铜布线化学机械抛光技术分析

高的表面平整度 。
2 铜 CM P 的作用机理
图 1 铜 CM P 的影响因素
料 。当被抛光材料 (如硅片) 表面铜薄膜厚度和图 案密度确定下来后 ,抛光的设备参数主要包括抛 光压力 、抛光时间 、抛光盘与硅片的绝对转速和相 对转 速 等 , 这 也 是 进 行 CM P 控 制 的 主 要 参 数[7 ,8] 。随着抛光时间的增加 ,抛光垫逐渐老化 , 因此抛光垫的修整方式 、修整时间等对抛光质量 和硅片与硅片间非均匀性 ( W TWUN) 有相当大 的影响 。抛光液主要由磨料 、氧化剂 、p H 值调节 剂及其他的添加剂组成 ,是影响 CM P 质量的关 键因素 。铜 CM P 中材料去除率与抛光液中相应 的化学成分的浓度之间有一定的关系 ,浓度低的 时候是化学控制的 ,浓度高的时候是机械控制的 。 Huang 等[9] 在研究铜溶解反应时认为 ,铜的材料
采用电化学的测试方法 ,通过测试腐蚀电流
密度 ,积分后可以获得 Q ,进而可以获得化学腐蚀
作用导致的材料去除 。
目前存在的铜 - 抛光液系统均可以采用电化
学的研究方法进行研究[2 ,16 ] 。现将有关抛光中获
得的电化学测试数据进行对比 ,如表 1 所示 。可
见 ,尽管采用不同的抛光设备和电化学测试设备 ,
2. 1 物理机理 在物理机理方面 ,铜 CM P 和其他材料 CM P
具有类似的机理 。目前有大量的学者从机械的角 度研究影响 CM P 的材料去除模式 。除了上述的 唯象学描述外 ,根据不同的压力和速度条件下硅 片与抛光垫间所处的接触状态的不同 ,已经提出 了接触模型[9 ] 、流体模型[10 ,11 ] , 以及流体和接触 同时作用的混合模型[12] 。目前认为半接触的混 合模型与实际情况比较符合 ,更容易被接受 。但 是 ,还没有更合理的模型揭示 CM P 的材料去除 机理 。 2. 2 化学机理
很少 ,但其实不然 ,铜 CM P 是一个多输入变量的
动态过程 。CM P 的主要影响因素见图 1 ,包括设
备过程因素 、抛光液 、抛光垫修整方式和抛光材
去除在化学作用控制时 ,还可分为化学和扩散作 用 。此时铜的去除率可以由下式得到 :
1= 1 +1
(2)
R
Rchem
Rdiff
式中 , Rchem 和 Rdiff 分别为在化学作用下的材料去除率和
0 引言
集成电路 ( IC) 制造业已经进入了甚大规模集 成电路 ( UL SI) 时代[1] 。随着集成电路的器件尺 寸缩小 、布线层数增加 ,促使金属线宽变窄 ,这导 致了金属连线的电阻率增大和电路的 RC 延迟增 大 ,严重制约着集成电路的性能 。铜由于具有比 铝更好的抗电迁移能力和高的导电率 ,已经替代 铝成为深 亚 微 米 集 成 电 路 的 导 线 材 料[2 ,3] 。目 前 ,采用铜化学机械抛光 ( CM P) 的大马士革镶嵌 工艺是唯一成熟和已经应用到铜互连线的布线技 术 。铜 CM P 作为 UL SI 多层布线的关键平坦化 技术 ,对 UL SI 的发展有很大的影响 。
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被机械去除 ,从而实现铜的抛光材料去除 。
由于一般的铜抛光液为电解液 ,铜在抛光液
的作用下将发生电化学反应 。抛光的材料去除与
电化学过程有关 ,采用电化学的测试方法可以对
铜 CM P 环境中发生的电化学腐蚀进行分析 。目
前 ,电化学方法包括极化曲线[15 ,16] 、电化学阻抗
谱[17] 、开路电压和电位 - p H 图等 ,均已成为分析
外 ,温度和抛光液与硅片间的实际接触时间又影 响到氧化剂在 表 面 的 扩 散 深 度 δ, 而 且 化 学 反 应 自身不论是吸热过程还是放热过程 ,均会影响抛 光温度 。在机械和化学协同作用方面 , 铜 CM P 材料去除不仅仅是化学材料去除和机械材料去除
的简单加和 。实验表明 ,仅含抛光粒子的抛光液 的材料去除率远远低于存在氧化剂的抛光液 ,而 单纯的化学腐蚀也不可能获得所需的抛光速率和
