cmp对低k介质材料影响及其优化方法的研究

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1、ThesisSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMicroelectronicsandSolidStateElectronicsEFFECTOFCMPONLOWKMATERIALANDRESEARCHONITSOPTIMIZATIONMETHODSbyLiRuojinSupervisor:Prof.WangShengliDecember2014ThisworkwassupportedbytheSpecialProjectItemsNo.2inthe

2、NationalLong-termTechnologyDevelopmentPlanNo.2009ZX02308andNaturalScienceFoundationofHebeiProvince,China(E2014202147)原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创

3、性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要随着集成电路产业的不断发展，铜互连特征尺寸不断降低，布线层数不断增加，互连引

4、线延迟（RC延迟）成为不可忽视的制约集成电路发展的一大障碍。因此铜、钽、低k介质等材料被引入到集成电路制造工艺中。伴随新材料的引入，传统刻蚀工艺已经不能满足生产要求，大马士革工艺应运而生。大马士革工艺中，材料平坦化采用化学机械抛光（CMP）的方法。阻挡层的化学机械抛光能够最终决定平坦化效果和集成电路成品率。阻挡层抛光中，低k材料疏松多孔，相对介电常数容易受到CMP工艺影响而升高，影响器件性能和可靠性。因此阻挡层抛光既要实现较高的材料去除速率、保证工艺过程对碟形坑有明显的修正效果，又要保证工艺过程对低k材料的相对介电常数影响较小

5、。低k材料是阻挡层的一部分，本课题首先对阻挡层抛光中的速率选择性进行了深入研究。通过大量单因素实验研究了碱性抛光液的磨料、螯合剂、活性剂、pH对Cu/Ta/SiO2/SiOCH抛光的作用效果，初步研发了一种碱性抛光液，并在12英寸单层图行片上验证了使用碱性抛光液进行阻挡层抛光的可行性。课题进行了低k材料CMP的研究。本文在研究相对介电常数概念的基础上，阐述了通过电容测量相对介电常数的理论基础。通过红外光谱仪观察了CMP前后傅里叶红外光谱图变化情况，发现CMP使材料内的化学物质发生了一定变化。在此基础上，进一步研究了不同磨料浓度

6、和抛光液pH值对相对介电常数的影响情况，发现低磨料或低pH的碱性抛光液对材料介电常数影响更小，另外通过抛光后的退火处理也可以进一步修正材料k值。文章最后采用降低抛光液pH值的方法改进了初步研发的碱性阻挡层抛光液。改进后的碱性阻挡层抛光液可以把碟形坑和蚀坑控制在可接受范围内，并且使图形片电阻值可以控制在1.19kohm至1.46kohm，互连电容为2.24~2.43pF，漏电流极小，满足工业要求，取得了良好的抛光效果。本课题通过一系列研究，使改进后的碱性抛光液对低k介质材料k值的影响可以与主流的酸性抛光液相当，并且在其他性能上取

7、得优良效果。这种抛光液成分简单、便于后续清洗、速率选择好、对设备腐蚀小、环境污染小。关键字：低k介质，化学机械抛光，阻挡层，抛光液,相对介电常数IABSTRACTWiththecontinuousdevelopmentofICindustry，thecircuitfeaturesizeisbecomingsmallerandthelayersofcopperinterconnectionareincreasing.Asaresult,RCdelaybecomesahugeobstacleofthedevelopmentofIC

8、.Newmaterials,suchasCu,TaandlowkareintroducedinICtoreduceRCdelay.Withtheintroductionofthenewmaterials,traditionaletchingprocesswasreplaced