65 nm技術(shù)節點(diǎn)的CMP技術(shù)

●專(zhuān)題報道●電子工業(yè)專(zhuān)用設備EPE65 nm技術(shù)節點(diǎn)的CMP技術(shù)童志義(中國電子科技集團第45研究所,北京東燕郊101601 )摘要:概述了全球CMP設備市場(chǎng)和65nm技術(shù)節點(diǎn)CMP技術(shù)面臨的挑戰,給出了65nm技術(shù)節點(diǎn)銅工藝的解決方案及CMP后清洗技術(shù)。關(guān)鍵詞:CMP設備市場(chǎng); 65 nm節點(diǎn);銅互連;電化學(xué)機械拋光;無(wú)應力拋光;后CMP清洗中圖分類(lèi)號:TN305.2文獻標識碼:B文章編號: 1004-4507 (2006) 10-0008-05CMP Techniques for 65 nm NodeTONG Zhi-yi(The 45th Research Insititute of CETC, Beiing East Yanjiao 101601, China )Abstract: This paper outined the CMP equipment market of the world- wide and the challenge ofCMP Techniques for 65nm node. The solution of copper process and back CMP cleaning technique for65nm node is introduced.Keywords: CMP: 65nm Node; Cu interconnect ; ECMP ; Back CMP cleaning ; Stress- free Polishing引言進(jìn)入65nm節點(diǎn)之后,CMP工藝的重要性便更加突出。65 nm節點(diǎn)的多層金屬互連為11層，IC制造工藝中平坦化技術(shù)已成為與光刻和刻45 nm節點(diǎn)的多層金屬互連為12層。金屬互連蝕同等重要且相互依賴(lài)的不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之的金屬層間介質(zhì)的增加,引起晶片表面嚴重的不一。而化學(xué)機械拋光(CMP)工藝便是目前最有效、平整，以致無(wú)法滿(mǎn)足圖形曝光的焦深要求。為解最成熟的平坦化技術(shù)?；瘜W(xué)機械拋光系統是集清決這一矛盾和提高芯片的成品率，晶圓表面須平洗、干燥、在線(xiàn)檢測、終點(diǎn)檢測等技術(shù)于一體的化學(xué)整、光滑和潔凈。隨著(zhù)圖形線(xiàn)寬的縮小和金屬互機械平坦化技術(shù)。是集成電路(IC)向微細化、多層連層的增加,對CMP工藝技術(shù)的依賴(lài)性也越來(lái)化、平坦化、薄型化發(fā)展的產(chǎn)物，是集成電路進(jìn)入越大?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有平坦化工藝就無(wú)法構建金屬0.13 um以下技術(shù)節點(diǎn)，中200 mm圓片向中300 mm化多層互連結構，進(jìn)而無(wú)法采用超大規模集成圓片過(guò)渡、提高生產(chǎn)效率、降低成本、晶圓全局平坦電路制造技術(shù)生產(chǎn)現代存儲器(DRAM)和微處化必備技術(shù)。理器中國煤化工收稿日期:2006-09-12.MYHCNMHG⑧(總第141期)電子工業(yè)專(zhuān)用設備EPE●專(zhuān)題報道.2CMP設備市場(chǎng)800廠(chǎng)23700■全球銷(xiāo)售量隨著(zhù)圓片直徑的增大和工藝復雜性的不和600.