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表面活性剂在集成电路多层布线CMP工艺中的应用研究

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润滑与密封 2024年第1期49卷 155-162页

作者：占妮牛新环闫晗罗付屈明慧刘江皓邹毅达周建伟河北工业大学电子信息工程学院天津300130 天津市电子材料与器件重点实验室天津300130

随着集成电路(IC)特征尺寸不断缩小,集成电路多层布线加工精度面临更高的要求,而化学机械抛光(CMP)凭借化学腐蚀和机械磨削的耦合协同作用,成为实现晶圆局部和全局平坦化的唯一可靠技术。抛光液作为CMP工艺中关键要素之一,其主要成分表... 详细信息

随着集成电路(IC)特征尺寸不断缩小,集成电路多层布线加工精度面临更高的要求,而化学机械抛光(CMP)凭借化学腐蚀和机械磨削的耦合协同作用,成为实现晶圆局部和全局平坦化的唯一可靠技术。抛光液作为CMP工艺中关键要素之一,其主要成分表面活性剂的选择以及含量会严重影响晶圆的表面质量。介绍表面活性剂的特性及其类型,回顾近年来国内外表面活性剂在集成电路多层布线相关材料CMP中的应用及作用机制,归纳总结得出表面活性剂在CMP过程中可以起到缓蚀保护、增强润湿、分散磨料、去除晶圆表面残留污染等多种作用,具有广泛的应用领域。同时,对表面活性剂在CMP中的应用前景进行了展望。

关键词：表面活性剂化学机械抛光多层布线集成电路抛光液

BTA与TT-LYK对铜CMP缓蚀效果和协同效应研究

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润滑与密封 2024年第2期49卷 89-97页

作者：孟妮张祥龙李相辉谢顺帆邱宇轩聂申奥何彦刚河北工业大学电子信息工程学院天津300130 天津市电子材料与器件重点实验室天津300130

在铜化学机械抛光中,由于典型缓蚀剂苯并三氮唑(BTA)对铜表面化学保护作用非常强烈,造成铜去除速率过低的现象。为了获得更好的缓蚀效果和铜表面质量,在近中性溶液中,对BTA缓蚀剂和新型缓蚀剂2,2′-[[(甲基-1H-苯并三唑-1-基)甲基]亚氨... 详细信息

在铜化学机械抛光中,由于典型缓蚀剂苯并三氮唑(BTA)对铜表面化学保护作用非常强烈,造成铜去除速率过低的现象。为了获得更好的缓蚀效果和铜表面质量,在近中性溶液中,对BTA缓蚀剂和新型缓蚀剂2,2′-[[(甲基-1H-苯并三唑-1-基)甲基]亚氨基]双乙醇-(TT-LYK)的缓蚀效果进行比较,并对2种缓蚀剂的复配效果进行研究。结果表明:在近中性溶液中,BTA和TT-LYK均可以有效抑制铜表面腐蚀;2种缓蚀剂复配后具有协同作用,添加到抛光液中可得到更好的铜表面质量和更低的粗糙度,这可能是由于2种缓蚀剂的钝化膜类别相似,使得在一种缓蚀剂形成配合物的基础上,另一种缓蚀剂对生成的钝化膜进行补充,使得双层钝化膜更致密,能更好地保护铜表面不受腐蚀。

关键词：化学机械抛光铜混合缓蚀剂苯并三氮唑表面粗糙度

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集成电路钴化学机械抛光缺陷控制的研究进展

润滑与密封 2023年第7期48卷 190-197页

作者：纪金伯张男男檀柏梅张师浩闫妹李伟河北工业大学电子信息工程学院天津300130 天津市电子材料与器件重点实验室天津300130

钴(Co)因拥有较低的电阻率、良好的热稳定性、与Cu黏附性好等优点,可以替代钽(Ta)成为铜(Cu)互连结构的阻挡层;当特征尺寸减小到10 nm后,由于Co良好的抗电迁移能力,可以在很薄的阻挡层上实现无空隙填充,作为理想的互连金属候选材料,表... 详细信息

