化學(xué)機(jī)械拋光過程低k/銅表面材料去除機(jī)制及損傷機(jī)制研究進(jìn)展*

司麗娜 劉萬寧 吳銳奇 閻紅娟 楊 曄 張淑婷

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院 北京 100144)

隨著超大規(guī)模集成電路中器件特征尺寸的不斷縮小，如何降低金屬互連線的阻容延遲效應(yīng)成為提高芯片處理速度的關(guān)鍵問題[1]。為了降低這種延遲效應(yīng)，互連線需要采用導(dǎo)電性較好的銅，且引入新型的低介電常數(shù)(低k)材料。按照2013年版國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)對(duì)集成電路(IC)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測和國家科技重大專項(xiàng)規(guī)劃的進(jìn)展路線[2],目前迫切需要開展硅片的特征線寬22 nm及以下IC制造關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)研究。在此技術(shù)節(jié)點(diǎn)，要求與銅互連相匹配的介電薄膜的介電常數(shù)k值在2.0以下。超低k材料的彈性模量將降低至僅為幾個(gè)GPa，與導(dǎo)線銅的彈性模量相差懸殊。在IC制造中若仍采用傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法，對(duì)銅與超低k介電質(zhì)的異質(zhì)表面進(jìn)行拋光，極易造成界面材料的剝離和極細(xì)互連線的損傷(如圖1所示)[3]，導(dǎo)致材料失效。目前，如何對(duì)超低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面進(jìn)行高效、高質(zhì)量的材料去除，仍是困擾工業(yè)界的難題。

圖1 CMP過程中低k/銅異質(zhì)界面出現(xiàn)的剝離損傷和材料表面出現(xiàn)的裂紋損傷[3]

本文作者著重闡述了集成電路平坦化工藝——化學(xué)機(jī)械拋光過程材料去除機(jī)制及損傷機(jī)制；分析了低k介質(zhì)/銅界面化學(xué)機(jī)械拋光過程中界面力學(xué)行為和摩擦損傷特性；最后展望了低k介質(zhì)/銅表面化學(xué)機(jī)械拋光過程材料去除機(jī)制研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1 化學(xué)拋光過程去除機(jī)制及損傷機(jī)制研究

20世紀(jì)80年代末，IBM公司將CMP技術(shù)進(jìn)行了發(fā)展使之應(yīng)用于硅片的平坦化，其效果較傳統(tǒng)的平坦化技術(shù)有了極大的改善，從而奠定了CMP技術(shù)在超大規(guī)模集成電路平坦化技術(shù)中的關(guān)鍵地位[4]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)CMP過程中的材料去除機(jī)制以及損傷機(jī)制開展了大量的研究。

針對(duì)單一材料CMP過程，郭東明課題組研究了拋光顆粒在硅片上的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]；雒建斌課題組研究了納米顆粒與基底碰撞產(chǎn)生的損傷、吸附和運(yùn)動(dòng)特性[6-7]；LIU等[8]、肖保其和雷紅[9]分別從磨粒粒徑和復(fù)合磨粒的角度探討了降低拋光損傷和減小粗糙度的途徑；陳晶等人[10]和傅惠南[11]利用掃描探針顯微鏡研究了納米切削機(jī)制；戴一帆等[12]提出利用確定性磁射流拋光技術(shù)，能有效地降低各種復(fù)雜形狀工件的表面殘余波紋度。

在材料去除過程的理論研究方面，先后出現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)-半經(jīng)驗(yàn)去除率模型、流體動(dòng)力學(xué)理論模型、接觸力學(xué)理論模型、接觸理論-流體力學(xué)模型和化學(xué)機(jī)械協(xié)同作用模型等[13-16]?；瘜W(xué)機(jī)械拋光過程是化學(xué)作用和機(jī)械作用相結(jié)合的過程，二者之間相互促進(jìn)相互影響。分析機(jī)械與化學(xué)的交互作用可以更好地理解CMP材料去除機(jī)制?？墒?，目前人們對(duì)于CMP過程中機(jī)械作用和化學(xué)作用的研究尚不夠充分。這主要是由于化學(xué)機(jī)械拋光過程發(fā)生在納米尺度，目前很難對(duì)此過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。現(xiàn)有的研究都是基于對(duì)實(shí)驗(yàn)后材料與拋光液等變化進(jìn)行推理研究，因此很難從本質(zhì)上揭示CMP過程的去除機(jī)制。

