化学机械抛光过程低k/铜表面材料去除机制及损伤机制研究进展*

司丽娜 刘万宁 吴锐奇 阎红娟 杨 晔 张淑婷

(北方工业大学机械与材料工程学院 北京 100144)

随着超大规模集成电路中器件特征尺寸的不断缩小，如何降低金属互连线的阻容延迟效应成为提高芯片处理速度的关键问题[1]。为了降低这种延迟效应，互连线需要采用导电性较好的铜，且引入新型的低介电常数(低k)材料。按照2013年版国际半导体技术路线图(ITRS)对集成电路(IC)技术发展趋势的预测和国家科技重大专项规划的进展路线[2],目前迫切需要开展硅片的特征线宽22 nm及以下IC制造关键技术的基础研究。在此技术节点，要求与铜互连相匹配的介电薄膜的介电常数k值在2.0以下。超低k材料的弹性模量将降低至仅为几个GPa，与导线铜的弹性模量相差悬殊。在IC制造中若仍采用传统的化学机械抛光(CMP)方法，对铜与超低k介电质的异质表面进行抛光，极易造成界面材料的剥离和极细互连线的损伤(如图1所示)[3]，导致材料失效。目前，如何对超低k介质/铜异质表面进行高效、高质量的材料去除，仍是困扰工业界的难题。

图1 CMP过程中低k/铜异质界面出现的剥离损伤和材料表面出现的裂纹损伤[3]

本文作者着重阐述了集成电路平坦化工艺——化学机械抛光过程材料去除机制及损伤机制；分析了低k介质/铜界面化学机械抛光过程中界面力学行为和摩擦损伤特性；最后展望了低k介质/铜表面化学机械抛光过程材料去除机制研究的发展趋势。

1 化学抛光过程去除机制及损伤机制研究

20世纪80年代末，IBM公司将CMP技术进行了发展使之应用于硅片的平坦化，其效果较传统的平坦化技术有了极大的改善，从而奠定了CMP技术在超大规模集成电路平坦化技术中的关键地位[4]。国内外学者对CMP过程中的材料去除机制以及损伤机制开展了大量的研究。

针对单一材料CMP过程，郭东明课题组研究了抛光颗粒在硅片上的运动轨迹[5]；雒建斌课题组研究了纳米颗粒与基底碰撞产生的损伤、吸附和运动特性[6-7]；LIU等[8]、肖保其和雷红[9]分别从磨粒粒径和复合磨粒的角度探讨了降低抛光损伤和减小粗糙度的途径；陈晶等人[10]和傅惠南[11]利用扫描探针显微镜研究了纳米切削机制；戴一帆等[12]提出利用确定性磁射流抛光技术，能有效地降低各种复杂形状工件的表面残余波纹度。

在材料去除过程的理论研究方面，先后出现了经验-半经验去除率模型、流体动力学理论模型、接触力学理论模型、接触理论-流体力学模型和化学机械协同作用模型等[13-16]。化学机械抛光过程是化学作用和机械作用相结合的过程，二者之间相互促进相互影响。分析机械与化学的交互作用可以更好地理解CMP材料去除机制。可是，目前人们对于CMP过程中机械作用和化学作用的研究尚不够充分。这主要是由于化学机械抛光过程发生在纳米尺度，目前很难对此过程进行实时监测。现有的研究都是基于对实验后材料与抛光液等变化进行推理研究，因此很难从本质上揭示CMP过程的去除机制。

目前关于化学机械抛光过程中颗粒机械作用的研究较多，如颗粒对抛光表面的切削作用、碰撞作用等，而受限于模拟条件，化学机械抛光过程中化学作用的仿真研究则相对较少。针对CMP过程中颗粒的切削去除作用，KOMANDURI等[17]、ZHU等[18]、郭晓光[19]对颗粒参数、晶相等因素对切削过程的影响做了细致的仿真研究。在CMP过程中碰撞作用仿真研究方面，DUAN等[20]、CHEN等[21]研究了单个氧化硅颗粒与硅表面的碰撞过程，发现了硅表面的相变、碰撞过程的能量转换及表面材料去除机制；HUANG等[22]模拟了刚性金刚石团簇高速冲击硅基体的过程，分析了流体振动抛光的微观材料去除机制；司丽娜等[23-24]模拟研究了不同压力下颗粒的切削作用与滚动作用对粗糙硅基体表面的平整化过程，揭示出化学机械抛光过程中的单分子层去除机制，如图2所示。在CMP过程中化学作用仿真研究方面，YOKOSUKA等[25]、张曙光等[26]分别研究了CMP过程中铜表面的氧化过程以及不同铜缓蚀剂与Cu2O晶体的相互作用。WEN等[27]研究了CMP过程中水分子与不同晶向的硅片表面在不同温度下的反应机制，不同晶向的硅片表面倾向于形成不同的端基。

图2 不同切削深度下颗粒切削硅基体的模拟结果(颗粒直径为6 nm，切削长度为5 nm) [24]

现有抛光机制的建立都是基于单种材料如硅片、铜等的研究结果，对于化学机械抛光过程低k介质/铜异质表面损伤行为、材料去除的预测不再适用。目前，如何对低k介质/铜异质表面进行高效、高质量的材料去除，仍是困扰工业界的难题，也没有建立起相应的材料去除机制模型。因此，研究CMP过程中低k介质/铜异质表面的力学和摩擦损伤特性，形成异质表面微观材料去除机制及损伤形成机制，不仅对于发展22 nm及以下线宽IC制造技术具有实际意义，而且对于突破传统的CMP理论体系，建立集成电路平坦化新的理论体系具有重要的理论意义。

