孫守梅

（天津職業(yè)技術師范大學天津300222）

由于器件設計的特征尺寸越來越小，導致金屬變細、電阻率增大、產(chǎn)生的熱量增多，從而產(chǎn)生嚴重的電遷移現(xiàn)象，大大影響了器件的性能。這樣，被廣泛用于超大規(guī)模集成電路設計中的Al再作為互連結構的金屬已不能滿足器件性能的需要。經(jīng)過實驗研究，銅是理想的連線材料。但是，長期以來，銅布線的一些技術難題難以解決。在這些難題中，其一是Cu的污染問題。由于Cu是間隙雜質(zhì)，即使在很低的溫度下也可以迅速的在硅和SiO2中擴散，而且Cu在硅中又是深能級雜質(zhì)，Cu擴散進入Si或SiO2中會影響期間的少數(shù)載流子壽命和結的漏電流，使器件的性能破壞，甚至失效，因此必須防止Cu污染。其二，當Cu淀積到硅片后經(jīng)200℃退火30 min便會形成高阻銅硅化物，而且Cu與SiO2的粘附性差[1]。

為了解決Cu污染和形成高阻銅硅化物以及Cu與SiO2粘附性差等問題，提出增加擴散阻擋層的解決方案。這需要尋找阻止Cu向硅或SiO2中擴散的阻擋層材料。經(jīng)過系統(tǒng)的研究，合適的氮化物阻擋層材料主要有：TiN、TaN x、WN x等。

選擇TiN作為擴散阻擋層材料是因為其有如下優(yōu)點：具有很好的熱穩(wěn)定性；接觸電阻小且穩(wěn)定；有較低的方塊電阻；具有較小的應力；具有顯示“刻蝕終點”的能力；氯基氣體可腐蝕，且不產(chǎn)生侵蝕和鉆蝕。氮化物阻擋層同樣也必須進行全面平面化。

目前，在超大規(guī)模集成電路制造中，化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術已成為實現(xiàn)硅片全局平坦化的關鍵技術，它不僅在材料制備階段用于超光滑無損傷單晶硅襯底的加工，而且也是多層布線金屬（銅）互連結構工藝中實現(xiàn)局部和全局平坦化的理想方法[2-3]。

1 氮化鈦拋光液的選擇

拋光液是影響CMP質(zhì)量的決定性因素，它既影響CMP的化學作用過程，又影響機械作用過程。拋光液的化學成分，能控制CMP過程中的pH，影響氧化物表面的帶電類型和電荷量，決定表面水和過程等化學反應的過程；拋光液中的磨料，在壓力的作用下與表面摩擦，影響反應物的去除速率?？傊畳伖馑俾剩瑨伖夂蟮谋砻尜|(zhì)量，平整度等關鍵參數(shù)都很大程度上依賴于拋光液成分的組成。所以拋光液的配置是CMP工藝中的重要組成部分。在國際上，按pH分類，主要采用兩類，即酸性漿料和堿性漿料。

酸性漿料中，國際上慣用的是用A12O3來做磨料。A12O3的硬度大，研磨速率高。但是，目前生產(chǎn)均勻一致性好、粒徑達到納米級的Al2O3困難，且由于該類磨料硬度大，易造成拋光表面劃傷且損傷層深；其分散度大，磨料質(zhì)量分數(shù)低（＜10%），平整度較差；而且其黏度大，流動性差，拋光表面不易清洗干凈。采用堿性的納米級SiO2水溶膠為磨料，可以解決Al2O3磨料的劃傷問題。其性能穩(wěn)定，工藝可控性高，粒徑[4-5]可在10～130 nm。

堿性拋光液中一般包括有機堿、分散劑、活性劑及磨料。

1.1 磨料的選擇

磨料是拋光液的重要組成部分，它決定著拋光機械作用的大小，影響著拋光后清洗的效果。磨料選擇的硅溶膠，以SiO2作磨料不易造成劃傷。SiO2磨料通常細分為SiO2氣溶膠與SiO2水溶膠。SiO2氣溶膠作磨料，粒徑在170～300 nm，外形不規(guī)則，長期穩(wěn)定性較SiO2水溶膠差。而SiO2水溶膠作基本磨料，工藝可控性高，粒徑通常在15～100 nm，分散度低、流動性好、易清洗，可實現(xiàn)低損傷、高平整、高光潔、高選擇性。

1.2 氧化劑的選擇

在堿性拋光液中，選用的氧化劑為H2O2。在堿性環(huán)境下H2O2的作用是氧化氮化鈦阻擋層。在CMP過程中，H2O2的腐蝕作用、絡合作用和磨料的研磨作用于表面，可以得到光滑的全局平面化的效果。H2O2可以使氮化鈦表面生成一層組成為氧化物的表面膜，其不會引入金屬離子污染。

