超低k介质/铜异质表面平坦化中的界面原子/分子迁移行为与损伤机制研究

随着集成电路制造向22nm及以下线宽发展，其表面平坦化技术也遇到前所未有的挑战，与铜互连相匹配的介电质薄膜的介电常数(k)值将达到甚至低于2.0，其极低的弹性模量（仅为铜弹性模量的30～60分之1）使得非均质表面平坦化加工时极易造成材料界面剥离、互连线损伤、表面不平整等问题，现有的化学机械抛光(CMP)技术无法实现铜互连与超低k介质材料的均匀快速去除，其核心是无法解决界面损伤问题。针对此问题，本课题从超低k介质/铜异质表面平坦化的界面原子/分子迁移行为出发，探索损伤的形成机制与影响因素，以及非均质表面平坦化中材料的原子尺度去除规律，揭示光、电、化学、机械等能量转换机制及多场耦合下界面分子迁移重构规律、异质材料原子尺度材料去除机制和损伤形成原因，探索面向22纳米及以下线宽集成电路平坦化的原子级材料去除理论及外场诱导表面原子行为控制技术。

本项目针对超低k介质/铜异质表面平坦化中的界面原子/分子迁移行为与损伤机制展开研究。项目主要开展了以下工作：1.采用分子动力学模拟方法，建立了低 k介质多孔二氧化硅材料的分子动力学模型，揭示了孔隙率对材料密度、弹性模量的影响规律。建立了多孔氧化硅/铜界面的分子动力学模型，从原子分子角度研究了界面孔隙率对界面结合性能的影响。2. 结合纳米压痕、划痕实验与数值模拟技术，考虑了材料的塑性变形及界面剥离模型，提出了分析Cu/低k介质多层及布线结构界面损伤的方法，采用这种方法系统研究了Cu/低k介质多层及布线结构界面损伤的形式及形成机理，定量地获得了结构中相应界面的结合强度。3. 针对集成电路22 nm线宽技术节点，建立了预测Cu/低k介质布线结构CMP过程界面剥离临界抛光下压力的计算模型，系统研究了不同CMP过程参数对界面剥离的影响，揭示了布线结构在整个Cu-CMP过程中界面剥离的形成机理。4. 采用原子力显微镜进行微观材料去除实验，深入研究了抛光液化学作用对Cu和低k介质CMP过程中机械去除的影响。5.建立了基于荧光示踪技术的纳米颗粒运动观测系统，实时观察及分析了抛光中纳米颗粒的运动规律，及抛光下压力、抛光垫转速和pH值等参数对颗粒运动的影响，分析证实了抛光过程中颗粒碰撞对材料去除作用。本项目的研究内容基本按照申请书和计划书的要求完成，达到了预定的研究目标。项目共发表期刊论文12篇，其中SCI收录11篇，ISTP收录1篇，撰写专著1本，参加国际会议并做学术报告4人次，申请发明专利1项, 培养博士生3名，硕士生3名。