銅互連工藝中的CMP制程
互連工藝中第一次采用CMP是在Al互連中的鎢塞（W Plug）的平坦化工藝中。主要原因是采用非選擇性的WCVD工藝能夠有效填充互連金屬層之間的導(dǎo)通孔（Via）,并具有良好的一致性。但是,隨著器件尺寸的減小,結(jié)構(gòu)性能越來(lái)越復(fù)雜,鋁線(xiàn)的缺點(diǎn)越來(lái)越明顯,包括響應(yīng)延遲（用RC表征）等。由于銅具有良好的導(dǎo)電性能和優(yōu)異的電遷移特性,因此銅工藝''>銅工藝">銅工藝化學(xué)機(jī)械研磨（Cu CMP）正逐漸進(jìn)入人們的視野。
Cu CMP 工藝機(jī)理及特點(diǎn)
因?yàn)殂~的硬度要明顯低于研磨液中研磨顆粒的硬度（如Al2O3或SiO2）,在銅表面形成機(jī)械研磨之前,通過(guò)研磨液的化學(xué)作用在其表面形成較硬的氧化物或氫氧化物。表面層的形成、金屬的溶解等可以通過(guò)表面材料的電化學(xué)反應(yīng)理解：
Cu的電化學(xué)勢(shì)要明顯高于Al和W,用于Cu CMP的研磨液既能氧化銅又不能侵蝕銅。圖1給出了Cu CMP的研磨機(jī)理：（1）溶解銅并形成幾個(gè)原子層厚度的氧化銅;（2）通過(guò)研磨顆粒的機(jī)械作用將表面氧化銅去掉;（3）通過(guò)研磨墊與晶圓之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和研磨液源源不斷的加入將含有氧化銅的溶液沖走。
Cu CMP研磨工藝通常包括三步。第一步用來(lái)磨掉晶圓表面的大部分金屬,第二步通過(guò)降低研磨速率的方法精磨與阻擋層接觸的金屬,并通過(guò)終點(diǎn)偵測(cè)技術(shù)（Endpoint）使研磨停在阻擋層上,第三步是磨掉阻擋層以及少量的介質(zhì)氧化物,并用大量的去離子水（DIW）清洗研磨墊和晶圓。第一和第二步的的研磨液通常是酸性的,使之對(duì)阻擋層和介質(zhì)層具有高的選擇性,而第三步的研磨液通常是偏堿性,對(duì)不同材料具有不同的選擇性。這兩種研磨液（金屬研磨液/介質(zhì)研磨液）都應(yīng)該含有H2O2、抗腐蝕的BTA（三唑甲基苯）以及其他添加物。Al2O3 或Si2O3可用作研磨顆粒,主要取決于研磨速率以及這種含有顆粒的膠體的穩(wěn)定性。
Cu CMP工藝一個(gè)的棘手問(wèn)題便是氧化物上的金屬殘余物 (residue),這會(huì)導(dǎo)致電學(xué)短路。這種金屬殘留主要是由于介質(zhì)層的表面不平引起的。盡管這種下陷厚度比較小,實(shí)踐發(fā)現(xiàn)其表面的金屬殘留很難被去除,需要長(zhǎng)時(shí)間的“過(guò)磨”,但是這會(huì)在連通孔的位置產(chǎn)生侵蝕。
由于銅具有較好的理化性能,銅作為互連材料可以承受更高的電流密度,以及更快的時(shí)鐘速度。另外,銅幾乎在所有的水溶液中產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象但過(guò)程比較緩慢,而且通常如果有強(qiáng)氧化劑時(shí),不在表面產(chǎn)生鈍化層,因此有必要使用其它表面鈍化劑,如BTA或檸檬酸以抑制銅表面的腐蝕。但是,BTA在有效保護(hù)銅表面免受腐蝕的同時(shí),使晶圓表面變成憎水性,BTA殘留很難清除掉,這會(huì)引起CVD介質(zhì)薄膜的翹曲和脫落,所以BTA一般不用作晶圓清洗化學(xué)品。
目前用于Cu CMP的研磨液分為酸性、中性和堿性三種,其中都會(huì)用H2O2作氧化劑。
Cu CMP后的晶圓清洗及典型缺陷
Cu CMP工藝會(huì)產(chǎn)生許多表面污染顆粒、表面銅殘留和BTA的殘余,會(huì)導(dǎo)致金屬離子漂移而產(chǎn)生器件可靠性問(wèn)題。因此,合適的post-CMP清洗順序和工藝對(duì)布線(xiàn)工藝非常重要。大多數(shù)情況下,用于Cu CMP清洗的設(shè)備與介質(zhì)CMP一樣,都是由接觸清洗、非接觸清洗和晶圓甩干三部分組成,主要差別在于化學(xué)溶液選擇的不同。
Cu CMP典型的缺陷是金屬區(qū)的碟形缺陷（dishing）和介質(zhì)區(qū)的侵蝕（erosion）,如圖2所示。在解決這種缺陷問(wèn)題時(shí),不光要考慮晶圓上圖案密度（pattern density）、線(xiàn)寬（line width）、施加壓力（applied down force）和研磨液的選擇比（selectivity）,還要考慮研磨墊的性能。
