芯片化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中材料吸附去除機(jī)理的研究.pdf

1、化學(xué)機(jī)械拋光(簡(jiǎn)稱CMP)是機(jī)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(jī)械磨削及化學(xué)氧化劑的腐蝕作用來(lái)完成對(duì)工件表面的材料去除，并獲得光潔表面。由于化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(CMP)在全局平坦化方面獨(dú)一無(wú)二的特點(diǎn)以及操作步驟少等特色，已成為目前公認(rèn)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(guò)程影響因素的復(fù)雜性，拋光盤(pán)特征參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)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(méi)有被人們充分認(rèn)識(shí)，拋光液中磨粒的機(jī)械作用和化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)作用的協(xié)同效應(yīng)對(duì)CMP材料去除率的影響規(guī)律還需要進(jìn)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(yán)峻挑戰(zhàn)。目前CMP技術(shù)遇到的最大挑戰(zhàn)狀是需要一個(gè)更全面的物理模型來(lái)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(guò)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(dòng)力學(xué)模擬單個(gè)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(jī)理。并基于這種機(jī)理，結(jié)合芯片/磨粒/拋光盤(pán)三體接觸當(dāng)量梁的彎曲假設(shè)，充分考慮了拋光盤(pán)與芯片接觸的大變形和超彈性特點(diǎn)，應(yīng)用芯片/拋光盤(pán)大變形非線性修正赫茲接觸理論建立了一種新的表征機(jī)械化學(xué)拋光過(guò)程中材料去除速率的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)微觀實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，證實(shí)了CMP材料非晶層吸附去除機(jī)理的合理性。模型中引入了一個(gè)表征單個(gè)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(jī)械作用對(duì)CMP過(guò)程的綜合影響。模型中建立了計(jì)算單個(gè)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(guò)理論計(jì)算，確認(rèn)了磨粒與芯片表面分子間的吸附力對(duì)CMP材料去除過(guò)程的重要影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)磨粒在CMP過(guò)程的力平衡方程式，導(dǎo)出一個(gè)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(guò)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(guò)程非晶層材料吸附去除機(jī)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(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：磨粒較小時(shí)，分子間的吸附力的影響較為明顯；磨粒較大時(shí)，分子間的吸附力對(duì)CMP過(guò)程的影響可以忽略不計(jì)。
　　 隨后，通過(guò)深入分析CMP過(guò)程氧化劑與磨粒的化學(xué)機(jī)械協(xié)同作用機(jī)理，將CMP過(guò)程分為兩個(gè)階段：化學(xué)作用主導(dǎo)階段和機(jī)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(duì)這兩個(gè)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(gè)階段的平衡點(diǎn)推出了表征芯片表面氧化膜生成速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)芯片表面氧化膜生成速度的理論計(jì)算結(jié)果，從理論上證實(shí)了CMP單分子層材料去除機(jī)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(dòng)態(tài)平衡原理，從能量角度推導(dǎo)出了定量計(jì)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(duì)CMP過(guò)程磨粒吸附系數(shù)k的

7、影響規(guī)律。并利用這個(gè)公式對(duì)前面提出的CMP過(guò)程材料非晶層吸附去除模型進(jìn)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(dòng)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(duì)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(pán)的大變形和超彈性特點(diǎn)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(duì)CMP過(guò)程材料去除速率的影響規(guī)律可以定量化計(jì)算，理論計(jì)算結(jié)果成功地解釋