（机械电子工程专业论文）ulsi铜互连层cmp抛光液研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路0 c ) 特征线宽微细化进程的加快，光刻焦深变得越来越短，对i c 芯片 表面平整度的要求也越来越苛刻，加之硅片直径的增大和金属布线层数的不断增加，给 化学机械平坦化( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp l 粕a r i z a l i ，c m p ) 技术带来了前所未有的挑战。 虽然c m p 技术被认为是目前可以兼顾i c 芯片全局和局部平整度要求的、最实用的超大 规模集成电路( u l s i ) 铜互连层平坦化方法，但由于铜c m p 抛光机理极为复杂，仍然存 在工艺稳定性差、成品率和生产率较低等问题。在c m p 过程中，铜c m p 抛光液对被加 工表面具有化学腐蚀和机械研磨的双重作用，对抛光效果有着重要影响，目前仍存在诸 如金属离子污染、分散性差、碱性环境下材料去除率低等问题。深入研究铜c m p 材料 去除机理以及研究和开发更高性能抛光液是解决上述问题的有效途径，也是当前c m p 技术领域的研究热点。 本文以u l s i 铜互连层c m p 抛光液配方为研究方向，在介绍、分析抛光液的材料 去除原理和特点以及总结已有研究成果的基础上，将研究定位于碱性铜抛光液。以提高 抛光液的材料去除率、降低抛光液中金属离子含量和提高抛光质量为目标，进行了抛光 液配方选择和优化方面的研究，找到了较好的抛光液成分和配方，研制出了性能良好的 碱性铜抛光液。 本文的研究思路为：首先通过对铜c m p 机理的研究，找到影响抛光质量的主要因 素，并结合当前铜抛光液存在的一些主要问题制定抛光液成分选择和配方优化的试验方 案。然后，讨论了抛光液各成分的作用原理，以u n i p o l i s 0 2 型研磨抛光机和c e t r 公 司c p - 4 型抛光机为试验平台，进行了抛光液成分选择的单因素试验，通过试验选出了 较适合u l s i 铜互连层抛光的纳米磨料、氧化剂、有机碱、表面活性剂和分散剂等主要 成分。接着，以单因素试验选出的主要成分为基础，又进行了复配次序优化、工艺参数 和组分优化等试验，得到了抛光效率较高，性能良好的碱性铜抛光液。 研究成果为提高碱性铜抛光液的抛光质量、材料去除率以及改善抛光液性能，提供 了比较系统的研究方法和丰富的试验结论，对进一步完善u l s i 铜互连层平坦化技术具 有重要指导意义。 关键词：化学机械抛光；铜；抛光液；材料去除率 s t u d yo nc m ps l u r r ys u i t a b l ef o rt h eu l s ic o p p e r i n t e r e o n n e e t i o nl a y e r a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef e a t u r es i z eo f i cb e c o m i n gf l l n a l l c l a n ds m l l l l c r ，t h ed e p t ho ff o c u so f p h o t o e t c h i n gt e e l a r t i q u ei sb e c o m i n gs h o r t e ra n ds h o r t e r t h er e q u i r e m e n t st os l l i f l t c et a i l l e $ $ a l s ot u r nt om o r er i g o r o u st h a nb e f o r e t h ei n e r e a s i n go fs i l i c o nw a f 翻l d i a m e t e ra n dl a y e r so f m u l t i - l e v e lm e t a li n t e r c o n n e c t sb r i n gc m pt e c h n o l o g ya l lu n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g e a l t h o u g h t h ec m pt e c h n o l o g yi se o m i d a e da st h em o s ta p p l i e da n di r r e p l a c e a b l em e t h o df o rr 翻i z i n g l o c a la n dg l o b a lp l a m r i z a f i o nd u r i n gt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fi c ，b u tb e c a u s et h e c o m p l e x i t yo f c o p p e rc m p m e c h a n i s m , t h e r ea 托s t i l l h l l l ep r o b l e m ss u c ha sw