王海英 ，王辰偉 ，劉玉嶺 ,*，趙紅東 ，楊嘯 ，陳志博 ，王雪潔

1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300130

2.天津市電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130

3.光電信息科學(xué)與工程控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308

隨著集成電路制造技術(shù)的飛速發(fā)展，特征線寬不斷減小，互連層數(shù)不斷增加，對(duì)集成電路工藝的要求大大提高[1-3]。銅互連線厚度(THK)對(duì)芯片性能有著至關(guān)重要的影響。在阻擋層拋光過程中，若THK過小，銅互連線的電阻便會(huì)增大，功耗增加，進(jìn)而導(dǎo)致器件穩(wěn)定性變差，可靠性降低，同時(shí)還會(huì)使介質(zhì)層厚度減小，電容增大，導(dǎo)致RC延遲效應(yīng)更加顯著，影響器件特性[4-6]；若THK過大，則銅互連線的電阻過小，造成下一層光刻精確度低、存在Cu殘留缺陷、擊穿電壓低、短路或斷路等一系列問題的產(chǎn)生[7-8]。因此，工業(yè)上要求將THK控制在195 ~ 255 nm范圍內(nèi)。如圖1所示，Cu和TEOS(正硅酸乙酯)交叉分布，所以化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過程控制THK的關(guān)鍵在于控制對(duì)TEOS介質(zhì)與銅的去除速率選擇比(vTEOS/vCu)。

圖1 銅線條厚度示意圖Figure 1 Sketch of thickness of copper interconnect line (THK)

國內(nèi)外許多研究工作者針對(duì)銅互連線的問題進(jìn)行了大量研究。Lin等[9]提出對(duì)銅阻擋層進(jìn)行二次化學(xué)機(jī)械拋光，得到了較高的Cu/ULK(超低介電材料)去除速率選擇比，并且發(fā)現(xiàn)較高的銅去除率可以加快達(dá)到目標(biāo)Rs，獲得更好的Rs分布，但并未提及銅互連線厚度。王偉超等[10]研究了在阻擋層拋光時(shí)的銅損失問題，但沒有考慮銅互連線厚度，也沒有提出如何控制溝槽內(nèi)銅互連線的厚度。岳昕等[11]用FA/O螯合劑和JFC活性劑實(shí)現(xiàn)了布線槽銅電阻Rs的控制，但也沒有考慮對(duì)銅互連線厚度的控制。

本文基于無氧化劑(如H2O2)、無緩蝕劑(如苯并三氮唑)的堿性拋光液，研究了化學(xué)機(jī)械拋光過程中螯合劑、介質(zhì)促進(jìn)劑和抑菌劑對(duì)Cu和TEOS的去除速率及其二者去除選擇比的影響，探討了它們的作用機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)了銅互連阻擋層CMP后THK的控制。此外 還發(fā)現(xiàn)銅電阻Rs與THK之間呈負(fù)相關(guān)性，對(duì)提高CMP后的互連層數(shù)及可靠性具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

Cu鍍膜片直徑為12 in(1 in ≈ 2.54 cm)、厚度約為1 200 nm，TEOS鍍膜片直徑為12 in、厚度為420 nm，以及技術(shù)節(jié)點(diǎn)為55 nm的12 in鉭基銅互連圖形片。

SiO2磨料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、平均粒徑為60 nm。FA/O Ⅱ螯合劑[分子簡式為R(NH2)2]由河北工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)。檸檬酸鉀(CAK，作為介質(zhì)促進(jìn)劑)和1,2?苯并異噻唑啉?3?酮(BIT，作為抑菌劑)為市售產(chǎn)品。

1.2 化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)

采用華海清科股份有限公司的Universal-300 Dual拋光機(jī)進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。拋光前，使用Cabot拋光液完成圖形片的粗拋和精拋。每組實(shí)驗(yàn)開始前，用去離子水沖洗管路，以去除上組實(shí)驗(yàn)殘留的拋光液[12]。每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后修整拋光墊2 min，使拋光墊恢復(fù)至初始狀態(tài)。

