当特征尺寸减小到32nm技术节点时，工艺窗口越来越窄，铜互连结构中CMP后的空洞缺陷愈发引起人们的广泛关注。通常来说，空洞结构并不是一个单独步骤的结果，而是由多个步骤相互作用造成的。影响空洞结构的铜金属化过程包括：liner/晶籽淀积、铜的电镀过程和化学性质以及CMP工艺等。尽管每个过程都是彼此相关，但每个过程都将被独立地评估并衡量其对CMP空洞的影响。本文将通过实验就CMP过程及其与liner/晶籽淀积、铜的电镀的相互作用进行讨论。

    实验

    实验1用来调整CMP空洞缺陷的水平，表1总结了第一组实验的过程参数。晶籽层的厚度在POR厚度和1.5倍POR厚度之间变化。实验使用了两种不同的电镀浸润化学试剂，其中一种的填充速率较低而另一种较高。CMP的清洗工艺也分为两种，第一种比第二种的作用更强烈。

    表2概述了为调整CMP空洞缺陷级别而设计的实验2的参数。晶籽层厚度在实验1的基础上被固定为一个常数，并且使用其中的“thick”工艺。四片晶圆（第6-9枚）没有经过CMP工艺。厚的铜覆盖层通过聚焦离子束（FIB）显微镜去除并显示出明显的螺旋状铜线。这样就可以预先通过扫描电子显微镜（SEM）来检查缺陷，从而避免CMP过程可能造成的影响。

    结果与讨论

    实验1的结果显示，使用填充速率较慢的电镀液和更强烈清洗工艺所得到的缺陷级别最高。最低的缺陷级别可以采用更高速率的电镀液和更温和的清洗工艺得到。对于填充速率较慢的化学试剂，高缺陷级别在薄和厚的晶籽层中都可以观察到。对于普通厚度的晶籽层，使用较慢速率的化学试剂将使得缺陷率更高。在这种情况下，清洗工艺2相比于清洗工艺1可以降低缺陷率。当对普通厚度晶籽层使用速率快的化学试剂时，采用的清洗工艺对于缺陷率的影响就没有那么大了。而在对较厚晶籽层使用高速率填充化学试剂时，清洗工艺对缺陷率有一定的影响，清洗工艺2的效果更好。大多数缺陷属于hollowmetal类型。电镀化学试剂和CMP工艺的结合即使对于厚的晶籽层也可以实现较低的缺陷率。

    对一组随机的样品的每片晶圆上的50个缺陷进行SEM检测，发现CMP后的空洞是主要的缺陷机制。图1和图2表示了用SEM观察到的CMP空洞的本质和严重程度。快速填充化学试剂（图1）比慢速填充电镀工艺（图2）造成的空洞更少。同样很明显地，第1到4枚晶圆在SEM下有着相对更少的空洞，这是因为更薄厚度的晶籽层使其更容易在沟槽处填充金属。

    实验2的结果表明高填充速率的电镀试剂相对于慢速填充试剂的表现更好。同第一个实验相比，CMP后的清洗工艺对缺陷级别的影响并不是非常明显。

    对一组随机的样品的每片晶圆上的50个缺陷进行SEM检测，发现CMP后的金属空洞仍是主要的缺陷机制。对于低速率的填充化学试剂（第4以及10到12枚），基本上所有已归类的缺陷都属于金属空洞类型。图3和图4表示了CMP后空洞的本质和严重程度。慢速化学试剂造成的空洞更多，几乎每一条金属线上都可以观察到。

    在实验2中，铜的覆盖层通过FIB去除掉（这样就省略了CMP一步），并采用SEM来观察CMP工艺前的缺陷。在铜覆盖层的一角通过FIB开一个大约15微米的窗口，使粒子束平行于衬底从而不会对缺陷的最表层造成损害。图5显示了第7片晶圆的SEM俯视图，螺旋线都在用亮场工具检测的同一缺陷体上。由于该晶圆样品采用的是快速填充试剂，只能观察到极少数的缺陷。靠近图像左上角的可见缺陷通常是一些外来材料对图形线条腐蚀所造成的。图6显示了第9片晶圆的SEM俯视图。通过FIB得到的样本中的垂直线只是厚度的略微变化，不会对平面缺陷的观察有影响。在这种情况下采用了较慢速率的填充化学试剂，所以缺陷在整个图像中就很明显了。

    结论

    亮场缺陷检测对与金属化参数有关的缺陷率变化足够敏感，使得亮场缺陷检测成为工艺优化中的一个有用工具。当器件的特征尺寸由于使用厚的晶籽层而缩小时，缺陷率水平就会增长，这种缺陷率增长的趋势能够通过使用快速填充试剂来降低。铜覆盖层通过FIB技术而非CMP工艺去除显示了这些缺陷无论在形状上还是密度上都与经CMP抛光的缺陷相类似。由此可以推断，在这种情况下，CMP工艺步骤对最终所观察到的CMP后缺陷率水平影响不大。