（矿物加工工程专业论文）铜化学机械抛光电化学机理与抛光速率的研究.pdf

摘要 本文用电化学实验方法，以溶液化学、腐蚀电化学原理、磨擦磨损原理、流 体力学边界层等相关理论为指导，采用旋转圆盘电极，首次系统地对铜在化学机 械抛光过程中的电化学行为、抛光速率及c m p 过程机理等进行了探讨。研究的 主要内容及获得的主要结论如下： 首次系统地用极化盥线和交流阻抗技术研究了铜在硝酸、氨水、甲胺介质中 的自腐蚀行为以及成膜赳铁氰化钾、苯并三唑、磷酸钠存在下的自钝化条件，考 察了铜在弱碱性氢氧化钠醋酸钠溶液中的腐蚀与自钝化行为及成膜助夯u 的影 响。得到了较为适宜的自钝化成膜配方如下： 形成无机钝化膜 0 i c h 3 n h 2 + 0 ，5 k 3 i f e ( c n ) 6 】 0 1 n h 3 h z o + l k 3 f e ( c n ) 6 0 5 h n 0 3 + 3 n a 3 p 0 4 01 2 h 2 0 形成有机钝化膜 1 h n 0 3 + i b t a + 0 2 h 2 0 2 形成氧化物钝化膜 h n n p h 8 5 + 0 2 m o t l k c l 0 3 h n n p h 8 ，5 + 0 2 m o i ，lk n 0 3 用光电子能谱仪( x p s ) 对钝化膜中各元素进行了价态分析，并推断出各钝 化膜的组成为： 氨水和甲胺介质中铁氰化钾形成无机钝化膜的组成主要为c u 4 f e ( c n ) 6 1 ； 硝酸介质中磷酸钠形成无机钝化膜的组成为c u 3 ( p o 。) 2 ： 硝酸介质中苯并三唑形成有机钝化膜的组成为c 域i ) - b t a 及c n ( i i ) - b t a 的混合物： 弱碱性氢氧化钠醋酸钠介质( h n 中形成的自然钝化膜为c u z o 。 研究了在c m p 过程中，铜的腐蚀电位e 。和腐蚀电流密度i 。随抛光压力 及抛光转速的变化规律。对于阳极型成膜剂，施加压力抛光时腐蚀电位e 。下降， 撤消压力时则上升；对于阴极型成膜剂腐蚀电位e 。的变化则相反。发现腐蚀 电流密度i 。在一定范围内基本线性地随抛光压力及转速而变化。腐蚀电位e 。 随时间变化的曲线斜率的大小可定性地说明了c m p 过程进行的程度以及成膜速 率和除膜速率的相对大小、抛光压力和抛光转速的旌加范围。 用循环伏安线性电位扫描法首次研究了铜在各种抛光液中自钝化成膜机理， 根据峰电流及峰电位随电位扫描速率不同而变化的规律，证明了成膜过程均符合 m a l l e r 模型。发现了锕在不同抛光液体系中成膜后的腐蚀电流密度随抛光片转速 丽变化的规律。 a 中南大学博上学位论文 摘要 考察了铜在不同抛光液中c m p 时的抛光速率及其影响因素，研究了抛光液 各组成的浓度、磨粒粒径及硬度对抛光速率的影响规律。首次提出了c m p 抛光 液中各成分的量均存在一特征浓度值c 。此浓度下抛光速率最大的观点及 c m p 抛光液的配方理论特征浓度理论。 发现了c m p 过程中抛光速率r 与腐蚀电流密度i 。在一定条件下存在着线 性关系，得出了定量的抛光速率方程，并提出了解释铜c m p 过程机理的新模型 催化腐蚀模型。 用轮廓曲线和s e m 照片对比说明了铜在相应抛光液中的抛光效果，首次提 出c m p 抛光液配方的作用主要是控制自钝化成膜和抛光速率，抛光片表面的最 终平整度r 。主要取决于磨粒和抛光垫本身的特性，r m 。和r z 则取决于磨粒的均一 性的观点。化学抛光与机械抛光的简单组合不能造成全局平面化。 通过以上的研究，最终得到了较为适宜的c m p 抛光液配方如下： 形成无机钝化膜时的抛光液配方为 1 ) 氧化型成膜剂配方：1 n h 3 0 h 2 0 + 2 5 - - - a 1 2 0 3 + 4 k 3 f e ( c n ) 6 ；抛光条件 为3 0 0 r m i n ；8 0 k p a 。c m p 速率为2 8 0 n m m i n 。 2 ) 磷酸盐型成膜剂配方：o 5 h n 0 3 + 4 n a 3 p 0 4 + 1 5 2 0 v - a 1 2 0 3 ；抛光条件 为2 0 0 r r a i n ：6 4 k p a 。c m p 速率为9 0 n n l m i n 。 形成有机钝化膜时的抛光液配方为 苯并三唑型成膜剂配方：1 h n 0 3 - b i 5 b t a + 0 2 h 2 0 2 + 1 5 y a 1 2 0 3 ；抛光 条件为：4 0 k p a 一2 0 0 r r a i n 、5 6 k p a - 1 0 0 r m i n 、7 2 k p a 一5 0 f f m i n 。c m p 速率为 10 5 n m m i n 。 形成氧化物钝化膜时的抛光液配方为 m , r y ( p n 9 5 ) + 2 0 , a 1 2 0 3 + 0 2 m o l lk n 0 3 。抛光条件可选取2 0 0 f f m i n ，4 0 k p a 。 c m p 速率为2 2 0 n m m i n 。 