钨化学机械抛光工艺优化研究

摘要

钨化学机械抛光技术是深亚微米CMOS集成电路研制中关键新工艺之一。钨由于其优良的抗电迁徙性能和宜加工特性而被广泛应用于多层金属互连技术中。用钨化学机械抛光代替反应离子刻蚀回刻法，可使钨插塞表面和旁边的层间绝缘介质层完全平坦化，避免钨插塞凹陷现象，使后续多层金属互连容易进行，有益于改进器件接触／互连性能和提高集成电路密度。为了满足日益发展的集成电路制造技术需求，钨化学机械抛光工艺必须进行优化，以进一步降低凹陷、过蚀等缺陷，提高生产效率，降低成本。 本论文研究了抛光特性和工艺条件的依存性。当压力、抛光头及抛光台转速增加时，机械作用和化学作用都逐步增强，从而抛光速率上升。研究中发现，在钨化学机械抛光过程中，具有强烈的温度效应。在抛光初期，温度在25-30℃左右，化学作用缓慢，抛光速率平均约500A／min。抛光垫由于摩擦生热逐步升温，当抛光时间大于30秒后，温度将达到并保持在60-70℃，抛光速率会稳定在2500-3000A／min。 实验研究了抛光特性和相关耗材的依存性。当抛光液的流量小于一定值时，抛光速率随流量的变大呈线性增加。当抛光液的流量大于lOOml／min后，抛光速率和均匀性趋于饱和。随着抛光液稀释比例变大，抛光速率下降，同时均匀性变差。不同的型号的修整器具有不同的金刚石形状和切割速率，对钨化学机械抛光特性也有显著影响。实验发现，把淀积有钨膜的样品浸泡在抛光液中后，会在钨膜的表面生长一层具有自限制作用的氧化物钝化膜，其厚度约为10-20A，不随浸泡时间增长而变化。在综合分析实验数据基础上，选取了优化工艺方案，并进行了1500片硅片的重复性和可靠性验证实验。实验结果表明，采用优化的钨化学机械抛光工艺方案，生产效率得到显著提高并且降低了缺陷和生产成本。单位小时处理硅片能力从原来的23片增加到28片；抛光液的使用量从原来的每片2升降到了1．5升。同时消除了钨残留问题，使成品率提高约2％。采用此优化钨化学机械抛光工艺方案，对于一个月产4．5万200毫米硅片的集成电路制造生产线来说，每年可以为企业增加约六百万美元的经济效益。

目录

摘要

第一章绪论

第二章工艺优化实验方法

第三章抛光特性和相关工艺因素优化研究

第四章图形片(产品)上优化工艺方案验证

第五章总结

参考文献

致谢

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