阅读说明：本技术 一种双阴极间断式抛光铜的方法 (Method for intermittently polishing copper by double cathodes ) 是由 郑辉 徐海波 张阳 郑梁 郑鹏 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双阴极间断式抛光铜的方法,旨在提供一种抛光效果好、效率高、操作方便的铜表面抛光的方法；该方法包括下述步骤：配制抛光溶液并置于反应皿中；将两个碳棒浸入溶液中作为阴极,将待抛光铜片置于两个阴极正中间作为阳极；接通电源进行间断式抛光,即先在一定的电流密度下(1.5-2.5A/cm～2)持续抛光一定的时间(10-20s),再将电流密度降为0,保持一定的时间(例如5-10min),随后再继续在一定的电流密度下(1.5-2.5A/cm～2)持续抛光一定的时间(10-20s),重复5-10次。其中,每100g抛光溶液包括64.7g纯度为85％的磷酸、0.3g纯度为99％的抗坏血酸、0.2g纯度为97％的乙烯硫脲,剩余34.8g为水的含量。(The invention discloses a double-cathode intermittent copper polishing method, aiming at providing a copper surface polishing method with good polishing effect, high efficiency and convenient operation; the method comprises the following steps: preparing a polishing solution and placing the polishing solution in a reaction vessel; immersing two carbon rods into the solution to be used as cathodes, and placing the copper sheet to be polished in the middle of the two cathodes to be used as an anode; the intermittent polishing is carried out by switching on the power supply, namely, the polishing is carried out under a certain current density (1.5-2.5A/cm) 2 ) Polishing for a certain time (10-20s), reducing the current density to 0, maintaining for a certain time (e.g. 5-10min), and continuing to polish at a certain current density (1.5-2.5A/cm) 2 ) Polishing is continued for a certain period of time (10-20s) and repeated 5-10 times. Wherein each 100g of the polishing solution contained 64.7g of phosphoric acid having a purity of 85%, 0.3g of ascorbic acid having a purity of 99%, 0.2g of ethylenethiourea having a purity of 97%, and the remaining 34.8g was the content of water.)

一种双阴极间断式抛光铜的方法

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及到一种电化学抛光铜的方法,尤其涉及一种双阴极间断式抛光铜的方法，以制备光滑无缺陷的铜材料。

背景技术

铜具有良好的热学以及电学性能，广泛应用于大规模集成电路。在应用过程中，往往需要对铜表面进行抛光处理，以得到光滑无缺陷的铜表面。化学机械抛光技术利用化学和机械的协同作用，实现对铜片表面进行完整性抛光，在集成电路制造领域应用了二十多年。

随着技术的发展，铜互连层的特征尺寸变得越来越薄，为了消除RC延迟效应，层间介电常数也变得越来越小，所以互连层变得更加脆弱，在化学机械抛光过程中更容易被破坏。因此，普通的化学机械抛光已经不能满足需求。而电化学抛光没有机械力参与抛光，依靠阳极铜片与抛光溶液之间的化学反应满足对铜片表面材料的去除和平整性的要求，实现了无应力抛光，解决了化学机械抛光过程中机械力造成的互连层的破坏和介质层的损伤。传统的电化学抛光只对铜片单面进行抛光，抛光时铜片另一面边缘也会有些许微弱的抛光反应，导致铜片整体材料去除率不同，且伴随着反应的持续进行，溶液温度升高，电阻率增加，抛光电流增大，导致反应速率过快，铜表面粗糙度Ra更高。

本发明采用双阴极间断式电化学抛光法，双阴极法是为了对铜片正反两面同时进行抛光，保证了铜片正反两面的材料去除率一致、表面粗糙度Ra大致相同，减少了工艺过程，提高了抛光效率。间断式抛光保证了抛光过程中溶液的温度始终稳定在室温状态的同时，使得整个抛光过程的安全性更高、材料去除率更稳定、铜表面粗糙度Ra更低，操作简单且满足了铜片整体和局部平整性的要求。

发明内容

本发明的目的是提供对铜片进行全局性稳定抛光的一种抛光方法，应用于集成电路领域中。

(1)配制抛光溶液，抛光溶液包含浓度为55wt％的磷酸、0.3wt％的抗坏血酸、0.2wt％的乙烯硫脲。本发明采用的是纯度为85％的磷酸，纯度为99％的抗坏血酸和纯度为97％的乙烯硫脲。称取129.4g磷酸、0.6g抗坏血酸、0.4g乙烯硫脲置于反应皿中，加入69.6g水，搅拌均匀后冷却至室温。

(2)将两个碳棒浸入步骤(1)所配置的抛光溶液中作为阴极，同时将待抛光铜片置于两个碳棒中间作为阳极，接通电源对铜片正反两面同时进行抛光。

(3)将步骤(2)所搭建的测试装置，采用间断式抛光技术。即先在一定的电流密度下(1.5-2.5A/cm²)持续抛光一定的时间(10-20s)，再将电流密度降为0，保持一定的时间(例如5-10min)，随后再继续在一定的电流密度下(1.5-2.5A/cm²)持续抛光一定的时间(10-20s)。