钴(Co)因拥有较低的电阻率、良好的热稳定性、与Cu黏附性好等优点,可以替代钽(Ta)成为铜(Cu)互连结构的阻挡层;当特征尺寸减小到10 nm后,由于Co良好的抗电迁移能力,可以在很薄的阻挡层上实现无空隙填充,作为理想的互连金属候选材料,表现出了巨大的应用潜力。但由于Co的反应活性较强,以及不同金属材料之间的腐蚀电位差异,在化学机械抛光(CMP)过程中容易形成点蚀和电偶腐蚀缺陷,严重影响器件的性能,而成为研究的热点。综合分析近年来关于钴CMP过程中表面缺陷的产生及控制的相关研究,重点分析抛光液中的络合剂、缓蚀剂等成分对于钴表面缺陷的产生以及控制的作用机制;指出在碱性环境下,选择合适的缓蚀剂和络合剂以及利用不同缓蚀剂的协同作用,可以有效控制点蚀缺陷的发生,并指出量子化学可从分子层面上定性定量地分析抛光液中各试剂的相互协同机制,为抛光液的设计提供理论支撑。

关键词：集成电路钴化学机械抛光点蚀电偶腐蚀

H_(2)对HfO_(2)衬底上等离子体增强化学气相沉积石墨烯的影响

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稀有金属与硬质合金 2023年第5期51卷 78-84页

作者：杨玉帅王伟樊瑞祥王凯武海进马勤政河北工业大学电子信息工程学院天津300401 天津市电子材料与器件重点实验室天津300401

HfO_(2)薄膜和石墨烯是用于制作石墨烯场效应晶体管的主要材料,而采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在HfO_(2)衬底上原位生长石墨烯是极具潜力的一种石墨烯制备方法,这种方法有助于降低石墨烯转移过程对石墨烯质量的影响,从而提高... 详细信息

HfO_(2)薄膜和石墨烯是用于制作石墨烯场效应晶体管的主要材料,而采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在HfO_(2)衬底上原位生长石墨烯是极具潜力的一种石墨烯制备方法,这种方法有助于降低石墨烯转移过程对石墨烯质量的影响,从而提高石墨烯场效应晶体管的性能。使用真空电子束蒸镀方法在重掺杂单抛硅片衬底上分别于50、150、250℃下沉积了100 nm厚的HfO_(2)薄膜样品;随后选用最优质量的HfO_(2)薄膜作为生长石墨烯的衬底,采用PECVD方法在温度为600℃、CH4流速为4 sccm的条件下,以不同的H2流速(0、5、10、15、20 sccm)原位生成石墨烯薄膜。结果显示,150℃下蒸镀的HfO_(2)薄膜粗糙度最低,表面最平整,同时也拥有最佳的介电性能。当H2流速为10 sccm时,可获得少层石墨烯薄膜,此时的石墨烯薄膜缺陷最小,表面平整且连续性好。通过对HfO_(2)衬底上石墨烯的生长机理进行分析发现,HfO_(2)衬底的低表面能导致含碳物种难以吸附到衬底上,石墨烯不易生长,但适当的H2参与可以有效降低CH4裂解反应的活化能,促进CH4的裂解,有利于生长出大面积的连续型石墨烯薄膜。

关键词： HfO_(2)薄膜石墨烯真空电子束蒸镀等离子体增强化学气相沉积 H2 生长机理

阴离子表面活性剂及复配对阻挡层抛光液性能的影响

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润滑与密封 2023年第12期48卷 46-54页

作者：王方圆宋国强檀柏梅杜浩毓王晓龙河北工业大学电子信息工程学院天津300130 天津市电子材料与器件重点实验室天津300130

为提高铜互连化学机械抛光(CMP)后表面质量,在抛光液中需引入适当的表面活性剂以改善磨料的稳定性以及CMP后铜的表面粗糙度。研究了十二烷基硫酸铵(ADSA)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)、直链烷基苯磺酸(LABSA)3种不同阴离子表面活性剂... 详细信息

