鋁柵化學機械拋光工藝

馮翠月，張文倩，劉玉嶺*

（河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300130）

鋁柵化學機械拋光工藝

馮翠月，張文倩，劉玉嶺*

（河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300130）

探討了拋光液組成和機械拋光工藝參數(shù)(包括拋光壓力、轉(zhuǎn)速、拋光液流速和拋光時間)對鋁柵化學機械拋光過程中鋁的去除速率的影響，確定拋光液的組成為：氧化劑H2O2 1.0%(體積分數(shù)，下同)，螯合劑FA/O II 0.4%，非離子表面活性劑FA/O I 2.0%，納米硅溶膠磨料12%，pH 10。粗拋工藝參數(shù)為：拋光壓力3.0 psi，轉(zhuǎn)速50 r/min，拋光液流速250 mL/min，拋光時間240 s。精拋工藝參數(shù)為：拋光壓力2.0 psi，轉(zhuǎn)速45 r/min，拋光液流速150 mL/min，拋光時間240 s。粗拋時鋁的去除速率為330 nm/min，精拋時鋁的去除速率為210 nm/min。通過2種拋光工藝相結(jié)合，鋁柵表面粗糙度可達13.26 nm。

鋁柵；化學機械拋光；配方；磨料；去除速率；表面粗糙度

First-author’s address:School of Electronic and Information Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China

鋁布線化學機械拋光(chemical mechanical polishing，CMP)曾經(jīng)應(yīng)用在后道工藝(back end of line，BEOL)的互連線(主要是特征尺寸為0.13 μm、90 nm)，因此鋁布線CMP工藝很成熟。然而，由于銅的電阻率低、可靠性高，銅大馬士革工藝被很好地應(yīng)用在構(gòu)建亞微米級及以下技術(shù)節(jié)點下的后道工藝。2007年，Intel公司提出替代金屬門的HKMG(高K金屬柵極)結(jié)構(gòu)并成功應(yīng)用在45 nm技術(shù)節(jié)點的CMOS(互補金屬氧化物導體)器件上。隨著柵寬降至30 nm(對應(yīng)45 nm制程)，金屬柵須采用電阻率更低的鋁材料[1-3]。由于金屬柵的復雜結(jié)構(gòu)及其高性能要求，鋁柵在化學機械拋光中仍然存在一系列問題，如柵極高度一致性、表面缺陷、界面腐蝕、不同拋光材料的去除選擇比等，因此鋁柵的化學機械拋光要比鋁布線及銅布線的化學機械拋光更加復雜，要求更加嚴格。鋁柵的化學機械拋光一般分為兩步：粗拋和精拋[4-5]。鋁材料的粗拋主要是通過高速率去除經(jīng)氮化硅開窗后采用物理氣相沉積PVD(物理氣相沉積)方式填充鋁形成柵極后表面多余的鋁材料，因此需要獲得高的去除速率和低的表面缺陷；而精拋是為了獲得預設(shè)的柵極高度，因此對鋁材料的去除速率不應(yīng)過快。在粗拋和精拋過程中，鋁柵CMP的材料去除速率不僅受拋光液成分及比例的影響，而且受拋光工藝參數(shù)[如壓力、轉(zhuǎn)速(本文僅指拋光墊轉(zhuǎn)速)、流量、時間等]的影響。本文主要研究了拋光工藝參數(shù)對CMP鋁去除速率的影響，以確定粗拋和精拋的最優(yōu)工藝參數(shù)。

1 堿性條件下金屬鋁的化學機械拋光機理

鋁在堿性條件下發(fā)生電化學反應(yīng)，在表面生成難溶的鋁氫氧化物；同時在氫氧根離子的作用下，這層難溶物發(fā)生化學溶解反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為可溶物：

