从缓冲氧化物蚀刻剂中将铜沉积到硅晶片上

引言

已经研究了从缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)到裸硅、二氧化硅和图案化硅水的铜沉积。在二氧化硅表面上不会发生沉积，而在图案化的二氧化硅区域1上观察到的沉积水平介于裸硅和二氧化硅上的沉积水平之间。每次浸入BOE溶液后，晶片清洗的持续时间、硅材料以及衬底掺杂不会影响沉积量。从BOE溶液中沉积铜的过程均匀地发生在晶片表面上。

讨论

在氢氟酸(HF)和BOE溶液中，铜原子与氟原子形成络合物。因此，铜可能以Cu”、CuF*或CuF物种的形式存在。这三种物质的分布取决于溶液中氟离子的浓度(图10)。对于在整个实验中使用的30∶1 BOE溶液，氟离子浓度为11.54M，结果铜主要以CuFJ形式存在。铜在硅表面上的沉积机理如下

si+2cu F3-r Cu+SiF { fiG，=-624 kJ[9]

铜沉积到硅表面上的过程作为电化学还原发生，其中铜离子在硅表面的选定位置被阴极还原，而硅在相应的阳极位置进行溶解。作为半导体的硅衬底能够在阳极和阴极反应之间传导电子，并维持电化学电池。基本上，电化学反应与控制整个过程的混合电位有关。人们认识到，在反应过程中，混合电位可能会移动。这一现象当然得到了实验结果的支持。从第三组晶片的结果来看，铜的沉积随时间保持线性。与吸附等温线不同，这种行为持续到超过6×101 Cu原子·cm-3的沉积水平，接近单层的形成。

图9。铜在氢氟酸溶液中的分布。铜可以与氟络合，并以三种不同的形式存在:Cu”、CuF”或CuFj。30:BOE溶液的氟浓度为11.54j/4，因此溶液中的铜主要是CuFj物种。

图10。用AFM仪器分析来自时间-频率实验的晶片。三个样品的显微照片表明铜的沉积发生在选定的位置，并提供了铜从BOE的沉积受电化学还原控制的证据，其中铜在硅表面的阴极筛上被还原，而硅同时在相应的阴极位置被氧化。

硅被氧化的阳极位置没有被耗尽。因此，很可能还没有建立完整的铜单层。AFM显微照片显示了粗糙的表面，表明在基底中有凹坑，表面材料的峰相邻。这些显微图提供了沉积过程作为电化学还原发生的额外证据。

结论

已经研究了在裸硅表面、二氧化硅表面以及图案化二氧化硅表面上从BOE溶液沉积铜。裸硅和图案化二氧化硅区域中的铜沉积与溶液中的铜量成比例。完全被二氧化硅覆盖的区域导致非常低的铜表面浓度，这对于所有水平的铜污染都是恒定的。对于衬底掺杂、硅材料或冲洗时间的变化，沉积的铜量没有可观察到的差异。铜的沉积与时间成线性关系，并以一级反应为特征。此外，沉积可以表征为阿伦尼乌斯行为。阿伦尼乌斯关系的活化能随着表面浓度接近对应于单层的水平而变化。当表面浓度小于单层时，这些活化能被确定为0.40电子伏(38.6千焦·摩尔)，当表面浓度在单层数量级时，这些活化能被确定为0.20电子伏(19.3千焦·摩尔)。随着铜沉积的增加，表面粗糙度增加，导致整个表面出现尖峰。铜从BOE的沉积似乎受电化学还原控制，其中铜在硅表面的阴极位置被还原，而硅同时在相应的阳极位置被氧化。