关键词：铜，化学机械抛光，抛光速率方程，电化学机理模型 b a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v o u r ，p o l i s h i n gr a t e ，c m pp r o c e s s m e c h a n i s ma n ds oo nd u r i n gc m ph a v eb e e nf i r s t i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c l y i n i n s t r u c t i o no f p r i n c i p l e so f s o l u t i o nc h e m i s t r y ，c o r r s i o ne l e c t r o c h e m i s t r y , f r i c t i o na n d w e a r , a n df l u i db o u n d a r yl a y e r o fh y d r o d y n a m i c s b y r o t a t ed i s ke l e c t r o d eo f e l e c t r o c h e m i c a le x p e r i m e n t k lm e t h o d s n l em a i nc o n t e n t sr e s e a r c h e da n dc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： s e l f - c o r r o s i o nb e h a v i o ro fc o p p e ri nh n 0 3 ，n h 3 * h 2 0 ，o rc h 3 n h 2m e d i aa n d c o n d i t i o n so fs e l f - p a s s i v a t i o no fc o p p e rw h e nk 3 f e ( c n ) 6 ，b t a ，o rn a 3 p 0 4a s p n s s i v a t o r s h a v eb e e nf i r s t t ys t u d i e d s y s t e m a t i c | yb yp o l a r i z a t i o nc u l w ea n da c i m p e d a n c et e c h n o l o g i e s s e l f - c o r r o s i o na n d s e l f - p a s s i v a t i o n b e h a v i o ro f c o p p e r , d e p e n d e n c e o ft h a to nf i l ma s s i s t o r si nn a o h n a a cs o l u t i o nh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h ef e a s i b l ef o r m i n gf i l mr e c i p e so fs e l f - p a s s i v a t i o nh a v eb e e nf o u n d a s f o l l o w s ： f o r m i n gi n o r g a n i cp a s s i v a t i o nf i l m 0 1 c h 3 n h 2 + 0 5 k 3 f e ( c n ) 6 】 o 1 0 o n h 3 f 1 2 0 + 1 k 3 f e ( c n ) 6 o 5 h n 0 3 + 3 n a 3 p 0 4 e 1 2 h 2 0 f o r m i n go r g a n i cp a s s i v a t i o nf i l m 1 f i n 0 3 + l b t a + 0 2 h 2 0 2 f o r m i n g o x i d ep a s s i v a t i o nf i l m h n n p h 8 5 + 0 2 m o l l l k c l o s h n n p h 8 5 + 0 2 m o l 1k n 0 3 t h ev a l u e ss t a t eo fe l e m e n t si np a s s i v a t i o nf i l mw e r ea n a l y z e db yx p sa n df i l m c o n s t i t u t e sh a v eb e e nc o n c l u d e dt h a t ： m a i nc o n s t i t u t e so f p a s s i v a f i o nf i l mo nt h es u r f a c eo fc o p p e ri nn h 3 f 1 2 0a n d c h 3 n i 1 2m e d i ac o n t a i n i n gk 3 f e ( c n ) 6 】i sc u 4 f e ( c n ) 6 ； m a i nc o n s t i t u t e so fp a s s i