ULSI多层互连中的化学机械抛光工艺

!"#$%&’&%()(#*$%&"# +(#,&%)%-./ !"#"$% &’’( 微纳电子技术 !""#年第 $期 收稿日期：!""#$"%$!& & 引 言 在超大规模集成 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 中，要在同一平面上避 免连线交叉是十分困难的，为了能在有限的晶片 表面上有足够的金属互联线，出现了多层立体布 线 ［!$%］。与此同时，光刻工艺中对解析度和焦点深 度（即景深）的限制越来越高，因此对硅片的表面 平整度有较高的要求，特别当产品需要三层或四层 以上的金属层时，对平坦化技术的需求更显得重 要。因为要在凹凸不平的表面上同时在凹处及凸处 进行聚焦是十分困难的，再加上后期制造时每层电 路间的连接也需要相当程度的平整度，否则电路将 无法顺利接通 ［’$(］。所以在 )* 制造追求结构微细 化、薄膜化和布线立体化的趋势下，材料表面的高 平坦化是制约集成电路发展的关键技术之一。传统 的平坦化工艺已不能满足平坦化的要求，而 *+, 在大规模集成电路的制造全局平坦化中起着越来越 重要的作用 ［#$-］。图 &示出了 *+,技术的重要性。 ULSI多层互连中的化学机械抛光工艺 贾英茜，刘玉岭，牛新环，刘 博，孙 鸣 （河北工业大学 微电子研究所，天津 !""#!"） 摘要：介绍了化学机械抛光（$%&）技术在大规模集成电路多层互连工艺 ［#］ 中的重要作用，对 $%&过程和 $%&的影响因素进行简单分析。 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出 $%&技术在多层互联平坦化中的优势，介 绍目前常用互连材料中 ’()*介质及其金属材料钨和铜的化学机械抛光常用分析机理，并简单介 绍了各种互联材料常用的抛光液及抛光液的组分，对抛光液作了简单的对比。针对传统 $%&过 程存在的问题，分析了皮带式和固定磨料的 $%&技术。 关键词：化学机械抛光；多层互连；抛光液；二氧化硅；铜；钨 中图分类号：./’"(0-1 文献标识码：2 文章编号：
&3’11#（!""#）"43"%-13"( !"#$%&’( )#&"’*%&’( +,(%-"%*. /,0 )12%(#3#( 4*2#0&,**#&2 %* 5674 5)2 67893:7;8，<)= 6>3?789，/)= @783A>;8，<)= BC，D=/ +789 （!"#$%$&$’ () *%+,(’-’+$,("%+#，.’/’% 0"%1’,#%$2 () 3’+4"(-(52，3%6"7%" %""&%"，84%"6） 89-20’&2：.AE 7FGCHI;8JE CK *+, 78 F>I7?ELE? 78IEHJC88EJI M;N OENJH7PEO，;8O IAE GHCJENN ;8O EKKEJI CK *+, M;N ;8;?QREO0 .AE ;OL;8I;9E CK *+, 78 F>I7?ELE? 78IEHJC88EJI M;N N>FF;H7REO0 .AE *+, FEJA;87NF CK F;IEH7;? 78 F>I7?ELE? 78IEHJC88EJI，IAE F;IEH7;? 78J?>OE D7S!，M7H789 F;3 IEH7;? JCGGEH ;8O I>89NIE8 MEHE OENJH7PEO0 T78ON CK GC?7NA789 N?>HHQ >NEO M;N JCFG;HEO，;8O IAE JCFGCN7I7C8 CK IACNE N?>HHQ M;N OENJH7PEO0 27F789 ;I IAE O7N;OL;8I;9E CK IH;O7I7C8 *+,，IAE NIH;G *+, ;8O K7UEO ;PH;N7LE V23*+, M;N OENJH7PEO0 :#; <,0=-：*+,；F>I7?ELE? 78IEHJC88EJI；N?