浅析Cu互连化学机械抛光液发展趋势及技术挑战
摘要：随着集成电路器件特征尺寸不断缩小，硅片尺寸不断增大，IC工艺变得越来越复杂和精细。为了提高器件的可靠性和使用寿命，芯片金属互连由铝互连向铜互连转移。而且对表面质量提出了更高的要求，要求表面必须进行全局平坦化，而铜互连化学机械抛光（CMP）是目前唯一能够实现芯片全局平面化的实用技术和核心技术。CMP一种将纳米粒子的研磨料作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来达到全局平坦化技术，而铜互连化学机械抛光液（Slurry）又是Cu互连CMP的关键要素之一，其性能直接影响CMP后表面的质量。文章将讨论Cu互连优势，Cu互连CMP工艺，铜互连CMP抛光液工作机理，最后浅谈未来Cu互连CMP可能遇到的技术挑战和抛光液所对应的发展趋势。
关键词：铜互连化学机械抛光液；添加剂；研磨料；技术挑战；发展趋势
一、引言
自1990年代中期IBM、Intel、AMD和其他IC制造商决定用铜制工艺取代铝工艺以来，铜工艺的主要优点基本保持不变。铜电阻较小，具有更好的导电性，这意味着内连接导线在具有同等甚至更强电流承载能力的同时可以做得更小、更密集。传统的铝互连工艺因不能满足器件要求也逐渐被铜互连工艺取代。与传统的铝互连相比，铜互连有许多优点：第一，铜的电阻率比铝小（Cu：1.7uΩ/cm，AI：2.8uΩ/cm），使得铜互连线上功耗比铝互连小。第二，铜互连线的寄生电容比铝互连线小。由于铜的电阻率比铝低，导电性好，在承受相同电流时，铜互连线横截面积比铝互连线小，因而相邻导线问的寄生电容小，信号串扰也小。铜互连线的时间参数RC比铝互连小，信号在铜互连线上传输的速度也比铝互连快，这对高速IC是很有利的。第三，铜的抗电迁移率比铝好（Cu<107A/cm2，Al<106A／cm2），不会因为电迁移产生连线空洞，从而提高了器件可靠性。因此，采用铜互连的器件能满足高频、高集成度、大功率、大容量、使用寿命长的要求。但是，由于铜在刻蚀过程中刻蚀氯化物不易挥发，所以无法用等离子体刻蚀来制备图形，而IBM发明的双大马士革（Dual Damascene）工艺则巧妙解决了这一问题。在双大马士革工艺中，首先对氧化物介质层进行刻蚀，产生用于镶嵌工艺的沟槽，其次沉积金属阻挡层，铜籽晶层，再次通过ECP电镀工艺把沟槽内填满铜，最后用于实现铜平坦化的Cu CMP工艺也就随之产生了。
二、Cu CMP工艺介绍
在Cu CMP中，Cu的抛光过程大致分为以下几步（见图1）：第一，硅片（cu表面）在氧化剂的作用下被氧化，形成表面氧化膜，一部分被氧化为CuO和Cu2O，还有一部分被腐蚀为铜离子而溶解到浆料中，表面膜的组成CuO和Cu2O的混合物。第二，使用磨料将Cu表面凸起处的氧化膜磨去，低凹处的表面膜依然存在，阻止了浆料中的氧化剂对深层Cu的进一步腐蚀。第三，Cu2+或Cu+与钝化剂或络合剂反应，转化为极稳定的可溶络合物进入溶液，从而有效控制了铜离子的沾污。第四，浆料中的络合物被浆料的湍流带走。新鲜的Cu表面在浆料的作用下继续被氧化，机械磨除、络合，反应产物被浆料的湍流带走，周而复始，完成Cu的CMP过程。
三、Cu CMP抛光液工作机理
