微电子器件制备中CMP抛光技术与抛光液的研究筛选机

微电子器件制备中CMP抛光技术与抛光液的研究

微电子器件制备中CMP抛光技术与抛光液的研究 2011年12月09日 来源： Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＣＭＰ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ ｉｎ　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＤｅｖｉｃｅｓＬＩＵ Ｙｕ－ｌｉｎｇ， ＬＩ Ｗｅｉ－ｗｅｉ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ， 300130， Ｃｈｉｎａ）　　 Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ ｆｒｕｉｔｓ ｏｆ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ， ｓｕｃｈ ａｓ 15～20 ｎｍ ａｌｋａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｕｓｅｄ ｆｏｒ Ｃｕ ＣＭＰ， ａｌｋａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ＣＭＰ， 120 ｎｍ ｈｙｄｒｏｓｏｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ， ａｌｋａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｕｓｅｄ ｂｙ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｐｌｕｇ （Ｗ ｏｒ Ａｌ） ＣＭＰ， ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｎ ＵＬＳＩ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ， ｇｒｉｎｄ ｌｉｑｕｉｄ， ｅｄｇｅ ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ， ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ．　　 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ＣＭＰ； Ａｌｋａｌｅｓｃｅｎｃｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ； Ｈｙｄｒｏｓｏｌ； Ｓｔｒｅｓｓ　　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）；

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