電沉積銅薄膜中織構(gòu)與內(nèi)應(yīng)力的研究.pdf

1、銅電沉積技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)性、選擇性及優(yōu)良的深鍍能力，在機(jī)械制造及微電子工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。特別是隨著超大規(guī)模集成電路中銅互連技術(shù)的發(fā)展，對(duì)銅薄膜組織結(jié)構(gòu)的研究日益受到關(guān)注。其中，電沉積銅薄膜的織構(gòu)及內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)薄膜的物理、化學(xué)性能及力學(xué)性能有著重要的影響，已成為目前研究的熱點(diǎn)。 本文利用X射線衍射方法，側(cè)重研究了不同電沉積工藝條件下銅薄膜中的織構(gòu)及內(nèi)應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)，在硫酸鹽銅鍍液體系中，電流密度較低(2A/dm2)時(shí)電沉積銅薄膜表

2、現(xiàn)為(220)絲織構(gòu)特征，電流密度較高(16A/dm2)時(shí)銅薄膜表現(xiàn)為(111)絲織構(gòu)特征，隨電流密度的升高銅薄膜由(220)絲織構(gòu)向(111)絲織構(gòu)轉(zhuǎn)變。研究了薄膜厚度對(duì)電沉積銅薄膜織構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)薄膜織構(gòu)程度隨膜厚的增加而增加。研究了稀土鈰鹽、聚乙二醇(PEG)和乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)對(duì)銅薄膜織構(gòu)的影響，結(jié)果表明，三種添加劑都不同程度的降低了薄膜的織構(gòu)程度。 通過(guò)研究銅薄膜電結(jié)晶初期生長(zhǎng)過(guò)程，探討了銅薄膜的織構(gòu)形成機(jī)理

3、。研究過(guò)程中，為減小基體材料對(duì)薄膜組織結(jié)構(gòu)的影響，本文選擇惰性Ni-P非晶鍍層作為基體材料。恒電位階躍法研究表明，在硫酸鹽銅鍍液體系中，銅電結(jié)晶初期按三維瞬時(shí)成核機(jī)制形核，且隨著過(guò)電位的增大，銅薄膜更傾向于三維成核機(jī)制形核。添加少量稀土鈰鹽后，由于稀土陽(yáng)離子的特性吸附，使得電極界面分散層電位升高，導(dǎo)致銅電沉積陰極反應(yīng)過(guò)電位增大，薄膜形核能降低。添加少量聚乙二醇，由于其表面活性在金屬電極表面形成緊密的吸附層，產(chǎn)生附加能壘，對(duì)銅電結(jié)晶成核有

4、強(qiáng)烈的阻化作用，銅電結(jié)晶機(jī)理由連續(xù)成核向瞬時(shí)成核轉(zhuǎn)變?；谝陨辖Y(jié)果，并結(jié)合經(jīng)典擇優(yōu)取向理論，對(duì)本文研究體系中電沉積銅薄膜不同織構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了探討。 X射線衍射技術(shù)是目前測(cè)定材料內(nèi)應(yīng)力的主要手段，但薄膜中的織構(gòu)會(huì)造成2θ-sin2ψ的非線性，導(dǎo)致不合理的應(yīng)力測(cè)定結(jié)果。電沉積銅薄膜主要表現(xiàn)為顯著的絲織構(gòu)特征，本文研究了不同取向絲織構(gòu)對(duì)電沉積銅薄膜彈性常數(shù)及X射線彈性常數(shù)的影響，結(jié)果表明，當(dāng)銅薄膜存在(hkl)絲織構(gòu)時(shí)，其各彈性矩

5、陣分量的計(jì)算結(jié)果與各向同性材料相差較大，絲織構(gòu)薄膜的彈性矩陣對(duì)稱性降低，出現(xiàn)類似六方晶系的彈性矩陣形式。分別計(jì)算了具有(100)、(110)和(111)絲織構(gòu)銅薄膜的彈性常數(shù)與X射線彈性常數(shù)以及二者隨sin2ψ的非線性規(guī)律。提出了利用加權(quán)多晶各向同性和具有理想絲織構(gòu)銅薄膜X射線彈性常數(shù)的方法，優(yōu)化了銅薄膜X射線應(yīng)力測(cè)定方法，提高了應(yīng)力測(cè)定結(jié)果的可靠性。通過(guò)原位拉伸X射線應(yīng)力測(cè)定，研究了電沉積銅薄膜的力學(xué)行為，獲得了薄膜的真實(shí)力學(xué)性能。

6、 利用優(yōu)化X射線應(yīng)力測(cè)定方法研究了電沉積銅薄膜中的內(nèi)應(yīng)力。結(jié)果表明，電沉積銅薄膜處于拉應(yīng)力狀態(tài)，隨電流密度的升高薄膜內(nèi)應(yīng)力增加。稀土鈰鹽有降低銅薄膜內(nèi)應(yīng)力作用，聚乙二醇和乙二胺四乙酸二鈉不同程度的引起銅薄膜內(nèi)應(yīng)力的增大。薄膜內(nèi)應(yīng)力與薄膜厚度的關(guān)系為，先隨膜厚的增加而降低，當(dāng)薄膜厚度較厚時(shí)隨膜厚的增加而增大。為降低電沉積銅薄膜中的內(nèi)應(yīng)力水平，探索了兩種內(nèi)應(yīng)力調(diào)整途徑，結(jié)果表明，利用超聲波電沉積技術(shù)和后序低溫處理工藝均可有效降低銅薄膜