硅片化学机械抛光中材料去除非均匀性研究

论文摘要

化学机械抛光（Chemical mechanical polishing, CMP）加工技术既能获得良好的加工表面全局,也能得到较好的局部平面度,因此在大规模集成电路和超大规模集成电路（ULSI）的制造过程中得到了广泛的应用。CMP技术既能在硅片制备过程中用于硅片上下表面的双片同时平坦化,也广泛应用在多层布线金属互连结构工艺的层间平坦化加工中。CMP过程中硅片表面材料去除非均匀性（non-uniformity of the material removal, NUMR）直接影响硅片最终的平坦化精度。但是,由于NUMR受抛光头和抛光盘转速、抛光压力、抛光垫特性、抛光液流量和粘度、抛光区域温度等诸多因素以及这些因素交互作用的影响,这给CMP过程的NUMR形成机理及控制方法等方面的研究带来很多困难,目前生产中在一定程度上还是通过经验或半经验的手段控制CMP过程的NUMR。集成电路（IC）制造技术的发展对CMP技术水平提出了很高要求,研究CMP材料去除非均匀性及其控制控制方法对于提高CMP技术水平具有重要理论意义和应用价值。本文在全面分析硅片CMP加工中NUMR问题研究现状的基础上,系统研究了影响硅片NUMR的因素及减小NUMR的方法进行了,主要研究工作如下：根据硅片CMP的特点,通过仿真计算分析了在硅片与抛光垫直接接触和混合接触两种形态下,压力分布、抛光盘及抛光头转速、抛光头摆动变量、偏心距等参数对硅片NUMR的影响规律,为揭示硅片CMP中NUMR的形成机理,研究减小NUMR的工艺方法以及设计开发CMP机床提供了理论依据。基于对NUMR的影响因素的分析,首先研究了采用保持环加压降低NUMR的方法。利用接触力学和边界润滑理论分别建立了硅片与抛光垫直接接触和混合接触两种形态下的接触应力和抛光液压力模型,分析了保持环的压力、宽度以及硅片和保持环之间间隙等参数对接触应力分布的影响。结果表明使用保持环可以有效降低硅片边缘过高的接触应力,减小硅片接触应力分布的非均匀性,在一定程度上改善硅片的NUMR。但由于采用保持环减小硅片中心区域接触应力分布的非均匀性作用有限,而且增加生产成本,保持环在降低NUMR上的应用有局限性。为克服保持环在降低NUMR方面的局限性,进而提出了通过分区域调整硅片背压降低硅片CMP过程中材料去除非均匀性的方法。根据Preston方程和弹性板理论建立了硅片与抛光垫在直接接触形态下的硅片背压补偿模型,根据流体润滑方程和接触力学理论建立了硅片与抛光垫在混合接触形态下的硅片背压补偿模型,分别得到了两种接触形态下的硅片多区域背压曲线,以此为依据研制了具有多区域压力调整功能的硅片夹持器,应用于改造的CMP试验台进行了硅片CMP试验验证。试验结果表明多区域背压调整夹持器可有效地降低硅片CMP中由于抛光压力分布不均匀所造成的NUMR。考虑实际生产中硅片抛光前的表面轮廓和厚度变化,为提高多区域背压调整夹持器对硅片的适应性,应用试验设计法（Design Of Experiment, DOE），分别对多区域背压调整夹持器的各区域进行加压,进行抛光试验并测量抛光前后硅片厚度沿径向的变化,通过最小二乘法求出反映区域压力与硅片径向各点材料去除率关系的稳态增益矩阵,建立了改进的硅片背压补偿模型。针对硅片表面多层介质的层间CMP加工,为了在减小NUMR同时防止出现过抛光或抛光不足现象,开发了抛光垫温度在线测量系统,通过将抛光垫温度监测与硅片多区域背压调整相结合更好地监控CMP过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 集成电路发展概述
• 1.2 化学机械抛光技术及应用
• 1.2.1 化学机械抛光技术
• 1.2.2 化学机械抛光技术在集成电路制造中的应用
• 1.2.3 化学机械抛光技术的优点
• 1.3 CMP中的材料去除非均匀性及研究现状
• 1.3.1 制造下一代IC时CMP技术面临的挑战
• 1.3.2 CMP中影响材料去除非均匀性的因素
• 1.3.3 CMP中的材料去除非均匀性的理论研究
• 1.3.4 基干硅片夹持技术的硅片表面材料去除非均匀性研究
• 1.4 研究背景、课题来源和研究意义
• 2 硅片CMP中材料去除率和材料去除非均匀性的影响因素分析
• 2.1 转速对材料去除非均匀性的影响分析
• 2.2 抛光头径向摆动参数对材料去除非均匀性的影响分析
• 2.3 抛光压力对材料去除非均匀性的影响分析
• 2.3.1 基于摩擦学行为的CMP中硅片与抛光垫的接触机制判别
• 2.3.2 CMP中硅片与抛光垫直接接触形态研究
• 2.3.3 CMP中硅片与抛光垫混合接触形态研究
• 2.4 本章小结
• 3 基于保持环技术的硅片CMP接触压力分布非均匀性研究
• 3.1 硅片与抛光垫的接触力学模型建立
• 3.1.1 基于直接接触形态的CMP系统接触力学模型建立
• 3.1.2 接触力学模型有限元分析结果
• 3.2 基于混合接触形态的CMP系统接触力学模型建立
• 3.2.1 建模假设
• 3.2.2 二维CMP系统接触模型建立
• 3.2.3 硅片与抛光垫之间的接触应力研究
• 3.2.4 硅片与抛光垫之间的抛光液压力分布研究
• 3.2.5 抛光液压力分布数值计算方法
• 3.2.6 硅片保持环对接触应力分布及抛光液压力分布的影响分析
• 3.2.7 硅片保持环压力对硅片表面接触应力分布的影响分析
• 3.3 使用硅片保持环的局限性
• 3.4 小结
• 4 采用硅片多区域背压调整方法时的CMP材料去除非均匀性
• 4.1 概述
• 4.2 CMP中硅片多区域压力控制的力学模型建立方案
• 4.3 硅片多区域压力控制与调整方式选择
• 4.4 硅片多区域压力控制的力学模型建立
• 4.4.1 基于直接接触的硅片多区域压力控制模型
• 4.4.2 基于混合接触形态的硅片多区域压力控制模型
• 4.5 本章小结
• 5 基于硅片背部多区域压力控制的化学机械抛光试验台的搭建
• 5.1 硅片化学机械抛光试验台总体说明
• 5.2 硅片化学机械抛光试验台主要部件
• 5.2.1 化学机械抛光试验台的抛光头驱动以及抛光盘
• 5.2.2 硅片夹持器组件的设计
• 5.2.3 抛光载荷加载系统设计及标定
• 5.2.4 抛光液输送、搅拌及流量控制装置设计
• 5.2.5 抛光垫多区域温度测量系统设计
• 5.3 本章小结
• 6 硅片表面材料去除非均匀性试验与结果分析
• 6.1 硅片化学机械抛光试验环境
• 6.2 平面度定义及检测仪器
• 6.3 多区域夹持器分区压力控制试验
• 6.3.1 硅片与抛光垫直接接触工况实验
• 6.3.2 硅片与抛光垫混合接触工况试验
• 6.4 基于先进过程控制技术的多区域压力调整方法
• 6.4.1 APC技术
• 6.4.2 硅片多区域压力调节夹持器的APC控制策略
• 6.5 抛光垫温度检测实验
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介