CMP过程芯片表面氧化膜生成速度影响因素的分析

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现代制造工程 2006 年第 10 期
制造工艺 / 工艺装备
不断形成和去除过程。Liu 等［7］根据上述机理推导出 钨的抛光速率方程。Wrschka 等［8］也根据 Kaufman 提 出的机理，推导出抛光速度同氧化膜厚度成反比关系 的数学方程式。
上述研究者都对 CMP 过程氧化膜的形成进行了 定性描述，但都未能建立定量描述 CMP 过程氧化膜形 成速度数学模型。本文建立了一种定量描述 CMP 过 程氧化膜形成速度数学模型，并详细分析了机械作用 因素、化学作用因素、磨粒的粒度分布特性及磨粒 / 芯 片 / 抛光盘的材料特性参数对芯片表面氧化膜生成速 度的影响规律。
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现代制造工程 2006 年第 10 期
CMP 过程芯片表面氧化膜生成速度影响因素的分析*
蒋建忠，赵永武 （ 江南大学机械工程学院，无锡 214063）
摘要 根据理论和试验分析，将机械化学抛光（ CMP）过程分成两个阶段：化学作用主导阶段和机械作用主导阶段，并从 机械作用角度导出 CMP 过程两个阶段芯片表面材料去除率的数学模型，模型全面地考虑了抛光盘特性参数（ 弹性模量、 硬度、表面粗糙度峰的尺寸分布）、CMP 工作参数（ 压力和抛光速度）、抛光液中磨粒的机械作用和氧化剂种类、氧化剂浓 度等化学作用的影响。然后根据这两个阶段的平衡点导出定量描述芯片表面氧化膜生成速度的数学模型。详细分析机 械作用因素（ 磨粒的浓度、磨粒的粒度分布特性）、化学作用因素（ 抛光液中氧化剂种类、浓度）以及磨粒 / 芯片 / 抛光盘的 材料特性参数对芯片表面氧化膜生成速度的影响规律。该 CMP 过程芯片表面氧化膜生成速度定量模型的导出，对进一 步深入研究 CMP 材料去除机理和更加准确地控制 CMP 过程，具有一定的指导作用。 关键词：机械化学抛光（ CMP） 氧化膜 数学模型 粒度分布 中图分类号：Tg115. 5 + 8；O484. 4 文献标识码：A 文章编号：1671—3133（2006）10—0051—05
在芯片制造业中，机械化学抛光（ CMP）是目前保 证亚微米集成电路芯片同时保持整体和局部平面化 的唯一手段。CMP 是一个典型的材料化学磨损过程， 其机理涉及到摩擦学、力学、材料、表面物理和化学等 许多学科的知识。对 CMP 过程的精确控制很大程度 上取决于对其材料磨损机理的认识。目前国内在这 一领域的研究主要集中在 CMP 抛光液的研制、CMP 影响 因 素、以 及 CMP 电 化 学 行 为 等 方 面［1-4］，而 对
!w 、!p 的值。可令：
( ) !w : f
Eps HW
Da
!!!!!!!!!!!!（4）
( ) f
Eps HW
为Eps HW
的函数。H
W
越大，磨粒压入芯片表面
( ) 深度 !w 越小，所以 f
Eps HW
应随 HW 增大而减小。
1. 2 整个接触面上的有效磨粒过程中材料微观磨损机理的研究较少。CMP 过 程是抛光液化学作用与磨粒机械作用的协同工作过 程。两者的协同效应对 CMP 效果有至关重要的影响， 因此，基于二者协同作用的 CMP 机理研究已成为国内 外研究的热点问题之一。
Kuide Oin［5］等根据磨粒压入氧化膜的深度，导出 综合 考 虑 化 学 作 用 和 机 械 作 用 的 CMP 模 型 方 程。 Kaufman 等［6］提出钨的 CMP 过程的实质是氧化膜的
际接触面积 Ar 上的磨粒数 N 为：
N
:
A（r
6" !D3
）2 /
3
!!!!!!!!!!!!（5）
式中：" 为抛光液中磨粒的体积浓度；D 为抛光液中磨
粒的平均直径。
在芯片与抛光盘接触过程中，总是大磨粒先起到
支撑作用，见示意图 2，小磨粒很容易被抛光液冲走。
所以，在 芯 片 与 抛 光 盘 的 最 终 接 触 状 态 下，只 有 部 分
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粒与抛光盘接触特性的分析。 根据 Andrew Kim［12］对抛光盘的超弹性有限元分
析可知，抛光盘作用于单个磨粒上的力 Fp 为：
( ) ( ) Fp
:
4 3
Eps
Da 2
1 23
!p 2 + 5
Da 2
- 0. 15
! 2. 15 p
!!（1）
式中：!p 为磨粒在抛光盘上的压入量；Da 为参与切削 的有效磨粒的平均直径；Eps 为抛光盘与磨粒的当量弹 性模量。