v a t i o nf i l mo nt h es u r f a c eo f c o p p e ri nh n 0 3m e d i a c o n t a i n i n gn a s p 0 4 i sc u 3 ( p 0 4 ) 2 ； m a i nc o n s t i t u t e so fp a s s i v a t i o nf i l mo nt h es u r f a c eo f c o p p e ri nh n 0 3m e d i a c o n t a i n i n gb t a i sm i x t u r e o f c u ( i ) 一1 3 t aa n dc “i i ) 一8 t a ； m a i nc o n s t i t u t e so f p a s s i v a t i o nf i l mo nt h es u r f a c eo fc o p p e ri nn a o h - n a a c s o l u t i o ni sc u 2 0 。 r e l a t i o n so fc o r r o s i o n p o t e n t i a l a n dc o r r o s i o nc u r r e n t d e n s i t yv a r y i n gw i t h p o l i s h i n gp r e s s u r ea n dr o t a t i v e r a t ew e r es t u d i e dd u r i n gc m rc o r r o s i o np o t e n t i a l d r o p e d w h e nf o r c i n ga n dr i s e dw h e nw i t h d r a w i n g p r e a a u r e f o r a n o d e t y p e o f p a s s i v a t o r , a n d i tr e v e r s e df o r c a t h o d e t y p e o fp a s s i v a t o r w ed i s c o v e r e dt h a t c o r r o s i o nc q e n td e n s i t yv a r i e dw i t hp o l i s h i n gp r e s s u r ea n dr o t a t i v er a t e b a s i c l l y l i n e a r l yt os o m e e x t e n t t h ec l r v es l o p e so fv a r a t i o no f c o r r o s i o np o t e n t i a lw i t ht i m e c o u l de x p l a i nc o m p a r a t i v er a t eo ff o r m a t i o na n dr e m o v i n go ff i l ma n dt h r o w i n g e x t e n s i o n o f p o l i s h i n gp r e s s u r e a n dr o t a t i v er a t e 。 f o r m a t i o np r o c e s s e so fp a s s i v a t i o nf i l mw e r ep r o v e dt oa c c o r dw i t hm a i l e r m o d e la c c o r d i n gt ov a r i a t i o no fa p e xc u r r e n ta n da p e xp o t e n t i a lw i t l ls c a nr a t eo f p o t e n t i a lb y c i r c l ev o l t a m p e r em e t h o do fl i n e a rp o t e n t i a ls c a ni nv a r i o u sc m p r e c i p e t h er u l e so fv a r i a t i o no fc o r r o s i o nc u r r e n td e n s i t yw i t hr o t a t i v er a t eo fw a f e rw e r e d i s c o v e r e d p o l i s h i n gr a t ea n di t sd e p e n d e n c e si nv a r i o u sr e c i p ew e r ei n v e s t i g a t e da n dt h e r u l e so f d e p e n d e n c eo f p o l i s h i n gr a t eo n c o n s t i t u t e sc o n c e n t r a t i o n ，a b r a s i v e ss i z e sa