本文關(guān)鍵詞：化學(xué)機(jī)械拋光試驗(yàn)及其材料去除機(jī)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(jī)械拋光過程中材料吸附去除機(jī)理的研究

蔣建忠  

【摘要】： 化學(xué)機(jī)械拋光(簡稱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(duì)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(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(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／拋光盤三體接觸當(dāng)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(diǎn),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(jī)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(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(jī)械作用對(duì)CMP過程的綜合影響。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(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(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(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過程的影響可以忽略不計(jì)。 隨后,通過深入分析CMP過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過程磨粒吸附系數(shù)k的影響規(guī)律。并利用這個(gè)公式對(duì)前面提出的CMP過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_0,從而使氧化劑濃度對(duì)CMP過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(duì)CMP材料去除率的影響規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合,清晰地解釋了CMP中化學(xué)機(jī)械作用的協(xié)調(diào)性。 本論文通過嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：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(jī)械拋光技術(shù)及其影響因素11-18

1.2.2 化學(xué)機(jī)械拋光的平坦化原理18-21

1.2.3 化學(xué)機(jī)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(jìn)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(jī)理36-37

2.7 粘著磨損機(jī)理37

2.8 拋光盤表面的微凸體磨損機(jī)理37

2.9 原子/分子去除機(jī)理37-40

2.10 結(jié)論40-42

第三章 化學(xué)機(jī)械拋光的吸附理論模型及其試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)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(gè)磨粒上的力和磨粒壓入芯片深度72-88

3.2.7 單個(gè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證90-98

3.3.1 磨粒濃度Ca對(duì)MRR的影響90-92

3.3.2 拋光液PH值對(duì)MRR的影響92-93

3.3.3 工作參數(shù)pV對(duì)MRR的影響93-96

3.3.4 磨粒直徑D對(duì)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(duì)化學(xué)機(jī)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(jìn)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(yàn)驗(yàn)證113-114

4.7 結(jié)論114-115

第五章 CMP過程兩個(gè)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(shí)的整體材料去除率117-118

5.1.3 第二階段:MRR>GP時(shí)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(duì)MRR的影響規(guī)律120

5.2.2 磨粒平均粒徑對(duì)MRR的影響120

5.2.3 磨粒粒度分布寬度對(duì)MRR的影響120-121

5.2.4 氧化劑濃度co對(duì)MRR的影響121-122

5.2.5 芯片表面硬度H_e 對(duì)MRR的影響122

5.2.6 拋光盤彈性模量E_p對(duì)MRR的影響規(guī)律122

5.3 討論122-124

5.4 試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)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(jī)械作用136-138

6.3.1 作用在單個(gè)原子上的機(jī)械能136-138

6.3.2 整個(gè)接觸面積上磨粒的總機(jī)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(yàn)驗(yàn)證150-154

6.9 結(jié)論154-156

結(jié)語156-158

創(chuàng)新點(diǎn)158-159

研究展望159-160

致謝160-161

參考文獻(xiàn)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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本文編號(hào)：175435