本文關(guān)鍵詞：化學(xué)機械拋光試驗及其材料去除機理的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《江南大學(xué)》 2009年

芯片化學(xué)機械拋光過程中材料吸附去除機理的研究

蔣建忠  

【摘要】： 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)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面非晶層能力的比例系數(shù)κ,κ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δ_w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_0,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)果成功地解釋了氧化劑濃度C_0增加到一定程度,CMP材料去除率趨于飽和,即不再增加的現(xiàn)象。CMP單分子層材料吸附去除模型反映出的磨粒平均直徑、氧化劑濃度和拋光盤彈性模量對CMP材料去除率的影響規(guī)律與試驗結(jié)果非常吻合,清晰地解釋了CMP中化學(xué)機械作用的協(xié)調(diào)性。 本論文通過嚴密的理論推導(dǎo)和試驗驗證,建立了定量描述CMP材料去除率的數(shù)學(xué)物理模型,為優(yōu)化CMP工藝參數(shù)提供理論依據(jù),為高效、環(huán)保、精確和低成本地控制CMP過程提供了一定的理論指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TG175
【目錄】：

摘要3-5

Abstract5-10

第一章 緒論10-25

1.1 論文課題來源10

1.2 研究背景10-22

1.2.1 化學(xué)機械拋光技術(shù)及其影響因素11-18

1.2.2 化學(xué)機械拋光的平坦化原理18-21

1.2.3 化學(xué)機械拋光技術(shù)的發(fā)展及其存在問題21-22

1.3 本課題的研究內(nèi)容22-24

1.4 研究意義24-25

第二章 CMP理論模型的研究進展25-42

2.1 緒論25-26

2.2 Rayleigh和Beilby的拋光理論26-27

2.3 Preston方程及其修正模型27-28

2.4 流體潤滑模型28-29

2.5 磨粒磨損模型29-36

2.5.1 Brown和Cook模型30-31

2.5.2 Luo的模型31-32

2.5.3 Jeng的模型32-33

2.5.4 Kuide模型33-34

2.5.5 小結(jié)34-36

2.6 化學(xué)作用機理36-37

2.7 粘著磨損機理37

2.8 拋光盤表面的微凸體磨損機理37

2.9 原子/分子去除機理37-40

2.10 結(jié)論40-42

第三章 化學(xué)機械拋光的吸附理論模型及其試驗驗證42-99

3.1 序論42-43

3.2 模型的建立43-90

3.2.1 芯片表面材料非晶化層吸附機理的理論分析44-46

3.2.2 拋光盤/芯片的傳統(tǒng)Herze接觸模型46-50

3.2.3 修正Herze接觸模型50-53

3.2.4 接觸模型的比較53-59

3.2.5 磨粒的特性分析59-72

3.2.6 作用在單個磨粒上的力和磨粒壓入芯片深度72-88

3.2.7 單個磨粒的材料去除率88-89

3.2.8 CMP過程的整體材料去除率MRR89-90

3.3 模型的實驗驗證90-98

3.3.1 磨粒濃度Ca對MRR的影響90-92

3.3.2 拋光液PH值對MRR的影響92-93

3.3.3 工作參數(shù)pV對MRR的影響93-96

3.3.4 磨粒直徑D對MRR的影響96-98

3.4 本章小結(jié)98-99

第四章 分子間作用力對化學(xué)機械拋光過程的影響99-115

4.1 緒論99-100

4.2 顆粒與平面之間吸附力的研究進展100-102

4.3 作用在磨粒上的外力Fz102-103

4.4 磨粒的受力分析103-110

4.4.1 磨粒的力平衡方程式103-105

4.4.2 F_z與F_α的比較105-110

4.5 考慮磨粒與芯片表面吸附力的磨粒壓入深度δ_W110-113

4.5.1 磨粒壓入深度110-112

4.5.2 忽略磨粒/芯片分子間吸附力的無量綱判據(jù)112-113

4.6 試驗驗證113-114

4.7 結(jié)論114-115

第五章 CMP過程兩個階段的理論分析115-132

5.1 理論分析115-120

5.1.1 考慮磨粒粒度分布的CMP模型115-117

5.1.2 第一階段:MRR≤GP時的整體材料去除率117-118

5.1.3 第二階段:MRR>GP時的整體材料去除率MRR118

5.1.4 氧化膜生成速度GR118-120

5.2 MRR的影響因素分析120-122

5.2.1 磨粒體積濃度x對MRR的影響規(guī)律120

5.2.2 磨粒平均粒徑對MRR的影響120

5.2.3 磨粒粒度分布寬度對MRR的影響120-121

5.2.4 氧化劑濃度co對MRR的影響121-122

5.2.5 芯片表面硬度H_e 對MRR的影響122

5.2.6 拋光盤彈性模量E_p對MRR的影響規(guī)律122

5.3 討論122-124

5.4 試驗驗證124-131

5.4.1 SiO_2磨粒拋光TEOS124-127

5.4.2 氧化劑濃度vs.MRR127-128

5.4.3 拋光液pH值vs.MRR128-129

5.4.4 不同芯片表面氧化物膜的MRR129-130

5.4.5 拋光盤彈性模量vs.MRR130-131

5.5 結(jié)語131-132

第六章 化學(xué)機械作用的協(xié)同效應(yīng)分析132-156

6.1 假設(shè)條件133-134

6.2 吸附系數(shù)與α、β、у的相互關(guān)系134-136

6.3 磨粒的機械作用136-138

6.3.1 作用在單個原子上的機械能136-138

6.3.2 整個接觸面積上磨粒的總機械能138

6.4 芯片表面原子的結(jié)合能138-140

6.5 拋光液的化學(xué)作用140-143

6.6 у的方程式143-144

6.7 磨粒吸附系數(shù)k的影響因素144-150

6.8 修正CMP吸附模型及其試驗驗證150-154

6.9 結(jié)論154-156

結(jié)語156-158

創(chuàng)新點158-159

研究展望159-160

致謝160-161

參考文獻161-174

附錄:作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文174

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中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 雷紅;;化學(xué)機械拋光技術(shù)及其在電子制造中的應(yīng)用[A];2009年全國電子電鍍及表面處理學(xué)術(shù)交流會論文集[C];2009年

