微电子器件制备中CMP 抛光技术与抛光液的研究
http://www.51xue.org.cn 2007/6/5 源自:中华职工学习网 【字体：
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集成电路按照摩尔定律发展十分迅速，0．25μｍ的元器件已经工业规模生产，目前正在研究的器件尺寸已经达到0．10μｍ以下。ＵＬＳＩ衬底的尺寸已经从φ200 ｍｍ发展到φ300 ｍｍ，目前已经达到φ400 ｍｍ。化学机械抛光（ＣＭＰ）是最好也是唯一的全局平面化技术[1，2]。ＣＭＰ的可贵之处在于它在多层金属互连结构中既可对绝缘体又可对半导体进行全局平面化。抛光表面的质量直接关系到器件的性能质量[3，4，5]。传统的布线金属是铝，但是，由于金属导线变得更细，因此互连线的电阻增大，产生的热量增多，从而互连线金属原子在电流的作用下产生严重的电迁移现象，这大大影响了器件的可靠性和使用寿命。目前采用Ｃｕ布线是研究的重点，Ｃｕ的电阻率低（Ｃｕ 1．7μ/ｃｍ，Ａｌ 3．0μ/ｃｍ）、电迁移率低（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，实现这一替代的技术难度很大，在铜布线中一直没有得到有效解决的就是铜离子的去除问题，铜离子沾污对微电子的危害是致命的，同时还存在颗粒难以去除，选择性差等难题，所以到现在也没有实现完全取代。在ＵＬＳＩ制备过程中难度最大是介质的抛光，因为硅已经是最高价四价，且二氧化硅性质比较稳定，不能采用氧化还原的化学反应。通用的方法是采取增大磨料粒径，来提高抛光速率。但是这种方法会带来金属污染，不易清洗，磨料粒径大会造成损伤层大，划伤多。在铜抛光过程中，为了提高铜表面的平整度，要求高的凹凸选择性，均用苯并三唑作为增膜剂，降低凹处抛光速率，但是同时也降低了铜的整体抛光速率，使得工艺变得复杂。对于阻挡层的全局平面化，一般在有氧化剂的介质中将钽转化为高硬度的氧化钽，难以平坦化，目前采取增加酸度的办法来提高速率，但是却加重了污染。所以要想实现理想的全局平面化还必须对介质、阻挡层、插塞（钨或者铝）同时进行平面化[8]。不彻底解决这些难题就难以将价值几万～几十万美元的芯片进行ＣＭＰ 处理，所以至今仍处于规模应用试验阶段。
1 理论突破
1．1 ＣＭＰ 机理模型
ＣＭＰ的过程分为两个部分，即化学作用和机械作用。化学作用把表面损伤和表面附着的物质变成可溶物而溶于水，提高抛光的速率。机械作用使化学作用的产物脱离表面，保证化学作用继续进行，这两个作用周而复始的进行[9]，速率慢者控制抛光的速率。
抛光中机械去除速度服从Ｐｒｅｓｔｏｎ方程[12]：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ
式中：ＲＲ——片子去除速率；
ＫＰ——Ｐｒｅｓｔｏｎ常数，与温度、抛光液、抛光布及片子表面状况有关；
Ｐ——压力；
Ｓ——垫与片子表面的相对速率。
由公式可以看出：机械去除速率与压力和相对速率成正比。另外还和浆料的颗粒粒径有关。经过研究发现，抛光的速率除了和以上因素有关以外还与温度和抛光介质的ｐＨ 值有关。在碱性介质中，抛光速率与ｐＨ 值成正比，而在酸性介质中抛光速率和介质的ｐＨ 值成反比。因此达到了改进的抛光速率方程：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ×ＮｐＨ（碱性介质）； ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ / ＮｐＨ（酸性介质）
根据动力学过程对于铜来说，为了防止酸性介质腐蚀设备，河北工业大学研制了碱性抛光液，实现了反应产物溶于水的技术突破。碱性抛光液使化学反应增强，采用弱氧化性的、无金属离子污染的氧化剂便能使铜迅速氧化。碱性介质使凹铜区自然氧化形成保护膜，减少化学腐蚀，提高选择性，保证高平整度。大分子铜络合物在ＣＭＰ中易在机械作用下去除，提高抛光速率2 倍以上。碱性介质对不锈钢设备还具有钝化作用，防止金属沾污。碱性介质中ＳｉＯ2水溶胶很稳定，不易凝聚，采用粒径较小的ＳｉＯ2水溶胶作为磨料，就可以保证平整度。因此，采用碱性抛光液可以实现强化学、弱氧化、小粒径、高选择、速率在200～900 ｎｍ可控的效果。
