1 前言
由于铝自身的性质，导致传统的铝布线工艺制作的器件经常会因铝的电迁移而失效，随着ULSI特征尺寸的进一步减小，布线层数增加、宽度也随之变细，这个问题也变得更加突出。而铜的多层布线恰恰能避免这一问题的出现，因此在深亚微米工艺中（0.18μm及以下），铜将逐步代替铝成为硅片上多层布线的材料。现在，已被普遍承认的是，对于最小特征尺寸在0.35μm及以下的器件，必须进行全局平面化，而化学机械抛光（CMP）是最好的也是唯一的全局平面化技术。
铜与传统的铝及其合金相比主要有以下一些优点[1]：较低的电阻率（Cu：1.68 μΩ·cm ；A1：2.66～4.0 μΩ·cm）；更好的抗电迁移能力；更高的熔点（1358℃），更高的热传导系数（Cu：398W/m；A1：238W/m）。但是铜本身也有一些缺点：易氧化，易与周围的环境发生反应；与介质层的粘结性差以及很关键的是铜易扩散进入硅与二氧化硅，并且在较低的温度下就会形成铜与硅的化合物。铜扩散进入硅会成为深能级的杂质，影响器件的可靠性；硅扩散入铜将增加铜的电阻率。因此要成功实现硅芯片上的铜金属化布线，首先应找到一种能有效阻挡铜硅互扩散的材料。
大量的难熔金属及其二元、三元化合物都被研究作为阻挡材料。如Ti，TiN，WNx，Ta，TaNx，TaCx，TaSiN，WSiN。这些材料中，钽有较高的电导率，性质不活泼，在高温下也不与铜和二氧化硅反应生成合金，有很高的熔点（2996℃），与介质材料有良好的粘结性，因此成了铜硅之间阻挡层的极佳选择。钽（Ta）有体心立方晶体结构，晶格常数a=32.959nm，除氢氟酸、发烟硫酸和强碱外，在室温附近几乎能抗所有盐溶液和无机酸的腐蚀。钽的主要物理和机械性质见表1[2] 。
2 两步抛光原理及终抛抛光液
优化依据
2.1 铜钽两步抛光原理分析
在铜多层布线CMP过程中，如果使用一种抛光液和抛光条件，在CMP刚开始时抛光速率相对很快，抛到钽层时，因为钽的抛光速率较低，铜的抛光速率较高，这样必然行成碟型坑。碟形坑的出现降低了金属线的厚度，增大了布线电阻，进而降低了器件的可靠性。为此，国际上常采用二抛方法 [3]，即初抛和终抛，来避免这一问题。
初抛要求铜的抛光速率相对较快，抛光液大速率地去除过多的铜，达到全局平面化。为此，我们设计的铜的化学机械抛光动力学为化学控制。即机械作用充分，化学作用不够，抛光液中，通过控制组分含量的变化来控制CMP的工艺参数。采用的过程为：磨料粒度小、浓度大、转速快、抛光布平而硬；流速很大，产物可溶情况下，一般化学作用较慢，所以反应为化学过程控制。根据CMP初抛要求来解决化学控制的主要因素，我们设计的抛光浆料路线是：低氧化、强络合；磨料小粒径、高浓度。这样就达到高速率、无污染、高选择、低损伤、高平整和高洁净的目的，可在较短的时间内达到全局平面化。
在终抛过程中以抛光液去除残留的铜和阻挡层膜，为确保可接受的良好CMP形貌，关键在于获得一个合理的铜钽去除速率。钽是惰性金属，要想通过提高化学作用来提高它的CMP速率很不容易。因此，我们在初抛浆料的基础上提高机械作用、降低对铜的化学作用来降低铜的CMP速率，并以低氧化、加快生成钽的可溶性盐的反应速率来提高钽的CMP速率，以使CMP速率比达到Ta:Cu = 1:1。
2.2 抛光液优化依据
文献[4]中分析了Ta在 SiO 2和Al2O3抛光液中的抛光速率，提出在无氧化剂存在时，Ta的抛光速率最高，Ta的抛光速率随着氧化剂的加入浓度的增加而减少。在水溶液中Ta表面易形成氧化层保护膜Ta2O5[5]。而在有氧化剂的情况下，加强了氧化层的形成，使氧化层变得更厚，因此钽表面的抗蚀性更强[6]，抛光速率降低，更加难以去除。而在铜CMP中氧化剂浓度的增加，使铜的抛光速率增加。因此在对具有阻挡层金属Ta的Cu抛光中，氧化剂的加入对Cu和Ta的抛光形成了矛盾，抛光液的成分优化显得尤为重要。
在终抛酸性抛光液中，铜表面形成的氧化钝化层的结构和成分因pH值不同而不同。低pH值时铜表面钝化层为多孔易渗透的Cu2O膜；高pH值时为致密紧凑的CuO膜，该膜能阻止铜离子从基质金属中扩散。铜的氧化物在pH值为2～4的Cu－H2O系统中热力学性质不稳定。因此随着pH值的升高，由于铜表面膜钝化程度的提高，铜的抛光速率逐渐降低。抛光液的pH值对钽的去除速率也有非常强的影响。在氧化剂存在时，钝化表面层的性质支配着金属去除过程[4]，碱性抛光液情况下，钽的抛光速率随着pH值（>10）的增加而增加。低pH时钽的表面生成的钝化层要比高pH值时生成的钝化层更具有保护性。而在pH值刚超过10时钽的抛光速率陡增，因此在超过该值时钝化层的性质发生了改变，此时的钝化层变得较软而容易被抛光液去除。
