化学添加剂提高钴化学机械抛光性能的研究进展
发布时间：2020-12-26 11:59
钴(Co)具有电阻率低、电子迁移率高、对铜(Cu)等金属的黏附性好以及沉积性能好等优势,在集成电路制程中作为Cu互连阻挡层或新型互连材料具有巨大的应用潜力,而金属互连化学机械抛光(CMP)是决定Co在集成电路应用中可靠性的关键工艺。概述了抛光液中的不同化学添加剂提高Co抛光性能的研究进展,重点介绍了氧化剂、络合剂、腐蚀抑制剂等化学添加剂对Co阻挡层和Co互连CMP的材料去除速率(MRR)、静态腐蚀速率(SER)、去除速率选择比以及电偶腐蚀的影响。讨论了化学添加剂对提高Co抛光性能的作用机理,并分析了加入不同化学添加剂的抛光液的优势与不足。此外,展望了Co阻挡层和互连材料CMP工艺中仍需进一步研究的问题。
【文章来源】：半导体技术. 2020年01期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
TAZ对Cu和Co腐蚀抑制原理示意图[10]
2017年,K. V. Sagi等人[11]报道了腐蚀抑制剂烟酸(NA)对Co阻挡层CMP的影响,在pH值为10、硅溶胶质量分数为3%、H2O2质量分数为1%、草酸浓度为40 mmol/L抛光液中添加浓度为80 mmol/L的烟酸,Co膜抛光性能最好,其去除速率约为17 nm/min,且静态腐蚀速率小于1 nm/min,Cu/Co去除速率选择比接近1∶1。烟酸的作用机理为在Co表面生成疏松的Co(Ⅱ)-NA多孔膜,在提高去除速率的同时,有效抑制了腐蚀速率。图2为Co膜动电位行为曲线[11],图2中A、B两条曲线分别代表了H2O2质量分数为1%、草酸浓度为40 mmol/L的溶液以及在此溶液中再加入烟酸浓度为80 mmol/L后Co膜的动电位行为曲线。图中:I为腐蚀电流密度;ECORR为Co膜腐蚀电位,可见在加入烟酸后Co膜腐蚀电位从0 mV上升到70 mV,且腐蚀电流由1 200 μA/cm2下降至约300 μA/cm2。腐蚀抑制剂烟酸与Co的化学反应式为Co(OH)2+Nic2-(aq)→Co(OH)2(Nic2-)ads (1)
2019年,P.He等人[12]报道了在H2O2酸性抛光液中添加不同浓度的TAZ对Co阻挡层抛光性能的影响。通过动电位极化法测试不同浓度TAZ下的Co阴极极化电流(图3[12])可知,随着TAZ浓度的增大,Co的腐蚀电位升高且腐蚀电流密度下降。图3中EOC为开路电压。此外,由朗缪尔吸附等温线得出标准吸附自由能为-22.7 kJ/mol,证明了TAZ对Co同时存在物理吸附与化学吸附。在pH值为3、硅溶胶体积分数为5%、H2O2体积分数为1%、甘氨酸浓度为10 mmol/L的抛光液中加入浓度为5 mmol/L的TAZ,Co和Cu的静态腐蚀速率分别为11.3 nm/min和4.6 nm/min,去除速率分别为136 nm/min和144 nm/min,去除速率选择比为0.94∶1。目前,在Co阻挡层CMP中,通常使用络合剂来提高Co的去除速率,目前主流络合剂为甘氨酸、螯合剂FA/O Ⅱ以及草酸和柠檬酸等能够同时与Cu/Co发生络合反应的物质。腐蚀抑制剂被用来降低静态腐蚀速率,TAZ在Co阻挡层CMP研究中较为常见,原因是TAZ在Cu/Co表面均可形成钝化层;而烟酸对于提高去除速率和降低静态腐蚀速率也表现出优良的性能。氧化剂如H2O2等可用来与络合剂、腐蚀抑制剂相匹配从而控制Cu/Co去除速率选择比。此外,由上述研究成果可见,碱性环境中Co阻挡层静态腐蚀速率相对较低,有利于减少蚀坑缺陷,因此碱性抛光液的优势更大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]阻挡层抛光液中助溶剂和H2O2对铜残留缺陷的影响[J]. 胡轶,张凯,何彦刚,刘玉岭. 半导体技术. 2018(11)
[2]高去除速率低碟形凹陷的铜化学机械抛光液[J]. 荆建芬,张建,杨俊雅. 集成电路应用. 2018(07)
