摩爾定律的一個(gè)重大副作用就是從不明確地確定半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的技術(shù)問題。對目前制造節(jié)點(diǎn)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(xì)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(dǎo)線的截面積電阻就增加：
R=(l*ρ)/A
式中，l=導(dǎo)線長度，ρ=電阻率=常數(shù)，A=截面積。但是，當(dāng)線寬在100nm以下時(shí)，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(guān)，但較長導(dǎo)線受尺寸效應(yīng)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(dǎo)線尺寸不實(shí)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(gè)重要因素：a)防止銅擴(kuò)散進(jìn)入介質(zhì)，b)確保銅層的牢固粘附。上述二個(gè)要求中工藝的優(yōu)先考慮存在競爭性。為了防止銅擴(kuò)散進(jìn)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(diǎn)的應(yīng)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(qiáng)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(dá)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(fù)雜性就在于，有圖形晶圓中存在多個(gè)堆疊在一起的不同界面，當(dāng)CMP工藝后在清洗機(jī)中清洗晶圓時(shí)，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(yù)計(jì)。對于Co籽晶增強(qiáng)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(qiáng)層外，暴露在CMP后清洗配方中時(shí)，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(xué)性質(zhì)的改變引起，那么，就認(rèn)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(guān)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(dá)到該目標(biāo)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(jī)清洗工藝后從Cu表面清除所有的有機(jī)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(dāng)?shù)那逑磁浞?，此單分子層?yīng)被除去，見圖3給出的CoppeReady? CP98清洗性能的TOF-SIMS結(jié)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(yīng)用，Al CMP工藝現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化，因?yàn)镮ntel在45nm節(jié)點(diǎn)執(zhí)行同一工藝。在整個(gè)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(jié)構(gòu)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(yán)格10倍以上）。

HKMG結(jié)構(gòu)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(xué)配方。對于Al CMP后清洗，除了清除微粒外，防止腐蝕是一個(gè)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(jié)構(gòu)中存在電耦合的固有失配，這就是點(diǎn)腐蝕的根源（圖4a）。對于純Al薄膜，雖然傳統(tǒng)的點(diǎn)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(shí)界面電腐蝕，或是由于Cu周圍Al的溶解在Al-0.5Cu陣列微結(jié)構(gòu)內(nèi)的點(diǎn)缺陷（它是Al和Cu電耦合的表述），用CMP后清洗配方溶液時(shí)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(diǎn)缺陷表面。

圖7是用競爭對手的清洗配方的較高缺陷計(jì)數(shù)（左）和用CoppeReady?CP72B的較低缺陷計(jì)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(lǐng)域是CMP后清洗GST薄膜 (Ge2Sb2Te5或GST)。GST是應(yīng)用于相變存儲器（PCM）非常有前途的材料，這是因?yàn)樗芏辔徊僮鳌⒂锌闪繙y性和極快的開關(guān)速度。對于GST CMP工藝的第一個(gè)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(jié)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(fù)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(xué)活性溶液中有不一樣的化學(xué)反應(yīng)，若清洗配方?jīng)]有對合金穩(wěn)定性優(yōu)化，一個(gè)合金元素與另一個(gè)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(shí)，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(yīng)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(jié)
CMP已是一種能用于晶圓平坦化的成熟技術(shù)，其應(yīng)用范圍正持續(xù)地?cái)U(kuò)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(dá)到最少缺陷，且不損傷堆疊中暴露的薄膜。學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的研究人員正不斷取得重大進(jìn)展，解決各種技術(shù)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(guān)的CMP后清洗應(yīng)用面臨的一些技術(shù)挑戰(zhàn)。