Cu互连CMP抛光液（Slurry）主要由研磨料、氧化剂、腐蚀抑制剂、络合剂、去离子水等组成。另外还包括一些其他添加剂，以增加抛光液的稳定性、改善抛光效果。而其中的研磨料是最重要的一种原料，其颗粒大小，形状、分散度、浓度等参数对抛光速率起和避免缺陷的产生均起着关键的作用。研磨料主要分为Al2O3，和SiO2两大类。Al2O3，硬度大，去除速率快，由于粒径大，抛光后容易造成划伤且吸附性强，抛光后难以清洗，所以这种磨料常应用在对Cu的粗抛的Slurry中；而SiO2粒径小，且在不同的pH条件下都具有良好的悬浮性，抛光后可以获得良好的表面状态，含有这种研磨料的Slurry通常应用在Cu互连CMP工艺后面的阻挡层精抛光。整个Cu互连化学机械抛光液抛光过程如下：第一，在铜表面形成机械研磨之前，首先通过研磨液的化学作用在其表面形成较硬的氧化物或氢氧化物。表面层的形成、金属的溶解等可以通过表面材料的电化学反应理解：Cu2++2e-←→Cu；2Cu2++H2O+2e-←→Cu2O+2H+。第二，通过研磨颗粒的机械作用将表面氧化铜去掉。第三，通过研磨垫与晶圆之间的相对转动和研磨液源源不断地加入，将含有氧化铜的溶液冲走。Cu互连CMP研磨工艺通常包括3步：第一步用来磨掉晶圆表面的大部分金属；第二步通过降低研磨速率的方法精磨与阻挡层接触的金属，并通过终点侦测技术（Endpoint）使研磨停在阻挡层上；第三步是磨掉阻挡层以及少量的介质氧化物，并用大量的去离子水（DIW）清洗研磨垫和晶圆。第一和第二步的研磨液通常是酸性的，使之对阻挡层和介质层具有高的选择性，我们金属（Cu）抛光液。而第三步的研磨液通常是偏碱性，对不同材料具有不同的选择性，我们称之为介质抛光液。这两种抛光液（金属抛光液/介质抛光液）均含有H2O2、抗腐蚀的BTA（三唑甲基苯）以及其他添加物。对Cu互连CMP抛光液的要求主要为：低压力条件下高研磨速率且可控，以有利于低k介质的应用；氧化剂及其他添加剂稳定，延长粒子的寿命；低腐蚀和磨痕；具有高选择比；抛光后铜表面光滑，良好表面状态；经济效益和环保因素。
四、未来Cu互连CMP可能遇到的技术挑战和抛光液所对应的发展趋势
Cu CMP抛光液（Slurry）研究的最终目的是找到化学作用和机械作用的最佳结合点，以致能获得去除速率高、平面度好、膜厚均匀性好及选择性高的Slurry。Slurry的精确混合和批次之间的一致性对获得硅片与硅片、批与批的重复性是至关重要的，其质量是避免在抛光过程中产生表面划痕的一个重要因素。当然还要考虑易清洗性、对设备的腐蚀性、废料的处理费用及安全性等问题。目前Cu CMP Slurry的整体趋势朝着更强的化学反应活性、更温和的机械作用的方向发展。
（一）采用碱性抛光液可以得到更好的抛光效果
目前Cu CMP Slurry采用的均为酸性抛光液，研磨料均采用Al2O3，但该类抛光液在开发过程中也遇到了许多问题，由于研磨料颗粒硬度大容易造成表面损伤，而且还会对芯片造成污染等，因此新一代的Cu CMP要求开发新型磨料及抛光液以利于金属铜表面的平坦化。河北工业大学微电子研究所研制了碱性抛光液，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200mm-900nm可控的效果。
（二）小粒径研磨料可以消除许多缺陷
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。但是，随着Cu互连集成度的不断提高，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）等问题越来越严重。因此，已有研究人员采用小粒径磨料（15mm-20nm）来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。同时为了既提高抛光速率，又能避免产生划伤、残余颗粒沾污，他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其他同类产品，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。