1.3 有機堿的選擇

在堿性拋光液中，堿的選擇很重要。如果拋光液中使用NaOH、KOH等強堿作為pH調(diào)節(jié)劑，堿金屬離子會在拋光的過程中進入襯底或介質(zhì)層中，從而影響器件的局部穿通效應、漏電流增大等效應，使芯片工作的可靠性降低、器件壽命減小。選擇不含金屬離子的有機堿就解決了這個問題。有機堿作為pH調(diào)節(jié)劑，最高能將pH調(diào)到12，并且還能充當緩沖劑，當拋光液局部pH發(fā)生變化時，可以迅速釋放本身的羥基調(diào)整pH值，使拋光液保持穩(wěn)定值，從而使氧化物表面去除速率均勻，能得到較好的平行度。同時對提高漿料穩(wěn)定性也有很重要的意義。

化學機械拋光技術是顆粒的機械作用和化學添加劑的化學作用相結合的技術[6-7]。

氮化鈦拋光液選擇硅溶膠為磨料，H2O2為氧化劑，加入有機堿、活性劑的堿性拋光液。

2 氮化鈦阻擋層拋光實驗

2．1 氮化鈦拋光機理

1）晶片在漿料的作用下被氧化，形成表面氧化膜。反應過程如下：

由以上反應可以看出，氮化鈦表面在漿料的作用下被氧化成TiO2。

2）TiO2轉化成極穩(wěn)定的可溶性胺鹽進入溶液。

3）漿料中的可溶性胺鹽被湍流的漿料帶走。

2.2 實驗結果

通過配置不同濃度和不同pH的堿性拋光液，利用風雷C6382I/YJ型拋光機，進行拋光實驗。實驗條件：漿料的流速180 mL/min；壓力：1.7 atm；溫度：25℃。

1）氧化劑與拋光速率的關系，如圖1所示。

圖1 氧化劑與拋光速率的關系Fig.1 Relationship between antioxidant and polishing rate

由圖可知，隨著氧化劑濃度的增加，去除速率也隨之幾乎線性的增加。這是由于氧化劑濃度增加后，化學作用增大，表面氧化膜的生成和腐蝕速率加快。堅硬的氮化鈦被氧化后，易于去除。但是氧化劑的濃度應該控制在2.5%之內(nèi)，因為過多的氧化劑會與有機堿反應，過段時間拋光液會變黃，導致拋光液失效。

2）pH對拋光速率的影響

圖2 pH與拋光速率的關系Fig.2 Relationship between pH value and polishing rate

由上圖可知，pH越大對拋光速率的影響越嚴重，但是pH過高會影響拋光的選擇性，因為隨著pH的增大，化學作用加大，機械作用相對降低，這就會造成在高的地方和低的地方都有較高的去除速率，不利于最后形成平整度高的表面。所以，pH選在10.5左右。

氮化鈦阻擋層的拋光液選擇是pH在10.5左右的堿性拋光液。

3 結論

拋光液是化學機械拋光過程中起著非常重要的作用，研究了氮化鈦的拋光機理，拋光液的氧化劑濃度和pH對拋光速率的影響，配制了適合氮化鈦阻擋層的以雙氧水為氧化劑的堿性拋光液。

[1] 劉玉嶺，檀柏梅，張楷亮.超大規(guī)模集成電路襯底材料性能及加工測試技術工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2] GUO Dong-ming，KANG Ren-ke，SU Jian-xiu，et a1.Future development on wafer planarization technology in ULSI fabrication[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2003，39（10）：100-105.

[3] SU J-x，GUO D-m，KANG R-k，et a1.Modeling and analyzing on nonuniformity of material removal in chemical mechanical polishing of silicon wafer[J].Materials Science Forum，2004（471—472）：26-31.

[4] 劉玉嶺，檀柏梅，張楷亮.微電子技術工程材料、工藝與測試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5] 孫薇，劉玉嶺，張偉，等.ULSI多層Cu布線CMP中磨料的研究[J].半導體技術，2008，33（8）:662-665.SUN Wei，LIU Yu-ling，ZHANG Wei，et al.Study of abrasive in Cu interconnects CMP in ULSI[J].Semiconductor Technology，2008，33（8）:662-665.

[6] 龔劍鋒，潘國順，戴媛靜，等，聚苯乙烯（PS）顆粒拋光液特性對銅表面化學機械拋光的影響[J].潤滑與密封，2010，35（7）:1-4.GONG Jian-feng，PAN Guo-shun，DAI Yuan-jing，et al.The influence of slurry containing polystyrene particles on copper chemical mechanical planarization[J].Lubrication Engineering，2010，35（7）：1-4.

[7] 余劍鋒，新型化學機械拋光墊和拋光液的研究[D].廣州：華南理工大學，2010:8-24.