1．2 优先吸附模型
刚加工的表面高密度悬挂键，能量高、活性强，它强烈地从周围环境吸附一层物质，而且很快成为极难去除的化学、键合吸附，以实现降低能量，达到稳定状态，这是客观规律。我们首先研究了表面吸附机理与吸附动力学过程，在掌握了基本规律的基础上，采取改变吸附环境，控制吸附状态的办法，特选一定物质，让它优先吸附，满足单晶片表面自由键降低能量达到稳态的要求，同时让它长期处于易清洗去除的物理吸附状态下，使吸附物在表面上的吸附不向难清洗的化学、键合吸附状态转化（如图1 所示）。采用优先吸附处理以后，可以有效解决颗粒的吸附问题。
2 技术突破和创新点
2．1 铜的抛光
由于铜是氢后金属，为了补偿和保证抛光速率，一般采用强机械研磨再化学溶除的机理模型，采用高硬度的Ａｌ2Ｏ3作为磨料。这样会造成铜粒的再吸附，损伤大、粘度大、速率低，难清洗（尤其对纳米粒子的清洗）等问题。因此，我们采用小粒径磨料（15～20 ｎｍ）能够提高抛光过程中铜与介质之间的抛光速率差，进而提高抛光的选择性、为了既提高抛光速率，又能避免产生划伤、残余颗粒沾污，我们采用化学作用为主、小粒径、高ｐＨ值、低温、高速率的办法。在相同的工艺条件下抛光速率高于国外同类产品，流动性好、无沉淀、无毒、无污染、便于操作且存放时间较长，能够有效解决残余颗粒的清洗和金属离子沾污问题。
2．2 介质ＣＭＰ
目前世界上通用的介质抛光液是粒径为130 ｎｍ 的气相二氧化硅溶于氢氧化钠溶液中，由小部分二氧化硅与碱反应生成硅酸钠，在ＣＭＰ 中，二氧化硅胶粒对片子产生机械摩擦，可除去表面抛光中与硅反应的化学反应产物。但是，这种方法容易带来污染，而且抛光液的ｐＨ 值不稳定。且容易造成损伤层，划伤缺陷多，易沉积，吸附物难清洗。为了上述问题，我们采用水中直接生长的水溶性ＳｉＯ2，并且实现了粒径达到120～130 ｎｍ，目前国际上只能生长到60～80 ｎｍ。采用100～120 ｎｍ的ＳｉＯ2水溶胶作为介质ＣＭＰ磨料有效解决了清洗与划伤的问题。
2．3 阻挡层钽和插塞的ＣＭＰ
同时我们也研究了阻挡层钽和插塞的ＣＭＰ，在碱性介质下采用15～20 ｎｍ 的磨料，并且介质和铜的速率相近，这样既保证了钽的去除速率，又防止了碟形坑的出现。并且实现低损伤、易清洗，对设备防腐。这种抛光液对于钨或铝的插塞也有很好的抛光效果。
2．4 吸附粒子的去除
目前，全局平面化中最难以解决的问题就是化学抛光以后表面难以清洗干净，在集成度日益提高的今天，对表面洁净度的要求更高。在颗粒的去除问题上，我们提出了优先吸附模型，刚加工的表面能量比较高，有吸附周围物质降低能量的趋势，由物理吸附变成化学吸附最终达到键合，与表面形成一体很难去除。我们采用活性剂，来其优先吸附与抛光表面，形成保护层，控制其它颗粒吸附物的吸附状态，人为地将吸附状态控制在易于清洗的物理吸附上，达到快速、有效去除颗粒的目的，很好的解决了抛光表面的清洗问题。台湾广润公司试用证明，φ200 ｍｍ的硅片上，粒径大于0．2μｍ 的粒子小于10 个/片。
2．5 金属离子的去除
目前集成电路对于金属离子的要求已经达到了ｐｐｔ级，以前去除金属离子都是采用具有5个螯合环的ＥＤＴＡ 二钠盐，它的螯合强度难以达到ｐｐｔ级的要求。我们发明了螯合强度很强，具有13个螯合环、无金属离子、溶于水的螯合剂，能够有效去除多种金属离子的沾污。
2．6 系列产品
集成电路的制备工艺中最重要的问题包括应力带来的缺陷和铁离子的污染问题，为了减少应力的影响，我们从衬底加工开始研究。为在衬底硅片加工的滚磨、切削、研磨、倒角等工艺上严格控制应力产生的缺陷，我们研究了适合与加工生产的切削液、磨削液、倒角液等，它们不但可以减少应力带来的缺陷，而且还可以有效防止铁离子的污染，经过厂家试用，效果显著，目前已经用于规模生产。同时，我们也对目前受到重视的外延生长问题做了进一步的研究，使得外延层晶格缺陷少，洁净度高、能有效去除划移线，实现薄层无划移外延层。
3 结束语
