銅互連阻擋層化學機械拋光時互連線厚度的控制

王海英 ，王辰偉 ，劉玉嶺 ,*，趙紅東 ，楊嘯 ，陳志博 ，王雪潔

1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300130

2.天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300130

3.光電信息科學與工程控制和安全技術重點實驗室，天津 300308

隨著集成電路制造技術的飛速發(fā)展，特征線寬不斷減小，互連層數(shù)不斷增加，對集成電路工藝的要求大大提高[1-3]。銅互連線厚度(THK)對芯片性能有著至關重要的影響。在阻擋層拋光過程中，若THK過小，銅互連線的電阻便會增大，功耗增加，進而導致器件穩(wěn)定性變差，可靠性降低，同時還會使介質層厚度減小，電容增大，導致RC延遲效應更加顯著，影響器件特性[4-6]；若THK過大，則銅互連線的電阻過小，造成下一層光刻精確度低、存在Cu殘留缺陷、擊穿電壓低、短路或斷路等一系列問題的產(chǎn)生[7-8]。因此，工業(yè)上要求將THK控制在195 ~ 255 nm范圍內(nèi)。如圖1所示，Cu和TEOS(正硅酸乙酯)交叉分布，所以化學機械拋光(CMP)過程控制THK的關鍵在于控制對TEOS介質與銅的去除速率選擇比(vTEOS/vCu)。

圖1 銅線條厚度示意圖Figure 1 Sketch of thickness of copper interconnect line (THK)

國內(nèi)外許多研究工作者針對銅互連線的問題進行了大量研究。Lin等[9]提出對銅阻擋層進行二次化學機械拋光，得到了較高的Cu/ULK(超低介電材料)去除速率選擇比，并且發(fā)現(xiàn)較高的銅去除率可以加快達到目標Rs，獲得更好的Rs分布，但并未提及銅互連線厚度。王偉超等[10]研究了在阻擋層拋光時的銅損失問題，但沒有考慮銅互連線厚度，也沒有提出如何控制溝槽內(nèi)銅互連線的厚度。岳昕等[11]用FA/O螯合劑和JFC活性劑實現(xiàn)了布線槽銅電阻Rs的控制，但也沒有考慮對銅互連線厚度的控制。

本文基于無氧化劑(如H2O2)、無緩蝕劑(如苯并三氮唑)的堿性拋光液，研究了化學機械拋光過程中螯合劑、介質促進劑和抑菌劑對Cu和TEOS的去除速率及其二者去除選擇比的影響，探討了它們的作用機制，最終實現(xiàn)了銅互連阻擋層CMP后THK的控制。此外 還發(fā)現(xiàn)銅電阻Rs與THK之間呈負相關性，對提高CMP后的互連層數(shù)及可靠性具有重要意義。

1 實驗

1.1 材料

Cu鍍膜片直徑為12 in(1 in ≈ 2.54 cm)、厚度約為1 200 nm，TEOS鍍膜片直徑為12 in、厚度為420 nm，以及技術節(jié)點為55 nm的12 in鉭基銅互連圖形片。

SiO2磨料的質量分數(shù)為40%、平均粒徑為60 nm。FA/O Ⅱ螯合劑[分子簡式為R(NH2)2]由河北工業(yè)大學自主研發(fā)。檸檬酸鉀(CAK，作為介質促進劑)和1,2?苯并異噻唑啉?3?酮(BIT，作為抑菌劑)為市售產(chǎn)品。

1.2 化學機械拋光實驗

采用華海清科股份有限公司的Universal-300 Dual拋光機進行拋光實驗。拋光前，使用Cabot拋光液完成圖形片的粗拋和精拋。每組實驗開始前，用去離子水沖洗管路，以去除上組實驗殘留的拋光液[12]。每組實驗結束后修整拋光墊2 min，使拋光墊恢復至初始狀態(tài)。

拋光工藝條件為：拋光工作壓力2.0 psi(1 psi = 6.89 kPa)，拋頭轉速107 r/min，拋盤轉速113 r/min，拋光液流量250 mL/min，拋光時間60 s。

