65 nm技术节点的CMP技术

●专题报道●电子工业专用设备EPE65 nm技术节点的CMP技术童志义(中国电子科技集团第45研究所,北京东燕郊101601 )摘要:概述了全球CMP设备市场和65nm技术节点CMP技术面临的挑战,给出了65nm技术节点铜工艺的解决方案及CMP后清洗技术。关键词:CMP设备市场; 65 nm节点;铜互连;电化学机械抛光;无应力抛光;后CMP清洗中图分类号:TN305.2文献标识码:B文章编号: 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引言进入65nm节点之后,CMP工艺的重要性便更加突出。65 nm节点的多层金属互连为11层，IC制造工艺中平坦化技术已成为与光刻和刻45 nm节点的多层金属互连为12层。金属互连蚀同等重要且相互依赖的不可缺少的关键技术之的金属层间介质的增加,引起晶片表面严重的不一。而化学机械抛光(CMP)工艺便是目前最有效、平整，以致无法满足图形曝光的焦深要求。为解最成熟的平坦化技术。化学机械抛光系统是集清决这一矛盾和提高芯片的成品率，晶圆表面须平洗、干燥、在线检测、终点检测等技术于一体的化学整、光滑和洁净。随着图形线宽的缩小和金属互机械平坦化技术。是集成电路(IC)向微细化、多层连层的增加,对CMP工艺技术的依赖性也越来化、平坦化、薄型化发展的产物，是集成电路进入越大。可以说，没有平坦化工艺就无法构建金属0.13 um以下技术节点，中200 mm圆片向中300 mm化多层互连结构，进而无法采用超大规模集成圆片过渡、提高生产效率、降低成本、晶圆全局平坦电路制造技术生产现代存储器(DRAM)和微处化必备技术。理器中国煤化工收稿日期:2006-09-12.MYHCNMHG⑧(总第141期)电子工业专用设备EPE●专题报道.2CMP设备市场800厂23700■全球销售量随着圆片直径的增大和工艺复杂性的不和600.中国销售量断提高，CMP设备的价格也在逐渐增加，一般糕50000499..42来说，φ 200mm的CMP机器大约是300万美元，300bs6φ 300mm晶圆的CMP机器大约是400万美元,器20019204晶圆尺寸越小价格越低。平均价格上涨始于001995年的75万美元至2010年的600万美元以上。在2006年的SEMICON West展会上,SE-1年份MI公布了其年度中期半导体设备市场预测，预计围1B 1995 2010年全球CMP设备销售量2006年全球半导体市场规模将增长18%，达到3工艺需求.388.1亿美元。而中国市场涨幅将达到78%,达23.7亿美元。SEMI表示，今年亚洲半导体市场的涨随着φ300 mm和65 nm时代的到来,用于互幅要高于全球其他地区，其中尤以中国市场最为突连技术的新导体、新介质材料已成为满足未来半导出。2004年是全球CMP设备市场的高峰年,共销体技术要求所必需。铜金属化中的阻挡层，有效介售CMP设备374台,销售额达12.9亿美元。预计电常 数及金属互连层的技术要求在不断提高,从而今年全球CMP设备市场可望达到14.47亿美元，对CMP技术提出了更多新的挑战。阻挡层开发目出售CMP设备400台以上。到2010年，全球市场标正在瞄准不牺牲扩散阻挡层特性的前提下使阻将销售CMP设备450台,销售额超过21亿美元。挡层厚度和电阻率的最小化。国际半导体技术发展据SEMI预计,到2010年我国还将新建20条路线(表 1)提出了将阻挡层厚度从2004年的100 nmφ 200~ φ 300 mm晶圆生产线。其中以φ 300 mm、节点的12nm减少到2007年65nm节点的7nm,90nm线5条、65 nm生产线2条计算，其余以绝缘体有效介电常数由100 nm节点的3.3~3.6降φ 200 mm.180~130 nm计算，设备总计投资将在到65 nm节点的2.7~3.0，金属互连层数将由100nm240亿美元左右,CMP设备市场以4.5%计算,约为节点的9层增加到65 nm节点的11层。