ULSI铜多层布线中钽阻挡层CMP抛光液的研究与优化

　第 25 卷第 12 期 半　导　体　学　报 V o l. 25,N o. 12 　2004 年 12 月 CH IN ESE JOU RNAL O F SEM ICONDU CTOR S D ec. , 2004 3 国家自然科学基金 (批准号: 60176033)和河北省自然科学基金 (批准号: 502029)资助项目 　2003212214 收到, 2004202202 定稿 ○c 2004 中国电子学会 UL SI铜多层布线中钽阻挡层CM P 抛光液的研究与优化3 邢　哲　刘玉岭　檀柏梅　王　新　李薇薇 (河北工业大学微电子研究所, 天津　300130) 摘要: 以高浓度纳米 SiO 2 水溶胶为磨料, H 2O 2 为氧化剂的碱性抛光液, 研究了适用于终抛铜ö钽的CM P 抛光液. 通过调节 pH 值, 降低抛光液的氧化, 增强有机碱的作用, 来降低铜的去除速率并提高钽的去除速率, 得到了很好的 铜ö钽抛光选择性. 关键词: 多层布线; 化学机械抛光; 阻挡层; 抛光液; 选择性 EEACC: 2220; 2550F; 8620 中图分类号: TN 30512　　　文献标识码: A 　　　文章编号: 025324177 (2004) 1221726204 1　前言 随着UL S I 特征尺寸的进一步减小, 布线层数 增加, 宽度也随之变细. 由于铝自身的性质, 导致传 统铝布线工艺制作的器件经常会因铝的电迁移而失 效. 而铜的多层布线恰恰能避免这一问题的出现, 因 此在深亚微米工艺中 (0118Λm 及以下) , 铜将逐步 代替铝成为硅片上多层布线的材料. 现在, 普遍认 为, 对于最小特征尺寸在 0135Λm 及以下的器件, 必 须进行全局平面化, 而化学机械抛光 (CM P) 是最好 的也是惟一的全局平面化技术. 铜与介质层的粘结性差, 易扩散进入硅与二氧 化硅, 并且在较低的温度下就会形成铜与硅的化合 物. 铜扩散进入硅会成为深能级杂质, 影响器件的可 靠性. 硅扩散进入铜将增加铜的电阻率. 因此要成功 实现硅芯片上的铜金属化布线, 需要能有效阻挡铜 硅互扩散的材料. 钽有较高的电导率, 性质不活泼, 在高温下也不与铜和二氧化硅反应生成合金; 另外, 它有很高的熔点 (2996℃) , 与介质材料有良好的粘 结性[ 1 ]. 钽已经成为铜硅之间阻挡层的极佳选择. 钽阻挡层同样也必须进行化学机械全局平面 化, 其中关键问题之一就是铜ö钽抛光液与 CM P 抛 光技术. 由于钽是一种质地很硬的金属, 氧化后难以 CM P 去除, 钽在氧化剂存在下常产生难溶的产物, 抛光速率很慢, 与铜 CM P 最终难以同步而出现碟 形坑; 另外, 对钽的 CM P 通常使用酸性介质抛光 液, 这样易对抛光设备产生腐蚀, 增加金属离子沾 污. 如何选择与铜布线同步且工艺相容、对抛光设备 有钝化作用的抛光液, 成为铜布线技术另一个需要 解决的关键问题. 碱性条件下抛光设备表面被钝化, 可避免抛光液对设备的腐蚀, 减小了金属离子沾污. 为此我们采用以 15～ 20nm 粒径硅溶胶为磨料的碱 性抛光液, 以 H 2O 2 为氧化剂来进一步减少金属离 子的引入. 2　铜钽两步抛光原理 在铜多层布线 CM P 过程中, 如果使用一种抛 光液和抛光条件, 在 CM P 刚开始时抛光速率相对 很快, 抛到钽层时, 因为钽的抛光速率较低, 铜的抛 光速率较高, 这样必然形成碟形坑. 碟形坑的出现降 低了金属线的厚度, 增大了布线电阻, 降低了器件的 可靠性. 为此我们采用二抛方法[ 2, 3 ] , 即初抛和终抛, 来避免这一问题的出现. 初抛要求铜的抛光速率相对较快, 抛光液高速 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 地去除大量过多的铜, 达到全局平面化. 我们设计的 铜的化学机械抛光动力学为化学控制. 即机械作用 充分, 化学作用不够, 抛光液中, 通过控制组分含量 的变化来控制CM P 的工艺参数. 采用的过程为: 磨 料粒度小浓度大、转速快、抛光布平而硬. 在流速很 大, 产物可溶的情况下, 一般化学作用较慢, 所以反 应为化学过程控制. 根据 CM P 初抛要求来解决化 学控制, 我们设计的抛光浆料路线是: 低氧化、强络 合; 磨料小粒径、高浓度. 这样可达到高速率、无污 染、高选择、低损伤、高平整和高洁净的目的, 并且抛 光速率可控, 可以在较短的时间内达到全局平面化. 在终抛过程中以抛光液去除残留的铜和阻挡层 膜, 为确保可接受的良好CM P 形貌, 关键在于获得 一个合理的铜钽去除速率. 钽是惰性金属, 要想通过 提高化学作用来提高它的 CM P 速率很不容易. 