中國銷(xiāo)售量斷提高，CMP設備的價(jià)格也在逐漸增加，一般糕50000499..42來(lái)說(shuō)，φ 200mm的CMP機器大約是300萬(wàn)美元，300bs6φ 300mm晶圓的CMP機器大約是400萬(wàn)美元,器20019204晶圓尺寸越小價(jià)格越低。平均價(jià)格上漲始于001995年的75萬(wàn)美元至2010年的600萬(wàn)美元以上。在2006年的SEMICON West展會(huì )上,SE-1年份MI公布了其年度中期半導體設備市場(chǎng)預測，預計圍1B 1995 2010年全球CMP設備銷(xiāo)售量2006年全球半導體市場(chǎng)規模將增長(cháng)18%，達到3工藝需求.388.1億美元。而中國市場(chǎng)漲幅將達到78%,達23.7億美元。SEMI表示，今年亞洲半導體市場(chǎng)的漲隨著(zhù)φ300 mm和65 nm時(shí)代的到來(lái),用于互幅要高于全球其他地區，其中尤以中國市場(chǎng)最為突連技術(shù)的新導體、新介質(zhì)材料已成為滿(mǎn)足未來(lái)半導出。2004年是全球CMP設備市場(chǎng)的高峰年,共銷(xiāo)體技術(shù)要求所必需。銅金屬化中的阻擋層，有效介售CMP設備374臺,銷(xiāo)售額達12.9億美元。預計電常 數及金屬互連層的技術(shù)要求在不斷提高,從而今年全球CMP設備市場(chǎng)可望達到14.47億美元，對CMP技術(shù)提出了更多新的挑戰。阻擋層開(kāi)發(fā)目出售CMP設備400臺以上。到2010年，全球市場(chǎng)標正在瞄準不犧牲擴散阻擋層特性的前提下使阻將銷(xiāo)售CMP設備450臺,銷(xiāo)售額超過(guò)21億美元。擋層厚度和電阻率的最小化。國際半導體技術(shù)發(fā)展據SEMI預計,到2010年我國還將新建20條路線(xiàn)(表 1)提出了將阻擋層厚度從2004年的100 nmφ 200~ φ 300 mm晶圓生產(chǎn)線(xiàn)。其中以φ 300 mm、節點(diǎn)的12nm減少到2007年65nm節點(diǎn)的7nm,90nm線(xiàn)5條、65 nm生產(chǎn)線(xiàn)2條計算，其余以絕緣體有效介電常數由100 nm節點(diǎn)的3.3~3.6降φ 200 mm.180~130 nm計算，設備總計投資將在到65 nm節點(diǎn)的2.7~3.0，金屬互連層數將由100nm240億美元左右,CMP設備市場(chǎng)以4.5%計算,約為節點(diǎn)的9層增加到65 nm節點(diǎn)的11層。10.8億美元。圖1給出了1995~ 2010年全球CMP銅互連和低介電常數材料的引入，以及雙嵌設備市場(chǎng)。.入式結構的應用對于CMP技術(shù)的發(fā)展起到了至關(guān)重要的影響作用，一個(gè)6層布線(xiàn)的MPU在制2 500備過(guò)程中需要至少8次CMP工藝，可以說(shuō)21.60■全球市場(chǎng)1964CMP對布線(xiàn)質(zhì)量和產(chǎn)品性能起著(zhù)非常關(guān)鍵的2 000■中國市場(chǎng)16.55作用。如何去除線(xiàn)寬減少和低k材料使用所帶31 5s0015.192901447355來(lái)的新缺陷,如何在減低研磨壓力的情況下提I 00010.869.83高產(chǎn)率,如何減少磨料的使用以清洗疏水性低E"664703k材料等便成為CMP設備研發(fā)所面臨的挑戰。s20500-- 3071465nm節點(diǎn)CMP技術(shù)中國煤化工市場(chǎng).上相繼出圖1A 1995-2010年全球 CMP設備銷(xiāo)售額(百萬(wàn)美元).MHCNMH GMHC如，線(xiàn)性、橢圓和(總第141期)⑨●專(zhuān)題報道.