o l - 辩t e c h n i q u e s t a b i l i t y ，l o wr a t eo ff i n i s h e dp r o d u c t sa n dp r o d u e 廿v i t y i nt h ep r o c e s so fc m p ，t h ec o p p e r c m ps l u r r ym a k ead u a lf u n c t i o no fc h e m i c a le r o s i o na n dm e c h a n i c a ll a p p i n g , h a v ea l l i m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h es u r f a c eq u a l i t y n o w , c o p p e rc i v i l s l u r r ys t i l lh a st h ep r o b l e m so f m e t a li o nc o n t a m i n a t i o n , l o wm a t e r i a lr e m o v a lr a t ei na l k a l e s c e n te n v i r o n m e n ta n ds oo i l s t u d y i n gt h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mt h o r o u g h l yo fc o p p e rc m p a n dd e v e l o p i n gh i 曲 p c r f o r m 锄e ec m ps l u r r y ，8 st w od o a b l ea p p r o a c h e s t or e s o l v ep r o b l e m st h a tm e n t i o n e d a b o v e ， h a sb e c o m et i l er e s e a r c h i n gf o c u s e si nt h ec m i t e e l m o l o g yf i e l dr e c e n t l y t h es u b j e c to ft h i sp 印c ri st h es t u d yo fs l u r r yp r e s c r i p t i o ns u i t a b l ef o rc o p p e r i n t e r e o n n e e t i o nl a y e ri nu l s im 锄l 血c t i l r i n g f o rr e d u c i n gm e t a li o n sc o n t e n t , i m p r o v i n g m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，t h es e l e c t i o no fs l u r r yp r e s c r i p t i o na n do p t i m i z a t i o ni ss t u d i e dt h r o u g h m a n yt h e o r i e sa n de x p e r i m e n t s m e a n w h i l e ，t h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mh a sa l s ob e e n d i s c u s s e d a tl a s t , t h ei n g r e d i e n t sa n dt n 撇- f i p t i o no fs l u r r yi sf o u n d , a n dt h es l u r r yi sm a d e w i t hw e l lp r o p e r t i e s t h er e s e a r c h i n gr o u t eo ft h i sp a p e ri s ：f i r s t l y ，t h ec m pm e c h a n i s mh a sb e e ns t u d i e di n t h i sp a p e r t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ep o l i s h i n gq u a l i t ym o s t l yh a v eb e e nf o u n d a tt h e s a n l et i m ea f t e rc o n s i d e r i n gt h em a i np r o b l e m so fc o p p e rs l u r r ya tp r e s e n t , t h ep r o j e c t so f s e l e c t i n gi n g r e d i e n t s a n do p t i m i z i n gp r e s e r i p t i h a v