但所获得的结论比较类似 ,即抛光的机械作用增
大了腐蚀电流 ,因此可以认为机械作用增加了抛
光表面铜的化学反应 。
表 1 抛光过程中的电化学测试结果
抛光液
w (urea - H2O2) = 5 % w (N H4O H) = 5 %
物有可能不被溶解而直接进入抛光液 ,甚至可能
导致重新沉积回硅片表面[6] 。而如果增强抛光过
程中的化学作用 ,虽然能够加强抛光产物的溶解
和铜的氧化 ,但是如果化学作用过强 ,将增加铜表
面的化学腐蚀 ,使得表面很难抛平 ,同时致使表面
粗糙度增大 。由此可见 ,只有在化学作用与机械
作用达到一个很精细的平衡时 ,才能实现表面低
铜 CM P 设备与单晶硅或者介质层 CM P 的 设备相同 。一般由旋转的硅片夹持器 、抛光垫 、工 作台和抛光浆料供给装置等几部分组成[4] 。抛光 时 ,以一定的压力将旋转的硅片压在旋转的抛光 垫上 ,而由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的 抛光液在工件与抛光垫之间流动 ,在机械作用和 抛光液的化学作用下实现硅片表面的材料去除和 全局平整化 。由于铜是具有化学和电化学活性的 金属 ,铜表面在抛光液的化学作用下会发生腐蚀 ,
铜布线化学机械抛光技术分析 ———李秀娟 金洙吉 苏建修等
的配合下 ,使材料去除过程能继续下去 。抛光中
凸的表面抛光速度快 ,凹的表面抛光速度低 ,这样
最终实现表面的全局平整化 。
1. 2 影响因素分析
在铜 CM P 的过程中 ,如果机械的因素较强 ,
则铜薄膜表面容易出现擦伤 ,而且抛光下来的产
损伤和高平整的加工 。
目前 ,铜化学机械抛光的材料去除率 R 一般
沿用唯象学的方法描述 :
Baidu NhomakorabeaR = kpv
(1)
式中 , v 为硅片与抛光垫间相对线速度 ; k 为比例常数 ; p
为作用在硅片表面的压力 , p = L/ A ; L 为作用的载荷 ; A
为硅片与抛光垫间的实际接触面积 。
从式 (1) 看 ,影响材料去除率的主要因素似乎
中国机械工程第 16 卷第 10 期 2005 年 5 月下半月
铜布线化学机械抛光技术分析
李秀娟 金洙吉 苏建修 康仁科 郭东明
精密与特种加工教育部重点实验室 ,大连理工大学 ,大连 ,116024
摘要 :对用于甚大规模集成电路 ( UL SI) 制造的关键平坦化工艺 ———铜化学机械抛光 (CM P) 技术进行了讨论 。着重分析了铜化学机械抛光的抛光过程和相关的影响因素 ;根据现 有的研究成果主要介绍了铜化学机械抛光的化学材料去除机理 ;在分析抛光液组成成分的基 础上 ,总结了现有的以 H2 O2 为氧化剂的抛光液和其他酸性 、碱性抛光液以及抛光液中腐蚀抑 制剂的研究情况 ;指出了铜化学机械抛光今后的研究重点 。
铜 CM P 过程和机理的有力工具 。在电化学中认
为 ,总的腐蚀材料去除 ,即化学作用导致的材料去
除量 (也是铜的阳极氧化的体积) 为
W corr = QM / ( nFρ)
(3)
式中 , Q 为通过积分电流随时间变化获得的电量 ; M 为产
物的克分子量 ; n 为生成 1 个分子的产物所需获得的电子 数 ; F 为法拉第常数 ;ρ为金属的密度 。
铜 CM P 抛光液成分复杂多样 ,铜的 CM P 过 程的化学机理非常复杂 。Steigerwald 等[6] 采用 氨水为络合剂 ,硝酸铁为氧化剂 ,B TA 为腐蚀抑 制剂 ,同时 L uo[13 ] 采用 N H4 O H 为氧化剂 ,进行 CM P 研究的结果均表明 ,材料的去除主要是机械 作用去除的 ,化学腐蚀剂的作用是溶解被磨下来 的铜屑 。Zeidler 等[14] 仍沿用 Karfaman 模型 ,认 为在强氧化剂存在的酸性环境下 ,铜首先在抛光 液的氧化剂作用下形成氧化物膜 ,接下来氧化膜
关键词 :甚大规模集成电路 ;化学机械抛光 ;化学机理 ;抛光液 中图分类号 : T405 文章编号 :1004 —132 Ⅹ(2005) 10 —0896 —06
