利用“玻璃穿透”技术对Cu/硼硅酸盐玻璃化学机械抛光过程中的材料去除速率进行选择性控制

《Applied Surface Science》：Selective control on material removal rate in chemical mechanical polishing of Cu/borosilicate glass using through-glass via technology

三维封装中通过玻璃互连（TGV）的化学机械抛光（CMP）面临铜与硼硅玻璃同步抛平的挑战。本研究系统探究了过氧化氢（H2O2）、甘氨酸和苯并三唑（BTA）在常规铜抛光液中对硼硅玻璃的化学-机械去除机制。实验表明：H2O2通过近表面水解作用显著提升玻璃去除速率至1420?/min；甘氨酸与玻璃表面硅氧烷网络发生化学作用，将表面粗糙度降低至0.24nm；BTA通过选择性钝化铜实现抛光选择性调控，其浓度可调整铜/玻璃去除选择性0.73-11.6，有效抑制铜腐蚀并确保玻璃平面化。

　　

Jongyeong Jeon|Chaerin Park|Seunghwan Lee|Gunhyoung Kim|Yechan Kim|Hyeonjeong Lee|Seokchan Lee|Hyunkyu Kim|Juyeol Lee|Taesung Kim

韩国京畿道水原市成均馆大学机械工程系

摘要

通过玻璃通孔（TGV）技术是一种有前景的先进三维封装中介层平台，但对TGV结构的化学机械平坦化（CMP）仍具有挑战性，因为必须同时实现铜（Cu）和硼硅酸盐玻璃的平坦化，并抑制凹陷和侵蚀现象。尽管TGV中介层的重要性日益增加，但在传统Cu浆料系统中，关于硼硅酸盐玻璃的CMP行为和选择性控制尚未进行系统研究。本研究使用典型的Cu浆料添加剂（包括H₂O₂、甘氨酸和苯并三唑（BTA））来探讨硼硅酸盐玻璃在CMP过程中的化学和机械响应。H₂O₂可诱导硼硅酸盐玻璃表面水解，增加非桥接氧和Si–OH基团，通过近表面软化作用将玻璃去除速率提高到每分钟1420埃。甘氨酸通过与硅氧烷网络的化学反应进一步改善表面平滑度，使表面粗糙度降至0.24纳米。相比之下，BTA与硼硅酸盐玻璃的相互作用微乎其微，同时通过Cu–BTA钝化作用选择性地抑制Cu的去除。通过调节BTA浓度，Cu与硼硅酸盐的去除选择性可以从11.6降低到0.73，从而在图案化的TGV结构中实现有效的平坦化。

引言

化学机械平坦化（CMP）通过机械磨损和化学反应的联合作用，实现了纳米级精度的平坦化[1]、[2]。CMP的研究范围已扩展到硬质和功能性材料（包括钻石、蓝宝石和合金）的精密加工[3]、[4]、[5]。此外，为了克服传统CMP工艺的局限性，还积极开发了环保型绿色CMP技术[6]、[7]。这些CMP技术的进步不仅在传统半导体器件制造中发挥着关键作用，也在涉及异质材料的高级集成和封装过程中具有重要意义。指导半导体器件发展半个多世纪的摩尔定律现在正接近其物理极限[8]、[9]。为了克服这些限制，三维（3D）垂直集成和先进封装技术（通常称为“超越摩尔定律”）受到了越来越多的关注[10]、[11]、[12]、[13]。随着物联网（IoT）和人工智能（AI）等应用的快速发展，中介层在3D集成电路（IC）互连中的作用变得越来越重要[14]、[15]。玻璃基板具有多种优势，如高电阻率、热膨胀系数（CTE）与硅相匹配，以及出色的成本效益[16]、[17]、[18]。因此，玻璃已成为下一代中介层的有前景的材料，大量研究致力于开发基于玻璃的中介层技术。在CMP过程中，铜（Cu）和玻璃同时被抛光，根据这两种异质材料之间的抛光选择性，可能会发生凹陷或侵蚀[19]、[20]、[21]。因此，需要详细了解玻璃的抛光机制，以提高表面质量和控制整体去除选择性。

