博士生開題報告

1、化學機械拋光中機械與化學作用機制的仿真研究1.選題背景及其意義化學機械拋光(CMP)技術是芯片制造中的關鍵技術，隨著集成電路特征尺寸的減小，CMP技術的應用面臨新的挑戰(zhàn)，例如，大尺寸硅片表面的拋光要求具有0.1nm的表面粗糙度1，這些都對CMP技術提出了更高要求。深入系統的研究CMP的去除機理更利于CMP技術的提高與完善，因此十分重要。現有的拋光理論認為：化學機械拋光過程是磨粒對材料表面的機械作用與拋光液的化學作用共同作用的結果，拋光液的化學作用削弱了芯片表面原子/分子的鍵能，而磨粒的機械作用將表面弱化的氧化原子/分子去除。但是對于機械化學的協調作用至今未有清晰的解釋。本文針對化學機械拋光中材

2、料去除激勵的研究現狀及其存在的問題，綜合運用分子動力學與量子力學的方法，對拋光液中顆粒與材料表面的接觸形式，表面材料的去除方式，拋光液中氧化劑、絡合劑、PH值調節(jié)劑與材料表面的化學反應機理等方面進行了研究，從原子/分子的層次揭示CMP過程的拋光機理。本研究的完成對于可以使我們對于CMP的微觀去除機理有更加清晰的認識，為高效，精確控制CMP過程提供理論指導。本文的研究涉及納米摩擦學，納米接觸力學，材料，表面化學和物理等多個學科領域，使學科交叉的前沿性研究課題。本論文的研究對于豐富納米摩擦學，納米接觸力學，材料，表面化學和物理等學科理論，提高我國IC制造業(yè)的水平具有重要的科學價值和實際意義2。2.

3、 國內外研究動態(tài)2.1 化學機械拋光材料去除機理模型2.1.1 經驗-半經驗去除率公式模型1927年，Preston3提出了第一個材料去除率模型，認為材料的去除率與拋光壓力和工作速度呈線性關系。Preston方程如下： （1）式中：MRR代表表面材料去除率，P0為拋光壓力，V為工作速度，Kp為Preston系數。Preston公式僅僅反映了拋光壓力與相對速度兩個過程參數對拋光速率的影響，其它影響因素都包括在Preston系數中。在拋光過程中，拋光去除率與拋光壓力與速度等不呈現單純的線性關系，還與其它因素有關，因此后來的許多學者對Preston方程進行了修正。例如，Tseng4，Shi5，等人分

4、別提出了非線性材料去除率模型： （2）雖然研究者對上述公式使用簡單，公式中的參數均通過具體的實驗得到。但是上述模型仍然不能考慮CMP中其它關鍵參數，如：拋光墊，磨粒，氧化劑等對去除速率的影響，不能揭示CMP過程中的材料去除機理。2.1.2 基于流體動力學原理的材料去除率模型基于流體動力學理論的CMP去除速率模型認為：被拋光硅片和拋光墊非直接接觸、作用載荷全由硅片和拋光墊之間的拋光液薄膜所承受的條件下建立的。基于流體動力學理論的CMP去除速率模型主要有Runnels and Eyman6模型，Srikanth Sundararajan7模型，Dipto G. Thakurta8模型等?？墒沁@種觀

5、點無法解釋拋光墊對材料去除的作用，更難以解釋拋光液中磨粒的機械作用和拋光液的化學作用以及兩者的協同作用對于CMP過程的巨大影響。后來的實驗研究表明9：在沒有磨粒的機械作用或者拋光液的化學作用時，芯片的拋光速度至少會降低一個數量級以上，并且Lin10的研究表明：CMP中材料表面流體壓力很小，為接觸壓力的1/35左右，因此研究者認為流體的沖蝕磨損不是CMP中材料去除的主要方式。2.1.3基于接觸力學理論的材料去除率模型基于接觸力學理論，研究人員建立了不同的硅片、磨粒和拋光墊之間的接觸模型來研究CMP中材料去除機理。基于連續(xù)介質的壓痕-劃痕材料去除機理，Luo等根據接觸力學和統計理論提出了較為完善的

