程洁：2016年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者
新型铜互连阻挡层钌的化学机械抛光机理研究
Research on Chemical Mechanical Polishing Mechanism of Novel Diffusion Barrier Ru for Cu Interconnect
作 者：程洁
指导教师：路新春
培养院系：机械工程系
学 科：机械工程
读博感言：源于简单，归于真理。
研究背景/选题意义/研究价值
钌作为集成电路亚14 nm技术节点最具有应用前景的阻挡层材料之一，其化学机械抛光（CMP）的研究尚处于起步阶段，在抛光机理、缺陷控制、工艺优化方面的研究并不完善。论文主要从腐蚀研究的角度出发，系统地研究了铜和钌在以高碘酸钾为氧化剂的抛光液中的材料去除机理。研究成果填补了目前阻挡层CMP过程中铜、钌材料去除机理研究的空白，为解决铜/钌界面电偶腐蚀难题提供了新思路，为有效、精确控制CMP工艺提供了理论基础。
主要研究内容
本文针对可用于亚14 nm及以下技术节点的新型阻挡层材料铜及钌互连结构的CMP问题，从腐蚀研究的角度出发，揭示了高碘酸钾抛光液体系中铜和钌的CMP材料去除机理、铜/钌界面微观电偶腐蚀的产生和扩展机理、抛光液添加剂对电偶腐蚀的抑制效果、苯并三氮唑-钼酸钾复合缓蚀剂在阻挡层CMP过程中的作用。
双大马士革工艺中的CMP
腐蚀磨损实验中Cu表面摩擦过程对开路电位的影响
KIO4抛光液中Cu/Ru界面电偶腐蚀的产生及发展机理：(a)电偶腐蚀初期；(b)电偶腐蚀中期；(c)电偶腐蚀后期
主要创新点
1、首次提出Cu和Ru在KIO4抛光液中的材料去除机理：导致Cu和Ru材料去除的主要作用是化学机械交互作用；弱碱性抛光液为Cu和Ru理想的抛光环境，此时二者的机械磨损促进腐蚀的作用均较强，可获得较高的抛光速率和较好的抛光表面质量。
2、创新地采用传统的腐蚀磨损实验与CMP-电化学实验相结合的方法，研究了Cu和Ru的摩擦腐蚀特性的产生机理：摩擦腐蚀产生的原因是机械摩擦过程引起金属表面去钝化区/钝化区的局部电偶腐蚀；实际抛光过程中，摩擦腐蚀效应为抛光液加速的传质过程、机械摩擦作用促进的腐蚀效果的叠加。
3、使用原位、微观的方法对Cu/Ru界面电偶腐蚀的产生及扩展机理进行研究：电偶腐蚀首先发生在Cu/Ru界面处，其扩展机制与铜表面腐蚀产物的性质密切相关；Cu/Ru电偶腐蚀的发展呈三个阶段，即电偶腐蚀的免疫阶段、加速阶段和稳定阶段。
代表性学术发表
[1] Cheng J, et al., Applied Surface Science, 2014, 320(30): 531～537.
[2] Cheng J, et al., Tribology Letters, 2015, 58(1): 1～11
[3] Cheng J, et al., Applied Surface Science, 2015, 337(15): 130～137.
[4] Cheng J, et al., Applied Surface Science, 2015, 351(1):401～409.
[5] Cheng J, et al., Microelectronic Engineering, 2016, 151(5):30～37.
来源：清华大学研究生院
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