因 此, 我们在初抛浆料的基础上提高机械作用、降低对 铜的化学作用来降低铜的 CM P 速率; 并以低氧化、 提高有机碱的作用、加快生成钽的可溶性盐的反应 速率来提高钽的CM P 速率, 以使CM P 速率比达到 T a∶Cu = 1∶1. 3　实验分析 311　初抛实验 我们研制出初级抛光液, 初抛选择性好, 并进行 了上线试验. É 型以有机碱为络合剂, Ê 型以醇胺为 络合剂, Ë 型是纯化后的É 型. 试验条件为, 研磨机: 压力为 241115kPa, 时间为 60s, 抛光盘 (旋转盘) 转 速为 35 (40) röm in; 水抛机: 压力为 101335kPa, 时 间为 20s, 抛光盘 (旋转盘)转速为 60 (65) röm in. 其测试结果如表 1 所示. 表 1　去除速率测试结果 nm öm in T ab le 1　T est resu lt of removal rate nm öm in 型号 氧化层 铜层 钽层É 32. 5 648. 5 24. 0Ê 12. 9 500. 0 35. 0Ë 6. 7 738. 5 12. 5 由以上结果可以看出, 这种抛光液只适合初抛. 在此过程中, 铜的抛光速率很快, 对氧化层和钽层进 行 CM P 的选择性很高, 选择性大于 14∶1, 有利于 迅速达到全局平面化, 适合生产的要求. 但是在终抛 过程中, 要求氧化层、铜层和钽层抛光速率基本为 1∶1∶1, 因此需要优化适合终抛的抛光液. 312　终抛铜ö钽抛光液的优化 31211　抛光液优化依据 文献[ 4 ]中分析了 T a 在 SiO 2 和A l2O 3 抛光液 中的抛光速率, 提出在无氧化剂存在时, T a 的抛光 速率最高, T a 的抛光速率随着氧化剂的浓度增加而 减少. 在水溶液中, T a 表面易形成氧化层保护膜 T a2O 5 [ 5 ]. 而在有氧化剂的情况下, 加强了氧化层的 形成, 使氧化层变得更厚, 因此钽表面的抗蚀性更 强[ 6 ] , 抛光速率降低, 更加难以去除. 而在铜 CM P 中, 氧化剂浓度的增加, 使铜的抛光速率增加. 因此 在对具有阻挡层金属 T a 的Cu 抛光中, 氧化剂的加 入对Cu 和 T a 的抛光形成了矛盾, 抛光液的成分优 化显得尤为重要. 铜表面在浆料中氧化剂的作用下, 部分被氧化 为CuO , 绝大部分成为Cu2O , 还有一部分被腐蚀为 铜离子而溶解到浆料中. 可见表面膜的组成为氧化 铜和氧化亚铜的混合物[ 7 ]. 在终抛酸性抛光液中, 铜 表面形成的氧化钝化层的结构和成分因 pH 值不同 而不同. 低 pH 值时铜表面钝化层为多孔易渗透的 Cu2O 膜; 高 pH 值时为致密紧凑的 CuO 膜, 该膜能 阻止铜离子从基质金属中扩散. 随着 pH 值的升高, 铜表面膜钝化程度提高, 铜的抛光速率逐渐降低. 在 氧化剂存在时, 钝化表面层的性质支配着金属去除 过程[ 4 ] , 在碱性抛光液的情况下, 钽的抛光速率随着 pH 值 (> 10) 的增加而增加. 低 pH 时钽的表面生成 的钝化层要比高 pH 值时生成的钝化层更具有保护 性. 而在 pH 值刚超过 10 时钽的抛光速率陡增, 因 此在超过该值时钝化层的性质发生了改变, 此时的 钝化层变得较软而容易被抛光液去除. 从上面的讨论可知: 存在氧化剂时, T a 的抛光 速率随着 pH 值的升高而升高, 在相同条件下, Cu 的抛光速率随着 pH 值的升高而下降. 我们选取的 碱性抛光液中, 在减小氧化剂的作用, 络合充分的前 提下, 铜的抛光速率因为氧化不充分而抑制了整个 化学动力学过程[ 8 ] , 进而降低了铜的抛光速率; 而氧 化剂作用的减小, 使钽表面抗蚀性强的氧化物的产 生减小, 在有机碱作用充分的条件下, 有利于钽的可 溶性盐类的形成及去除, 因此, 提高了钽的抛光速 率. 因而通过优化一些抛光液的配比特性, 可以达到 最合适的铜对钽的抛光选择一致性. 7271　12 期 邢　哲等: 　UL S I铜多层布线中钽阻挡层CM P 抛光液的研究与优化 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 31212　终抛实验 抛光设备: C6382 I2W öYJ 型二氧化硅抛光机. 检测设备: 红外测温仪、电热鼓风箱和千分表. 实验材料: 表面上沉积 900nm 厚 T a 层的硅单 晶片, 与硅单晶片等厚的铜片. 实验 1: 实验条件: 压力为 119×105Pa; 温度为 25℃; 浆 料的流速为 450mL öm in; 使用抛光液 CM P 时间为 1m in; 水抛 30s. 