[導讀]摩爾定律的一個重大副作用就是從不明確地確定半導體產(chǎn)業(yè)中的技術問題。對目前制造節(jié)點完全適用的材料和工藝可能幾年后就不夠了。問題出自特征尺寸的不斷縮小。極細線條中的性能與大塊材料的性質(zhì)能有極大的差別。
摩爾定律的一個重大副作用就是從不明確地確定半導體產(chǎn)業(yè)中的技術問題。對目前制造節(jié)點完全適用的材料和工藝可能幾年后就不夠了。問題出自特征尺寸的不斷縮小。極細線條中的性能與大塊材料的性質(zhì)能有極大的差別。
根據(jù)下式，減少粗導線的截面積電阻就增加：
R=(l*ρ)/A
式中，l=導線長度，ρ=電阻率=常數(shù)，A=截面積。但是，當線寬在100nm以下時，界面處的散射和晶粒邊界比塊狀材料性能更為重要，電阻率呈指數(shù)增加。任何銅截面的減少都有雙重影響：方塊電阻增加和電阻率成倍上升。對于長線，電阻比較重要；對于較短線的性能，電容的影響較大。盡管電阻仍然與截面有關，但較長導線受尺寸效應的雙重影響并不太大。其它的電路限制因數(shù)使簡單地增加導線尺寸不實際。為此，制造商希望采用比較薄的阻擋層，允許在給定的光刻特征圖形中容納更多的銅。
新阻擋層-新集成挑戰(zhàn)
為了減少阻擋層厚度，要考慮二個重要因素：a)防止銅擴散進入介質(zhì)，b)確保銅層的牢固粘附。上述二個要求中工藝的優(yōu)先考慮存在競爭性。為了防止銅擴散進入介質(zhì)，阻擋層必須足夠厚、保形且沒有孔洞。而對于許多32nm及以上節(jié)點的應用來說，現(xiàn)在已普遍采用多孔低k介質(zhì)層。厚阻擋層還增加純電阻。
為了改善界面處的粘附強度，阻擋層必須一方面要與銅有牢固的界面鍵合，另一方面要與低k介質(zhì)層形成牢固的界面鍵合。若單一介質(zhì)層達不到目的，目前的趨勢是用雙層，如在Cu下Ru或Co或Mn的組合（稱為膠粘層），然后在膠粘層下用另一層TaN。與單一阻擋層比較，采用雙層某種程度上允許減少阻擋層的厚度。
用于Cu工藝的CMP后新清洗方法
因此，為Cu工藝開發(fā)CMP后清洗配方的復雜性就在于，有圖形晶圓中存在多個堆疊在一起的不同界面，當CMP工藝后在清洗機中清洗晶圓時，這些界面均暴露在CMP后清洗溶液內(nèi)。溶液中不同的電耦合產(chǎn)生了不同的腐蝕問題，這也許難以用光晶圓的研究預計。對于Co籽晶增強層（SEL）和Ru阻擋層，發(fā)現(xiàn)一種堿性的CMP后清洗溶液是非常理想的選擇（見圖1）。
在各種CMP后清洗中，有圖形晶圓的高密度銅線條區(qū)清洗后有可能形成樹突的問題。采用合適的配方可以避免樹突的形成，如圖2所示。
除了引入不同的金屬作為阻擋層或籽晶增強層外，暴露在CMP后清洗配方中時，用作介質(zhì)層的多孔低k薄膜也易受k值變化的影響。若這種變化是由介質(zhì)薄膜化學性質(zhì)的改變引起，那么，就認為工藝是不穩(wěn)定的，需要改變清洗液配方。如表1所示，CoppeReady? CP98證明適用于多孔低k薄膜。
Cu互連工藝中與疏
水性超低k介質(zhì)薄膜集成有關的另一問題是，CMP后清洗工藝以后出現(xiàn)水跡。為了在清洗及干燥后消除晶圓表面的水跡，優(yōu)化配方無疑是達到該目標的重要一步。但是，這也要求開發(fā)優(yōu)化工藝。優(yōu)化工藝包括采用基于Marangoni原理的IPA蒸汽干燥器。
