铜CMP后清洗表面吸附与电化学腐蚀的研究

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随着极大规模集成电路特征尺寸的缩小,钴(Co)由于具有较低的电阻率及粘附能力,成为铜互连的新型阻挡层材料,由于铜钴的物理化学性能差异,在化学机械抛光(CMP)及后清洗中易产生电偶腐蚀缺陷。铜互连CMP后清洗工艺的主要目的是去除铜表面抛光液的残留,硅溶胶作为磨料在CMP过程中很容易吸附到晶圆表面,严重影响了芯片良率,因此颗粒去除与控制电偶腐蚀成为CMP后清洗的关键。本文首先研究了1H-苯并三唑甲酸(CBT)、1,2,4-三氮唑(TAZ)和2,2’-[[(甲基-1H-苯并三唑-1-基)甲基]亚氨基]双乙醇(TT-LYK)三种抑制剂对铜钴电偶腐蚀的影响,采用电化学工作站比较了三种抑制剂对电偶腐蚀的抑制效率,并采用接触角检测对抑制剂的性质进行了表征。在B3LYP/6-31G(d,p)理论水平上,借助电子参数对抑制效率的差异做出解释,并在福井函数的基础上分析了反应中心,确定了三种抑制剂的亲电和亲核反应中心,比较得出因CBT对金属的吸附最为紧密而抑制能力最强。其次,选取了十二烷基苯磺酸(LABSA)、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)和异构醇聚氧乙烯醚(JFCE)三种不同种类的表面活性剂,通过电化学工作站分别研究了三种表面活性剂对铜钴电偶腐蚀的影响,探究了不同浓度、不同复配比的LABSA/JFCE复配溶液对硅溶胶粒径的影响,通过复配表面活性剂的相互作用参数,探究了复配表面活性剂的协同作用。借助表面活性剂的电子参数及其与硅溶胶颗粒吸附模型吸附能的计算,得出LABSA对颗粒具有更强的吸附特性,而JFCE可以在水中形成空间位阻,表面活性剂的双重作用实现硅溶胶颗粒的去除。最后,研究了不同种类和浓度抑制剂及不同复配比的LABSA/JFCE复配溶液对铜表面吸附的硅溶胶颗粒的清洗效果,采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱仪(XPS)表征了清洗后铜表面硅溶胶与抑制剂的残留情况。分析了螯合剂、抑制剂以及表面活性剂在后清洗过程中的作用机理,最终确定了150 ppm的FA/OⅡ型螯合剂、2.5 ppm的CBT及1000 ppm复配比为2:3的LABSA/JFCE组成的清洗液(p H=9.7)可以有效去除铜表面的硅溶胶颗粒的同时抑制铜钴电偶腐蚀,适用于新型阻挡层CMP后清洗。
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