为提高铜互连化学机械抛光(CMP)后表面质量,在抛光液中需引入适当的表面活性剂以改善磨料的稳定性以及CMP后铜的表面粗糙度。研究了十二烷基硫酸铵(ADSA)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)、直链烷基苯磺酸(LABSA)3种不同阴离子表面活性剂,以及非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)和LABSA复配表面活性剂对钽阻挡层抛光液润湿性、分散性以及对材料去除速率的影响。通过接触角测量仪、纳米粒度仪、扫描电镜和原子力显微镜测试表面张力、接触角、大颗粒数、粒径分布以及CMP后铜的表面粗糙度,并分析复配表面活性剂的作用机制。结果表明:抛光液中加入LABSA后,因其具有直链型结构,抛光液的润湿性和分散性效果最好,抛光后铜表面的粗糙度最低;AEO-9和LABSA进行复配,相较于单一的LABSA,抛光液的润湿性、分散性、稳定性和抛光后铜表面粗糙度均有所改善,体积分数0.1%LABSA+0.1%AEO-9的复配表面活性剂性能最优,CMP后铜表面粗糙度降至0.7 nm。

关键词：化学机械抛光表面活性剂润湿性粗糙度抛光液

聚甲基丙烯酸对STI CMP中SiO和SiN去除速率选择比的影响

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半导体技术 2023年

作者：李相辉张祥龙孟妮聂申奥邱宇轩何彦刚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

在浅沟槽隔离(STI)化学机械抛光(CMP)中，需要保证极低的Si3N4去除速率，以及相对较高的SiO2去除速率，并且要达到SiO2与Si3N4的去除速率选择比大于30的要求。在CeO2磨料质量分数为0.25%，抛光液p H=4的前提下，研究了聚甲基丙烯酸(PMAA... 详细信息

在浅沟槽隔离(STI)化学机械抛光(CMP)中，需要保证极低的Si3N4去除速率，以及相对较高的SiO2去除速率，并且要达到SiO2与Si3N4的去除速率选择比大于30的要求。在CeO2磨料质量分数为0.25%，抛光液p H=4的前提下，研究了聚甲基丙烯酸(PMAA)对SiO2与Si3N4去除速率以及二者去除速率选择比的影响，分析了PMAA在影响SiO2与Si3N4去除速率过程中的作用机理。结果表明，PMAA的加入可以降低SiO2与Si3N4的去除速率，当PMAA的质量分数为120×10-6时，SiO2和Si3N4的去除速率分别为185.4 nm/min和3.0 nm/min，去除速率选择比为61。抛光后SiO2与Si3N4晶圆表面有较好的表面粗糙度，分别为0.290 nm和0.233 nm。

关键词：浅沟槽隔离(STI) 化学机械抛光(CMP) 二氧化硅(SiO ) 氮化硅(Si N ) 聚甲基丙烯酸(PMAA) 去除速率选择比

ATMP在钴互连集成电路钴膜CMP中的作用机理研究

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电子元件与材料 2022年第9期41卷 968-973页

作者：王昊黄浩真曹静伟夏荣阳潘国峰河北工业大学电子信息工程学院天津300130 天津市电子材料与器件重点实验室天津300130

为了提高钴互连集成电路钴膜化学机械平坦化(CMP)中钴的去除速率以及Co/TiN去除速率选择性,研究了氨基三甲叉膦酸(ATMP)作为络合剂,在钴互连集成电路钴膜CMP中的作用机理。通过CMP、电化学、X射线电子光谱等实验探究了ATMP的络合性能,采... 详细信息

为了提高钴互连集成电路钴膜化学机械平坦化(CMP)中钴的去除速率以及Co/TiN去除速率选择性,研究了氨基三甲叉膦酸(ATMP)作为络合剂,在钴互连集成电路钴膜CMP中的作用机理。通过CMP、电化学、X射线电子光谱等实验探究了ATMP的络合性能,采用X射线电子光谱以及密度泛函理论的建模仿真对ATMP在抛光液中的络合机理进行了深入分析。实验结果表明:ATMP的添加不同程度地加快了钴和氮化钛腐蚀,可以有效地提高钴互连集成电路钴膜CMP的去除速率以及Co/TiN去除速率选择性;X射线电子光谱实验显示ATMP的络合作用可以降低钴表面氧化层的厚度;根据密度泛函理论计算结果可以发现,ATMP中的磷酸基团为活性位点,与晶圆表面金属离子形成络合物,从而实现快速去除。可见ATMP可以作为络合剂应用于钴布线钴膜CMP制程。

