ULSI互连线铜电沉积过程普适动力学模型的研究与数值模拟

电镀是完成铜互连线的关键技术之一，要求对深宽比较高的沟槽或通孔进行填充，其主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙、分布均匀的铜。但由于电沉积过程同时涉及扩散、对流、电迁移、同级反应、晶体生长等多个过程，尤其是不同添加剂的加入，更增加了电沉积过程的研究难度。本项目拟以ULSI中铜互连技术的电镀工艺为切入点，通过广泛收集电化学实验结果和数据，运用参数优化、模糊推理等多种数学方法，探究影响铜电沉积的主要影响因素和沉积速度、沉积效果之间的量化关系，初步构建理论响应模型；同时，在已有模型和电化学原理等基础理论知识的基础上，通过跨尺度耦合方法，实现电结晶的成核和生长等原子级尺度模型与扩散、电迁移等显微尺度相关理论和模型的相互关联，尝试建立镀铜动力学的普适理论模型，并结合数值模拟和电化学实验等研究方法，完成模型的验证和修订工作。

电镀是完成铜互连线的关键技术之一，要求对深宽比较高的沟槽或通孔进行填充，其主要目的是在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙、分布均匀的铜。但由于电沉积过程同时涉及扩散、对流、电迁移、同级反应、晶体生长等多个过程，尤其是不同添加剂的加入，都会导致电镀效果的不同。本项目以ULSI中铜互连技术的电镀工艺为切入点，通过实验并广泛收集数据，开展了以下几个方面的研究：.（1）.通过开展添加剂MPS对铜电结晶过程影响规律的研究，初步建立了成核数密度与过电位之间、成核数密度与MPS浓度之间的数学关系表达式。研究发现，在过电位一定的条件下，成核数密度与MPS浓度可以由指数曲线进行拟合，由拟合结果可以看出，当添加剂MPS的浓度不是非常大时，成核数密度随添加剂MPS浓度的增加而增大，而当添加剂MPS的浓度增加到一定浓度时，成核数密度的增加将逐渐放缓甚至会引起下降。研究结果还显示，根据曲线拟合结果可以估计特定试验条件下的最大成核数密度。当过电位不同时，最大成核数密度可能不同，并在一定条件下最大成核数密度可以达到最大。.（2）.对添加剂PEG对成核数密度和扩散系数的影响进行了研究。研究发现，在过电位一定的条件下，随着添加剂PEG浓度的增加，成核数密度是降低的，但当PEG浓度达到一定值以后，随着添加剂PEG浓度的继续增加，成核数密度反而减小，而且峰值前后基本可以用二次曲线进行拟合。而在PEG浓度一定时，随着过电位的负移，成核数密度逐渐增大，而且当PEG浓度较高时，成核数密度的增长速率远高于PEG浓度较低时的增长速率。在添加剂PEG浓度一定的情况下，成核数密度与过电位之间的关系可以由以下指数曲线进行拟合，从而进一步验证并补充了M. Palomar. Pardave和 Arbib的结论。..同时，对未含有添加剂的镀液情况下，开展微槽电极上铜的电沉积过程的数值模拟研究，通过研究输出电极板附近及溶液中铜离子浓度的分布对电化学反应速度及扩散速度进行了表征。项目考虑了三个微槽侧壁电极板上的电化学反应消耗，及溶液中铜离子在水平和竖直两个方向上的扩散，模拟结果基本显示出了沿微槽侧壁方向上铜离子浓度分布的不均匀性，槽底部铜离子因反应消耗、扩散不能及时补充而出现浓度降低的现象，以及铜离子在横向上经过一段时间的非稳态扩散，最终基本达到均匀分布，扩散只发生在槽深方向上，微槽底部的铜沉积速度受该扩散过程的限制。