鋁在含過氧化氫(氧化劑)的拋光過程中的反應(yīng)為：

本文所用拋光液含有氧化劑——過氧化氫，鋁在含過氧化氫的 CMP過程中會先生成暫態(tài)中間產(chǎn)物Al2O3·3H2O，該物質(zhì)的莫氏硬度比純鋁大得多，不容易去除。但本文的拋光液中含有由河北工業(yè)大學微電子研究所自主研發(fā)的FA/O II型大分子螯合劑，它會與鋁的氫氧化物生成可溶于水的偏鋁酸鹽，加速暫態(tài)中間產(chǎn)物向氫氧化物的轉(zhuǎn)化，使鋁片表面被氧化生成的致密氧化物膜變得疏松多孔。相比于純鋁，鋁的氧化膜更容易被機械去除。因此去除速率與拋光液中各成分的含量有關(guān)。CMP是化學與機械拋光的結(jié)合，去除速率在很大程度上還會受到工藝方面的影響。比如：拋光壓力決定了拋光墊與鋁片的接觸狀態(tài)，決定了化學與機械作用的平衡；轉(zhuǎn)速與鋁片被拋光的次數(shù)和反應(yīng)區(qū)域的拋光液厚度有關(guān)；拋光液流量與溫度傳遞及質(zhì)量傳遞作用息息相關(guān)。本文基于以上理論以及鋁的特性，研究拋光工藝參數(shù)對鋁材料去除速率的影響。

2 實驗

2. 1 試劑與材料

純鋁片(純度99.99%)，直徑75.86 cm，厚度(2.3 ± 0.1) mm；質(zhì)量分數(shù)為30%的過氧化氫，市售分析純；體積分數(shù)為40%的納米硅溶膠磨料，粒徑為80 ～ 90 nm；FA/O I非離子型表面活性劑、FA/O II螯合劑，河北工業(yè)大學微電子研究所。

2. 2 化學機械拋光工藝

所用堿性拋光液由氧化劑、FA/O II螯合劑、FA/O I 非離子型表面活性劑和磨料組成，其中氧化劑為30%過氧化氫，選用過氧化氫作氧化劑不會有離子污染。磨料選用體積分數(shù)為40%的納米硅溶膠；FA/O II螯合劑是含有4個胺基、16個羥基的大分子基團，與偏鋁酸形成可溶大分子配合物。FA/O I非離子型表面活性劑的加入可以降低拋光液的表面張力。拋光液各組分的體積分數(shù)設(shè)置為：30%過氧化氫0.0% ～ 2.0%(體積分數(shù)，下同)，F(xiàn)A/O II螯合劑0.1% ～ 0.5%，F(xiàn)A/O I非離子型表面活性劑0.0% ～ 2.0%，40%納米硅溶膠8% ～ 24%，用30% NaOH溶液調(diào)節(jié)pH。

使用法國Alpsitec公司制造的E460E拋光機對鋁片進行化學機械拋光，選用1 000級超凈Politex拋光墊。拋光后用超純?nèi)ルx子水沖洗鋁片，再用氮氣吹干。拋光的基礎(chǔ)工藝條件為：拋光壓力3 psi(1 psi ≈ 6.895 kPa)，拋光速率(拋光頭轉(zhuǎn)速)50 r/min，拋光墊轉(zhuǎn)速60 r/min，拋光液流速300 mL/min，溫度25 °C，時間300 s。本文主要研究拋光工藝參數(shù)對鋁去除速率的影響，因此研究某一特定工藝參數(shù)的影響時，其余工藝參數(shù)均設(shè)置為基礎(chǔ)值。為確保實驗準確性，同種條件進行3次平行實驗，取平均值。

