電沉積銅薄膜中織構與內應力的研究.pdf

1、銅電沉積技術由于其經(jīng)濟性、選擇性及優(yōu)良的深鍍能力，在機械制造及微電子工業(yè)中得到廣泛應用。特別是隨著超大規(guī)模集成電路中銅互連技術的發(fā)展，對銅薄膜組織結構的研究日益受到關注。其中，電沉積銅薄膜的織構及內應力狀態(tài)對薄膜的物理、化學性能及力學性能有著重要的影響，已成為目前研究的熱點。 本文利用X射線衍射方法，側重研究了不同電沉積工藝條件下銅薄膜中的織構及內應力。研究發(fā)現(xiàn)，在硫酸鹽銅鍍液體系中，電流密度較低(2A/dm2)時電沉積銅薄膜表

2、現(xiàn)為(220)絲織構特征，電流密度較高(16A/dm2)時銅薄膜表現(xiàn)為(111)絲織構特征，隨電流密度的升高銅薄膜由(220)絲織構向(111)絲織構轉變。研究了薄膜厚度對電沉積銅薄膜織構的影響，發(fā)現(xiàn)薄膜織構程度隨膜厚的增加而增加。研究了稀土鈰鹽、聚乙二醇(PEG)和乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)對銅薄膜織構的影響，結果表明，三種添加劑都不同程度的降低了薄膜的織構程度。 通過研究銅薄膜電結晶初期生長過程，探討了銅薄膜的織構形成機理

3、。研究過程中，為減小基體材料對薄膜組織結構的影響，本文選擇惰性Ni-P非晶鍍層作為基體材料。恒電位階躍法研究表明，在硫酸鹽銅鍍液體系中，銅電結晶初期按三維瞬時成核機制形核，且隨著過電位的增大，銅薄膜更傾向于三維成核機制形核。添加少量稀土鈰鹽后，由于稀土陽離子的特性吸附，使得電極界面分散層電位升高，導致銅電沉積陰極反應過電位增大，薄膜形核能降低。添加少量聚乙二醇，由于其表面活性在金屬電極表面形成緊密的吸附層，產(chǎn)生附加能壘，對銅電結晶成核有

4、強烈的阻化作用，銅電結晶機理由連續(xù)成核向瞬時成核轉變。基于以上結果，并結合經(jīng)典擇優(yōu)取向理論，對本文研究體系中電沉積銅薄膜不同織構的形成機理進行了探討。 X射線衍射技術是目前測定材料內應力的主要手段，但薄膜中的織構會造成2θ-sin2ψ的非線性，導致不合理的應力測定結果。電沉積銅薄膜主要表現(xiàn)為顯著的絲織構特征，本文研究了不同取向絲織構對電沉積銅薄膜彈性常數(shù)及X射線彈性常數(shù)的影響，結果表明，當銅薄膜存在(hkl)絲織構時，其各彈性矩

5、陣分量的計算結果與各向同性材料相差較大，絲織構薄膜的彈性矩陣對稱性降低，出現(xiàn)類似六方晶系的彈性矩陣形式。分別計算了具有(100)、(110)和(111)絲織構銅薄膜的彈性常數(shù)與X射線彈性常數(shù)以及二者隨sin2ψ的非線性規(guī)律。提出了利用加權多晶各向同性和具有理想絲織構銅薄膜X射線彈性常數(shù)的方法，優(yōu)化了銅薄膜X射線應力測定方法，提高了應力測定結果的可靠性。通過原位拉伸X射線應力測定，研究了電沉積銅薄膜的力學行為，獲得了薄膜的真實力學性能。

6、 利用優(yōu)化X射線應力測定方法研究了電沉積銅薄膜中的內應力。結果表明，電沉積銅薄膜處于拉應力狀態(tài)，隨電流密度的升高薄膜內應力增加。稀土鈰鹽有降低銅薄膜內應力作用，聚乙二醇和乙二胺四乙酸二鈉不同程度的引起銅薄膜內應力的增大。薄膜內應力與薄膜厚度的關系為，先隨膜厚的增加而降低，當薄膜厚度較厚時隨膜厚的增加而增大。為降低電沉積銅薄膜中的內應力水平，探索了兩種內應力調整途徑，結果表明，利用超聲波電沉積技術和后序低溫處理工藝均可有效降低銅薄膜