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(guān)鍵工藝。當半導體工業(yè)向45nm及更小節(jié)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(zhì)極限的挑戰(zhàn)。硅通孔（TSV）以穿過晶圓的互連結(jié)構(gòu)堆疊芯片構(gòu)造，能減少焦耳熱效應(yīng)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(shù)，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(yōu)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(chǎn)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(diào)節(jié)劑。為了得到某種性能，有時還加入絡(luò)合劑、表面活性劑、流變調(diào)節(jié)成分和其它特殊成分。CMP要求去除速率、平坦化和表面質(zhì)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(fā)3D TSV Cu CMP研磨劑的真正挑戰(zhàn)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(fā)情況。基于Planar公司的CSL-904X Cu研磨劑平臺，開發(fā)了新的高去除速率Cu研磨劑。為了進一步改進，開發(fā)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(shù)測定腐蝕響應(yīng)，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(wěn)定的工藝，必須考慮多個工藝變量。優(yōu)化以后，機器參數(shù)（如下壓力、工件臺速度、磨頭速度和環(huán)境條件等）在整個收集數(shù)據(jù)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(fā)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(yīng)用（如Cu 3D TSV、Cu MEMS和頂層Cu平坦化等）設(shè)計的。表1為該研磨劑的有關(guān)特性。

結(jié)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(shù)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(wěn)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(yīng)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?？梢赃_到3～5μm/min的去除速率，同時溝槽內(nèi)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(chǎn)生了強腐蝕。優(yōu)化研磨劑的化學組成后，得到了性能優(yōu)異的新品種研磨劑，名為ER9212。實際結(jié)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(diào)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(diào)節(jié)。能實現(xiàn)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(shù)據(jù)（圖5）。結(jié)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(chǎn)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(guān)鍵參數(shù)，因為過高的溫度（＞75°C）將引起拋光墊的分層和CMP設(shè)備的故障問題。CMP的機械摩擦和化學反應(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)品。這些Cu副產(chǎn)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(yīng)用，這是可以接受的。由于3D TSV應(yīng)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(jié)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(jié)果說明，Cu絡(luò)合和Cu表面鈍化在高速Cu CMP研磨劑設(shè)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(yīng)用是重要的。

結(jié)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(yīng)用（如Cu 3D TSV、Cu MEMS和頂層Cu CMP等）的優(yōu)良備選研磨劑。

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