高密度IC器件涉及互連的多層堆疊。化學機械平坦化(CMP)工藝為光刻需求提供了晶圓上的平滑表面,已成為半導體制造中獲得高良率的關鍵工藝。當半導體工業向45nm及更小節點前進時,集成方案正面臨著平衡互連特征尺寸縮小和互連材料物理性質極限的挑戰。硅通孔(TSV)以穿過晶圓的互連結構堆疊芯片構造,能減少焦耳熱效應和芯片所占面積,同時增加互連密度。它可以增加輸入-輸出點數,并使芯片實際成本降到最低。 TSV是穿過晶圓總厚度垂直形成的導電路徑,這能降低互連路徑的復雜性并可使封裝中有更多的輸入-輸出通道。TSV制作中采用銅作為互連材料。在這種Cu 3D TSV工藝中,通孔被銅填充,同時也在晶圓上淀積了一層厚的不均勻銅層。覆蓋的銅層厚度為3-20μm,需用CMP除去,只留下通孔中的Cu,建立貫穿晶圓的互連(圖1)。除去這種厚Cu層要求優化Cu CMP工藝。主要的要求之一是超高速Cu CMP工藝,以獲得合理的工藝時間和產額。 一般來說,Cu CMP 研磨劑含有磨料粒子、氧化劑、腐蝕抑制劑和pH調節劑。為了得到某種性能,有時還加入絡合劑、表面活性劑、流變調節成分和其它特殊成分。CMP要求去除速率、平坦化和表面質量間的平衡。為了達到這一平衡,將腐蝕抑制劑引入配方中。其作用是鈍化表面,使氧化速率得到控制,防止表面凹坑和刻蝕。Cu去除速率取決于表面氧化速率、鈍化速率、刻蝕速率、Cu消失速率和磨料粒子對鈍化膜的拋光效率。Cu的高去除速率可能引起表面高腐蝕、高缺陷率和表面形貌控制差。開發3D TSV Cu CMP研磨劑的真正挑戰是如何達到超高Cu去除速率,而又有好的平坦化、表面形貌、缺陷率和表面粗糙度。 本文闡述了用于3D的研磨劑的開發情況。基于Planar公司的CSL-904X Cu研磨劑平臺,開發了新的高去除速率Cu研磨劑。為了進一步改進,開發了超高去除速率研磨劑ER9212,用于Cu 3D TSV的目標去除速率為4~5μm/min。它也可用于Cu MEMS工藝中。 實驗 全部實驗均在Mirra Polisher上進行。研究中采用了200mm Cu無圖形晶圓、Cu slug和MIT 854有圖形晶圓。通過測量重量損失和Cu厚度決定去除速率,在Resmap上用4探針測方塊電阻。用電化學技術測定腐蝕響應,在AIT-UIV上測定缺陷率。表面形貌用Veeco AFM輪廓儀測量。CMP進行過程中,為了得到可靠而穩定的工藝,必須考慮多個工藝變量。優化以后,機器參數(如下壓力、工件臺速度、磨頭速度和環境條件等)在整個收集數據的實驗過程中保持不變。研究中選擇的研磨劑是Planar Solutions 的ER9212。ER9212是基于Planar的CSL-904X Cu研磨劑平臺開發的。它有較高的體Cu去除率,同時均勻性和缺陷率好。它是為需要高去除速率的Cu CMP應用(如Cu 3D TSV、Cu MEMS和頂層Cu平坦化等)設計的。表1為該研磨劑的有關特性。 結果和討論 最初觀察酸性平臺研磨劑。由于在酸性條件下Cu氧化速率和溶解速率快,這些研磨劑能以很高去除速率拋光。在測試中,大多數酸性研磨劑有較高的去除速率(圖2),但大部分拋光硅片有表面腐蝕問題。還在CMP過程中觀察到拋光墊的污染問題,這會影響工藝的穩定性,減少拋光墊壽命并增加缺陷率。 Planar Solutions LLC已成功地將一系列基于中性pH值的CSL904X平臺研磨劑商用化。