路制造中实现全局平坦化的唯一方法，并带动了半导体制造工艺的发展。现代半导体逻辑和器件制作都需要化学机械抛光来实现多层互连。在器件整个制程中，每个硅着诸多，化学机械抛晶元都需要 15 步或的化学机械抛光过程。化学机械抛光技术在集成电路制造中得到了广泛的应用，可以用来在前道加工工艺(FEOL：front end of process)中生产电子元器件；在后道加工工艺(BEOL：backend of process)中产生通路、层间介电质和封装等，如图 1.6 所示，随着特征的不断减小，CMP 步骤明显增加。随着微电子技术的进步，化学机械抛光技术的应用已从介电质平坦化扩展到

30、镶嵌金属钨CMP、镶嵌铝 CMP、镶嵌铜 CMP 及多晶硅 CMP 等集成电路制造工艺23-24。现在，化学机械抛光技术已经成为 IC 制造中实现全局平坦化的唯一技术，随着微电子的不断进步，化学机械抛光技术也会应用到其他表面加工领域中。4河北工业大学图 1.6 CMP 步骤随技术节点的变化Fig.1.6 Variation of CMP process steps at different technology nodes1-2-2 化学机械抛光技术的原理化学机械抛光是机械研磨和化学腐蚀结合在一起平坦化技术25。化学作用可以减少由单纯机械作 用造成的物理损伤，保证研磨表面的光洁度；而机械作用又

31、能保证抛光一致性、平整度和高速率。所以二者结合在一起提供了一种最佳的平坦化方法。如图 1.7 所示，在 CMP 过程中，晶圆被压在一个旋转地抛光垫上26，通过抛光液的化学作用以及磨料和抛光垫的机械作用相协调，来实现晶圆的平坦化。在 旋转研磨的同时，需要通过自动加入系统提供抛光液，确保在研磨过程中抛光垫上的抛光液分布均匀。CMP 过程中，抛光液中的纳米磨料均匀分布在晶圆和抛光垫之间，成为了传递能量的载体，抛光液中的络合剂和氧化剂可以与抛光材质产生化学作用，产物为可溶物质，并随着旋转和抛光液的而在机械作用和化学作用相互协调下，实现材料的高效去除。带走，从图 1.7 CMP 过程示意图Fig.1.7

32、 Schematic digram of the CMP process1-2-3 化学机械抛光设备与耗材简介CMP 是集成电路制造过程中实现表面平坦化重要工艺过程，CMP 工艺设备及耗材包括：抛光机、抛光垫、抛光液、终点测试、工艺控制设备、抛光后设备、抛光液提供系统、以及测量设备等27。其中，抛光液和抛光垫等耗材用量非常大，抛光液的消耗量接近 50%28。CMP 系统组成如图 1.8 所示5GLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究图 1.8 CMP 系统Fig.1.8 CMP systemCMP 设备及耗材简介：（1）抛光机CMP 抛光设备（抛光机）主要有两种：旋转式和直线型。供应商主

33、要有：法国 Alpsitec 公司、美商应用材料（Applied Materials）、荏原（Ebra）、Speedfam-IPEC 和 Strabaugh 等。当前，市场占有率最高的抛光机为 Applied Materials 和 Ebra 公司生产的旋抛光设备。另外，目前应用的还有Novellus 轨道式抛光机和 LamResearch 直线型抛光机29-31。随着特征的不断减小，对 CMP 设备要求越来越高，设备集成、自动、干进干出、终点测试已成为 CMP 设备的主流。（2）抛光垫抛光垫是 CMP 主要耗材之一，根据抛光垫的材质不同，可以分为软垫和硬垫两种33。抛光时， 使用较软抛光垫可

34、以使抛光表面光滑，减少划痕。但软垫在加压过程中容易发生形变，不易获得 较好的平坦化效果；若使用硬质抛光垫，可以大大降低凹陷处材料的去除，有利于消除晶圆表面的台 阶，提高平坦化效率，但硬质抛光垫硬度很高，会增大表面粗糙度34-35。因此，根据抛光工艺和抛光片 材质的不同，应选取不同的抛光垫。（3）抛光液抛光液是 CMP 制程中最主要的耗材。集成电路制造过程中包括几十道 CMP 工序，要消耗大量的抛光液，因此抛光液的性能与可靠性也是集成电路制造的关键因一。根据抛光材料和抛光工艺的不同，所选用的抛光液也有所不同。如硅、氧化硅、铜、阻挡层、蓝宝石等都需要相应的抛光液。根 据pH 值不同，抛光液可以分为

