|
|
|
CMP技术的未来
|
|
The Future of CMP Technology
|
尽管化学机械抛光（CMP）是使当今的亚微米IC保持平面化的一项关键技术，但要把它融入工厂的生产线却相当得困难和昂贵。现在使用的CMP系统中，绝大部分都需使用两种金属，即：作为普通电介质的二氧化硅玻璃以及作为接触插件的钨金属。就目前和近期的几何尺寸而言，对于这两种基础原料已经有了成熟的生产工艺，但是，改变生产要求将毫无疑问地导致工艺革命，而不是工艺演进。
几何尺寸的压缩将减小操作窗口，与此同时，具有新型接口和故障机理的新材料展现在世人面前。相互关联而微妙的"次级"问题在开发单独的工艺时并不会出现，只有当试图实施全面集成时才变得明显起来。面对如此多的变化和悬而未决的问题，人们正在开发许多新的技术，其中的某些技术将最终为生产提供巨大的帮助。
固定研磨CMP
随着几何尺寸的压缩，工艺容差范围一般会变小，浅沟道绝缘的CMP也不例外。采用"虚拟结构"带来的问题以及与"反向掩膜"的使用相关连的成本过高问题足以激励人们去寻找新型CMP。
CMP浆是一种液体和研磨粉末的混合物，能够使工艺更加受控的途径之一就是采用一种被称为固定研磨CMP（FA-CMP）的方法来把研磨剂固定在焊盘上。从某种程度来说，FA焊盘仅仅是一些特制的砂纸，虽然没有一种砂纸需要像FA焊盘这样对研磨剂的大小和形状进行如此精确的控制。研磨设备必须安全固定以保证不会跌落和划伤。
通常，FA-CMP工艺在整个晶片上的显现出更加优良的步进高度一致性，从而允许设计砂路密度能够有更多的变化。固定研磨剂还能够在STI
CMP工艺之后把氧化物的凹坑数量从标准浆的600A减少到固定研磨剂的100A。 Applied公司计划在一个滚筒/织网系统（在该系统中，用3M公司生产的FA织网材料滚筒替代了焊盘）采用FA。3M公司的SlurryFree织网材料由防水和防化学腐蚀的交联聚合物粘合剂胶粘在一起的氧化铝柱的规则阵列所组成。Applied
Materials公司在旋转头中应用了FA织网技术，这种旋转头能够替换其Reflexion CMP平台上的三个标准抛光头中的任意一个。
织网概念的提出为CMP工艺控制提供了一个巨大优势。滚筒每块晶圆片前进一点，步进量足以引入一块新的织网区，以把移动速率保持在期望的水平上，这样就不再需要调节圆盘。调节圆盘价格昂贵，并会发射粒子，所以人们普遍希望取消调节圆盘。由于每块晶圆片都要经受等量的研磨--这与目前移动速率随焊盘调节定时而改变的情况有所不同
工艺控制应该简单得多。
Applied Materials公司的STI CMP主管Tom Osterheld说："你可以开发FA 焊盘或者FA织网。但是，织网在性能稳定性、取消调节圆盘和缺陷率方面更加优越。"
多年以来，Applied Materials公司一直采用FA技术并于去年夏天为其客户提供了首批多 工具。Applied公司希望在不久的将来推出基于织网技术的CMP设备解决方案。
电化学机械淀积
NuTool公司董事长兼CEO Homayoun Talieh评述说:"减少CMP缺陷的最佳方法就是不再使用CMP"。
NuTool公司已在电化学淀积技术（电化学机械淀积）中发现了一个重要的变量。这种接触电镀和标准的电镀术相似，都运用了阳极和阴极，但不同的是它增加了一个在电镀过程中与晶圆片相接触的抛光焊盘。由于该焊盘扫过晶圆片的上表面，因此表面上的淀积大为减少，而铜填充在沟道内部继续进行。这种化学过程并非专有技术，而是基于对标准电解公式的修正。
除淀积技术之外，NuTool公司将通过与其合作伙伴TEL和ASMI公司共同开发用于铜波纹形成的多工艺成组工具来改变铜互连技术。该组成将包括金属障壁和颗粒淀积、铜填充和退火以及上表面的金属清除，因此，晶圆片已为下一个互连标准做好了准备。
尽管这种"超级成组"工具不会立即取代所有的独立型工具，然而它仍被预言能在小得多的工厂空间里生产同等数量的晶圆片。这种超级成组接缝的发展对于NuTool公司来说尤为重要。
NuTool声称由于ECMD工艺大大减少了给定层所需要的CMP的数量，从而给消费者带来了巨大的经济效益。但是， 这种技术仍然需要创造使用的环境。举例来说，一些顾客已经有能力运用ECMD技术生产晶圆片，在这之前，他们不能通过使用的标准ECO和CMP来做到。由于在电镀之后只剩下很少的铜，可采用低下压力无研磨剂浆或零下压力湿蚀刻术，从而完全取消了CMP技术。
无应力抛光
自1998年以来，加利福尼亚州Fremont公司的ACM研究中心一直是铜电镀和抛光技术研究的先驱。由于这项技术是由电镀抛光工业发展而来的，因此，尽管它被应用于平面化，人们仍称呼它?quot;无应力抛光"技术。
SFP技术依靠电流密度作用而使铜结构平面化为一系列同心环。一次处理一个同心环最大限度地减小了通过晶圆片时的电压降，从而提供了更为紧密的工艺窗口与最小凹坑。该公司声称它能够在2