取 1kg 硅溶胶, 向其中加入 1kg 去离子水, 再 加入 10mL 螯合剂和 10mL 活性剂, 搅拌均匀. 实验结果与分析: 抛光前后各片测试结果如表 2 所示. 表 2　实验 1 的测试结果 T ab le 2　T est resu lt of experim en t É 1# Cu 2# Cu 3# Cu 4# T a 5# T a 抛光前厚度öΛm 389. 0 317. 0 377. 0 86. 0 88. 0 抛光后厚度öΛm 389. 0 317. 0 377. 0 85. 0 87. 0 CM P 速率ö(nm·m in- 1) 0 0 0 1000 1000 由以上实验结果可以看出: 未加氧化剂可以降 低氧化作用, 通过降低对铜的络合作用, 提高机械作 用 (通过提高磨料的含量) , 可以明显降低铜的 CM P 速率, 由于铜的去除量很小, 低于千分表的最小精 度, 去除量未能反应出来 (显示 0). 氧化作用很低使 钽的CM P 速率较高, 可以满足生产要求. 为了达到 Cu∶T a= 1∶1 的要求, 就需要再加入适量的络合 剂, 来提高铜的CM P 速率. 实验 2: 实验条件: 压力为 119×105Pa; 温度为 25℃; 浆 料的流速为 450mL öm in; 使用抛光液 CM P 时间为 1m in; 水抛 30s. 取 1kg 硅溶胶, 向其中加入 1kg 去离子水, 再 加入 25mL 有机碱, 搅拌均匀; 加入 10mL 螯合剂和 10mL 活性剂, 搅拌均匀. 实验结果与分析: 抛光前后各片测试结果如表 3 所示. 表 3　实验 2 的测试结果 T ab le 3　T est resu lt of experim en t Ê 1# Cu 2# Cu 3# Cu 4# T a 5# T a 抛光前厚度öΛm 178. 0 145. 0 189. 0 138. 0 160. 0 抛光后厚度öΛm 177. 0 143. 9 188. 0 137. 0 159. 0 CM P 速率ö(nm·m in- 1) 1000 1100 1000 1000 1000 　　由以上实验结果可以看出, 有机碱的加入对铜 离子产生络合作用, 使铜的抛光速率有所上升, 达到 1000nm öm in; 对带钽层的单晶硅抛光速率也基本为 对钽的 CM P 速率, 并且速率大小基本与铜的 CM P 速率一致. 因此, 这种抛光液适合UL S I多层布线金 属阻挡层的CM P. 由以上两个实验可以看出, 在终抛过程中, 提高 机械作用, 降低对铜的化学作用, 可以达到钽∶铜的 CM P 速率为 1∶1. 4　 小结 学校三防设施建设情况幼儿园教研工作小结高血压知识讲座小结防范电信网络诈骗宣传幼儿园师德小结 本文的抛光液为碱性抛光液, 抛光液中的化学 介质为有机碱[ 9 ] , 所选用的有机碱带有羟基和双胺 基. 抛光液中氧化剂及 pH 值对抛光速率有着重要 的影响, 由于铜与钽自身性质的原因, 氧化剂与 pH 值对两者的影响趋势不一样. 基于此, 通过降低抛光 液的氧化作用、提高机械作用、加快钽的可溶性产物 的形成去除, 进行了优化终抛抛光液的实验. 实验证 明铜钽的抛光速率在优化后的抛光实验中有很好的 一致性, 取得了满意的效果. 参考文献 [ 1 ]　H uang Bo. 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Key words: m u lt ilevel m etallizat ion; chem ical m echan ical po lish ing; barrier layer; slu rry; select ivity EEACC: 2220; 2550F; 8620 Article ID : 025324177 (2004) 1221726204 3 P ro ject suppo rted by N ational N atural Science Foundation of Ch ina (N o. 60176033) , and N atural Science Foundation of H ebei(N o. 502029) 　Received 14 D ecem ber 2003, revised m anuscrip t received 2 February 2004 ○c 2004 T he Ch inese Institu te of E lectron ics 9271　12 期 邢　哲等: 　UL S I铜多层布线中钽阻挡层CM P 抛光液的研究与优化 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net