拋光工藝條件為：拋光工作壓力2.0 psi(1 psi = 6.89 kPa)，拋頭轉(zhuǎn)速107 r/min，拋盤轉(zhuǎn)速113 r/min，拋光液流量250 mL/min，拋光時(shí)間60 s。

1.3 測(cè)試與表征

使用美國Rudolph制造的Metal pulse-II THK測(cè)試儀測(cè)量溝槽內(nèi)銅互連線厚度THK，采用81點(diǎn)測(cè)試，從左到右沿圖形片直徑采樣(如圖2所示)，計(jì)算平均值。工業(yè)生產(chǎn)中要求銅互連線剩余厚度為225 nm，阻擋層CMP后THK應(yīng)盡可能地接近該目標(biāo)值。

圖2 THK測(cè)量位置Figure 2 Positions of THK measurements

使用美國Four Dimensions(4D)公司制造的MODEL 333A四探針測(cè)試儀測(cè)量Cu鍍膜片的厚度，采用79點(diǎn)測(cè)試，沿鍍膜片直徑從左到右采樣，計(jì)算平均值及拋光前后Cu膜的厚度差，根據(jù)式(1)計(jì)算Cu去除速率(vCu)。

式中H1為拋光前Cu鍍膜片厚度,H2為拋光后Cu鍍膜片厚度,t為拋光時(shí)間。

使用日本Ebara公司生產(chǎn)的Model F-Rex 300X介電膜厚測(cè)試儀測(cè)量TEOS鍍膜片的厚度，采用81點(diǎn)測(cè)試，沿鍍膜片直徑從左到右采樣，計(jì)算平均值及拋光前后TEOS膜的厚度差，按式(2)計(jì)算TEOS的去除速率(vTEOS)。

式中D1為拋光前TEOS鍍膜片厚度，D2為拋光后TEOS鍍膜片厚度，t為拋光時(shí)間。

采用Agilent公司制造的B1500A半導(dǎo)體電參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量銅電阻(Rs)。工業(yè)生產(chǎn)中要求Rs為0.18 Ω，阻擋層CMP后Rs應(yīng)盡可能接近該目標(biāo)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 拋光液中FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)THK的影響

固定拋光液中SiO2磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%、CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，調(diào)節(jié)FA/O Ⅱ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.2%和1.5%，對(duì)Cu鍍膜片和TEOS鍍膜片進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)，以研究FA/O Ⅱ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Cu和TEOS去除速率選擇性的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Cu、TEOS去除速率及二者之比的影響Figure 3 Effect of mass fraction of FA/O Ⅱ on removal rates of Cu and TEOS and their ratio

從圖3可知，隨FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，Cu鍍膜片去除速率從319 ?/min不斷增大到522 ?/min，TEOS鍍膜片在FA/O Ⅱ含量較小時(shí)無明顯變化，去除速率穩(wěn)定在870 ?/min左右，當(dāng)FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.5%之后開始下降。TEOS與Cu的去除速率選擇比隨FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而不斷變小。

對(duì)于Cu的去除，如圖4所示，溶液中溶解了空氣中的微量氧氣，先令銅表面發(fā)生式(3)和式(4)所示的氧化反應(yīng)[3]，生成CuO和Cu2O。同時(shí)，難溶物質(zhì)在弱堿性條件下發(fā)生微弱的電離平衡[3]，相關(guān)反應(yīng)見式(5)至式(7)。隨著FA/O II質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增大，其對(duì)Cu2+的螯合加快[見式(8)]，Cu2+不斷被消耗，從而使難溶物質(zhì)的電離平衡被打破，即式(7)向右進(jìn)行，氧化銅和氧化亞銅水解加劇，故Cu的去除速率增大。