2. 3 性能測試與表征

采用Mettler Toledo 320酸度計測定拋光液的pH。采用德國造JC2000D接觸角測量儀(精密型)測定拋光液的接觸角。

采用Mettler Toledo Ab204-N分析天平測定拋光前后鋁片的質(zhì)量，按式(4)計算鋁材料的去除速率。

其中，Δm為拋光前后鋁片的質(zhì)量，ρ = 2.702 g/cm3，R = 3.81 cm，π = 3.141 6，t = 3 min。

將鋁片浸泡于拋光液中，室溫下磁力攪拌30 min，取出并烘干后用分析天平測定浸泡前后鋁片的質(zhì)量，按式(4)計算鋁材料的靜態(tài)腐蝕速率。

開路電位使用上海辰華儀器CHI660E電化學工作站測量。以10 mm × 10 mm × 0.1 mm的鋁片為工作電極，鉑電極為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，電解液由不同體積分數(shù)的H2O2和FA/O II螯合劑組成，測量時間設(shè)置為600 s。每次試樣前先用5000Grit精密碳化硅砂紙打磨鋁片，再用無水乙醇擦拭，用去離子水沖洗后氮氣吹干。

采用美國Agilent 5600LS原子力顯微鏡(設(shè)置在敲擊模式)分析拋光后的鋁片表面形貌和粗糙度。

3 結(jié)果與討論

3. 1 鋁柵化學機械拋光液組分的確定

3. 1. 1 pH的確定

根據(jù)鋁的電位-pH圖可知，當pH ＜4.6時，鋁可被腐蝕生成可溶的Al3+，但是在強酸條件下，鋁的溶解速率非?？?，很難得到光滑平整的表面，還需要加檸檬酸等作配位緩蝕劑；當4.6 ＜ pH ＜ 8.3時，鋁易被氧化，生成硬度大且難溶的Al2O3·3H2O，易對純鋁表面產(chǎn)生劃傷；當pH ＞8.3時，鋁生成可溶的2AlO-，但鋁在強堿溶液中受到強烈的腐蝕而析出大量氫氣，從而形成大量蝕坑。綜合以上因素，選擇pH為10。

3. 1. 2 氧化劑H2O2和螯合劑FA/O II用量的確定

鋁柵CMP是化學反應(yīng)和機械磨除的共同作用，其中包括氧化劑與鋁的自鈍化、螯合劑的螯合溶解、磨料的機械磨除等過程。鋁首先與過氧化氫發(fā)生化學反應(yīng)生成水合三氧化二鋁，與此同時，螯合劑在溶液中電離生成氫氧根和大分子基團。一方面，水合三氧化二鋁在氫氧根的作用下轉(zhuǎn)化為偏鋁酸；另一方面，大分子基團與偏鋁酸生成可溶性大分子配合物，鋁表面生成的氧化膜被螯合劑溶解，形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，硬度降低，進而在磨料的機械作用下更容易被去除。自鈍化、配位溶解、傳質(zhì) 3個過程相互平衡，被過氧化氫氧化生成的氧化膜正好可以被適當濃度的配位劑配位溶解，剩下的疏松多孔結(jié)構(gòu)又被適當濃度的磨料機械磨除，裸露新鮮的鋁表面，進一步反應(yīng)才可以快速去除鋁柵表面多余的鋁材料，使鋁柵表面具有良好的平整度。

鋁柵化學機械拋光液中的氧化劑和螯合劑的濃度根據(jù)鋁在堿性拋光液中的靜態(tài)腐蝕以及開路電位規(guī)律來確定。固定磨料的體積分數(shù)為8%，表面活性劑的體積分數(shù)為1.5%，拋光液pH為10，改變氧化劑H2O2和FA/O II螯合劑的體積分數(shù)，得到的靜態(tài)腐蝕速率和開路電位如圖1所示。

圖1 鋁柵在含不同用量的H2O2及FA/O II拋光液中的靜態(tài)腐蝕速率和開路電位Figure 1 Static corrosion rate and open circuit potential of aluminum grid in polishing solution with different dosages of H2O2and FA/O II

從圖1a可見，靜態(tài)腐蝕速率隨著氧化劑H2O2體積分數(shù)的增大而增大，當H2O2體積分數(shù)為1.0%時，鋁柵的腐蝕速率達到最大；繼續(xù)增大H2O2的體積分數(shù)，靜態(tài)腐蝕速率反而下降。在相同H2O2體積分數(shù)下，靜態(tài)腐蝕速率隨著螯合劑體積分數(shù)的增大而增大。

