集成电路使用局部钴互连技术的化学机械抛光（CMP）机理研究

20250115

制造业

钴互连是集成电路全新的互连技术解决方案，其化学机械抛光工艺及技术指标鲜有报道。国内外处于探索阶段，是全球各大晶圆制造厂的未来IC制造竞相攻克的技术难题。根据前期CMP研究基础，本课题提出合理的钴互连CMP工艺及指标，目前尚未见其他文献的研究成果能够达到项目所提出的工艺指标。预期当晶圆厂应用钴互连技术，本项目所研究科技成果会产生相应转化，预期未来应用于晶圆fab或集成电路抛光液企业。

科技成果转化合作方应为国内半导体/芯片抛光液供应商，上市公司或初创公司均可，需要具备抛光液验证渠道，需要具备CMP抛光液生产场地和验证设备和一定的销售渠道。

仅限国内转让

预期效益为研发出商用的Co化学机械抛光抛光液产品，未来有望销售至中芯国际等高端芯片制造企业。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

成果的主要内容：项目针对集成电路亚10 nm使用新型局部钴互连工艺的化学机械抛光（CMP）这一关键制造技术开展应用基础研究。研发了针对局部钴互连钛阻挡层结构“两步抛”不同抛光阶段的抛光液，并满足各项抛光工艺要求。进一步通过理论计算与实验验证相结合的方法，揭示了不同抛光阶段络合剂、缓蚀剂等抛光液组分对互连金属钴、阻挡层钛的作用机理。依托本项目发表SCI收录的期刊论文5篇（4篇为中科院TOP期刊论文），EI收录的期刊论文4篇；申请中国发明专利2项；出版专著1部；作国际学术会议特邀报告（Keynote）3次，邀请报告（Invited）1次，口头报告（Oral）3次；作国内学术会议主旨报告1次，邀请报告4次，主题报告1次，专题报告1次，口头报告1次，获首届摩擦学女科技工作者论坛“优秀墙报”奖1次；培养硕士毕业生5名，团队实现高级职称晋升3人；项目负责人所提产业技术问题“如何实现7nm以下芯片制造中纳米精度表面的加工”入选中国机械工程学会2022年10项问题难题。以上成果满足验收指标。 取得重要结果如下（1）对比研究了常见络合剂对钴的络合效果，确定了粗抛阶段以“甘氨酸”为络合剂的弱碱性H2O2基抛光液，通过分子动力学模拟深入揭示了甘氨酸对钴的微观络合去除机理；（2）针对新型钴互连抛光液，开发出了“甘氨酸+唑类缓蚀剂（TTLYK或TTA）”的弱碱性H2O2基抛光液体系，首次验证了该抛光液体系可以实现如下指标并满足及局部钴互连粗抛工艺的要求：钴的抛光速率为161 nm/min，静态腐蚀速率为8.5 ??/min，钴/钛异质材料去除选择比为39：1。并使用第一性原理计算和分子动力学模拟的方法构建出缓蚀剂的物理、化学共同作用的表面吸附构型及缓蚀机理；（3）研发了精抛阶段以“柠檬酸钾”为络合剂的弱碱性H2O2基抛光液，能够实现钴：钛=1：2的精确可控去除，且抛光后钛的表面粗糙度达到埃米级（10-10米），通过原子力显微镜、电感耦合等离子体质谱等实验，揭示了钛的材料去除机理。研究成果解决了钴、钛在CMP过程中的高效去除与腐蚀抑制难题，有效平衡了材料去除速率与表面质量之间的关系，为亚10 nm技术节点局部钴互连CMP工艺提供了科学理论依据与关键技术支持。 本项目技术创新如下：研发了新型钴互连结构的抛光液体系，满足钴互连CMP粗抛及精抛不同阶段的需求，填补国内自主研发钴互连抛光液的空白。本项目方法创新如下：创新地结合第一性原理计算+实验的方法，研究CMP过程中多种化学添加剂在钴金属表面的协同缓蚀机理；该方法有别于CMP领域的传统宏观测试方法，为深入解释多种化学添加剂在晶圆表面的协同作用机制提供明确的科学依据。 关键技术：项目研发出了针对亚10nm钴化学机械抛光（CMP）技术中粗抛及精抛过程的抛光液体系；并通过量子化学计算结合实验研究的方法，建立了钴和阻挡层钛在此CMP过程中的材料去除机理。 科学、经济、社会价值：本项目研究内容是亚10nm节点芯片制造必须攻克的新技术，研究内容具有前沿性和探索性，有望在我国亚10nm高端芯片制造中应用，对我国芯片制造业实现弯道超车具有重要应用价值，同时服务于京津冀“1555N”高端芯片产业发展布局。