抛光液成分对铝栅化学机械抛光过程中铝去除速率的影响

张金，刘玉岭，*，闫辰奇，张文霞

（1.河北工业大学电子信息工程学院，天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300130；2.华北理工大学，河北 唐山 063009）



抛光液成分对铝栅化学机械抛光过程中铝去除速率的影响

张金1，刘玉岭1，*，闫辰奇1，张文霞2

（1.河北工业大学电子信息工程学院，天津市电子材料与器件重点实验室，天津 300130；2.华北理工大学，河北 唐山 063009）

在低工作压力（1 psi）和低磨料用量（纳米硅溶胶体积分数2.5%，后同）下，通过单因素实验探讨了碱性抛光液组分（包括氧化剂H2O2、FA/O型螯合剂和非离子型表面活性剂）含量对铝栅化学机械抛光过程中铝去除速率的影响，确定抛光液的组成为：氧化剂1.5%，螯合剂0.5%，表面活性剂1.0%。铝的去除速率为100 nm/min，抛光后的表面粗糙度为8.85 nm。

铝栅；化学机械抛光；氧化剂；螯合剂；表面活性剂；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

随着集成电路飞跃式的发展，栅极高度和SiO2栅氧化层厚度不断减小，栅介质层的可靠性问题（多晶硅栅耗尽效应、费米能级的钉扎、过高的栅电阻、严重的栅穿透等现象）越发严重，很大程度上制约着半导体器件特性的提高［1］。从65 nm技术节点开始，二氧化硅作为晶体管栅极介电材料已经达到了其物理电气特性的极限。而45 nm晶体管的尺寸进一步缩小，源极和漏极也就靠得更近，漏电流问题越严重，使微电子技术的发展面临巨大的挑战。为改善有效栅氧化层厚度、栅极漏电流、可靠性等问题，除了用新型高k材料来代替传统的SiO2栅介质层以外，采用金属铝栅替代多晶硅栅电极已成为发展的必然趋势［1-2］。2007年英特尔公司最先量产出基于高k金属栅（HKMG）技术的处理器，突破了技术瓶颈［3］。目前45 nm以下技术节点HKMG技术已成为主流，其中替代金属栅极（RMG）工艺将铝作为典型的栅电极材料［4］。

铝的化学机械抛光（CMP）是形成铝大马士革互连后段制程（BEOL）应用中的关键过程。铝是两性氧化物，硬度较低（莫氏硬度为2.3 ～ 2.8），并且具有独特的电化学腐蚀特性。因为铝栅的高度仅为几百埃，抛光过程中存在残余铝或对铝栅过抛都会对器件性能产生不良影响，所以关键是控制去除速率。铝栅抛光示意图见图1。

图1 铝栅抛光示意图Figure 1 Schematic diagram showing the polishing of aluminum grid

本文针对铝栅不高以及铝本身的特性，采用低压力和低磨料浓度，分析了抛光液中氧化剂、螯合剂和表面活性剂含量对铝去除速率的影响，为今后去除铝栅提供一定的参考。

1　实验

1. 1 抛光液成分

选用纳米硅溶胶（二氧化硅平均粒径70 nm）作为研磨料，体积分数为2.5%。H2O2（质量分数30%）为氧化剂。FA/O型螯合剂［5］（具有13个以上螯合环的多羟多胺大分子有机物）和多元胺醇型非离子型表面活性剂［6］均由河北工业大学微电子所自主研发。

1. 2 抛光工艺

以法国Alpsitec公司的E460E抛光机和罗门哈斯POLITEX抛光垫为实验平台，采用与填充栅极铝金属相同的溅射方式在p型硅衬底上沉积一层铝膜并用线切割成厚度为（2.5 ± 0.1） mm、直径3英寸的铝片。CMP工艺参数为：工作压力1 psi（1 psi ≈ 6.895 kPa），背压0 psi，抛光头转速55 r/min，抛光垫转速60 r/min，抛光液流速150 mL/min，时间180 s，温度25 °C，抛光液pH 9.65 ～ 10.55。