從圖1b可知，不加螯合劑時，開路電位隨H2O2體積分數(shù)的增大而增大，表明陽極反應(yīng)被抑制?？赡茉蚴卿X和H2O2發(fā)生化學反應(yīng)生成氧化膜，覆蓋在鋁表面，阻止了反應(yīng)的進一步進行。H2O2體積分數(shù)為0.5% ～ 1.0%時，加入螯合劑FA/O II后，開路電位明顯減小，說明螯合劑可以溶解部分氧化膜，使鋁基體裸露而繼續(xù)反應(yīng)。螯合劑體積分數(shù)大于0.4%時，曲線趨于平穩(wěn)。另外，H2O2體積分數(shù)為1.5%時，加入螯合劑后，開路電位只是稍微下降，并且開路電位隨螯合劑含量的變化不大。這可能是因為H2O2含量太高，螯合劑不能溶解足夠的氧化膜。

3. 1. 3 納米硅溶膠磨料用量的確定

固定H2O2體積分數(shù)為1.0%，螯合劑體積分數(shù)為0.4%，表面活性劑體積分數(shù)為1.5%，pH為10，改變納米硅溶膠磨料體積分數(shù)，得到表1。由表1可知，當納米硅溶膠磨料體積分數(shù)為12%時，鋁材料的去除速率最快，說明此用量的磨料使自鈍化、配位溶解、傳質(zhì)3個過程趨于平衡。因此，適宜的納米硅溶膠磨料為12%。

表1 磨料用量對鋁的去除速率的影響Table 1 Influence of dosage of abrasives on aluminum removal rate

3. 1. 4 表面活性劑用量的確定

FA/O I非離子型表面活性劑可以降低拋光液的表面張力，使拋光液更均勻地鋪展在鋁柵表面。其他組分含量同3.1.3，改變拋光液中FA/O I非離子型表面活性劑，采用接觸角測量儀測定拋光液的接觸角。結(jié)果表明，當表面活性劑體積分數(shù)為2.0%時，測得的接觸角最小，為12.3°，此時表面張力最小。

綜上所述，適宜的拋光液組成為：H2O2體積分數(shù)1.0%，螯合劑體積分數(shù)0.4%，納米硅溶膠磨料體積分數(shù)12%，F(xiàn)A/O I非離子型表面活性劑體積分數(shù)2.0%。以氫氧化鈉調(diào)整拋光液的pH為10。下文均采用此配比的拋光液研究不同工藝參數(shù)對鋁去除速率的影響。

3. 2 鋁柵CMP拋光工藝參數(shù)對鋁去除速率的影響

3. 2. 1 拋光速率對鋁去除速率的影響

其余工藝參數(shù)恒定為基礎(chǔ)值時，拋光頭轉(zhuǎn)速對鋁去除速率的影響見圖2。從圖2可知，當拋光速率較小時，鋁的去除速率很低；隨著轉(zhuǎn)速的增大，鋁的去除速率增大；當轉(zhuǎn)速太大時，鋁的去除速率反而下降；當拋光速率為50 r/min時，鋁的去除速率最高。轉(zhuǎn)速增大使得鋁片被拋光的次數(shù)增加，因而鋁的去除速率增大；但當拋光速率過大時，離心力增大，使拋光墊與鋁片之間的拋光液厚度變小，從而使化學作用減弱、機械作用增強，化學作用產(chǎn)生的可溶物及疏松氧化膜結(jié)構(gòu)很快被去除，露出新鮮的鋁表面，這樣不僅會造成鋁表面劃傷，而且會導致鋁的去除速率小幅下降。因此，對于粗拋過程，轉(zhuǎn)速設(shè)置為50 r/min；精拋速率不應(yīng)過快，防止過拋，同時保證好的拋光表面，轉(zhuǎn)速設(shè)置為45 r/min較為合適。

