ULSI制造中的铜互连层低压力平坦化技术基础

本项目针对下一代ULSI芯片制造中低强度Cu/Low-k结构表面的高效低压力平坦化加工要求以及目前低强度Cu/Low-k结构表面平坦化加工中存在的问题，提出含高介电常数纳米磨粒的电化学机械抛光（ECMP）专用电解液方案，研究含高介电常数纳米磨粒电解液对电解液中金属离子迁移的影响机制和规律、抛光垫表面几何特征和组织特性对含纳米磨粒电解液流动性的影响规律、铜互连层ECMP过程中的物理化学作用及材料去除机理，以及铜互连层高效高精度低压力平坦化工艺，研制含高介电常数纳米磨粒的新型ECMP专用电解液和具有开槽结构的ECMP专用抛光垫。通过对低强度Cu/Low-k结构表面高效超精密低压力平坦化加工的基础理论与关键技术系统深入的研究，为我国下一代ULSI芯片制造提供拥有自主知识产权的高效超精密加工理论和技术。对促进我国微电子制造技术的跨越式发展具有重要的科学价值和理论意义。

随着集成电路（IC）制造技术向特征线宽微细化方向发展，为解决由此引起的阻容（RC）延迟效应问题，多层金属互连中开始采用低强度、附着力差的超低k绝缘层材料，在平坦化过程中极易产生Cu/低k绝缘层材料界面剥离和易损伤等问题。因此，必须在低压力（低于1.0psi）或无应力条件下进行抛光才有可能克服这些问题，这给Cu/低k结构的平坦化技术带来了更加严峻的挑战。针对这一问题，本项目提出含高介电常数纳米磨粒的电化学机械抛光（ECMP）专用电解液方案，并将ECMP工艺试验与理论建模分析方法相结合，系统地研究了低强度Cu/低k结构表面高效超精密低压力平坦化加工的基础理论和关键技术。.本项目首先根据Cu-ECMP的专用电解液研制及加工机理研究需要，自行研制了Cu-ECMP综合模拟试验台，并以此为试验平台，综合运用电化学极化曲线测试、交流阻抗图测试、静态腐蚀试验和抛光工艺试验等手段，研究了外加电势、电解液pH值、抑制剂和络合剂等因素对铜在电解液中的电化学溶解和钝化膜形成过程的影响规律，研制了新型Cu-ECMP电解液；建立了Cu-ECMP工艺实验台，进行Cu-ECMP抛光工艺试验，研究了抛光中电化学作用和机械作用之间的耦合平衡关系，抛光表面粗糙度达到Ra 1.5 nm。采用格子Boltzmman方法分析了抛光液在带沟槽抛光垫多级粗糙间隙内的微观流动过程和颗粒的运动规律；采用混合软弹流润滑模型研究了带导电孔ECMP抛光垫表面的微接触与流动行为，探索了通过改进抛光头设计，提高接触压力均匀性的途径。.本项目已在机械工程学报、Materials and Manufacturing Processes等期刊上发表学术论文5篇，授权发明专利2项，已培养硕士研究生2人，在读硕士研究生2人、博士生1人。