[發(fā)明專利]一種建立銅互連化學(xué)機械拋光工藝模型的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910050941.5
• 申請日: 2009-05-11
• 公開（公告）號: CN101887467A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾璇;嚴昌浩;陶俊;馮春陽
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;H01L21/321;H01L21/768
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 包兆宜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬半導(dǎo)體銅互連化學(xué)機械拋光工藝領(lǐng)域，具體涉及一種粗糙打磨墊化學(xué)機械拋光工藝模型的建立方法。

背景技術(shù)

隨著集成電路半導(dǎo)體制造技術(shù)的進一步發(fā)展，集成電路特征尺寸進一步減小，大馬士革銅互連工藝被普遍用于半導(dǎo)體制造工藝中，目前已經(jīng)成為集成電路多層布線的主流工藝。在制造銅互連的多層布線立體結(jié)構(gòu)中，芯片表面的高度平坦化是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。迄今為止，化學(xué)機械拋光(Chemical?MechanicalPolishing，CMP)技術(shù)是唯一成功并大規(guī)模使用的平坦化工藝技術(shù)。現(xiàn)有技術(shù)公開了一種旋轉(zhuǎn)式化學(xué)機械拋光機臺(圖)1。如圖所示，安裝在托架(carrier)上的待打磨硅片(wafer)在一定的壓力下被倒扣在打磨墊(pad)上，打磨墊和硅片之間充滿了研磨液(slurry)。在化學(xué)機械拋光過程中，打磨墊和硅片均按照一定的速度同向旋轉(zhuǎn)。化學(xué)機械拋光工藝就是依靠打磨墊和硅片之間的機械力作用以及研磨液的化學(xué)作用來實現(xiàn)硅片表面形貌的平坦化。

有研究報道，銅互連化學(xué)機械拋光工藝存在的一個最大的問題在于拋光過程中，硅片表面會出現(xiàn)碟陷(dishing)和侵蝕(erosion)現(xiàn)象[1]。其原因為：在化學(xué)機械拋光中，銅金屬與其周圍材料的移除速率不同，銅相對周圍的介質(zhì)層而言比較軟，拋光速率大，因此容易造成銅的碟陷。同時，在具有高密度銅線的區(qū)域，介質(zhì)層容易發(fā)生侵蝕。有研究公開了一種銅金屬結(jié)構(gòu)在進行化學(xué)機械拋光之前和之后的狀態(tài)(圖2)。該圖顯示，碟陷定義為金屬表面高度與其鄰近介電質(zhì)平面高度之差，侵蝕則為介電質(zhì)的局部高度與設(shè)計標(biāo)稱值(即所謂的場區(qū)高度)的差別。可見，無論是碟陷還是侵蝕都會降低芯片表面的平整度。芯片表面的非平整性可能導(dǎo)致在隨后的光刻工藝過程中產(chǎn)生聚焦困難，降低光刻的分辨率和圖形的成像質(zhì)量。另外，碟陷和侵蝕還會減小金屬互連和介質(zhì)層的橫截面積，因此對互連線寄生參數(shù)產(chǎn)生嚴重影響，從而影響芯片的性能。總之，上述現(xiàn)象如不加以預(yù)測和控制，會導(dǎo)致嚴重的芯片成品率問題。然而，由于半導(dǎo)體工藝實驗極其費時和昂貴，通過工藝試驗的方法來研究碟陷和侵蝕出現(xiàn)的機理需要極其高昂的研發(fā)成本。因此，通過建立一種化學(xué)機械拋光工藝的模型，用于精確地檢測打磨后硅片表面形貌的平整度，成為本領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

現(xiàn)有技術(shù)還公開了用經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃臀锢頇C理模型來研究碟陷和侵蝕的機理及其改進方法，以便于提高化學(xué)機械拋光工藝的成品率。經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚1][2][3]將芯片上不同互連線圖案陣列的拋光速率與其尺寸和參數(shù)(如線寬和金屬密度等)相關(guān)聯(lián)。通過實驗確定出模型系數(shù)，從而可預(yù)測芯片表面輪廓的變化。上述經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷娜秉c在于，拋光速率與圖案幾何形狀之間的相關(guān)性會隨著測試芯片圖案設(shè)計的不同而變動，因此模型適用性不夠。另外，大量測試芯片的掩模制造及光刻、電鍍和拋光工藝需要極其高昂的研發(fā)成本。

在CMP的物理機理模型中，接觸模型是最為基礎(chǔ)的一種建模方法。它是基于接觸力學(xué)原理[4]對打磨墊和硅片之間的機械接觸進行建模，包括如何建立精確的打磨墊模型以及如何精確求解打磨墊和芯片表面的接觸壓力分布。早期的打磨墊模型假設(shè)打磨墊是完全平滑的彈性體[5][6]，這有違打磨墊表面是極其粗糙的事實，從而影響模型精度。圖3為打磨墊剖面的掃描電鏡照片(SEM)，其顯示打磨墊表面粗糙不平，存有若干隨機分布的凸起(asperity)。不同粗糙程度的打磨墊表面會嚴重影響打磨墊與芯片表面的接觸區(qū)域和拋光結(jié)果[7]。因此，對打磨墊的粗糙表面進行表征和建模是接觸模型的最關(guān)鍵問題之一。目前經(jīng)典的打磨墊粗糙表面模型(如[9])均采用Greenwood-Williamson方法[8]來表征打磨墊表面。雖然Greenwood-Williamson方法是目前的主流建模方法，但它存在以下明顯的缺陷[10][11]。1)該方法假設(shè)打磨墊表面由許多高度不同的凸起(asperity)組成，并且凸起的形狀均為半圓球形。這種對復(fù)雜凸起形狀的簡單幾何假設(shè)嚴重偏離實際(如圖3所示)，從而影響模型的精度和適用性；2)該方法假設(shè)各個凸起之間是完全獨立的、互不相干的。由于打磨墊表面是一個連續(xù)的整體，該方法忽略了表面上各點的相關(guān)性，從而進一步降低了模型的精度；3)打磨墊凸起參數(shù)不容易直接通過測量獲得，進一步阻礙了該技術(shù)在化學(xué)機械拋光工藝優(yōu)化和打磨墊參數(shù)設(shè)計等方面的應(yīng)用。