電子工業(yè)專(zhuān)用設備EPE表1近期MPU互連技術(shù)要求( ITRS 2004)503 m/min,充分體現了旋轉式的優(yōu)勢。AM公年份2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009司最新的Reflexion LK是其的升級產(chǎn)品,采技術(shù)節點(diǎn)/nm9065用了更靈活的設計平臺，是針對65 nm技術(shù)DRAM半節距/nm 100 90 80 7055 57 50的量產(chǎn)設備，可在將來(lái)通過(guò)技術(shù)升級延伸到MPU/ASIC120107958576676045 nm, Reflexion LK采用7.59X 103 MPa以半節距/nm下的低壓力拋光技術(shù)，提高了表面平坦性并金屬層910111I11212降低了凹陷與侵蝕缺陷，從而推動(dòng)了實(shí)現器金屬引線(xiàn).240 214 190 170 152 134 120件的高性能、生產(chǎn)的低成本和較高的產(chǎn)品優(yōu)半節距/m良率。電化學(xué)機械平坦化(ECMP)是應用材料第一層銅金屬線(xiàn)98765.44.94.公司專(zhuān)門(mén)用于45 nm銅CMP工藝的又一種阻擋層厚度/nmCMP技術(shù)。銅層間引線(xiàn))94.1互連集成所面對的挑戰最小間距銅總線(xiàn)12109865 nm和45 nm銅/低k互連集成的一個(gè)主要挑戰就是工藝的進(jìn)展要適應k=2.5~3.0內層金屬絕緣體有效介電常數(23.6~3.3 3.6~3.13.0~2.7的低h介質(zhì)。關(guān)鍵問(wèn)題有二次大馬士革光刻、線(xiàn)電阻、低k集成度、化學(xué)機械拋光(CMP)兼<3.0<2.7<2.4容性和銅缺陷等。介電常數(h)CMP兼容性:低k材料的機械強度比軌道式拋光，在薄膜上旋轉和選擇性離子刻蝕等。SiO2或者氟硅酸鹽玻璃要低,這點(diǎn)給CMP帶但由于種種因素(主要是因為需要特殊耗材),其它來(lái)了難題。相比于低k Si0C材料~2 GPa的硬度，的選擇都無(wú)-例外地被市場(chǎng)放棄了。目前世界上的基于SiO2的氧化物硬度約為8 GPa。因此,使用與CMP技術(shù)幾乎100%地采用旋轉方式平臺。以應用傳統CMP相同的下壓力來(lái)拋光低k材料以及阻擋材料、日本荏原制作所為代表的旋轉型研磨技術(shù)的層，就會(huì )常常導致膜層的剝離或者與前層分離。CMP設備,已成為世界上CMP設備的主流機型。電化學(xué)機槭拋光(Ecmp)通過(guò)電解化學(xué)藥品的電荷實(shí)現移除Cu的步驟，它與傳統CMP應用中由拋光墊供給拋光液大部分的力都是剪切力不同。實(shí)際上沒(méi)有向下的拋光液拋光墊力,只是有足夠的壓強(20.7X103MPa)保持襯墊........(pad)和硅片(wafer)之間的接觸一將剪切力從工藝中消除。它有2個(gè)好處:使得和將來(lái)疏松的低k材料兼容;大大減少了向下壓力的CMP工藝固有762mm的凹陷。圖2主流 CMP技術(shù)銅缺陷:CMP之后經(jīng)常能夠觀(guān)察到的缺陷是微小的凹陷和銅的缺失。-種新的方法被用來(lái)描述應用材料公司的旋轉型CMP設備，由于采用凹陷密度。利用俯視的SEM圖像,顆粒邊界和凹陷了氧化鈰(Ce)拋光液,且己具備了對鈰拋光液提高尺寸密度可以得到量化。利用SEM缺陷檢查工具拋光液混合比、流量等控制性能的硬件，在STI和顆粒邊界密度成像,可以?xún)?yōu)化籽晶層(seed-layer)CMP工藝方面已經(jīng)成熟,此類(lèi)設備在銅CMP市場(chǎng)側壁I中國煤化工填充、原位退火、中已占踞80%的份額。