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1 引言
铜的抛光工艺一般使用硬垫，例如ICl000TM，把铜大量地磨掉，接着用一块PoliexTM抛光垫这种软垫，把阻挡层磨掉，并且把表面磨得更平。这个方法遇到的问题是，用软垫达到平面度的要求。软垫会随着表面的形状而改变，因而降低了平面度，但是减少了括痕这类缺陷--这些缺陷会造成污染，原因是软垫能够适应缺陷的形状。
在90 nm工艺和尺寸更小的工艺中，许多铜集成技术使用低k电介质，这些铜集成技术也许会在铜和阻挡层上用到很多电介质薄膜。阻挡层化学机械抛光是用于把阻挡层材料磨掉，阻挡层一般是由TaN和Ta金属膜、电介质薄膜(例如覆盖一层氧化物)组成，有时是用防止反射的涂层，例如氮化硅。因此为了在进行化学机械抛光之后，在表面高底状况、平面度、最后的金属厚度以及缺陷密度等方面达到要求，消耗性材料的选择是十分重要的。目前在铜阻挡层的化学机械抛光工艺中使用的抛光液是与行业中标准的ICl000或者Politex垫一起使用的。这就是说，任何新的抛光垫还必须可以使用这些抛光液进行抛光，这就增加了设计新型抛光垫技术的复杂程度。
产业界需要一种化学机械抛光垫，它能够提高平面度，同时在铜阻挡层工序中缺陷要非常少，随着器件变得更小、线条宽度的缩小，这点是十分重要的。在转到使用65 nm以及尺寸更小的工艺时，对平面度的要求更加严格，这样铜的最后厚度才能达到要求，满足光刻图形的需要。改进铜金属厚度的一个方法是改善抛光垫在抛光时所能达到的平面度。在过去，用比较硬的抛光垫可以提高平面度。在铜阻挡层工艺中使用硬抛光垫时要考虑的问题是缺陷的增多，这是不允许的。所以需要一种新的抛光垫，它能够磨得很平，同时能够减少缺陷的数量，接近铜阻挡层工艺中使用软垫抛光所达到的缺陷水平。在针对铜阻挡层工艺设计新的抛光垫时，要遵循的原则是：刮痕缺陷与市场上可以买到的软垫相当或者更少；可以用金钢砂盘打磨表面；与标准的软垫比较，可以提高平面度。对表面进行打磨可以在抛光过程中保持抛光垫的表面是一致的，而且由于材料减少的速度稳定、不均匀性是稳定的，出现的缺陷是稳定的，因而是提高生产能力的一个重要因素。一般不对软垫进行打磨，这是由于金钢砂盘会使软垫很快磨损，把软垫的寿命缩短到令人不能接受的地步。
在达到上面列出的各项要求方面，做了很多工作，促成了新的Vi sionPadTM系列抛光垫的研制成功。人们研制了几种抛光垫来达到不同客户对缺陷和平面度的要求，本文将着重介绍VisionPad VP3100抛光垫。VisionPad VP3100抛光垫使用一种新系列的聚合物化学材料，它可以达到抛光的要求，而物理特性与ICl000是不同的(表1)。与ICl000TM系列A2型抛光垫相比，VisionPad VP3100抛光垫的shore D硬度较低。由于硬度较低，对于减少刮痕这类缺陷，起了很大的作用。VisionPad VP3100的外观与ICl000抛光垫相似，可以与端点窗口、标准槽形和副垫配合使用，很容易地用于现有的工艺中，只需要对客户的抛光参数略加修改。
2 实验的设置和抛光结果
使用应用材料公司的一种Mirra工具进行抛光，在化学机械抛光之后用Lam公司的Synergy刮刀进行清洁。晶片的所有抛光工艺和测量是在一个1O级洁净室中进行。抛光工艺使用3种工作台进行：第一个工作台是对铜进行抛光磨平，第二个工作台把铜清除掉，第三个工作台是清除阻挡层以及进一步把表面磨平。铜层抛光使用的抛光垫是IC1000系列抛光垫，在第一个和第二个工作台上进行，在第三个工作台上用VisionPad VP3100抛光垫，用Politex和IC1l000进行对比试验，与VP3100进行抛光后的结果进行对比。在抛光试验中使用的抛光液是罗门哈斯电子材料公司的抛光液。
在这项研究中使用直径为200 mm的15 kA电镀铜晶片和直径为200 mm的854 TEOS晶片，在铜上面有图案。晶片在抛光和清洗后，用应用材料公司的Compass 300型缺陷检查设备进行检查，得到故障亮点的数目，并且使用应用材料公司的SEM Vision G2再一次检查缺陷并且对缺陷进行分类。在对缺陷进行测量时，在边缘的5 mm以内进行，检测的门限值为0.2μm。有缺陷的晶片用手工的方法按SEM Vision G2图像进行分类。在这项研究中唯一有意义的缺陷是化学机械抛光引起的刮痕缺陷。这类缺陷有很多种，例如连续性的刮痕、振纹和跳跃状刮痕[1]。对刮痕这类缺陷进行了总结，作为这项研究工作刮痕缺陷总数。各种刮痕的成因尚不清楚，但是试验结果表明，利用改进了的抛光垫技术，可以把这些缺陷减少到可以让人接受的程度。