3. 2. 2 拋光壓力對鋁去除速率的影響

拋光頭轉(zhuǎn)速為55 r/min，其余參數(shù)同3.2.1時，不同拋光壓力下鋁的去除速率如圖3所示。拋光機的壓力較小時，鋁的去除速率低，隨著壓力的增大，鋁的去除速率增大，但當壓力達到2.0 psi時，鋁的去除速率隨著壓力增大而小幅度增大，繼續(xù)增大壓力，拋光后鋁片表面的劃痕明顯增多、加深，表面質(zhì)量明顯下降。壓力的作用主要是影響液流層分布。當壓力過低時，鋁片表面和拋光墊之間處于滑動接觸模式，拋光液液流層很厚，壓力不能直接作用于氧化物表面，鋁的去除速率較低；壓力增大，鋁片表面和拋光墊之間處于半接觸狀態(tài)，對應(yīng)曲線中鋁的去除速率小幅度增加的區(qū)域(2.0 ～ 3.5 psi)，拋光液在鋁片表面和拋光墊之間起到了潤滑的作用，改善了化學與機械作用之間的平衡，此時拋光效率高且工件表面平整度好；繼續(xù)增大壓力，拋光工件表面和拋光墊直接接觸，兩者之間幾乎沒有拋光液，摩擦力很大，機械作用很強，鋁的去除速率較小。對于粗拋過程，拋光機壓力設(shè)置為3.0 psi；精拋取2.0 psi較為合適。

圖2 拋光速率對鋁去除速率的影響Figure 2 Effect of polishing rate on aluminum removal rate

圖3 拋光壓力對鋁去除速率的影響Figure 3 Effect of polishing pressure on aluminum removal rate

3. 2. 3 拋光液流速對鋁去除速率的影響

拋光壓力為3 psi，其余參數(shù)同3.2.2時，不同拋光液流速下鋁的去除速率如圖4所示。當拋光液流速較小時，鋁的去除速率較低，隨著流速的增加，鋁的去除速率增大，但當流速過大(如超過250 mL/min時)，鋁的去除速率不再增大，反而略有下降。拋光液流速比較小時，化學作用不能充分發(fā)生，CMP過程中的拋光廢液不能被快速帶走，影響了化學反應(yīng)的進一步進行，因此鋁的去除速率低。當拋光液流速增大時，化學反應(yīng)充分發(fā)生，拋光產(chǎn)生的廢液也可以很快被帶走，加速了反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物之間的質(zhì)量傳遞過程，同時拋光液流速的適當增大可使反應(yīng)區(qū)域因摩擦產(chǎn)生的大部分熱量被帶走。繼續(xù)增大流速，反應(yīng)區(qū)域降溫過快，不能達到化學反應(yīng)所需的溫度，當反應(yīng)溫度相差2 ～ 4 °C時，反應(yīng)速率會相差4倍以上，因此鋁的去除速率降低。針對不同拋光過程不同的目標要求，粗拋時拋光液流速設(shè)置為250 mL/min，精拋則設(shè)置為150 mL/min。

3. 2. 4 拋光時間對鋁去除速率的影響

其余參數(shù)同3.2.3，拋光液流速為300 mL/L時，拋光時間對鋁去除速率的影響如圖5所示。拋光時間短，鋁去除速率較低，隨著拋光時間的延長，去除速率增大，但拋光時間過長，去除速率反而降低。當拋光時間短時，化學作用和機械作用不能充分發(fā)生，拋光效果不好，且去除速率低。隨著拋光時間的延長，化學機械作用充分發(fā)生，拋光去除速率也增大。本文所用拋光墊為帶絨毛結(jié)構(gòu)的無紡布拋光墊，硬度低，壓縮比大，彈性好，適用于質(zhì)地較軟的鋁CMP，但拋光時間過長時，拋光墊的壓縮比及結(jié)構(gòu)、彈性變?nèi)?，并且拋光墊上的凹槽部分會堵塞些許磨料顆?；蛘邟伖猱a(chǎn)物等，使機械作用減弱，化學作用產(chǎn)生的氧化膜不能被很好地去除，導致鋁的去除速率降低。另外，拋光時間過長還會導致鋁片表面蝕坑的加深，影響拋光后表面質(zhì)量[6]。粗拋和精拋過程都需要化學及機械作用充分發(fā)生，故適宜的拋光時間均為240 s。