由于旋轉式設計具有較大的阻擋YHCNMH(ECP與CMP之半徑,其φ300mm平臺的最大拋光線(xiàn)速度可高達間的等付時(shí)間，將鋼線(xiàn)的凹陷獻陷減到最少。①(總第141期)EPE電子工業(yè)專(zhuān)用設備.專(zhuān)題報道.，在選擇比增大的較小幾何尺寸中,為達到無(wú)孔使用局部拋光法的銅金屬移除率與電流密度隙間隙填充和缺陷最少化，包括對添加劑濃度和使成正比, 電流密度愈高,移除率愈大。在整個(gè)拋光過(guò)用比率更加嚴格的控制，以及對電鍍液體中副產(chǎn)物程中 ,已經(jīng)證明能完全控制從晶圓中心到邊緣的移的限制，都要求大幅提高對ECP電鍍化學(xué)的控制。除率，如圖4所示。使用這種制程能獲得0.8%~1.2% (1 s)的片內厚度(移除)不均勻性(WIWNU)，4.2超無(wú)應力拋光技術(shù)晶圓間的厚度移除不均勻性(WTWNU)則為0.59%超無(wú)應力拋光技術(shù)(Ultra SFP)的原理為電拋光(1 s)。技術(shù)，電拋光自1912年起即應用在許多金屬表面上的修整，電拋光能以降低的表面應力產(chǎn)生平坦、昌8001000r片間不均勻性5口光亮的表面,同時(shí)能增加抗腐蝕能力。當此項技術(shù)世600-應用在晶圓表面銅金屬的拋光，而且銅積層的厚度堂400達到幾百納米時(shí),若想要控制從晶圓中心到邊緣的I潛在的厚度下降，即會(huì )面臨技術(shù)困難。如果使用傳050100 150 20250°里統的電拋光技術(shù)進(jìn)行拋光,其所獲得的拋光后銅膜晶圓片/mm剖面厚度分布，顯示了晶圓邊緣的銅厚度接近零,圖4 SFP的移除率非均 勻性然而晶圓中心的銅厚會(huì )超過(guò)300nm。晶圓邊緣銅膜的損失表示無(wú)法在晶圓中央做更進(jìn)--步的拋光，由于UltraSFP制程中,僅有銅金屬被移除,所因為沒(méi)有電流可以從晶圓中心傳導到電極所在位以不會(huì )發(fā)生介電質(zhì)材料的損失或腐蝕,當堆棧內聯(lián)置的晶圓邊緣。機層層數增加時(shí)，此種優(yōu)勢能顯著(zhù)地改善內聯(lián)機層最近幾年來(lái),ACM Research公司正在致力于的整體平面性，特別是對大部分的邏輯組件克服電拋光基本限制的研發(fā),旨在解決前面所述在(CPUs, ASICs, FPGAs 以及PLDs ),這些組件將來(lái)拋光末段電流消失的問(wèn)題?；窘鉀Q方法是以一種會(huì )有十層以 上的互連。暫不論互連層的數目,只要專(zhuān)利審查中的技術(shù)對拋光電流進(jìn)行局部化控制(圖介電質(zhì)能均勻的涂布在晶圓表面,光刻中離焦所造3);在被控制的拋光過(guò)程中,使用電流進(jìn)行銅金屬成的良率損失即能降低,無(wú)論是涂旋低介電常數的的移除時(shí),系統可以局部化的控制電流,將晶圓分介質(zhì)層或超低介電常數介質(zhì)層,都證明了具有極佳為數個(gè)區域依序進(jìn)行拋光，晶圓中央首先拋光,然的晶圓內厚度移除均勻性。后拋光過(guò)程從中央轉移至隔鄰區域，再順序拋光到因為SFP系統能對銅金屬移除提供精確的控晶圓邊緣。使用此種方法，拋光電流就能夠傳導到制，所以實(shí)際上不會(huì )產(chǎn)生凹陷(圖5),在高圖案密度位于晶圓邊緣的電極，而不會(huì )發(fā)生電流消失現象。區域也看不到腐蝕現象,銅金屬移除量與總凹陷程，透過(guò)精確的電源控制,此種獨特的電拋光過(guò)程能以度能依據設計準則加以精確的控制。圖5也顯示了原子層等級方式進(jìn)行銅金屬的移除。以原子力顯微鏡(AFM)測量的晶圓拋光后表面,銅阻擋層金屬移除量為700nm，表面粗糙度的均方根值為銅金屬膜1.9 nm。中國煤化工圈案密度區MHCNMHG門(mén)腐蝕現象圖3 UltraSFP 技術(shù)圖5原于力顯微鏡測重的晶圓拋光表面.