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本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 20 页1 绪论化学机械抛光简称CMP技术是迄今唯一的可以提供整体平面化的表面精加工技术,可广泛用于集成电路芯片、计算机硬磁盘、微型机械系统等表面的平坦化1。90 年代兴起的新型化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing , 简称CMP) 技术则从加工性能和速度上同时满足了圆片图形加工的要求2。化学机械抛光技术是化学作用和机械作用相结合的组合技术，其过程相当复杂，影响因素很多3。在化学机械抛光时，首先是存在于工件表面和抛光垫间的抛光液中的氧化剂、催化剂等与工件表面的原子进行氧化反应，在工件表面产生一层氧化薄膜，然后由漂浮在抛光液中的磨粒通过机械作用将这层氧化物薄膜去除，使工件表面重新裸露出来，再进行氧化反应，这样在化学作用过程和机械作用过程的交替进行中完成工件表面抛光4、5。两个过程的快慢影响着工件的抛光速率和抛光质量，因此要实现高效率、高质量的抛光，必须使化学作用过程和机械作用过程进行良好的匹配6。化学机械抛光和传统抛光特性明显不同，尤其是抛光率依赖于工作液中的磨粒浓度7。1.1 CMP的发展、应用 随着半导体工业沿着摩尔定律的曲线急速下降,驱使加工工艺向着更高的电流密度、更高的时钟频率和更多的互联层转移。由于器件尺寸的缩小、光学光刻设备焦深的减小, 要求片子表面可接受的分辨率的平整度达到纳米级8。传统的平面化技术如基于淀积技术的选择淀积、溅射玻璃SOG、低压CVD、等离子体增强CVD、偏压溅射和属于结构的溅射后回腐蚀、热回流、淀积腐蚀淀积等, 这些技术在IC 工艺中都曾获得应用。但是,它们虽然也能提供“光滑”的表面, 却都是局部平面化技术,不能做到全局平面化9、10。目前,已被公认的是,对于最小特征尺寸在0.35m及以下的器件,必须进行全局平面化,为此必须发展新的全局平面化技术11。90年代兴起的新型化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing,简称CMP) 技术则从加工性能和速度上同时满足了圆片图形加工的要求12。CMP 技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术,它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面13、14。CMP技术对于器件制造具有以下优点:(1)片子平面的总体平面度:CMP工艺可补偿亚微米光刻中步进机大像场的线焦深不足。(2)改善金属台阶覆盖及其相关的可靠性:CMP工艺显著地提高了芯片测试中的圆片成品率。(3)使更小的芯片尺寸增加层数成为可能:CMP技术允许所形成的器件具有更高的纵横比15、16。因而, 自从1991年美国IBM公司首先将CMP工艺用于64Mb DRAM 的生产中之后, 该技术便顺利而迅速地在各种会议和研究报告中传播,并逐步进入工业化生产17、18。目前美国是CMP最大的市场,它偏重于多层器件,欧洲正在把CMP 引入生产线, 而日本和亚太地区将显著增长, 绝大多数的半导体厂家采用了金属CMP ,而且有能力发展第二代金属CMP工艺19。CMP技术成为最好也是唯一的可以提供在整个硅圆晶片上全面平坦化的工艺技术,CMP技术的进步已直接影响着集成电路技术的发展20。CMP的研究开发工作已从以美国为主的联合体SEMATECH发展到全球,如欧洲联合体JESSI,法国研究公司LETI 和CNET,德国Fraunhofer 研究所等21 ,日本和亚洲其它国家地区如韩国、台湾等也在加速研究与开发,并呈现出高竞争势头。并且研究从居主导地位的半导体大公司厂家的工艺开发实验室正扩展到设备和材料供应厂家的生产发展实验室。CMP技术的应用也将从半导体工业中的层间介质(ILD),绝缘体,导体,镶嵌金属W、Al、Cu、Au,多晶硅,硅氧化物沟道等的平面化，展到薄膜存贮磁盘, 微电子机械系统(MFMS),瓷,磁头,机械磨具,精密阀门,光学玻璃,金属材料等表面加工领域22。1.2 CMP技术CMP技术的目的是消除芯片表面的高点及波浪形。CMP的基本原理是将圆晶体片在研磨浆(如含有胶体SiO2悬浮颗粒的KOH 溶液)的存在下相对于一个抛光垫旋转, 并施加一定的压力,借助机械磨削及化学腐蚀作用来完成抛光。CMP技术所采用的设备及消耗品包括: CMP设备、研浆、抛光垫、后CMP清洗设备、抛光终点检测及工艺控制设备、研浆分布系统、废物处理和检测设备等23。其中研浆和抛光垫为消耗品,其余为抛光及辅助设备。CMP艺是摩擦学、流体力学和化学的结合,因此会受到来自芯片本身和磨抛机械等因素的影响。一个完整的CMP工艺主要由抛光、后清洗和计量测量等操作组成,CMP工艺中的要素包括以下内容:1)抛光机抛光机基本组成为一个转动的圆盘和一个圆晶片固定装置。