(4)重复步骤(3)一定的次数(5-10次)。

(5)取出完成步骤(4)的铜片，用碳酸氢钠溶液洗掉铜片表面残余的磷酸，再用去离子水洗净后烘干。

抛光液中，磷酸对于铜表面抛光具有良好的效果，抛光时会在铜表面形成一层粘膜，保护铜片表面凹处不被去除。其中，磷酸含量也需要控制，磷酸含量太低，反应进行缓慢，抛光液的黏度低，铜离子和磷酸很难形成粘膜层去保护铜片表面的凹陷处，因此铜片表面微观凹陷处和凸起处的溶液粘膜电阻差距不够明显，不能实现优先反应凸起处达到平整效果，导致抛光效果较差。磷酸含量过高，阳极表面形成的粘膜层过厚，铜片表面微观凹陷处和凸起处都被粘膜覆盖，粘膜电阻的差距不够明显，不能达到有效的平整效果。

抗坏血酸能够结合氧作为氧化剂，并具有钝化金属离子的作用，能与铜离子结合生成稳定的金属盐，在铜片表面形成一层由铜盐组成的钝化膜。抗坏血酸的浓度越高，钝化膜的完整性越高，铜表面去除越难，从而达到控制材料去除率(MRR)的效果，使得MRR降低到适用值。

抗坏血酸控制MRR的同时也增加了铜表面的粗糙度Ra，采用乙烯硫脲作为添加剂，与抗坏血酸协同作用，达到了控制MRR的同时也满足了铜表面Ra值的要求。

本发明采用双阴极间断式电化学抛光法，与传统的电化学抛光法相比，双阴极法可以对铜片正反两面同时进行抛光，保证了铜片正反两面的材料去除率一致、表面粗糙度Ra大致相同，减少了工艺过程，提高了抛光效率。间断式抛光法的电源每次进行短时间的工作之后，都有足够的休息时间，抛光过程更加安全，同时保证了溶液的温度稳定且始终保持在室温状态，材料去除率更稳定、铜表面粗糙度Ra更低，操作简单的同时满足了铜片整体和局部平整性的要求。

本发明所使用的主要设备：大功率可调直流稳压电源。

附图说明

图1为本发明实验示意图；

图2为铜片抛光前的表面形貌曲线图和微观表面形貌图；

图3为实例一获得的铜片表面形貌曲线图和微观表面形貌图；

图4为实例二获得的铜片表面形貌曲线图和微观表面形貌图。其中，实例一采用的是传统的连续抛光技术，实例二采用的是间断式抛光法。

具体实施方式

下述实施列中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料，试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实例一：

(1)配制抛光溶液，抛光溶液包含浓度为55wt％的磷酸、0.3wt％的抗坏血酸、0.2wt％的乙烯硫脲。本实例采用的是纯度为85％的磷酸溶液，纯度为99％的抗坏血酸和纯度为97％的乙烯硫脲。称取129.4g磷酸、0.6g抗坏血酸、0.4g乙烯硫脲置于反应皿中，加入69.4g水，搅拌均匀后冷却至室温。

(2)将两个碳棒浸入反应皿中作为阴极，将待抛光铜片置于两个碳棒中间作为阳极，接通电源对铜片正反两面同时进行抛光。其中，抛光过程中电流密度为2A/cm²，抛光时间为90s。

(3)抛光完成后取出铜片，用碳酸氢钠溶液洗掉铜片表面残余的磷酸，再用去离子水洗净后烘干。

实例二：

(1)配制抛光溶液，抛光溶液包含浓度为55wt％的磷酸、0.3wt％的抗坏血酸、0.2wt％的乙烯硫脲。本实例采用的是纯度为85％的磷酸溶液，纯度为99％的抗坏血酸和纯度为97％的乙烯硫脲。称取129.4g磷酸、0.6g抗坏血酸、0.4g乙烯硫脲置于反应皿中，加入69.4g水，搅拌均匀后冷却至室温。

(2)将两个碳棒浸入反应皿中作为阴极，将待抛光铜片置于两个碳棒中间作为阳极，接通电源对铜片正反两面同时进行间断式抛光。其中，抛光过程中电流密度为2A/cm²，每次抛光时间为15s，间断时间为5min，抛光次数为6次。

(3)抛光完成后取出铜片，用碳酸氢钠溶液洗掉铜片表面残余的磷酸，再用去离子水洗净后烘干。

从图2抛光前的铜片表面形貌曲线图和微观表面形貌图可以看到，抛光前铜片表面的粗糙度高达82.5nm，且铜片表面布满纹路、凹凸不平。从图3持续进行90s的电抛光处理得到的铜片表面形貌曲线图和微观表面形貌图可以看到，电抛光不仅可以将铜片表面的粗糙度降低到25.4nm，还能抛掉铜片表面凹凸不平的纹路，但是由于持续抛光时间过长，溶液温度升高，电流增大，反应速度过快，导致铜片表面出现孔洞较大且密集。从图4间断式抛光得到的铜片表面形貌曲线图和微观表面形貌图可以看到，Ra降低到了13.5nm，铜片表面只有少量微小孔洞。由此可知，间断式抛光比传统抛光方法得到的铜材料表面粗糙度更低，微观表面孔洞更少，抛光效果更好。

以上实施例的说明只是帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，是本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是复合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。