（三）低k材料的引用带来的技术挑战
摩尔定律推动技术节点的代代前进，这将使抛光液的性能、质量控制、工艺可靠性及供应稳定性面临更大的挑战。对于Cu互连工艺中所用某些新材料，如低k材料，其亲水性差，亲油性强，多孔性和脆性等特点还要求Slurry的性能要足够温和，否则会造成材料的垮塌和剥离。因此，如何去除线宽减小和低k材料带来的新缺陷，如何在减低研磨压力的情况下提高生产率等因素促成了柔软研磨颗粒的研发，在抛光液中采用混合型的颗粒，即聚合物与传统陶瓷颗粒的结合体，在平整度改善以及缺陷度降低方面展示出了良好的前景。陶瓷颗粒通常具有较强的研磨能力，因此去除率较高，但同时这也会在与硅片接触点附近产生更强的局部压强。这可能会导致缺陷的产生。因此，研磨颗粒的形状变得至关重要（边缘尖锐的或是圆滑的），而通常这依赖于Slurry颗粒的合成工艺。与陶瓷颗粒相反，聚合物颗粒通常比较柔软，具有弹性且边缘圆滑，因此能够将所施加的应力以一种更加温和、分布均匀的方式传递到硅片上。IMEC的研发工程师Janvaes表示，理论上讲，带聚合物外壳的陶瓷颗粒能够将这两者的优点完美的结合在一起——坚硬的颗粒可以以一种非损伤的方式施加局部应力。这种结合体具有提高研磨移除率、改善平整度、降低缺陷发生率的潜力。
（四）抛光液中添加剂的加入成为必然的趋势
在Cu CMP Slurry中添加抑制剂或其他添加剂也是未来Slurry发展的趋势之一。TimTobin认为，在IC器件进一步向着体积更小，速度更快的技术要求驱动下，互连技术平坦化要求集中体现在：提高平面度、减少金属损伤、降低缺陷率。对于铜互连结构来说由于铜本身无法产生自然钝化层，对于先进的铜工艺，要求研磨剂供货商能够更为仔细地考虑添加到研磨剂中的抑制的分解或腐蚀力，可能对窄线条产生极大的局部影响，造成严重的失效。对于先进的铜互连工艺，Slurry中的抑制剂成分至关重要。Technion University正在研究采用阴离子吸附的铜钝化工艺中的热力学问题。随后，IMEC工程师向测试研磨剂中添加了吸附剂，结果发现降低了CMP工艺所造成的碟形凹陷，这表明了向研磨剂中加入添加剂的方法能够应用于未来的硅片加工制造中。同时Vaes介绍说用贵金属钌作为阻挡层材料可以减少甚至消除对籽晶层的需要，这样就可以直接在钌的阻挡层上电镀金属铜。但是，金属钌在电化学腐蚀中具有更高的驱动力，因此需要更为有效或者浓度更高的阳极抑制剂。类似Cabot这样的供应商已经开发出了采用额外抑制剂的贵金属阻挡层抛光液。
五、小结
总之，随着Cu互连工艺的不断发展，随之而来的许多缺陷、无法预料的技术挑战将激励着抛光液研究人员的不断创新，现在已经有研究人员研制出一种自成形的阻挡层能够在没有额外化学材料的基础上消除抛光步骤。根据IMEC的研究成果，通过热处理工艺在铜合金表面形成阻挡层，这样便在绝缘材料和铜之间形成了绝缘阻挡层。Cabot的CMP院士Paul Feenoy表示，这样我们便不再需要传统的阻挡层抛光步骤，但是对铜抛光后的表面形貌还存在相同的要求。新型抛光液的开发朝着不同的方向发展，甚至当我们关注腐蚀反应中的阴极部分时，氧化剂的动力学也在改变。
参考文献:
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（作者单位：上海交通大学微电子学院）
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