n d r i g i d i t y w e r es t u d i e d d u r i n g c m p t h ec m p r e c i p et h e o r y ( c h a r a c t e r i s t i c c o n c e n t r a t i o nt h e o r y ) a n dav i e w p o i n tt h a tt h e r ew a sac h a r a c t e r i s t i cc o n c e n t r a t i o n c m “f o rc o m p o n e n t sc o n c e n t r a t i o ni nc m p r e c i p ew h e r ep o l i s h i n gr a t ew a sm a x i m a l w e r e p u tf o r w a r df i r s t l y l i n e a rr e l a t i o no fp o l i s h i n gr a t ew i t hc o r r o s i o nc u r r n e t d e n s i t y u n d e rs o m e c o n d i t i o n sw a sd i s c o v e r e dd u r i n gc m pa n dt h eq u a n t i t a t i v ep o l s h i n gr a t ee q u a t i o n w a se s t a b l i s h e d an e wm o d e l c a t a l y s t i cc o r r o s i o nm o d e le x p l a i n i n gc m p p r o c e s s m e c h a n i s mw a s s u g g e s t e d p o l i s h i n ge f f e c t w a si l l u m i n a t e d c o m p a r a t i v e l yb yp r o f i l e c u r v e sa n ds e m p i c t u r e s av i e w p o i n tt h a tc m pr e c i p em a i n l ya c t e da sc o n t r o l l i n gf o r m a t i o no f s e l f - p a s s i v a t i o n f i l ma n d p o l i s h i n gr a t e ，a n d f i n a l p l a n a r i z a t i o nr a w a s m a i n l y d e p e n d e n to nt h ec h a r a c t e r i s t i co fa b r a s i v e sa n dp o l i s h i n gp a d ，a n dr m 烈a n dr z o n m o n o d i s p e r s i o no fa b r a s i v es i z e s ，w a sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e t h eg l o b a l p l a n a r i z a t i o nc a n tb eg o tb yas i m p l ec o m b i n a t i o no fc h e m i c a la n dm e c h a n i c a l p o l i s h i n g b ya b o v er e s e a r c h e st h ef e a s i b l ec m pr e c i p e sh a v eb e e nf o u n df i n a l l ya s f o l l o w s ： c m p r e c i p eo ff o r m i n gi n o r g a n i cp a s s i v a t i o nf i l mi st h a t 1 ) r e c i p eo f o x i d a t i o n t y p eo f p a s s i v a t o r ： 1 n h 3 0 h 2 0 + 2 5 7 a 1 2 0 s + 4 k 3 f e ( c n ) 6 ；p o l i s h i n gc o n d i t i o n s 3 0 0 f f m i n 8 0 k p a 。c m pr a t e2 8 0 n r r d m i n 。 2 ) r e c i p eo f p h o s p h a t e t y p eo f p a s s i v a t o r ： b 0 5 h n 0 3 + 4 n a 3 p 0 4 + 15 2 0 7 一a 1 2 0 3 ；p o l i s h i n g c o n d i t i o n s2 0 0 f r a i n ； 6 4 k p a 。