圖4 拋光液流速對鋁去除速率的影響Figure 4 Effect of polishing solution flow rate on aluminum removal rate

圖5 拋光時間對鋁去除速率的影響Figure 5 Effect of polishing time on aluminum removal rate

3. 3 拋光效果

綜合上述實驗結(jié)果，鋁柵兩步拋光的適宜工藝參數(shù)為：對于粗拋，轉(zhuǎn)速50 r/min，流速250 mL/min，壓力3.0 psi，時間240 s，此時鋁的去除速率可達330 nm/min；對于精拋，轉(zhuǎn)速45 r/min，流速150 mL/min，壓力2.0 psi，時間240 s，鋁的去除速率為210 nm/min。圖6為經(jīng)粗拋再精拋后的鋁片的表面形貌，其表面粗糙度為13.26 nm。

圖6 拋光后鋁珊的表面形貌Figure 6 Surface morphology of aluminum grid after polishing

4 結(jié)論

本文首先從化學作用方面出發(fā)，根據(jù)鋁柵CMP中自鈍化、配位溶解、傳質(zhì)3個過程的相互平衡，以及拋光液的表面張力確定了拋光液的組成和配比，進而研究拋光工藝參數(shù)對去除速率的影響。通過對鋁柵 CMP過程拋光工藝參數(shù)的研究，結(jié)合精拋和粗拋的目的，得出2種拋光工藝。粗拋過程：轉(zhuǎn)速50 r/min，流速250 mL/min，壓力3.0 psi，時間240 s。精拋過程：轉(zhuǎn)速45 r/min，流速150 mL/min，壓力2.0 psi，時間240 s。粗拋時鋁的去除速率可達330 nm/min，精拋時則為210 nm/min。兩步拋光后鋁的表面粗糙度為13.26 nm。

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[ 編輯：韋鳳仙 ]

Chemical mechanical polishing process of aluminum grid

FENG Cui-yue, ZHANG Wen-qian, LIU Yu-ling*

The influence of composition of polishing solution and mechanical polishing process parameters, including polishing pressure, rotation speed, polishing solution flow rate, and polishing time, on aluminum removal rate during aluminum grid chemical mechanical polishing was studied. The composition of polishing solution was determined as follows: H2O2as oxidant 1.0vol%, chelating agent FA/O II 0.4%, nonionic surfactant FA/O I 2.0%, nano-silica sol abrasive 12%, and pH 10. For rough polishing, the optimized process parameters are: polishing pressure 3.0 psi, rotation speed 50 r/min, polishing solution flow rate 250 mL/min, and polishing time 240 s. For fine polishing, the optimized process parameters are: polishing pressure 2.0 psi, rotation speed 45 r/min, polishing solution flow rate 150 mL/min, and polishing time 240 s. The aluminum removal rate is 330 nm/min during rough polishing and 210 nm/min during fine polishing. By combining the two polishing processes, the surface roughness of aluminum grid reaches 13.26 nm.

aluminum grid; chemical mechanical polishing; formulation; abrasive; removal rate; surface roughness

TG175.3

A

1004 - 227X (2015) 21 - 1232 - 06

2015-08-14

2015-09-30

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）；河北省教育廳基金（QN2014208）。

馮翠月（1991-），女，河北衡水人，在讀碩士研究生，主要研究方向為微電子技術(shù)與材料。

劉玉嶺，教授，博導，(E-mail) fengcuiyuehebut@163.com。