1. 3 表征与性能测试

采用美国惠普-安捷伦公司的Agilent 5600LS型原子力显微镜（AFM）观察表面形态。

采用 Mettle Toledo AB204-N型分析天平（精度±0.1 mg）测量抛光前后铝片的质量，按式（1）［7］计算去除速率v（nm/min）。

式中，mΔ为抛光前后铝片的质量差，R为铝片的半径（3.81 cm），ρ为铝的密度（2.69 g/cm3），t为抛光时间，π = 3.141 6。

2　结果与讨论

2. 1 氧化剂对去除速率的影响

选定螯合剂体积分数为0.5%，表面活性剂体积分数为1.0%，研究了氧化剂的体积分数对去除速率的影响，如图2所示。

图2 氧化剂含量对铝去除速率的影响Figure 2 Effect of oxidant content on aluminum removal rate

由图 2可见，随着氧化剂含量增加，铝的去除速率先增大后减小，最终趋于平稳。若不使用氧化剂，虽然去除速率也较快，但化学机械抛光中的机械作用会严重损伤铝表面，并且会在表面产生化学腐蚀，最终造成划伤、非均匀腐蚀等缺陷，影响铝栅器件的性能。另外，虽然由于硬度低、耐磨性差，铝容易去除，但其表面极易生成一层能防止金属腐蚀的致密氧化膜（Al2O3·H2O），其莫氏硬度为9，仅次于金刚石，如在有氧化膜的情况下进行化学机械抛光，会大大降低去除速率并导致表面缺陷。因此，应促使氧化膜发生化学反应生成硬度低、可溶性产物，再结合机械作用提高去除速率。影响去除速率最主要的两个反应是氧化与螯合。在适量氧化剂作用下，铝首先会被抛光液中的氧化剂（溶液中含有的 O2及 H2O2）氧化，在表面生成氧化膜，该氧化膜在碱性条件下反应生成可溶的偏铝酸根［8］。反应方程式如下：

随着氧化剂用量增加，反应方程式向右进行，加快了铝的去除速率。然而，当氧化剂过多时，氧化膜不能及时转化成偏铝酸根，由于其硬度大，仅靠机械作用难以去除，其致密的特性也阻碍了化学反应进行，最终降低了去除速率。考虑到铝栅高度问题，去除速率不宜过快，选择氧化剂的体积分数为1.5%。

2. 2 螯合剂对去除速率的影响

当氧化剂体积分数为1.5%，表面活性剂体积分数为1.0%时，螯合剂含量对去除速率的影响如图3所示。随着螯合剂含量增加，铝的去除速率逐渐升高。在特定的机械作用条件下，铝表面生成的氧化物和氢氧化物的化学反应势垒被打破，与螯合剂反应生成可溶性大分子配合物。在CMP过程中，加快质量传递（即反应产物脱离的同时新的反应物进入到抛光界面进行反应）可提高抛光速率。增加螯合剂就增大了可溶性产物的生成量，从而提高了铝的去除速率。

虽然螯合剂对铝的去除速率有促进作用，但其过多会造成两个问题：一是去除速率过快，无法控制去除铝栅的高度；二是会造成非均匀腐蚀。因此螯合剂的体积分数为0.5%时最佳。

2. 3 表面活性剂对去除速率的影响

选定氧化剂体积分数为1.5%，螯合剂体积分数为0.5%，表面活性剂含量对去除速率的影响如图4所示。

图3 螯合剂含量对铝去除速率的影响Figure 3 Effect of chelating agent content on aluminum removal rate

图4 表面活性剂含量对铝去除速率的影响Figure 4 Effect of surfactant content on aluminum removal rate

从图 4可知，表面活性剂含量对铝的去除速率影响不大。添加少量表面活性剂即可减小抛光液黏度，避免黏度过大导致的抛光液流动性差、不能均匀分布在抛光垫上的情况，提高表面均匀性，还能降低抛光界面的温度［9-10］。利用表面活性剂的润湿性降低抛光液的表面张力后，再通过渗透作用将磨料颗粒包裹起来，降低其表面能。同时，一些表面活性剂分子吸附在磨料颗粒周围，避免发生聚沉或凝聚，使胶体粒径减小，保证了体系的稳定性和抛光液质量［11-12］。最终选择表面活性剂的体积分数为1.0%。

2. 4 抛光效果

在磨料体积分数为2.5 %，氧化剂体积分数为1.5%，螯合剂体积分数为0.5%，活性剂体积分数为1.0%的条件下，铝的去除速率为100 nm/min，抛光后表面粗糙度为8.85 nm（见图5）。

图5 抛光后铝栅的表面形貌Figure 5 Surface morphology of aluminum grid after polishing

3　结论

在低压力和低磨料浓度下考察了抛光液中不同体积分数的氧化剂、螯合剂和表面活性剂对铝栅去除速率的影响，并分析了各组分的影响机理。当氧化剂体积分数为1.5%，螯合剂体积分数为0.5%，表面活性剂体积分数为1.0%时，测得去除速率为100 nm/min，表面粗糙度为8.85 nm。

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［ 编辑：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

国家中长期科技发展规划02科技重大专项资助项目（2009ZX02308）。

张金（1986-），男，河北唐山人，在读博士研究生，从事微电子技术与材料研究。

刘玉岭，教授，（E-mail） liuyl@jingling.com.cn。