Electrochemical evaluations of TiO2 nano films for advanced engineering applications

Abstract

This study evaluates the performance TiO2 nano-film for engineering applications, both in biomedicine and microelectronics, were Chemical Mechanical Planarization (CMP) is a main process used for planarizing the metal surface by producing such oxide nano-film that is known to be an intact and protective film. Titanium oxide nano-film evaluation in biomedical applications is investigated. Electrochemical experiments are done on biomedical grade Titanium plates such as Potentiostatic sweeps and potentiodynamic polarizations of Ti as a function of oxidizer concentration. In surface characterizations on TiO2 films two main methods are addressed; which are contact angle and wettability measurements and surface roughness measurements. CMP application on Ti surface is performed by controlling slurry oxidizer concentration. Which leads to material removal rate evaluations and surface characterization of chemical mechanical polished Ti surfaces. CMP is also a widely used process for the manufacturing of the microelectronic circuits. It is common to planarize the metallic layers such as tungsten in the transistor via and copper in the metallization lines. The integration of the metallization also involves the deposition of the barrier layers, which are necessary to stop the diffusion of metal to the transistor as well as to improve the adhesion of the metal to the underlying layers. In this study, titanium barrier CMP was thoroughly studied by electrochemical analyses with respect to the tungsten metal itself. Ti has the unique ability to form a protective oxide layer, which was characterized and analyzed under different oxidizer concentrations. Potentiodynamic and potentiostatic scans were performed in H2O2 to provide more information on the passivation and corrosion behavior under the selected conditions. Moreover, the effect of slurry solid loading in relation with oxidizer concentrations on the film formation and removal during the CMP was investigated for both materials. The application of corrosion behavior of Ti as barrier materials for W based interconnects was further studied by evaluating the surface wettability, roughness and topography analyses.

Bu çalışma, hem biyomedikal hem de mikro elektronikteki mühendislik uygulamaları için TiO2 nano filmin performansını değerlendirmektedir. Kimyasal Mekanik Planarizasyon (CMP), sağlam ve koruyucu olduğu bilinen bu oksit nano filmin üretilmesi için metal yüzeyin planlanmasında kullanılan ana işlemdir Biyomedikal uygulamalarda titanyum oksit nano film uygulamalari değerlendirilmiştir. Elektrokimyasal deneyler, Potansiyostatik taramalar ve Ti'nin potansiyodinamik polarizasyonları gibi biyomedikal kalitede Titanyum plakalar üzerinde, oksitleyici konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak yapılır. TiO2 filmlerinde yüzey karakterizasyonlarında iki ana yöntem ele alınmıştır; temas açısı ve ıslanabilirlik ölçümleri ve yüzey pürüzlülüğü ölçümleridir. Ti yüzeyinde CMP uygulaması, bulamaç oksitleyici konsantrasyonunun kontrol edilmesiyle gerçekleştirilir. Bu, kimyasal mekanik cilalı Ti yüzeylerin malzeme kaldırma oranı değerlendirmelerine ve yüzey karakterizasyonuna yol açar. CMP ayrıca mikroelektronik devrelerin üretimi için yaygın olarak kullanılan bir işlemdir. Transistördeki tungsten gibi metalik tabakaların ve metalizasyon hatlarındaki bakırın planarize edilmesi yaygındır. Metalizasyonun entegrasyonu ayrıca metalin transistöre difüzyonunu durdurmanın yanı sıra metalin alttaki tabakalara yapışmasını iyileştirmek için gerekli olan bariyer tabakalarının birikmesini de içerir. Bu çalışmada titanyum bariyer CMP, tungsten metalin kendisiyle ilgili olarak elektrokimyasal analizler ile incelenmiştir. Ti, farklı oksitleyici konsantrasyonları altında karakterize edilen ve analiz edilen koruyucu bir oksit tabakası oluşturma özelliğine sahiptir. Seçilen koşullar altında pasivasyon ve korozyon davranışı hakkında daha fazla bilgi sağlamak için H2O2'de potansiyodinamik ve potansiyostatik taramalar yapıldı. Üstelik, her iki malzeme için film oluşumu ve çıkarılması üzerine, oksitleyici konsantrasyonları ile ilgili olarak bulamaç katı yükünün CMP sırasında etkisi araştırılmıştır. Ti'nin korozyon davranışının W bazlı ara bağlantılar için bariyer malzemesi olarak uygulanması, yüzey ıslatılabilirliği, pürüzlülük ve topografya analizleri değerlendirilerek daha fazla incelenmiştir.