eb e e ne s t a b l i s h e d s e c o n d l y t h e f u n e t i o mo fm a i ni n g r e d i e n t so fs l u r r yh a v eb e e na m i r z c d t h es i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t so f e v e r yi n g r e d i e n t so fs l u r r yh a v eb e e nc a r r i e do u to i lt h eu n i p o l l 5 0 2l a p p i j l gp o l i s h i n g m a c h i n ea n d c p - 4p o l i s h i n gm a c h i n e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t , t h em a i ni n g r e d i e n t so fs l u r r y , s u c h 笛a b r a s i v e , o r g a n i ca l k a l i ，o x i d a n te t e ，h a v eb e e ns e l e c t e dt h a ts u i t a b l ef o rt h ec o 印盯 p o l i s h i n g l a s t l y ，0 1 1t h eb a s i so f r e s e a r c hb e f o r e ，t h eo p l i m i t r 血o i le x p e r i m e n t so f p a r a m e t e r s l i 大连理工大学硕士学位论文 a n di n g r e d i e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u t , f i n a l l yg o tas o r to fh i g he f f i c i e n c ya n dh i g h p e r f o r m a n c ea l k a l e s c e n tc o p p e ts l u r r y t h es t u d yo ft h i sp a p e rp r o v i d e sak i n do fs y s t e m i cr e s e a r c h i n gm e t h o d sa n dag r o u po f u s e f u le x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n sf o ri m p r o v i n gt h ep o l i s h i n gq u a l i t yo fa l k a l e s c e n tc o p p e r s l u r r y ，i n c r e a s i n gt h em a = i e l i a lr e m o v a lf a t ea n dh o wt oo p t i m i z et h es l u r r yd e s c r i p t i o n i th a s s i g n i f i c a n tm e a n i n gf o rd e v e l o p i n gt h em e t a li n t e r c o n n e c t i o nl a y e rp l a n a r i z a f i o nt e c h n o l o g y f o ru i i r al a r g es c a l ei n t e g r a t ec i r c u i t k e yw o r d s ：c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ；c o p p e r ：s l u r r y ：m a t e r i a lr e m o v a lr a t e - i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：拯童二日期：丝生垒! 兰丑 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲筮墼 聊签名：么墓：芝拯导师签名：么垂。芝壅塾 1 丝：2 年互月上竺日 大连理工大学硕：l - - 学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1c m p 技术简介 化学机械抛光( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，c m p ) 技术是多层布线金属互连工艺中 的核心技术之一，c m p 技术可以有效地兼顾加工表面的全局和局部平整度，c m p 技术 已成为当前u l s i 时代最广泛使用的平坦化技术。