电化学抛光

储向峰等:ULSI制造中Cu的电化学机械抛光

用的化学机械抛光(CMP)技术需要在较高的压力(>13.78kPa)下进行,而这些多孔、易碎、低介电常数的材料相对于SiO2有很低的机械强度,难以承受CMP过程中的压力

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,在某些情况下

产生裂纹、分层和材料变形。最近出现的电化学机械抛光(ECMP)技术有可能替代CMP技术,满足含易碎、低介电常数材料的小尺寸特征结构的ULSI中Cu的抛光[5]。ECMP将电化学表面反应和机械作用结合,可以在低压力(<6.89kPa)下,用抛光粒子含量低(甚至不含抛光粒子)的电解质溶液(抛光液)进行抛光,这样抛光后晶圆片易于清洗,而且表面缺陷少。

国内有文献[6]提及集电化学Cu沉积和电化学机械抛光于一体的平坦化技术,这是获得多层Cu互连结构平坦化的极好方案,但未见后续报道。国外关于多层Cu互连结构中Cu的电化学机械抛光的文献也不多。AppliedMaterials公司的研究者对多层Cu互连结构中Cu的电化学机械抛光开展了研究,申请了抛光液的专利[7],报道了电压对抛光速率的影响[8]。文献[9-10]报道了十二烷基硫酸铵、H2O2、NO-3、氨基乙酸对ECMP平坦化效果的影响,但是在抛光液中含有氧化剂H2O2。最近有关于ECMP抛光液[11]和ECMP工艺流程控制[12]的研究报道,目前美国Clarkson大学和AirLiquide公司也在开展这方面的研究,主要研制ECMP抛光液。

研究用于特征尺寸小于65nm的超大规模集成电路中Cu的电化学机械抛光的机理和方法,为研究开发下一代的抛光液提供理论依据,对发展下一代平坦化技术具有重要意义。国内关于ECMP的研究未见报道,在本文中,利用自制不含氧化剂抛光液对Cu进行电化学机械抛光,研究了抛光条件对抛光性能的影响。

用精密电子天平测量抛光前后晶圆片的质量计算抛光速率,用AmbiosXP22stylusprofilometer测量图案晶圆片抛光前后的台阶高度的变化,用Horizon光学表面光度仪进行抛光后表面光洁度的表征。

图1 电化学机械抛光机的示意图Fig.1 SchematicdiagramofECMPpolisher

2 结果与讨论

图2是在30r/min、150mL/min、3.45kPa下,抛光电压对抛光速率的影响曲线。从图中可以看出,抛光电压对抛光速率有很大影响。当电压低于4.7V时,抛光速率受抛光电压的影响较小;当电压高于4.7V时,抛光速率随抛光电压的增加而迅速增加。考虑到半导体制造过程中对生产速度的要求,一般在5V以下比较合适,抛光电压过高,Cu溶解的速率过快,也可能影响抛光后的表面质量。

1 实 验

实验用的抛光机是利用一般抛光机改装而成,图1是抛光机的示意图。抛光垫是用IC1000抛光垫改造加工而成,在夹持器上有一个特制的装置使被抛光工件与电源连接,抛光压力可以调节。抛光液的主要成分是酸性磷酸盐溶液、络合剂、助剂和表面活性剂。

图2 抛光电压(V)对抛光速率(vP)的影响Fig.2 Effectofthepolishingvoltageonthepolishinglrate

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