圖4 FA/O Ⅱ?qū)u的作用機(jī)理Figure 4 Sketch showing action mechanism of FA/O Ⅱ on Cu

圖5為CMP過程中FA/O Ⅱ螯合劑對(duì)TEOS的作用機(jī)制示意圖。FA/O Ⅱ螯合劑在拋光液中具有調(diào)節(jié)pH的作用[13]。如圖6所示，當(dāng)FA/O Ⅱ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%逐漸增大至0.5%時(shí)，拋光液pH沒有明顯變化，故此時(shí)FA/O Ⅱ?qū)EOS去除速率的影響較小；當(dāng)FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.5%增大至1.5%時(shí)，拋光液pH增大，SiO2表面負(fù)電性增強(qiáng)，與TEOS之間的靜電斥力增大[14]，令機(jī)械作用減弱，TEOS的去除速率降低。

圖5 FA/O Ⅱ?qū)EOS的作用機(jī)理Figure 5 Sketch showing action mechanism of FA/O Ⅱ on TEOS

圖6 FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)pH的影響Figure 6 Effect of mass fration of FA/O Ⅱ on pH of slurry

用上述拋光液對(duì)圖形片進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)并測(cè)量THK。由圖7可知，隨著FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，THK減小，F(xiàn)A/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時(shí)，THK降至最低的220.4 nm，隨后又緩慢升高。這是因?yàn)閯傞_始時(shí)TEOS的去除速率較高，Cu的去除速率是影響THK的主要因素，故THK會(huì)隨Cu去除速率的升高而下降。隨著Cu去除速率的不斷提高及TEOS去除速率的不斷降低，TEOS去除速率過低時(shí)變成了影響THK變化的主要因素，故THK隨TEOS去除速率的下降而增大。綜上可知，THK的大小受到Cu和TEOS去除速率的影響，即控制THK的關(guān)鍵在于控制TEOS與銅的去除速率選擇比vTEOS/vCu。較佳的螯合劑FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。

圖7 FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)THK的影響Figure 7 Effect of mass fraction of FA/O Ⅱ on THK

2.2 拋光液中CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)THK的影響

固定拋光液中SiO2磨料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%、FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，調(diào)節(jié)介質(zhì)促進(jìn)劑CAK的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，以研究拋光液的CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CMP過程中Cu和TEOS去除速率選擇比的影響，結(jié)果見圖8。

圖8 CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Cu、TEOS去除速率及二者之比的影響Figure 8 Effect of mass fraction of CAK on removal rates of Cu and TEOS and their ratio

從圖8可以看出，隨著CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，TEOS的去除速率由626 ?/min增加到1 068 ?/min，而Cu的去除速率未發(fā)生明顯變化。這是由于在堿性溶液中，TEOS與OH?產(chǎn)生微弱的水解反應(yīng)，生成微溶的硅酸根的溶解度小限制了TEOS的進(jìn)一步水解。但是CAK電離出的K+與結(jié)合后生成了溶解度較大的K2SiO3，令TEOS在溶液中的水解加快，促進(jìn)了TEOS的去除。相關(guān)反應(yīng)見式(9)和式(10)。

此外，堿性拋光液使SiO2表面帶負(fù)電荷，TEOS表面同樣帶負(fù)電荷。根據(jù)同性相斥原理，SiO2與TEOS之間存在斥力，抑制了機(jī)械磨削作用[15]，故TEOS的去除速率降低。引入CAK后，根據(jù)異性相吸原理，帶正電荷的K+能中和SiO2與TEOS表面的負(fù)電荷，降低兩者之間的斥力，增大機(jī)械磨削作用，故TEOS的去除速率增大。

用上述拋光液對(duì)圖形片進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)并測(cè)量THK。由圖9可知，隨CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，THK從232.6 nm緩慢下降到213.4 nm，下降了19.2 nm。這是因?yàn)榧尤隒AK后，雖然Cu的去除速率幾乎不變，但TEOS的去除速率顯著提高，由于Cu和TEOS交叉分布，它們的去除速率相互牽制，雖然THK下降緩慢，但TEOS去除速率的提高也能在一定程度上減小THK。這再次證明THK的大小與vTEOS/vCu有關(guān)。綜合考慮去除速率選擇比和THK可知，較佳的CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。

圖9 CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)THK的影響Figure 9 Effect of mass fraction of CAK on THK

