CMP工艺参数改进

CMP工艺参数改进

kilcher 发表于: 2008-12-26 11:40 来源: 半导体技术天地

为CMP部门提供消耗品的供应商正在开发新的方法，在维持研磨去除率不变的情况下，改善平整度和缺陷率，同时降低成本，来满足未来应用的要求。

对于任一个新的技术节点，工艺窗口正日益减小，这对于过抛光的容忍度来说也不例外。不断缩小的关键尺寸（CD）以及随之而来的更薄的金属层厚度和更小的叠层高度，都不断提醒着各个部门来重新考量传统的化学机械抛光（CMP）所使用的化学试剂和工艺（图1）。在抛光过程中，用来保护硅片上有用图案的伪结构的尺寸和放置位置都在发生着变化，绝缘材料上铜线整体密度的变化对只有几十纳米宽的窄线条有着极大的影响。

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CMP工艺最主要的变化发生在互连阶段的铜工艺和阻挡层工艺两部分。在65 nm CD以上时，对于每个新技术节点都开发出了与之相对应的抛光液，而抛光垫则相对缺乏变化。而在过去的几年内，这种策略被调整了，出现了新的抛光垫凹槽图案，来满足对平整度和缺陷率更严格的要求。并且，业界也开始更多地关注如何才能降低这些昂贵消耗品的浪费。但是，对于抛光液的研发一刻也没有停滞过，继续沿着与新应用类似的发展路

线进行创新。

抛光液的改进

抛光液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。这将促进柔软研磨颗粒的研发，从而减少在低k绝缘材料表面产生线状划痕的可能。尽管如此，混合型的颗粒——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。很多时候，这会导致缺陷的产生。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），而通常这依赖于研磨剂颗粒的合成工艺。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（比利时，鲁汶）的研发工程师Jan Vaes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。

更进一步来讲，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剂成分。问题在于，发生在宽铜线上的分解或腐蚀力，可能对80 nm的窄线条产生极大的局部影响，造成严重的失效。这促进了对于新型抑制剂的研发工作。

例如：Technion University（以色列，海法）的研究人员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，结果十分令人惊讶——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。

对于不同的领域，开发出了新方法来简化平坦化工艺，但同时还需要引入新型的抑制剂。Vaes介绍说，例如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（伊力诺依州，Aurora）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。

类似的情况还有，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会员表示，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。平坦化工艺复杂度如此之高就没有什么好惊讶的了。

与二十多年前相比，CMP已经从一种基于经验的工艺转变成一种成熟的由知识支持的工艺。因此，最终用户可以更好地控制并提高系统和工艺的鲁棒性及可重复性。

新型抛光垫构造

一些抛光垫供应商通过调整材料、孔隙度，特别是抛光垫上的凹槽图案，来开发新型的抛光垫。罗门哈斯（Rohm and Haas,亚利桑那州凤凰城）开发模型来获取CMP工艺中晶圆如何与抛光垫和研磨剂相互作用的基本原理。针对某些非常特殊的问题，例如改善良率，开发出新型的凹槽图案构造。罗门哈斯CMP应用集成工程经理Todd Buley表示，具有某种凹槽图案的抛光垫可以使缺陷率降低50%；在一些特殊情况下，改变凹槽图案可以修正均匀性的分布，而其它装置或者设备参数对此则无能为力。

绝大多数CMP设备采用连续方式将抛光液滴到抛光垫上，而不是采用一种更为优化的方式。抛光垫旋转所产生的离心力使得一部分抛光液无法接触到硅片，造成抛光液损失。通过优化抛光垫凹槽图案设计可以改善抛光液输送到硅片边缘，在不牺牲研磨去除率、缺陷度以及均匀度等性能的前提下，使抛光液的消耗降低35%以上。Buley表示，这将导致CMP工艺中消耗品整体成本降低20%。

先进材料

低介电常数（low-k）材料的使用同样要求对CMP工艺进行特别关注。对于对压力敏感的多孔低k材料及气隙技术，提高抛光垫与硅片之间的接触比例至关重要。通常会在低k材料上沉积一层较薄的二氧化硅层，来避免低k值材料直接暴露在苛刻的CMP工艺环境中。最理想的抛光工艺是在铜和阻挡层金属抛光过程中将这层氧化层去除，停在低k材料上，这样，帽层材料去除后，结构能够获得最低的有效k值。尽管如此，难以避免的过抛光将会导致抛光液中的表面活性剂和添加剂扩散到多孔材料中，造成失效。毕竟在CMP工艺中，保证结构的一致性才是第一要素。

标准的IC1000抛光垫与硅片的接触比例约为1%。当在硅片表面施加3~5 psi的压力后，硅片上某些接触点上集中负荷有可能达到几百个psi。Bu

ley说，新研发的抛光垫通过提高与硅片的接触面积比例来降低这种点集中负荷应力，从而极大地降低缺陷率。但是对于脆性的低k材料而言，压力的分布才是最重要的。尽管如此，我们无法仅仅依靠新的抛光垫构造实现降低硅片上应力的目的。抛光液中的颗粒体积也要相应的降低。