由于幾乎所有的阻擋層CMP研磨液都包含某種類型的薄膜形成Cu腐蝕抑制劑。有必要配方一種清洗溶液，它能在清洗機清洗工藝后從Cu表面清除所有的有機薄膜。最常用的Cu腐蝕抑制劑之一是苯并三唑，它在Cu上形成Cu(I)-BTA單分子層。采用適當?shù)那逑磁浞?，此單分子層應被除去，見圖3給出的CoppeReady? CP98清洗性能的TOF-SIMS結果。
Al工藝的CMP后清洗新方法
除了Cu CMP工藝外，特別配方的CMP后清洗也正用于Al-CMP工藝以及氮化硅/多晶硅CMP工藝。對于高K金屬柵（HKMG）應用，Al CMP工藝現(xiàn)已標準化，因為Intel在45nm節(jié)點執(zhí)行同一工藝。在整個晶圓上Al CMP控制的金屬柵高度均勻性和缺陷率，對替代金屬柵結構產(chǎn)品的HKMG器件和良率性能的影響極其重大。由于金屬柵高度僅幾百埃，Al CMP的尺寸容差比常規(guī)CMP工藝更具挑戰(zhàn)性（嚴格10倍以上）。
HKMG結構的產(chǎn)品良率對缺陷率（包括落下微粒、微劃傷和腐蝕缺陷類型）特別敏感。所有這些缺陷類型都會受CMP后清洗的影響，因此需要優(yōu)化清洗工藝和化學配方。對于Al CMP后清洗，除了清除微粒外，防止腐蝕是一個巨大挑戰(zhàn)。依據(jù)集成方案，可以用純Al或Al-Cu合金薄膜。若用合金薄膜，微結構中存在電耦合的固有失配，這就是點腐蝕的根源（圖4a）。對于純Al薄膜，雖然傳統(tǒng)的點缺陷不可能，但Al與下面其它薄膜界面處的電腐蝕是完全可能的，如下面圖4b所示。
如上所述，不管是在Al和TiN界面處的真實界面電腐蝕，或是由于Cu周圍Al的溶解在Al-0.5Cu陣列微結構內(nèi)的點缺陷（它是Al和Cu電耦合的表述），用CMP后清洗配方溶液時都必須防止電腐蝕。圖5是在TiN界面處無任何電腐蝕的Al線，圖6是CMP后清洗后的無點缺陷表面。
圖7是用競爭對手的清洗配方的較高缺陷計數(shù)（左）和用CoppeReady?CP72B的較低缺陷計數(shù)的Al光晶圓SP2缺陷圖（感謝Applied Materials Inc., Santa Clara, CA, USA提供圖像）。
GST工藝用的CMP后清洗新方法
除了上述各類CMP后清洗需求外，另一新興領域是CMP后清洗GST薄膜 (Ge2Sb2Te5或GST)。GST是應用于相變存儲器（PCM）非常有前途的材料，這是因為它能多位操作、有可量測性和極快的開關速度。對于GST CMP工藝的第一個挑戰(zhàn)是缺陷率控制。如表2所示，GST合金比Cu金屬軟得多，且更脆。
結果，要想平坦化GST而又不劃傷表面或不引起局部區(qū)域薄膜分層就更加困難。GST合金是IV-V-VI三元化合物，Ge、Sb和Te的Pauling scale負電性值分別為2.01、2.05和2.1。因此，它們在像CMP后清洗溶液這樣的電化學活性溶液中有不一樣的化學反應，若清洗配方?jīng)]有對合金穩(wěn)定性優(yōu)化，一個合金元素與另一個比較有可能顯示腐蝕/過濾出去的情況。與GST CMP工藝的CMP研磨液配方優(yōu)化的同時，也要求優(yōu)化CMP后清洗配方以防止GST薄膜的去合金化，以及PCM應用必須的GST薄膜材料性質(zhì)。圖8顯示GST晶圓在CMP后清洗以后發(fā)現(xiàn)的典型缺陷。[!--empirenews.page--]
總結
CMP已是一種能用于晶圓平坦化的成熟技術，其應用范圍正持續(xù)地擴展到各種不同的新型薄膜。這就有必要為特定的CMP后清洗溶液配方，以在不同薄膜上達到最少缺陷，且不損傷堆疊中暴露的薄膜。學術界與工業(yè)界的研究人員正不斷取得重大進展，解決各種技術挑戰(zhàn)。本文給出的一些例子說明了由Air Products公司取得的成就，以對付與新互連集成有關的CMP后清洗應用面臨的一些技術挑戰(zhàn)。
