新型銅互連阻擋層Co-TaN的化學機械拋光研究.pdf

1、Co/TaN基擴散阻擋層對Cu具有良好的擴散阻擋性和粘附性，具有被應用于下一代銅互連阻擋層的潛力，但是目前關于Co基薄膜的化學機械拋光(Chemical mechanical polishing，CMP)的研究非常缺乏，對于Co拋光中存在的化學腐蝕、電偶接觸腐蝕、拋光機理等科學問題和實際的拋光工藝缺乏研究。因此本論文工作對科學研究和實際應用都有非常重要的意義。
　　論文首先從傳統(tǒng)的Ta阻擋層入手，系統(tǒng)研究了pH值以及H2O2濃度對

2、Ta的拋光速率的影響，發(fā)現(xiàn)Ta只有在強酸性低H2O2濃度，以及強堿性高H2O2濃度的拋光液中具有較高拋光速率，而強酸以及強堿拋光液容易造成Cu以及l(fā)ow-k的損失，因而需要配制弱酸性Ta拋光液。實驗結果表明，加入硫酸胍或者鹽酸胍后Ta的拋光速率在2≤pH≤12的拋光液中均能有效增加。在pH=6的拋光液中，通過zeta電位數(shù)據(jù)和AFM表面形貌，實驗發(fā)現(xiàn)硫酸胍能增強硅溶膠顆粒與Ta表面的吸附，增強在CMP過程中硅溶膠顆粒與Ta表面的接觸，達

3、到機械增強去除Ta的作用。開路電位數(shù)據(jù)表明胍鹽能使Ta表面惰性變弱、活性增強，而動電位極化分析證明胍離子能與Ta表面發(fā)生化學反應，加大Ta的氧化溶解速率。因而除了機械增強以外，胍鹽同時能通過化學作用增加Ta的拋光速率。
　　論文然后研究了新型Co/TaN作為擴散阻擋層的熱穩(wěn)定性。利用原位XRD、SEM、AES以及電學測試等多種手段開展研究，結果表明Co(5nm)/TaN(5nm)阻擋層的穩(wěn)定溫度至少達到450C。和在Ta上的Cu相

4、比，在Co上面濺射或者電鍍的Cu更容易結晶，同時結晶具有(111)擇優(yōu)取向，這有利于降低Cu布線電阻以及增強Cu的抗電遷移性。
　　在此基礎上，論文系統(tǒng)地研究了拋光液pH值、氧化劑H2O2、螯合劑甘氨酸以及抑制劑2-巰基噻唑啉(2-MT)和苯并三氮唑(BTA)對Co拋光的作用。研究結果表明，Co在酸性溶液中更容易腐蝕成為Co2+離子，靜態(tài)腐蝕速率大于在堿性拋光液中的結果。在酸性拋光液中H2O2能極大加速Co的腐蝕，在pH=3的拋光

5、液中加入5mL/LH2O2后，Co的腐蝕速率達到50nm/min以上，同時Co的拋光速率從57nm/min急劇增加到780nm/min，表明Co的CMP過程以化學作用為主。實驗發(fā)現(xiàn)，在酸性拋光液中甘氨酸對于Co是一種很好的螯合劑，而且與H2O2協(xié)同作用能極大增強Co的拋光速率。甘氨酸能直接與CoO發(fā)生螯合反應，抑制CoO晶粒生成，使得Co表面粗糙度降低。
　　論文首次發(fā)現(xiàn)2-MT以及BTA在不含H2O2拋光液液中均能抑制Co的腐蝕

6、，而且2-MT的抑制效率更高。加入0.02mM2-MT后Co的腐蝕抑制效率達到90％。在pH=5的拋光液中加入2-MT能夠抑制Cu與Co之間的電偶腐蝕。但2-MT不適用于含氧化劑拋光液。
　　研究了在不含H2O2拋光液中的BTA吸附機理。結果表明，BTA能夠通過物理吸附以及化學吸附兩種方式吸附在Co表面，吸附符合Langmuir模型。通過吸附，BTA能隔離Co與化學溶液的接觸，達到抑制Co腐蝕的目的。在含H2O2拋光液中，BTA對

7、Co具有螯合和抑制的雙重作用:當BTA濃度或者Co離子濃度低時，由于BTA可以和Co離子發(fā)生螯合反應，因而促進Co氧化為Co2+離子，增大Co的腐蝕速率以及拋光速率，BTA此時表現(xiàn)為螯合劑。而當BTA與Co2+離子濃度足夠高，兩者不溶于水的反應產(chǎn)物BTA-Co充足到可以覆蓋Co片表面時，則能隔離Co與化學溶液的接觸，達到抑制Co的腐蝕與拋光的目的。。
　　然后論文對本實驗室制備的Cu/Co/TaN銅互連結構圖形片進行了拋光。結果表

8、明，對比商業(yè)Ta/TaN拋光液，自主配制的基于2-MT的LHS-1型酸性拋光液拋光效果更好。圖形片拋光結果驗證了拋光液中的各個成分對Co拋光作用的理論研究。
　　在化學機械拋光過程中，低k介質吸入水汽會引起k值增加以及可靠性變差，論文最后一部分研究了等離子處理低k介質抑制水汽吸入的研究。實驗結果表明，在PECVD腔體中，NH3、H2、He等離子體處理會造成低k介質表面大量碳丟失，使低k介質由疏水性變?yōu)橛H水性，造成低k介質的k值和漏