Analysis and Research on Copper Chemical - mechanical Pol ishing Li Xiujuan J in Zhuji Su J ianxiu Kang Renke Guo Do ngming Key Laboratory for Precisio n & No n - t raditio nal Machining of Minist ry of Educatio n ,
扩散作用下的材料去除率 。
CM P 的复杂性不仅在于影响因素多 ,而且抛 光过程中各变量间不是相互独立的 ,存在着影响 因素间复杂的相互作用 。例如 ,抛光载荷不仅影 响硅片与抛光垫的实际接触面积 ,而且会影响系 统的摩擦热量和抛光液与实际硅片表面的作用时
间 。从温度角度看 ,一方面 ,机械作用输入的摩擦 热能够导致硅片表面温度升高 ;另一方面 ,抛光的 温度对抛光液的化学反应速度有直接的影响 。另
收稿日期 :2004 —07 —28 基金项目 :国家自然科学基金资助重大项目 (50390061)
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并且铜比较“软”,容易产生擦伤[2] ,所以铜 CM P 容易产生表面缺陷 。本文主要对近年来铜 CM P 的研究现状进行分析 。
1 铜 CM P 材料去除过程和参数分析
1. 1 铜 CM P 材料去除过程 一般铜 CM P 的材料去除过程如下[5] : 首先
是抛光液中的氧化剂通过扩散作用传递到被抛光 的沉积有铜的硅片表面 ;在硅片表面 ,铜与氧化剂 发生化学反应 ,生成化学反应物 (一般这层化学反 应物与铜的机械结合强度比较差) ;在磨粒与抛光 垫的机械作用下 ,同时去除反应物和铜 ,被去除的 铜和反应物随着抛光液的流动被带出抛光区域 。 也有学者认为在铜的抛光过程中 ,机械作用下去 除的铜磨屑被抛光液溶解或者发生络合作用后 , 随着抛光液的流动被带出抛光工作区 。可见 ,铜 的 CM P 既有化学作用 ,又有机械作用 ,是两种作 用协同的结果 。化学作用是指抛光液与铜发生化 学反应生成易去除的化学反应物 。机械的作用主 要是传递接触压力和通过具有一定速度的抛光粒 子和抛光垫传递机械能 ,使表面的反应物和铜薄 膜在原子尺度上发生材料去除 。机械作用使被抛 光的新鲜铜表面不断重新裸露出来 ,在化学作用
Dalian U niver sit y of Technology , Dalian ,116024 Abstract : The copper chemical - mechanical polishing (CM P) which is t he key planarizatio n tech2 nology for UL SI manufact uring was discussed. The polishing p rocesses of copper CM P and it s influ2 ence factor s were int roduced. Based o n t he research result s , t he material removal mechanisms of cop2 per CM P were analyzed. According to t he ingredient of slurry , t he research result s such as slurries t hat co ntent s H2 O2 as o xidant , acidic o r alkaline media and t he co rro sive inhibito r in t he slurry were summarized. In t he end , t he emp hases of t he f ut ure research were al so pointed o ut . Key words : UL SI ;CM P ;chemical mechanism ; slurry