這些研磨劑典型的體Cu去除速率從8000到11000?/min。對3D應用來說,這樣的速率是不夠的。這些研磨劑含有Cu去除速率增強劑和腐蝕抑制劑。若簡單地增加去除速率增強劑含量,去除速率會上升,但形貌和表面粗糙度也會上升(圖3)。第一次嘗試是用較高的去除增強劑。可以達到3~5μm/min的去除速率,同時溝槽內的全部Cu均在有圖形晶圓拋光過程中溶解了。Cu CMP后的表面粗糙度約為25-30?,這是不能接受的。這說明在CMP過程中產生了強腐蝕。優化研磨劑的化學組成后,得到了性能優異的新品種研磨劑,名為ER9212。實際結果表明,這一組分適用于3D TSV Cu CMP工藝。 由于在Cu 3D TSV中需要去除厚得多的銅層,就要有較高又可調的去除速率。引入Factor A控制ER9212的去除速率。拋光下壓力為4psi時得到的去除速率見圖4。ER9212的去除速率用Factor A調節。能實現的去除速率為2.5μm/min到7.7μm/min。 在不同拋光下壓力時收集去除速率和拋光墊溫度數據(圖5)。結果表明,去除速率隨拋光下壓力的增加而增加。較高的拋光下壓力產生較高的去除速率。下壓力3 psi以上時,ER9212的體Cu去除速率高于4μm/min。對于高下壓力Cu CMP來說,拋光墊溫度也是一個關鍵參數,因為過高的溫度(>75°C)將引起拋光墊的分層和CMP設備的故障問題。CMP的機械摩擦和化學反應產生的熱是影響拋光墊溫度的主要因素。增加拋光下壓力時,拋光墊溫度就變高。降低轉速及增加研磨劑的流量有助于降低CMP過程中拋光墊的溫度。即使在下壓力為5psi時,ER9212的拋光墊溫度也為70℃左右。用有圖形的晶圓時,拋光墊溫度可望更低。 對于高速Cu CMP工藝,可以在拋光墊上看到濃度很高的副產品。這些Cu副產品將在高下壓力和高溫時沾污拋光墊,這會降低Cu去除速率并增加缺陷率。Cu去除速率下降也將影響CMP工藝控制,如終點和過拋光控制。ER9212拋光過程中沒有觀察到拋光墊沾污。下壓力為2psi時,約1.5μm的Cu被去除,同樣條件下只去除不到10?的Ta。Cu/Ta的選擇比大于1500:1,這表明ER9212是高選擇性Cu研磨劑。 MIT 854-TEOS有圖形晶圓用于形貌研究(圖6)。在此晶圓上覆蓋的Cu層約1.0μm,在下壓力為1.2psi時拋光到終點。被拋光的晶圓上沒有Cu殘留物。用高去除速率研磨劑在10μm線條上形成的凹陷約為1265?,對于Cu 3D TSV應用,這是可以接受的。由于3D TSV應用Cu CMP的主要瓶頸是體Cu的拋光臺階,若在軟著陸臺階處用低凹陷研磨劑,就能獲得低得多的形貌。表面粗糙度是在0.6μm Cu層去除后在Cu blanket上測量的。拋光后觀測到均勻性好。加工完成后的Cu晶圓表面非常平滑,表面粗糙度低(在9~13?之間)。電化學實驗結果也指出,Cu晶圓表面的腐蝕率為9.3?/min。這表明該研磨劑腐蝕少,平坦化效率高。研究結果說明,Cu絡合和Cu表面鈍化在高速Cu CMP研磨劑設計中十分重要。很好的平衡這些因素可得到高的Cu去除速率,保持相當好的形貌、表面粗糙度和缺陷率,這對3D TSV Cu CMP應用是重要的。 結論 ER9212研磨劑提供了體Cu高去除速率、良好的形貌和低表面粗糙度。它是高速Cu CMP應用(如Cu 3D TSV、Cu MEMS和頂層Cu CMP等)的優良備選研磨劑。 |