1.3 測試與表征

使用美國Rudolph制造的Metal pulse-II THK測試儀測量溝槽內(nèi)銅互連線厚度THK，采用81點測試，從左到右沿圖形片直徑采樣(如圖2所示)，計算平均值。工業(yè)生產(chǎn)中要求銅互連線剩余厚度為225 nm，阻擋層CMP后THK應盡可能地接近該目標值。

圖2 THK測量位置Figure 2 Positions of THK measurements

使用美國Four Dimensions(4D)公司制造的MODEL 333A四探針測試儀測量Cu鍍膜片的厚度，采用79點測試，沿鍍膜片直徑從左到右采樣，計算平均值及拋光前后Cu膜的厚度差，根據(jù)式(1)計算Cu去除速率(vCu)。

式中H1為拋光前Cu鍍膜片厚度,H2為拋光后Cu鍍膜片厚度,t為拋光時間。

使用日本Ebara公司生產(chǎn)的Model F-Rex 300X介電膜厚測試儀測量TEOS鍍膜片的厚度，采用81點測試，沿鍍膜片直徑從左到右采樣，計算平均值及拋光前后TEOS膜的厚度差，按式(2)計算TEOS的去除速率(vTEOS)。

式中D1為拋光前TEOS鍍膜片厚度，D2為拋光后TEOS鍍膜片厚度，t為拋光時間。

采用Agilent公司制造的B1500A半導體電參數(shù)測試儀測量銅電阻(Rs)。工業(yè)生產(chǎn)中要求Rs為0.18 Ω，阻擋層CMP后Rs應盡可能接近該目標值。

2 結果與討論

2.1 拋光液中FA/O Ⅱ質量分數(shù)對THK的影響

固定拋光液中SiO2磨料質量分數(shù)為7.5%、CAK質量分數(shù)為1%，調(diào)節(jié)FA/O Ⅱ的質量分數(shù)分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.2%和1.5%，對Cu鍍膜片和TEOS鍍膜片進行化學機械拋光實驗，以研究FA/O Ⅱ的質量分數(shù)對Cu和TEOS去除速率選擇性的影響，結果見圖3。

圖3 FA/O Ⅱ質量分數(shù)對Cu、TEOS去除速率及二者之比的影響Figure 3 Effect of mass fraction of FA/O Ⅱ on removal rates of Cu and TEOS and their ratio

從圖3可知，隨FA/O Ⅱ質量分數(shù)的增大，Cu鍍膜片去除速率從319 ?/min不斷增大到522 ?/min，TEOS鍍膜片在FA/O Ⅱ含量較小時無明顯變化，去除速率穩(wěn)定在870 ?/min左右，當FA/O Ⅱ質量分數(shù)達到0.5%之后開始下降。TEOS與Cu的去除速率選擇比隨FA/O Ⅱ質量分數(shù)的增大而不斷變小。

對于Cu的去除，如圖4所示，溶液中溶解了空氣中的微量氧氣，先令銅表面發(fā)生式(3)和式(4)所示的氧化反應[3]，生成CuO和Cu2O。同時，難溶物質在弱堿性條件下發(fā)生微弱的電離平衡[3]，相關反應見式(5)至式(7)。隨著FA/O II質量分數(shù)的不斷增大，其對Cu2+的螯合加快[見式(8)]，Cu2+不斷被消耗，從而使難溶物質的電離平衡被打破，即式(7)向右進行，氧化銅和氧化亞銅水解加劇，故Cu的去除速率增大。

圖4 FA/O Ⅱ對Cu的作用機理Figure 4 Sketch showing action mechanism of FA/O Ⅱ on Cu

圖5為CMP過程中FA/O Ⅱ螯合劑對TEOS的作用機制示意圖。FA/O Ⅱ螯合劑在拋光液中具有調(diào)節(jié)pH的作用[13]。如圖6所示，當FA/O Ⅱ的質量分數(shù)從0%逐漸增大至0.5%時，拋光液pH沒有明顯變化，故此時FA/O Ⅱ對TEOS去除速率的影響較?。划擣A/O Ⅱ質量分數(shù)從0.5%增大至1.5%時，拋光液pH增大，SiO2表面負電性增強，與TEOS之間的靜電斥力增大[14]，令機械作用減弱，TEOS的去除速率降低。

