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随着集成电路特征尺寸不断缩小,传统的Ta/TaN已经不能满足工艺发展的需要。Co、Mo以及一些新型合金材料由于具有较低的电阻率、与Cu的粘附性好等优点,被用来研究作为下一代的粘附层/阻挡层材料。但是基于这些新型材料上的无籽晶电镀铜的研究却十分缺乏。本论文针对Co、Mo、以及本实验室提出的CoMo新型阻挡层上的无籽晶电镀铜进行了系统的研究。论文首先开展了在超薄Co薄膜上的酸性电镀液中电镀Cu研究。首先对Co的氧化物还原进行了研究,结果表明,在四甲基氢氧化胺溶液中利用负电位扫描能够还原Co表面氧化物。Co在传统的商用酸性电镀液中恒电流法直接电镀Cu由于存在强烈腐蚀和置换反应,难以进行,但是当采用负电位带电入槽法可以实现在Co表面电镀Cu,扫描电子显微形貌表明,电镀后Co与Cu的界面处存在空隙。当在Co表面淀积3nm Cu后,能够有效地降低Co在酸性电镀液中的腐蚀,但是仍然存在明显腐蚀。论文然后研究在乙二胺作为络合剂的碱性电镀液中的超薄Co上的无Cu籽晶电镀。研究了电镀液中En和Cu离子形成的络合物种类,发现由于电镀液中CuEn22+络合物的形成阻止了Co上的置换反应和腐蚀。用电化学曲线、静态腐蚀和透射电子显微镜等多种方法系统研究了Co在碱性电镀液中的腐蚀。结果显示,Co在碱性电镀液中的腐蚀要小于5A,符合下一代超薄阻挡层在电镀液中的腐蚀要求。系统研究了Cu在Co上电化学沉积行为和成核机理。Cu在Co上的成核并不符合一个简单的瞬间成核或者连续成核模型,Cu在Co上具有5×1010cm-2的高成核密度。实验结果表明,在一定电流密度范围内,较大电流密度利于得到一个表面光滑、电阻率较低的Cu膜,Cu薄膜具有很高的Cu(111)择优取向。电镀Cu层和Co薄膜之间有良好的界面。我们在MIT 754图形片上淀积10 nm Co后,成功直接电镀Cu层,且在沟槽中填充良好。论文首次开展了在新型超薄Mo粘附层上的直接电镀铜工艺和性能研究。首先研究了Mo在不同pH值的电镀液中的腐蚀,结果表明Mo在乙二胺碱性电镀液中的腐蚀速率最小。研究了乙二胺电镀液中Cu在Mo上成核机理及成核密度。结果表明,Cu在Mo上的是三维成核,成核初期表现为瞬间成核的特征,在碱性电镀液中的成核密度为1×1010cm-2,比Co略低,但是要比酸性电镀液中大很多。我们在MIT 754图形片上淀积10 nm Mo后,采用两步电镀法,即首先采用碱性电镀一层Cu后,再采用传统的商用电镀液电镀Cu,实现了对沟槽的无空隙填充。论文首次在本实验室提出的新型阻挡层材料CoMo合金上的无籽晶电镀Cu进行了研究。首先研究了不同Co, Mo比例的CoMo合金样品的结晶状态、电阻率,然后研究了Co, Co3Mo1, Co1Mo1, Co1Mo3和Mo五种薄膜在电镀液中的沉积电位以及Cu在上面的成核密度。结果显示,随着Co含量增大,Cu在Co含量高的CoMo合金上成核密度高,且Cu晶核体积小,而在得到的Cu膜的表面也较光滑。电镀后样品的自退火过程中,发现CoMo合金上铜膜的薄层电阻下降速率显著比Co, Mo薄膜上铜膜的电阻下降速率大,其中Co1Mo3上铜薄膜电阻下降速率最大。最后在MIT 754图形片上对淀积不同CoMo合金的沟槽实现了填充,SEM和TEM图表明可以很好地实现在C oMo合金沟槽中的填充。为了促进CoMo新型阻挡层的真正应用,论文还对Co1Mo3的抛光性能进行了初步研究。发现无论是在pH=3或者是pH=10的抛光液中,随着双氧水的浓度的增加,静态腐蚀速率增大。图形片上的抛光实验表明,过高的双氧水浓度会造成沟槽边缘阻挡层和Cu界面的阻挡层的钻蚀。通过选择合适的双氧水的浓度,可以很好的控制Co1Mo3与Cu的腐蚀比,获得良好抛光界面,这对真正抛光工艺有指导意义。实验发现,发现随着甘氨酸的加入,Co1Mo3抛光速率出现了先减小后增大。实验还发现,甘氨酸能够有效地降低Co1Mo3与Cu的腐蚀电位差,当加入O.1M甘氨酸时,腐蚀电位差只有67mV。