博士生开题报告

化学机械抛光中机械与化学作用机制的仿真研究

1.选题背景及其意义

化学机械抛光(CMP)技术是芯片制造中的关键技术，随着集成电路特征尺寸的减小，CMP 技术的应用面临新的挑战，例如，大尺寸硅片表面的抛光要求具有0.1nm 的表面粗糙度[1]，这些都对CMP 技术提出了更高要求。深入系统的研究CMP 的去除机理更利于CMP 技术的提高与完善，因此十分重要。

现有的抛光理论认为：化学机械抛光过程是磨粒对材料表面的机械作用与抛光液的化学作用共同作用的结果，抛光液的化学作用削弱了芯片表面原子/分子的键能，而磨粒的机械作用将表面弱化的氧化原子/分子去除。但是对于机械化学的协调作用至今未有清晰的解释。本文针对化学机械抛光中材料去除激励的研究现状及其存在的问题，综合运用分子动力学与量子力学的方法，对抛光液中颗粒与材料表面的接触形式，表面材料的去除方式，抛光液中氧化剂、络合剂、PH 值调节剂与材料表面的化学反应机理等方面进行了研究，从原子/分子的层次揭示CMP 过程的抛光机理。本研究的完成对于可以使我们对于CMP 的微观去除机理有更加清晰的认识，为高效，精确控制CMP 过程提供理论指导。本文的研究涉及纳米摩擦学，纳米接触力学，材料，表面化学和物理等多个学科领域，使学科交叉的前沿性研究课题。本论文的研究对于丰富纳米摩擦学，纳米接触力学，材料，表面化学和物理等学科理论，提高我国IC 制造业的水平具有重要的科学价值和实际意义[2]。

2. 国内外研究动态

2.1 化学机械抛光材料去除机理模型

2.1.1 经验-半经验去除率公式模型

1927年，Preston [3]提出了第一个材料去除率模型，认为材料的去除率与抛光压力和工作速度呈线性关系。Preston 方程如下：

V P K MRR P ..0 （1）

式中：MRR 代表表面材料去除率，P 0为抛光压力，V 为工作速度，K p 为Preston 系数。Preston 公式仅仅反映了抛光压力与相对速度两个过程参数对抛光速率的影响，其它影响因素都包括在Preston 系数中。在抛光过程中，抛光

去除率与抛光压力与速度等不呈现单纯的线性关系，还与其它因素有关，因此后来的许多学者对Preston 方程进行了修正。例如，Tseng [4]，Shi [5]，等人分别提出了非线性材料去除率模型：

βα

V P K MRR P .

.0= （2） 虽然研究者对上述公式使用简单，公式中的参数均通过具体的实验得到。但是上述模型仍然不能考虑CMP 中其它关键参数，如：抛光垫，磨粒，氧化剂等对去除速率的影响，不能揭示CMP 过程中的材料去除机理。

2.1.2 基于流体动力学原理的材料去除率模型

基于流体动力学理论的CMP 去除速率模型认为：被抛光硅片和抛光垫非直接接触、作用载荷全由硅片和抛光垫之间的抛光液薄膜所承受的条件下建立的。基于流体动力学理论的CMP 去除速率模型主要有Runnels and Eyman [6]模型，Srikanth Sundararajan [7]模型，Dipto G . Thakurta [8]模型等。可是这种观点无法解释抛光垫对材料去除的作用，更难以解释抛光液中磨粒的机械作用和抛光液的化学作用以及两者的协同作用对于CMP 过程的巨大影响。后来的实验研究表明[9]：在没有磨粒的机械作用或者抛光液的化学作用时，芯片的抛光速度至少会降低一个数量级以上，并且Lin [10]的研究表明：CMP 中材料表面流体压力很小，为接触压力的1/35左右，因此研究者认为流体的冲蚀磨损不是CMP 中材料去除的主要方式。

2.1.3基于接触力学理论的材料去除率模型

基于接触力学理论，研究人员建立了不同的硅片、磨粒和抛光垫之间的接触模型来研究CMP 中材料去除机理。基于连续介质的压痕-划痕材料去除机理，Luo 等根据接触力学和统计理论提出了较为完善的材料去除模型，模型假设芯片/磨粒以及磨粒/抛光垫之间的接触变形为塑性变形，其模型接触示意图见图1所示。

图1. 抛光材料-磨粒-抛光垫接触示意图

Luo [11, 12]模型中考虑了有效磨粒数、抛光垫特性、芯片特性和抛光工艺参数等因素的影响。得到材料的去除率模型为：

0C rem oved r w MRR Vol N MRR +=ρ （3）

其中，ρw 为芯片材料的质量密度，N r 为有效磨粒数，Vol removed 为单个磨粒的去除率，

MRR Co 为化学作用导致的材料去除率。但该模型并未能将MRR Co 进行定量化。

图2. Zhao 模型示意图

Zhao [13, 14]等人基于弹塑性接触力学和磨损原理建立了硅片CMP 材料去除机理模型。该模型认为硅片与抛光垫之间的接触可以采用Greenwood and Williamson 弹性模型来建立模型，模型的三个接触变量是：硅片表面和抛光垫表面之间的实际接触面积，抛光液中参与磨损过程的磨粒数量，磨粒嵌入硅片表面的深度。根据三个抛光变量，得到的CMP 材料去除率MRR 的近似公式为：

3/2203/529

.9χδπα⎪⎭⎫ ⎝⎛=D A A V MRR aW t （4） 上式中：A t 为抛光过程中硅片与抛光垫的实际接触面积；α2表示相对于基片化学成膜密度比率，V 表示硅片和抛光垫之间的相对速度；A 0为抛光垫和硅片的名义接触面积；δaW 为磨粒嵌入硅片表面材料的深度；D 为磨粒的平均直径，χ为抛光液中磨粒的体积浓度。

Zhao 等人的模型较符合CMP 的实际情况，通过其模型预测介质层的CMP 去除率与实验结果符合很好。但是由于其对化学作用的考虑只是以一个系数的形式体现在去除率公式中，对化学和机械协同作用的研究不够。

在连续介质机理基础上，采用接触力学的方法，Fu [15]，Che [16]，Bastawors [17]，Lin [10]，Kuide [18]等人推导出了各自的CMP 材料去除模型。这些模型虽然都反映了磨粒对材料去除的机械作用，但是还不能求出单个磨粒受到的力。而且这些模型都没有化学作用对材料去除的影响，无法解释抛光液的化学作用。