6、材料去除模型，模型假設芯片/磨粒以及磨粒/拋光墊之間的接觸變形為塑性變形，其模型接觸示意圖見圖1所示。圖1. 拋光材料-磨粒-拋光墊接觸示意圖Luo11, 12模型中考慮了有效磨粒數、拋光墊特性、芯片特性和拋光工藝參數等因素的影響。得到材料的去除率模型為： （3）其中，w為芯片材料的質量密度，Nr為有效磨粒數，Volremoved為單個磨粒的去除率，MRRCo為化學作用導致的材料去除率。但該模型并未能將MRRCo進行定量化。圖2. Zhao模型示意圖Zhao13, 14等人基于彈塑性接觸力學和磨損原理建立了硅片CMP材料去除機理模型。該模型認為硅片與拋光墊之間的接觸可以采用Greenwood

7、and Williamson彈性模型來建立模型，模型的三個接觸變量是：硅片表面和拋光墊表面之間的實際接觸面積，拋光液中參與磨損過程的磨粒數量，磨粒嵌入硅片表面的深度。根據三個拋光變量，得到的CMP材料去除率MRR的近似公式為： （4）上式中：At為拋光過程中硅片與拋光墊的實際接觸面積；2表示相對于基片化學成膜密度比率，V表示硅片和拋光墊之間的相對速度；A0為拋光墊和硅片的名義接觸面積；aW為磨粒嵌入硅片表面材料的深度；D為磨粒的平均直徑，為拋光液中磨粒的體積濃度。Zhao等人的模型較符合CMP的實際情況，通過其模型預測介質層的CMP去除率與實驗結果符合很好。但是由于其對化學作用的考慮只是以一個

8、系數的形式體現在去除率公式中，對化學和機械協同作用的研究不夠。在連續(xù)介質機理基礎上，采用接觸力學的方法，Fu15，Che16，Bastawors17，Lin10，Kuide18等人推導出了各自的CMP材料去除模型。這些模型雖然都反映了磨粒對材料去除的機械作用，但是還不能求出單個磨粒受到的力。而且這些模型都沒有化學作用對材料去除的影響，無法解釋拋光液的化學作用。圖3. Che的模型圖2.1.4 包含化學作用影響的材料去除率模型Kaufman19認為化學作用在芯片表面形成一層氧化薄膜，而機械作用將該氧化薄膜去除，從而提出了CMP協調去除機理，如圖4。以此機理為基礎，眾多學者展開了對CMP化學作用的

9、研究。Chen20采用吸附與解吸附理論，建立了材料去除率模型，見圖5，該模型定性解釋了化學作用在CMP中的影響，但模型參數過多，進行定量計算困難。Christopher21應用化學動力學理論，提出了CMP過程中的五步去除機理，如圖6所示： 氧化劑從拋光液中傳遞到芯片表面； 部分氧化劑吸附到芯片表面； 吸附的氧化劑和新鮮表面發(fā)生反應； 機械去除氧化產物； 去除材料進入拋光液被帶走。 圖4. Kaufman提出的化學機械協調作用模型圖5. Chen基于吸附解吸附理論的材料去除率模型圖6. Christopher CMP過程中的五步去除機理示意圖Jiang21等人研究CMP過程中芯片表面氧化薄膜生成

10、去除機理，該模型分析了機械作用（工作壓力，工作速度，磨粒濃度，磨粒的粒度分布）和化學作用（氧化劑種類、氧化劑濃度）對材料去除率的影響，但該模型的參數有待進一步通過實驗加以確定。2.2 化學機械拋光過程仿真研究現狀2.2.1 CMP中磨粒機械作用仿真研究圖7.基于EAM勢的銅化學機械拋光的仿真模型 (a) 完全化學溶解作用下 (b) 部分化學溶解作用下Ye22, 23 等人利用EAM勢模擬了機械作用與化學作用共同作用下的銅化學機械拋光過程（圖7）。仿真表明，機械作用可以產生比較粗糙的加工表面，并在磨粒前面產生切屑，同時造成硅基體內部的位錯?；瘜W作用則可以產生比較光滑的表面，且使得磨粒和硅片之間的

11、摩擦力減小，從而可以抑止硅基體內部的位錯。段芳莉24, 25等人利用Leonard-Jones勢函數（LJ勢）和Tersoff勢函數模擬了LJ團簇沖擊單晶硅基體的過程（圖8），對團簇的反彈現象、基體的變形以及碰撞過程中基體勢能和團簇運動軌跡的關系等進行了相關研究。 (a) (b)圖8 . LJ團簇沖擊單晶硅基體的過程 (a) t=0fs (b) t=10000fs陳入領26, 27采用分子動力學模擬方法研究二氧化硅團簇與硅基體之間在干、濕碰撞過程中的作用機制（見圖9）。通過碰撞過程的仿真分析，揭示超精密表面加工中納米顆粒的作用機理，從原子尺度進一步探索超精密表面加工技術的材料去除機理，為進一步