35、酸性和碱性两种。目前国际主流抛光液为酸性抛光液，最具代表性的就是美国Cabot 公司生产的酸性抛光液。一般抛光液的组成包括：磨料、络合剂、腐蚀抑制剂、表面活性剂、氧化剂等。每个成分都有各自 独特的作用，并在 CMP 动态条件下有机的结合在一起，实现材料的柔和去除，获得光滑平整的表面。抛光液在化学机械抛光制程中用量很大，随着集成电路制造领域的不断进步，抛光液的市场也充满了激 烈的竞争。1-2-4 铜布线制造工艺与化学机械抛光的应用根据摩尔定律，器件集成度不断提高，特征不断减小，这就要求栅极线宽越来越细。随着技术6河北工业大学的不断进步，铜已逐步取代铝成为互连线的主要材料，并采用大马士革工艺实现铜

36、互连。随着集成电路制造技术的进步，要求在更小的面积上集成的器件，为了使器件间互连线不出现交叠，多层布线立体结构随之产生36，化学机械抛光是实现多层布线的关键工艺。在铜互连工艺中，首先要在介质上刻蚀沟槽和通孔，因此在电镀之后，表面会出现高低起伏的台阶， 此时就需要通过化学机械抛光来消除这些台阶并去除多余的铜膜和阻挡层材料。在铜互连 CMP 中，涉及到了铜、钽/氮化钽阻挡层、氧化绝缘层以及低 k 介质等多种材料的去除，需要多个抛光步骤和多种抛光液以及复杂的抛光工艺才能实现目标，因此铜互连 CMP 是一个非常复杂的工艺，在化学机械抛光过程中，抛光液化学成分、设备条件和工艺参数的变化都会影响抛光的结果

37、37。目前，对于铜布线 CMP 制程大多采用三步抛光工艺38-39：第一步，大量铜的去除以及高平坦化的过程。此时主要是对铜这种单一材料进行抛光，要求较高的 抛光速率，并且对凹陷处铜具有较好的保护能力，这就需要抛光液具有较好的性能。第二步，金属钽阻挡层上少量残余铜的去除。此时需要较低的抛光速率进行精抛光，并通过终点检测技术，使研磨终点停在阻挡层上。铜精抛液不需要高速率，但对铜钽速率选择性要求较高，最好钽速率趋于零。因为铜互连结构中，阻挡层很薄，一旦过抛，就会对下层的介质造成破坏，影响器件性能。精抛液还应具有较好的饱和特性，即在过抛时，沟槽里边的铜线条有过多损失，从而保证导线的可靠性。第三步，阻挡

38、层和氧化层 TEOS 的去除。抛光过程中会对铜、阻挡层、氧化层多种材料同时抛光，而且最终研磨终点要停在低 k 介质(一般为 BD)上，因此要求阻挡层抛光液要对多种材料具有很好的选择性：铜速率要低、阻挡层和氧化层TEOS 速率要高、低k 介质 BD 速率趋于零。在铜布线 CMP 过程中，碟形坑和侵蚀的产生是世界性的难题。因为在研磨过程中要对多种材料同时抛光，速率不同导致碟形坑和侵蚀的产生。而且还会产生很多缺陷，例如：线条腐蚀、划伤、铜残余、介质损伤等，这些对器件的危害很大，甚至直接导致器件失效。因此，如何避免这些缺陷的产生也是铜CMP 亟待解决的问题。§1-3 CMP 膜厚均匀性研究与

39、现状分析1-3-1 CMP 膜厚均匀性简介铜膜厚度均匀性是 CMP 中一个很重要的参数40。化学机械抛光的目标就是要实现高平整、平滑的表面，如果表面铜膜厚度均匀性不好，会对集成电路制造后续制程有很大的影响。如在多层布线结构中，每一层的不平整度都会积累下来，从而对上面几层进行光刻时不能满足浅焦深的要求，导致光刻时分辨率不理想。此外，假如基片的表面平整度不够，会增加后续金属沉积和刻蚀等工艺的难度。铜膜厚度均匀性可以从三个方面来进行研究：局部均匀性、全局均匀性和片间均匀性，其中局部均匀性和全局均匀性为片内均匀性。（1）局部均匀性铜布线晶圆片在抛光之前，表面会有高低起伏的表面形貌，体现在局部位置，就是