根據(jù)下式，減少粗導線的截面積電阻就增加：
R=(l*ρ)/A
式中，l=導線長度，ρ=電阻率=常數(shù)，A=截面積。但是，當線寬在100nm以下時，界面處的散射和晶粒邊界比塊狀材料性能更為重要，電阻率呈指數(shù)增加。任何銅截面的減少都有雙重影響：方塊電阻增加和電阻率成倍上升。對于長線，電阻比較重要；對于較短線的性能，電容的影響較大。盡管電阻仍然與截面有關，但較長導線受尺寸效應的雙重影響并不太大。其它的電路限制因數(shù)使簡單地增加導線尺寸不實際。為此，制造商希望采用比較薄的阻擋層，允許在給定的光刻特征圖形中容納更多的銅。
新阻擋層-新集成挑戰(zhàn)
為了減少阻擋層厚度，要考慮二個重要因素：a)防止銅擴散進入介質(zhì)，b)確保銅層的牢固粘附。上述二個要求中工藝的優(yōu)先考慮存在競爭性。為了防止銅擴散進入介質(zhì)，阻擋層必須足夠厚、保形且沒有孔洞。而對于許多32nm及以上節(jié)點的應用來說，現(xiàn)在已普遍采用多孔低k介質(zhì)層。厚阻擋層還增加純電阻。
為了改善界面處的粘附強度，阻擋層必須一方面要與銅有牢固的界面鍵合，另一方面要與低k介質(zhì)層形成牢固的界面鍵合。若單一介質(zhì)層達不到目的，目前的趨勢是用雙層，如在Cu下Ru或Co或Mn的組合（稱為膠粘層），然后在膠粘層下用另一層TaN。與單一阻擋層比較，采用雙層某種程度上允許減少阻擋層的厚度。
用于Cu工藝的CMP后新清洗方法
因此，為Cu工藝開發(fā)CMP后清洗配方的復雜性就在于，有圖形晶圓中存在多個堆疊在一起的不同界面，當CMP工藝后在清洗機中清洗晶圓時，這些界面均暴露在CMP后清洗溶液內(nèi)。溶液中不同的電耦合產(chǎn)生了不同的腐蝕問題，這也許難以用光晶圓的研究預計。對于Co籽晶增強層（SEL）和Ru阻擋層，發(fā)現(xiàn)一種堿性的CMP后清洗溶液是非常理想的選擇（見圖1）。
在各種CMP后清洗中，有圖形晶圓的高密度銅線條區(qū)清洗后有可能形成樹突的問題。采用合適的配方可以避免樹突的形成，如圖2所示。
除了引入不同的金屬作為阻擋層或籽晶增強層外，暴露在CMP后清洗配方中時，用作介質(zhì)層的多孔低k薄膜也易受k值變化的影響。若這種變化是由介質(zhì)薄膜化學性質(zhì)的改變引起，那么，就認為工藝是不穩(wěn)定的，需要改變清洗液配方。如表1所示，CoppeReady? CP98證明適用于多孔低k薄膜。
Cu互連工藝中與疏
水性超低k介質(zhì)薄膜集成有關的另一問題是，CMP后清洗工藝以后出現(xiàn)水跡。為了在清洗及干燥后消除晶圓表面的水跡，優(yōu)化配方無疑是達到該目標的重要一步。但是，這也要求開發(fā)優(yōu)化工藝。優(yōu)化工藝包括采用基于Marangoni原理的IPA蒸汽干燥器。
由于幾乎所有的阻擋層CMP研磨液都包含某種類型的薄膜形成Cu腐蝕抑制劑。有必要配方一種清洗溶液，它能在清洗機清洗工藝后從Cu表面清除所有的有機薄膜。最常用的Cu腐蝕抑制劑之一是苯并三唑，它在Cu上形成Cu(I)-BTA單分子層。采用適當?shù)那逑磁浞?，此單分子層應被除去，見圖3給出的CoppeReady? CP98清洗性能的TOF-SIMS結果。
Al工藝的CMP后清洗新方法
