磷酸體系中銅的電化學拋光機制與影響因素的研究.pdf

1、銅具有電阻率低,抗電遷移性強的優點,作為IC互連接材料已經得到了越來越廣泛的應用。伴隨而來的問題是傳統的化學機械拋光工藝已經不能滿足銅的拋光精度,從而提出了銅的電化學機械拋光工藝。磷酸體系是銅電化學拋光最為常用的拋光溶液,而銅在磷酸體系拋光中的電化學反應歷程尚不明確,對于其中的一些粘度調節劑、添加劑等的研究尚需完善。
　　為了明確銅在電化學拋光中的電化學行為,采用旋轉盤環電極,對銅在磷酸溶液中的陽極溶解的中間產物進行研究。發現在環

2、電極上在-0.26V及-0.04V處出現兩個電流峰,分別對應了盤電極在陽極極化過程中活性溶解區的Cu生成Cu+反應和鈍化區的Cu生成Cu2O的反應。在活化區及鈍化區中間產物均受到擴散的影響。銅在陽極極化的不同電位區間的電化學阻抗譜的解析表明了Cu+離子的產生不僅引起了-0.275V附近的感抗弧的出現,同時還引起了0V附近電位區域的負電阻容抗弧的出現。阻抗-時間(Rs-t)和阻抗-電位(Rs-E)曲線的測試結果表明,Rs-t和Rs-E曲線

3、能夠表征銅磷酸界面粘膜層及氧化物層的形成。在Rs-E曲線中可以分為六個區域。其中活性溶解區銅表面不生成銅氧化物、Rs的變化主要由粘膜層變化引起。在活性溶解與鈍化過渡區,粘膜層的變化及銅氧化物的生成共同引起Rs的變化,此時生成的銅氧化物為n型半導體特性。在鈍化區,電化學反應受配體擴散控制,此時電流密度不變,Rs主要由銅氧化物的增厚引起。電位達到0.6V時銅氧化物開始轉呈p型半導體特性,Rs也開始上升。
　　磷酸濃度與陽極極化電位的增

4、加,有利于微觀整平,對宏觀的整平能力也有加強作用;當磷酸的濃度為55wt％,陽極極化電位為0.2V時,銅的拋光表面粗糙度最低,效果最好。磷酸濃度的增加有利于銅的陽極鈍化,使得鈍化電流下降,拋光過程中的歐姆電阻增加。隨著磷酸濃度的升高,形成的氧化膜的載流子密度和平帶電位下降;載流子密度下降反應了膜的金屬過剩程度下降。
　　對銅電極施加了50g/cm2及200g/cm2的壓力的穩定電位時間曲線及Tafel曲線表明,在壓力的作用下,電極

5、的旋轉更多地影響了陰極過程,而且銅的腐蝕溶解速度與轉速符合Levich關系;在穩定電位下,在磷酸溶液中的腐蝕受陰極擴散控制,力的施加有助于陰極去極化過程,有利于氧在拋光液中的擴散,從而使得腐蝕加快。
　　研究表面活性劑SDS、PEG、PVP對銅的電化學拋光的影響發現,SDS的加入對銅在磷酸水溶液中的電化學陽極溶解的全過程起到了有效的抑制作用。在活化區和鈍化區,SDS在銅表面的吸附對銅的陽極溶解起到了抑制作用;在氧氣析出初始階段所生

6、成的細小致密氣泡層覆蓋了銅電極表面,從而抑制了銅在這個電位區間的溶解速率,提高了對銅的溶出抑制率。表明SDS是一種有效的提高其平坦化率的添加劑。PEG及PVP在氧氣析出區也出現了對銅的抑制效果。此外還研究了緩蝕劑BTA、TTA對銅的電化學拋光的影響,發現BTA在磷酸體系中穩定電位附近對銅具有非常好的抑制效果,抑制效率一度達80%;在鈍化區,BTA的緩蝕作用隨電位的增加逐漸下降。BTA對銅的拋光起到良好的效果,而TTA對銅的緩蝕及拋光效果