10.8亿美元。图1给出了1995~ 2010年全球CMP铜互连和低介电常数材料的引入，以及双嵌设备市场。.入式结构的应用对于CMP技术的发展起到了至关重要的影响作用，一个6层布线的MPU在制2 500备过程中需要至少8次CMP工艺，可以说21.60■全球市场1964CMP对布线质量和产品性能起着非常关键的2 000■中国市场16.55作用。如何去除线宽减少和低k材料使用所带31 5s0015.192901447355来的新缺陷,如何在减低研磨压力的情况下提I 00010.869.83高产率,如何减少磨料的使用以清洗疏水性低E"664703k材料等便成为CMP设备研发所面临的挑战。s20500-- 3071465nm节点CMP技术中国煤化工市场.上相继出图1A 1995-2010年全球 CMP设备销售额(百万美元).MHCNMH GMHC如，线性、椭圆和(总第141期)⑨●专题报道.电子工业专用设备EPE表1近期MPU互连技术要求( ITRS 2004)503 m/min,充分体现了旋转式的优势。AM公年份2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009司最新的Reflexion LK是其的升级产品,采技术节点/nm9065用了更灵活的设计平台，是针对65 nm技术DRAM半节距/nm 100 90 80 7055 57 50的量产设备，可在将来通过技术升级延伸到MPU/ASIC120107958576676045 nm, Reflexion LK采用7.59X 103 MPa以半节距/nm下的低压力抛光技术，提高了表面平坦性并金属层910111I11212降低了凹陷与侵蚀缺陷，从而推动了实现器金属引线.240 214 190 170 152 134 120件的高性能、生产的低成本和较高的产品优半节距/m良率。电化学机械平坦化(ECMP)是应用材料第一层铜金属线98765.44.94.公司专门用于45 nm铜CMP工艺的又一种阻挡层厚度/nmCMP技术。铜层间引线)94.1互连集成所面对的挑战最小间距铜总线12109865 nm和45 nm铜/低k互连集成的一个主要挑战就是工艺的进展要适应k=2.5~3.0内层金属绝缘体有效介电常数(23.6~3.3 3.6~3.13.0~2.7的低h介质。关键问题有二次大马士革光刻、线电阻、低k集成度、化学机械抛光(CMP)兼<3.0<2.7<2.4容性和铜缺陷等。介电常数(h)CMP兼容性:低k材料的机械强度比轨道式抛光，在薄膜上旋转和选择性离子刻蚀等。SiO2或者氟硅酸盐玻璃要低,这点给CMP带但由于种种因素(主要是因为需要特殊耗材),其它来了难题。相比于低k Si0C材料~2 GPa的硬度，的选择都无-例外地被市场放弃了。目前世界上的基于SiO2的氧化物硬度约为8 GPa。因此,使用与CMP技术几乎100%地采用旋转方式平台。以应用传统CMP相同的下压力来抛光低k材料以及阻挡材料、日本荏原制作所为代表的旋转型研磨技术的层，就会常常导致膜层的剥离或者与前层分离。CMP设备,已成为世界上CMP设备的主流机型。电化学机槭抛光(Ecmp)通过电解化学药品的电荷实现移除Cu的步骤，它与传统CMP应用中由抛光垫供给抛光液大部分的力都是剪切力不同。实际上没有向下的抛光液抛光垫力,只是有足够的压强(20.7X103MPa)保持衬垫........(pad)和硅片(wafer)之间的接触一将剪切力从工艺中消除。它有2个好处:使得和将来疏松的低k材料兼容;大大减少了向下压力的CMP工艺固有762mm的凹陷。