在半导体制造技术领域，几乎所有的 技术都是首先从大学或国防研究实验室开发出来，而后这种技术顺利而迅速地在各种会 议和研究报告中传播，并逐步进入工业化生产。然而，c m p 技术却不同，该技术首先 由一些主要器件和设备制造厂商们通力合作开发，随后由于c m p 技术专家广泛地进入 研究领域，从而使c m p 技术成为整个半导体工业共同的技术【】。 c m p 技术除了广泛用于加工单晶硅衬底、多层布线金属互连层的平坦化等半导体 制造领域，还被拓宽到薄膜存贮磁盘、微电子机械系统( m e m s ) 和多功能晶体的超精密 加工等领域。在集成电路的大批量生产中，由0 2 5 或0 1 8 微米几何图形构成的逻辑器 件，最多需经1 1 次c m p 加工，存贮器件需要经过4 - 5 次c m p 加工岬i 。由于金属布 线层向更多层发展，c m p 设备工业面临着更高的要求，以达到在高生产效率的前提下 降低生产成本的目的。 c m p 技术之所以能实现全局平坦化和高的表面精度是因为它是一种真正意义上的 原子分子级的极限加工技术。该技术是将被抛光材料处于化学和机械的共同作用下，使 表面达到所要求的平整度的一个工艺过程【_ 7 一，即在机械抛光过程中加入化学反应，使得 抛光精度和抛光速率得到很大程度的提高，从而更为有效地提高抛光质量和生产率，并 降低生产成本p “l 。 c m p 的工作原理可解释如下：在化学机械抛光时，首先是存在于工件表面和抛光 垫之间的抛光液中的氧化剂、催化剂等与工件表面材料进行化学反应，在工件表面产生 二层化学反应薄膜；然后由抛光液中的磨料与高分子材料制成的抛光垫通过机械作用将 这一层化学反应薄膜去除，使工件表面重新裸露出来，之后再进行化学反应，这样在化 学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成工件表面抛光【1 2 ，删。两个过程的快慢综合 一致性影响着工件的材料去除率( m r r ) 与抛光质量。 尽管c m p 技术被认为是获得光滑无损伤表面的最有效方法，并且己经广泛地用于 集成电路制造中【lo 】，但目前对c m p 的材料去除机理、材料去除非均匀性形成机理、c m p 过程变量等方面的许多问题还没有完全弄清楚，而抛光过程变量的微小变化会直接影响 u l s i 铜互连层c m p 抛光液研究 到抛光系统抛光片、抛光液和抛光垫一之间的依赖关系，从而影响到晶片表面材 料去除率、材料去除非均匀性及表面质量的变化等【悼1 9 1 。因此，有必要对c m p 过程中 各项参数，以及c m p 过程中晶片与抛光垫的接触状态，抛光液的组分等进行深入的研 究，更完善地揭示c m p 的机理，推动c m p 技术的进一步应用和发展。 1 1 2u l s i 芯片互连技术简介 随着超大规模集成电路( u l s i ) 的发展，芯片集成度的不断提高，电路元件越来越密 集，芯片互连逐渐成为影响芯片制造的关键因素，在芯片内的操作运行中起着重要作用， 如传送逻辑信号，输送电源以及分配时钟信号进行时序控制和同步操作等。互连线的增 加及其截面积的减少必然导致电阻的增大，线间距的减少容易产生寄生电容，从而大幅 度提高互连线的时间常数r c ，因而集成电路速度由逻辑门延迟转变为由互连线引起的 时间延迟1 2 0 - 2 3 西】。若仍沿用u l s i 传统的互连方法，为了降低时间常数就必须增大金属 互连线的截面积和线间距，这势必又会影响芯片的集成度。因此，要从根本上解决上述 问题就必须开发新的互连线系统跚。 已有的研究试图找出电阻率更低的材料来代替传统的铝互连材料。由于层间的电介 质厚度不断的减少，层间电介质的介电常数k 也必须降低，以保持相同的电容，因此还 必须开发低k 值的电介质材料 2 4 , 3 0 l 。目前，铜被认为是比较理想的一种互连线材料，铜 作为互连材料主要有以下五个优点 2 5 2 7 - 2 0 ： ( 1 ) 铜的电阻率比铝低，铜的电阻率为1 7i l q v - m ，铝的电阻率为2 7 西2 c m ，铜的 电阻率仅为铝的6 0 ，使铜互连中的r c 延迟明显减小，相应的互连线功耗也降低很多。 ( 2 ) 铜与铝相比，导热系数是铝的3 倍，散热性能更加优良。 铜与铝的基本参数比较如表1 1 所示。 表1 1 铜与铝基本参数的比较 t a b 1 1t h ec 0 l p 口i o f t l 砖b a s i cp a r a m e t e r so f c o p p e ra n da l u m i n u m 、 ( 3 ) 与传统的铝互连线相比，铜具有抗电迁移和应力迁移特性强等优点。在相同的 条件下，铜发生电迁移的电流密度上限是5 1 0 6 a c m 2 远大于铝的上限2 x 1 0 5 a a m 2 。 一2 一 大：连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 铜的熔点要高于铝的熔点，铜互连线可以承受更大的电流密度，从而可以缩短 连线的长度，减少布线的层数，提高集成的密度，降低集成电路的成本。 ( 5 ) 铜互连线与低介电常数( t ( 4 ) 的材料( 取代布线层间的0 2 ) 相结合，可以进一 步减小寄生电容。若将低k 材料与铜互连线结合使用，可以简化工艺，降低成本，并将 r c 延时降低到原来铝互连的1 雄1 6 。 