基于分子量级的化学机械抛光材料去除机理的理论和试验研究

论文摘要

化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing,简称CMP）技术是目前实现集成电路全局平坦化的唯一广泛应用技术。CMP系统由抛光垫、芯片和抛光液组成。含有磨粒和化学试剂的抛光液在旋转的芯片和抛光垫之间流动。尽管CMP技术在微电子信息产业有广泛的应用,但是CMP的许多过程还不是很清楚。澄清CMP材料去除机理,能够为控制和优化CMP工艺参数提供理论指导。此外,随着特征尺寸的减小和芯片集成度的增加,需要建立定量预测CMP材料去除速率的数学物理模型,以此来满足未来超大规模集成电路（Ultra Large Scale Integration,简称ULSI）对平坦化的苛刻要求。首先提出了分子量级的CMP材料去除机理;通过抛光垫/磨粒大变形理论、粘着力对磨粒压入芯片的影响、考虑表面缺陷的传质扩散估算、材料去除速率的量级估算和原子力显微镜（Atomic Force Microscope,简称AFM）微观试验、原位纳米测试系统（Nano-mechanical Testing System Tribo-indenter,简称NTS）微观试验以及椭圆偏振光谱仪（Spectroscopic Ellipsometry,简称SE）试验的方法,证实了本文提出的材料单分子层去除机理的科学性。随后,基于微观接触理论、概率统计原理和材料单分子层去除机理,建立了考虑磨粒/抛光垫大变形的数学物理方程。结合机械去除能和化学结合能平衡的原理,进一步建立了考虑磨粒大小、浓度和氧化剂浓度以及机械化学协调效应的数学模型。此外,基于分子量级的材料去除机理,本文还建立了考虑新鲜分子去除的材料去除递推模型,模型预测结果与宏观试验相吻合。最后,初步建立了预测氧化剂、缓蚀剂和螯合剂浓度对铜CMP材料去除速率影响规律的数学模型。分子量级的材料去除机理为:化学作用将芯片表面的新鲜分子部分氧化成为氧化分子;磨粒将键能弱化的氧化分子去除;流动的抛光液将去除的原子/分子带走,露出新鲜表面,继续循环去除。采用理论和试验两个方面证实了本论文提出的材料单分子层去除机理的科学性。理论方面:考虑磨粒/抛光垫大变形的情况下,计算了磨粒压入芯片的深度为分子量级或者更小。模型进一步考虑了磨粒/芯片粘着力的影响,发现粘着力对磨粒/芯片接触力的影响显著,磨粒压入芯片的深度比不考虑粘着力时大2到4倍,但是仍然为分子量级。基于材料单分子层去除机理,采用量级估算的方法得到SiO2和W芯片更适于用材料单分子层去除机理所描述。考虑芯片表面缺陷的情况下,CMP过程生成表面氧化分子层厚度和扩散厚度的估算表明:芯片表面生成氧化膜的厚度为1.0×10-3nm量级。因此,认为CMP材料去除机理为单分子层去除。采用NTS试验和他人的试验结果,应用线性回归的方法,研究了CMP材料单分子层去除机理。根据线性回归分析知,磨粒在芯片表面的划痕深度为1.0×10-11m量级。应用SE测定了铜CMP过程中芯片表面氧化薄膜随时间的变化规律。因为CMP过程中,两个连续磨粒扫过芯片表面一点的间隔时间为1.0×10-8s量级,根据Nishizawa曲线,计算得到CMP中,生成新鲜氧化薄膜的厚度为1.0×10-13m量级。采用NTS测定0-100μN下磨粒压入芯片的深度,通过回归分析,计算出70nN下,磨粒压入芯片的深度为1.0×10-11m量级。上述3组试验数据表明CMP材料去除机理为单分子层去除。此外,现在Cabot公司提供的磨粒直径为10nm,而且高质量的抛光后,表面很少有划痕出现,表面粗糙度为0.1nm左右,因此材料去除机理应该为单分子去除。目前,磨粒尺寸和浓度对CMP材料去除速率的影响规律,还没有统一的定论。基于分子量级的材料去除机理,率先建立了预测磨粒大小、浓度和表面氧化剂浓度对材料去除速率影响规律的数学模型。模型考虑了氧化分子和芯片表面分子的结合能,以便说明磨粒尺寸对材料去除速率的三种不同影响规律。由于机械能和去除结合能耦合于磨粒直径,因此,磨粒大小和材料去除速率之间体现出了不同的非线性规律。此外,本模型还预测出,材料去除速率和去除结合能之间为非线性关系。模型还可以解释CMP众多参数对材料去除速率的影响,如抛光压力、相对速度、芯片表面硬度和抛光垫材料特性等。进一步建立了考虑芯片表面新鲜分子对材料去除速率影响的概率递推模型。结果表明:无论单独增加化学作用还是机械作用,都不能一直增加材料去除速率。当化学作用和机械作用相协调时,获得极大值去除速率。模型预测结果和他人试验相吻合。最后,铜CMP的研究在全世界范围内仍然属于攻关性的研究。本文基于化学反应和机械去除动态平衡原理以及考虑化学反应速率常数,首次建立了系统考虑氧化剂浓度、缓蚀剂浓度和螯合剂浓度对材料去除速率影响的数学模型。结果表明,螯合剂和氧化剂对材料去除速率的影响规律相似。模型预测结果和试验数据定性结果相吻合。本模型的建立为铜CMP理论的研究提供了初步的理论平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究背景
