張金，劉玉嶺，*，閆辰奇，張文霞

（1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300130；2.華北理工大學，河北 唐山 063009）

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拋光液成分對鋁柵化學機械拋光過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)大學電子信息工程學院，天津市電子材料與器件重點實驗室，天津 300130；2.華北理工大學，河北 唐山 063009）

在低工作壓力（1 psi）和低磨料用量（納米硅溶膠體積分數(shù)2.5%，后同）下，通過單因素實驗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）含量對鋁柵化學機械拋光過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；化學機械拋光；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)層的可靠性問題（多晶硅柵耗盡效應、費米能級的釘扎、過高的柵電阻、嚴重的柵穿透等現(xiàn)象）越發(fā)嚴重，很大程度上制約著半導體器件特性的提高［1］。從65 nm技術節(jié)點開始，二氧化硅作為晶體管柵極介電材料已經(jīng)達到了其物理電氣特性的極限。而45 nm晶體管的尺寸進一步縮小，源極和漏極也就靠得更近，漏電流問題越嚴重，使微電子技術的發(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、可靠性等問題，除了用新型高k材料來代替?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［1-2］。2007年英特爾公司最先量產(chǎn)出基于高k金屬柵（HKMG）技術的處理器，突破了技術瓶頸［3］。目前45 nm以下技術節(jié)點HKMG技術已成為主流，其中替代金屬柵極（RMG）工藝將鋁作為典型的柵電極材料［4］。

鋁的化學機械拋光（CMP）是形成鋁大馬士革互連后段制程（BEOL）應用中的關鍵過程。鋁是兩性氧化物，硬度較低（莫氏硬度為2.3 ～ 2.8），并且具有獨特的電化學腐蝕特性。因為鋁柵的高度僅為幾百埃，拋光過程中存在殘余鋁或?qū)︿X柵過拋都會對器件性能產(chǎn)生不良影響，所以關鍵是控制去除速率。鋁柵拋光示意圖見圖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鋁去除速率的影響，為今后去除鋁柵提供一定的參考。

1　實驗

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，體積分數(shù)為2.5%。H2O2（質(zhì)量分數(shù)30%）為氧化劑。FA/O型螯合劑［5］（具有13個以上螯合環(huán)的多羥多胺大分子有機物）和多元胺醇型非離子型表面活性劑［6］均由河北工業(yè)大學微電子所自主研發(fā)。

1. 2 拋光工藝

以法國Alpsitec公司的E460E拋光機和羅門哈斯POLITEX拋光墊為實驗平臺，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，時間180 s，溫度25 °C，拋光液pH 9.65 ～ 10.55。

1. 3 表征與性能測試

采用美國惠普-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）測量拋光前后鋁片的質(zhì)量，按式（1）［7］計算去除速率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為拋光時間，π = 3.141 6。

2　結(jié)果與討論

2. 1 氧化劑對去除速率的影響

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

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

由圖 2可見，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，但化學機械拋光中的機械作用會嚴重損傷鋁表面，并且會在表面產(chǎn)生化學腐蝕，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行化學機械拋光，會大大降低去除速率并導致表面缺陷。因此，應促使氧化膜發(fā)生化學反應生成硬度低、可溶性產(chǎn)物，再結(jié)合機械作用提高去除速率。影響去除速率最主要的兩個反應是氧化與螯合。在適量氧化劑作用下，鋁首先會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生成可溶的偏鋁酸根［8］。反應方程式如下：

隨著氧化劑用量增加，反應方程式向右進行，加快了鋁的去除速率。然而，當氧化劑過多時，氧化膜不能及時轉(zhuǎn)化成偏鋁酸根，由于其硬度大，僅靠機械作用難以去除，其致密的特性也阻礙了化學反應進行，最終降低了去除速率。考慮到鋁柵高度問題，去除速率不宜過快，選擇氧化劑的體積分數(shù)為1.5%。

2. 2 螯合劑對去除速率的影響

當氧化劑體積分數(shù)為1.5%，表面活性劑體積分數(shù)為1.0%時，螯合劑含量對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。在特定的機械作用條件下，鋁表面生成的氧化物和氫氧化物的化學反應勢壘被打破，與螯合劑反應生成可溶性大分子配合物。在CMP過程中，加快質(zhì)量傳遞（即反應產(chǎn)物脫離的同時新的反應物進入到拋光界面進行反應）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。

雖然螯合劑對鋁的去除速率有促進作用，但其過多會造成兩個問題：一是去除速率過快，無法控制去除鋁柵的高度；二是會造成非均勻腐蝕。因此螯合劑的體積分數(shù)為0.5%時最佳。

2. 3 表面活性劑對去除速率的影響

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

圖3 螯合劑含量對鋁去除速率的影響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，避免黏度過大導致的拋光液流動性差、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濕性降低拋光液的表面張力后，再通過滲透作用將磨料顆粒包裹起來，降低其表面能。同時，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數(shù)為1.0%。

2. 4 拋光效果

在磨料體積分數(shù)為2.5 %，氧化劑體積分數(shù)為1.5%，螯合劑體積分數(shù)為0.5%，活性劑體積分數(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數(shù)的氧化劑、螯合劑和表面活性劑對鋁柵去除速率的影響，并分析了各組分的影響機理。當氧化劑體積分數(shù)為1.5%，螯合劑體積分數(shù)為0.5%，表面活性劑體積分數(shù)為1.0%時，測得去除速率為100 nm/min，表面粗糙度為8.85 nm。

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［ 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

國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃02科技重大專項資助項目（2009ZX02308）。

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

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