图2主流 CMP技术铜缺陷:CMP之后经常能够观察到的缺陷是微小的凹陷和铜的缺失。-种新的方法被用来描述应用材料公司的旋转型CMP设备，由于采用凹陷密度。利用俯视的SEM图像,颗粒边界和凹陷了氧化铈(Ce)抛光液,且己具备了对铈抛光液提高尺寸密度可以得到量化。利用SEM缺陷检查工具抛光液混合比、流量等控制性能的硬件，在STI和颗粒边界密度成像,可以优化籽晶层(seed-layer)CMP工艺方面已经成熟,此类设备在铜CMP市场侧壁I中国煤化工填充、原位退火、中已占踞80%的份额。由于旋转式设计具有较大的阻挡YHCNMH(ECP与CMP之半径,其φ300mm平台的最大抛光线速度可高达间的等付时间，将钢线的凹陷献陷减到最少。①(总第141期)EPE电子工业专用设备.专题报道.，在选择比增大的较小几何尺寸中,为达到无孔使用局部拋光法的铜金属移除率与电流密度隙间隙填充和缺陷最少化，包括对添加剂浓度和使成正比, 电流密度愈高,移除率愈大。在整个抛光过用比率更加严格的控制，以及对电镀液体中副产物程中 ,已经证明能完全控制从晶圆中心到边缘的移的限制，都要求大幅提高对ECP电镀化学的控制。除率，如图4所示。使用这种制程能获得0.8%~1.2% (1 s)的片内厚度(移除)不均匀性(WIWNU)，4.2超无应力抛光技术晶圆间的厚度移除不均匀性(WTWNU)则为0.59%超无应力抛光技术(Ultra SFP)的原理为电抛光(1 s)。技术，电抛光自1912年起即应用在许多金属表面上的修整，电抛光能以降低的表面应力产生平坦、昌8001000r片间不均匀性5口光亮的表面,同时能增加抗腐蚀能力。当此项技术世600-应用在晶圆表面铜金属的抛光，而且铜积层的厚度堂400达到几百纳米时,若想要控制从晶圆中心到边缘的I潜在的厚度下降，即会面临技术困难。如果使用传050100 150 20250°里统的电抛光技术进行抛光,其所获得的抛光后铜膜晶圆片/mm剖面厚度分布，显示了晶圆边缘的铜厚度接近零,图4 SFP的移除率非均 匀性然而晶圆中心的铜厚会超过300nm。晶圆边缘铜膜的损失表示无法在晶圆中央做更进--步的抛光，由于UltraSFP制程中,仅有铜金属被移除,所因为没有电流可以从晶圆中心传导到电极所在位以不会发生介电质材料的损失或腐蚀,当堆栈内联置的晶圆边缘。机层层数增加时，此种优势能显著地改善内联机层最近几年来,ACM Research公司正在致力于的整体平面性，特别是对大部分的逻辑组件克服电抛光基本限制的研发,旨在解决前面所述在(CPUs, ASICs, FPGAs 以及PLDs ),这些组件将来抛光末段电流消失的问题。基本解决方法是以一种会有十层以 上的互连。暂不论互连层的数目,只要专利审查中的技术对抛光电流进行局部化控制(图介电质能均匀的涂布在晶圆表面,光刻中离焦所造3);在被控制的拋光过程中,使用电流进行铜金属成的良率损失即能降低,无论是涂旋低介电常数的的移除时,系统可以局部化的控制电流,将晶圆分介质层或超低介电常数介质层,都证明了具有极佳为数个区域依序进行抛光，晶圆中央首先拋光,然的晶圆内厚度移除均匀性。后拋光过程从中央转移至隔邻区域，再顺序抛光到因为SFP系统能对铜金属移除提供精确的控晶圆边缘。使用此种方法，抛光电流就能够传导到制，所以实际上不会产生凹陷(图5),在高图案密度位于晶圆边缘的电极，而不会发生电流消失现象。区域也看不到腐蚀现象,铜金属移除量与总凹陷程，透过精确的电源控制,此种独特的电抛光过程能以度能依据设计准则加以精确的控制。图5也显示了原子层等级方式进行铜金属的移除。以原子力显微镜(AFM)测量的晶圆抛光后表面,铜阻挡层金属移除量为700nm，表面粗糙度的均方根值为铜金属膜1.9 nm。中国煤化工圈案密度区MHCNMHG门腐蚀现象图3 UltraSFP 技术图5原于力显微镜测重的晶圆抛光表面.