拋光液成分對(duì)鋁柵化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中鋁去除速率的影響

張金，劉玉嶺，*，閆辰奇，張文霞

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津市電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.華北理工大學(xué)，河北 唐山 063009）

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拋光液成分對(duì)鋁柵化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中鋁去除速率的影響

張金1，劉玉嶺1，*，閆辰奇1，張文霞2

（1.河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津市電子材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.華北理工大學(xué)，河北 唐山 063009）

在低工作壓力（1 psi）和低磨料用量（納米硅溶膠體積分?jǐn)?shù)2.5%，后同）下，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)探討了堿性拋光液組分（包括氧化劑H2O2、FA/O型螯合劑和非離子型表面活性劑）含量對(duì)鋁柵化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中鋁去除速率的影響，確定拋光液的組成為：氧化劑1.5%，螯合劑0.5%，表面活性劑1.0%。鋁的去除速率為100 nm/min，拋光后的表面粗糙度為8.85 nm。

鋁柵；化學(xué)機(jī)械拋光；氧化劑；螯合劑；表面活性劑；去除速率

First-author's address: Tianjin Key Laboratory of Electronic Materials and Devices， School of Electronic and Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China

隨著集成電路飛躍式的發(fā)展，柵極高度和SiO2柵氧化層厚度不斷減小，柵介質(zhì)層的可靠性問(wèn)題（多晶硅柵耗盡效應(yīng)、費(fèi)米能級(jí)的釘扎、過(guò)高的柵電阻、嚴(yán)重的柵穿透等現(xiàn)象）越發(fā)嚴(yán)重，很大程度上制約著半導(dǎo)體器件特性的提高［1］。從65 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，二氧化硅作為晶體管柵極介電材料已經(jīng)達(dá)到了其物理電氣特性的極限。而45 nm晶體管的尺寸進(jìn)一步縮小，源極和漏極也就靠得更近，漏電流問(wèn)題越嚴(yán)重，使微電子技術(shù)的發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)。為改善有效柵氧化層厚度、柵極漏電流、可靠性等問(wèn)題，除了用新型高k材料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)層以外，采用金屬鋁柵替代多晶硅柵電極已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)［1-2］。2007年英特爾公司最先量產(chǎn)出基于高k金屬柵（HKMG）技術(shù)的處理器，突破了技術(shù)瓶頸［3］。目前45 nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)HKMG技術(shù)已成為主流，其中替代金屬柵極（RMG）工藝將鋁作為典型的柵電極材料［4］。

鋁的化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是形成鋁大馬士革互連后段制程（BEOL）應(yīng)用中的關(guān)鍵過(guò)程。鋁是兩性氧化物，硬度較低（莫氏硬度為2.3 ～ 2.8），并且具有獨(dú)特的電化學(xué)腐蝕特性。因?yàn)殇X柵的高度僅為幾百埃，拋光過(guò)程中存在殘余鋁或?qū)︿X柵過(guò)拋都會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生不良影響，所以關(guān)鍵是控制去除速率。鋁柵拋光示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 鋁柵拋光示意圖Figure 1 Schematic diagram showing the polishing of aluminum grid

本文針對(duì)鋁柵不高以及鋁本身的特性，采用低壓力和低磨料濃度，分析了拋光液中氧化劑、螯合劑和表面活性劑含量對(duì)鋁去除速率的影響，為今后去除鋁柵提供一定的參考。

1　實(shí)驗(yàn)

1. 1 拋光液成分

選用納米硅溶膠（二氧化硅平均粒徑70 nm）作為研磨料，體積分?jǐn)?shù)為2.5%。H2O2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）為氧化劑。FA/O型螯合劑［5］（具有13個(gè)以上螯合環(huán)的多羥多胺大分子有機(jī)物）和多元胺醇型非離子型表面活性劑［6］均由河北工業(yè)大學(xué)微電子所自主研發(fā)。

1. 2 拋光工藝

以法國(guó)Alpsitec公司的E460E拋光機(jī)和羅門(mén)哈斯POLITEX拋光墊為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用與填充柵極鋁金屬相同的濺射方式在p型硅襯底上沉積一層鋁膜并用線切割成厚度為（2.5 ± 0.1） mm、直徑3英寸的鋁片。CMP工藝參數(shù)為：工作壓力1 psi（1 psi ≈ 6.895 kPa），背壓0 psi，拋光頭轉(zhuǎn)速55 r/min，拋光墊轉(zhuǎn)速60 r/min，拋光液流速150 mL/min，時(shí)間180 s，溫度25 °C，拋光液pH 9.65 ～ 10.55。

1. 3 表征與性能測(cè)試

采用美國(guó)惠普-安捷倫公司的Agilent 5600LS型原子力顯微鏡（AFM）觀察表面形態(tài)。

采用 Mettle Toledo AB204-N型分析天平（精度±0.1 mg）測(cè)量拋光前后鋁片的質(zhì)量，按式（1）［7］計(jì)算去除速率v（nm/min）。