2 常敏;袁巨龍;樓飛燕;王志偉;;化學(xué)機械拋光技術(shù)概述[A];全國生產(chǎn)工程第九屆年會暨第四屆青年科技工作者學(xué)術(shù)會議論文集（二）[C];2004年

3 牛新環(huán);劉玉嶺;檀柏梅;馬振國;;藍寶石襯底化學(xué)機械拋光的機理研究[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（10）[C];2007年

4 魏昕;熊偉;袁慧;杜宏偉;;化學(xué)機械拋光機理的建模分析[A];全國生產(chǎn)工程第九屆年會暨第四屆青年科技工作者學(xué)術(shù)會議論文集（二）[C];2004年

5 謝華杰;陳治明;楊鶯;;碳化硅化學(xué)機械拋光工藝[A];中國晶體學(xué)會第四屆全國會員代表大會暨學(xué)術(shù)會議學(xué)術(shù)論文摘要集[C];2008年

6 徐進;雒建斌;路新春;潘國順;;硅片化學(xué)機械拋光碰撞去除機理研究[A];人才、創(chuàng)新與老工業(yè)基地的振興——2004年中國機械工程學(xué)會年會論文集[C];2004年

7 王永光;白靜;趙永武;顧堅;;化學(xué)機械拋光的三體微觀接觸模型[A];2006全國摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集（一）[C];2006年

8 趙雪松;;脈沖電化學(xué)機械拋光工具設(shè)計及其應(yīng)用[A];第十屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集[C];2003年

9 方亮;趙蓉;任小艷;雷紅;陳入領(lǐng);;無磨粒化學(xué)機械拋光的研究進展[A];第十一屆全國摩擦學(xué)大會論文集[C];2013年

10 張偉;路新春;劉宇宏;雒建斌;;氨基乙酸-H_2O_2體系拋光液中銅的化學(xué)機械拋光研究[A];第八屆全國摩擦學(xué)大會論文集[C];2007年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 通訊員 劉靜;[N];廊坊日報;2012年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王彩玲;300mm硅片化學(xué)機械拋光設(shè)備及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D];大連理工大學(xué);2010年

2 陳曉春;化學(xué)機械拋光試驗及其材料去除機理的研究[D];江南大學(xué);2014年

3 劉敬遠;硅片化學(xué)機械拋光加工區(qū)域中拋光液動壓和溫度研究[D];大連理工大學(xué);2009年

4 宋曉嵐;納米SiO_2漿料中半導(dǎo)體硅片的化學(xué)機械拋光及其應(yīng)用研究[D];中南大學(xué);2008年

5 孫禹輝;硅片化學(xué)機械拋光中材料去除非均勻性研究[D];大連理工大學(xué);2011年

6 蔣建忠;芯片化學(xué)機械拋光過程中材料吸附去除機理的研究[D];江南大學(xué);2009年

7 余劍峰;新型化學(xué)機械拋光墊和拋光液的研究[D];華南理工大學(xué);2010年

8 徐馳;基于摩擦力在線測量的化學(xué)機械拋光終點檢測技術(shù)研究[D];大連理工大學(xué);2011年

9 馮春陽;納米集成電路化學(xué)機械拋光工藝建模與仿真及可制造性設(shè)計技術(shù)研究[D];復(fù)旦大學(xué);2010年

10 蘇建修;IC制造中硅片化學(xué)機械拋光材料去除機理研究[D];大連理工大學(xué);2006年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉金泉;化學(xué)機械拋光中溫度場的計算[D];北京交通大學(xué);2007年

2 連軍;超大規(guī)模集成電路二氧化硅介質(zhì)層的化學(xué)機械拋光技術(shù)的研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2002年

3 俞棟梁;銅化學(xué)機械拋光工藝的拋光液研究[D];上海交通大學(xué);2007年

4 章建群;非接觸化學(xué)機械拋光的材料去除機理研究[D];北京交通大學(xué);2008年

5 劉立威;超大規(guī)模集成電路二氧化硅介質(zhì)化學(xué)機械拋光研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2000年

6 杜志友;關(guān)于銅互連化學(xué)機械拋光液的技術(shù)研究[D];上海交通大學(xué);2010年

7 劉杰;超大規(guī)模集成電路中鎢插塞的化學(xué)機械拋光機理[D];天津大學(xué);2012年

8 李樹榮;藍寶石晶片化學(xué)機械拋光液的研制[D];大連理工大學(xué);2008年

9 王喆;銅互連層電化學(xué)機械拋光試驗臺及電解液研究[D];大連理工大學(xué);2010年

10 夏琳;硅溶膠化學(xué)機械拋光液的研究[D];河南工業(yè)大學(xué);2013年

  本文關(guān)鍵詞：化學(xué)機械拋光試驗及其材料去除機理的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：175435