GLSI多层铜布线新型阻挡层Ru CMP的电化学性能研究

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1、分类号：密级：公开UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文GLSI多层铜布线新型阻挡层RuCMP的电化学性能研究论文作者：张乐学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：微电子学与固体电子学指导教师：周建伟职称：教授资助基金项目：国家中长期科技发展规划02科技重大专项资助项目（2009ZX02308）河北省自然科学基金青年基金（F2015202267）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMicroelectronicsa

2、ndSolidElectronicsINVESTIGATIONONELECTROCHEMICALPROPERTIESOFNOVELBARRIERLAYERRuCHEMICALMECHANICALPOLISHINGFORGREATLARGESCALEINTERGRATIONWITHMULTILAYERCOPPERINTERCONNECTIONbyZhangLeSupervisor：Prof.ZhouJianweiMay2017ThisworksupportedbytheSpecialProjectItemsNo.2in

3、NationalLong-termTechnologyDevelopmentPlanNo.2009ZX02308andProjectsupportedbytheNaturalScienceFoundationofHebeiProcince,ChinaNo.F2015202267摘要随着集成电路（IC）不断的发展，器件特征尺寸不断减小，目前技术节点到达14nm以下，由于新型材料钌（Ru）具有更低的电阻率，并可以实现无籽晶层铜（Cu）直接电镀，有效减小阻挡层的厚度，具有更高阻挡层性能，因此可代替传统的钽（Ta），作为新一

4、代铜互连扩散阻挡层的热门材料。化学机械抛光（CMP）是实现Ru基阻挡层平坦化的关键技术。在RuCMP过程中，由于Ru和Cu存在较大的腐蚀电位差，CMP过程中与抛光液接触发生严重的电化学腐蚀，严重影响器件可靠性。因此，本文针对Ru基阻挡层CMP过程中存在的Ru/Cu界面腐蚀问题（Ru的腐蚀、电偶腐蚀）进行了深入研究，主要内容如下：本文采用化学作用为主的弱碱性路线，通过一系列的电化学实验探究，利用氧化钝化及强螯合-吸附的方法，以能斯特方程作为指导依据，揭示了pH值、氧化剂、螯合剂以及活性剂对Ru电化学的腐蚀机理和Ru/C

5、u间电偶腐蚀的抑制机理。研究结果表明：pH值对Ru腐蚀成膜影响很大，在弱碱性条件下可有效缓解Ru/Cu间电偶腐蚀现象，并选定9作为本课题实验中溶液的pH值。且利用过氧化氢的氧化钝化作用，有效提高Cu的自腐蚀电位接近Ru，促使Ru/Cu间腐蚀电位差先减小后增大。在氧化钝化基础上，继续加入FA/OII型螯合剂，利用强螯合作用，螯合金属离子，溶解钝化膜，促进阳极极化反应，有效降低Ru的自腐蚀电位接近Cu，进一步减小了Ru/Cu间腐蚀电位差。课题同时采用自主研发的FA/OI型非离子表面活性剂，控制Ru、Cu表面钝化膜的溶解，

6、实现吸附机理分析。最终建立了一种FA/O碱性阻挡层抛光液，在过氧化氢为3ml/L，FA/OII型螯合剂为1ml/L，FA/OI型非离子表面活性剂为20ml/L时可有效抑制Ru/Cu间严重的电偶腐蚀现象，促使Ru/Cu间腐蚀电位差达到2.8mV，为继续研究RuCMP抛光液奠定理论基础。关键字：Ru化学机械抛光电化学碱性抛光液电偶腐蚀IABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentoftheintegratedcircuits(IC),thefeaturesizecontinuestodecre

7、ase,andcurrenttechnicalnodehasbeendownto14nmbelow.Duetothelowerresistivity,directlyplatedtocopper(Cu)andeffectivelyreducingthethicknessofthebarrierlaye,thenewmaterialruthenium(Ru)canreplacethetraditionaltantalum(Ta)aspopularmaterialsofanewgenerationcopperinterc

8、onnectiondiffusionbarrier.Chemicalmechanicalpolishing(CMP)isthekeytechnologytorealizetheplanarizationofRu-basedbarrierlayer.ThereisalargecorrosionpotentialdifferencebetweenR