CMP工藝參數(shù)改進

CMP工藝參數(shù)改進kilcher發(fā)表于:2008-12-2611:40來源:半導體技術(shù)天地為CMP部門提供消耗品的供應商正在開發(fā)新的方法，在維持研磨去除率不變的情況下，改善平整度和缺陷率，同時降低成本，來滿足未來應用的要求。

對于任一個新的技術(shù)節(jié)點，工藝窗口正日益減小，這對于過拋光的容忍度來說也不例外。不斷縮小的關(guān)鍵尺寸（CD）以及隨之而來的更薄的金屬層厚度和更小的疊層高度，都不斷提醒著各個部門來重新考量傳統(tǒng)的化學機械拋光（CMP）所使用的化學試劑和工藝（圖1）。在拋光過程中，用來保護硅片上有用圖案的偽結(jié)構(gòu)的尺寸和放置位置都在發(fā)生著變化，絕緣材料上銅線整體密度的變化對只有幾十納米寬的窄線條有著極大的影響。

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CMP工藝最主要的變化發(fā)生在互連階段的銅工藝和阻擋層工藝兩部分。在65nmCD以上時，對于每個新技術(shù)節(jié)點都開發(fā)出了與之相對應的拋光液，而拋光墊則相對缺乏變化。而在過去的幾年內(nèi)，這種策略被調(diào)整了，出現(xiàn)了新的拋光墊凹槽圖案，來滿足對平整度和缺陷率更嚴格的要求。并且，業(yè)界也開始更多地關(guān)注如何才能降低這些昂貴消耗品的浪費。但是，對于拋光液的研發(fā)一刻也沒有停滯過，繼續(xù)沿著與新應用類似的發(fā)展路

線進行創(chuàng)新。

拋光液的改進

拋光液的整體趨勢朝著更強的化學反應活性、更溫和的機械作用的方向發(fā)展。這將促進柔軟研磨顆粒的研發(fā)，從而減少在低k絕緣材料表面產(chǎn)生線狀劃痕的可能。盡管如此，混合型的顆?！酆衔锱c傳統(tǒng)陶瓷顆粒的結(jié)合體——在平整度改善以及缺陷度降低方面展示出了良好的前景。

陶瓷顆粒通常具有較強的研磨能力，因此去除率較高，但同時這也會在與硅片接觸點附近產(chǎn)生更強的局部壓強。很多時候，這會導致缺陷的產(chǎn)生。因此，研磨顆粒的形狀變得至關(guān)重要（邊緣尖銳的或是圓滑的），而通常這依賴于研磨劑顆粒的合成工藝。與陶瓷顆粒相反，聚合物顆粒通常比較柔軟，具有彈性且邊緣圓滑，因此能夠?qū)⑺┘拥膽σ砸环N更加溫和、分布均勻的方式傳遞到硅片上。

IMEC（比利時，魯汶）的研發(fā)工程師JanVaes表示，理論上講，帶聚合物外殼的陶瓷顆粒能夠?qū)⑦@兩者的優(yōu)點完美的結(jié)合在一起——堅硬的顆粒可以以一種非損傷的方式施加局部應力。這種結(jié)合體具有提高研磨移除率、改善平整度、降低缺陷發(fā)生率的潛力。

更進一步來講，由于銅本身無法產(chǎn)生自然鈍化層，對于先進的銅工藝，要求研磨劑供貨商能夠更為仔細地考慮添加到研磨劑中的抑制劑成分。問題在于，發(fā)生在寬銅線上的分解或腐蝕力，可能對80nm的窄線條產(chǎn)生極大的局部影響，造成嚴重的失效。這促進了對于新型抑制劑的研發(fā)工作。

例如：TechnionUniversity（以色列，海法）的研究人員正在研究采用陰離子吸附的銅鈍化工藝中的熱力學問題。隨后，IMEC工程師向測試研磨劑中添加了吸附劑，結(jié)果十分令人驚訝——降低了CMP工藝所造成的碟形凹陷，這表明了向研磨劑中加入添加劑的方法能夠應用于未來的硅片加工制造中。

對于不同的領(lǐng)域，開發(fā)出了新方法來簡化平坦化工藝，但同時還需要引入新型的抑制劑。Vaes介紹說，例如用貴金屬釕作為阻擋層材料可以減少甚至消除對籽晶層的需要，這樣就可以直接在釕的阻擋層上電鍍金屬銅。但是，金屬釕在電化學腐蝕中具有更高的驅(qū)動力，因此需要更為有效或者濃度更高的陽極抑制劑。類似Cabot（伊力諾依州，Aurora）這樣的供應商已經(jīng)開發(fā)出了采用額外抑制劑的貴金屬阻擋層拋光液。