• 1.1.3 化学机械抛光技术及其影响因素
• 1.1.4 化学机械抛光的发展及其存在的问题
• 1.1.5 化学机械抛光的平坦化原理
• 1.2 国内外对CMP材料去除机理的研究现状
• 1.2.1 连续去除机理
• 1.2.2 原子/分子去除机理
• 1.3 本课题的研究内容与意义
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究意义
• 第二章 材料单分子层去除机理的理论与试验依据
• 2.1 化学机械抛光材料的特性
• 2.1.1 芯片
• 2.1.2 抛光垫
• 2.1.3 磨粒特性
• 2.2 基于分子量级的化学机械抛光界面动力学模型
• 2.2.1 模型建立
• 2.2.2 参数确定
• 2.2.3 机理探讨
• 2.2.4 结论
• 2.3 材料单分子去除的微观试验
• 2.3.1 AFM试验
• 2.3.2 纳米压痕试验
• 2.3.3 SE试验
• 2.3.4 CMP试验
• 2.3.5 结论
• 2.4 材料去除速率的量级估算
• 2.4.1 抛光垫/芯片的接触
• 2.4.2 材料去除速率
• 2.4.3 讨论
• 2.4.4 结论
• 2.5 芯片/磨粒/抛光垫的微观接触
• 2.5.1 模型的建立
• 2.5.2 单个磨粒的CMP去除机理
• 2.5.3 试验分析与讨论
• 2.5.4 结论
• 2.6 考虑粘着力的大变形接触
• 2.6.1 模型建立
• 2.6.2 试验结果与讨论
• 2.6.3 结论
• 2.7 本章小结
• 第三章 化学机械抛光的协调效应模型
• 3.1 协调效应（交互作用）模型的研究进展
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 化学作用
• 3.2.2 机械作用
• 3.2.3 单个磨粒所受的外力
• 3.2.4 单个磨粒的去除百分比
• 3.2.5 材料去除速率
• 3.3 试验结果与讨论
• 3.3.1 试验分析
• 3.3.2 理论分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 磨粒大小和浓度对材料去除速率的影响规律
• 4.1 表面原子结合能的计算
• 4.1.1 芯片表面原子的结合能
• 4.1.2 单个磨粒的材料去除速率
• 4.1.3 试验验证和讨论
• 4.1.4 结论
• 4.2 磨粒大小对材料去除速率的影响
• 4.2.1 模型的假设
• 4.2.2 材料去除速率
• 4.2.3 参数确定
• 4.2.4 试验结果与讨论
• 4.2.5 化学机械的协调效应分析
• 4.2.6 材料去除速率的估算
• 4.3 磨粒浓度对材料去除速率的影响
• 4.3.1 模型的假设
• 4.3.2 单个粗糙峰的有效磨粒数
• 4.3.3 参与CMP的磨粒数
• 4.3.4 方程的无量纲化
• 4.3.5 材料去除速率
• 4.3.6 试验和讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 考虑新鲜分子去除的材料单分子层递推概率模型
• 5.1 模型的建立
• 5.1.1 动态平衡方程
• 5.1.2 单个磨粒的分子去除百分比
• 5.2 试验与讨论
• 5.2.1 模型比较
• 5.2.2 讨论
• 5.2.3 试验结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 化学作用对铜CMP去除影响的数学模型
• 6.1 模型建立
• 6.1.1 反应机理
• 6.1.2 表面组成百分比
• 6.1.3 材料去除速率
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 氧化剂浓度的影响
• 6.2.2 螯合剂浓度的影响
• 6.2.3 缓蚀剂浓度的影响
• 6.3 结论
• 第七章 结语与展望
• 7.1 创新点
• 7.2 本文主要结论
• 7.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士研究期间撰写的论文