式中，mΔ為拋光前后鋁片的質(zhì)量差，R為鋁片的半徑（3.81 cm），ρ為鋁的密度（2.69 g/cm3），t為拋光時(shí)間，π = 3.141 6。

2　結(jié)果與討論

2. 1 氧化劑對(duì)去除速率的影響

選定螯合劑體積分?jǐn)?shù)為0.5%，表面活性劑體積分?jǐn)?shù)為1.0%，研究了氧化劑的體積分?jǐn)?shù)對(duì)去除速率的影響，如圖2所示。

圖2 氧化劑含量對(duì)鋁去除速率的影響Figure 2 Effect of oxidant content on aluminum removal rate

由圖 2可見(jiàn)，隨著氧化劑含量增加，鋁的去除速率先增大后減小，最終趨于平穩(wěn)。若不使用氧化劑，雖然去除速率也較快，但化學(xué)機(jī)械拋光中的機(jī)械作用會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷鋁表面，并且會(huì)在表面產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，最終造成劃傷、非均勻腐蝕等缺陷，影響鋁柵器件的性能。另外，雖然由于硬度低、耐磨性差，鋁容易去除，但其表面極易生成一層能防止金屬腐蝕的致密氧化膜（Al2O3·H2O），其莫氏硬度為9，僅次于金剛石，如在有氧化膜的情況下進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，會(huì)大大降低去除速率并導(dǎo)致表面缺陷。因此，應(yīng)促使氧化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硬度低、可溶性產(chǎn)物，再結(jié)合機(jī)械作用提高去除速率。影響去除速率最主要的兩個(gè)反應(yīng)是氧化與螯合。在適量氧化劑作用下，鋁首先會(huì)被拋光液中的氧化劑（溶液中含有的 O2及 H2O2）氧化，在表面生成氧化膜，該氧化膜在堿性條件下反應(yīng)生成可溶的偏鋁酸根［8］。反應(yīng)方程式如下：

隨著氧化劑用量增加，反應(yīng)方程式向右進(jìn)行，加快了鋁的去除速率。然而，當(dāng)氧化劑過(guò)多時(shí)，氧化膜不能及時(shí)轉(zhuǎn)化成偏鋁酸根，由于其硬度大，僅靠機(jī)械作用難以去除，其致密的特性也阻礙了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，最終降低了去除速率?？紤]到鋁柵高度問(wèn)題，去除速率不宜過(guò)快，選擇氧化劑的體積分?jǐn)?shù)為1.5%。

2. 2 螯合劑對(duì)去除速率的影響

當(dāng)氧化劑體積分?jǐn)?shù)為1.5%，表面活性劑體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，螯合劑含量對(duì)去除速率的影響如圖3所示。隨著螯合劑含量增加，鋁的去除速率逐漸升高。在特定的機(jī)械作用條件下，鋁表面生成的氧化物和氫氧化物的化學(xué)反應(yīng)勢(shì)壘被打破，與螯合劑反應(yīng)生成可溶性大分子配合物。在CMP過(guò)程中，加快質(zhì)量傳遞（即反應(yīng)產(chǎn)物脫離的同時(shí)新的反應(yīng)物進(jìn)入到拋光界面進(jìn)行反應(yīng)）可提高拋光速率。增加螯合劑就增大了可溶性產(chǎn)物的生成量，從而提高了鋁的去除速率。

雖然螯合劑對(duì)鋁的去除速率有促進(jìn)作用，但其過(guò)多會(huì)造成兩個(gè)問(wèn)題：一是去除速率過(guò)快，無(wú)法控制去除鋁柵的高度；二是會(huì)造成非均勻腐蝕。因此螯合劑的體積分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)最佳。

2. 3 表面活性劑對(duì)去除速率的影響

選定氧化劑體積分?jǐn)?shù)為1.5%，螯合劑體積分?jǐn)?shù)為0.5%，表面活性劑含量對(duì)去除速率的影響如圖4所示。

圖3 螯合劑含量對(duì)鋁去除速率的影響Figure 3 Effect of chelating agent content on aluminum removal rate

圖4 表面活性劑含量對(duì)鋁去除速率的影響Figure 4 Effect of surfactant content on aluminum removal rate

從圖 4可知，表面活性劑含量對(duì)鋁的去除速率影響不大。添加少量表面活性劑即可減小拋光液黏度，避免黏度過(guò)大導(dǎo)致的拋光液流動(dòng)性差、不能均勻分布在拋光墊上的情況，提高表面均勻性，還能降低拋光界面的溫度［9-10］。利用表面活性劑的潤(rùn)濕性降低拋光液的表面張力后，再通過(guò)滲透作用將磨料顆粒包裹起來(lái)，降低其表面能。同時(shí)，一些表面活性劑分子吸附在磨料顆粒周圍，避免發(fā)生聚沉或凝聚，使膠體粒徑減小，保證了體系的穩(wěn)定性和拋光液質(zhì)量［11-12］。最終選擇表面活性劑的體積分?jǐn)?shù)為1.0%。