>HHQ；D7S!；JCGGEH；I>89NIE8 !"#$%&#%’(，!()&*$(+(,-，!"#$%.)/$"#)-"%, 0 12*"’+(,- %&’ 微纳电子技术 !""#年第 $期 !"#$%&’&%()(#*$%&"# +(#,&%)%-./!"#"$% &’’( ! "#$过程及影响因素 "#$ 技术是综合化学和机械两方面的特性， 实现材料表面高平坦的一种工艺技术。"#$ 工艺 最初应用在半导体工业上是为了抛光硅材料以得到 全局平坦的表面，随着集成电路技术的不断发展， 又用于介质层的平坦化，最后发展到对互连金属材 料的抛光。 图 !为抛光简图。其工艺过程如下：将待抛晶 片正面朝下固定在抛光盘上，然后以一定的压力将 其压到抛光垫上，晶片和抛光垫接触好后，以一定 的流量添加抛光液，抛光液中添加有化学试剂、研 磨料及多种附加剂。在 "#$ 过程中，一般认为遵 循下面的过程。首先，被抛光表面材料与抛光液中 的化学试剂发生化学作用，形成易去除的薄膜反映 层；再通过抛光垫与晶片之间的研磨料的机械研磨 作用，使薄摩反应层从晶片上被剥离下来；最后， 剥离下来的产物被流动的抛光液带走，露出新的表 面。新的表面再反应，再摩除，周而复始最后达到 全局平坦化。 "#$过程是一个非常复杂的过程，涉及化学、 材料力学、流体力学等多方面的知识，在抛光过程 中，影响因素很多。抛光条件和所用的抛光液对抛 光速率和抛光后的表面状态都有影响，且各个抛光 条件相互作用，抛光结果和抛光经验有很大关系。 在抛光过程中，抛光条件有所用的抛光机、抛光 垫、抛光温度和压力、抛光过程中载盘转速及压力 等，这些因素需要协调控制才能达到好的抛光效 果。除了抛光条件要协调控制外，抛光液是影响抛 光效果的非常重要的因素。抛光液一般由纳米磨料 及一些化学剂组成，对于被抛光的不同材料，抛光 液所用的纳米磨料及化学试剂不尽相同，配比也有 差异。 % "#$在多层互连中应用 在多层布线工艺过程中，"#$ 工艺被多次应 用，用来平坦化介质和金属连线。在多层互连工艺 中，"#$技术有着不可替代的优势 ［&］（表 ’）。 目前，多层互连工艺中常用的介质材料多为 ()*!，导电互连材料为钨、铝、铜，下面对介质材 料和金属材料的抛光进行简单的介绍。 %&’ ()*!介质的 +,- ()*! 是一种硬而脆的陶瓷材料，其表面化学 活性很低。目前对其抛光通常采用的小粒径（小 于 ’++ ,-）颗粒，材料去除机理却呈现两种解释。 首先，以 ./-/0121 ［’+］ 和 34) 等人为代表提出抛 光过程中研磨颗粒与氧化层间的摩擦作用导致 ()*! 层的塑性变形随着温度升高变形加剧，在塑性变形 过程中伴随氧化物发生水合作用，较软的水合氧化 物层随后因颗粒的犁削作用而去除；其次，5/67)8 ,/等人 ［’’］ 提出 ()*! 层与颗粒反应形成大量化学 键连接，在机械作用下晶片表面的化学键 ()—*— () 被破坏，导致硅原子离开抛光片表面以实现材 图 ’ 两种不同的多层布线 9" :);<’ .2/ =),>6 /? -@A)B4C4B ),A4DE/,,4EA4> 9" （1）无 "#$处理的多层布线 9" （F）实施 "#$处理的多层布线 9" 图 ! 抛光过程简图 :);4B "#$ GD/E466 抛光液 下压力 抛头 垫 !"#$%&#%’(，!()&*$(+(,-，!"#$%.)/$"#)-"%, 0 12*"’+(,- %.$ !"#$%&’&%()(#*$%&"# +(#,&%)%-./ !"#"$% &’’( 微纳电子技术 !""#年第 $期 抛光液 国内某厂家 !"