芯片化学机械抛光过程中材料吸附去除机理的研究

发布时间：2016-11-15 08:15

  本文关键词：化学机械抛光试验及其材料去除机理的研究，由笔耕文化传播整理发布。

《江南大学》 2009年

芯片化学机械抛光过程中材料吸附去除机理的研究

蒋建忠  

【摘要】： 化学机械抛光(简称CMP)是机械削磨和化学腐蚀的组合技术,该工艺的基本原理是借助抛光液中磨粒的机械磨削及化学氧化剂的腐蚀作用来完成对工件表面的材料去除,并获得光洁表面。由于化学机械抛光技术(CMP)在全局平坦化方面独一无二的特点以及操作步骤少等特色,已成为目前公认的唯一的全局平坦化技术,在集成电路(IC)芯片生产线上广泛应用了十几年。但是由于CMP过程影响因素的复杂性,抛光盘特征参数和工作参数对于CMP材料去除率的敏感性和平坦化程度的影响规律仍没有被人们充分认识,抛光液中磨粒的机械作用和化学物质的化学作用的协同效应对CMP材料去除率的影响规律还需要进一步的深入研究。随着集成电路产品制造朝着高精度、高密度、高集成度方向的快速发展,CMP工艺面临严峻挑战。目前CMP技术遇到的最大挑战状是需要一个更全面的物理模型来合理解释CMP的各种结果,从理论上指导CMP加工参数的优化,建立起更为可靠的、高效的CMP过程。 本论文建立了更为完善的、考虑更多因素的CMP数学模型。首先,本文根据分子动力学模拟单个磨粒切削芯片的研究结果,提出了一种基于CMP芯片表面材料非晶层吸附去除机理。并基于这种机理,结合芯片／磨粒／抛光盘三体接触当量梁的弯曲假设,充分考虑了抛光盘与芯片接触的大变形和超弹性特点,应用芯片／抛光盘大变形非线性修正赫兹接触理论建立了一种新的表征机械化学抛光过程中材料去除速率的数学模型。通过微观实验和理论计算,证实了CMP材料非晶层吸附去除机理的合理性。模型中引入了一个表征单个磨粒吸附去除芯片表面非晶层能力的比例系数κ,κ体现了化学作用和机械作用对CMP过程的综合影响。模型中建立了计算单个磨粒压入芯片的深度δ_w的新模型,新模型更加全面,包含了更加丰富的信息。 接着,通过理论计算,确认了磨粒与芯片表面分子间的吸附力对CMP材料去除过程的重要影响。在此基础上,根据磨粒在CMP过程的力平衡方程式,导出一个考虑分子间作用力的磨粒压入芯片表面的深度模型。经过理论分析,找到了判断CMP材料去除模型中磨粒／芯片分子间的吸附力是否可以忽略的判断依据及临界值。然后利用这些理论结果修正了前面提出的CMP过程非晶层材料吸附去除机理,建立起考虑磨粒与芯片表面分子间的吸附力的CMP材料去除模型,并与旧的模型进行了对比。结果发现：磨粒较小时,分子间的吸附力的影响较为明显；磨粒较大时,分子间的吸附力对CMP过程的影响可以忽略不计。 随后,通过深入分析CMP过程氧化剂与磨粒的化学机械协同作用机理,将CMP过程分为两个阶段：化学作用主导阶段和机械作用主导阶段。然后应用微观接触力学和颗粒粒度分布理论,对这两个阶段分别建立了表征芯片表面材料吸附去除率的数学模型,并根据这两个阶段的平衡点推出了表征芯片表面氧化膜生成速度的数学表达式。根据芯片表面氧化膜生成速度的理论计算结果,从理论上证实了CMP单分子层材料去除机理假设的正确性。 最后,本文根据芯片表面分子／原子氧化去除动态平衡原理,从能量角度推导出了定量计算磨粒吸附系数k的理论公式,并定性分析了众多物理化学因素对CMP过程磨粒吸附系数k的影响规律。并利用这个公式对前面提出的CMP过程材料非晶层吸附去除模型进行了修正。修正后的得到的CMP单分子层材料吸附去除模型以表面分子／原子氧化去除动态平衡原理为基础,模型中不仅考虑了芯片、磨粒、抛光垫以及抛光工艺等参数对材料去除率的影响,而且考虑了芯片／磨粒分子间的吸附力、磨粒压入深度和抛光盘的大变形和超弹性特点的影响；创造性地引入了氧化剂浓度C_0,从而使氧化剂浓度对CMP过程材料去除速率的影响规律可以定量化计算,理论计算结果成功地解释了氧化剂浓度C_0增加到一定程度,CMP材料去除率趋于饱和,即不再增加的现象。CMP单分子层材料吸附去除模型反映出的磨粒平均直径、氧化剂浓度和抛光盘弹性模量对CMP材料去除率的影响规律与试验结果非常吻合,清晰地解释了CMP中化学机械作用的协调性。 本论文通过严密的理论推导和试验验证,建立了定量描述CMP材料去除率的数学物理模型,为优化CMP工艺参数提供理论依据,为高效、环保、精确和低成本地控制CMP过程提供了一定的理论指导。