2.3 拋光液中BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)THK的影響

上述實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)A/O II螯合劑能夠提高Cu的去除速率，但過高的Cu去除速率和過低的選擇比會(huì)造成局部過拋，加大碟形坑和蝕坑深度。為了降低Cu的去除速率并獲得理想的vTEOS/vCu，在SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%、FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%及CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的拋光液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的抑菌劑BIT，對(duì)Cu鍍膜片和TEOS鍍膜片進(jìn)行CMP，探究BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)THK的影響，結(jié)果見圖10和圖11。

圖10 BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Cu、TEOS去除速率及二者之比的影響Figure 10 Effect of mass fraction of BIT on removal rates of Cu and TEOS and their ratio

圖11 BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)THK的影響Figure 11 Effect of mass fraction of BIT on THK

從圖10可知，隨著BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，Cu的去除速率由526 ?/min下降到450 ?/min，這是由于BIT與Cu表面發(fā)生了反應(yīng)，且不斷積累形成Cu/Cu2O/Cu-BIT/CuO復(fù)合層[16]。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，復(fù)合層愈發(fā)致密，阻礙了Cu與拋光液的接觸和反應(yīng)，因此Cu的去除速率降低。然而，鈍化、吸附等反應(yīng)難以發(fā)生在介質(zhì)表面[17-18]，故BIT對(duì)TEOS的去除速率沒有明顯的影響，這就使vTEOS/vCu提高，對(duì)降低蝕坑起到了一定作用。

由圖11可知，隨著BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，THK由187.9 nm不斷升高到226.8 nm，升高了39.1 nm。這是因?yàn)锽IT能夠降低Cu去除速率，對(duì)TEOS去除速率則無明顯影響。在TEOS去除速率不變的情況下，Cu的去除速率越低，THK越大。較佳的BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%。

2.4 銅電阻與THK的關(guān)系

基于各組分對(duì)互連線厚度(THK)的影響規(guī)律，從中選取表1所給出的4組拋光液對(duì)Cu鍍膜片進(jìn)行CMP，并使用半導(dǎo)體電參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量拋光后的銅電阻。其中拋光液A、B可用以研究FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Rs的影響，拋光液B、C可用于研究CAK對(duì)Rs的影響，拋光液B、D可用以研究BIT對(duì)Rs的影響。

表1 4組拋光液的組成Table 1 Compositions of four slurries （單位：%）

從圖12可知，F(xiàn)A/O Ⅱ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.1%增大到0.8%時(shí)，Rs由0.146 Ω增大到0.182 Ω，基本滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增大到2%時(shí)，Rs增大，偏離目標(biāo)值。BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.4%減小到0.2%時(shí)，Rs增大。結(jié)合圖6、圖8和圖10可知，Rs與THK呈負(fù)相關(guān)，可通過改變THK來控制Rs，即：THK增大時(shí)，Rs減??；THK減小時(shí)，Rs增大。

圖12 采用不同配方拋光液CMP后銅的電阻Figure 12 Rs values measured after CMP with four different slurries

3 結(jié)論

1) 隨拋光液中螯合劑FA/O Ⅱ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，Cu的去除速率增大，TEOS的去除速率減小，THK先降后升；隨介質(zhì)促進(jìn)劑CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，Cu的去除速率基本不變，TEOS的去除速率增大，THK減??；隨抑菌劑BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，Cu的去除速率減小，TEOS的去除率基本不變，THK增大。

2) 當(dāng)FA/O Ⅱ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%、CAK質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%及BIT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%時(shí)，TEOS的去除速率與Cu的去除速率之比約為1.7，THK最接近要求的目標(biāo)值225 nm，Rs也基本達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)要求的0.18 Ω。

3)Rs與THK之間呈負(fù)相關(guān)，可通過改變THK來控制Rs。而THK的大小受CMP時(shí)Cu和TEOS去除速率選擇比的影響，也就是說對(duì)銅互連阻擋層CMP時(shí)應(yīng)控制好TEOS與Cu的去除速率選擇比。