尽管抛光垫和抛光液技术取得了可观的进步，我们还需要谨慎的应用这些变化。目前来讲，针对IC1000抛光垫，已经开发出了许多新型的抛光液；因此，对于全新材料构成的抛光垫，所对应的研磨性能也将完全改变。我们今天所采用的方法能够帮助我们最大限度的了解变量控制率和缺陷率，并最终指导我们在CMP工艺中开发和应用新型的材料。

CMP后的清洗工艺

Marangoni干燥技术对于业界来讲并不陌生，但直到现在才被采用。应用材料CMP部门总经理Lakshmanan Karuppiah 表示，通过采用Marangoni干燥技术，使得应用材料公司（加州，Santa Clara）的CMP系统能够应用于45 nm及更高节点超低k绝缘材料的抛光。CMP后的清洗工艺通常包含超声波清洗、刷洗以及旋转式干燥。但是，由于低k绝缘材料具有疏水性，即使经过旋转/干燥，硅片表面还会残存水滴。事实上，所有水滴内都会溶解一些微小颗粒，这将造成硅片表面的有机物残留或水印缺陷。如果残余物中的铜发生沉淀再结晶，那么水印缺陷将会在芯片上产生致命的失效。

应用材料的Desica清洗设备采用Marangoni烘干法，充分利用表面张力的特性，有效地将硅片表面甚至是沟槽中的水膜剥离，同时去除残余物和缺陷。

干燥过程中，待清洗的硅片沿垂直方向进入一个水箱。随着硅片缓慢地移出，将异丙醇喷涂在硅片与水之间，降低水膜的表面张力，从而消除了水印缺陷产生的可能。

Karuppiah表示，通常来讲，Marangoni干燥工艺要比旋转干燥工艺快30%~40%，工艺时间可以从40秒左右降低到25秒，这为金属和绝缘材料方面的应用提供了生产力方面的优势。

量测

随着工艺窗口的缩小，量测发挥了越来越大的作用。举例来讲，对于20 nm节点上最先进的应用，绝缘层叠层高度从300~600 nm降低到了120 nm或者80 nm，这比目前CMP后的剩余高度（200到400 nm之间）还要低很多。因此，CMP工艺过程中所造成的铜损失不能超过100 nm或者150 nm。构成叠层的低k材料孔洞率大约为30%或者更高，因此只能承受0.5~0.8 psi的压力。在线或原位量测设备必须能够实时监测CMP工艺中的硅片，直接测量厚度和均匀度，将收集到的数据反馈到下一片硅片，或者使用实时反馈来调整当前硅片的加工工艺参数，比如减慢研磨去除率或者降低下压力。

Nova Measuring Instruments（以色列，Rehovot）的分立光学CD测量部门经理Cornel Bozdog指出，更严格的工艺窗口要求提高硅片间、硅片内以及芯片内不同图形密度和区域的平整均匀度。对于局部表面形貌的测量和监控也变得十分重要。

Bozdog表示，根据客户的反馈，当前量测划片槽中测试结构的方法已经无法直接反映良率。这促进了直接测量硅片上芯片的需求。对于器件结构在某一方向呈周期排列的结构而言，类似Nova的散射测量设备能够基于实际器件的光学反应进行运算。这类设备能够将器件几何尺寸的测量精确到埃的量级。

根据Bozdog的解释，建立整个器件的模型——从栅到互连线-是保证器件测量的关键。“如果能够建立器件模型，就能够完成测量”，能直接测量那些包含已有结构的复杂模型。例如：对于金属互连CMP工艺而言，阻挡层的去除很依赖局部表面形貌，以及前层互连结构所产生的表面起伏，因此，只能依靠直接测量方法获得氧化工艺后的膜厚。

随着各层材料不断减薄，一种控制平均剩余厚度的方法正投入研究，即层间及层内光学终点原位检测技术。该方法的优势在于，在反应过程中实时测量，可以立即反馈测量结果。尽管如此，该方法被认为还存在一些不足。例如：测量精度（几十埃的量级）相对较差，无法同时适用于不同的测试结构和特征尺寸密度。Karuppiah表示，尽管这种原位光学测量技术针对硅片级别的终点检测，并不直接解决局部平坦化的问题，但还是能够促进许多工艺步骤的改善。

通过直接测量实现对局部的控制，进而达到对硅片内非均匀性的控制。当非实时测量时，测量发生在CMP工艺结束后和硅片被放回FOUP前。并且，测量速度能够与主机台加工速度相匹配，甚至更快。

Karuppiah解释说，若将传感器放置在恰当的位置，原位光学工艺控制将非常有效。将原位传感器放置在抛光垫后的窗口后，可以在硅片抛光过程中进行实时监控。采用这种方法，随着抛光垫的磨损，可以通过改变压力和速率来维持研磨去除率。

在32 nm节点，对于全局平整度的要求变得越来越严格，对于硅片间

以及硅片内均匀度的控制变得更紧。基本上讲，有两种方法能够成功的实现对于均匀度的要求。在过去两年内，先进的终点检测技术有效的应用于以下两种应用当中：终点停在薄膜内，例如：层间绝缘材料；或者停在不同材料界面（例如：浅沟槽隔离技术[STI]）。