河北科研团队实现规模集成电路平坦化技术突破

　　笔记本越来越薄，手机上网越来越快……这些电子产品之所以能够越来越小，运行能够越来越快，是因为其核心部件———集成电路芯片在不断“瘦身”。

　　一个5毫米×5毫米的主流芯片里面有上亿个元器件，而每条导线直径只有65纳米，相当于人头发丝的千分之一。如何用这么细的导线将诸多元器件连在一起并稳定发挥作用，是世界公认的技术难题。日前，在国家重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”研究中，河北工业大学刘玉岭教授率领的科研团队独创了以化学作用为主的CMP碱性技术路线，成功完成对极大规模集成电路平坦化工艺与材料的攻关。该成果一举打破国外技术垄断，并在技术上达到了国际领先水平。

　　独辟蹊径：“走不通”的路走通了

　　5月15日，笔者走进了净化级别达到1000级的河北工业大学微电子研究所超净实验室。“这是用CMP碱性技术抛光过的12英寸硅晶圆，表面平整度达到了亚纳米级。”研究所所长、博士生导师刘玉岭教授拿起操作台上一个约有2毫米厚的大圆盘，在光滑的表层下面布满了电子元器件。

　　芯片精度越高、体积越小，就可以实现速度更快、耗电更小，成本也相对更低。“然而，随着芯片集成度的不断提高，电路复杂性也随之提高。”刘玉岭介绍，为提高芯片的集成度，极大规模集成电路都采用多层布线的方法，层与层之间由绝缘介质隔开，再用铜把每层的元器件互连起来。

　　刘玉岭说，对极大规模集成电路多层铜布线进行超精密加工的技术，为美、日等少数发达国家所垄断，他们采用的是化学机械平坦化(CMP)方法。“一般情况，铜互连使用电镀工艺很容易形成铜表面凹凸不平，尽管这种凹凸差只是微米级的，肉眼根本看不出来，但却成为制约极大规模集成电路发展的关键，因此美、日等发达国家一直把其作为核心技术进行严密封锁。”

　　随着极大规模集成电路进一步发展，酸性的技术路线开始暴露出粗糙度大、碟形坑大、腐蚀设备等弊端。2009年，承担国家重大专项的刘玉岭想换一种思路，研发CMP碱性技术。“美国、日本等国家的科学家也曾关注过碱性路线，但由于铜在化学活动顺序表中是氢后金属，在碱性条件下的产物氧化铜、氢氧化铜等不溶于水，这条路一度被科学家认为走不通。”

　　刘玉岭带领他的团队迎难而上，经过反复试验，找到了一条以络合和胺化等化学作用为主的技术路线，实现了抛光液的碱性化。“与现在通用的酸性抛光液相比，我们研发的碱性抛光液成分由13种减少到3种。”刘玉岭介绍，这样既简化了工艺，又提高了控制精度，并且在对多种物理、化学性质不同的材料同时抛光时，可以对铜膜引起的碟形坑、蚀坑进行有效修正，提高材料表面的平整度。

　　弯道超车：追赶者成为被追赶者

　　集成度的不断增大，特征尺寸的进一步降低，使得CMP加工精度和难度也进一步增大。“随着极大规模集成电路进入到45纳米节点技术及以下，布线层数达到10层以上，CMP碱性技术将更显示出它的优越特性。”刘玉岭自信地说。

　　目前，高端设计已进入20纳米和14纳米，芯片集成度达到1010(10的10次方)数量级以上，晶圆尺寸将增大至450毫米(18英寸)。“极大规模集成电路到了45—22纳米节点技术时，机械强度是个必须要迈过的坎儿。”刘玉岭表示，根据现在酸性CMP技术工艺的生产线要求，一般使用的机械强度是2psi(磅/平方英寸)以上，很难达到极大规模集成电路进一步发展的要求。

　　据介绍，CMP过程中必须要有一定的机械强度，是为了解决铜膜凹凸问题。但到了45—22纳米节点技术时，铜互连结构中包含多孔、易碎的材料，在高机械压力下很容易划伤层膜甚至材料发生崩塌，所以要保证这些介质材料的完整性，抛光压力必须小于等于1psi。“实验显示，我们研发的低压低磨料抛光液，在低压下(设备稳定极限，0.8psi)时，研磨速率、平整度等各项指标，都能达到工业化生产对CMP要求的各项指标。”刘玉岭解释，这恰恰是由于我们打通了以化学作用为主的CMP碱性技术路线，目前国外公司也开始把目光转向刘玉岭团队研发的碱性CMP技术。“我们通过技术创新实现了弯道超车，由原来的追赶者变成了被追赶者。”

　　成本降3/4：为“中国芯”奠定基础

　　“这是我们的中试实验室，可以实现碱性抛光液的小规模生产。”刘玉岭介绍，他们已研发出针对65纳米技术节点及以下用的碱性CMP抛光液以及系列清洗剂。

　　2012年12月，没有修改任何参数，刘玉岭研发的碱性抛光液系列产品在中芯国际集成电路制造有限公司的12英寸芯片生产线上进行了大批量试验，各项指标都符合国外同类产品的技术标准，其中部分指标还达到了国际领先水平。

　　实验数据显示，与美国进口酸性抛光液相比，刘玉岭主持研发的碱性抛光液在多个指标上都有明显提高：抛光速率由200-300纳米/分钟提高到200-900纳米/分钟，凹凸选择性由40∶1提高到60∶1，实现了高速率高平整度。“但由于抛光液成分减至3种，成本也大大降低。”刘玉岭说，美国进口酸性抛光液每公斤达200元以上，而他们研发的碱性抛光液每公斤不足55元。

　　抛光液是极大规模集成电路制造中的必备耗材，目前国际市场上每年销售额达100亿人民币，而且呈现出每年5%-7%的增长趋势。“我们目前已经具备了实现抛光液产业化的条件，将为芯片国产化奠定基础。”刘玉岭介绍，正计划用技术入股的方式成立一家专门生产碱性抛光液系列产品的股份制企业，以尽快实现碱性抛光液的产业化应用。“由于具有较大的成本优势，我们的碱性抛光液不仅可以实现自给，还应该能打入国际市场，实现其巨大的经济效益和社会效益。”

关键词：芯片,河北