12、提高超精密表面加工水平提供理論指導。 (a) (b)圖9. 5184-團簇在2500m/s和0沖擊后基體損傷圖 (a)干碰撞 (b)濕碰撞Chagarov28等人利用MD模擬了CMP中材料去除過程，分析了拋光速度和團簇的尺寸大小對去除材料的影響，見圖10。這個模型模擬了CMP拋光硅片時，硅片被氧化為二氧化硅后材料去除過程，考慮了硅片表面的氧化層和二氧化硅的拋光粒子之間的作用，認為二氧化硅磨粒在碰撞過程中沉積在硅片表面，形成了相對平整的表面。圖10. 二氧化硅團簇劃過氧化后的硅基體的過程圖11. Han模擬的不同顆粒半徑的材料去除過程Han29, 30等人研究了化學機械拋光過程中硅材料的材料去除

13、機理，認為硅材料以塑性去除方式進行材料去除。材料的塑性去除方式導致了CMP后的光滑表面，見圖11。2.2.2 CMP過程中化學作用仿真研究Yamauchi31等人通過第一性原理方法模擬了EEM中材料去除過程，研究表明，EEM確實存在通過二氧化硅團簇和硅表面的化學作用實現材料去除的可能性，見圖12。圖12.第一性原理方法下的EEM中原子轉移的仿真(a) 初始狀態(tài) (b) 氫鍵結合 (c) 硅烷形成 (d) 硅表面原子脫離Rajendran32等人利用TBMD（Tight-Binding Molecular Dynamics Simulation, TBMD）分析了CeO2顆粒拋光SiO2表面的去

14、除機理（圖13），討論了拋光過程中原子間鍵長和電荷的變化。但由于TBMD方法本身的局限性，和第一性原理方法一樣，它們仿真的系綜規(guī)模都很小，一般都在1000個粒子以下。圖13.CeO2顆粒對SiO2表面的CMP模擬Yokosuka33, 34采用緊束縛勢的方法研究了化學機械拋光過程中銅表面的氧化過程（見圖14），此模擬采用雙氧水作為拋光液。分別研究了溶液PH值和銅的miller平面對于銅氧化過程的影響。研究結果發(fā)現：拋光液的PH值顯著影響銅的氧化過程，同時銅的氧化過程與銅的miller平面密切相關。圖14 .Yokosuka 研究的三種系統：（a）銅（100）面，水與雙氧水比值13：1；（b）銅

15、（100）面，水與雙氧水比值13：4；（c）銅（111）面，水與雙氧水比值13：4在常見的工藝參數下，根據接觸理論分析的到的芯片表面磨粒的壓入深度接近0.1nm。對于這類處于原子，分子狀態(tài)的材料去除特征，用連續(xù)介質力學來描述不是十分合適。Zhao等人提出了非連續(xù)介質力學來描述不合適，現在多采用原子/分子去除機理來建模。綜上所述，隨著磨粒直徑的減小，CMP材料原子/分子去除機理的研究將日趨合理。目前基于原子/分子的去除機理模型的研究還處于剛剛起步的階段，研究很少，而且現有的研究還處于定性研究，無法準確定量預測CMP的材料去除率。而且化學作用對材料去除機理的研究還有待深入。從上述的討論我們總結出現

16、在CMP研究的兩個大的趨勢。一方面，目前的CMP研究多是從原子/分子量級的去除機理出發(fā)進行研究，由于顆粒在材料中的壓入深度在亞納米量級，我們進行了分子動力學的研究，發(fā)現在此壓入深度下，材料的去除呈現單分子層的去除，得到的表面沒有劃痕等缺陷與實際過程十分符合?；诖宋覀兲岢隽藛畏肿訉拥娜コ龣C理。另一方面，現在越來越多的學者認識到CMP過程的去除是化學作用與機械作用結合的作用，因此多注重化學與機械協同作用的研究。因此尋求化學與機械作用協同作用處理方法變得日益重要。參考文獻 1.王永光. 基于分子量級的化學機械拋光材料去除機理的理論與實驗研究博士學位論文. 無錫：江南大學，2008. 2.王永光,

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