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ULSI多层铜布线钽阻挡层及其CMP抛光液的优化

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:688

ulsi多层铜布线钽阻挡层及其cmp抛光液的优化--摘自.semiait.

摘要：分析了铜多层布线中阻挡层的选取问题，根据铜钽在氧化剂存在的情况下，抛光速率对ph值的不同变化趋势，提出优化碱性抛光液配比进而改变ph值，以达到铜钽抛光一致性的方法，并进行了相应的实验研究。

1 前言
由于铝自身的性质，导致传统的铝布线工艺制作的器件经常会因铝的电迁移而失效，随着ulsi特征尺寸的进一步减小，布线层数增加、宽度也随之变细，这个问题也变得更加突出。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（0.18μm及以下），铜将逐步代替铝成为硅片上多层布线的材料。现在，已被普遍承认的是，对于最小特征尺寸在0.35μm及以下的器件，必须进行全局平面化，而化学机械抛光（cmp）是最好的也是唯一的全局平面化技术。
铜与传统的铝及其合金相比主要有以下一些优点[1]：较低的电阻率（cu：1.68 μω·cm ；a1：2.66～4.0 μω·cm）；更好的抗电迁移能力；更高的熔点（1358℃），更高的热传导系数（cu：398w/m；a1：238w/m）。但是铜本身也有一些缺点：易氧化，易与周围的环境发生反应；与介质层的粘结性差以及很关键的是铜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的杂质，影响器件的可靠性；硅扩散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，首先应找到一种能有效阻挡铜硅互扩散的材料。
大量的难熔金属及其二元、三元化合物都被研究作为阻挡材料。如ti，tin，wnx，ta，tanx，tacx，tasin，wsin。这些材料中，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，有很高的熔点（2996℃），与介质材料有良好的粘结性，因此成了铜硅之间阻挡层的极佳选择。钽（ta）有体心立方晶体结构，晶格常数a=32.959nm，除氢氟酸、发烟硫酸和强碱外，在室温附近几乎能抗所有盐溶液和无机酸的腐蚀。钽的主要物理和机械性质见表1[2] 。
2 两步抛光原理及终抛抛光液
优化依据
2.1 铜钽两步抛光原理分析
在铜多层布线cmp过程中，如果使用一种抛光液和抛光条件，在cmp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，这样必然行成碟型坑。碟形坑的出现降低了金属线的厚度，增大了布线电阻，进而降低了器件的可靠性。为此，国际上常采用二抛方法 [3]，即初抛和终抛，来避免这一问题。
初抛要求铜的抛光速率相对较快，抛光液大速率地去除过多的铜，达到全局平面化。为此，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cmp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；流速很大，产物可溶情况下，一般化学作用较慢，所以反应为化学过程控制。根据cmp初抛要求来解决化学控制的主要因素，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。这样就达到高速率、无污染、高选择、低损伤、高平整和高洁净的目的，可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cmp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cmp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cmp速率，并以低氧化、加快生成钽的可溶性盐的反应速率来提高钽的cmp速率，以使cmp速率比达到ta:cu = 1:1。
2.2 抛光液优化依据
文献[4]中分析了ta在 sio 2和al2o3抛光液中的抛光速率，提出在无氧化剂存在时，ta的抛光速率最高，ta的抛光速率随着氧化剂的加入浓度的增加而减少。在水溶液中ta表面易形成氧化层保护膜ta2o5[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cmp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ta的cu抛光中，氧化剂的加入对cu和ta的抛光形成了矛盾，抛光液的成分优化显得尤为重要。
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。铜的氧化物在ph值为2～4的cu－h2o系统中热力学性质不稳定。因此随着ph值的升高，由于铜表面膜钝化程度的提高，铜的抛光速率逐渐降低。抛光液的ph值对钽的去除速率也有非常强的影响。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]，碱性抛光液情况下，钽的抛光速率随着ph值（>10）的增

ulsi多层铜布线钽阻挡层及其cmp抛光液的优化--摘自.semiait.

摘要：分析了铜多层布线中阻挡层的选取问题，根据铜钽在氧化剂存在的情况下，抛光速率对ph值的不同变化趋势，提出优化碱性抛光液配比进而改变ph值，以达到铜钽抛光一致性的方法，并进行了相应的实验研究。

1 前言
由于铝自身的性质，导致传统的铝布线工艺制作的器件经常会因铝的电迁移而失效，随着ulsi特征尺寸的进一步减小，布线层数增加、宽度也随之变细，这个问题也变得更加突出。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（0.18μm及以下），铜将逐步代替铝成为硅片上多层布线的材料。现在，已被普遍承认的是，对于最小特征尺寸在0.35μm及以下的器件，必须进行全局平面化，而化学机械抛光（cmp）是最好的也是唯一的全局平面化技术。
铜与传统的铝及其合金相比主要有以下一些优点[1]：较低的电阻率（cu：1.68 μω·cm ；a1：2.66～4.0 μω·cm）；更好的抗电迁移能力；更高的熔点（1358℃），更高的热传导系数（cu：398w/m；a1：238w/m）。但是铜本身也有一些缺点：易氧化，易与周围的环境发生反应；与介质层的粘结性差以及很关键的是铜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的杂质，影响器件的可靠性；硅扩散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，首先应找到一种能有效阻挡铜硅互扩散的材料。
大量的难熔金属及其二元、三元化合物都被研究作为阻挡材料。如ti，tin，wnx，ta，tanx，tacx，tasin，wsin。这些材料中，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，有很高的熔点（2996℃），与介质材料有良好的粘结性，因此成了铜硅之间阻挡层的极佳选择。钽（ta）有体心立方晶体结构，晶格常数a=32.959nm，除氢氟酸、发烟硫酸和强碱外，在室温附近几乎能抗所有盐溶液和无机酸的腐蚀。钽的主要物理和机械性质见表1[2] 。
2 两步抛光原理及终抛抛光液
优化依据
2.1 铜钽两步抛光原理分析
在铜多层布线cmp过程中，如果使用一种抛光液和抛光条件，在cmp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，这样必然行成碟型坑。碟形坑的出现降低了金属线的厚度，增大了布线电阻，进而降低了器件的可靠性。为此，国际上常采用二抛方法 [3]，即初抛和终抛，来避免这一问题。
初抛要求铜的抛光速率相对较快，抛光液大速率地去除过多的铜，达到全局平面化。为此，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cmp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；流速很大，产物可溶情况下，一般化学作用较慢，所以反应为化学过程控制。根据cmp初抛要求来解决化学控制的主要因素，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。这样就达到高速率、无污染、高选择、低损伤、高平整和高洁净的目的，可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cmp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cmp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cmp速率，并以低氧化、加快生成钽的可溶性盐的反应速率来提高钽的cmp速率，以使cmp速率比达到ta:cu = 1:1。
2.2 抛光液优化依据
文献[4]中分析了ta在 sio 2和al2o3抛光液中的抛光速率，提出在无氧化剂存在时，ta的抛光速率最高，ta的抛光速率随着氧化剂的加入浓度的增加而减少。在水溶液中ta表面易形成氧化层保护膜ta2o5[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cmp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ta的cu抛光中，氧化剂的加入对cu和ta的抛光形成了矛盾，抛光液的成分优化显得尤为重要。
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。铜的氧化物在ph值为2～4的cu－h2o系统中热力学性质不稳定。因此随着ph值的升高，由于铜表面膜钝化程度的提高，铜的抛光速率逐渐降低。抛光液的ph值对钽的去除速率也有非常强的影响。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]，碱性抛光液情况下，钽的抛光速率随着ph值（>10）的增

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