2. 4 拋光效果

在磨料體積分?jǐn)?shù)為2.5 %，氧化劑體積分?jǐn)?shù)為1.5%，螯合劑體積分?jǐn)?shù)為0.5%，活性劑體積分?jǐn)?shù)為1.0%的條件下，鋁的去除速率為100 nm/min，拋光后表面粗糙度為8.85 nm（見(jiàn)圖5）。

圖5 拋光后鋁柵的表面形貌Figure 5 Surface morphology of aluminum grid after polishing

3　結(jié)論

在低壓力和低磨料濃度下考察了拋光液中不同體積分?jǐn)?shù)的氧化劑、螯合劑和表面活性劑對(duì)鋁柵去除速率的影響，并分析了各組分的影響機(jī)理。當(dāng)氧化劑體積分?jǐn)?shù)為1.5%，螯合劑體積分?jǐn)?shù)為0.5%，表面活性劑體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，測(cè)得去除速率為100 nm/min，表面粗糙度為8.85 nm。

［1］ JOSSE E， SKOTNICKI T. Polysilicon gate with depletion-or-metallic gate with buried channel： what evil worse？ ［C］ International Electron Devices Meeting—IEDM ′99 Technology Digest， December 5-8， 1999. Washington， DC： IEEE， 1999： 661-664.

［2］ GHANI T， ARMSTRONG M， AUTH C， et al. A 90nm high volume manufacturing logic technology featuring novel 45nm gate length strained silicon CMOS transistors ［C］ International Electron Devices Meeting—IEDM ′03 Technological Digest， December 5-8， 2003. Washington， DC： IEEE， 2003： 978-980.

［3］ 趙軍. 高K-金屬柵極和45納米［J］. 信息系統(tǒng)工程， 2008 （3）： 72-75.

［4］ HSIEH D B， TSAI T C， HUANG S F， et al. Characterization of high-K/metal gate using picosecond ultrasonics ［J］. Microelectronic Engineering， 2011， 88 （5）： 583-588.

［5］ 河北工業(yè)大學(xué). 微電子專用螯合劑的使用方法： 200610014908.3 ［P］. 2007-01-03.

［6］ 河北工業(yè)大學(xué). 超大規(guī)模集成電路多層銅布線化學(xué)機(jī)械全局平面化拋光液： 02116759.1 ［P］. 2003-02-26.

［7］ MA S H， WANG S L， LIU Y L， et al. Alkaline barrier slurry applied in TSV chemical mechanical planarization ［J］. Journal of Semiconductors， 2014， 35 （2）： 026002.

［8］ 韓麗麗， 劉玉嶺， 牛新環(huán)， 等. ULSI鋁布線化學(xué)機(jī)械拋光研究［J］. 微電子學(xué)， 2012， 42 （4）： 576-579， 583.

［9］ WENG T T， MISHRA A， GUO Y J， et al. Regulation of lung surfactant secretion by microRNA-150 ［J］. Biochemical and Biophysical Research Communications，2012， 422 （4）： 586-589.

［10］ PETERSON E R， SHEARER M. Simulation of spreading surfactant on a thin liquid film ［J］. Applied Mathematics and Computation， 2012， 218 （9）： 5157-5167.

［11］ 王新， 劉玉嶺， 王弘英. Cu-CMP中磨料粒子的機(jī)械作用實(shí)驗(yàn)分析［J］. 電子器件， 2002， 25 （3）： 220-223.

［12］ 張磊， 汪海波， 張澤芳， 等. 一種新型復(fù)合磨料對(duì)銅的化學(xué)機(jī)械拋光研究［J］. 功能材料與器件學(xué)報(bào)， 2011， 17 （5）： 520-525.

［ 編輯：杜娟娟 ］

Effect of composition of polishing solution on aluminum removal rate in chemical mechanical polishing of aluminum grid

Z HANG Jin， LIU Yu-ling*， YAN Chen-qi， ZHANG Wen-xia

Under the conditions of a low polishing pressure （1 psi） and a low content of abrasives （nano-silica sol 2.5vol%）， the effect of composition of alkaline polishing solution， including oxidant （H2O2）， FA/O chelating agent and nonionic surfactant on aluminum removal rate during chemical mechanical polishing of aluminum grid was studied through single factor experiment. The composition of polishing solution was determined as follows： oxidant 1.5vol%， chelating agent 0.5vol% and surfactant 1.0vol%. The aluminum removal rate is 100 nm/min and the surface roughness of polished aluminum grid is 8.85 nm.

aluminum grid； chemical mechanical polishing； oxidant； chelating agent； surfactant； removal rate

TN305.2； TG175.3

A

1004 - 227X （2016） 11 - 0575 - 04

2016-03-29

2016-05-05

國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃02科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2009ZX02308）。

張金（1986-），男，河北唐山人，在讀博士研究生，從事微電子技術(shù)與材料研究。

劉玉嶺，教授，（E-mail） liuyl@jingling.com.cn。