40、由于铜电镀时形 成的台阶高低差。CMP 的一个很重要的目的就是要消除这些台阶，从而提高表面的局部均匀性。如果在第一步抛光阶段对这些台阶的去除量不够，那么会增加铜精抛和阻挡层抛光的负担，容易导致最后碟7GLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究形坑的增大，使铜线条变薄，降低器件的可靠性；碟形坑增大，还可能导致下一层的铜残余现象，引起短路和介质导通，影响抛光效果和器件性能。因此，消除表面台阶高低差，提高局部均匀性尤为重要， 是铜布线CMP 首要解决的难题。（2）全局均匀性铜膜厚度全局均匀性是指在 CMP 之后，铜布线晶圆表面整体铜膜厚度是否一致，是否出现大面积的过抛或抛光不足等现象。要保证 C

41、MP 之后的全局均匀性，就要确保 CMP 过程中，晶圆表面各位置的抛光速率要一致，即要保证抛光速率均匀性。如果全局均匀性不好，在铜抛光时，晶圆表面各位置到达研磨终点的时间不一致，速率较快的地方会先到理论上的研磨终点，但由于此时其它位置还有大量的铜没有去除，终点检测系统并使研磨终止，此时出现严重的过抛现象，使碟形坑变深，甚至将铜线条磨断；而研磨不足的地方会有大量的铜残余现象，使线条短路，介质导通，器件严重失效。因此，保证抛光速率的全局均匀性是很重要的。（3）片间均匀性CMP 片间均匀性是指在不改变抛光液和抛光工艺时，进行重复抛光过程，检测每次抛光速率之间的均匀性。片间均匀性可以用来检测抛光液的以

42、及抛光工艺和设备的稳定性。如果片间均匀性不好，则在集成电路生产过程中就不能保证生产的同一批次全部合格，严重影响良率。因此，在进行量产之前，必须要保证抛光液、工艺和设备的稳定性及可靠性。1-3-2 CMP 均匀性研究现状化学机械抛光作为集成电路制造工艺中的唯一全局平坦化技术，国内外已对其进行了非常深入的理 论和实验研究。在 CMP 均匀性方面，也有大量的研究。（1）局部均匀性 目前国际上采用的铜抛光液都是酸性的。由于铜在酸性条件下腐蚀速率快41，因此要消除铜布线晶圆表面的台阶高低差，必须添加 BTA 等腐蚀抑制剂，来实现对凹处铜膜的保护，达到改善局部均匀性的目的。但是抛光液中加入 BTA 会产生

43、很多问题：加入抑制剂会影响抛光速率；BTA 有很强的毒性，会污染环境；反应产物 Cu-BTA 化合物胶状沉淀不易（2）全局均匀性等。目前对 CMP 全局均匀性的研究主要是依据 Preston 方程42：R=KPV，主要考虑的是机械作用对速率的影响，通过实验来研究如何调整机械作用的均匀分布实现速率的均匀分布，并建立了相关的机理模型。但是没有考虑更重要、更复杂的化学作用和 CMP 速率与质量传输的关系。化学作用在化学机械抛光中占据主导地位，单纯的考虑调整机械作用会使抛光工艺变的复杂，因此本文重点研究的是抛光液与铜之间的化学作用对 CMP 均匀性的影响。有人曾提出 CMP 过程的接触模型，因为抛光过

44、程中，只有在抛光垫和抛光片接触的条件下才会产生机械作用，目前两种典型的接触模模型为流体动力学模型和固体/固体接触模型43-44。固体/固体接触 模型指出，抛光片表面会与抛光垫表面的凸起峰接触，抛光液中的纳米级磨料颗粒会镶嵌在抛光垫中，从而实现对抛光片的机械磨削45。在固体/固体接触模型的基础上，Vlassak 提出化学机械抛光过程中抛光速率分布与抛光垫和抛光片之间的分布有关，尤其晶圆边缘部分，表面不连续，导致不连续，从而导致抛光速率不一致46。分布也8河北工业大学§1-4 课题研究目的及主要内容为了适应集成电路制造技术飞速发展的需要，每个工艺流程都要满足相应的指标。保证 CMP 均匀

45、性有利于实现高平整的表面，满足光刻时不断变浅的焦深，实现多层布线47。铜膜厚度均匀性可以从 局部均匀性、全局均匀性和片间均匀性三个方面来进行研究，已在 1-3 中作了简单介绍。若 CMP 之后铜膜厚度一致性较好，则可以很大程度上减小后续抛光工艺的负担，有利于降低阻挡层抛光之后的碟形 坑深度，使下一层布线时的光刻等后续工艺更加容易控制，有利于 65nm 及以下节点的技术发展。课题主要研究内容：（1） 首先分析铜的化学特性，并对选取的碱性抛光液特性及优势进行详细的分析，在此基础上， 对铜布线在碱性条件下的 CMP 铜去除及平坦化机理进行系统的研究。（2） 详细分析了影响铜 CMP 速率及平坦化的因

