铜互连芯片高效平整的微观摩擦电化学机理与技术关键

结合电化学扫描探针和纳米划痕试验技术，构建微观摩擦电化学模拟实验系统，分别针对构成铜互连结构芯片的单晶硅、氧化硅、碳化硅和铜等材料，在充分考虑其电物理化学特性的基础上，对各种材料在电化学机械平整化（ECMP）过程中介质、外加电势及摩擦力等对表面平整度及材料去除率的影响进行模拟试验；建立各材料ECMP的多参数控制模型，结合考虑摩擦／电催化效应及化学键能理论的分子动力学仿真技术，对上述材料在ECMP中的电化学反应、摩擦催化和材料去除及表面形成的过程进行仿真，揭示摩擦和电化学作用下各材料高效去除的微观摩擦电化学机理。最后对上述多种材料组合的铜互连芯片进行电化学刻划试验，优化其摩擦电化学工艺参数，获得提高铜互连芯片ECMP 效率和表面质量的技术关键。本项目面向新一代铜互连芯片的高效平整化加工背景，研究内容对于丰富纳米摩擦学、摩擦电化学以及提高我国芯片超精密加工的技术水平具有重要理论意义和科学价值。

针对铜互连芯片基材,采用电化学测试方法定量研究了不同浓度络合剂基液及腐蚀抑制剂下不同极化条件对铜阳极钝化膜的影响，优选了电解液配方及极化条件。通过在该电解液中的ECMP模拟实验，对铜ECMP工艺进行了优化，揭示了电化学工艺条件对铜电化学机械平整化（ECMP）超精密加工表面质量的影响规律。通过电化学阻抗谱实验和动态ECMP模拟实验，并结合EDAX能谱和纳米划痕实验研究了Cl离子HEDP+BTA和HEDP+ TTA电解液中铜钝化膜的协同抑制作用，证明氯离子添加至含有TTA的电解液时其抑制能力提高并拓展其有效的电位操作区间。以塑性力学理论为基础，进行了具有铜钝化层的有限元微观刻划仿真，并与纳米刻划实验相结合，确立了铜基体表面产生划痕的临界条件。针对材料硅，通过电化学测试方法研究了抛光液pH值、氧化剂浓度等对硅片腐蚀特性的影响，优选了适合硅片平坦化的抛光液，并探索了外加电势对硅片平坦化材料去除率及表面质量的影响规律。最后，结合电化学测试方法及X射线光电子能谱分析，对钝化膜的形成以及ECMP机理进行了深入研究。研究对控制和改进铜互连芯片的表面质量、提高加工效率具有重要的意义。