c m pr a t e9 0 h m r a i n 。 c m p r e c i p eo f f o r m i n go r g a n i cp a s s i v a t i o n f i l mi st h a t r e c i o eo f b t a t y p eo f p a s s i v a t o r ： l h n 0 3 + 1 5 b t a + 0 2 h 2 0 2 + 1 5 r a 1 2 0 3 ； p o l i s h i n gc o n d i t i o n s4 0 k p a - 2 0 0 r m i n 、5 6 k p a - 1 0 0 r m i n 、7 2 k p a - 5 0 r m i n 。 c m pr a t el0 5 r m a m i n 。 c m p r e c i p eo ff o r m i n g o x i d ef i l mi st h a t i a n n ( p h 9 ，5 ) + 2 0 7 - a 1 2 0 3 + o 2 t o o l 1k n 0 3 。p o l i s h i n gc o n d i t i o n s 2 0 0 r r a i n ， 4 0 k p a 。c m pr a t e2 2 0 n m m i n 。 k e yw o r d s ：c o p p e r ，c h e m i c a l m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，p o l i s h i n g r a t e e q u a t i o n ， m o d e lo fe l e c t r o c h e m i c a lm e c h a n i s m 中南大学博士学位论文前言 前言 化学机械抛光技术( c h e m i c a l - m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，简称c m p ) 是最重要 的全局平面化技术，也是目前唯一的全局平面化技术。此技术不仅用于i c 芯片 的全局平面化处理，还可应用于平面显示器、多晶片模组、硬磁盘、磁头等平面 化加工，而且其应用范围正在进一步扩大。此技术中，抛光液的配方是关键之一， 要求抛光速率快、抛光均二性好及抛光后清洗方便。抛光液的成分主要由三部分 组成：腐蚀介质、成膜剂和助剂、纳米磨粒。国外从八十年代初开始进行这一技 术的研究和开发，到八十年代末至九十年代初开始出现少量的文献报导，但抛光 液的配方一直作为商业秘密。 国内关于c m p 的研究少见报导。主要芯片生产商基本上是全套引进国外技 术，包括c ，设备、抛光液配方及纳米磨粒等。 对于i c 上内联线金属表面的抛光，单靠磨粒的磨损( 机械抛光) 达不到全 局平面化效果，这将在其表面留下许多刮痕；单靠化学腐蚀( 化学抛光) 因抛后 将留下许多蚀斑而同样不能满足要求。只有将化学腐蚀与机械磨损结合起来才能 达到全局平面化效果。根据k a u f m a n 模型，此时的化学腐蚀则主要在铜表面形 成钝化膜，钝化膜的作用主要是保护凹处不被进一步腐蚀：而磨粒的作用则主要 对凸处表面膜进行机械磨损。另外，表面钝化膜的形成降低了表面硬度，使机械 磨损更容易。于是抛光过程按照钝化磨损再钝化再磨损的方式进 行，直到全局平面化。因此，c m p 过程是机械磨损下的电化学腐蚀过程，是化 学抛光与机械抛光平衡的过程。铜因其低电阻和低电迁移性而成为最有前景的取 代铝成为集成电路内联线的材料，但铜用一般的抛光方法难以形成图形，只有用 c m p 技术才能解决这一问题。 c m p 技术所涉及到学科的基本理论交叉性强，目前还未将c m p 技术完全归 于某一个学科，其所涉及到的基本理论主要有电化学理论、溶液化学、磨擦磨损 及流体力学理论。c m p 过程与矿物加工过程有许多相似之处，如矿物加工中的 化学磨矿，与c m p 过程中磨粒对抛光片表面的化学磨损相似；矿物的浮选浆料， 与c m p 中的抛光液相似；在旋转过程中矿浆流体的运动与抛光液在转速的作用 下的运动相似。在金属硫化矿物加工中，金属硫化矿在各种氧化剂存在下表面的 氧化与其润湿性研究，类似于c m p 抛光液中氧化剂与金属表面的作用；络合浮 选剂与矿物表面金属离子的作用类似于抛光液中络合剂；矿物粒子表面电性及相 互作用力的研究类似于抛光液中悬浮的磨粒的稳定性及其与抛光片表面相互作 用力的研究。另外，c m p 所用的磨粒如氧化铝、= 氧化硅等均可直接从铝土矿、 石英沙矿物中分别制得。因此，基本上可以用比较成熟的矿物加工工程学科的基 础理论及相关技术来进行c m p 过程的研究，即c m p 过程的基础理论研究是运 用矿物加工工程学科知识所开拓的新的研究课题。 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 第1 章文献综述 1 1 化学机械抛光技术的产生、作用原理与发展应用 一、化学机械抛光技术产生的必然性 在i c 工艺中，16 m b 器件的特征尺寸为0 5u m 量级，64 m b 为0 3 5 u m ，25 6 m b 为0 25 矗m ，lg b 为0 15u m 。