46、素。首先对铜抛光速率进行了大量的正交试验， 掌握碱性抛光液中各成分对铜去除的作用和贡献大小，实现了铜去除速率的可控性。然后对铜布线 CMP均匀性进行合理的理论与实验研究，对局部均匀性、全局均匀性和片间均匀性的实验结果进行了详细的分析。（3）对实验过程中取得的创新性成果进行了总结，并进行了很好的理论提升，对今后的理论和实 验研究以及生产实践有很好的指导作用。9GLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究第二章 铜布线 CMP 及均匀性机理研究§2-1 铜的性质铜属于过渡金属，熔点为 1083，密度为 8.9g/cm3，导热和导电性能很好，而且很坚韧，并具有延展性以及抗腐蚀特性。由于铜

47、的电阻率低、抗电迁移能力很强，因此铜已经成为 65nm 及以下技术节点导线的主要材料。由于铜的氯化物挥发性较差，无法进行刻蚀工艺，因此出现了大马士革结构，用电镀方法进行铜布线。铜的化学性质不是很活泼，常温下在干燥的空气中不与氧气反应。当对铜进行高温加热时，会生产黑色产物氧化铜 CuO 以及氧化亚铜 Cu2O，在化学机械抛光中，这些铜的氧化膜会起到钝化性能，保护凹陷处的铜膜，有利于实现抛光表面的平坦化。铜在潮湿的环境中会与空气中的水、反应，生成绿色产物碱式碳酸铜，即铜绿。以及氧气氧化铜在碱性溶液中会生成不溶于水的氢氧化铜沉淀，而氢氧化铜也会发生微弱的电离，产生的铜离子与络合剂作用，生成溶于水的铜

48、络合物，可以根据此性质进行化学机械抛光液的研究。§2-2 铜布线碱性抛光液简介化学机械抛光制程中最主要的耗材就是抛光液，它已在微电子行业有了很广阔的市场。目前，对于铜布线化学机械抛光工艺，国际上占据市场主导地位的抛光液为酸性抛光液。其中以美国 Cabot 公司的为代表。因为铜在酸性溶液中的腐蚀速率较快，容易实现铜膜的快速去除。但酸性抛光液会产生很多的影响：首先，由于抛光设备都是金属材质的，而且非常昂贵，酸性抛光液会对设备产生较大的腐蚀作用，影响其使用；其次，由于铜的腐蚀速率较快，在对铜布线晶圆进行抛光时，对凹陷处铜的保护能力较差，表面存在的台阶高低差很难去除，因此大部分酸性抛光液都加

49、入了 BTA 等腐蚀抑制剂，但 BTA 是物质，对操作的危害很大，而且会污染环境，抛光之后生成的 Cu-BTA 胶状沉淀很难进行，会对晶圆以及抛光垫造成污染。本文采用由河北工业大学微电子研制的 FA/O 碱性铜抛光液，可以解决酸性抛光液的这些问题，并且具有很多优势。碱性抛光液主要面向 65nm 技术节点多层铜布线的化学机械抛光制程，采用以络合和胺化等化学作用为主的碱性技术路线。其主要成分为多羟多胺，可以有效螯合铜离子，实现低机械强度下铜膜的快速去除；并根据铜在碱性条件下的自钝化作用，能很好的保护凹陷处的铜膜，实现抛 光液不添加 BTA 等抑制剂，碟形坑（Dishing）、侵蚀（Erosion）

50、、漏电流等得到有效控制，各项参数满足 65nm 技术节点要求，对 45 及以下技术节点的研究有重要意义。FA/O 碱性铜抛光液最大的特点就是成分简单，包括四种成分：磨料、螯合剂、表面活性剂和氧化剂。以下对这四种成分各自的选取和特点进行简单的介绍。（1）磨料磨料是抛光液的重要组成部分，它在化学机械光制程中发挥着很重要的作用：对抛光片表面的机械10河北工业大学磨削作用、反应物和反应产物的质量传输作用、能量传递作用。因此，磨料的选择关系到 CMP 速率、表面状态、抛光液的性能以及 CMP 之后对晶圆表面的污染状况，而且还会影响 后的效果48。抛光液中常用的磨料主要有三种：氧化铝磨料(Al2O3)、硅

