氮化鈦?zhàn)钃鯇踊瘜W(xué)機(jī)械拋光液的研究

孫守梅

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津300222）

由于器件設(shè)計(jì)的特征尺寸越來(lái)越小，導(dǎo)致金屬變細(xì)、電阻率增大、產(chǎn)生的熱量增多，從而產(chǎn)生嚴(yán)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(shè)計(jì)中的Al再作為互連結(jié)構(gòu)的金屬已不能滿足器件性能的需要。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，銅是理想的連線材料。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，銅布線的一些技術(shù)難題難以解決。在這些難題中，其一是Cu的污染問(wèn)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(kuò)散，而且Cu在硅中又是深能級(jí)雜質(zhì)，Cu擴(kuò)散進(jìn)入Si或SiO2中會(huì)影響期間的少數(shù)載流子壽命和結(jié)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(dāng)Cu淀積到硅片后經(jīng)200℃退火30 min便會(huì)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(wèn)題，提出增加擴(kuò)散阻擋層的解決方案。這需要尋找阻止Cu向硅或SiO2中擴(kuò)散的阻擋層材料。經(jīng)過(guò)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(kuò)散阻擋層材料是因?yàn)槠溆腥缦聝?yōu)點(diǎn)：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(yīng)力；具有顯示“刻蝕終點(diǎn)”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(jìn)行全面平面化。

目前，在超大規(guī)模集成電路制造中，化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)硅片全局平坦化的關(guān)鍵技術(shù)，它不僅在材料制備階段用于超光滑無(wú)損傷單晶硅襯底的加工，而且也是多層布線金屬（銅）互連結(jié)構(gòu)工藝中實(shí)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(xué)作用過(guò)程，又影響機(jī)械作用過(guò)程。拋光液的化學(xué)成分，能控制CMP過(guò)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(guò)程等化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程；拋光液中的磨料，在壓力的作用下與表面摩擦，影響反應(yīng)物的去除速率?？傊畳伖馑俾?，拋光后的表面質(zhì)量，平整度等關(guān)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(guó)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(guó)際上慣用的是用A12O3來(lái)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(dá)到納米級(jí)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?jǐn)?shù)低（＜10%），平整度較差；而且其黏度大，流動(dòng)性差，拋光表面不易清洗干凈。采用堿性的納米級(jí)SiO2水溶膠為磨料，可以解決Al2O3磨料的劃傷問(wèn)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(jī)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(jī)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(xì)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(zhǎng)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(dòng)性好、易清洗，可實(shí)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?zhàn)钃鯇?。在CMP過(guò)程中，H2O2的腐蝕作用、絡(luò)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(huì)引入金屬離子污染。

1.3 有機(jī)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(qiáng)堿作為pH調(diào)節(jié)劑，堿金屬離子會(huì)在拋光的過(guò)程中進(jìn)入襯底或介質(zhì)層中，從而影響器件的局部穿通效應(yīng)、漏電流增大等效應(yīng)，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(jī)堿就解決了這個(gè)問(wèn)題。有機(jī)堿作為pH調(diào)節(jié)劑，最高能將pH調(diào)到12，并且還能充當(dāng)緩沖劑，當(dāng)拋光液局部pH發(fā)生變化時(shí)，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(shí)對(duì)提高漿料穩(wěn)定性也有很重要的意義。

化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是顆粒的機(jī)械作用和化學(xué)添加劑的化學(xué)作用相結(jié)合的技術(shù)[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(jī)堿、活性劑的堿性拋光液。

2 氮化鈦?zhàn)钃鯇訏伖鈱?shí)驗(yàn)

2．1 氮化鈦拋光機(jī)理

1）晶片在漿料的作用下被氧化，形成表面氧化膜。反應(yīng)過(guò)程如下：

由以上反應(yīng)可以看出，氮化鈦表面在漿料的作用下被氧化成TiO2。

2）TiO2轉(zhuǎn)化成極穩(wěn)定的可溶性胺鹽進(jìn)入溶液。

3）漿料中的可溶性胺鹽被湍流的漿料帶走。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)配置不同濃度和不同pH的堿性拋光液，利用風(fēng)雷C6382I/YJ型拋光機(jī)，進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(guān)系，如圖1所示。

圖1 氧化劑與拋光速率的關(guān)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(xué)作用增大，表面氧化膜的生成和腐蝕速率加快。堅(jiān)硬的氮化鈦被氧化后，易于去除。但是氧化劑的濃度應(yīng)該控制在2.5%之內(nèi)，因?yàn)檫^(guò)多的氧化劑會(huì)與有機(jī)堿反應(yīng)，過(guò)段時(shí)間拋光液會(huì)變黃，導(dǎo)致拋光液失效。

2）pH對(duì)拋光速率的影響

圖2 pH與拋光速率的關(guān)系Fig.2 Relationship between pH value and polishing rate

由上圖可知，pH越大對(duì)拋光速率的影響越嚴(yán)重，但是pH過(guò)高會(huì)影響拋光的選擇性，因?yàn)殡S著pH的增大，化學(xué)作用加大，機(jī)械作用相對(duì)降低，這就會(huì)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?zhàn)钃鯇拥膾伖庖哼x擇是pH在10.5左右的堿性拋光液。

3 結(jié)論

拋光液是化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中起著非常重要的作用，研究了氮化鈦的拋光機(jī)理，拋光液的氧化劑濃度和pH對(duì)拋光速率的影響，配制了適合氮化鈦?zhàn)钃鯇拥囊噪p氧水為氧化劑的堿性拋光液。

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