磷酸體系中銅的電化學(xué)拋光機(jī)制與影響因素的研究.pdf

1、銅具有電阻率低,抗電遷移性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),作為IC互連接材料已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。伴隨而來的問題是傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光工藝已經(jīng)不能滿足銅的拋光精度,從而提出了銅的電化學(xué)機(jī)械拋光工藝。磷酸體系是銅電化學(xué)拋光最為常用的拋光溶液,而銅在磷酸體系拋光中的電化學(xué)反應(yīng)歷程尚不明確,對(duì)于其中的一些粘度調(diào)節(jié)劑、添加劑等的研究尚需完善。
　　為了明確銅在電化學(xué)拋光中的電化學(xué)行為,采用旋轉(zhuǎn)盤環(huán)電極,對(duì)銅在磷酸溶液中的陽極溶解的中間產(chǎn)物進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)在環(huán)

2、電極上在-0.26V及-0.04V處出現(xiàn)兩個(gè)電流峰,分別對(duì)應(yīng)了盤電極在陽極極化過程中活性溶解區(qū)的Cu生成Cu+反應(yīng)和鈍化區(qū)的Cu生成Cu2O的反應(yīng)。在活化區(qū)及鈍化區(qū)中間產(chǎn)物均受到擴(kuò)散的影響。銅在陽極極化的不同電位區(qū)間的電化學(xué)阻抗譜的解析表明了Cu+離子的產(chǎn)生不僅引起了-0.275V附近的感抗弧的出現(xiàn),同時(shí)還引起了0V附近電位區(qū)域的負(fù)電阻容抗弧的出現(xiàn)。阻抗-時(shí)間(Rs-t)和阻抗-電位(Rs-E)曲線的測試結(jié)果表明,Rs-t和Rs-E曲線

3、能夠表征銅磷酸界面粘膜層及氧化物層的形成。在Rs-E曲線中可以分為六個(gè)區(qū)域。其中活性溶解區(qū)銅表面不生成銅氧化物、Rs的變化主要由粘膜層變化引起。在活性溶解與鈍化過渡區(qū),粘膜層的變化及銅氧化物的生成共同引起Rs的變化,此時(shí)生成的銅氧化物為n型半導(dǎo)體特性。在鈍化區(qū),電化學(xué)反應(yīng)受配體擴(kuò)散控制,此時(shí)電流密度不變,Rs主要由銅氧化物的增厚引起。電位達(dá)到0.6V時(shí)銅氧化物開始轉(zhuǎn)呈p型半導(dǎo)體特性,Rs也開始上升。
　　磷酸濃度與陽極極化電位的增

4、加,有利于微觀整平,對(duì)宏觀的整平能力也有加強(qiáng)作用;當(dāng)磷酸的濃度為55wt％,陽極極化電位為0.2V時(shí),銅的拋光表面粗糙度最低,效果最好。磷酸濃度的增加有利于銅的陽極鈍化,使得鈍化電流下降,拋光過程中的歐姆電阻增加。隨著磷酸濃度的升高,形成的氧化膜的載流子密度和平帶電位下降;載流子密度下降反應(yīng)了膜的金屬過剩程度下降。
　　對(duì)銅電極施加了50g/cm2及200g/cm2的壓力的穩(wěn)定電位時(shí)間曲線及Tafel曲線表明,在壓力的作用下,電極

5、的旋轉(zhuǎn)更多地影響了陰極過程,而且銅的腐蝕溶解速度與轉(zhuǎn)速符合Levich關(guān)系;在穩(wěn)定電位下,在磷酸溶液中的腐蝕受陰極擴(kuò)散控制,力的施加有助于陰極去極化過程,有利于氧在拋光液中的擴(kuò)散,從而使得腐蝕加快。
　　研究表面活性劑SDS、PEG、PVP對(duì)銅的電化學(xué)拋光的影響發(fā)現(xiàn),SDS的加入對(duì)銅在磷酸水溶液中的電化學(xué)陽極溶解的全過程起到了有效的抑制作用。在活化區(qū)和鈍化區(qū),SDS在銅表面的吸附對(duì)銅的陽極溶解起到了抑制作用;在氧氣析出初始階段所生

6、成的細(xì)小致密氣泡層覆蓋了銅電極表面,從而抑制了銅在這個(gè)電位區(qū)間的溶解速率,提高了對(duì)銅的溶出抑制率。表明SDS是一種有效的提高其平坦化率的添加劑。PEG及PVP在氧氣析出區(qū)也出現(xiàn)了對(duì)銅的抑制效果。此外還研究了緩蝕劑BTA、TTA對(duì)銅的電化學(xué)拋光的影響,發(fā)現(xiàn)BTA在磷酸體系中穩(wěn)定電位附近對(duì)銅具有非常好的抑制效果,抑制效率一度達(dá)80%;在鈍化區(qū),BTA的緩蝕作用隨電位的增加逐漸下降。BTA對(duì)銅的拋光起到良好的效果,而TTA對(duì)銅的緩蝕及拋光效果