基于铜作为互连材料的以上优点，许多大型集成电路制造厂商先后展开对铜互连线 技术的研究，截止2 0 0 0 年世界上大约有2 2 家半导体生产线采用铜互连技术。例如：1 9 9 4 年欧洲西门子公司赞助一个名为c o i n 的研究项目，重点研究铜互连线技术。1 9 9 7 年9 月，m m 宣布了在生产线引入铜互连技术的消息。2 0 0 1 年i n t e l 公司已经采用铜互连技 术生产了特征尺寸为o 1 3 微米的c p u 。2 0 0 2 年1 1 公司宣布开发出了基于铜互连的特 征尺寸为0 0 9 微米的逻辑电路制造技术 2 6 , 3 1 1 。 铜作为一种比较理想的互连材料，被认为是深亚微米集成电路互连线技术进一步发 展的首选材料，铜布线代替铝布线已经成为发展趋势。它可使局域互连的传输速度改善 1 0 ，使整体互连的传输速度改善5 0 ，保证集成度提高的同时也能提高速度性能。但 由于其不易刻蚀和易扩散等缺点致使铜互连工艺中无法使用传统的刻蚀技术，因此为了 应用铜作为互连材料，人们又开发出了新的布线技术一双镶嵌工艺( 大马士革工艺) 。 a 刻槽b 沉积扩散阻挡层 c沉积铜dg i p 平坦化 图1 2 大马士革工艺示意图 f 培1 2 s k e t c hm a po f 肪匝a mt e e l m i q u e u l s i 锕互连层c m p 抛光液研究 大马士革工艺的简要过程如图1 2 所示，其特点是在平坦化层间介质后，在介质层 上刻蚀出金属连线用的凹槽，然后再沉积一层阻挡层，接着再淀积金属铜，最后用c m p 法去除多余的金属铜，留下所需的铜互连线。为了使其具有良好的台阶覆盖率，淀积铜 的工艺不是采用常见的溅射，而是使用溶液的化学电镀。双嵌入工艺是在做出连线区后 ( 或前) 刻蚀出通孔区，再淀积金属，同时形成第二层金属连线和插塞。 然而，新工艺的采用在带来益处的同时也必然会产生一些新问题。随着铜互连线应 用于越来越小的器件，对其研究主要集中在缺陷的分析及消除 3 2 1 。铜的缺陷模式和过去 传统的铝缺陷模式有很大的区别，主要有以下几种： ( 1 ) 沟槽缺陷。这是铜互连线中出现的主要缺陷，呈现旋涡状，常出现在沟槽上， 这是由于在淀积铜膜之前表面湿润不够引起的。因此籽晶层的淀积必须连续而且厚度均 匀，如果籽晶层不连续会影响后面铜的淀积。 ( 2 ) 气泡缺陷。这种缺陷很大，肉眼可以看见。它是由于产生气泡而导致淀积率的 改变，从而在该处产生缺陷。 ( 3 ) 金属缺失。金属缺失是铜特有的缺陷，它是由腐蚀、颗粒的移动和过度抛光引 起的。过度抛光产生缺陷的机理还不是很清楚但是它和颗粒结构、表面张力、应力之 间复杂的相互作用有关。 采用铜作为互连材料已经成为现实，目前主要在于工艺的完善，特别是对图形的控 制，其关键在于控制阻挡层和籽晶层的淀积。通常采用以下几种方法来改进铜互连线的 质量：第一，控制阻挡层的微观结构；第二，热处理，这是消除缺陷的通常采用方法； 第三，退火，在铜互连线中采用逐步退火工艺以保持铜的抛光率和较低的薄膜见阻率和 较好的抗电迁移能力等特性。 综上所述，随着铜互连线工艺的成熟，铜作为互连线在集成电路中起着越来越重要 的作用，而且已经逐渐成为u l s i 的主流技术。 1 2 u l s i 铜互连层c m p 抛光液的研究现状 世界半导体产业已经进入1 2 英寸晶圆时代，要求i c 元件有最优的表面平整度，以满 足制造微米及亚微米集成电路的需要。与传统的c v d 技术、蚀刻技术相比，c m p 技术具 有很多优势，如成本低、产率高、能实现全局平坦化等，现已成为硅圆片镜面加工、多 层布线用金属导线以及层间绝缘膜微加工的代名词，是世界十大i c 制造厂广为应用的技 术 3 3 , 3 4 1 。c m p 技术的飞速发展不仅提供了c ，抛光设备的整体市场需要，也提供了消耗 性材料抛光液( 包括介电层抛光液和金属抛光液) 非常广阔的市场。c m p 技术消耗的 - - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 大量抛光液是不循环使用的，随着c m p 技术的发展，抛光液的消耗量迅速增长，据估计 抛光液成本占c m p 总成本的4 0 左右。据s o l i ds t a t et e c h w o r l dn e w s 的报导，2 0 0 1 年全 球用于半导体生产的化学机械抛光液的市场总值为3 亿美元，到2 0 0 5 年上涨n 5 5 0 亿美 元，未来5 年内预计年增长速度将达到1 0 以上9 1 。 目前国际上研究的金属铜c m p 抛光液，根据磨料的不同主要分为两大类：以4 l g 为磨料和以s i 0 2 为磨料，并添加一定量的成膜剂、腐蚀剂、活性剂等。c a b o t 等大公司 一般采用4 z a 做磨料，其硬度大、粒径大、去除率高，比较适用于工业生产，但正是 由于粒径大，使得晶圆表面易划伤。此外，4 厶n 的吸附性比较强会造成c m p 后清洗的 困难。一厶仅抛光液多以酸性为主，酸性抛光液可溶性较好，酸性范围内氧化剂较多， 抛光速率快，但对设备有一定的腐蚀性，同时还存在金属离子难以去除的缺点，使得器 件易失效的可能性增大。如果采用0 ，做磨料，则可以有效解决以4 f 2 a 为磨料的一些 缺点，由于研o 粒径较小，所以不易造成划伤，而且抛光液一般以碱性为主，这样就避 免了对设备的腐蚀。