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铜化学-机械抛光电化学机理与抛光速率的研究

何捍卫  
【摘要】:本文用电化学实验方法,以溶液化学、腐蚀电化学原理、磨擦磨损原理、流体力学边界层等相关理论为指导,采用旋转圆盘电极,首次系统地对铜在化学机械抛光过程中的电化学行为、抛光速率及CMP过程机理等进行了探讨。研究的主要内容及获得的主要结论如下: 首次系统地用极化曲线和交流阻抗技术研究了铜在硝酸、氨水、甲胺介质中的自腐蚀行为以及成膜剂铁氰化钾、苯并三唑、磷酸钠存在下的自钝化条件,考察了铜在弱碱性氢氧化钠-醋酸钠溶液中的腐蚀与自钝化行为及成膜助剂的影响。得到了较为适宜的自钝化成膜配方如下: 形成无机钝化膜 0.1%CH_3NH_2+0.5%K_3[Fe(CN)_6] 0.1%NH_3·H_2O+1%K_3[Fe(CN)_6] 0.5%HNO_3+3%Na_3PO_4·12H_2O形成有机钝化膜 1%HNO_3+1%BTA+0.2%H_2O_2形成氧化物钝化膜 HNNpH8.5+0.2mol/1KClO_2 HNNpH8.5+0.2mol/1KNO_3 用光电子能谱仪(XPS)对钝化膜中各元素进行了价态分析,并推断出各钝化膜的组成为: 氨水和甲胺介质中铁氰化钾形成无机钝化膜的组成主要为Cu_4[Fe(CN)_6]; 硝酸介质中磷酸钠形成无机钝化膜的组成为Cu_3(PO_4)_2: 硝酸介质中苯并三唑形成有机钝化膜的组成为Cu(Ⅰ)-BTA及Cu(Ⅱ)-BTA的混合物: 弱碱性氢氧化钠-醋酸钠介质(HNN)中形成的自然钝化膜为Cu_2O。 研究了在CMP过程中,铜的腐蚀电位E_(corr)和腐蚀电流密度Ⅰ_(corr)随抛光压力及抛光转速的变化规律。对于阳极型成膜剂,施加压力抛光时腐蚀电位E_(corr)下降,撤消压力时则上升;对于阴极型成膜剂,腐蚀电位E_(corr)的变化则相反。发现腐蚀电流密度I_(corr)在一定范围内基本线性地随抛光压力及转速而变化。腐蚀电位E_(cor)随时间变化的曲线斜率的大小可定性:也说明了CMP过程进行的程度以及成膜速率和除膜速率的相对大小、抛光压力和抛光转速的施加范围。 用循环伏安线性电位扫描法首次研究了铜在各种抛光液中自钝化成膜机理,根据峰电流及峰电位随电位扫描速率不同而变化的规律,证明了成膜过程均符合M?ller模型。发现了铜在不同抛光液体系中成膜后的腐蚀电流密度随抛光片转速而变化的规律。 中南大学博士学位论文 摘要 考察了铜在不同抛光液中CMP时的抛光速率及其影响因素,研究了抛光液 各组成的浓度、磨粒粒径及硬度对抛光速率的影响规律。首次提出了CMP抛光 液中各成分的量均存在一特征浓度值Cmax、此浓度下抛光速率最大的观点及 CMP抛光液的配方理论—特征浓度理论。 发现了CMP过程中抛光速率R与腐蚀电流密度Icorr在一定条件下存在着线 性关系,得出了定量的抛光速率方程,并提出了解释铜CMP过程机理的新模型 —催化腐蚀模型。 用轮廓曲线和SEM照片对比说明了铜在相应抛光液中的抛光效果,首次提 出CMP抛光液配方的作用主要是控制自纯化成膜和抛光速率,抛光片表面的最 终平整度ra主要取决于磨粒和抛光垫本身的特性,rmax和rz则取决于磨粒的均一 性的观点。化学抛光与机械抛光的简单组合不能造成全局平面化。 通过以上的研究,最终得到了较为适宜的CMP抛光液配方如下: 形成无机钝化膜时的抛光液配方为 1)氧化型成膜剂配方:1%NH3.HZO一25o/oy一A12O3+4%K3Fe(CN)6;抛光条件 为3O0r八nin;80KPa。CMP速率为280nrn/min。 2)磷酸盐型成膜剂配方:0.5%HN伍十4%Na3Po4十15~2o%Y-A12O3:抛光条件 为200r/min;64KPa。CMP速率为90nm/min。 形成有机钝化膜时的抛光液配方为 苯并三峰型成膜剂配方:1%HNO3斗1 .5%BTA+0.2%HZOZ+l5%y一A12O3;抛光 条件为: 4OKPa-20Or/min、56KPa一100口min、72KPa一50r/min。CMP速率为 105nm/min。 形成氧化物钝化膜时的抛光液配方为 HNN(pHg.5)+20%y一A12O3+0.2mol/1 KNO3。抛光条件可选取200r/min,40KPa。 CMP速率为220nm/min。


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