新型銅互連擴(kuò)散阻擋層釕、釕鉭合金、鉬基薄膜的化學(xué)機(jī)械拋光性能研究.pdf

1、銅互連的超薄擴(kuò)散阻擋層材料及工藝研究一直是銅互連研究領(lǐng)域的前沿課題。在亞16納米以下節(jié)點(diǎn)，人們一直在探索新型阻擋層材料。Ru、RuTa合金、Mo等新材料由于具有更低的電阻率，可以實(shí)現(xiàn)無籽晶層Cu直接電鍍，因此有可能成為替代Ta/TaN作為Cu互連粘附阻擋層的熱門材料而受到人們關(guān)注。但是這些材料的化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical mechanical polishing，CMP)性能，卻鮮有報(bào)道。研究這些新材料的化學(xué)機(jī)械拋光性能和工藝有著重

2、要的科學(xué)研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
　　論文首先研究了甘氨酸在KIO4基的拋光液中對釕(Ru) CMP的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，甘氨酸濃度的變化對KIO4基拋光液體系的穩(wěn)定性影響不大。Ru與Cu的拋光速率都隨KIO4濃度的增大而增大。加入甘氨酸后，Ru的拋光速率隨甘氨酸濃度的增大而降低，而Cu的拋光速率隨甘氨酸濃度的增大而增大。因此，通過調(diào)節(jié)甘氨酸的濃度，可以使Ru與Cu的拋光速率達(dá)到1∶1，有助于在拋光過程中降低阻擋層的腐蝕。甘氨酸

3、在KIO4基拋光液中對Ru的腐蝕具有抑制作用，主要是因?yàn)楦拾彼峤怆x的中性離子+H3NCH2COO-吸附在被氧化了的Ru的表面而抑制Ru的腐蝕。原位OCP掃描以及XPS測試結(jié)果表明，加入甘氨酸之后，Ru表面生成的RuO2量減少，證實(shí)了甘氨酸對Ru的腐蝕的抑制作用。
　　論文還使用KIO4基拋光液對RuTa合金(9∶1)的拋光進(jìn)行了初步的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，KIO4基拋光液對RuTa合金也有相當(dāng)好的拋光效果，且靜態(tài)腐蝕速率基本為0，拋

4、光效率明顯大于對純Ru的拋光效率。與對純Ru拋光一樣，RuTa合金在拋光過程中與Cu之間存在較大的電偶腐蝕。
　　論文然后進(jìn)行了H2O2基拋光液對鉬(Mo) CMP的研究。Mo在酸性H2O2溶液中，主要氧化產(chǎn)物為MoO3，MoO2;在堿性條件下，MoO3的含量最高。Mo的拋光速率隨H2O2濃度的增加而升高。在酸性條件下，Mo的拋光速率較低，主要原因是生成的氧化物在酸性條件下較難溶解。在堿性條件下，Mo的拋光速率與靜態(tài)腐蝕速率都較高

5、，原因是在堿性條件下的氧化物主要為MoO3，MoO3在堿性條件下較容易溶解。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SiO2磨料在H2O2溶液中對Mo的拋光具有抑制作用。其原因可能是SiO2磨料顆粒與Mo的表面氧化物相互作用，抑制了Mo的腐蝕。在H2O2基拋光液中加入AS后，在堿性條件下，由于NH4+能夠螯合鉬酸形成更易溶解的鉬酸銨，Mo的拋光及靜態(tài)腐蝕速率隨AS的濃度增大而增大。在H2O2基拋光液中加入甘氨酸后，可以有效的抑制Mo的腐蝕，提高M(jìn)o的拋光效率。我們對

6、Mo進(jìn)行了無磨料的H2O2拋光液拋光研究，獲得較高的拋光速度和平整表面，并利用無磨料拋光液對實(shí)驗(yàn)室自制拋光圖形測試片進(jìn)行拋光，研究了拋光工藝和拋光效果。
　　論文首次系統(tǒng)研究了KIO3基拋光液對Mo的CMP性能。Mo在pH2的KIO3溶液巾的主要氧化產(chǎn)物為MoO3，其次為Mo2O5，MoO2的含量最少。隨著pH值的增大，MoO2和Mo2O5在生成的氧化物中的含量增加，Mo的拋光速率降低。Mo的拋光速率隨KIO3濃度及SiO2磨料的

7、增加而升高。通過大量實(shí)驗(yàn)，得到最佳的KIO3濃度為0.1M，最佳的磨料濃度為5wt.％。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0.1 M KIO3，pH2的溶液中，Mo的靜態(tài)腐蝕基本為零，但是卻有最大的拋光速率，而且Mo在0.05MKIO3中的靜態(tài)腐蝕速率大于0.1M中的靜態(tài)腐蝕速率。其原因可能是，在0.1MKIO3中生成的氧化層更加致密，尤其是在pH2的條件下，該致密的氧化層很難溶解，但容易被機(jī)械摩擦力去掉，使得拋光速率與靜態(tài)腐蝕速率出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象。我們對使