圖5 FA/O Ⅱ對TEOS的作用機理Figure 5 Sketch showing action mechanism of FA/O Ⅱ on TEOS

圖6 FA/O Ⅱ質量分數(shù)對pH的影響Figure 6 Effect of mass fration of FA/O Ⅱ on pH of slurry

用上述拋光液對圖形片進行拋光實驗并測量THK。由圖7可知，隨著FA/O Ⅱ質量分數(shù)的增大，THK減小，F(xiàn)A/O Ⅱ質量分數(shù)為0.8%時，THK降至最低的220.4 nm，隨后又緩慢升高。這是因為剛開始時TEOS的去除速率較高，Cu的去除速率是影響THK的主要因素，故THK會隨Cu去除速率的升高而下降。隨著Cu去除速率的不斷提高及TEOS去除速率的不斷降低，TEOS去除速率過低時變成了影響THK變化的主要因素，故THK隨TEOS去除速率的下降而增大。綜上可知，THK的大小受到Cu和TEOS去除速率的影響，即控制THK的關鍵在于控制TEOS與銅的去除速率選擇比vTEOS/vCu。較佳的螯合劑FA/O Ⅱ質量分數(shù)為0.8%。

圖7 FA/O Ⅱ質量分數(shù)對THK的影響Figure 7 Effect of mass fraction of FA/O Ⅱ on THK

2.2 拋光液中CAK質量分數(shù)對THK的影響

固定拋光液中SiO2磨料質量分數(shù)為7.5%、FA/O Ⅱ質量分數(shù)為0.8%，調(diào)節(jié)介質促進劑CAK的質量分數(shù)分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，以研究拋光液的CAK質量分數(shù)對CMP過程中Cu和TEOS去除速率選擇比的影響，結果見圖8。

圖8 CAK質量分數(shù)對Cu、TEOS去除速率及二者之比的影響Figure 8 Effect of mass fraction of CAK on removal rates of Cu and TEOS and their ratio

從圖8可以看出，隨著CAK質量分數(shù)的增大，TEOS的去除速率由626 ?/min增加到1 068 ?/min，而Cu的去除速率未發(fā)生明顯變化。這是由于在堿性溶液中，TEOS與OH?產(chǎn)生微弱的水解反應，生成微溶的硅酸根的溶解度小限制了TEOS的進一步水解。但是CAK電離出的K+與結合后生成了溶解度較大的K2SiO3，令TEOS在溶液中的水解加快，促進了TEOS的去除。相關反應見式(9)和式(10)。

此外，堿性拋光液使SiO2表面帶負電荷，TEOS表面同樣帶負電荷。根據(jù)同性相斥原理，SiO2與TEOS之間存在斥力，抑制了機械磨削作用[15]，故TEOS的去除速率降低。引入CAK后，根據(jù)異性相吸原理，帶正電荷的K+能中和SiO2與TEOS表面的負電荷，降低兩者之間的斥力，增大機械磨削作用，故TEOS的去除速率增大。

用上述拋光液對圖形片進行拋光實驗并測量THK。由圖9可知，隨CAK質量分數(shù)的增大，THK從232.6 nm緩慢下降到213.4 nm，下降了19.2 nm。這是因為加入CAK后，雖然Cu的去除速率幾乎不變，但TEOS的去除速率顯著提高，由于Cu和TEOS交叉分布，它們的去除速率相互牽制，雖然THK下降緩慢，但TEOS去除速率的提高也能在一定程度上減小THK。這再次證明THK的大小與vTEOS/vCu有關。綜合考慮去除速率選擇比和THK可知，較佳的CAK質量分數(shù)為1%。