但以s i 0 2 为磨料的抛光液也存在金属离子含量高，稳定性差以及碱 性条件下不易找到强氧化剂、抛光速率较低等缺点口5 筇l 。 对于铜抛光液中腐蚀剂和成膜剂的研究，目前主要分为酸性和碱性两大类，酸性抛 光液成分主要是氧化剂( k , f e ( c n ) 6 ，f e ( n 0 0 3 ，马0 2 ，1 ( 1 0 3 ) 加h n 0 3 或u 2 s o , 等p h 值调节剂和活性剂、b t a 等。这些组分在p h 值小于5 的溶液中对铜具有高的腐蚀率， 而加入的b t a 在凹处形成表面膜，阻止了对凹处的铜的进一步腐蚀，通过磨料磨除凸 起处的表面膜后腐蚀剂才能与下面的铜进行反应，达到平坦化效果。酸性溶液一般与 4 z a 磨料配合使用，以达到高材料去除率的目的，较多的用于工业化生产的需要，但 由于其本身特性所决定的一些固有缺点，当前研究者更希望的是选用污染较小和相对不 易划伤抛光片的以s i 0 2 为磨料的碱性抛光液。在碱性抛光液中由于大都采用了s i 0 2 作为 磨料，因而抛光速率较低，为了提高碱性条件下的抛光速率，研究人员采用了加入氨水 以形成铜氨络离子，增加铜的溶解率和材料磨除率的方法。目前碱性铜抛光液的研究主 要为针对不同的氧化剂对铜的腐蚀和成膜的影响，以及在不同p h 值下氧化剂效果的比 较等。墨f e ( c n ) 。和f e ( n 0 0 ，的去除率相对较高，但表面的平坦度较低。而由于马q 不 引入金属离子，而且是一种清洁的有利于c m p 后清洗的氧化荆，目前正是碱性抛光液 氧化成膜剂研究的热点。 尽管当前对铜抛光液的研究工作已经充分展开并取得了一定的成效，开发出了大量 抛光液产品，如r o d e l 公司的q c t t1 0 1 0 、x j f w8 0 9 9 、c a b o t 公司的i c u e 5 0 0 1 等酸性铜 u l s i 铜互连层c m p 抛光液研究 抛光液，但很少有人提出抛光液的配方原则或机理。抛光液的优劣比较，主要还是通过 抛光速率和抛光后的表面平整度等进行评估。另外，现在大量采用的用电化学方法的研 究结果，很大程度上只是对后步上机进行化学机械抛光起到一定的引导和辅助作用，如 何更加直接的对化学和机械作用结合以后的效果进行量化的分析，尚缺乏更好的研究手 段。因此，对l r l s i 铜互连层化学机械抛光液的研究，应该更加注重以下几个方面： ( 1 ) 在碱性条件下，通过加入合适的添加剂，提高化学作用效果，例如利用化学反 应生成易溶的或是更容易磨除的表面产物。从而提高材料去除率。 ( 2 ) 利用声、力学等在线检测手段，研究抛光液的p h 值变化和粒径大小、压力和摩 擦力等对抛光速率和效果的影响，尝试从机理上解释抛光液的配制方法及原理，最好能 提出一些配制不同类型抛光液的共性原则。 ( 3 ) 利用在线检测手段对铜和介质层或缓冲层的过渡阶段过程进行观察，深入研究 抛光液的选择性效果，而不是仅仅用电化学腐蚀方法进行分析。 ( 4 ) 结合抛光的表面情况不仅仅对抛光液配方进行调整，还要更加注重抛光后清洗 方法的研究，或将清洗和抛光步骤进行整合，以简化复杂的抛光程序和保证更好的表面 抛光效果。 1 3 课题来源、学术思想及预期达到的成果 本文的课题来源为国家自然科学基金重大项目“先进电子制造技术中的重要科学问 题”的子课题“超精抛光中的纳米粒子行为和化学作用及平整化原理与技术”( 资助项 目编号：5 0 3 9 0 0 6 1 ) 。 本文的研究基于铜c m p 工艺对抛光液的要求以及目前己有抛光液中存在的主要问 题，通过研究抛光液各成分在抛光过程中的作用机理，解决抛光液材料去除率低、表面 缺陷损伤、稳定性差等关键技术难题，研制高稳定性、低金属污染的铜c m p 抛光液， 并通过抛光工艺试验，研究抛光液物理化学性能对抛光效率和抛光表面质量的影响，最 后用正交实验和单因素实验方法设计优化各组分和抛光工艺参数。 预期可以研制出一种达到或接近商用水平的抛光液产品，可为进一步研究铜c m p 的材料去除机理分析提供技术支持和实验依据。 1 4 主要研究内容 本文的主要研究内容包括五个方面： ( 1 ) 分析铜c m p 抛光液各成分在铜抛光过程中的作用。确定抛光液中的基本成分； 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 位) 进行铜c m p 抛光试验，研究抛光液中各组分与抛材料去除率和抛光表面质量的 关系； ( 3 ) 通过实验研究找到使抛光液稳定、可长期存放的复配顺序； ( 4 ) 分析研究适合本抛光液的工艺参数及其对材料去除率和表面质量的影响； ( 5 ) 通过正交实验方法优化调整组分，找到抛光液各组分的最佳配比关系； 本文拟解决的关键技术问题有以下几点： ( 1 ) 寻找到合适的氧化剂、络合剂解决碱性环境下抛光速率不高的问题： ( 2 ) 选取适当的添加剂以减少抛光缺陷、改善抛光液的分散性和稳定性； 2 抛光液配制方案设计 2 1铜c m p 材料去除机理分析及影响抛光质量的因素 2 1 1 铜c m p 材料去除机理分析 化学机械抛光装置的基本组成部分包括一个转动着的圆盘和一个圆晶片固定装置， 两者都施力于被加工晶片并使其旋转，在含磨料颗粒的抛光液的帮助下完成抛光。