(总第141期)①●专题报道.电子工业专用设备EPE I4.3电化学机械抛光4.4CMP工艺的后清洗技术ECMP技术依靠机械但更主要是电化学的共铜CMP工艺会产生许多表面污染颗粒、表面同作用来去除硅片表面的铜薄膜以达到平坦化的铜残留和BTA的残余，会导致金属离子漂移而产目的。抛光垫通过机械方式磨掉硅片上保护下层金生 器件可靠性问题。因此,合适的CMP后清洗顺序属的突起钝化层，同时保护了凹陷区域的钝化层。和工艺对布线工艺非常重要。大多数情况下，用于连通硅片的阳极和嵌于抛光垫下面的阴极之间的铜CMP清洗的设备与介质CMP一样,都是由接触电势差引起的化学反应将晶圆表面未钝化区域的清洗、非接触清洗和晶圆甩千三部分组成,主要差铜去除。其最终结果是仅对于突起区域铜具有高的别在于化学溶液选择的不同。抛光速率。这种平坦化机理能在各种晶圆构造上达随着铜及低h介电材料逐渐广泛地应用于晶到近乎完美的平坦效果。圆制造技术上,后清洗液在化学机械研磨工艺上所ECMP利用电荷量化方式实现工艺控制,这从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工艺通过终点侦测技剂，可以增加低k介电材料表面的亲水性,并有效术实现的工艺控制。铜CMP的工艺控制通常依靠地同时移除研磨后残留的有机/无机杂质,降低晶即时的传感器件,如涡电流传感器直接测量铜膜的圆表面的缺陷数目。经由调整后清洗液中的成份，厚度并改变诸如时间和压力等工艺参数。相反，离子强度和pH值,能降低后清洗液对金属铜线的ECMP的工艺控制依靠对系统能量消耗的简单而腐蚀，并能有效移除表面铜错合物，提升铜线导电精确地测量来检测终点并控制抛光形貌。度。后清洗液不能破坏低k介电材料的结构,致使ECMP无需依赖对硅片铜膜厚度的即时测量，介电系数增加，影响电子组件的性能。上述四项基电化学机械抛光工艺控制利用多区域阴极预先设本性质是后清洗液所必须具备的条件,也同时是未定的积累电荷来调整铜膜的形态。工艺终点算法是来后清洗液研发所必须遵循的方向。基于根据法拉第电解定律和阴极几何形状的电化因为存在化学反应以及在表面有研磨颗粒，学电池的物理表述。CMP工艺会产生表面颗粒和污染。只有有效地去在65nm及以下节点集成电路制造工艺中,为除这些表面污染物才能充分利用化学机械抛光来了减少芯片内互联铜线线宽的变化,工艺控制变得实现硅片表面的整体平坦化。所以目前大部分化学越来越重要。IBM最近研究表明,这种线宽的变化机械抛光设备都与清洗设备捆绑组合。会影响嵌入式铜线的片电阻,并强调增加化学机械CMP清洗的重点是去除研磨过程中带来的所抛光铜工艺控制的必要性。该研究同时也指出,相有污染物。在研磨过程中晶圆会接触到腐蚀性化学比传统化学机械抛光工艺(CMP),电化学机械抛光品并承受较大的外界压力,导致其表面或次表面区(ECMP)具有更强的工艺控制能力。先进工艺控制域发生变形或破坏，将影响到器件的稳定性，所以(APC)的应用证明其在保持工艺稳定性上的重要CMP清洗的主要目的是去除研磨剂残留、金属污性,特别是当抛光垫接近其使用寿命并成为影响工染物以及游离态离子。去除硅片表面的污染物,首艺稳定性的主要因素的情况下尤为如此,普通的化先要通过机械方法克服范德华力或者用化学腐蚀学机械抛光工艺中,抛光垫长时间的使用不仅会使污染物表面减小与基底的接触。然后通过改变表面晶圆表面抛光形貌发生改变,更重要的是会造成缺电荷性能以避免颗粒重新粘附到硅片表面。陷数目的大量增加。一般而言,CMP工艺控制主要目前清洗设备可分为非接触式清洗(超声波清依赖于抛光过程中固定不变的设备参数的设置，洗) 、接触式清洗(PVC刷洗)。超声波清洗(Mega-这种控制方式不能弥补因前道铜膜沉积厚度而sonic)是由超声波发生器发出的高频振荡信号,通引起的变化。