ＣＭＰ是提高光刻工艺的关键工序，它之所以重要是因为制造厂家向0．25μｍ和更小图形尺寸发展，尖端产品的生产面临0．10μｍ 的挑战，产业界多数人士认为ＣＭＰ 的使用将变得更为广泛。如果能够解决ＣＭＰ 中的众多难题，实现高质量的ＣＭＰ 将对微电子的进一步发展起到至关重要的作用。
参考文献
[1] Ｏ’ｍａｒａ Ｗ Ｃ． Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ｀ ｂｙ ＣＭＰ： Ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｆｕｔｕｒｅ [Ｊ]． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，1994，17（8）： 140～144．
[2] 江瑞生． 集成电路多层布线结构中的化学机械抛光技术[Ｊ] ．半导体技术，1998， 23（1）： 6～7．
[3] Ｐｉｅｔｓｃｈ Ｇ Ｊ ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅ ａｔｏｍｉｃ－ｓｃａｌｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｕｒｉｎｇ ｃｈｅｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ Ｓｉ（100） ａｎｄ Ｓｉ（111）[Ｊ]．Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， 1995； 395： 331～333．
[4] 刘风伟．硅片抛光[Ｊ]． 半导体技术，1998；（2）：47～49．
[5] 刘玉岭．硅片抛光雾的分析技术[Ｊ]． 半导体技术，1998； 23（1）： 51～54．
[6] Ｋａｐｐｉｌａ Ｗｉｊｅｋｏｏｎ． ＩＥＥＥ/ＳＥＭＩ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ[Ｃ]． 1998，354．
[7] 张国海，钱鹤，夏洋等．ＵＬＳＩ 铜互连技术中的电镀工艺[Ｊ]．半导体学报，2002， 22（80）：1093－1098．
[8] Ｒｅｎｔｅｌｎ Ｐ， Ｃｏｎｉｆｆ Ｊ． Ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｅｍ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ： ｆｒｏｍ ａｂｅｒｒａｎｔ ｔｏ ｐｒｏｓａｉｃ．Ｍａｔ Ｒｅｓ Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ Ｐｒｏｃ， 1994； 337：105－111．
[9] Ｒａｈｕｌ Ｊａｉｅａｔｈ， Ｍｕｋｅｓｈ Ｄｅｓａｉ， Ｍａｔｔ Ｓｔｅｌｌ， ｅｔ ａｌ． Ｃｏｍｓｕｍｂａｌｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ [Ｊ]． Ｍａｔ Ｒｅｓ Ｓｏｃ Ｓｙｍｐ Ｐｒｏｃ， 1994， 337：121～133．电子工业专用设备
1 理论突破
1．1 ＣＭＰ 机理模型
ＣＭＰ的过程分为两个部分，即化学作用和机械作用。化学作用把表面损伤和表面附着的物质变成可溶物而溶于水，提高抛光的速率。机械作用使化学作用的产物脱离表面，保证化学作用继续进行，这两个作用周而复始的进行[9]，速率慢者控制抛光的速率。
抛光中机械去除速度服从Ｐｒｅｓｔｏｎ方程[12]：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ
式中：ＲＲ——片子去除速率；
ＫＰ——Ｐｒｅｓｔｏｎ常数，与温度、抛光液、抛光布及片子表面状况有关；
Ｐ——压力；
Ｓ——垫与片子表面的相对速率。
由公式可以看出：机械去除速率与压力和相对速率成正比。另外还和浆料的颗粒粒径有关。经过研究发现，抛光的速率除了和以上因素有关以外还与温度和抛光介质的ｐＨ 值有关。在碱性介质中，抛光速率与ｐＨ 值成正比，而在酸性介质中抛光速率和介质的ｐＨ 值成反比。因此达到了改进的抛光速率方程：
ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ×ＮｐＨ（碱性介质）； ＲＲ＝ＫＰ×Ｐ×Ｓ×Ｔ / ＮｐＨ（酸性介质）
根据动力学过程对于铜来说，为了防止酸性介质腐蚀设备，河北工业大学研制了碱性抛光液，实现了反应产物溶于水的技术突破。碱性抛光液使化学反应增强，采用弱氧化性的、无金属离子污染的氧化剂便能使铜迅速氧化。碱性介质使凹铜区自然氧化形成保护膜，减少化学腐蚀，提高选择性，保证高平整度。大分子铜络合物在ＣＭＰ中易在机械作用下去除，提高抛光速率2 倍以上。碱性介质对不锈钢设备还具有钝化作用，防止金属沾污。碱性介质中ＳｉＯ2水溶胶很稳定，不易凝聚，采用粒径较小的ＳｉＯ2水溶胶作为磨料，就可以保证平整度。因此，采用碱性抛光液可以实现强化学、弱氧化、小粒径、高选择、速率在200～900 ｎｍ可控的效果。
1．2 优先吸附模型
刚加工的表面高密度悬挂键，能量高、活性强，它强烈地从周围环境吸附一层物质，而且很快成为极难去除的化学、键合吸附，以实现降低能量，达到稳定状态，这是客观规律。我们首先研究了表面吸附机理与吸附动力学过程，在掌握了基本规律的基础上，采取改变吸附环境，控制吸附状态的办法，特选一定物质，让它优先吸附，满足单晶片表面自由键降低能量达到稳态的要求，同时让它长期处于易清洗去除的物理吸附状态下，使吸附物在表面上的吸附不向难清洗的化学、键合吸附状态转化（如图1 所示）。采用优先吸附处理以后，可以有效解决颗粒的吸附问题。
2 技术突破和创新点
2．1 铜的抛光
由于铜是氢后金属，为了补偿和保证抛光速率，一般采用强机械研磨再化学溶除的机理模型，采用高硬度的Ａｌ2Ｏ3作为磨料。这样会造成铜粒的再吸附，损伤大、粘度大、速率低，难清洗（尤其对纳米粒子的清洗）等问题。因此，我们采用小粒径磨料（15～20 ｎｍ）能够提高抛光过程中铜与介质之间的抛光速率差，进而提高抛光的选择性、为了既提高抛光速率，又能避免产生划伤、残余颗粒沾污，我们采用化学作用为主、小粒径、高ｐＨ值、低温、高速率的办法。在相同的工艺条件下抛光速率高于国外同类产品，流动性好、无沉淀、无毒、无污染、便于操作且存放时间较长，能够有效解决残余颗粒的清洗和金属离子沾污问题。
2．2 介质ＣＭＰ
目前世界上通用的介质抛光液是粒径为130 ｎｍ 的气相二氧化硅溶于氢氧化钠溶液中，由小部分二氧化硅与碱反应生成硅酸钠，在ＣＭＰ 中，二氧化硅胶粒对片子产生机械摩擦，可除去表面抛光中与硅反应的化学反应产物。但是，这种方法容易带来污染，而且抛光液的ｐＨ 值不稳定。且容易造成损伤层，划伤缺陷多，易沉积，吸附物难清洗。为了上述问题，我们采用水中直接生长的水溶性ＳｉＯ2，并且实现了粒径达到120～130 ｎｍ，目前国际上只能生长到60～80 ｎｍ。采用100～120 ｎｍ的ＳｉＯ2水溶胶作为介质ＣＭＰ磨料有效解决了清洗与划伤的问题。
2．3 阻挡层钽和插塞的ＣＭＰ
同时我们也研究了阻挡层钽和插塞的ＣＭＰ，在碱性介质下采用15～20 ｎｍ 的磨料，并且介质和铜的速率相近，这样既保证了钽的去除速率，又防止了碟形坑的出现。并且实现低损伤、易清洗，对设备防腐。这种抛光液对于钨或铝的插塞也有很好的抛光效果。
2．4 吸附粒子的去除
目前，全局平面化中最难以解决的问题就是化学抛光以后表面难以清洗干净，在集成度日益提高的今天，对表面洁净度的要求更高。在颗粒的去除问题上，我们提出了优先吸附模型，刚加工的表面能量比较高，有吸附周围物质降低能量的趋势，由物理吸附变成化学吸附最终达到键合，与表面形成一体很难去除。我们采用活性剂，来其优先吸附与抛光表面，形成保护层，控制其它颗粒吸附物的吸附状态，人为地将吸附状态控制在易于清洗的物理吸附上，达到快速、有效去除颗粒的目的，很好的解决了抛光表面的清洗问题。台湾广润公司试用证明，φ200 ｍｍ的硅片上，粒径大于0．2μｍ 的粒子小于10 个/片。
2．5 金属离子的去除
