铜的电化学机械平整工艺优化及机理研究

论文摘要

在集成电路芯片的制造中,为了实现多层互连和层间数据高速传输,必须进行全局平坦化。而随着铜/低k互连结构的广泛应用,原有的化学机械平整化（CMP）技术因其过程中较大的下压力会对层间低k介质造成损伤和蝶形效应等缺点,已不能满足下一代芯片的制造要求。新兴的电化学机械平整化（ECMP）技术通过外加阳极电势,依靠电化学和机械的协同作用,以极低的下压力高速去除铜。ECMP过程中的材料去除率直接与外加电压有关,而与下压力无关,所以可以实现对互连芯片的高速无损伤平整化,具有广阔的应用前景。本文针对互连结构芯片基材铜,采用三电极体系,在改进的圆平动销-盘式摩擦磨损试验机上进行铜的ECMP的宏观台架试验,并提出了优选ECMP工艺条件的方法。首先,利用线性扫描伏安法和计时电流法,研究了静态条件下铜在含有不同浓度腐蚀抑制剂BTA的H3PO4、KOH、KH2PO4、K2HPO4和K3PO4等溶液中,多种电压下的电化学特性。以阳极电流、材料去除率、腐蚀抑制效率等参数为依据优选了抛光液和电压范围等ECMP试验条件。随后在该条件下进行了铜的ECMP试验。根据试验结果,最终确定出最优的ECMP工艺条件为0.5V电压下的30%H3PO4+0.01M BTA抛光液。并且研究了电压、转速和载荷对材料去除率的影响规律。在用原子力显微镜的标准接触模式下,检测了ECMP试验后铜的表面形貌,分析了电压等因素对ECMP后铜表面质量的影响。为了进一步观察Cu-BTA膜的性质,采用金刚石研磨膏抛光得到了较高精度的初始铜表面,随后在自制的电化学池内对铜进行静态下的电化学处理并用原子力显微镜分析其表面形貌,研究了Cu-BTA膜的形成和存在条件。从分子角度阐述了ECMP过程中的微观电化学机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 铜/低k互连工艺简介
• 1.2.2 化学机械平整技术概述
• 1.2.3 电化学机械平整技术概述
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 电化学机械平整试验系统及试验方法
• 2.1 电化学机械平整试验系统
• 2.2 电化学机械平整试验测量方法
• 2.2.1 摩擦信号的测量
• 2.2.2 电化学信号的测量
• 2.2.3 材料去除率的测量和分析
• 2.3 电化学机械平整试件、试剂及试验条件
• 2.4 电化学机械平整试验方案
• 2.5 本章小结
• 第3章 电化学机械平整工艺优化研究
• 3P0₄ 中的电化学机械平整工艺研究'>3.1 铜在H₃P0₄中的电化学机械平整工艺研究
• 3P0₄ 中的LSV曲线'>3.1.1 铜在H₃P0₄中的LSV曲线
• 3P0₄ 中的静态腐蚀'>3.1.2 铜在H₃P0₄中的静态腐蚀
• 3P0₄ 中的电化学机械平整'>3.1.3 铜在H₃P0₄中的电化学机械平整
• 3.2 铜在KOH中的电化学机械平整工艺研究
• 3.2.1 铜在KOH中的LSV曲线
• 3.3 铜在磷酸盐中的电化学机械平整工艺研究
• 2P0₄ 中的电化学机械平整工艺研究'>3.3.1 铜在酸性磷酸盐KH₂P0₄中的电化学机械平整工艺研究
• 2HP0₄ 中的电化学机械平整工艺研究'>3.3.2 铜在弱碱性磷酸盐K₂HP0₄中的电化学机械平整工艺研究
• 3P0₄ 中的电化学机械平整工艺研究'>3.3.3 铜在强碱性磷酸盐K₃P0₄中的电化学机械平整工艺研究
• 3P0₄与KH₂P0₄ 混合溶液中的电化学机械平整工艺研究'>3.4 铜在H₃P0₄与KH₂P0₄混合溶液中的电化学机械平整工艺研究
• 3P0₄与KH₂P0₄ 混合溶液中的LSV曲线'>3.4.1 铜在H₃P0₄与KH₂P0₄混合溶液中的LSV曲线
• 3P0₄与KH₂P0₄ 混合溶液中的静态腐蚀'>3.4.2 铜在H₃P0₄与KH₂P0₄混合溶液中的静态腐蚀
• 3P0₄与KH₂P0₄ 混合溶液中的电化学机械平整'>3.4.3 铜在H₃P0₄与KH₂P0₄混合溶液中的电化学机械平整
• 3.4 载荷对电化学机械平整材料去除率的影响
• 3.5 转速对电化学机械平整材料去除率的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 电化学机械平整的微观机理分析
• 4.1 原子力显微镜的工作原理
• 4.2 电化学机械平整后铜的表面形貌分析
• 4.3 静态电化学腐蚀后铜的表面形貌分析
• 4.4 电化学机械平整过程中的微观电化学反应机理
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