器件几何尺寸的缩小，导致 结构的立体化，出现多层结构。但金属层的数目不会一直增加，4 6 层是最 佳层数【l 】a 刻蚀要求表面十分平坦。现在的光刻机步进器使用大数值孔径的镜头，焦深 很小。正是这种小的焦深推动了全局平面化的发展。以64 m bd r a m 的数据为 例【2 1 ，设步进器的焦深为0 7 i j - i t i ，在64 m bd r a m 的研究开发阶段，其图 形的形貌差为0 4 u m ，两者之差为0 3h m ，它应该大于步进器焦点的变化以 及片予平坦程度的变化范围。这一范围的实际值为0 5 6um ，因而实现生产化 是不可能的。解决的办法只有改进片子的平面度，减小形貌差。在生产时，要求 形貌差最高不得大于0 14 u i l l 。这样，得到的差为0 5 6u m ，可以生产。可 见，如果缺乏某种合适的平面化技术，要进行稳定可靠的生产是很困难的。传统 的平面化技术很多，如基于淀积技术的选择淀积，溅射玻璃s o g 、低压c v d 、 等离子体增强c v d 、偏压溅射和属于结构型的溅射后回腐蚀、热回流、淀积一 腐蚀淀积等，这些技术在i c 工艺中都曾获得应用。但是，它们虽然也能提供“光 滑的”表面，却都是局部平面化( 1 0 c a lp l a n a r i z a t i o n ) 技术，不能做到全局平面化 ( g l o b a lp l a n a r i z a t i o n ) 。现代大多数光刻机步进器重复系统的像场约为20m m 2 0m m ，全局平面化的要求常定义在此范围。现在，己被普遍承认的是，对于最 小特征尺寸在o 3 5um 及以下的器件，必须进行全局平面化，而化学- 机械抛光 ( c h e m i c a l - m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ，简称c m p ) 是最好的也是唯一的全局平面化技 术。最早的全局平面化由i b m 于l9 9 1 年在64 m bd r a m 的生产中获得成功的 应用，之后，各种逻辑电路和存储器以不同的发展规模走向c m p 。 全局平面化要求的程度取决于要平面化之层的形貌，同时也要考虑以后在这 一层上还要再生长几层。每一层不平的程度都会被以后的淀积层放大，使以后较 高层的平面化更困难。对大多数器件，在淀积介质层( 常为b p s g ) 以后淀积第 一个金属层，之后是层间介质i ld 层，再做第二个金属层，等等，最后是氮化 硅钝化层。今天大多数存储器只有两个金属层，对于高达3 4 个金属层以上 的高级器件，全局平面化的要求十分严格。 二、化学机械抛光技术的作用原理 由上可见，化学- 机械抛光( c m p ) 技术是最重要的全局平面化技术，也是目 前唯一的全局平面化技术。此技术的关键之一是抛光液的配方，要求抛光速率快、 中南大学博士学位论文第一章文献综述 抛光均一性好及抛光后清洗方便。抛光液的成分主要由三部分组成：腐蚀介质、 成膜剂和助剂、纳米磨粒。国外从八十年代初进行这一技术的研究和开发【3 】，八 十年代末至九十年代初开始出现少量的文献报导f 4 4 l ，但抛光液的配方一直作为 商业秘密。对于i c 上内联线金属表面的抛光，单靠磨粒的磨损( 机械抛光) 达 不到全局平面化效果，这将在其表面留下许多刮痕：单靠化学腐蚀( 化学抛光) 因抛后将留下许多蚀斑而同样不能满足要求。只有将化学腐蚀与机械磨损结合起 来才能达到全局平面化效果。根据k a u f i n a n 等人 4 1 的模型，此时的化学腐蚀则主 要在金属表面形成钝化膜，钝化膜的作用主要是保护凹处不被进一步腐蚀；而磨 粒的作用则主要对凸处表面膜进行机械磨损。另外，表面钝化膜的形成降低了金 属表面的硬度。使机械磨损更容易。于是抛光过程按照钝化磨损再钝化 再磨损的方式循环进行，直到全局平面化。因此，c m p 过程实际上是机械 磨损下的电化学腐蚀过程，是化学抛光与机械抛光平衡的过程。 三、c m p 技术的发展及应用 传统上的抛光按作用方式可分为两类：化学抛光和机械抛光，主要用于集成 电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，简称i c ) 制造用基材硅的粗抛光、精抛光及金属、玻璃 等材料的表面加工。化学抛光是指通过抛光料中的化学成分与被抛光材料发生腐 蚀而将材料表面粗糙度降低的过程；机械抛光是指通过抛光料中的研磨介质与材 料表面粗糙部分进行充分接触，从而降低材料表面粗糙度的过程。化学抛光的精 度较高，抛光产生的破坏深度较浅；但抛光速度慢，容易导致抛光雾斑。机械抛 光产生的破坏深度较深，抛光精度较低，抛光速度慢，还容易产生机械损伤。 精 度 0 化学作用 5 0 比率 破 坏 深 度 研 磨 速 度 1 0 0 机械作用 图i 1c m p 研磨特性示意图 f i 9 1 1t h es k e t c h m a po f r u b b i n g c h a r a c t e r i s t i co f c m p 为了既能克服化学抛光和机械抛光的缺点又熊保留它们的优点，化学机械抛 光的抛光方法就应运而生了，并最早应用于i c 制造用基材硅的粗抛和精抛，大 大提高了硅片的抛光精度和抛光速度，从而极大地提高了硅片抛光的质量和生产 效率、降低了生产成本。