#$ %&’ (%%) *%+", 无型号 -./0122 -./32224 -./32225 !6(- (44. 72(5128 9 72(5318 .:$;<.=:>): /3222 磨料 %?@$;&% %?@$;&% %?@$;&% %?@$;&% 粒径 9 &$ A2B022 331 0C2 12 9 31 D322 =(值 EC FG1 7GH 7GH 3G1 3G0B3G1 比重 9（I·J$K7） 0G37 0G2H 0G31 0G2F 0G2H 0G23C 抛光速率 9（&$·$;&K0） F30GL 122 F2B12 F22 优 点 说 明 平坦化 能获得全局平坦化 平坦化不同的材料 对不同材料表面平坦化 平坦化多层材料表 面 在同一次抛光过程中对多层材料平坦化 减小严重的表面起 伏 能减少表面起伏使得在制造中使用更严格的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 规则并采用更多的互联层 制作金属图形的一 种方法 制作金属图形的一种方法，使得不需要对难 以刻蚀的金属和合金等离子体刻蚀 改善金属台阶覆盖 由于减少了表面起伏，从而能改善金属台阶 覆盖 增加 M* 可靠性 能提高器件和电路的可靠性、速度和成品率 减少缺陷 *-N是一种减薄表层材料的工艺并能去除表 面缺陷 不使用危险气体 不使用干法刻蚀工艺中常用的危险气体 表 % &’(在多层互连中的优势 )*+,- % ./0*12*3- 45 &’( 61 7826,-0-, 619 2-:;411-;2 料去除。 在抛光过程中，抛光浆料起着非常重要的作 用，在目前所用的抛光浆料中，比较典型的有杜邦 公司（O@N"&, %;> =>"’@J,) &%&"$%,:>;%?) PP*）生 产的 .QRSTR- SU 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 级别 上的晶片内厚度均匀性小于 0W。除此以外还有 !"#$ %&’ (%%)电子材料公司的 V?:+")"? 系列胶状 研磨液以及 *%+",的 ..<31等。 <=! 金属的 &’( 在金属的 *-N中，有互连线的 *-N和插塞的 *-N。钨是一种化学性质较稳定的金属，主要用于 上下两层互连线的接触上，即插塞。金属的 *-N 最早是由钨开始的，其 *-N 技术成熟度比较高。 目前其抛光机理主要是 V%@X$%& 等人 ［03］ 提出的 机理。在钨的 *-N 过程中，抛光液中的成膜剂和 钨发生化学反应，形成硬度较低的氧化钨薄膜， 而机械作用是将该氧化膜去除。抛光过程实际上 就是氧化膜的不断形成和去除的动态过程。现阶 段，对钨抛光的研究主要是以此机理为基础进行 的。 由表 3可以看出，目前工业应用的钨抛光液一 般为酸性，=( 值在 3BF 之间。国内厂家的抛光液 除 =(值外，没有具体说明。 表 ! >9&’(抛光液的型号及参数 )*+,- ! )?- 2@A- *1/ A*:*7-2-: 45 >9&’( B,8::@ 铝在多层互连工艺中既可以用作多层布线又可 以作插塞材料。由于铝本身的抗电迁移性较弱，随 着 M* 特征尺寸的减小，铝作为多层布线材料逐渐 被铜所取代。目前，铜互连线的抛光是研究的热 点。与铝相比，铜具有低的电阻率（为铝的一半） 和高的抗电致迁移性，应用铜布线可以减少布线层 数，降低电路的互联延迟，铜布线取代铝布线已成 为 M* 特征尺寸微细化的必然趋势。铜的抛光机理 非常复杂，常用的抛光液有酸性和碱性两种，在不 同的抛光液中，化学作用和机械作用对抛光的影响 也不相同，对铜的抛光机理也就有不同的说法 ［07］。 比较典型的说法有两种 ［0FK01］，一种是钝化型机理 即 V%@X$%& 机理，此种机理认为在 *-N 过程中， 铜表面先发生化学作用，再进行机械摩除；另一种 为溶化型机理，金属直接溶入抛光液，再与抛光液 中的化学试剂发生反应，形成溶于水的化合物，不 断被去除。 