用一 个自动抛光液添加系统就可保证研磨垫湿润程度均匀，以及适当地送入新的抛光液并保 持其成分不变。图2 1 为化学机械抛光设备的简图。 图2 1 化学机械抛光机设备简图 f i g 2 1 1 1 【1 es l c e ! t c hm a po f c m pe q u i p m e n t 与金属钨抛光相似，铜的抛光去除速率可以由p r e s t o n 方程1 3 研给出： r = k ，p u( 2 1 ) 其中，且代表材料去除速率；j 为正比常数；尸为所加压力；u 为圆晶片与抛光 垫之间的相对速率。x ，作为p r e s t o n 系数，其单位是压力单位的倒数。坼是铜的机械 性质( 硬度，杨氏模量等) 、抛光液和抛光垫的材料及结构的函数。 虽然公式所描述的基本上是机械性的，但从微观上来看，抛光同时是机械的也是化 学的。严格来说，这种抛光的原理目前仍不完全被人们所了解。对铜的化学机械抛光包 括两个概念，一个是化学作用，另一个是机械作用，两者相辅相成共同完成抛光任务。 化学作用可以是在铜表面形成氧化膜，也可以是溶解铜的氧化物( 如c u ，0 ，c u o ) ，机 械作用是磨掉表面层。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 对于铜的化学机械抛光机理，最先提出的是k a u f m a n 模型网，它解释了抛光液的 各成分在c m p 期间的化学作用和机械作用。k a u f i n a n 模型认为铜的c m p 过程中材料去 除分两步：第一是铜表面的机械磨削，第二是研磨掉的物质从铜表面附近的去除，研磨 掉的物质指有c ”、c 饥o 和c u o ( 或在表面层形成的其它化合物) 。被磨料从表面层磨下 的颗粒从铜表面附近的去除可由以下方法得到：第一，研磨掉的物质的溶解；第二，研 磨掉的物质形成胶状悬浮；第三，研磨掉的物质被吸附到磨料上；第四，机械转移作用， 由抛光液的湍流作用带走，在实际过程中往往是几种方式共同作用。寻找一个抛光液配 方使研磨掉的物质最大限度地被溶解，是目前研究的一个重要方向。 此外，利用腐蚀磨损理论，将铜c m p 看作一个化学和机械相互作用的系统对铜c m p 过程进行分析，可以很好的解释说明铜c m p 过程的本质。在腐蚀环境中摩擦表面出现 的材料流失现象称为腐蚀磨损。由腐蚀磨损出现的条件首先是存在腐蚀介质，其次才是 相对运动的摩擦表面。从铜c m p 的过程看，铜c m p 过程的材料去除是在含有一定的腐 蚀性的抛光液环境中，而且抛光过程中存在着抛光垫、磨料和抛光片的摩擦作用，具备 金属腐蚀磨损的条件。 腐蚀磨损理论认为单纯的腐蚀和机械磨损仅是c m p 材料去处的一部分，铜c m p 中存在化学和机械的协同作用，即腐蚀增强的机械磨损或者机械增强的腐蚀作用，也可 能二者都存在。根据铜c m p 材料去除的这一特点，用腐蚀磨损交互作用的定量描述来 表示铜c m p 中的材料去除。则有方程( 2 2 ) ： 矿= o + o + 形( 2 2 ) 其中，w 是总的材料去除量，即腐蚀磨损量：w 。是由于纯化学腐蚀造成的材料去 除量，也可以认为是纯化学腐蚀；w 。是由抛光粒子和抛光垫在机械作用下造成的材 料去除量，即单纯的机械磨损；a w 是化学和机械复合作用下导致的材料损失，a w 由 以下两部分组成： w = a 形+ ，凡( 2 3 ) 式中，a w e 是机械增强的腐蚀磨损量，喁0 是由腐蚀增强的机械磨损量。采用腐蚀 磨损分析铜c m p 过程的材料去除时，抛光中机械和化学作用不是互相分开的，存在机 械和化学的复合作用：即化学和机械复合作用对材料去除的加速a w 。 方程( 2 3 ) 也可以写成方程( 2 4 ) 的形式： 形= 略+ 呒。( 2 4 ) 此处，w o 是在抛光过程中的腐蚀导致的材料去除，w ：。是机械磨损导致的材料 去除，可见，存在方程( 2 5 ) 和( 2 6 ) ： u l s i 铜互连层c m p 抛光液研究 阡= + 吸( 2 5 ) 形o = 既。+ 呒 ( 2 6 ) 抛光时，铜表面的反应薄膜在摩擦作用下被磨去，但很快重新生成。要保证高的抛 光质量其表面反应膜的一生一灭的过程是分不开的。这两个过程进行的速度和经历的时 间，对抛光质量起决定性作用。抛光速度影响接触点的温度，即影响化学反应的形式也 影响所形成的反应膜的厚度。如果反应膜的承载能力较低，或者施加的载荷较高，反应 膜破坏后来不及修复，摩擦接触面将成为。裸金属”，新鲜金属表面将产生机械磨损， 这将导致抛光质量降低。在动态抛光过程中，需要一定反应时间在表面形成反应膜，如 果机械作用时间比化学作用时间短，抛光可能处于积极的溶解过程中，这将导致大量的 腐蚀磨损，破坏表面的平坦性。只有抛光的机械参数和抛光液的化学作用之间达到了非 常好的匹配关系之后，才能获得高质量表面平坦性i 柏 4 l 】。 2 1 2 影响抛光质量的因素分析 铜c m p 过程是一个多输入变量的动态过程。这些主要影响因素包括设备过程因素、 抛光液、抛光垫修整方式和抛光材料等。铜c m p 的主要影响因素可以用图2 2 表示。 