摘要：随着集成电路器件特征尺寸不断缩小，硅片尺寸不断增大，ic工艺变得越来越复杂和精细。为了提高器件的可靠性和使用寿命，芯片金属互连由铝互连向铜互连转移。而且对表面质量提出了更高的要求，要求表面必须进行全局平坦化，而铜互连化学机械抛光（cmp）是目前唯一能够实现芯片全局平面化的实用技术和核心技术。cmp一种将纳米粒子的研磨料作用与氧化剂的化学作用有机地结合起来达到全局平坦化技术，而铜互连化学机械抛光液（slurry）又是cu互连cmp的关键要素之一，其性能直接影响cmp后表面的质量。文章将讨论cu互连优势，cu互连cmp工艺，铜互连cmp抛光液工作机理，最后浅谈未来cu互连cmp可能遇到的技术挑战和抛光液所对应的发展趋势。
 
    关键词：铜互连化学机械抛光液；添加剂；研磨料；技术挑战；发展趋势
 
    一、引言
 
    自1990年代中期ibm、intel、amd和其他ic制造商决定用铜制工艺取代铝工艺以来，铜工艺的主要优点基本保持不变。铜电阻较小，具有更好的导电性，这意味着内连接导线在具有同等甚至更强电流承载能力的同时可以做得更小、更密集。传统的铝互连工艺因不能满足器件要求也逐渐被铜互连工艺取代。与传统的铝互连相比，铜互连有许多优点：第一，铜的电阻率比铝小（cu：1.7uΩ/cm，ai：2.8uΩ/cm），使得铜互连线上功耗比铝互连小。第二，铜互连线的寄生电容比铝互连线小。由于铜的电阻率比铝低，导电性好，在承受相同电流时，铜互连线横截面积比铝互连线小，因而相邻导线问的寄生电容小，信号串扰也小。铜互连线的时间参数rc比铝互连小，信号在铜互连线上传输的速度也比铝互连快，这对高速ic是很有利的。第三，铜的抗电迁移率比铝好（cu<107a/cm2，al<106a／cm2），不会因为电迁移产生连线空洞，从而提高了器件可靠性。因此，采用铜互连的器件能满足高频、高集成度、大功率、大容量、使用寿命长的要求。但是，由于铜在刻蚀过程中刻蚀氯化物不易挥发，所以无法用等离子体刻蚀来制备图形，而ibm发明的双大马士革（dual damascene）工艺则巧妙解决了这一问题。在双大马士革工艺中，首先对氧化物介质层进行刻蚀，产生用于镶嵌工艺的沟槽，其次沉积金属阻挡层，铜籽晶层，再次通过ecp电镀工艺把沟槽内填满铜，最后用于实现铜平坦化的cu cmp工艺也就随之产生了。
 
    二、cu cmp工艺介绍
 
    在cu cmp中，cu的抛光过程大致分为以下几步（见图1）：第一，硅片（cu表面）在氧化剂的作用下被氧化，形成表面氧化膜，一部分被氧化为cuo和cu2o，还有一部分被腐蚀为铜离子而溶解到浆料中，表面膜的组成cuo和cu2o的混合物。第二，使用磨料将cu表面凸起处的氧化膜磨去，低凹处的表面膜依然存在，阻止了浆料中的氧化剂对深层cu的进一步腐蚀。第三，cu2+或cu+与钝化剂或络合剂反应，转化为极稳定的可溶络合物进入溶液，从而有效控制了铜离子的沾污。第四，浆料中的络合物被浆料的湍流带走。新鲜的cu表面在浆料的作用下继续被氧化，机械磨除、络合，反应产物被浆料的湍流带走，周而复始，完成cu的cmp过程。
 
    三、cu cmp抛光液工作机理
 
    cu互连cmp抛光液（slurry）主要由研磨料、氧化剂、腐蚀抑制剂、络合剂、去离子水等组成。另外还包括一些其他添加剂，以增加抛光液的稳定性、改善抛光效果。而其中的研磨料是最重要的一种原料，其颗粒大小，形状、分散度、浓度等参数对抛光速率起和避免缺陷的产生均起着关键的作用。研磨料主要分为al2o3，和sio2两大类。al2o3，硬度大，去除速率快，由于粒径大，抛光后容易造成划伤且吸附性强，抛光后难以清洗，所以这种磨料常应用在对cu的粗抛的slurry中；而sio2粒径小，且在不同的ph条件下都具有良好的悬浮性，抛光后可以获得良好的表面状态，含有这种研磨料的slurry通常应用在cu互连cmp工艺后面的阻挡层精抛光。整个cu互连化学机械抛光液抛光过程如下：第一，在铜表面形成机械研磨之前，首先通过研磨液的化学作用在其表面形成较硬的氧化物或氢氧化物。表面层的形成、金属的溶解等可以通过表面材料的电化学反应理解：cu2++2e-←→cu；2cu2++h2o+2e-←→cu2o+2h+。第二，通过研磨颗粒的机械作用将表面氧化铜去掉。第三，通过研磨垫与晶圆之间的相对转动和研磨液源源不断地加入，将含有氧化铜的溶液冲走。cu互连cmp研磨工艺通常包括3步：第一步用来磨掉晶圆表面的大部分金属；第二步通过降低研磨速率的方法精磨与阻挡层接触的金属，并通过终点侦测技术（endpoint）使研磨停在阻挡层上；第三步是磨掉阻挡层以及少量的介质氧化物，并用大量的去离子水（diw）清洗研磨垫和晶圆。第一和第二步的研磨液通常是酸性的，使之对阻挡层和介质层具有高的选择性，我们金属（cu）抛光液。而第三步的研磨液通常是偏碱性，对不