磨料粒径对铝栅CMP去除速率和粗糙度的影响

发布时间：2019-09-22 14:47

【摘要】：在铝栅化学机械平坦化(CMP)中磨料直接影响去除速率和表面粗糙度。采用不同粒径的磨料配置抛光液对铝栅进行CMP实验,对去除速率和表面形貌测试结果进行分析。结果表明,去除速率与参与抛光的磨料颗粒数目和单个颗粒去除速率有关,表面粗糙度与单个磨料颗粒机械作用和抛光后磨料颗粒表面吸附有关,并对抛光液稳定性进行了研究。最终选用粒径70 nm,质量分数为5%的磨料,去除速率可达到181 nm/min,表面粗糙度为9.1 nm,对今后铝栅CMP的研究提供了参考。
【图文】：

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Intel公司在2007年率先研发出高k金属栅(HKMG)结构的电子产品，实现了技术的突破［3］。HKMG技术已经广泛应用在45nm以下技术节点，作为HKMG中的替代金属栅极(ＲMG)已经将栅电极材料替换为铝［4］。因此为了解决铝栅化学机械平坦化(CMP)制造工艺的要求，研究纳米SiO2作用对提高CMP技术水平具有重要意义。磨料是抛光液中重要的组成部分，在抛光过程中主要起机械作用，随着抛光头和抛光垫的相对转动与铝表面化学反应生成物进行磨损，对其进行去除。图1为抛光示意图。磨料在质量传递中作为反应物和生成物的载体，将反应物带入抛光界面，将生成物带出抛光界面，最终实现化学作用和机械作用达到平衡，提高去除速率［5］。但磨料的机械作用也容易产生划痕和颗粒残留缺陷，从而增加了表面粗糙度［6］。磨料粒径与抛光去除速率对抛光后表面形貌具有重要影响，，本文采用不同粒径磨料，通过实验对去除速率和表面粗糙度进行研究，得出最佳粒径的磨料，为铝栅平坦化研究提供参考。图1抛光示意图1实验实验以E460E抛光机和罗门哈斯POLITEX抛光垫(法国Alpsitec公司)为实验平台，采用与填充栅极铝金属相同的溅射方式在p型硅衬底上沉积了一层铝膜，并用线切割成δ为(2．5±0．1)mm直径76．2mm的铝片。实验所用磨料质量分数为5%，粒径分别为30、50、70、100和120nm，磨料粒径由粒径测试仪-PSS380ZLS激光纳米粒度(美国PSS粒度分析仪公司)和G2F20S-TWIN透射电子显微镜(TEM)(美国FEITecnai)进行测量，其充分有效地融合动态光散射(DLS)和电泳光散射(ELS)技术，可以多角度检测分析液态纳米颗粒系的粒度，磨料粒径如图2所示。实验使用Agilent5600LS原子力显微镜(美国)测量抛光后铝片表面粗糙度。图2硅溶胶磨料粒径TEM照片在?

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?1实验实验以E460E抛光机和罗门哈斯POLITEX抛光垫(法国Alpsitec公司)为实验平台，采用与填充栅极铝金属相同的溅射方式在p型硅衬底上沉积了一层铝膜，并用线切割成δ为(2．5±0．1)mm直径76．2mm的铝片。实验所用磨料质量分数为5%，粒径分别为30、50、70、100和120nm，磨料粒径由粒径测试仪-PSS380ZLS激光纳米粒度(美国PSS粒度分析仪公司)和G2F20S-TWIN透射电子显微镜(TEM)(美国FEITecnai)进行测量，其充分有效地融合动态光散射(DLS)和电泳光散射(ELS)技术，可以多角度检测分析液态纳米颗粒系的粒度，磨料粒径如图2所示。实验使用Agilent5600LS原子力显微镜(美国)测量抛光后铝片表面粗糙度。图2硅溶胶磨料粒径TEM照片在直径为76．2mm铝片上进行抛光，工艺参数如表1所示。表1CMP工艺参数工作压力13．780kPa背压0kPa抛头转速55r/min抛盘转速60r/min流量150mL/min抛光时间180s实验中配置的5种抛光液的化学试剂完全相同，只是磨料粒径不同。使用称量法计算材料的去除速率，即对铝栅CMP抛光前后铝片的质量分别进行测量，测量设备为MettlerToledoAB204-N分析天平，精度为0．1mg，测量后求出抛光前后质量差，根据CMP速率计算公式计算去除速率，公式如下:MＲＲ=△mπr2ρt(1)式中:MＲＲ为材料去除速率，nm/min;△m为抛光前后质量差，mg;r为半径(=3．81cm);ρ为材料密度(ρ=2．69g/cm3);t为抛光时间，s。2结果与讨论2．1不同磨料粒径对去除速率的影响在Al-CMP过程中存在化学作用和机械作用，化学作用是铝表面通过化学反应生成氧化膜，机械作用是磨料通过抛光头在压力作用下与抛光垫对铝片进行磨削，提高去除速率。硅溶胶粒径与去除速率之间的关系如图3所示。小粒径单个磨料颗粒·30·Jan．2017Plat
【作者单位】：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;华北理工大学;
【基金】：国家中长期科技发展规划02科技重大专项资助项目(2009ZX02308)
【分类号】：TN305.2

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