[3]阻挡层CMP中铜钴电偶腐蚀的影响因素[J]. 付蕾,刘玉岭,王辰伟,张文倩,马欣,韩丽楠. 微纳电子技术. 2017(07)
[4]Cu互连Mo基新型扩散阻挡层的化学机械抛光[J]. 王永伟,王敬轩,屈新萍. 半导体技术. 2012(11)
本文编号：2939658
【文章来源】：半导体技术. 2020年01期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
TAZ对Cu和Co腐蚀抑制原理示意图[10]
2017年,K. V. Sagi等人[11]报道了腐蚀抑制剂烟酸(NA)对Co阻挡层CMP的影响,在pH值为10、硅溶胶质量分数为3%、H2O2质量分数为1%、草酸浓度为40 mmol/L抛光液中添加浓度为80 mmol/L的烟酸,Co膜抛光性能最好,其去除速率约为17 nm/min,且静态腐蚀速率小于1 nm/min,Cu/Co去除速率选择比接近1∶1。烟酸的作用机理为在Co表面生成疏松的Co(Ⅱ)-NA多孔膜,在提高去除速率的同时,有效抑制了腐蚀速率。图2为Co膜动电位行为曲线[11],图2中A、B两条曲线分别代表了H2O2质量分数为1%、草酸浓度为40 mmol/L的溶液以及在此溶液中再加入烟酸浓度为80 mmol/L后Co膜的动电位行为曲线。图中:I为腐蚀电流密度;ECORR为Co膜腐蚀电位,可见在加入烟酸后Co膜腐蚀电位从0 mV上升到70 mV,且腐蚀电流由1 200 μA/cm2下降至约300 μA/cm2。腐蚀抑制剂烟酸与Co的化学反应式为Co(OH)2+Nic2-(aq)→Co(OH)2(Nic2-)ads (1)
2019年,P.He等人[12]报道了在H2O2酸性抛光液中添加不同浓度的TAZ对Co阻挡层抛光性能的影响。通过动电位极化法测试不同浓度TAZ下的Co阴极极化电流(图3[12])可知,随着TAZ浓度的增大,Co的腐蚀电位升高且腐蚀电流密度下降。图3中EOC为开路电压。此外,由朗缪尔吸附等温线得出标准吸附自由能为-22.7 kJ/mol,证明了TAZ对Co同时存在物理吸附与化学吸附。在pH值为3、硅溶胶体积分数为5%、H2O2体积分数为1%、甘氨酸浓度为10 mmol/L的抛光液中加入浓度为5 mmol/L的TAZ,Co和Cu的静态腐蚀速率分别为11.3 nm/min和4.6 nm/min,去除速率分别为136 nm/min和144 nm/min,去除速率选择比为0.94∶1。目前,在Co阻挡层CMP中,通常使用络合剂来提高Co的去除速率,目前主流络合剂为甘氨酸、螯合剂FA/O Ⅱ以及草酸和柠檬酸等能够同时与Cu/Co发生络合反应的物质。腐蚀抑制剂被用来降低静态腐蚀速率,TAZ在Co阻挡层CMP研究中较为常见,原因是TAZ在Cu/Co表面均可形成钝化层;而烟酸对于提高去除速率和降低静态腐蚀速率也表现出优良的性能。氧化剂如H2O2等可用来与络合剂、腐蚀抑制剂相匹配从而控制Cu/Co去除速率选择比。此外,由上述研究成果可见,碱性环境中Co阻挡层静态腐蚀速率相对较低,有利于减少蚀坑缺陷,因此碱性抛光液的优势更大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]阻挡层抛光液中助溶剂和H2O2对铜残留缺陷的影响[J]. 胡轶,张凯,何彦刚,刘玉岭. 半导体技术. 2018(11)
[2]高去除速率低碟形凹陷的铜化学机械抛光液[J]. 荆建芬,张建,杨俊雅. 集成电路应用. 2018(07)
[3]阻挡层CMP中铜钴电偶腐蚀的影响因素[J]. 付蕾,刘玉岭,王辰伟,张文倩,马欣,韩丽楠. 微纳电子技术. 2017(07)
[4]Cu互连Mo基新型扩散阻挡层的化学机械抛光[J]. 王永伟,王敬轩,屈新萍. 半导体技术. 2012(11)
本文编号：2939658
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