目前關(guān)于化學(xué)機(jī)械拋光過程中顆粒機(jī)械作用的研究較多，如顆粒對(duì)拋光表面的切削作用、碰撞作用等，而受限于模擬條件，化學(xué)機(jī)械拋光過程中化學(xué)作用的仿真研究則相對(duì)較少。針對(duì)CMP過程中顆粒的切削去除作用，KOMANDURI等[17]、ZHU等[18]、郭曉光[19]對(duì)顆粒參數(shù)、晶相等因素對(duì)切削過程的影響做了細(xì)致的仿真研究。在CMP過程中碰撞作用仿真研究方面，DUAN等[20]、CHEN等[21]研究了單個(gè)氧化硅顆粒與硅表面的碰撞過程，發(fā)現(xiàn)了硅表面的相變、碰撞過程的能量轉(zhuǎn)換及表面材料去除機(jī)制；HUANG等[22]模擬了剛性金剛石團(tuán)簇高速?zèng)_擊硅基體的過程，分析了流體振動(dòng)拋光的微觀材料去除機(jī)制；司麗娜等[23-24]模擬研究了不同壓力下顆粒的切削作用與滾動(dòng)作用對(duì)粗糙硅基體表面的平整化過程，揭示出化學(xué)機(jī)械拋光過程中的單分子層去除機(jī)制，如圖2所示。在CMP過程中化學(xué)作用仿真研究方面，YOKOSUKA等[25]、張曙光等[26]分別研究了CMP過程中銅表面的氧化過程以及不同銅緩蝕劑與Cu2O晶體的相互作用。WEN等[27]研究了CMP過程中水分子與不同晶向的硅片表面在不同溫度下的反應(yīng)機(jī)制，不同晶向的硅片表面傾向于形成不同的端基。

圖2 不同切削深度下顆粒切削硅基體的模擬結(jié)果(顆粒直徑為6 nm，切削長度為5 nm) [24]

現(xiàn)有拋光機(jī)制的建立都是基于單種材料如硅片、銅等的研究結(jié)果，對(duì)于化學(xué)機(jī)械拋光過程低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面損傷行為、材料去除的預(yù)測不再適用。目前，如何對(duì)低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面進(jìn)行高效、高質(zhì)量的材料去除，仍是困擾工業(yè)界的難題，也沒有建立起相應(yīng)的材料去除機(jī)制模型。因此，研究CMP過程中低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面的力學(xué)和摩擦損傷特性，形成異質(zhì)表面微觀材料去除機(jī)制及損傷形成機(jī)制，不僅對(duì)于發(fā)展22 nm及以下線寬IC制造技術(shù)具有實(shí)際意義，而且對(duì)于突破傳統(tǒng)的CMP理論體系，建立集成電路平坦化新的理論體系具有重要的理論意義。

2 集成電路中低k材料的應(yīng)用及CMP過程異質(zhì)表面材料去除機(jī)制研究

2.1 集成電路中低k材料的應(yīng)用

隨著集成電路技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)線密度不斷增大，線寬和間距不斷減小，為了降低阻容延遲效應(yīng)，要求采用導(dǎo)電性能更好的銅作互連線并且引入新型的低k介質(zhì)材料作為絕緣層，防止不同層次之間串電。為滿足集成電路的發(fā)展需要，低k材料的研究和應(yīng)用已成為當(dāng)前半導(dǎo)體行業(yè)的研究熱點(diǎn)課題[28]。

在集成電路制作工藝中，低k材料必須滿足許多條件，比如較低的介電常數(shù)(k<3)、高擊穿電壓、低漏電性、高熱穩(wěn)定性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以支撐多層布線結(jié)構(gòu)及與化學(xué)機(jī)械拋光工藝良好的兼容性[29]。低k材料作為互連線之間的隔離絕緣層，同時(shí)也是上層結(jié)構(gòu)的物理支撐體，其平坦化是重要的工序，因?yàn)槿绻浔砻娓叩筒黄?，在其上制作金屬互連線過程中會(huì)引起光刻/刻蝕精度下降，甚至金屬連線斷裂等工藝缺陷。

根據(jù)材料的基本成分和結(jié)構(gòu)不同，介電常數(shù)材料可以分為無機(jī)介電常數(shù)材料和有機(jī)介電常數(shù)材料[30]。無機(jī)介電常數(shù)材料主要有氟氧化硅(SiOF)、多孔氧化硅材料和沸石-Zeolite等。這類材料的特點(diǎn)是機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性良好，但是其介電常數(shù)偏高，工藝相對(duì)復(fù)雜。有機(jī)介電常數(shù)材料有聚酰亞胺(PIs)和多芳基醚(PAE)等，這類材料具有極低的介電常數(shù)，k值可以低至2.2。但是此類材料的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性較差，無法保證集成電路在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性[28]。無機(jī)介電常數(shù)材料與有機(jī)介電常數(shù)材料性質(zhì)各有利弊。為了滿足集成電路發(fā)展的需要，迫切需要制備具有較低介電常數(shù)、耐高溫、較好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性等性質(zhì)的低k材料。

