芯片化學(xué)機械拋光過程中材料吸附去除機理的研究.pdf

1、化學(xué)機械拋光(簡稱CMP)是機械削磨和化學(xué)腐蝕的組合技術(shù)，該工藝的基本原理是借助拋光液中磨粒的機械磨削及化學(xué)氧化劑的腐蝕作用來完成對工件表面的材料去除，并獲得光潔表面。由于化學(xué)機械拋光技術(shù)(CMP)在全局平坦化方面獨一無二的特點以及操作步驟少等特色，已成為目前公認的唯一的全局平坦化技術(shù)，在集成電路(IC)芯片生產(chǎn)線上廣泛應(yīng)用了十幾年。但是由于CMP過程影響因素的復(fù)雜性，拋光盤特征參數(shù)和工作參數(shù)對于CMP材料去除率的敏感性和平坦化程度的影

2、響規(guī)律仍沒有被人們充分認識，拋光液中磨粒的機械作用和化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)作用的協(xié)同效應(yīng)對CMP材料去除率的影響規(guī)律還需要進一步的深入研究。隨著集成電路產(chǎn)品制造朝著高精度、高密度、高集成度方向的快速發(fā)展， CMP工藝面臨嚴峻挑戰(zhàn)。目前CMP技術(shù)遇到的最大挑戰(zhàn)狀是需要一個更全面的物理模型來合理解釋CMP的各種結(jié)果，從理論上指導(dǎo)CMP加工參數(shù)的優(yōu)化，建立起更為可靠的、高效的CMP過程。
　　 本論文建立了更為完善的、考慮更多因素的CMP數(shù)學(xué)

3、模型。首先，本文根據(jù)分子動力學(xué)模擬單個磨粒切削芯片的研究結(jié)果，提出了一種基于CMP芯片表面材料非晶層吸附去除機理。并基于這種機理，結(jié)合芯片/磨粒/拋光盤三體接觸當量梁的彎曲假設(shè)，充分考慮了拋光盤與芯片接觸的大變形和超彈性特點，應(yīng)用芯片/拋光盤大變形非線性修正赫茲接觸理論建立了一種新的表征機械化學(xué)拋光過程中材料去除速率的數(shù)學(xué)模型。通過微觀實驗和理論計算，證實了CMP材料非晶層吸附去除機理的合理性。模型中引入了一個表征單個磨粒吸附去除芯片表

4、面非晶層能力的比例系數(shù)k，k體現(xiàn)了化學(xué)作用和機械作用對CMP過程的綜合影響。模型中建立了計算單個磨粒壓入芯片的深度δw的新模型，新模型更加全面，包含了更加豐富的信息。
　　 接著，通過理論計算，確認了磨粒與芯片表面分子間的吸附力對CMP材料去除過程的重要影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)磨粒在CMP過程的力平衡方程式，導(dǎo)出一個考慮分子間作用力的磨粒壓入芯片表面的深度模型。經(jīng)過理論分析，找到了判斷CMP材料去除模型中磨粒/芯片分子間的吸附力是

5、否可以忽略的判斷依據(jù)及臨界值。然后利用這些理論結(jié)果修正了前面提出的CMP過程非晶層材料吸附去除機理，建立起考慮磨粒與芯片表面分子間的吸附力的CMP材料去除模型，并與舊的模型進行了對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：磨粒較小時，分子間的吸附力的影響較為明顯；磨粒較大時，分子間的吸附力對CMP過程的影響可以忽略不計。
　　 隨后，通過深入分析CMP過程氧化劑與磨粒的化學(xué)機械協(xié)同作用機理，將CMP過程分為兩個階段：化學(xué)作用主導(dǎo)階段和機械作用主導(dǎo)階段。然后

6、應(yīng)用微觀接觸力學(xué)和顆粒粒度分布理論，對這兩個階段分別建立了表征芯片表面材料吸附去除率的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)這兩個階段的平衡點推出了表征芯片表面氧化膜生成速度的數(shù)學(xué)表達式。根據(jù)芯片表面氧化膜生成速度的理論計算結(jié)果，從理論上證實了CMP單分子層材料去除機理假設(shè)的正確性。
　　 最后，本文根據(jù)芯片表面分子/原子氧化去除動態(tài)平衡原理，從能量角度推導(dǎo)出了定量計算磨粒吸附系數(shù)k的理論公式，并定性分析了眾多物理化學(xué)因素對CMP過程磨粒吸附系數(shù)k的

7、影響規(guī)律。并利用這個公式對前面提出的CMP過程材料非晶層吸附去除模型進行了修正。修正后的得到的CMP單分子層材料吸附去除模型以表面分子/原子氧化去除動態(tài)平衡原理為基礎(chǔ)，模型中不僅考慮了芯片、磨粒、拋光墊以及拋光工藝等參數(shù)對材料去除率的影響，而且考慮了芯片/磨粒分子間的吸附力、磨粒壓入深度和拋光盤的大變形和超彈性特點的影響；創(chuàng)造性地引入了氧化劑濃度C，從而使氧化劑濃度對CMP過程材料去除速率的影響規(guī)律可以定量化計算，理論計算結(jié)果成功地解釋