以往关于玻璃CMP的研究主要集中在光学应用上，主要目标是使用新型化学添加剂提高材料去除速率（MRR），尤其是在基于铈的浆料中[6]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。然而，铈磨料不适合用于通过玻璃通孔（TGV）CMP，因为其不规则的颗粒形态容易在Cu表面上产生划痕。虽然有几项研究使用基于二氧化硅的浆料研究了玻璃CMP，但大多数工作都集中在二氧化硅磨料与玻璃基板之间的相互作用上[27]、[28]。在TGV应用的背景下，由于其可调的热膨胀系数（CTE）和优异的加工性能，硼硅酸盐玻璃成为了一个有前景的候选材料[29]、[30]、[31]。尽管具有这种潜力，对其抛光机制及其与Cu互连的同时抛光行为的系统研究仍然有限。现有的TGV CMP研究主要集中在通过优化浆料温度或分析沉积在玻璃基板上的Cu膜的抛光行为来抑制Cu凹陷[32]、[33]。然而，对玻璃本身的抛光机制关注较少。

在TGV CMP中，互连材料是铜。因此，向TGV浆料中引入新的化学添加剂并不简单，因为未经验证的化学物质可能会引起意外的Cu缺陷。因此，在本研究中，我们使用含有过氧化氢、甘氨酸和苯并三唑（BTA）的基于二氧化硅的Cu CMP浆料来研究硼硅酸盐玻璃的抛光机制。过氧化氢促进硼硅酸盐玻璃表面水解，导致结构软化、Si–OH基团增加以及MRR提高。甘氨酸分子与硼硅酸盐表面相互作用，改变硅氧烷基团的局部化学环境，从而促进后续的羟基化反应并提高抛光性能。相比之下，BTA浓度的变化对硼硅酸盐玻璃的去除影响较小。基于这些机制见解，有效控制了TGV图案化过程中的抛光选择性。本研究提供了仅使用现有浆料成分控制Cu和硼硅酸盐玻璃去除选择性的实用方法，无需新型化学添加剂。

材料与浆料成分

所有实验和分析均使用了4英寸硼硅酸盐玻璃晶圆（SCHOTT BF33，JWMT，韩国）。玻璃的详细性能在表1中总结。每个实验使用12片7000埃厚的Cu晶圆，切割成4厘米×4厘米的样品。使用的是Anycasting（韩国）生产的图案化晶圆，每个通孔的直径为70微米。在玻璃表面沉积了一层薄镍（Ni）以增强与Cu的粘附性，随后在Ni层上沉积Cu层

H₂O₂对硼硅酸盐玻璃去除机制的影响

过氧化氢在Cu CMP中主要作为铜的氧化剂，生成CuO、Cu₂O和Cu(OH)₂[35]。首先，我们研究了H₂O₂浓度对掺入基于二氧化硅的Cu浆料中的硼硅酸盐玻璃抛光行为的影响。准备了含有5 wt%二氧化硅磨料、0.1 wt% BTA和1 wt%甘氨酸的浆料，H₂O₂浓度范围从0变化到2 wt%。如图1(a)所示，在没有H₂O₂的情况下，MRR为1037埃/分钟

结论

本研究在TGV CMP应用的背景下，系统地研究了使用传统Cu CMP浆料添加剂（包括H₂O₂、甘氨酸和BTA）的硼硅酸盐玻璃抛光机制。基于这些机制见解，有效控制了Cu和硼硅酸盐玻璃之间的抛光选择性，并在图案抛光实验中得到了验证。主要发现总结如下：

(1)

H₂O₂提高了硼硅酸盐玻璃的抛光速率

作者贡献声明

Jongyeong Jeon：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、概念化。Chaerin Park：可视化、方法论、研究、概念化。Seunghwan Lee：资源准备、研究。Gunhyoung Kim：资源准备。Yechan Kim：资源准备。Hyeonjeong Lee：资源准备。Seokchan Lee：资源准备。Hyunkyu Kim：资源准备。Juyeol Lee：撰写——审阅与编辑、概念化。Taesung Kim：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）资助（RS-2024-00437142）。