(總第141期)①●專(zhuān)題報道.電子工業(yè)專(zhuān)用設備EPE I4.3電化學(xué)機械拋光4.4CMP工藝的后清洗技術(shù)ECMP技術(shù)依靠機械但更主要是電化學(xué)的共銅CMP工藝會(huì )產(chǎn)生許多表面污染顆粒、表面同作用來(lái)去除硅片表面的銅薄膜以達到平坦化的銅殘留和BTA的殘余，會(huì )導致金屬離子漂移而產(chǎn)目的。拋光墊通過(guò)機械方式磨掉硅片上保護下層金生 器件可靠性問(wèn)題。因此,合適的CMP后清洗順序屬的突起鈍化層，同時(shí)保護了凹陷區域的鈍化層。和工藝對布線(xiàn)工藝非常重要。大多數情況下，用于連通硅片的陽(yáng)極和嵌于拋光墊下面的陰極之間的銅CMP清洗的設備與介質(zhì)CMP一樣,都是由接觸電勢差引起的化學(xué)反應將晶圓表面未鈍化區域的清洗、非接觸清洗和晶圓甩千三部分組成,主要差銅去除。其最終結果是僅對于突起區域銅具有高的別在于化學(xué)溶液選擇的不同。拋光速率。這種平坦化機理能在各種晶圓構造上達隨著(zhù)銅及低h介電材料逐漸廣泛地應用于晶到近乎完美的平坦效果。圓制造技術(shù)上,后清洗液在化學(xué)機械研磨工藝上所ECMP利用電荷量化方式實(shí)現工藝控制,這從扮演的角色日益重要。在后清洗液中加入界面活性原理上完全不同于普通CMP工藝通過(guò)終點(diǎn)偵測技劑，可以增加低k介電材料表面的親水性,并有效術(shù)實(shí)現的工藝控制。銅CMP的工藝控制通常依靠地同時(shí)移除研磨后殘留的有機/無(wú)機雜質(zhì),降低晶即時(shí)的傳感器件,如渦電流傳感器直接測量銅膜的圓表面的缺陷數目。經(jīng)由調整后清洗液中的成份，厚度并改變諸如時(shí)間和壓力等工藝參數。相反，離子強度和pH值,能降低后清洗液對金屬銅線(xiàn)的ECMP的工藝控制依靠對系統能量消耗的簡(jiǎn)單而腐蝕，并能有效移除表面銅錯合物，提升銅線(xiàn)導電精確地測量來(lái)檢測終點(diǎn)并控制拋光形貌。度。后清洗液不能破壞低k介電材料的結構,致使ECMP無(wú)需依賴(lài)對硅片銅膜厚度的即時(shí)測量，介電系數增加，影響電子組件的性能。上述四項基電化學(xué)機械拋光工藝控制利用多區域陰極預先設本性質(zhì)是后清洗液所必須具備的條件,也同時(shí)是未定的積累電荷來(lái)調整銅膜的形態(tài)。工藝終點(diǎn)算法是來(lái)后清洗液研發(fā)所必須遵循的方向?；诟鶕ɡ陔娊舛珊完帢O幾何形狀的電化因為存在化學(xué)反應以及在表面有研磨顆粒，學(xué)電池的物理表述。CMP工藝會(huì )產(chǎn)生表面顆粒和污染。只有有效地去在65nm及以下節點(diǎn)集成電路制造工藝中,為除這些表面污染物才能充分利用化學(xué)機械拋光來(lái)了減少芯片內互聯(lián)銅線(xiàn)線(xiàn)寬的變化,工藝控制變得實(shí)現硅片表面的整體平坦化。所以目前大部分化學(xué)越來(lái)越重要。IBM最近研究表明,這種線(xiàn)寬的變化機械拋光設備都與清洗設備捆綁組合。會(huì )影響嵌入式銅線(xiàn)的片電阻,并強調增加化學(xué)機械CMP清洗的重點(diǎn)是去除研磨過(guò)程中帶來(lái)的所拋光銅工藝控制的必要性。該研究同時(shí)也指出,相有污染物。在研磨過(guò)程中晶圓會(huì )接觸到腐蝕性化學(xué)比傳統化學(xué)機械拋光工藝(CMP),電化學(xué)機械拋光品并承受較大的外界壓力,導致其表面或次表面區(ECMP)具有更強的工藝控制能力。先進(jìn)工藝控制域發(fā)生變形或破壞，將影響到器件的穩定性，所以(APC)的應用證明其在保持工藝穩定性上的重要CMP清洗的主要目的是去除研磨劑殘留、金屬污性,特別是當拋光墊接近其使用壽命并成為影響工染物以及游離態(tài)離子。