基于新型銅互連擴散阻擋層的無籽晶電鍍銅的研究.pdf

1、隨著集成電路特征尺寸不斷縮小，傳統(tǒng)的Ta/TaN已經(jīng)不能滿足工藝發(fā)展的需要。Co、Mo以及一些新型合金材料由于具有較低的電阻率、與Cu的粘附性好等優(yōu)點，被用來研究作為下一代的粘附層/阻擋層材料。但是基于這些新型材料上的無籽晶電鍍銅的研究卻十分缺乏。本論文針對Co、Mo、以及本實驗室提出的CoMo新型阻擋層上的無籽晶電鍍銅進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　論文首先開展了在超薄Co薄膜上的酸性電鍍液中電鍍Cu研究。首先對Co的氧化物還原進(jìn)行了研

2、究，結(jié)果表明，在四甲基氫氧化胺溶液中利用負(fù)電位掃描能夠還原Co表面氧化物。Co在傳統(tǒng)的商用酸性電鍍液中恒電流法直接電鍍Cu由于存在強烈腐蝕和置換反應(yīng)，難以進(jìn)行，但是當(dāng)采用負(fù)電位帶電入槽法可以實現(xiàn)在Co表面電鍍Cu，掃描電子顯微形貌表明，電鍍后Co與Cu的界面處存在空隙。當(dāng)在Co表面淀積3nm Cu后，能夠有效地降低Co在酸性電鍍液中的腐蝕，但是仍然存在明顯腐蝕。
　　論文然后研究在乙二胺作為絡(luò)合劑的堿性電鍍液中的超薄Co上的無Cu

3、籽晶電鍍。研究了電鍍液中En和Cu離子形成的絡(luò)合物種類，發(fā)現(xiàn)由于電鍍液中CuEn22+絡(luò)合物的形成阻止了Co上的置換反應(yīng)和腐蝕。用電化學(xué)曲線、靜態(tài)腐蝕和透射電子顯微鏡等多種方法系統(tǒng)研究了Co在堿性電鍍液中的腐蝕。結(jié)果顯示，Co在堿性電鍍液中的腐蝕要小于5(A)，符合下一代超薄阻擋層在電鍍液中的腐蝕要求。系統(tǒng)研究了Cu在Co上電化學(xué)沉積行為和成核機理。Cu在Co上的成核并不符合一個簡單的瞬間成核或者連續(xù)成核模型，Cu在Co上具有5×101

4、0cm-2的高成核密度。實驗結(jié)果表明，在一定電流密度范圍內(nèi)，較大電流密度利于得到一個表面光滑、電阻率較低的Cu膜，Cu薄膜具有很高的Cu(111)擇優(yōu)取向。電鍍Cu層和Co薄膜之間有良好的界面。我們在MIT754圖形片上淀積10 nm Co后，成功直接電鍍Cu層，且在溝槽中填充良好。
　　論文首次開展了在新型超薄Mo粘附層上的直接電鍍銅工藝和性能研究。首先研究了Mo在不同pH值的電鍍液中的腐蝕，結(jié)果表明Mo在乙二胺堿性電鍍液中的腐

5、蝕速率最小。研究了乙二胺電鍍液中Cu在Mo上成核機理及成核密度。結(jié)果表明，Cu在Mo上的是三維成核，成核初期表現(xiàn)為瞬間成核的特征，在堿性電鍍液中的成核密度為1×1010cm-2，比Co略低，但是要比酸性電鍍液中大很多。我們在MIT754圖形片上淀積10 nm Mo后，采用兩步電鍍法，即首先采用堿性電鍍一層Cu后，再采用傳統(tǒng)的商用電鍍液電鍍Cu，實現(xiàn)了對溝槽的無空隙填充。
　　論文首次在本實驗室提出的新型阻擋層材料CoMo合金上的無

6、籽晶電鍍Cu進(jìn)行了研究。首先研究了不同Co、Mo比例的CoMo合金樣品的結(jié)晶狀態(tài)、電阻率，然后研究了Co，Co3Mo1，Co1Mo1，Co1Mo3和Mo五種薄膜在電鍍液中的沉積電位以及Cu在上面的成核密度。結(jié)果顯示，隨著Co含量增大，Cu在Co含量高的CoMo合金上成核密度高，且Cu晶核體積小，而在得到的Cu膜的表面也較光滑。電鍍后樣品的自退火過程中，發(fā)現(xiàn)CoMo合金上銅膜的薄層電阻下降速率顯著比Co，Mo薄膜上銅膜的電阻下降速率大，其

7、中Co1Mo3上銅薄膜電阻下降速率最大。最后在MIT754圖形片上對淀積不同CoMo合金的溝槽實現(xiàn)了填充，SEM和TEM圖表明可以很好地實現(xiàn)在CoMo合金溝槽中的填充。
　　為了促進(jìn)CoMo新型阻擋層的真正應(yīng)用，論文還對Co1Mo3的拋光性能進(jìn)行了初步研究。發(fā)現(xiàn)無論是在pH=3或者是pH=10的拋光液中，隨著雙氧水的濃度的增加，靜態(tài)腐蝕速率增大。圖形片上的拋光實驗表明，過高的雙氧水濃度會造成溝槽邊緣阻擋層和Cu界面的阻擋層的鉆蝕。