51、溶胶磨料(SiO2)、氧化铈磨料(CeO2)。纳米级氧化铝为白色粉末状物质，一般酸性抛光液中用氧化铝作为磨料，因为氧化铝在酸性抛光液中比较稳定，分散性好49。但是氧化铝硬度很高，在研磨过程中容易对晶圆表面造成划伤，划伤缺陷 很严重，有可能直接导致大批器件失效50。而且，氧化铝对表面有很强的吸附作用，造成抛光垫和抛光片表面的污染，对 CMP 后影响很大51。硅溶胶是二氧化硅胶体在纯水中扩散,从而形成的乳白色胶状物质，呈半透明状，无毒、无味。粒 径分布大约在 20-40 纳米之间，如图 2.1 所示。硅溶胶根据酸碱度不同分为酸性硅溶胶和碱性硅溶胶两种。溶液 pH 值和 Zeta 电位对硅溶胶分散度

52、和稳定性有很大影响，如图 2.2 所示。可以看出，pH 值在 8 12 时，此时为碱性硅溶胶，它的 Zeta 电位很稳定。本实验采用的碱性硅溶胶磨料 pH 值为 10.12，粒径为 2040nm，质量分数为 40%。Size distribution(s)4030201051050 100Diameter (nm)500 1000图 2.1 硅溶胶粒径分布Fig.2.1 Particles diameter distribution of silica sol图 2.2 硅溶胶稳定性随 pH 值得变化Fig.2.2 Variation of silica sol stability with

53、pH碱性纳米硅溶胶表面存在着很多羟基，这是由于其表面效应引起的。在硅 CMP 碱性条件下，这些羟基可以和碱发生化学反应，生成硅酸根离子，这些硅酸根离子再跟硅反应，从而使硅溶胶表面的能量降低，从而使硅有效去除52；在铜 CMP 碱性条件下，正四价的硅具有氧化性，可以对铜的去除起到氧11% in classGLSI 多层铜布线CMP 铜膜厚度均匀性研究化催化剂的作用。由于磨料的加入，在抛光液的过程中，可以加快反应产物的带走，从而提高反应速率，以及抛光速率的分布均匀性。综上，本文选取硅溶胶代替氧化铝作为铜布线 CMP 抛光液的磨料，具有小粒径、分散度好、硬度适中、不引入金属离子、在碱性条件下 Zet

54、a 电位很稳定等优点53，避免 A12O3 磨料易产生划伤和沉淀等不足，可以达到更好的抛光效果。（2）螯合剂络合剂是铜布线 CMP 抛光液中的最主要成分，是抛光液最本质的东西。它可以起到对铜离子的络合作用，从而达到对铜的去除目的。络合剂的 pH 值决定了该抛光液的酸碱度，决定了抛光液的。本文选取由河北工业大学微电子所研发的 FA/O型螯合剂铜离子的络合剂。FA/O型螯合剂是强碱性的，pH 值为 13.90，因此决定了抛光液也是碱性的。FA/O型螯合剂，又称多羟多胺，为碱性大物质，它具有十三个以上螯合环、十六个羟基和四个氨基，它的配位原子为氧原子和氮原子，在碱 性CMP 动态条件下可以与多种金属

55、离子形成很稳定并且可溶的络合物。它的式可以简写成 R(NH2)4。FA/O型螯合剂由于其自身的特性，拥有很多优点：1、FA/O型螯合剂具有很多作用，既可以作为金 属离子的有效络合剂，还可以作为 pH 调节剂，缓蚀剂等，可以一剂多用，从而可以很好的简化抛光液的成分；2、不引入金属离子，可以很好地避免抛光液带来的金属离子污染； 3、与水反应可以生成氢氧根离子，具有强碱性，还可以调节溶液的 pH 值，从而可以实现控制抛光液中螯合剂的用量来达到更好的抛光效果，控制抛光速率等54。图 2.3 为螯合剂在 CMP 条件下的作用机理。在铜布线 CMP 过程中，晶圆片在一定的作用下与抛光垫接触并高速旋转，在凸起的位置 (如位置 1)机械摩擦作用强，反应动能大，很容易达到反应势垒， 在 CMP 碱性条件下，螯合剂与 Cu 的氧化物和氢氧化物只有在较高的能量下才会反应，因此铜的去除速率较快；而凹处（如位置 2）的反应动能低，螯合剂不与氧化铜和氢氧化铜反应，因此起到了凹处钝化作用，可以有效保护凹处的铜膜，实现 CMP 碱性条件下很好的高低速率选择性，有利于平坦化的实现。位置 1位置 2CuMetal 活性剂 螯合剂磨料颗粒图 2.3 CMP 过程中反应剂的作用机理Fig.2.3 The function