65微米宽的绝缘金属沟道上控制300 600A的凹坑，采用密集亚微米阵列时获得了相似的结果。据称SFP工艺的消耗成本非常低（2美元/晶圆片），而同类的CMP工艺的成本则高达10美元/晶圆片。
该公司提出的工艺流程始于去除大量的铜，随后是一个过抛光工序，用于确保最上层的铜被全部去除，最后采用等离子体蚀刻工艺除去最上层的障壁金属并对某些电介质进行深腐蚀。通过把电介质深腐蚀至300A，则SFP工艺完成后的凹坑可被减小到0
300A。该流程完全能够取消低 层上的电介质障壁，尽管这只是初步结果。
随着铜线宽的不断缩小以及电介质逐渐向低 材料过渡，在CMP技术中的剪切力机理发生了根本性的变化。氧化物为金属线提供了巨大的机械支持，然而，低
材料是柔软的聚合物，提供的支持极少。海绵状的多孔低 薄膜（ 1.2）比其环绕的铜线要软40倍，这意味着它们实质上不提供支持。
图1a示出了采用多孔低 电介质的0.18微米宽的波纹铜线，由于CMP工艺中的侧向剪切力使其在侧壁上产生了大块的裂纹和分层。相比之下，图1b示出了采用SFP工艺进行平面化的铜线则没有裂纹或分层。由于绝缘金属线的强度与1/线宽成正比，比如0.10微米宽的铜线的强度只有0.18微米宽的铜线的六分之一，因此，机械方面的问题将只会更具挑战性。
ACM公司进行该项论证已有两年。今年4月，它向LSI Logic的 Gresham， Ore.研发小组提供了首个客户工具。ACM采用外包的商业模型进行系统制造及其独有的ACM
Ultra ECP电解质的供应。ACM公司并不从事制造基础的建立，至于系统制造，则采用Synetics 公司的解决方案来制造75%的工具，并将其余的部分加以集成，做最终测试，然后发送给客户。随着产量的增加，可能会把全部工作都交给Synetics公司。对于最初的客户，ACM公司将自行向其供应电解质。之后，为满足大批量生产的需要，将授权一家信誉良好的国际化工产品供应商进行生产。
无研磨剂浆
另一个重大进步是无研磨剂CMP（AF-CMP）。尽管看起来会把研磨剂从CMP里去除掉只会使等方性湿蚀刻无法进行平面化，但是工程师们发现焊盘本身的力加上腐蚀性更强的化学物质能够起到去除平面化材料的作用。
由于当前的系统和焊盘可被用于AF-CMP工艺，所以许多团体正在设法研究这种作用。在过去的一年里，日立，ATMI，Applied Materials和麻省理工学院的微系统技术实验室都公布了一些研究成果。由于化学作用在AF工艺中起主导作用，因此对STI氧化物而言达不到令人满意的去除率，但据报道，对铜来说，去除率已经高达6000A/分。因为没有研磨剂颗粒，故晶圆片上几乎没有划痕和其他缺陷。
AF浆显示出一种能够改变集成的有意义的作用：非低凝固特性，意味着去除率并不象它在标准工艺中一样直接与下压力成正比。显然，有一个中等阈值压力。低于该压力时，去除率将突然变为零，意味着AF-CMP不能在很低的去除率条件下操作，虽然这是通常希望的。
在化学上惰性更强的氮化钽障壁金属（如氧化物）可能需要在浆里掺一些研磨剂，因而AF浆不起作用。制造中最有可能采用的工艺流程是把AF-CMP用于去除大块金属，随之在铜端点上采用低下压力的传统CMP工艺，并用传统的CMP工艺来去除障壁。
采用低 值电介质的铜浆
采用新型耗材进行改良的传统CMP工艺仍可用于在低 值电介质上实现铜CMP。集成不仅依赖于工厂所选择的低 值材料，而可能更依存于是否采用电介质障壁。
目前，工厂需要把电介质障壁用作蚀刻和脱模时的阻挡层、化学障壁并用于获取机械稳定性。后者在中等低 值（2.5至3.0）单相聚合物中变得重要起来，且在极低
值的多孔聚合物中变得极为重要。采用刚性的顶层电介质外壳能够最大限度地消除应用标准CMP工艺时产生的问题（见图1a）。
虽然电介质障壁消除了化学反应的主要影响，然而微妙的次要影响对工艺程序而言也足以致命。如果抛光工艺本身生成了一种氨副产品，那么，这些氨就会穿过障壁而扩散，并导致电介质栈的内部分层。
在工厂决定使用何种低 值电介质之前，CMP供应商只是制定出部分的耗材。过去，当材料仅仅是氧化物、氮化物和钨时，即使并不知晓客户确切的工艺方案，仍能做一些有关的工作和制模，而且还会知道这些将会适用于最终的工艺。如果所选的耗材不在生产中使用，那么没有人能够承受确定所有耗材所需的开支。我们需要建立一个可行的经济基础以进行下一步的工作。
因此，即使工艺机械方面的问题可利用障壁层来应付，但是，其化学方面的课题在未采用所有的最终材料加以全面测试之前往往是无法预知的。该工艺为业界提供了些许低
值电介质"Catch-22"：我们只有在选择了低 值材料之后才能把其他工艺与低 值电介质层相集成，而只有在了解了所有的集成问题之后才能选择低
值材料。
|
|