【关键词】：
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TG175
【目录】：

摘要3-5

Abstract5-10

第一章 绪论10-25

1.1 论文课题来源10

1.2 研究背景10-22

1.2.1 化学机械抛光技术及其影响因素11-18

1.2.2 化学机械抛光的平坦化原理18-21

1.2.3 化学机械抛光技术的发展及其存在问题21-22

1.3 本课题的研究内容22-24

1.4 研究意义24-25

第二章 CMP理论模型的研究进展25-42

2.1 绪论25-26

2.2 Rayleigh和Beilby的抛光理论26-27

2.3 Preston方程及其修正模型27-28

2.4 流体润滑模型28-29

2.5 磨粒磨损模型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 小结34-36

2.6 化学作用机理36-37

2.7 粘着磨损机理37

2.8 抛光盘表面的微凸体磨损机理37

2.9 原子/分子去除机理37-40

2.10 结论40-42

第三章 化学机械抛光的吸附理论模型及其试验验证42-99

3.1 序论42-43

3.2 模型的建立43-90

3.2.1 芯片表面材料非晶化层吸附机理的理论分析44-46

3.2.2 抛光盘/芯片的传统Herze接触模型46-50

3.2.3 修正Herze接触模型50-53

3.2.4 接触模型的比较53-59

3.2.5 磨粒的特性分析59-72

3.2.6 作用在单个磨粒上的力和磨粒压入芯片深度72-88

3.2.7 单个磨粒的材料去除率88-89

3.2.8 CMP过程的整体材料去除率MRR89-90

3.3 模型的实验验证90-98

3.3.1 磨粒浓度Ca对MRR的影响90-92

3.3.2 抛光液PH值对MRR的影响92-93

3.3.3 工作参数pV对MRR的影响93-96

3.3.4 磨粒直径D对MRR的影响96-98

3.4 本章小结98-99

第四章 分子间作用力对化学机械抛光过程的影响99-115

4.1 绪论99-100

4.2 颗粒与平面之间吸附力的研究进展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与F_α的比较105-110

4.5 考虑磨粒与芯片表面吸附力的磨粒压入深度δ_W110-113

4.5.1 磨粒压入深度110-112

4.5.2 忽略磨粒/芯片分子间吸附力的无量纲判据112-113

4.6 试验验证113-114

4.7 结论114-115

第五章 CMP过程两个阶段的理论分析115-132

5.1 理论分析115-120

5.1.1 考虑磨粒粒度分布的CMP模型115-117

5.1.2 第一阶段:MRR≤GP时的整体材料去除率117-118

5.1.3 第二阶段:MRR>GP时的整体材料去除率MRR118

5.1.4 氧化膜生成速度GR118-120

5.2 MRR的影响因素分析120-122

5.2.1 磨粒体积浓度x对MRR的影响规律120

5.2.2 磨粒平均粒径对MRR的影响120

5.2.3 磨粒粒度分布宽度对MRR的影响120-121

5.2.4 氧化剂浓度co对MRR的影响121-122

5.2.5 芯片表面硬度H_e 对MRR的影响122

5.2.6 抛光盘弹性模量E_p对MRR的影响规律122

5.3 讨论122-124

5.4 试验验证124-131

5.4.1 SiO_2磨粒抛光TEOS124-127

5.4.2 氧化剂浓度vs.MRR127-128

5.4.3 抛光液pH值vs.MRR128-129

5.4.4 不同芯片表面氧化物膜的MRR129-130

5.4.5 抛光盘弹性模量vs.MRR130-131

5.5 结语131-132

第六章 化学机械作用的协同效应分析132-156

6.1 假设条件133-134

6.2 吸附系数与α、β、у的相互关系134-136

6.3 磨粒的机械作用136-138

6.3.1 作用在单个原子上的机械能136-138

6.3.2 整个接触面积上磨粒的总机械能138

6.4 芯片表面原子的结合能138-140

6.5 抛光液的化学作用140-143

6.6 у的方程式143-144

6.7 磨粒吸附系数k的影响因素144-150

6.8 修正CMP吸附模型及其试验验证150-154

6.9 结论154-156

结语156-158

创新点158-159

研究展望159-160

致谢160-161

参考文献161-174

附录:作者在攻读博士学位期间发表的论文174

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本文编号：175435