目前集成电路对于金属离子的要求已经达到了ｐｐｔ级，以前去除金属离子都是采用具有5个螯合环的ＥＤＴＡ 二钠盐，它的螯合强度难以达到ｐｐｔ级的要求。我们发明了螯合强度很强，具有13个螯合环、无金属离子、溶于水的螯合剂，能够有效去除多种金属离子的沾污。
2．6 系列产品
集成电路的制备工艺中最重要的问题包括应力带来的缺陷和铁离子的污染问题，为了减少应力的影响，我们从衬底加工开始研究。为在衬底硅片加工的滚磨、切削、研磨、倒角等工艺上严格控制应力产生的缺陷，我们研究了适合与加工生产的切削液、磨削液、倒角液等，它们不但可以减少应力带来的缺陷，而且还可以有效防止铁离子的污染，经过厂家试用，效果显著，目前已经用于规模生产。同时，我们也对目前受到重视的外延生长问题做了进一步的研究，使得外延层晶格缺陷少，洁净度高、能有效去除划移线，实现薄层无划移外延层。
3 结束语
ＣＭＰ是提高光刻工艺的关键工序，它之所以重要是因为制造厂家向0．25μｍ和更小图形尺寸发展，尖端产品的生产面临0．10μｍ 的挑战，产业界多数人士认为ＣＭＰ 的使用将变得更为广泛。如果能够解决ＣＭＰ 中的众多难题，实现高质量的ＣＭＰ 将对微电子的进一步发展起到至关重要的作用。
参考文献
[1] Ｏ’ｍａｒａ Ｗ Ｃ． Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ｀ ｂｙ ＣＭＰ： Ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｔｈｅ Ｆｕｔｕｒｅ [Ｊ]． Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，1994，17（8）： 140～144．
[2] 江瑞生． 集成电路多层布线结构中的化学机械抛光技术[Ｊ] ．半导体技术，1998， 23（1）： 6～7．
[3] Ｐｉｅｔｓｃｈ Ｇ Ｊ ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅ ａｔｏｍｉｃ－ｓｃａｌｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｕｒｉｎｇ ｃｈｅｍｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ Ｓｉ（100） ａｎｄ Ｓｉ（111）[Ｊ]．Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ， 1995； 395： 331～333．
[4] 刘风伟．硅片抛光[Ｊ]． 半导体技术，1998；（2）：47～49．
[5] 刘玉岭．硅片抛光雾的分析技术[Ｊ]． 半导体技术，1998； 23（1）： 51～54．
[6] Ｋａｐｐｉｌａ Ｗｉｊｅｋｏｏｎ． ＩＥＥＥ/ＳＥＭＩ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ[Ｃ]． 1998，354．
[7] 张国海，钱鹤，夏洋等．ＵＬＳＩ 铜互连技术中的电镀工艺[Ｊ]．半导体学报，2002， 22（80）：1093－1098．
[8] Ｒｅｎｔｅｌｎ Ｐ， Ｃｏｎｉｆｆ Ｊ． Ｔｈｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｅｍ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ： ｆｒｏｍ ａｂｅｒｒａｎｔ ｔｏ ｐｒｏｓａｉｃ．Ｍａｔ Ｒｅｓ Ｓｏｃ． Ｓｙｍｐ Ｐｒｏｃ， 1994； 337：105－111．
[9] Ｒａｈｕｌ Ｊａｉｅａｔｈ， Ｍｕｋｅｓｈ Ｄｅｓａｉ， Ｍａｔｔ Ｓｔｅｌｌ， ｅｔ ａｌ． Ｃｏｍｓｕｍｂａｌｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ [Ｊ]． Ｍａｔ Ｒｅｓ Ｓｏｃ Ｓｙｍｐ Ｐｒｏｃ， 1994， 337：121～133．电子工业专用设备
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