類似的情況還有，自成形的阻擋層能夠在沒有額外化學材料的基礎(chǔ)上，消除拋光步驟。根據(jù)IMEC的研究成果，通過熱處理工藝在銅合金表面形成阻擋層，這樣便在絕緣材料和銅之間形成了絕緣阻擋層。Cabot的CMP會員表示，這樣我們便不再需要傳統(tǒng)的阻擋層拋光步驟，但是對銅拋光后的表面形貌還存在相同的要求。

新型拋光液的開發(fā)朝著不同的方向發(fā)展，甚至當我們關(guān)注腐蝕反應中的陰極部分時，氧化劑的動力學也在改變。平坦化工藝復雜度如此之高就沒有什么好驚訝的了。

與二十多年前相比，CMP已經(jīng)從一種基于經(jīng)驗的工藝轉(zhuǎn)變成一種成熟的由知識支持的工藝。因此，最終用戶可以更好地控制并提高系統(tǒng)和工藝的魯棒性及可重復性。

新型拋光墊構(gòu)造

一些拋光墊供應商通過調(diào)整材料、孔隙度，特別是拋光墊上的凹槽圖案，來開發(fā)新型的拋光墊。羅門哈斯（RohmandHaas,亞利桑那州鳳凰城）開發(fā)模型來獲取CMP工藝中晶圓如何與拋光墊和研磨劑相互作用的基本原理。針對某些非常特殊的問題，例如改善良率，開發(fā)出新型的凹槽圖案構(gòu)造。羅門哈斯CMP應用集成工程經(jīng)理ToddBuley表示，具有某種凹槽圖案的拋光墊可以使缺陷率降低50%；在一些特殊情況下，改變凹槽圖案可以修正均勻性的分布，而其它裝置或者設(shè)備參數(shù)對此則無能為力。

絕大多數(shù)CMP設(shè)備采用連續(xù)方式將拋光液滴到拋光墊上，而不是采用一種更為優(yōu)化的方式。拋光墊旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力使得一部分拋光液無法接觸到硅片，造成拋光液損失。通過優(yōu)化拋光墊凹槽圖案設(shè)計可以改善拋光液輸送到硅片邊緣，在不犧牲研磨去除率、缺陷度以及均勻度等性能的前提下，使拋光液的消耗降低35%以上。Buley表示，這將導致CMP工藝中消耗品整體成本降低20%。

先進材料

低介電常數(shù)（low-k）材料的使用同樣要求對CMP工藝進行特別關(guān)注。對于對壓力敏感的多孔低k材料及氣隙技術(shù)，提高拋光墊與硅片之間的接觸比例至關(guān)重要。通常會在低k材料上沉積一層較薄的二氧化硅層，來避免低k值材料直接暴露在苛刻的CMP工藝環(huán)境中。最理想的拋光工藝是在銅和阻擋層金屬拋光過程中將這層氧化層去除，停在低k材料上，這樣，帽層材料去除后，結(jié)構(gòu)能夠獲得最低的有效k值。盡管如此，難以避免的過拋光將會導致拋光液中的表面活性劑和添加劑擴散到多孔材料中，造成失效。畢竟在CMP工藝中，保證結(jié)構(gòu)的一致性才是第一要素。

標準的IC1000拋光墊與硅片的接觸比例約為1%。當在硅片表面施加3~5psi的壓力后，硅片上某些接觸點上集中負荷有可能達到幾百個psi。Bu

ley說，新研發(fā)的拋光墊通過提高與硅片的接觸面積比例來降低這種點集中負荷應力，從而極大地降低缺陷率。但是對于脆性的低k材料而言，壓力的分布才是最重要的。盡管如此，我們無法僅僅依靠新的拋光墊構(gòu)造實現(xiàn)降低硅片上應力的目的。拋光液中的顆粒體積也要相應的降低。

盡管拋光墊和拋光液技術(shù)取得了可觀的進步，我們還需要謹慎的應用這些變化。目前來講，針對IC1000拋光墊，已經(jīng)開發(fā)出了許多新型的拋光液；因此，對于全新材料構(gòu)成的拋光墊，所對應的研磨性能也將完全改變。我們今天所采用的方法能夠幫助我們最大限度的了解變量控制率和缺陷率，并最終指導我們在CMP工藝中開發(fā)和應用新型的材料。

