铜互连的超薄扩散阻挡层材料及工艺研究一直是铜互连研究领域的前沿课题。在亚16纳米以下节点,人们一直在探索新型阻挡层材料。Ru、RuTa合金、Mo等新材料由于具有更低的电阻率,可以实现无籽晶层Cu直接电镀,因此有可能成为替代Ta/TaN作为Cu互连粘附阻挡层的热门材料而受到人们关注。但是这些材料的化学机械抛光(Chemical mechanical polishing, CMP)性能,却鲜有报道。研究这些新材料的化学机械抛光性能和工艺有着重要的科学研究价值和广阔的应用前景。论文首先研究了甘氨酸在KIO4基的抛光液中对钌(Ru) CMP的作用。实验结果表明,甘氨酸浓度的变化对KIO4基抛光液体系的稳定性影响不大。Ru与Cu的抛光速率都随KI04浓度的增大而增大。加入甘氨酸后,Ru的抛光速率随甘氨酸浓度的增大而降低,而Cu的抛光速率随甘氨酸浓度的增大而增大。因此,通过调节甘氨酸的浓度,可以使Ru与Cu的抛光速率达到1：1,有助于在抛光过程中降低阻挡层的腐蚀。甘氨酸在KI04基抛光液中对Ru的腐蚀具有抑制作用,主要是因为甘氨酸解离的中性离子+H3NCH2COO-吸附在被氧化了的Ru的表面而抑制Ru的腐蚀。原位OCP扫描以及XPS测试结果表明,加入甘氨酸之后,Ru表面生成的Ru02量减少,证实了甘氨酸对Ru的腐蚀的抑制作用。论文还使用KI04基抛光液对RuTa合金(9：1)的抛光进行了初步的研究。实验结果表明,KIO4基抛光液对RuTa合金也有相当好的抛光效果,且静态腐蚀速率基本为0,抛光效率明显大于对纯Ru的抛光效率。与对纯Ru抛光一样,RuTa合金在抛光过程中与Cu之间存在较大的电偶腐蚀。论文然后进行了H2O2基抛光液对钼(Mo) CMP的研究。Mo在酸性H202溶液中,主要氧化产物为MoO3, MoO2;在碱性条件下,M003的含量最高。Mo的抛光速率随H202浓度的增加而升高。在酸性条件下,Mo的抛光速率较低,主要原因是生成的氧化物在酸性条件下较难溶解。在碱性条件下,Mo的抛光速率与静态腐蚀速率都较高,原因是在碱性条件下的氧化物主要为MoO3,MoO3在碱性条件下较容易溶解。实验发现,Si02磨料在H202溶液中对Mo的抛光具有抑制作用。其原因可能是Si02磨料颗粒与Mo的表面氧化物相互作用,抑制了Mo的腐蚀。在H202基抛光液中加入AS后,在碱性条件下,由于NH4+能够螯合钼酸形成更易溶解的钼酸铵,Mo的抛光及静态腐蚀速率随AS的浓度增大而增大。在H202基抛光液中加入甘氨酸后,可以有效的抑制Mo的腐蚀,提高Mo的抛光效率。我们对Mo进行了无磨料的H2O2抛光液抛光研究,获得较高的抛光速度和平整表面,并利用无磨料抛光液对实验室自制抛光图形测试片进行抛光,研究了抛光工艺和抛光效果。论文首次系统研究了KI03基抛光液对Mo的CMP性能。Mo在pH2的KI03溶液中的主要氧化产物为M003,其次为Mo2O5, MoO2的含量最少。随着pH值的增大,M002和Mo205在生成的氧化物中的含量增加,Mo的抛光速率降低。Mo的抛光速率随KI03浓度及Si02磨料的增加而升高。通过大量实验,得到最佳的KI03浓度为0.1M,最佳的磨料浓度为5wt.%。实验发现,在0.1MKIO3,pH2的溶液中,Mo的静态腐蚀基本为零,但是却有最大的抛光速率,而且Mo在0.05MKIO3中的静态腐蚀速率大于0.1M中的静态腐蚀速率。其原因可能是,在0.1MKIO3中生成的氧化层更加致密,尤其是在pH2的条件下,该致密的氧化层很难溶解,但容易被机械摩擦力去掉,使得抛光速率与静态腐蚀速率出现不一致的现象。我们对使用KI03以及H202抛光后的Mo表面粗糙度进行了比较。使用KI03基抛光液对Mo进行抛光,尤其是在0.1MKIO3, pH2的条件下,由于抛光效率提高,其粗糙度小于使用H202基抛光液的粗糙度。