Abstract On the basis of theoreticaI and experimentaI anaIysis，the CMP process is divided into two phases：chemicaI effect dominant phase and mechanicaI effect dominant phase. The modeIs of the two phases are deveIoped from mechanicaI angIe， which comprehensiveIy consider the infIuence of most vaIuabIes in the CMP process incIuding pad properties（ moduIus，hardness，asperity sizes and distribution），processing conditions（ down-pressure，veIocity）and sIurry characteristic（s abrasive mechanicaI effect，oxidant chemicaI effect）. Then，from the baIance point of the two phases，a new modeI，which can guantitativeIy describes the generation rate of oxidized Iayer on wafer surface in CMP is deveIoped. MeanwhiIe，the infIuencing Iaws of the mechanicaI effect factor（s abrasive size distribution，abrasive concentration in sIurry），chemicaI effect factor（s oxidant sorts and concentration in sIurry）and abrasive / wafer / pad materiaI properties on the generation rate of oxidized Iayer are discussed and anaIyzed intensiveIy and comprehensiveIy. The modeIing of the generation rate of oxidized Iayer in CMP wiII further the research of the CMP materiaI removaI mechanism and offer a direction to controI the CMP process more accurateIy. Key words：ChemicaI MechanicaI PoIishin（g CMP） Oxidized Iayer MathematicaI modeI ParticIe size distribution
Factors influencing the generation rate of oxidized layer on wafer surface in CMP
Jiang Jianzhong，Zhao Yongwu （ SchooI of MechanicaI Engineering，Southern Yangtze University，Wuxi 214063，Jiangsu，CHN）
1
-
（ k1 ）］
!!!!!!!!!!!!!!!!!!（9）
1. 3 单个磨粒的材料去除率
就典 型 的 CMP 试 验 而 言，磨 粒 平 均 直 径 约 为 50nm［15］，根据 Zhao 和 Chang［13］及 Luo［16］的 计 算，磨
粒压入芯片的深度只有 0. 02 ~ 0. 1nm，小于一个分子
* 江苏省自然科学基金项目（ BK2004020）；教育部回国人员启动基金项目（ 教外司留［2004］527 号）；清华大学摩擦学国家重 点实验室开放基金项目（ SKLT04 - 06）；江南大学重大基金项目（207000 - 21054200）；江南大学预研基金项目（207000 - 52210434）
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Ar = C -（1
）1 / 2 F = C -（1 Epw
）1 / 2 pA0 Epw
!!!（8）
式中：p 为抛光过程的名义平均接触压力；A0 为芯片表
面积； 为抛光盘粗糙度峰顶平均曲率半径；Epw 为抛
光盘与芯片的当量弹性模量； 为粗糙度峰高尺寸分
布标准偏差；C 为常数，可取 0. 35［5］。
将式（ 5 ）和式（ 8 ）代 入 式（ 7 ），并 将 正 态 分 布 概 率
密度函数 ( D + k1 D ) 化为标准正态分布可得：
Na
=
A（r
6 !D3
）2 /［3
1
-
（ k1 ）］=
C -（1
）1 / 2 >
pA（0 Epw
6 !D3
）2 /［3
抛光盘的材 料 较 软，芯 片 压 入 后，抛 光 盘 的 接 触 微凸体表面会包住磨粒，工作压力 F 由抛光盘的接触 微凸体和镶嵌磨粒共同承担，示意图见图 1。