ULSI多層銅布線(xiàn)鉭阻擋層及其CMP拋光液的優(yōu)化
發(fā)布時(shí)間:2008/6/5 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):689
ulsi多層銅布線(xiàn)鉭阻擋層及其cmp拋光液的優(yōu)化--摘自.semiait.
摘要：分析了銅多層布線(xiàn)中阻擋層的選取問(wèn)題，根據(jù)銅鉭在氧化劑存在的情況下，拋光速率對(duì)ph值的不同變化趨勢(shì)，提出優(yōu)化堿性?huà)伖庖号浔冗M(jìn)而改變ph值，以達(dá)到銅鉭拋光一致性的方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。
1 前言
由于鋁自身的性質(zhì)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的鋁布線(xiàn)工藝制作的器件經(jīng)常會(huì)因鋁的電遷移而失效，隨著ulsi特征尺寸的進(jìn)一步減小，布線(xiàn)層數(shù)增加、寬度也隨之變細(xì)，這個(gè)問(wèn)題也變得更加突出。而銅的多層布線(xiàn)恰恰能避免這一問(wèn)題的出現(xiàn)，因此在深亞微米工藝中（0.18μm及以下），銅將逐步代替鋁成為硅片上多層布線(xiàn)的材料。現(xiàn)在，已被普遍承認(rèn)的是，對(duì)于最小特征尺寸在0.35μm及以下的器件，必須進(jìn)行全局平面化，而化學(xué)機(jī)械拋光（cmp）是最好的也是唯一的全局平面化技術(shù)。
銅與傳統(tǒng)的鋁及其合金相比主要有以下一些優(yōu)點(diǎn)[1]：較低的電阻率（cu：1.68 μω·cm ；a1：2.66～4.0 μω·cm）；更好的抗電遷移能力；更高的熔點(diǎn)（1358℃），更高的熱傳導(dǎo)系數(shù)（cu：398w/m；a1：238w/m）。但是銅本身也有一些缺點(diǎn)：易氧化，易與周?chē)沫h(huán)境發(fā)生反應(yīng)；與介質(zhì)層的粘結(jié)性差以及很關(guān)鍵的是銅易擴(kuò)散進(jìn)入硅與二氧化硅，并且在較低的溫度下就會(huì)形成銅與硅的化合物。銅擴(kuò)散進(jìn)入硅會(huì)成為深能級(jí)的雜質(zhì)，影響器件的可靠性；硅擴(kuò)散入銅將增加銅的電阻率。因此要成功實(shí)現(xiàn)硅芯片上的銅金屬化布線(xiàn)，首先應(yīng)找到一種能有效阻擋銅硅互擴(kuò)散的材料。
大量的難熔金屬及其二元、三元化合物都被研究作為阻擋材料。如ti，tin，wnx，ta，tanx，tacx，tasin，wsin。這些材料中，鉭有較高的電導(dǎo)率，性質(zhì)不活潑，在高溫下也不與銅和二氧化硅反應(yīng)生成合金，有很高的熔點(diǎn)（2996℃），與介質(zhì)材料有良好的粘結(jié)性，因此成了銅硅之間阻擋層的極佳選擇。鉭（ta）有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=32.959nm，除氫氟酸、發(fā)煙硫酸和強(qiáng)堿外，在室溫附近幾乎能抗所有鹽溶液和無(wú)機(jī)酸的腐蝕。鉭的主要物理和機(jī)械性質(zhì)見(jiàn)表1[2] 。
2 兩步拋光原理及終拋拋光液
優(yōu)化依據(jù)
2.1 銅鉭兩步拋光原理分析
在銅多層布線(xiàn)cmp過(guò)程中，如果使用一種拋光液和拋光條件，在cmp剛開(kāi)始時(shí)拋光速率相對(duì)很快，拋到鉭層時(shí)，因?yàn)殂g的拋光速率較低，銅的拋光速率較高，這樣必然行成碟型坑。碟形坑的出現(xiàn)降低了金屬線(xiàn)的厚度，增大了布線(xiàn)電阻，進(jìn)而降低了器件的可靠性。為此，國(guó)際上常采用二拋方法 [3]，即初拋和終拋，來(lái)避免這一問(wèn)題。
初拋要求銅的拋光速率相對(duì)較快，拋光液大速率地去除過(guò)多的銅，達(dá)到全局平面化。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)的銅的化學(xué)機(jī)械拋光動(dòng)力學(xué)為化學(xué)控制。即機(jī)械作用充分，化學(xué)作用不夠，拋光液中，通過(guò)控制組分含量的變化來(lái)控制cmp的工藝參數(shù)。采用的過(guò)程為：磨料粒度小、濃度大、轉(zhuǎn)速快、拋光布平而硬；流速很大，產(chǎn)物可溶情況下，一般化學(xué)作用較慢，所以反應(yīng)為化學(xué)過(guò)程控制。根據(jù)cmp初拋要求來(lái)解決化學(xué)控制的主要因素，我們?cè)O(shè)計(jì)的拋光漿料路線(xiàn)是：低氧化、強(qiáng)絡(luò)合；磨料小粒徑、高濃度。這樣就達(dá)到高速率、無(wú)污染、高選擇、低損傷、高平整和高潔凈的目的，可在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到全局平面化。