圖9 CAK質量分數(shù)對THK的影響Figure 9 Effect of mass fraction of CAK on THK

2.3 拋光液中BIT質量分數(shù)對THK的影響

上述實驗表明，F(xiàn)A/O II螯合劑能夠提高Cu的去除速率，但過高的Cu去除速率和過低的選擇比會造成局部過拋，加大碟形坑和蝕坑深度。為了降低Cu的去除速率并獲得理想的vTEOS/vCu，在SiO2質量分數(shù)為7.5%、FA/O Ⅱ質量分數(shù)為0.8%及CAK質量分數(shù)為1%的拋光液中加入不同質量分數(shù)的抑菌劑BIT，對Cu鍍膜片和TEOS鍍膜片進行CMP，探究BIT質量分數(shù)對THK的影響，結果見圖10和圖11。

圖10 BIT質量分數(shù)對Cu、TEOS去除速率及二者之比的影響Figure 10 Effect of mass fraction of BIT on removal rates of Cu and TEOS and their ratio

圖11 BIT質量分數(shù)對THK的影響Figure 11 Effect of mass fraction of BIT on THK

從圖10可知，隨著BIT質量分數(shù)的增大，Cu的去除速率由526 ?/min下降到450 ?/min，這是由于BIT與Cu表面發(fā)生了反應，且不斷積累形成Cu/Cu2O/Cu-BIT/CuO復合層[16]。隨著反應的進行，復合層愈發(fā)致密，阻礙了Cu與拋光液的接觸和反應，因此Cu的去除速率降低。然而，鈍化、吸附等反應難以發(fā)生在介質表面[17-18]，故BIT對TEOS的去除速率沒有明顯的影響，這就使vTEOS/vCu提高，對降低蝕坑起到了一定作用。

由圖11可知，隨著BIT質量分數(shù)的增大，THK由187.9 nm不斷升高到226.8 nm，升高了39.1 nm。這是因為BIT能夠降低Cu去除速率，對TEOS去除速率則無明顯影響。在TEOS去除速率不變的情況下，Cu的去除速率越低，THK越大。較佳的BIT質量分數(shù)為0.04%。

2.4 銅電阻與THK的關系

基于各組分對互連線厚度(THK)的影響規(guī)律，從中選取表1所給出的4組拋光液對Cu鍍膜片進行CMP，并使用半導體電參數(shù)測試儀測量拋光后的銅電阻。其中拋光液A、B可用以研究FA/O Ⅱ質量分數(shù)對Rs的影響，拋光液B、C可用于研究CAK對Rs的影響，拋光液B、D可用以研究BIT對Rs的影響。

表1 4組拋光液的組成Table 1 Compositions of four slurries （單位：%）

從圖12可知，F(xiàn)A/O Ⅱ的質量分數(shù)從0.1%增大到0.8%時，Rs由0.146 Ω增大到0.182 Ω，基本滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。CAK質量分數(shù)從1%增大到2%時，Rs增大，偏離目標值。BIT質量分數(shù)從0.4%減小到0.2%時，Rs增大。結合圖6、圖8和圖10可知，Rs與THK呈負相關，可通過改變THK來控制Rs，即：THK增大時，Rs減??；THK減小時，Rs增大。

圖12 采用不同配方拋光液CMP后銅的電阻Figure 12 Rs values measured after CMP with four different slurries

3 結論

1) 隨拋光液中螯合劑FA/O Ⅱ的質量分數(shù)增大，Cu的去除速率增大，TEOS的去除速率減小，THK先降后升；隨介質促進劑CAK質量分數(shù)的增大，Cu的去除速率基本不變，TEOS的去除速率增大，THK減小；隨抑菌劑BIT質量分數(shù)的增大，Cu的去除速率減小，TEOS的去除率基本不變，THK增大。

2) 當FA/O Ⅱ質量分數(shù)為0.8%、CAK質量分數(shù)為1%及BIT質量分數(shù)為0.04%時，TEOS的去除速率與Cu的去除速率之比約為1.7，THK最接近要求的目標值225 nm，Rs也基本達到工業(yè)生產(chǎn)要求的0.18 Ω。

3)Rs與THK之間呈負相關，可通過改變THK來控制Rs。而THK的大小受CMP時Cu和TEOS去除速率選擇比的影響，也就是說對銅互連阻擋層CMP時應控制好TEOS與Cu的去除速率選擇比。