2 集成电路中低k材料的应用及CMP过程异质表面材料去除机制研究

2.1 集成电路中低k材料的应用

随着集成电路技术的进步，导线密度不断增大，线宽和间距不断减小，为了降低阻容延迟效应，要求采用导电性能更好的铜作互连线并且引入新型的低k介质材料作为绝缘层，防止不同层次之间串电。为满足集成电路的发展需要，低k材料的研究和应用已成为当前半导体行业的研究热点课题[28]。

在集成电路制作工艺中，低k材料必须满足许多条件，比如较低的介电常数(k<3)、高击穿电压、低漏电性、高热稳定性、足够的机械强度，以支撑多层布线结构及与化学机械抛光工艺良好的兼容性[29]。低k材料作为互连线之间的隔离绝缘层，同时也是上层结构的物理支撑体，其平坦化是重要的工序，因为如果其表面高低不平，在其上制作金属互连线过程中会引起光刻/刻蚀精度下降，甚至金属连线断裂等工艺缺陷。

根据材料的基本成分和结构不同，介电常数材料可以分为无机介电常数材料和有机介电常数材料[30]。无机介电常数材料主要有氟氧化硅(SiOF)、多孔氧化硅材料和沸石-Zeolite等。这类材料的特点是机械性能和热稳定性良好，但是其介电常数偏高，工艺相对复杂。有机介电常数材料有聚酰亚胺(PIs)和多芳基醚(PAE)等，这类材料具有极低的介电常数，k值可以低至2.2。但是此类材料的机械性能和热稳定性较差，无法保证集成电路在高温环境中的稳定性[28]。无机介电常数材料与有机介电常数材料性质各有利弊。为了满足集成电路发展的需要，迫切需要制备具有较低介电常数、耐高温、较好的机械性能和化学稳定性等性质的低k材料。

2.2 CMP过程异质表面材料去除机制研究

针对不同物性材料特别是低k/铜材料表面CMP过程，由于介电材料的机械强度随k值减小而降低，所以必须使用较小的抛光压力来避免材料的脱落[31]。为了能够解决较低抛光压力导致抛光去除率较低的缺陷，有必要增加化学作用。近年来，国外几大著名半导体制造公司先后推出了电化学机械平面化(ECMP)技术、高速低压力CMP技术、无应力平坦化(SFP)的抛光技术等[32]。国内郭东明、康仁科和金洙吉课题组[33-34]以及雒建斌、路新春和郭丹课题组[35-36]在这方面展开了卓有成效的研究工作。在国外，日本EBARA Technologies在2005年将电化学反应技术用于65 nm铜及低k介质CMP 中，抛光效果良好。这种电化学反应利用电场研磨，无需铜研磨液和研磨垫，只需要加入触媒材料的水溶液。

目前国内外对于CMP过程中低k介质/铜异质界面损伤行为及材料去除机制方面的研究主要是采用实验手段，但是由于CMP过程发生在纳米尺度，目前很难对此过程进行实时监测。现有研究都是基于对实验后材料与抛光液等变化所作的推理研究，很难全面揭示低k介质/铜异质表面在CMP过程中的去除机制。理论模拟方法为这一问题提供了很好的解决手段。目前的理论模拟主要侧重于研究如何改善低k材料的力学性能和介电性能以提高超低k材料/铜表面的抛光质量方面。YUAN等[37]研究了通过改变低k材料中端基结构等改善低k材料力学性能和介电性能,并建立了低k材料的生成算法，研究发现在SiOCH薄膜结构中引入碳链结构，可以降低材料k值，同时材料的机械性能降低不大，如图3所示。SI等[38]对多孔硅等低k材料的研究表明，随着孔隙率的不断增大，多孔二氧化硅的体模量、剪切模量和弹性模量都呈现减小的趋势；SiOCH薄膜与同孔隙率的多孔二氧化硅相比，密度与机械性能都有一定程度的下降，如图4所示。BAI等[39]利用宽频带差分聚焦激光及激光产生声表面波的方法研究了超薄低k多孔膜的弹性模量。

图3 文献[37]建立的多孔SiOCH薄膜模型

图4 低k材料弹性模量随孔隙率的变化及SiOCH薄膜与二氧化硅界面模型[38]

目前关于CMP过程中低k介质/铜异质表面化学机械抛光过程中的表界面行为的理论模拟研究刚起步。杜诗文和李永堂[40]模拟了Si/Cu/Ta/low-k界面在CMP 过程中的承载特性，建立单层布线和多层布线体系的界面力学模型，采用断裂力学理论和有限元法研究了异质表面在CMP 过程中的应力分布规律和表面裂纹的断裂强度。但是目前从分子原子层面揭示CMP过程异质界面损伤行为的研究较少，未能形成有效的去除机制模型。

3 展望

针对低k介质/铜异质表面的平坦化问题，仍需深入开展的工作如下：

(1)探索超声、电、化学、机械(固体及流体)等多场耦合作用下低k介质/铜异质表面材料演变规律及去除机制，探索异质表面平坦化的新原理与新方法。

(2)结合有限元、分子动力学等模拟计算方法，构建低k介质/铜异质表面的多尺度研究方法，从分子、原子尺度研究异质界面的材料迁移行为与损伤机制，揭示异质表面的微观材料去除机制及损伤形成机制，提出异质表面平坦化及损伤控制方法。