集成电路材料前沿技术（铜化学机械抛光、氧化铝抛光液）

中国科学院上海微系统与信息技术研究所

张思齐、商志鹏供稿

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软垫对铜化学机械抛光的机械效应

随着集成电路制程节点缩小，对化学机械抛光（CMP）工艺性能提出了更高的要求。对CMP耗材深入的机理研究可以改善衬底表面缺陷并提高良率。铜已取代铝作为互连导体，在铜布线中，已经使用了多步化学机械抛光（CMP），包括大块铜去除、阻挡层去除和过度抛光。使用软垫和含有小颗粒的抛光液能够更有效的减少纳米级划痕。目前，在阻挡层CMP中使用软垫代替硬垫来消除铜线凹陷并改善划痕程度。但软垫型号种类多，对软抛光垫抛光机理的深入研究仍不够充分。

最近，韩国成均馆大学机械工程学院的研究人员从机械效应的角度对铜膜的软垫抛光进行了研究，系统地评估了市售软垫的机械性能。

研究首先分析了压力和磨料浓度对材料去除率（MRR）、非均匀性和抛光铜粗糙度的影响。计算了MRR率随外加压力、磨料浓度和滑动速度的指数增长。随后，基于垫表面粗糙度、抛光铜表面粗糙度和表面元素组成，分析具有和不具有刷子修整的软垫抛光的一致性。

软垫的工艺研究结果表明：在高压力和磨料浓度下，获得了更高的MRR和非均匀性。研究监测了不同压力和滑动速度下的摩擦系数和摩擦阻力系数的变化，并拟合到Stribeck曲线和Prestonian方程中，以确定其摩擦学行为，结果表明，摩擦力仍处于部分润滑状态，压力和滑动速度的指数影响因子均在0.64左右，而磨料浓度的指数影响因子为0.22。刷子修整使抛光垫的粗糙度偏移，使抛光过程不稳定。如果没有刷子修整，抛光碎屑会积聚在抛光垫表面并降低MRR，导致大量有机元素因机械磨损不足而保留在铜膜上。因此适当的调节刷子频率平衡抛光残留物的去除和垫粗糙变形能够提升抛光性能。

这项研究本研究从机械效应的角度对铜膜的软垫抛光进行了研究，对优化Cu化学机械抛光工艺具有重要意义。

图1：不同状态下的软垫SEM图像（a）新的软质垫、（b）调节后的垫、（c）抛光后的垫的表面状态和（d-e）相应的SEM放大图像。

相关研究成果以“The mechanical effect of soft pad on copper chemical mechanical polishing”发表于Materials Science in Semiconductor Processing 上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.107256

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氧化铝悬浮液分散稳定性及化学

机械抛光性能的改善

化学抛光(CMP)作为一种先进的SiC基板制备技术，可使用抛光液在一定的抛光压力下对基底表面进行整体平坦化抛光。通常抛光液由纳米颗粒悬浮液、氧化剂、有机化合物、pH调节剂等组成。磨料的平均粒径、粒径分布以及与纳米颗粒悬浮液相关的颗粒表面电荷等会对硅CMP的性能产生影响，因此制备一种具有良好稳定性和分散性的纳米颗粒悬浮液是制备SiC衬底的先决条件。

由于在抛光过程中颗粒的聚集会在晶片表面造成划痕，因此氧化铝悬浮液的分散稳定性是硅化学抛光(CMP)中大规模应用的一个障碍。近期，河北工业大学研究人员采用三种不同的聚合物分散剂，包括具有非离子性质的聚乙二醇(PEG)、具有阴离子性质的聚丙烯酸钠(PAAS)及其三嵌段共聚物聚丙烯酸-b-PEG-b-聚丙烯酸(PAEG)来改善氧化铝悬浮液的物理化学性能。

通过CMP实验对所制备的Al2O3悬浮液的抛光性能进行研究。结果表明，与PEG和PAAS相比，添加适量PAEG的悬浮液具有粘度低（粘度<3 mPa·s),稳定性好(Zeta电位< -50 mV),单分散（多分散指数<0.1)的优点,具有较好的分散性和稳定性。吸附等温线表明分散剂在氧化铝颗粒上的吸附符合Langmuir模型，PAEG与氧化铝颗粒之间的吸附强度最高。在此基础上，结合FTIR光谱的实验分析和粒子间总势能的理论解释，提出了PEG、PAAS和PAEG分散剂的稳定机理分别为空间稳定机理、静电稳定机理和静电稳定机理。用PAEG作为分散剂制备的悬浮液对SiC基体进行抛光，获得较高去除率(382nm/h)和较低表面粗糙度(Ra:1.85nm)。研究结果可用于指导先进功率半导体器件的SiC衬底的制造。

图2：Al2O3粒子在不同分散剂悬浮液中的分散稳定机理图；(a)PEG；(b)PAAS；(c)PAEG。

相关研究成果以“Improvement in dispersion stability of alumina suspensions and corresponding chemical mechanical polishing performance”发表于Applied Surface Science上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153703

来源：集成电路材料研究