在終拋過(guò)程中以?huà)伖庖喝コ龤埩舻你~和阻擋層膜，為確�？山邮艿牧己胏mp形貌，關(guān)鍵在于獲得一個(gè)合理的銅鉭去除速率。鉭是惰性金屬，要想通過(guò)提高化學(xué)作用來(lái)提高它的cmp速率很不容易。因此，我們?cè)诔鯍仢{料的基礎(chǔ)上提高機(jī)械作用、降低對(duì)銅的化學(xué)作用來(lái)降低銅的cmp速率，并以低氧化、加快生成鉭的可溶性鹽的反應(yīng)速率來(lái)提高鉭的cmp速率，以使cmp速率比達(dá)到ta:cu = 1:1。
2.2 拋光液優(yōu)化依據(jù)
文獻(xiàn)[4]中分析了ta在 sio 2和al2o3拋光液中的拋光速率，提出在無(wú)氧化劑存在時(shí)，ta的拋光速率最高，ta的拋光速率隨著氧化劑的加入濃度的增加而減少。在水溶液中ta表面易形成氧化層保護(hù)膜ta2o5[5]。而在有氧化劑的情況下，加強(qiáng)了氧化層的形成，使氧化層變得更厚，因此鉭表面的抗蝕性更強(qiáng)[6]，拋光速率降低，更加難以去除。而在銅cmp中氧化劑濃度的增加，使銅的拋光速率增加。因此在對(duì)具有阻擋層金屬ta的cu拋光中，氧化劑的加入對(duì)cu和ta的拋光形成了矛盾，拋光液的成分優(yōu)化顯得尤為重要。
在終拋酸性?huà)伖庖褐�，銅表面形成的氧化鈍化層的結(jié)構(gòu)和成分因ph值不同而不同。低ph值時(shí)銅表面鈍化層為多孔易滲透的cu2o膜；高ph值時(shí)為致密緊湊的cuo膜，該膜能阻止銅離子從基質(zhì)金屬中擴(kuò)散。銅的氧化物在ph值為2～4的cu－h(huán)2o系統(tǒng)中熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。因此隨著ph值的升高，由于銅表面膜鈍化程度的提高，銅的拋光速率逐漸降低。拋光液的ph值對(duì)鉭的去除速率也有非常強(qiáng)的影響。在氧化劑存在時(shí)，鈍化表面層的性質(zhì)支配著金屬去除過(guò)程[4]，堿性?huà)伖庖呵闆r下，鉭的拋光速率隨著ph值（>10）的增
ulsi多層銅布線(xiàn)鉭阻擋層及其cmp拋光液的優(yōu)化--摘自.semiait.
摘要：分析了銅多層布線(xiàn)中阻擋層的選取問(wèn)題，根據(jù)銅鉭在氧化劑存在的情況下，拋光速率對(duì)ph值的不同變化趨勢(shì)，提出優(yōu)化堿性?huà)伖庖号浔冗M(jìn)而改變ph值，以達(dá)到銅鉭拋光一致性的方法，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。
1 前言
由于鋁自身的性質(zhì)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的鋁布線(xiàn)工藝制作的器件經(jīng)常會(huì)因鋁的電遷移而失效，隨著ulsi特征尺寸的進(jìn)一步減小，布線(xiàn)層數(shù)增加、寬度也隨之變細(xì)，這個(gè)問(wèn)題也變得更加突出。而銅的多層布線(xiàn)恰恰能避免這一問(wèn)題的出現(xiàn)，因此在深亞微米工藝中（0.18μm及以下），銅將逐步代替鋁成為硅片上多層布線(xiàn)的材料�，F(xiàn)在，已被普遍承認(rèn)的是，對(duì)于最小特征尺寸在0.35μm及以下的器件，必須進(jìn)行全局平面化，而化學(xué)機(jī)械拋光（cmp）是最好的也是唯一的全局平面化技術(shù)。
銅與傳統(tǒng)的鋁及其合金相比主要有以下一些優(yōu)點(diǎn)[1]：較低的電阻率（cu：1.68 μω·cm ；a1：2.66～4.0 μω·cm）；更好的抗電遷移能力；更高的熔點(diǎn)（1358℃），更高的熱傳導(dǎo)系數(shù)（cu：398w/m；a1：238w/m）。但是銅本身也有一些缺點(diǎn)：易氧化，易與周?chē)沫h(huán)境發(fā)生反應(yīng)；與介質(zhì)層的粘結(jié)性差以及很關(guān)鍵的是銅易擴(kuò)散進(jìn)入硅與二氧化硅，并且在較低的溫度下就會(huì)形成銅與硅的化合物。銅擴(kuò)散進(jìn)入硅會(huì)成為深能級(jí)的雜質(zhì)，影響器件的可靠性；硅擴(kuò)散入銅將增加銅的電阻率。因此要成功實(shí)現(xiàn)硅芯片上的銅金屬化布線(xiàn)，首先應(yīng)找到一種能有效阻擋銅硅互擴(kuò)散的材料。