用于铜 *-N 的抛光液有酸性和碱性两种。表 !"#$%&#%’(，!()&*$(+(,-，!"#$%.)/$"#)-"%, 0 12*"’+(,- :? @’(:3? 7A#BC9ADEC F/// G .? @4AB435@C34 D.@0 15>43EF)+ G!)5H*CIJKL! @0.? M.1A>［’］ - 9N1.7 9@5@4 *NAAC?.85@.N?>，HOOI（!HP）：QI!LQIQ- ［!R］*(+% 9，9;% S，9(< T，"# $%- U34B535@.N? 5?7 832>@511.?4 VC51.@.4> NM 93W.JI 5?7 *4JH 6CMM43 15243> M563.85@47 N? %. >C6>@35@4> X.5 5 >N1E/41 A4@0N7 MN3 G)*J 8N5@47 8N?7C8@N3> ［’］- U02>.85 *，HOOQ（Q!HLQ!Q）："K!L"KP- ［HO］G$J ( )，S($J )， 9(< T， "# $%- ,1CN3.?4EM344 >N1 /41 74BN>.@.N? NM 4B.@5Y.51 G)*J @0.? M.1A> MN3 8N5@47 8N?7C8@N3> ［’］- U02>.85 *，HOOI（IRHLIRP）：RQ!LRQZ- 作者简介： 林 炜（!R"H—），男，硕士研究生，主要从事薄膜制备技 术，+EA5.1：XX1.?D4.[!PI-8NA。 过程的可控性。 Z 结束语 *FU 技术在大规模集成电路多层互连中具有 重要作用，介绍了各种常用互连材料及其化学机械 抛光中的常用分析机理，*FU 工艺是集成电路发 展中非常重要的一步工艺过程，目前 ;\9< 多层布 线已经高达十层，每一层都要求非常平坦，*FU 在多层互连中是必不可少的，其发展前景非常可 观，除了在微电子技术上的应用外，在其他方面的 应用也在不断引起关注，如计算机硬盘的抛光、光 学器件的抛光等都体现出 *FU 技术在表面加工中 日益重要的作用。另外，在微电子领域，*FU 后 的清洗也值得关注，可以提高产品的成品率。 参考文献： ［!］刘玉岭，檀柏梅，张楷亮- 微电子技术工程（材料、工艺与测 试）［F］- 北京：电子工业出版社，HOOQ：!LH- ［H］陈力俊- 微电子材料与制程［F］- 上海：复旦大学出版社， HOOZ：!QIL!QK- ［I］9W+U(+% $- *5A6411 微电子制造科学原理与工程技术［F］- 北京：电子工业出版社，HOOI：QIHLQIP- ［Q］’$F+9 =，U\;FF+] F =，=+$\ U )- &3.MM.? 9.1.8N? ^\9< W480?N1N/2 ,C?75A4?@51>， U358@.84 5?7 FN74E1.?/［F］ - 北 京：电子工业出版社，HOOI：QK!LQKI- ［Z］\<; ] *，U$< * 9- +A.1.N F53@.?4_ ［’］ - 9N1.7E9@5@4 +148@3N?.8>，!RRR， QI：!OOIL!OOR- ［P］’^\$99$T ’- $ AN741 MN3 804A.851 A4805?.851 BN1.>0.?/ NM 5 A5@43.51 >C3M58465>47 N? 8N?@58@ A4805?.8>［ ’］ - F48051.8> 5?7 U02>.8> NM 9N1.7>，HOOQ，ZH（Q）："QKL"KI- ［K］$(%$ G，GJJ%$ ’ G，)$+T) * #- *04A.851 A4805?.851 BN1.>0.?/ 62 8N11N.751 >.1.85E65>47 >1C332 MN3 A.83NE>835@80 34E 7C8@.N?