c m p 技术的研磨特性示意图如图1 1 i s ，表明c m p 技 术在抛光速度、抛光精度以及抛光生产的破坏深度等抛光要素方面都比以往的化 学抛光和机械抛光技术具有优势，并能根据需要对抛光的要素进行适当的控制。 c m p 技术具有以下特点：1 ) 可改进隔离方法以增大集成密度；2 ) 适用较 小器件结构的制造；3 ) 可推动特别是多层金属的全局平面化。由于i c 发展迅速， 要求具有较小尺寸和特别大的集成度密度，在l s i 、v l s i 和u l s 上，通常有一 万个以上元件，布线密度非常高，采用了多层布线技术。此时，方面硅片表面 的光洁度、平整性非常重要，另一方面多层布线技术成为了不可缺少的一项技术。 为了提高多层布线的可靠性，实现较高的合格率，层间膜的平面化技术就日显重 要，以往的各种c v d ( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 技术、c v d 技术与蚀刻( e t c h ) 技术的组合以及e t c h b a c k 技术等整形技术都不能实现基片及层间膜的完全平面 化。c m p 技术在8 0 年代得到强有力的大量研究和商业开发。在此期间，i b m ， i n t e l ，m i c r o 和m o t o r o l a 等最先进的半导体公司在c m p 技术领域投入了大量资金 进行c m p 技术研究和开发。 1 9 9 2 年6 月，在美国召开了9 t hi n t e r n a t i o n a li e e ev l s im u t i l e v e l t n t e r c o n n e c t i o nc o n f e r e n c e ( v m i c ) 9 1 会议。此次会议上，c m p 技术作为半导体多 层膜特有的平面化技术，由i b m 公司和m i c r o t e c h n o l o g y 公司联合发起，引起了 半导体加工领域业者的瞩目。 目前层问c m p 技术在美困的一些生产厂家已经实用化，包括i n t e l 公司的 p e n t i u m 、i b m 公司、a p p l e 公司及m o t o r o l a 公司的p o w e r p c 等。c m p 技术除在 半导体加工过程中硅圆片的镜面加工、层间平面化方面得到应用，也用j 。 s o i ( s i l i c o n0 1 3i n s u l a t o r ) 、c m p 清洗( p o s t c m pc l e a n i n g ) 等领域，同时由于这 技术本身的优势，其新的应用被不断发现，应用面急速扩展呷“j 。 图1 2 c m p 装置示意圈 f i 9 1 2 t h es k e t c hd i a g r a mo f c m p s e t t i n g l - 旋转台；2 研磨头；3 一抛光片；4 研磨盘 中南大学博士学位论文 第一章文献综述 随着c m p 技术的发展，与其配套的设备和消耗品也得到了开发，具体为： c m p 抛光设备、后c m p 清洗设备、浆料、抛光垫、抛光终点检测及工艺控制设 备、浆料分布系统、废物处理和测量设备等，其中最关键的设备和消耗品为抛光 机、浆料和抛光垫。图1 2 给出了比较典型的抛光机基本构成示意图。抛光片固 定于研磨头上，研磨头在构成绝对基准面的大旋转台上自转，并相对于大旋转台 的旋转进行公转。抛光片的基部表面构成的平面与上部的研磨盘的平面相重合并 旋转。抛光片上的任一点可以在装置内相对于研磨定盘不断地被抛光，并变化位 置关系，从而得到比较高的平面化效果。构成基准面研磨头与下部的大旋转台具 有较大的剐性，确保在高负荷、高旋转时稳定的运转精度l i z ”l 。 表1 1 给出了目前正在使用和开发的c m p 浆料品种，其中s i 0 2c m p 浆料 的种类及用量最多。此外r o d e l 公司不仅开发抛光液，还大量研发抛光垫等消耗 品【1 4 】。 表1 1c m p 浆料品种 t a b l e l tt h ec m ps l u r r yv a r i e t i e s 1 2 研究c m p 技术的相关理论 c m p 过程机理非常复杂，涉及到的理论基础覆盖多个学科，7 如溶液化学、 磨擦磨损、流体力学、腐蚀电化学、纳米技术等。目前，c m p 作为- - f l 独立的 技术，其系统的理论还未形成。 腐蚀电化学理论常用来解释金属c m p 过程的电化学机理，如表面钝化膜的 形成及金属的腐蚀溶解等。当抛光片浸在腐蚀性的抛光液中时，抛光片与抛光液 就构成了腐蚀体系。抛光液中的腐蚀剂与抛光片发生化学反应，化学反应的结果 是在抛光片表面形成了一层钝化膜，钝化膜有氧化物膜【i5 1 、无机复合物膜i l6 】及 有机复合膜【1 7 】。被磨损下的物料在抛光液中的溶解也是通过电化学反应实现的 【l ”。在抛光液中，由于自钝化作用，抛光片仅靠腐蚀剂的浸蚀其腐蚀速率是很 慢的i l ”，但通过磨粒的磨损作用，其腐蚀速率得到了加速。