酸性氧化鋁納米顆粒的穩(wěn)定性研究及在化學機械拋光中的應(yīng)用.pdf

1、隨著第三代半導體材料SiC的廣泛應(yīng)用，工業(yè)上對其表面平整度提出了更高的要求，而目前為止，化學機械拋光是唯一能實現(xiàn)碳化硅晶圓表面光滑平整無缺陷的技術(shù)。化學機械拋光是一個復雜的工藝過程，易受拋光液pH、氧化劑、拋光參數(shù)、電解質(zhì)等等多種因素的影響，其中，磨料及其穩(wěn)定性是最主要的影響因素。拋光過程中由于拋光或者研磨導致的劃痕是造成表面缺陷的主要因素。而劃痕與磨料的硬度和穩(wěn)定性密切相關(guān)。如果磨料的硬度過硬，則會對晶圓表面造成劃痕、斑點等一系列不可

2、逆轉(zhuǎn)的缺陷，而如果磨料太軟，則無法將不平整的材料移除。此外，磨料顆粒發(fā)生聚集形成大的聚集顆粒，即使只有極少量的大聚集顆粒也會造成晶圓的表面劃痕。因此，選擇合適硬度的磨料并使其穩(wěn)定分散是化學機械拋光的首要問題。
　　目前，碳化硅CMP中常用的是堿性氧化硅拋光液。由于SiO2磨料硬度較低，材料移除率過低，造成拋光時間長、成本高等一系列缺點，因此，硬度僅次于SiC的氧化鋁磨料（莫氏硬度9）就成為研究的熱點。目前，對氧化鋁水分散體系穩(wěn)定性

3、的研究主要集中在堿性條件下研究，對低pH（酸性）尤其是強氧化劑存在下的穩(wěn)定性研究較少。由于SiC的強化學惰性，為強化CMP中的化學氧化作用，研究表明高錳酸鉀是最有效的氧化劑，尤其是在酸性條件下，因為高錳酸鉀在酸性條件下氧化性最強。但是在酸性條件下常用的可以提高氧化鋁分散性的表面活性劑和聚合物分散劑易被高錳酸鉀氧化而失效。因此，研究酸性條件下氧化鋁磨料顆粒在強氧化劑的水分散體系穩(wěn)定性的就具有重要的實踐意義和應(yīng)用價值。
　　基于此，本

4、文提出了一種新的可以用于碳化硅CMP中提高氧化鋁穩(wěn)定性的分散劑，并針對拋光過程中由于氧化硅和錳氧化物的吸附對氧化鋁穩(wěn)定性造成的影響進行模擬，主要包含三部分內(nèi)容:
　　第一部分，研究了在酸性條件下氧化鋁磨料在拋光中常用的幾種氧化劑溶液中的分散穩(wěn)定性以及pH、離子強度、電解質(zhì)價態(tài)對顆粒穩(wěn)定性的影響，并且研究了硝酸鋁對氧化鋁的分散穩(wěn)定性的影響。確定了四種鹽的臨界聚沉濃度分別是:硝酸鉀0.15M、高錳酸鉀0.04M、過硫酸鉀0.0015M

5、、鐵氰化鉀0.003mM。證明了硝酸鋁可以穩(wěn)定氧化鋁pH24h不發(fā)生漂移且具有酸堿緩沖作用，加入適量的硝酸鋁可以提高氧化鋁在拋光中常用氧化劑中的分散穩(wěn)定性;
　　第二部分，模擬了拋光過程中拋掉的氧化硅和高錳酸鉀的還原產(chǎn)物錳氧化物吸附在氧化鋁表面對磨料穩(wěn)定性的影響，研究了氧化硅的濃度、大小、抗壞血酸濃度（即錳氧化物的濃度）對氧化鋁穩(wěn)定性的影響以及硝酸鋁和表面活性劑對體系穩(wěn)定性的影響。證明了氧化硅和錳氧化物會吸附在氧化鋁的表面，使氧化

6、鋁顆粒穩(wěn)定性降低。而加入硝酸鋁則會與帶負電的氧化硅和錳氧化物作用，降低氧化硅和錳氧化物的zeta電勢或反轉(zhuǎn)，使其與氧化鋁的相互作用減弱，體系穩(wěn)定性提高，對氧化鋁-氧化硅體系來說，最佳的硝酸鋁濃度為0.3wt％。此外，加入陰離子表面活性劑SDS和陽離子表面活性劑DTAB也可以提高氧化鋁-氧化硅體系的穩(wěn)定性。
　　第三部分，對文中提出的酸性氧化鋁拋光液配方在SiC化學機械拋光中的應(yīng)用進行了研究。采用原子力顯微鏡和光學顯微鏡對碳化硅的表

7、面粗糙度和光滑度進行表征。以氧化鋁為磨料，高錳酸鉀為氧化劑的拋光液拋光后材料移除率明顯提高，MRR隨高錳酸鉀濃度增加而增加，當高錳酸鉀濃度為0.4wt％時，C面MRR可以達到4.85μm/h，表面光滑度隨高錳酸鉀濃度增加先增加后降低，確定最佳的高錳酸鉀濃度為0.25wt％，拋光前后pH漂移為3.5-5.2，漂移較大，使得表面依然有少量劃痕存在，而加入硝酸鋁后，Si面的整體速率在1μm/h，拋光前后pH由3.5變?yōu)?.9，漂移較小，氧化鋁