3 金钢砂盘打磨的优化和出现的缺陷
对于抛光性能的稳定性，金钢砂打磨的优化是很重要的。抛光垫的打磨是在每次对晶片进行抛光时把少量的抛光垫材料去掉。在单位时间内把材料去掉的数量称作抛光垫切削率。抛光垫的表面纹理是金钢砂打磨与抛光垫材料、抛光环境以及抛光垫材料本身的孔隙度之间的相互影响而形成的[2]。VP3100抛光垫的表面纹理不仅对抛光工艺的稳定性很重要，而且对于刮痕总数也是很重要的。细心地对表面纹理进行优化可以大量地减少刮痕数量，把刮痕数量减少到软垫的水平。图1是多次打磨以及表面纹理对铜层缺陷程度的影响，在这里使用一种抛光工艺。
金钢砂盘打磨方式对VP3100的缺陷性能会产生很大的影响。关键的打磨变量是金钢砂盘的类型，尺寸，间距和进刀量。所有这些参数对表面纹理、抛光性能以及抛光垫切削率都有影响。在图1中，选择打磨盘H进行深一步的研究，因为在筛选测试中，观察到的刮痕数量很少。在几个抛光研究中都使用VP3100和打磨盘H。可以断定，刮痕数量小，稳定，而且可以重复。
图2是VP3100和IC1000抛光垫用金钢砂盘打磨之后的稳态表面纹理。稳态纹理测量：在抛光垫的抛光速度和缺陷程度稳定下来时，取出一个样品进行测量。这样做时，抛光垫一般停下来进行打磨，用抛光垫对20块晶片进行抛光，并且确定抛光速度和缺陷数量是在预计的数量之内。IC1000和VP3100抛光垫的平均粗糙度是相似的，都在9.5m的范围之内。VP3100的表面纹理呈现比较尖锐的尖峰，数量比较多。据推测，这种纹理可以改善抛光垫与晶片的接触面积，降低接触点上的压力。计划做进一步的工作来测量VP3100和IC1000抛光垫与晶片的实际接触面积。
4 用VisionPad VP3100进行抛光的结果
使用VP3100抛光垫对阻挡层、铜层和电介质进行抛光，抛光速度与用市场上买到的标准抛光垫是不同的。抛光液的pH酸度值、颗粒类型、颗粒的百分比含量以及添加剂与VP3100表面纹理的相互作用是不同的。在抛光速度改变时，都会表现出这些区别。比较重要的是，薄膜抛光速度即选择性之间的差别。一般地讲，用VP3100对铜和电介质进行抛光时的速度与Politex软垫较为相似。所以把TaN阻挡层材料磨掉的速度与IC1000硬垫接近。可以通过调整工艺把抛光速度和选择性调节到所要的水平。
在图3中比较了用VisionPad VP3100抛光垫与IC1000和Politex抛光垫磨平的能力。Politex软垫适应大的图案，并且继续把铜和电介质磨掉，在抛光后表面的高低方面受到限制，金属的损失增加。VP3100抛光垫和IC1000抛光垫一样，不适应这些大的图案，它能够有选择地把阻挡层和电介质磨掉，降低图案的高低不平程度，并且减少金属的损失。图3b是用VP3100对晶片上的铜层进行几次抛光后在缺陷方面达到的性能，抛光时使用许多批号的VP3100和Politex抛光垫。在抛光时，VP3100在缺陷方面的性能与Politex差不多是一样的。IC1000的刮痕缺陷数据一般是比所示结果高几个数量级。所以这些结果没有在图3b中列出来。在客户的晶片上进行抛光的数据显示，当用于90 nm和65 nm工艺时，就刮痕缺陷而言，在抛光垫的整个使用期内，VP3100与Politex几乎是一样的。客户也有报告说，在工作条件相似(开槽和叠装方式)的情况下，VP3100抛光垫的使用寿命与IC1000抛光垫相当或者更长一些。
5 结论
VisionPad VP3100抛光垫是新系列抛光垫的第一个产品，是为了提高铜阻挡层工艺使用的传统化学机械抛光的性能而设计的。这项研究工作表明，使用VP3100铜阻挡层抛光垫进行抛光所造成的缺陷接近行业中标准的Politex软垫。这种新的抛光垫把硬盘的优点(表面可以打磨，抛光时的平面度好，使用寿命长)与软件的益处(缺陷少)结合起来。本文表明，为了得到稳定的抛光结果且刮痕缺陷很少，表面纹理是非常重要的。已经在大批量生产的90 nm工艺中得到证明，这种新的抛光垫技术是成功的，目前正在65 nm工艺中用它进行试验性生产。 |
