【摘要】 本文通过接触力学建模分析铜镶嵌抛光制样中图案几何对材料去除率的影响，揭示平坦化机制及非均匀抛光成因，为半导体制造提供工艺优化方案。

随着超大规模集成电路（ULSI）向微型化发展，传统互连金属化方案面临瓶颈。采用沟槽图案化沉积与化学机械抛光（CMP）​​ 结合的铜镶嵌技术，成为突破互连技术的关键路径。图1展示典型铜大马士革结构：铜层与Ta/Ti/TaN扩散阻挡层沉积于蚀刻后的层间电介质（ILD）表面，通过CMP去除过量铜形成导电沟槽。

图1 铜大马士革结构示意图: (a)抛光前和(b)抛光后

实验表明，​铜镀层平坦化速率与图形几何强相关。为完全清除介质表面铜层及阻挡层，需轻微过度抛光，导致模内非平面性——这将引发后续光刻的焦平面偏移，同时软铜表面氧化侵蚀会降低互连线厚度并增加电阻。因此，​精确量化平坦化、抛光及侵蚀机制对提升良率至关重要。

 

图案几何对材料去除率的影响

早期研究聚焦ILD层抛光，但其结论可延伸至金属抛光平坦化阶段。唯象模型证实：特征尺寸、图形密度与抛光速率存在显著关联。实验发现：

  • 高图案密度区域（>60%）材料去除率下降30%
  • 特征间距<5μm时平面化长度衰减50%
  • 周长面积比每增加0.1μm⁻¹，边缘侵蚀速率提升15%

基于密度的数值模型成功预测了任意布局的表面形貌演化，但摩擦学机制仍需深入解析。

 

接触力学模型突破

理论研究中，弹性垫接触模型揭示了压力分布与垫片位移的数学关系（式1）：

其中为等效弹性模量，为衬垫刚度系数。

Chekina稳态模型指出：​非均匀压力分布是图案区抛光速率差异的主因。但该模型存在局限——对高深宽比结构，衬垫可能在低特征区未接触时已发生非共形变形。为此，本文建立多机制抛光模型：

1.​共形接触阶段​：弹性垫完全贴合高特征区

2.过渡阶段​：压力梯度驱动材料横向流动

3.​非共形接触​：低特征区开始参与抛光

通过测试晶片验证发现：当线宽<0.18μm且面积分数>75%时，模型预测误差<8%。

 

工艺优化启示

本研究确立三大核心参数：

铜盘结构优化需同步控制：

1.阻挡层CMP选择比

2.氧化剂浓度梯度

3.机械作用深度

（注：相关稳态侵蚀模型将在后续论文详述）

 

参考文献：1.Lai J Y, Saka N, Chun J H. Evolution of copper-oxide damascene structures in chemical mechanical polishing: I. Contact mechanics modeling[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2001, 149(1): G31.

 

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