除了Cu CMP工藝外，特別配方的CMP后清洗也正用于Al-CMP工藝以及氮化硅/多晶硅CMP工藝。對于高K金屬柵（HKMG）應用，Al CMP工藝現(xiàn)已標準化，因為Intel在45nm節(jié)點執(zhí)行同一工藝。在整個晶圓上Al CMP控制的金屬柵高度均勻性和缺陷率，對替代金屬柵結構產(chǎn)品的HKMG器件和良率性能的影響極其重大。由于金屬柵高度僅幾百埃，Al CMP的尺寸容差比常規(guī)CMP工藝更具挑戰(zhàn)性（嚴格10倍以上）。
HKMG結構的產(chǎn)品良率對缺陷率（包括落下微粒、微劃傷和腐蝕缺陷類型）特別敏感。所有這些缺陷類型都會受CMP后清洗的影響，因此需要優(yōu)化清洗工藝和化學配方。對于Al CMP后清洗，除了清除微粒外，防止腐蝕是一個巨大挑戰(zhàn)。依據(jù)集成方案，可以用純Al或Al-Cu合金薄膜。若用合金薄膜，微結構中存在電耦合的固有失配，這就是點腐蝕的根源（圖4a）。對于純Al薄膜，雖然傳統(tǒng)的點缺陷不可能，但Al與下面其它薄膜界面處的電腐蝕是完全可能的，如下面圖4b所示。
如上所述，不管是在Al和TiN界面處的真實界面電腐蝕，或是由于Cu周圍Al的溶解在Al-0.5Cu陣列微結構內(nèi)的點缺陷（它是Al和Cu電耦合的表述），用CMP后清洗配方溶液時都必須防止電腐蝕。圖5是在TiN界面處無任何電腐蝕的Al線，圖6是CMP后清洗后的無點缺陷表面。
圖7是用競爭對手的清洗配方的較高缺陷計數(shù)（左）和用CoppeReady?CP72B的較低缺陷計數(shù)的Al光晶圓SP2缺陷圖（感謝Applied Materials Inc., Santa Clara, CA, USA提供圖像）。
GST工藝用的CMP后清洗新方法
除了上述各類CMP后清洗需求外，另一新興領域是CMP后清洗GST薄膜 (Ge2Sb2Te5或GST)。GST是應用于相變存儲器（PCM）非常有前途的材料，這是因為它能多位操作、有可量測性和極快的開關速度。對于GST CMP工藝的第一個挑戰(zhàn)是缺陷率控制。如表2所示，GST合金比Cu金屬軟得多，且更脆。
結果，要想平坦化GST而又不劃傷表面或不引起局部區(qū)域薄膜分層就更加困難。GST合金是IV-V-VI三元化合物，Ge、Sb和Te的Pauling scale負電性值分別為2.01、2.05和2.1。因此，它們在像CMP后清洗溶液這樣的電化學活性溶液中有不一樣的化學反應，若清洗配方?jīng)]有對合金穩(wěn)定性優(yōu)化，一個合金元素與另一個比較有可能顯示腐蝕/過濾出去的情況。與GST CMP工藝的CMP研磨液配方優(yōu)化的同時，也要求優(yōu)化CMP后清洗配方以防止GST薄膜的去合金化，以及PCM應用必須的GST薄膜材料性質(zhì)。圖8顯示GST晶圓在CMP后清洗以后發(fā)現(xiàn)的典型缺陷。[!--empirenews.page--]
總結
CMP已是一種能用于晶圓平坦化的成熟技術，其應用范圍正持續(xù)地擴展到各種不同的新型薄膜。這就有必要為特定的CMP后清洗溶液配方，以在不同薄膜上達到最少缺陷，且不損傷堆疊中暴露的薄膜。學術界與工業(yè)界的研究人員正不斷取得重大進展，解決各種技術挑戰(zhàn)。本文給出的一些例子說明了由Air Products公司取得的成就，以對付與新互連集成有關的CMP后清洗應用面臨的一些技術挑戰(zhàn)。
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