关键词：钴平坦化络合 ATMP 密度泛函理论

HfO_(2)薄膜的亲疏水性对石墨烯沉积的影响

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电子元件与材料 2022年第12期41卷 1307-1311,1323页

作者：樊瑞祥王伟刘姗杨玉帅王凯河北工业大学电子信息工程学院天津300401 天津市电子材料与器件重点实验室天津300401

研究了在不同表面润湿性的HfO_(2)薄膜上沉积石墨烯的质量,判断了不同表面能大小碳原子的沉积方向。采用电子束工艺制备不同生长时间的HfO_(2)薄膜,经过静态接触角测量可知,所有HfO_(2)薄膜均为疏水性,且随着薄膜厚度的增加,表面疏水性... 详细信息

研究了在不同表面润湿性的HfO_(2)薄膜上沉积石墨烯的质量,判断了不同表面能大小碳原子的沉积方向。采用电子束工艺制备不同生长时间的HfO_(2)薄膜,经过静态接触角测量可知,所有HfO_(2)薄膜均为疏水性,且随着薄膜厚度的增加,表面疏水性加强。再通过等离子体化学气相沉积工艺在HfO_(2)样品表面制备石墨烯薄膜。通过拉曼测试得出,表面中性润湿性基底对于碳沉积密度贡献不大;表面微疏水性基底对于碳原子总沉积量增益不大,但是对于形成sp2轨道的碳碳双键则增强明显,原因主要是由于碳原子在表面横向迁移的作用增强,从而形成大面积石墨烯薄膜。

关键词： HfO_(2)薄膜石墨烯掠入射X射线衍射表面接触角等离子体化学气相沉积

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衬底材料对石墨烯薄膜生长影响研究

电子元件与材料 2022年第7期41卷 680-685页

作者：刘姗王伟蒋志伟樊瑞祥杨玉帅王凯河北工业大学电子信息工程学院天津300401 天津市电子材料与器件重点实验室天津300401

石墨烯薄膜在集成电路领域有着光明的前景,为提高石墨烯原位生长质量,研究了石墨烯薄膜分别在Ni、SiO_(2)以及HfO_(2)衬底上的生长情况与成膜机理。采用电子束蒸镀制备了金属Ni与HfO_(2)高K介质薄膜,利用等离子体化学气相淀积(PECVD)法... 详细信息

石墨烯薄膜在集成电路领域有着光明的前景,为提高石墨烯原位生长质量,研究了石墨烯薄膜分别在Ni、SiO_(2)以及HfO_(2)衬底上的生长情况与成膜机理。采用电子束蒸镀制备了金属Ni与HfO_(2)高K介质薄膜,利用等离子体化学气相淀积(PECVD)法在温度为450℃、衬底偏压为100 V、射频功率为100 W的条件下,分别以Ni、SiO_(2)和HfO_(2)薄膜为衬底制备石墨烯薄膜。测试表明,Ni、SiO_(2)和HfO_(2)衬底均沉积了石墨烯薄膜,其中Ni衬底石墨烯薄膜样品最厚、缺陷最高;SiO_(2)和HfO_(2)石墨烯样品缺陷低,但石墨烯薄膜在HfO_(2)衬底的覆盖率低;通过Ni、SiO_(2)和HfO_(2)薄膜的表面能入手分析得出,碳原子在Ni表面以溶解-析出方式形成连续薄膜,以直接沉积模式在绝缘衬底上生长,高表面能导致石墨烯薄膜在HfO_(2)表面覆盖率低。

关键词：石墨烯薄膜等离子体化学气相淀积 HfO2薄膜表面能碳原子沉积