去除硅片表面的污染物,首藝穩定性的主要因素的情況下尤為如此,普通的化先要通過(guò)機械方法克服范德華力或者用化學(xué)腐蝕學(xué)機械拋光工藝中,拋光墊長(cháng)時(shí)間的使用不僅會(huì )使污染物表面減小與基底的接觸。然后通過(guò)改變表面晶圓表面拋光形貌發(fā)生改變,更重要的是會(huì )造成缺電荷性能以避免顆粒重新粘附到硅片表面。陷數目的大量增加。一般而言,CMP工藝控制主要目前清洗設備可分為非接觸式清洗(超聲波清依賴(lài)于拋光過(guò)程中固定不變的設備參數的設置，洗) 、接觸式清洗(PVC刷洗)。超聲波清洗(Mega-這種控制方式不能彌補因前道銅膜沉積厚度而sonic)是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號,通引起的變化。ECMP 工藝的優(yōu)勢在于允許精確控過(guò)換中國煤化工i傳播到介質(zhì),清洗制晶圓的拋光過(guò)程，而不需要考慮拋光墊使用壽溶YHCNMHG間的向前輻射,使命的影響。液體流動(dòng)而產(chǎn)生數以萬(wàn)計的微小氣泡，存在于液體②(總第141期)EPE電子工業(yè)專(zhuān)用設備.專(zhuān)題報道●中的微小氣泡(空化核)在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng),當聲壓達到一-定值時(shí)，氣泡迅速增長(cháng)，然后突然閉合,在侵蝕碟形侵蝕↑區域氧↓氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波,在其周?chē)a(chǎn)生上千個(gè)大氣化物去除↑碟形壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當團體粒子被油污裹著(zhù)而粘附在清洗件表面時(shí),油銅被乳化，固體粒子脫離,從而達到清洗件表面凈化氧化物的目的。雙面機械刷洗(Brush Scrubbering)能夠同時(shí)提供物理清洗和化學(xué)清洗,選材--般是聚乙烯醇(PVA)。清洗過(guò)程中多孔海綿狀呈擠壓狀態(tài)?？赏瑫r(shí)與pH值2-12的化學(xué)溶液使用。憎水性表面，如HF清洗過(guò)的Si以及部分介質(zhì)硅片,由于潤濕角較大,很容易從刷子上粘附污染顆粒,而這些污染顆粒是從親水性的晶圓表面吸附到刷子上的。憎水性圖7金屬 CMP常見(jiàn)的缺陷的容易吸附表面顆粒是因為刷洗過(guò)程中憎水的界面存在多重的固-液界面。如果刷子被輕度污染，銅的侵蝕是另一種常見(jiàn)的缺陷。引起侵蝕的原可以跑一些純硅片來(lái)吸附刷子表面的顆粒,降低刷因可能有兩個(gè)，一個(gè)是金屬1介質(zhì)界面處沒(méi)有清洗子的污染度。掉的研磨液等化學(xué)物質(zhì),與附近銅發(fā)生化學(xué)反應形目前多數清洗設備供應商提供接觸清洗、非接成的;另外一個(gè)原因主要是產(chǎn)品中的P-N結在光子觸清洗和晶圓甩千三部分的組合方式，如圖6所示的照射下產(chǎn)生電子流動(dòng),使得Cu原子從P摻雜的為比較常見(jiàn)的清洗工藝。其它的清洗工藝正在逐漸連線(xiàn)轉移到N摻雜的一端，在隨后的清洗過(guò)程實(shí)用于CMP的清洗，如CO2冷凝清洗和激光燒蝕?，F了這個(gè)P/N結回路的導通,相當于一個(gè)太陽(yáng)能電目前很多先進(jìn)的清洗工藝,如Marangoni或IPA清池。這種缺陷可以通過(guò)加入抑制劑或者在清洗時(shí)減洗，主要用于低介電常數的介質(zhì)材料清洗。少光的照射得到改善。參考文獻:1] D. 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