因此，在研究c m p 中南大学博士学位论文第一章文献综述 过程时，同样可用腐蚀电化学的理论进行指导。 抛光体系由抛光片与抛光液组成，抛光片在不断地旋转，因而处于抛光片与 抛光垫之间的抛光液也在不断地运动。液流的运动状态、磨粒对抛光片的撞击形 式以及磨粒的分布状态等均影响到c m p 过程。这一影响过程可用流体力学中的 边界层( b o u n d a r yl a y e r ) 理论进行解释。c m p 过程中流体边界层厚度严重影响抛 光液中腐蚀剂、成膜剂以及磨损碎硝的传输速率。r u n n e l 和e y m a n i l 州研究指出， 流体边界层厚度是流速、抛光片表面曲率及抛光液粘度的函数，增加搅动、降低 抛光片曲率及抛光液粘度有助于c m p 的进行。在此基础上r u n n e l 提出了c m p 过程的流基腐蚀( f l u i d - b a s e de r o s i o n ) 模型【2 u j 。 根据k a u f i n a n n 对c m p 过程的描述，c m p 过程又相当于磨擦磨损学中的化 学磨损，这种磨损同时有化学作用和机械作用的存在【2 “。其磨损速率随介质的 腐蚀性强弱和温度的变化而异。腐蚀性愈强、温度愈高，磨损愈快。抛光液中的 磨粒对抛光片表面钝化膜的磨损主要是粘着磨损。b r o w n 等f 2 2 】根据磨擦磨损原理 提出了抛光液中的磨粒对钝化膜的磨损深度是磨粒粒径、抛光压力、钝化膜的弹 性模量及磨粒在抛光片与抛光垫之间的分布的函数，增大磨粒粒径、提高磨粒的 分散性、降低表面钝化膜的硬度和弹性、以及增加抛光压力等能加快抛光速率。 l i uc h i w e n 等吲也根据磨擦磨损原理，从理论上推导了抛光速率方程，得出了 抛光速率与抛光压力及抛光转速为线关系的结论。 c m p 用的磨粒粒径通常为1 0 - 3 0 0 n m 2 4 1 ，抛光时将抛光片表面的钝化膜以原 子集束团( a t o m i cc l u s t e r s ) 的形式【2 5 l 磨损下来。磨粒不仅要求粒度细，而且要 求均一性好，c o o k 的实验结果】表明了均一性好的磨粒能导致优越的光滑效果。 因此，在磨粒的制备工艺中，需同时考虑粒度和均一性的因素。另外，磨粒的形 状也应考虑，尽量使磨粒的形状一致，最好是球状。 1 3 研究c m p 技术的实验方法及c m p 技术的表征 c m p 技术由于是一门年青、多学科交叉的技术，对其进行研究的实验方法 因侧重面不同而异，概括起来主要有电化学实验法、磨擦磨损流体力学实验法 二大类。 电化学实验法主要考察抛光片在抛光液中进行c m p 时腐蚀电位及腐蚀电流 密度的变化。抛光片表面钝化膜的生成与磨损，必然会导致腐蚀电位及腐蚀电流 密度的变化，从而可定性地确定抛光液配方的组成、抛光的压力与转速的大小。 s t e i g e r w a l d 等【2 6 】用电化学方法研究了c m p 时抛光液中的铜离子对钛抛光速 率( r ) 的影响，用腐蚀电位及腐蚀电流密度的变化比较了不同组分影响钛溶解 的作用，找出了硝酸铜浓度对钛抛光速率的影响规律。此规律表明，r 开始时随 硝酸铜浓度的增加而增大，至一最大值后反而随硝酸铜浓度的增加而降低，说明 中南大学博主兰些兰奎 蔓二至兰墼堡堕 硝酸铜对r 的影响有一最佳浓度值，此浓度下钛的抛光速率最大。 k n e e r 等【2 7 】用e g & gm o d e l2 7 3 恒电位仪研究了钨膜在c m p 中钝化成膜与 溶解的电化学行为。使用三电极体系，用饱和甘汞电极为参比电极，以钨为工作 电极进行实验。以钨的电位p h 图为指导，研究了抛光液组分对极化曲线的影响。 比较了成膜前后极化曲线的形状、腐蚀电位、腐蚀电流密度、极化电阻以及t a f e l 斜率的变化规律，用x p s 分析了钝化膜的组成，为选择适当的配方提供了实验 依据。然后采用a g a g c l 为参比电极，在旋转圆盘电极上研究了钨膜在c m p 程 中的电化学行为【2 8 】。通过测量施压和撤销抛光压力时腐蚀电位( e 。) 随时间的 变化曲线来说明再钝化成膜速率和除膜速率的相对大小、抛光的程度及抛光液组 分的影响规律：抛光过程中极化曲线的测量表明了c m p 过程使腐蚀电流密度( i 。) 大幅增大，说明了抛光的作用使钨的腐蚀加速。 k a l l i n g a l 等【2 9 1 用旋转圆盘电极为抛光实验机，以铝为工作电极研究了铝在 c m p 过程中的电化学行为，用抛光过程中腐蚀电位及腐蚀电流密度的变化评判 抛光液的性质。 s t e i n 等 3 0 l 在e g & gm o d e l2 7 3 恒电位仪上用旋转圆盘电极为抛光实验机， 在线研究了金属钨c m p 时的电化学行为，用腐蚀电位及腐蚀电流密度的变化比 较各组分的作用。比较了根据b u t l e r v o l m e r 极化方程式计算出来的腐蚀电流密 度i c 0 。与实际抛光速率r 的关系，但由于理论上的i 。与实际上的i 。误差较大， 加之各种抛光体系下的r 值均绘于一图，使得i 。与r 的关系不太清楚。 此外，利用电化学方法，z h a n gl 等口i l 研究了在钨c m p 过程中用柠檬酸防