新型铜互连阻挡层Co/TaN的化学机械抛光研究

【摘要】Co/TaN基扩散阻挡层对Cu具有良好的扩散阻挡性和粘附性,具有被应用于下一代铜互连阻挡层的潜力,但是目前关于Co基薄膜的化学机械抛光(Chemicalmechanicalpolishing,CMP)的研究非常缺乏,对于Co抛光中存在的化学腐蚀、电偶接触腐蚀、抛光机理等科学问题和实际的抛光工艺缺乏研究。因此本论文工作对科学研究和实际应用都有非常重要的意义。论文首先从传统的Ta阻挡层入手,系统研究了pH值以及H202浓度对Ta的抛光速率的影响,发现Ta只有在强酸性低H202浓度,以及强碱性高H202浓度的抛光液中具有较高抛光速率,而强酸以及强碱抛光液容易造成Cu以及low-k的损失,因而需要配制弱酸性Ta抛光液。实验结果表明,加入硫酸胍或者盐酸胍后Ta的抛光速率在2≤pH≤12的抛光液中均能有效增加。在pH=6的抛光液中,通过zeta电位数据和AFM表面形貌,实验发现硫酸胍能增强硅溶胶颗粒与Ta表面的吸附,增强在CMP过程中硅溶胶颗粒与Ta表面的接触,达到机械增强去除Ta的作用。开路电位数据表明胍盐能使Ta表面惰性变弱、活性增强,而动电位极化分析证明胍离子能与Ta表面发生化学反应,加大Ta的氧化溶解速率。因而除了机械增强以外,胍盐同时能通过化学作用增加Ta的抛光速率。论文然后研究了新型Co/TaN作为扩散阻挡层的热稳定性。利用原位XRD、SEM、AES以及电学测试等多种手段开展研究,结果表明Co(5nm)/TaN(5nm)阻挡层的稳定温度至少达到450℃。和在Ta上的Cu相比,在Co上面溅射或者电镀的Cu更容易结晶,同时结晶具有(111)择优取向,这有利于降低Cu布线电阻以及增强Cu的抗电迁移性。在此基础上,论文系统地研究了抛光液pH值、氧化剂H202、螯合剂甘氨酸以及抑制剂2-巯基噻唑啉(2-MT)和苯并三氮唑(BTA)对Co抛光的作用。研究结果表明,Co在酸性溶液中更容易腐蚀成为Co2+离子,静态腐蚀速率大于在碱性抛光液中的结果。在酸性抛光液中H202能极大加速Co的腐蚀,在pH=3的抛光液中加入5mL/LH2O2后,Co的腐蚀速率达到50nm/min以上,同时Co的抛光速率从57nm/min急剧增加到780nm/min,表明Co的CMP过程以化学作用为主。实验发现,在酸性抛光液中甘氨酸对于Co是一种很好的螯合剂,而且与H202协同作用能极大增强Co的抛光速率。甘氨酸能直接与CoO发生螯合反应,抑制CoO晶粒生成,使得Co表面粗糙度降低。论文首次发现2-MT以及BTA在不含H202抛光液液中均能抑制Co的腐蚀,而且2-MT的抑制效率更高。加入0.02mM2-MT后Co的腐蚀抑制效率达到90%。在pH=5的抛光液中加入2-MT能够抑制Cu与Co之间的电偶腐蚀。但2-MT不适用于含氧化剂抛光液。研究了在不含H2O2抛光液中的BTA吸附机理。结果表明,BTA能够通过物理吸附以及化学吸附两种方式吸附在Co表面,吸附符合Langmuir模型。通过吸附,BTA能隔离Co与化学溶液的接触,达到抑制Co腐蚀的目的。在含H202抛光液中,BTA对Co具有螯合和抑制的双重作用：当BTA浓度或者Co离子浓度低时,由于BTA可以和Co离子发生螯合反应,因而促进Co氧化为Co2+离子,增大Co的腐蚀速率以及抛光速率,BTA此时表现为螯合剂。而当BTA与Co2+离子浓度足够高,两者不溶于水的反应产物BTA-Co充足到可以覆盖Co片表面时,则能隔离Co与化学溶液的接触,达到抑制Co的腐蚀与抛光的目的。。然后论文对本实验室制备的Cu/Co/TaN铜互连结构图形片进行了抛光。结果表明,对比商业Ta/TaN抛光液,自主配制的基于2-MT的LHS-1型酸性抛光液抛光效果更好。图形片抛光结果验证了抛光液中的各个成分对Co抛光作用的理论研究。在化学机械抛光过程中,低k介质吸入水汽会引起k值增加以及可靠性变差,论文最后一部分研究了等离子处理低k介质抑制水汽吸入的研究。实验结果表明,在PECVD腔体中,NH3、H2、He等离子体处理会造成低k介质表面大量碳丢失,使低k介质由疏水性变为亲水性,造成低k介质的k值和漏电流增加。而CH4等离子处理能在低k表面沉积一层碳层,使低k介质保持疏水性,防止低k吸入水汽。通过抛光液浸泡实验,发现与原始低k样品以及其它等离子体处理的低k样品相比,通过CH4等离子体处理的低k样品吸入的水汽更少,而且k值稳定、漏电流更低。
【作者】鲁海生；
【导师】屈新萍；
【作者基本信息】复旦大学，微电子学与固体电子学，2013，博士
【关键词】铜互连阻挡层；Co/TaN；化学机械抛光腐蚀2巯基噻唑啉苯并三氮唑；

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