HfOx鑲嵌結(jié)構(gòu)的CMP及其機理研究.pdf

1、過渡金屬氧化物材料氧化鉿（HfOx）以其優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于微電子器件和光電子器件等領(lǐng)域，同時，相關(guān)的高性能器件對疊層材料的表面和界面也提出了極高的要求。在IC領(lǐng)域中，既能保證疊層材料的全局平坦化，又能實現(xiàn)器件的互連鑲嵌結(jié)構(gòu)的唯一技術(shù)就是化學(xué)機械平坦化（CMP）。作為下一代非揮發(fā)性存儲器（NVM）最有力的競爭者之一的阻變存儲器（RRAM）必須完成高密度高集成才可彰顯其優(yōu)勢，因此，存儲功能材料及相關(guān)電極材料的平坦化技術(shù)成為RRAM產(chǎn)業(yè)

2、化推進(jìn)的關(guān)鍵所在（ITRS-2005已經(jīng)預(yù)測了NVM中的平坦化技術(shù)是不可或缺的關(guān)鍵工藝）。HfOx基 RRAM被業(yè)界預(yù)測為最有可能或最早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的阻變器件之一，本論文針對HfOx基NVM器件制作過程中的關(guān)鍵工藝——CMP，開展了研究。主要研究了拋光液組分和拋光工藝參數(shù)對裸片和帶通孔結(jié)構(gòu)的HfOx-CMP的影響；結(jié)合AFM和FTIR等測試表征，對HfOx-CMP機理進(jìn)行了初步探索；并基于HfOx-CMP工藝的優(yōu)化制作了鑲嵌（通孔）結(jié)構(gòu)的

3、阻變器件。
　　本文首先通過pH值、添加劑NaBF4濃度和磨料粒徑對拋光液進(jìn)行了優(yōu)化，從拋光速率、表面均方根（RMS）粗糙度以及拋光液穩(wěn)定性方面進(jìn)行了綜合評判，發(fā)現(xiàn)當(dāng) pH=6時，利用39.9nm的SiO2磨料在含0.2wt％-NaBF4的拋光液中對HfOx薄膜進(jìn)行拋光，拋光速率可達(dá)70.1nm/min，拋光后表面粗糙度可達(dá)0.3nm，同時對SiO2的拋光選擇比大于10；其次，利用最佳拋光液工藝參數(shù)，研究了拋光下壓力和拋光盤轉(zhuǎn)速對

4、材料去除速率和表面粗糙度的影響，隨著下壓力和拋光盤轉(zhuǎn)速的增大，HfOx的拋光速率成線性增加，符合Preston方程，但對表面粗糙度影響不大；同時，還對不同尺寸通孔經(jīng)HfOx-CMP后形成的dishing情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)通孔尺寸由3μm增大至9μm時，dishing由19.80nm增加至60.85nm，但不同通孔dishing分布的離散性無較大變化。
　　接著，在HfOx-CMP工藝研究的基礎(chǔ)上，對其拋光機理進(jìn)行了探索，一方面

5、，根據(jù)對拋光下壓力與拋光盤轉(zhuǎn)速乘積的擬合，對Preston方程進(jìn)行了修訂：RR=kPV+Rc，根據(jù)擬合結(jié)果得出截距Rc（5.58nm/min）與實驗中HfOx腐蝕速率（~5.2nm/min）基本一致，因此將其定義為HfOx的靜態(tài)腐蝕速率；另一方面，利用AFM和FTIR對拋光前后和經(jīng)NaBF4溶液腐蝕前后的HfOx薄膜表面進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)在拋光過程中有表面層的生成，軟化了HfOx表面，促進(jìn)了拋光的進(jìn)行。結(jié)合以上兩方面的分析，初步探索出Hf

6、Ox的拋光機理為：HfOx薄膜首先與添加劑 NaBF4反應(yīng)生成硬度相對較小的表面層，接著在磨料機械磨削作用下，表面層被去除，兩步過程交替進(jìn)行完成對HfOx薄膜的拋光。
　　最后，基于對HfOx-CMP工藝的優(yōu)化和機理的分析，制作了通孔結(jié)構(gòu)的HfOx基阻變器件，進(jìn)行了電學(xué)性能的測試，并與無結(jié)構(gòu)阻變器件進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：通孔結(jié)構(gòu)阻變器件具有較小的Set電壓、較小的Set電壓和高低阻態(tài)分布的離散性，并且，通孔結(jié)構(gòu)阻變器件cell間S