大量的難熔金屬及其二元、三元化合物都被研究作為阻擋材料。如ti，tin，wnx，ta，tanx，tacx，tasin，wsin。這些材料中，鉭有較高的電導(dǎo)率，性質(zhì)不活潑，在高溫下也不與銅和二氧化硅反應(yīng)生成合金，有很高的熔點(diǎn)（2996℃），與介質(zhì)材料有良好的粘結(jié)性，因此成了銅硅之間阻擋層的極佳選擇。鉭（ta）有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=32.959nm，除氫氟酸、發(fā)煙硫酸和強(qiáng)堿外，在室溫附近幾乎能抗所有鹽溶液和無(wú)機(jī)酸的腐蝕。鉭的主要物理和機(jī)械性質(zhì)見(jiàn)表1[2] 。
2 兩步拋光原理及終拋拋光液
優(yōu)化依據(jù)
2.1 銅鉭兩步拋光原理分析
在銅多層布線(xiàn)cmp過(guò)程中，如果使用一種拋光液和拋光條件，在cmp剛開(kāi)始時(shí)拋光速率相對(duì)很快，拋到鉭層時(shí)，因?yàn)殂g的拋光速率較低，銅的拋光速率較高，這樣必然行成碟型坑。碟形坑的出現(xiàn)降低了金屬線(xiàn)的厚度，增大了布線(xiàn)電阻，進(jìn)而降低了器件的可靠性。為此，國(guó)際上常采用二拋方法 [3]，即初拋和終拋，來(lái)避免這一問(wèn)題。
初拋要求銅的拋光速率相對(duì)較快，拋光液大速率地去除過(guò)多的銅，達(dá)到全局平面化。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)的銅的化學(xué)機(jī)械拋光動(dòng)力學(xué)為化學(xué)控制。即機(jī)械作用充分，化學(xué)作用不夠，拋光液中，通過(guò)控制組分含量的變化來(lái)控制cmp的工藝參數(shù)。采用的過(guò)程為：磨料粒度小、濃度大、轉(zhuǎn)速快、拋光布平而硬；流速很大，產(chǎn)物可溶情況下，一般化學(xué)作用較慢，所以反應(yīng)為化學(xué)過(guò)程控制。根據(jù)cmp初拋要求來(lái)解決化學(xué)控制的主要因素，我們?cè)O(shè)計(jì)的拋光漿料路線(xiàn)是：低氧化、強(qiáng)絡(luò)合；磨料小粒徑、高濃度。這樣就達(dá)到高速率、無(wú)污染、高選擇、低損傷、高平整和高潔凈的目的，可在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到全局平面化。
在終拋過(guò)程中以?huà)伖庖喝コ龤埩舻你~和阻擋層膜，為確保可接受的良好cmp形貌，關(guān)鍵在于獲得一個(gè)合理的銅鉭去除速率。鉭是惰性金屬，要想通過(guò)提高化學(xué)作用來(lái)提高它的cmp速率很不容易。因此，我們?cè)诔鯍仢{料的基礎(chǔ)上提高機(jī)械作用、降低對(duì)銅的化學(xué)作用來(lái)降低銅的cmp速率，并以低氧化、加快生成鉭的可溶性鹽的反應(yīng)速率來(lái)提高鉭的cmp速率，以使cmp速率比達(dá)到ta:cu = 1:1。
2.2 拋光液優(yōu)化依據(jù)
文獻(xiàn)[4]中分析了ta在 sio 2和al2o3拋光液中的拋光速率，提出在無(wú)氧化劑存在時(shí)，ta的拋光速率最高，ta的拋光速率隨著氧化劑的加入濃度的增加而減少。在水溶液中ta表面易形成氧化層保護(hù)膜ta2o5[5]。而在有氧化劑的情況下，加強(qiáng)了氧化層的形成，使氧化層變得更厚，因此鉭表面的抗蝕性更強(qiáng)[6]，拋光速率降低，更加難以去除。而在銅cmp中氧化劑濃度的增加，使銅的拋光速率增加。因此在對(duì)具有阻擋層金屬ta的cu拋光中，氧化劑的加入對(duì)cu和ta的拋光形成了矛盾，拋光液的成分優(yōu)化顯得尤為重要。
在終拋酸性?huà)伖庖褐�，銅表面形成的氧化鈍化層的結(jié)構(gòu)和成分因ph值不同而不同。低ph值時(shí)銅表面鈍化層為多孔易滲透的cu2o膜；高ph值時(shí)為致密緊湊的cuo膜，該膜能阻止銅離子從基質(zhì)金屬中擴(kuò)散。銅的氧化物在ph值為2～4的cu－h(huán)2o系統(tǒng)中熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。因此隨著ph值的升高，由于銅表面膜鈍化程度的提高，銅的拋光速率逐漸降低。拋光液的ph值對(duì)鉭的去除速率也有非常強(qiáng)的影響。在氧化劑存在時(shí)，鈍化表面層的性質(zhì)支配著金屬去除過(guò)程[4]，堿性?huà)伖庖呵闆r下，鉭的拋光速率隨著ph值（>10）的增
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