ECMP 工艺的优势在于允许精确控过换中国煤化工i传播到介质,清洗制晶圆的抛光过程，而不需要考虑抛光垫使用寿溶YHCNMHG间的向前辐射,使命的影响。液体流动而产生数以万计的微小气泡，存在于液体②(总第141期)EPE电子工业专用设备.专题报道●中的微小气泡(空化核)在声场的作用下振动,当声压达到一-定值时，气泡迅速增长，然后突然闭合,在侵蚀碟形侵蚀↑区域氧↓气泡闭合时产生冲击波,在其周围产生上千个大气化物去除↑碟形压力，破坏不溶性污物而使它们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而粘附在清洗件表面时,油铜被乳化，固体粒子脱离,从而达到清洗件表面净化氧化物的目的。双面机械刷洗(Brush Scrubbering)能够同时提供物理清洗和化学清洗,选材--般是聚乙烯醇(PVA)。清洗过程中多孔海绵状呈挤压状态。可同时与pH值2-12的化学溶液使用。憎水性表面，如HF清洗过的Si以及部分介质硅片,由于润湿角较大,很容易从刷子上粘附污染颗粒,而这些污染颗粒是从亲水性的晶圆表面吸附到刷子上的。憎水性图7金属 CMP常见的缺陷的容易吸附表面颗粒是因为刷洗过程中憎水的界面存在多重的固-液界面。如果刷子被轻度污染，铜的侵蚀是另一种常见的缺陷。引起侵蚀的原可以跑一些纯硅片来吸附刷子表面的颗粒,降低刷因可能有两个，一个是金属1介质界面处没有清洗子的污染度。掉的研磨液等化学物质,与附近铜发生化学反应形目前多数清洗设备供应商提供接触清洗、非接成的;另外一个原因主要是产品中的P-N结在光子触清洗和晶圆甩千三部分的组合方式，如图6所示的照射下产生电子流动,使得Cu原子从P掺杂的为比较常见的清洗工艺。其它的清洗工艺正在逐渐连线转移到N掺杂的一端，在随后的清洗过程实用于CMP的清洗，如CO2冷凝清洗和激光烧蚀。现了这个P/N结回路的导通,相当于一个太阳能电目前很多先进的清洗工艺,如Marangoni或IPA清池。这种缺陷可以通过加入抑制剂或者在清洗时减洗，主要用于低介电常数的介质材料清洗。少光的照射得到改善。参考文献:1] D. Padhi, G. Dixit. Key Process Parameters for CopperElectromigration[J]. Solid State Technology, Vol. 46, No.11, Nov.2003.兆声清洗双面擦洗漂洗与干燥倒置干法卸载[2] D. Vogler. Process Control Capability Needed to TakeAdvantage of Lower-k Materials [C]. Wafer News, July4, 2005.}3] D. Bennet, et al. Realtime Profile Control for ImprovedCopper CMP[]. Solid State Technology, June 2003.图6传统的晶圆 CMP后清洗工艺4] L. Economikos, et al. Integrated Electrochemical Mechan-ical Planarization (ECMP) for Future Generation Device铜CMP典型的缺陷是金属区的碟形缺陷和Technology[C] . ITC 2005.介质区的侵蚀,如图7所示。在解决这种缺陷问5] L. Economikos,et al. Electropolish Techniques[C].PacRim-题时,不光要考虑晶圆上图形密度、线宽、施加的. 2005下压力和研磨液的选择比，还要考虑研磨垫的中国煤化工300sIr m.电子材性能。YHCNMHG-50.(总第141期)①