［’］- #453，HOOQ，HZK：K"ZLK"R- ［"］李兴- 超大规模集成电路技术基础［F］- 北京：电子工业出 版社，!RRR：H!ILH!K- ［R］S$%WG+$ U )，T;F$]$ $，9 5BB1.85@.N?>［ ’］ - F5@43.51> 98.4?84 5?7 +?/.?443.?/ ]，HOOQ，QZ："RLHHO- ［ !O］ WJFJS$#$ F- JY.74 *FU A4805?.>A>［ ’］ - 9N1.79@5@4 W480?N1N/2，!RRK（K）：!PRL!KZ- ［!!］(J9(<%J W，T;]$W$ G，W+]$9$T< G，"# $%- F4805?.>A NM BN1.>0.?/ NM 9.JH 62 *4JH B53@.814>［ ’］ - ’NC3?51 NM %N? *32>@511.?4 9N1.7>，HOO!，H"I：!HRL!IP- ［!H］T$;,F$% , )，W(JFU9J% = )，)]J$=<+ ] +- *04A.E 851 A4805?.851 BN1.>0.?/ MN3 M563.85@.?/ B5@@43?47 # A4@51 M45E @C34> 5> 80.B .?@438N??48@>［ ’］ - ’NC3?51 NM +148@3N804A.851 9N8.4@2，!RRP，!QI（!H）：QORZLQ!OO- ［!I］赵永武，刘家浚- 半导体芯片化学机械抛光过程中材料去除 机理研究进展［’］- 摩擦学学报，HOOQ，HQ（I）：H"ILH"K- ［!Q］张楷亮，宋志棠，封松林- ;\9< 化学机械抛光的研究与展望 ［’］- 微电子学，HOOZ，IZ（I）：HHPLHIO- ［!Z］陈苏，张楷亮，宋志棠- 多层互连工艺中铜布线化学机械抛 光研究进展［’］- 半导体技术，HOOZ，IO（"）：H!LHQ- ［!P］\++ F *- *04A.851 B3N84>>4> .? /15>> BN1.>0.?/［’］ - ’NC3E ?51 NM %N?E*32>@511.?4 9N1.7>，!RRO（!HO）：!ZHL!K!- ［!K］童志义- 化学机械抛光技术现状及发展趋势［’］- 电子工业 专用设备，HOOQ（P）：!LP- ［!"］)J]9W * \，TJ]W(;<9 ^，9(<%% & )，"# $%- *04A.851 A4805?.851 BN1.>0.?/ NM 9.J* N3/5?N>.1.85@4 /15>>4>：W04 4MM48@ NM M.1A 8536N? 8N?@4?@［ ’］ - W0.? 9N1.7 ,.1A>， HOO!， I"Z （!）：H"!LHRH- ［!R］童志义 - *FU 设备市场及技术现状［’］ - 电子工业专用设 备，HOOO（Q）：!!L!"- ［HO］苏建修，康仁科，郭东明- 集成电路制造中的固结磨料化学 机械抛光技术研究［’］-润滑与密封，HOOZ（I）：!LQ- ［H!］]JF+] $，W(<+F+ U，(J\\$WS F- 9W< *FU C>.?/ M.Y47 5635>.X4 74A5?7>［’］ - F45>C34A4?@> 5?7 ]4>C1@，HOOO（I）： HPZLHKQ- 作者简介： 贾英茜（!RKP—），女，河北深县人，在读硕士，主要从事大 规模集成电路多层布线的化学机械抛光研究， +EA5.1： ‘.52E .?/V.5?aOI!"[!PI-8NA。 !"#$%&#%’(，!()&*$(+(,-，!"#$%.)/$"#)-"%, 0 12*"’+(,- !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! %"&