从上面的讨论可知，氧化剂存在时，Ta的抛光速率随着pH值的升高而升高，在相同条件下，Cu的抛光速率随着pH值的升高而下降。在我们选取的碱性抛光液中，减小氧化剂的作用，络合充分的前提下，因为氧化不充分而抑制了整个化学动力学过程[7]的缘故，致使铜的抛光速率进一步降低；而氧化剂作用的减小，使钽表面抗蚀性强的氧化物的产生减小，有利于钽的可溶性盐类的形成，因而提高了钽的抛光速率。这就是说，通过优化一些抛光液的配比特性，可以达到最合适的铜对钽的抛光选择一致性。
3 实验分析
3.1 初抛实验
研制出的初级抛光液，初抛选择性好，Ⅰ型以有机碱为络合剂，Ⅱ型以醇胺为络合剂，Ⅲ型是纯化后的Ⅰ型。已进行了上线试验。试验条件为，研磨机：压力3.5pis，时间60s，ps/cs 35/40rpm；水抛机：压力1.5pis，时间20s，ps/cs 60/65rpm。其测试结果如表2。
由以上结果可以看出，这种抛光液只适合初抛，在此过程中，铜的抛光速率很快，对氧化层和钽层进行CMP的选择性很高（大于14:1），有利于迅速达到全局平面化，适合生产的要求。但是在终抛过程中，要求氧化层、铜层和钽层抛光速率基本为1:1:1，因此需要研究适合终抛的抛光液。
3.2 终抛铜/钽抛光液优化实验
抛光设备：C6382I-W/YJ型二氧化硅抛光机。检测设备：红外测温仪、电热鼓风箱和千分表。实验材料：表面上沉积900nm厚Ta层的硅单晶片，与硅单晶片等厚的铜片。
3.2.1 试验一
试验条件：压力：1.9atm；温度：25℃；浆料的流速：450mL/min；使用抛光液CMP时间：1min；水抛1min。取1kg硅胶，向其中加入1kg去离子水，再加入10mL螯合剂和10ml活性剂，搅拌均匀。
试验结果如表3。
由以上试验结果可以看出，未加氧化剂以降低氧化作用，同时通过降低对铜的络合作用、提高机械作用（通过提高磨料的含量），可以明显降低铜的CMP速率。氧化作用很低使钽的CMP速率较高，可以满足生产的要求。为了达到铜∶钽等于1:1的要求，就需要再加入微量的络合剂，来提高铜的CMP速率。
3.2.2 实验二
试验条件：压力：1.9atm；温度：25℃；浆料流速：450mL/min；抛光液抛时间：1min；水抛30s。
取1kg硅溶胶，加入1kg去离子水，再向其中加入25ml有机碱，搅拌均匀；再向其中加入10mL螯合剂和10mL活性剂，搅拌均匀。
试验结果如表4。
由以上试验结果可以看出，有机碱的加入对铜离子产生络合作用，使铜的抛光速率有所上升，达到1000nm/min；对带钽层的单晶硅抛光速率也基本为对钽的CMP速率，并且速率大小基本与铜的CMP速率一致。因此，这种抛光液适合ULSI多层布线金属阻挡层的CMP。
由这两个试验可以看出，在终抛过程中，提高机械作用，降低对铜的化学作用，可以达到钽/铜的CMP速率为1:1。
4 小结
本实验中的抛光液为碱性抛光液，抛光液中的化学介质为有机碱[8]，所选用的有机碱带有羟基和双胺基。抛光液中氧化剂及pH值对抛光速率有着重要的影响，由于铜与钽自身性质的原因，氧化剂与pH值对两者的影响趋势是不一样的：有氧化剂存在时，Ta的抛光速率随着pH值的升高而升高，在相同条件下，Cu的抛光速率却随着pH值的升高而下降。这就为优化铜布线抛光液，以达到铜钽的一致性并避免碟形坑的出现提供了保证，并且还可以进一步进行抛光截止点的相关研究。
参考文献:
[1] 庞恩文，林晶，汪荣昌，等. 铜布线工艺中阻挡层钽膜的研究[J].固体电子学研究与进展，2002,22（1）：78-81.
[2] 黄波.固体材料及其应用[M].广东：华南工学院出版社，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，刘玉岭，檀柏梅.用于铜的化学机械抛光液的研究[J].固体电子学研究与进展，2002,22（3）：318-320.
[8] 王弘英，刘玉岭，张德臣. 适于ULSI的一种新的铜的CMP抛光液[J].半导体学报，2002,23（2）：217-221.
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