2.2 CMP過程異質(zhì)表面材料去除機(jī)制研究

針對(duì)不同物性材料特別是低k/銅材料表面CMP過程，由于介電材料的機(jī)械強(qiáng)度隨k值減小而降低，所以必須使用較小的拋光壓力來避免材料的脫落[31]。為了能夠解決較低拋光壓力導(dǎo)致拋光去除率較低的缺陷，有必要增加化學(xué)作用。近年來，國外幾大著名半導(dǎo)體制造公司先后推出了電化學(xué)機(jī)械平面化(ECMP)技術(shù)、高速低壓力CMP技術(shù)、無應(yīng)力平坦化(SFP)的拋光技術(shù)等[32]。國內(nèi)郭東明、康仁科和金洙吉課題組[33-34]以及雒建斌、路新春和郭丹課題組[35-36]在這方面展開了卓有成效的研究工作。在國外，日本EBARA Technologies在2005年將電化學(xué)反應(yīng)技術(shù)用于65 nm銅及低k介質(zhì)CMP 中，拋光效果良好。這種電化學(xué)反應(yīng)利用電場研磨，無需銅研磨液和研磨墊，只需要加入觸媒材料的水溶液。

目前國內(nèi)外對(duì)于CMP過程中低k介質(zhì)/銅異質(zhì)界面損傷行為及材料去除機(jī)制方面的研究主要是采用實(shí)驗(yàn)手段，但是由于CMP過程發(fā)生在納米尺度，目前很難對(duì)此過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測?，F(xiàn)有研究都是基于對(duì)實(shí)驗(yàn)后材料與拋光液等變化所作的推理研究，很難全面揭示低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面在CMP過程中的去除機(jī)制。理論模擬方法為這一問題提供了很好的解決手段。目前的理論模擬主要側(cè)重于研究如何改善低k材料的力學(xué)性能和介電性能以提高超低k材料/銅表面的拋光質(zhì)量方面。YUAN等[37]研究了通過改變低k材料中端基結(jié)構(gòu)等改善低k材料力學(xué)性能和介電性能,并建立了低k材料的生成算法，研究發(fā)現(xiàn)在SiOCH薄膜結(jié)構(gòu)中引入碳鏈結(jié)構(gòu)，可以降低材料k值，同時(shí)材料的機(jī)械性能降低不大，如圖3所示。SI等[38]對(duì)多孔硅等低k材料的研究表明，隨著孔隙率的不斷增大，多孔二氧化硅的體模量、剪切模量和彈性模量都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；SiOCH薄膜與同孔隙率的多孔二氧化硅相比，密度與機(jī)械性能都有一定程度的下降，如圖4所示。BAI等[39]利用寬頻帶差分聚焦激光及激光產(chǎn)生聲表面波的方法研究了超薄低k多孔膜的彈性模量。

圖3 文獻(xiàn)[37]建立的多孔SiOCH薄膜模型

圖4 低k材料彈性模量隨孔隙率的變化及SiOCH薄膜與二氧化硅界面模型[38]

目前關(guān)于CMP過程中低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面化學(xué)機(jī)械拋光過程中的表界面行為的理論模擬研究剛起步。杜詩文和李永堂[40]模擬了Si/Cu/Ta/low-k界面在CMP 過程中的承載特性，建立單層布線和多層布線體系的界面力學(xué)模型，采用斷裂力學(xué)理論和有限元法研究了異質(zhì)表面在CMP 過程中的應(yīng)力分布規(guī)律和表面裂紋的斷裂強(qiáng)度。但是目前從分子原子層面揭示CMP過程異質(zhì)界面損傷行為的研究較少，未能形成有效的去除機(jī)制模型。

3 展望

針對(duì)低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面的平坦化問題，仍需深入開展的工作如下：

(1)探索超聲、電、化學(xué)、機(jī)械(固體及流體)等多場耦合作用下低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面材料演變規(guī)律及去除機(jī)制，探索異質(zhì)表面平坦化的新原理與新方法。

(2)結(jié)合有限元、分子動(dòng)力學(xué)等模擬計(jì)算方法，構(gòu)建低k介質(zhì)/銅異質(zhì)表面的多尺度研究方法，從分子、原子尺度研究異質(zhì)界面的材料遷移行為與損傷機(jī)制，揭示異質(zhì)表面的微觀材料去除機(jī)制及損傷形成機(jī)制，提出異質(zhì)表面平坦化及損傷控制方法。