碱性抛光液对铜平坦化的影响研究

论文摘要

随着极大规模集成电路（ULSI）的发展,特征尺寸进一步减小,布线层数增加,铜布线已逐步取代铝布线应用于极大规模集成电路（ULSI）的制造。铜布线超大规模集成电路的制造主要采用大马革工艺,化学机械抛光是大马革工艺的关键步骤,而随着铜布线特征尺寸的日益减小,对抛光后铜的表面质量和平坦化要求越来越高。尽管铜的化学机械抛光发展迅速,但目前生产线上多采用酸性抛光液,其对生产设备的损害较严重。针对酸性抛光液对设备损害问题,本论文主要研究方向为对生产设备损害较小的碱性抛光液。本论文主要以铜的化学机械抛光液配方为主要研究方向,以合理的去除速率、良好的抛光后表面质量为目标,通过实验手段选定碱性条件下氧化剂、氧化剂稳定剂、络合剂、腐蚀抑制剂及磨粒等抛光液成分。测试了了抛光液中氧化剂、络合剂及腐蚀抑制剂等成分对铜抛光去除速率和抛光后表面质量的影响并最终得到优化配方为:0.6%过氧化氢,2000ppm过氧化氢稳定剂,100mM/L乙二胺,2%二氧化硅溶胶,67mM/L山梨酸钾或1%亚乙基硫脲。使用优化后抛光液所达到的去除速率在100～1400nm/min可调节,表面粗糙度在1.4～2nm之间。采用电化学分析和X射线光电子能谱技术分析了抛光液中氧化剂、络合剂和腐蚀抑制剂的作用机理。结果表明:氧化剂过氧化氢能在表面形成一层成分为CuO和Cu2O的钝化膜,起到对抛光铜表面的保护、防止铜的溶解腐蚀的作用。而络合剂乙二胺则加速了抛光液与铜的化学反应,增大了铜的溶解速率,并且使氧化剂在铜表面形成的钝化层变得多孔疏松,有利于机械去除,二者在化学机械抛光中相互作用最终实现材料的去除。在过硫酸铵-二乙烯三胺五亚甲基膦酸（DTPMPA）体系下研究了二氧化硅磨粒粒径对抛光速率和质量的影响。实验发现,随着磨粒粒径的增大,抛光过程中摩擦系数随之增大,机械作用增强。在基础液配方上加入1%的80nm的二氧化硅颗粒,抛光后得到的表面粗糙度最小,为0.9nm,且表面均匀,无腐蚀坑和划痕。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 ULSI 发展简介
• 1.1.2 CMP 技术简介
• 1.2 抛光液研究现状
• 1.2.1 氧化剂
• 1.2.2 络合剂
• 1.2.3 腐蚀抑制剂
• 1.2.4 磨粒
• 1.2.5 其他添加剂
• 1.3 本论文主要研究工作
• 第2章 铜化学机械抛光的实验方法与设备
• 2.1 化学机械抛光
• 2.1.1 试样
• 2.1.2 化学机械抛光机
• 2.1.3 化学机械抛光实验参数
• 2.1.4 抛光后材料去除率的计算方法
• 2.1.5 表面形貌的测量
• 2.2 电化学分析
• 2.3 XPS 分析
• 第3章 抛光液中氧化剂的作用
• 3.1 引论
• 3.2 氧化剂的选择
• 3.2.1 过氧化氢
• 3.2.2 过氧化氢稳定剂
• 3.2.2.1 单一型稳定剂添加剂
• 3.2.2.2 成品稳定剂
• 3.3 过氧化氢含量对铜的电化学作用分析
• 3.4 过氧化氢作用的XPS 分析
• 3.5 过氧化氢的抛光作用效果
• 3.5.1 过氧化氢含量对材料去除率的影响
• 3.5.2 过氧化氢含量对表面质量的影响
• 3.6 小结
• 第4章 抛光液中络合剂的作用
• 4.1 引论
• 4.2 络合剂的选择
• 4.3 乙二胺的抛光作用效果分析
• 4.3.1 乙二胺对pH 值的影响
• 4.3.2 乙二胺对铜的电化学作用分析
• 4.3.3 乙二胺的抛光作用效果分析
• 4.3.3.1 乙二胺含量对抛光去除速率的影响
• 4.3.3.2 不同过氧化氢含量下抛光去除速率随乙二胺含量的变化
• 4.3.3.3 乙二胺含量对抛光后表面质量的影响
• 4.4 小结
• 第5章 抛光液中腐蚀抑制剂的作用
• 5.1 引论
• 5.2 腐蚀抑制剂的选择
• 5.2.1 BTA 作为腐蚀抑制剂
• 5.2.2 其他类腐蚀抑制剂对铜抛光的影响
• 5.2.2.1 山梨酸钾作为腐蚀抑制剂
• 5.2.2.2 亚乙基硫脲作为腐蚀抑制剂
• 5.3 小结
• 第6章 抛光液中磨粒的作用
• 6.1 引论
• 6.2 二氧化硅颗粒形貌
• 6.2.1 样品制备
• 6.2.2 二氧化硅颗粒的SEM 形貌
• 6.3 颗粒粒径对化学机械抛光的影响
• 6.3.1 二氧化硅颗粒粒径对去除速率的影响
• 6.3.2 二氧化硅颗粒含量对去除速率的影响
• 6.3.3 二氧化硅颗粒粒径对表面形貌的影响
• 6.4 小结
• 第7章结论与展望
• 7.1 论文的主要工作
• 7.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果