图2 2 铜c 肝的影响因素 f 培2 2 砌嘲f a c t o r so f c o p p 日c m p 大连理工大学硕士学位论文 当被抛光材料，如晶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、抛光盘与晶片的绝对和相对转速等，这也是进行c m p 控 制的主要参数。随着抛光时间的增长，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晶片与晶片间非均匀性( w t w u 有相当大的影响。抛光液主要由 磨料、氧化剂、口h 值调节剂及其它的添加剂组成，是影响c m p 质量的关键因素。铜 c m p 中材料去除率与抛光液中相应的化学成分浓度之间有一定的关系，有研究表明， 化学成分浓度高时为化学控制，浓度低时为机械控制。 抛光液既影响c m p 化学作用过程，又影响到其机械作用过程。其中的化学成分能 够调整p h 值，影响氧化物表面的带电类型和电荷量，决定表面的化学反应过程。抛光 液中的磨料，在压力作用下与表面摩擦，影响着反应产物的去除速率。因此，抛光液的 配方是决定c m p 抛光质量的关键。由于化学反应影响磨料表面、抛光垫和铜抛光层的 机械性质，所以它对机械作用亦产生很大影响。另外，抛光液的p h 值会影响被抛表面 和磨料材料的去除分解和溶解度、被抛表面膜的形成、抛光垫的使用和磨料的悬浮性。 同时抛光液中络合剂、活性剂等成分对抛光效果也影响很大。 下面是在设备、材料等因素一定的条件下对影响抛光质量的一些主要因素的作用进 行的分析： ( 1 ) 磨料的作用 抛光速率受抛光液化学性质和磨料特性的共同控制，磨料的尺寸会影响去除速率和 表面损伤，磨料尺寸的分布严重影响表面损伤程度，尺寸均匀可产生效果好的抛光表面。 磨料的硬度越大，表面损伤也越显著，但是磨料硬度太小，材料去除率又很难保证。 ( 2 ) p h 值的影响 p i - - i 值影响被抛表面材料的去除、被抛表面膜的形成，抛光液中磨料的悬浮程度即 胶体的稳定度也受到p h 值的影响。目前，选择不含金属离子的有机碱作为p h 值调节 剂是抛光液配制改进的主流。因为当p h 值发生变化时，它可以迅速释放本身的氢氧根 离子调整p h 值，使抛光液保持稳定的p h 值，从而使氧化物表面各处去除速率均匀， 能得到较好的平整度。 ( 3 ) 络合剂 络合剂能够均衡机械磨除产物和化学反应产物在抛光液中的溶解速率，减小溶解速 率小时反应产物在表面上的再沉淀速率。还可以与金属离子形成稳定的络合物，防止表 面玷污或吸附。 ( 4 ) 活性剂 活性剂在化学机械抛光中起着非常重要的作用，它可以对被抛光晶片表面进行充分 的浸湿和润滑，从而提高抛光表面质量。此外，它还对抛光液的分散性、颗粒吸附后清 洗的难易程度等性能有着重要影响。 ( 5 ) 温度的影响 c m p 过程中磨料与晶片会摩擦生热，即使有水存在时，晶片局部也会由于摩擦局 部升温。由于抛光液中的水充当了冷却剂，而磨料比氧化层冷却的快，所以后者比前者 温度高。温度升高，氧化层硬度下降，因此摩擦产生的热量使氧化层产生弹性形变，抛 光速率也随之升高。在低温情况下，化学反应速率较低，抛光速率较慢、机械损伤严重； 在高温情况下，化学反应速率高，但化学腐蚀严重，表面完美性差，所以温度必须控制 在合适的范围内，才能满足氧化层的平坦化要求。 影响c m p 质量的其它因素还有，抛光液的选择性、特征尺寸依存变量、晶片的形 貌尺寸及其安装方式等。另外，抛光垫对晶片的抛光质量也有很大影响，其上面的孔隙 将抛光液输送到不同部位，并将抛光产物带走。可以看出，抛光垫对抛光过程的影响非 常复杂，它既影响化学反应过程，又影响机械过程。因此，对抛光垫进行修整以保持表 面的粗糙度，改善其容纳抛光液的能力是非常必要的。 2 2 配制方法规划 对抛光液的基本要求是：流动性好、分散均匀、磨粒悬浮性能好、抛光速率快、晶 片表面质量好、容易清洗及无毒无污染。为了既提高抛光速率，又可以避免产生划伤、 残余颗粒玷污，应该走一条以化学作用为主，小粒径、高完美、高速率的技术路线。综 合考虑铜抛光液存在的主要问题及酸性和碱性抛光液的优缺点，本研究定位于碱性铜抛 光液。 2 2 1 成分选择 对抛光液抛光效果影响较大的抛光液成分有磨料、氧化剂、p h 值调节剂等。因此， 本论文拟从抛光液的基本成分分析入手，首先通过理论分析和资料参考选出可能适用的 主要组分，同时结合理论分析并通过单因素试验法选出较好的一组配方，然后根据抛光 液存在的主要问题，选择添加一种或几种附加试剂来提高抛光液性能，最后通过组分优 化等方法，配制出性能良好的抛光液。 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 磨料的选择 磨料是抛光液的重要组成部分，它决定着抛光过程中机械作用的大小，影响着抛光 后清洗的效果。磨料的种类、粒径大小及含量对抛光的速率和抛光表面的表面完美性有 很大影响。目前，铜互连层c m p 所使用的磨料主要有两种：二氧化硅( 厨d ，) 和氧化铝 ( 4 d ) 。由于彳厶q 硬度大，能保证抛光速率，目前国际上都是用4 j 2 q 做为磨料。但 是彳z n 最大的缺点是硬度大，抛光后表面损伤严重，且粘度大抛光表面不易清洗干净。 而采用纳米级硅溶胶磨料来代替彳a 可以避免以上问题。胶体型d 磨料硬度适中。 不会因硬度对晶片造成划