CMP后的清洗工藝

Marangoni干燥技術(shù)對于業(yè)界來講并不陌生，但直到現(xiàn)在才被采用。應用材料CMP部門總經(jīng)理LakshmananKaruppiah表示，通過采用Marangoni干燥技術(shù)，使得應用材料公司（加州，SantaClara）的CMP系統(tǒng)能夠應用于45nm及更高節(jié)點超低k絕緣材料的拋光。CMP后的清洗工藝通常包含超聲波清洗、刷洗以及旋轉(zhuǎn)式干燥。但是，由于低k絕緣材料具有疏水性，即使經(jīng)過旋轉(zhuǎn)/干燥，硅片表面還會殘存水滴。事實上，所有水滴內(nèi)都會溶解一些微小顆粒，這將造成硅片表面的有機物殘留或水印缺陷。如果殘余物中的銅發(fā)生沉淀再結(jié)晶，那么水印缺陷將會在芯片上產(chǎn)生致命的失效。

應用材料的Desica清洗設(shè)備采用Marangoni烘干法，充分利用表面張力的特性，有效地將硅片表面甚至是溝槽中的水膜剝離，同時去除殘余物和缺陷。

干燥過程中，待清洗的硅片沿垂直方向進入一個水箱。隨著硅片緩慢地移出，將異丙醇噴涂在硅片與水之間，降低水膜的表面張力，從而消除了水印缺陷產(chǎn)生的可能。

Karuppiah表示，通常來講，Marangoni干燥工藝要比旋轉(zhuǎn)干燥工藝快30%~40%，工藝時間可以從40秒左右降低到25秒，這為金屬和絕緣材料方面的應用提供了生產(chǎn)力方面的優(yōu)勢。

量測

隨著工藝窗口的縮小，量測發(fā)揮了越來越大的作用。舉例來講，對于20nm節(jié)點上最先進的應用，絕緣層疊層高度從300~600nm降低到了120nm或者80nm，這比目前CMP后的剩余高度（200到400nm之間）還要低很多。因此，CMP工藝過程中所造成的銅損失不能超過100nm或者150nm。構(gòu)成疊層的低k材料孔洞率大約為30%或者更高，因此只能承受0.5~0.8psi的壓力。在線或原位量測設(shè)備必須能夠?qū)崟r監(jiān)測CMP工藝中的硅片，直接測量厚度和均勻度，將收集到的數(shù)據(jù)反饋到下一片硅片，或者使用實時反饋來調(diào)整當前硅片的加工工藝參數(shù)，比如減慢研磨去除率或者降低下壓力。

NovaMeasuringInstruments（以色列，Rehovot）的分立光學CD測量部門經(jīng)理CornelBozdog指出，更嚴格的工藝窗口要求提高硅片間、硅片內(nèi)以及芯片內(nèi)不同圖形密度和區(qū)域的平整均勻度。對于局部表面形貌的測量和監(jiān)控也變得十分重要。

Bozdog表示，根據(jù)客戶的反饋，當前量測劃片槽中測試結(jié)構(gòu)的方法已經(jīng)無法直接反映良率。這促進了直接測量硅片上芯片的需求。對于器件結(jié)構(gòu)在某一方向呈周期排列的結(jié)構(gòu)而言，類似Nova的散射測量設(shè)備能夠基于實際器件的光學反應進行運算。這類設(shè)備能夠?qū)⑵骷缀纬叽绲臏y量精確到埃的量級。

根據(jù)Bozdog的解釋，建立整個器件的模型——從柵到互連線-是保證器件測量的關(guān)鍵?！叭绻軌蚪⑵骷Ｐ?，就能夠完成測量”，能直接測量那些包含已有結(jié)構(gòu)的復雜模型。例如：對于金屬互連CMP工藝而言，阻擋層的去除很依賴局部表面形貌，以及前層互連結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的表面起伏，因此，只能依靠直接測量方法獲得氧化工藝后的膜厚。

隨著各層材料不斷減薄，一種控制平均剩余厚度的方法正投入研究，即層間及層內(nèi)光學終點原位檢測技術(shù)。該方法的優(yōu)勢在于，在反應過程中實時測量，可以立即反饋測量結(jié)果。盡管如此，該方法被認為還存在一些不足。例如：測量精度（幾十埃的量級）相對較差，無法同時適用于不同的測試結(jié)構(gòu)和特征尺寸密度。Karuppiah表示，盡管這種原位光學測量技術(shù)針對硅片級別的終點檢測，并不直接解決局部平坦化的問題，但還是能夠促進許多工藝步驟的改善。

通過直接測量實現(xiàn)對局部的控制，進而達到對硅片內(nèi)非均勻性的控制。當非實時測量時，測量發(fā)生在CMP工藝結(jié)束后和硅片被放回FOUP前。并且，測量速度能夠與主機臺加工速度相匹配，甚至更快。

Karuppiah解釋說，若將傳感器放置在恰當?shù)奈恢茫还鈱W工藝控制將非常有效。將原位傳感器放置在拋光墊后的窗口后，可以在硅片拋光過程中進行實時監(jiān)控。采用這種方法，隨著拋光墊的磨損，可以通過改變壓力和速率來維持研磨去除率。

在32nm節(jié)點，對于全局平整度的要求變得越來越嚴格，對于硅片間

以及硅片內(nèi)均勻度的控制變得更緊?；旧现v，有兩種方法能夠成功的實現(xiàn)對于均勻度的要求。在過去兩年內(nèi)，先進的終點檢測技術(shù)有效的應用于以下兩種應用當中：終點停在薄膜內(nèi)，例如：層間絕緣材料；或者停在不同材料界面（例如：淺溝槽隔離技術(shù)[STI]）。

集成的散射測量系統(tǒng)能夠在硅片加工工藝結(jié)束被送回FOUP前，即刻測量出硅片內(nèi)以及硅片間剩余材料的厚度分布，精度可以達到埃的量級，這便允許對下一片硅片的工藝參數(shù)進行微調(diào)。例如：一個應用于前道工藝（FEOL）的測量程序，通常能夠以埃量級的精度檢測硅片內(nèi)以及不同芯片間多個STI結(jié)構(gòu)殘余的二氧化硅層厚度。對于后道工藝（BEOL），單一測量程序能夠獲得硅片內(nèi)以及芯片間不同圖形密度下的銅線厚度分布。

成本因素

Buley表示：“對于消耗品供應商而言，如何降低成本成為最大的挑戰(zhàn)”。從65nm到45nm以及更高節(jié)點，業(yè)界開始要求對于每個技術(shù)節(jié)點的更迭，在保證性能提高的前提下，成本都要降低25%。但是從結(jié)果上來看，對于產(chǎn)品開發(fā)的整個周期，成本降低的責任從生產(chǎn)制造部門轉(zhuǎn)移到了產(chǎn)品研發(fā)部門。從產(chǎn)品開發(fā)的初期便開始降低成本是有優(yōu)勢的，如果能夠?qū)ζ教够に囉猩羁痰睦斫?，當魯棒性高的集成工藝從研發(fā)部門轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)制造部門后，便可以使fab對工藝支持的成本最小化。

這只是一個組成部分。對于芯片制造商而言，由于工藝條件欠成熟導致產(chǎn)品推遲上市，將嚴重打亂公司的計劃，因此，從供應鏈方面對成本進行管理變得不可或缺。

對于CMP部門，成本和工藝復雜度都在提升，像Entrepix（亞利桑那州，Tempe）這樣的新興公司和部門正在填補供應鏈中外部采購的角色。CTORobRhoades表示，針對不同尺寸的硅片加工設(shè)備和潔凈室，從早期的原型到最終的量產(chǎn)，Entrepix能提供各個階段的研發(fā)支持。另外還可幫助設(shè)備升級，例如采用新型拋光盤調(diào)節(jié)器或者改進拋光頭，或者新工藝的開發(fā)都能最終改善工藝性能，提高經(jīng)濟回報。

Rhoades表示：“對于競爭激烈的半導體器件制造市場而言，我們能夠滿足fab對于降低成本以及提高競爭力的雙重需求，幫助制造商滿足日益苛刻的產(chǎn)品時間表，來加速資本回流，從而實現(xiàn)成本和風險的降低?！痹诋斍敖?jīng)濟環(huán)境下，這極受小型和已成規(guī)模的芯片制造商的歡迎。

新的應用

Feeney指出，“技術(shù)的革新驅(qū)動新需求的產(chǎn)生”。并且，隨著每次技術(shù)節(jié)點的更迭，隨之而來的是新器件結(jié)構(gòu)和新材料的應用。這適用于互連的應用，但現(xiàn)在越來越多的適用于晶體管的制造以及其它新的領(lǐng)域。對于平整度而言，要求可能稍微發(fā)生變化，但是對于新的應用，還在可以接受的范圍內(nèi)，例如在3-D集成技術(shù)中，芯片堆疊以增強集成度和功能性。

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對于3-D集成（圖2）來說，直徑5μm深50μm的銅釘或者銅柱被用來連接堆疊起來的芯片。硅片粘結(jié)到承載晶圓后，在硅片背面電鍍銅，然后減薄到2