两者都可施力于圆晶片并使其旋转, 在研浆(如含有胶状SiO2 悬浮颗粒的KOH 溶液)的帮助下完成抛光, 用一个自动研浆添加系统就可保证抛光垫湿润程度均匀, 适当地送入新研浆及保持其成分不变。2)抛光垫抛光垫是输送研磨浆的关键部件,它用于将研磨浆中的磨蚀粒子送入片子表面并去除副产品,平坦化的获得是因为圆晶片上那些较高的部分接触抛光垫而被去除。抛光垫的机械性能,如弹性和剪切模量、可压缩性及粗糙度对抛光速度及最终平整度起着重要作用。抛光垫的硬度对抛光均匀性有明显的影响,硬垫可获得较好的模内均匀性(WID)和较大的平面化距离,软垫可改善片内均匀性(WIW),为获得良好的WID和WIW,可组合使用软、硬垫,在圆片及其固定装置间加一层弹性背膜(backing film),可满足刚性及弹性的双重要求。因而改进抛光垫、延长其使用寿命从而减小加工损耗是CMP 技术的主要挑战之一。3) 抛光液抛光液是CMP的关键要素之一,抛光液的化学作用在金属CMP中起主要作用,研浆的组成、pH值、颗粒粒度及浓度、流速、流动途径对去除速度都有影响。抛光液一般由研磨剂(SiO2、Al2O3等)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成,最具代表性的抛光浆液由一个SiO2 抛光剂和一个碱性组分水溶液组成, SiO2 粒度范围为1100nm,且非常均匀,SiO2浓度为1.550% ,碱性组成一般使用KOH、氨或有机胺,pH值为911。抛光氧化物的浆料一般以SiO2为磨料,pH值一般控制在pH10,而抛光金属则以Al2O3作添加剂的基础材料,以便控制粘性和腐蚀及去除副产品,研磨料的性能、分散稳定性对于CMP浆都是很重要的。1.3CMP 技术发展中存在的问题随着计算机、通信及网络技术的高速发展,对作为其基础的集成电路的性能要求越来越高,集成电路芯片增大而单个晶体管元件减小及多层集成电路芯片是发展的必然趋势,这对CMP技术提出了更高的要求。尽管CMP 技术发展的速度很快,但它们需要解决的理论及技术问题还很多。如人们对诸如抛光参数(如压力、转速、温度等)对平面度的影响、抛光垫浆料片子之间的相互作用、浆料化学性质(如组成、pH值、颗粒度等)对各种参数的影响等比较基本的基础机理了解甚少,因而定量确定最佳CMP工艺,系统地研究CMP 工艺过程参数,建立完善的CMP理论模型,满足各种超大型集成电路生产对CMP工艺的不同要求,是研究CMP技术的重大课题;由于还缺乏有效的在线终点检测技术,维持稳定的、一次通过性的生产运转过程还存在困难,因而迫切需要开发实用的在线检测手段;CMP工艺一般在芯片工艺的最后几个阶段才使用,此时每个芯片的价值已达到数千至数十万美元,若要将一个价值很高的、经历了数星期谨慎辛劳制作的芯片送到一个难以清洗的浆料中去加工,是难以下决心的24,因而,片子表面残留浆料的清除确实是CMP后清洗的主要课题;研制合适的CMP工艺、设备及研浆以使去除速度高而稳定、片子的模内均匀性和片内均匀性都理想,而且产生的缺陷不多,是CMP技术发展的主要难题。1.4 CMP中材料去除机理 图1示出了芯片化学机械抛光的原理示意图25。将待抛光芯片正面向下同橡胶材料制作的抛光盘表面接触,抛光盘以等速单向旋转,以保证芯片表面各点的相对速度一致。待抛光芯片和抛光盘之间引入连续流动的抛光液,抛光液含有能同芯片表面材料发生化学作用的成分以及纳米量级的陶瓷抛光磨粒。显然,CMP过程中材料去除的摩擦学机理与芯片/抛光盘接触表面之间的载荷密切相关。图1芯片化学机械抛光原理示意图磨粒的冲蚀磨损不应是材料去除的主要机理。载荷由流体动压润滑膜和抛光盘接触表面共同承担,芯片材料的去除是由于抛光盘表面的微突体对芯片表面材料的直接机械作用所致。载荷完全由抛光盘接触表面所承担,在抛光过程中,大量磨粒被牢固地镶嵌在柔软的抛光盘表面,每个镶嵌的磨粒相当于1个固定磨料,其被压入芯片表面一定深度并沿芯片表面进行犁削运动(见图2,从而使被抛光芯片表面材料经由磨粒磨损而去除27。CMP过程中的机械作用通常在两种典型的接触模式下存在,即流体动力学模型和固体/固体接触模型。当抛光表面承受压力较小、相对速度较大时,在抛光垫与抛光片表面间形成一层薄流体膜, 抛光液中固体颗粒大小(纳米尺度)比流体膜厚度(微米尺度)小得多,大部分颗粒对材料去除没有贡献,材料去除主要由悬浮在抛光液中颗粒的三体研磨和抛光液的化学腐蚀作用26。当压力较大、相对速度较小时,被抛光表面片与抛光垫表面相互接触,两体和三体磨损同时存在。如图3所示,在两体磨损中,嵌入抛光垫表面的颗粒的犁削效应实现材料去除,在抛光垫与抛光表面未接触区的凹陷处的颗粒不会嵌入抛光垫,它不起作用或者发生三体磨损,相对于在抛光片/抛光垫接触区发生的两体磨损而言,三体磨损的材料去除量可以忽略。在这两种接触条件下,抛光高速旋转下的颗粒和抛光垫粗糙峰与抛光表面间的材料去除磨损机制主要包括磨粒磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损28。在CMP过程中,当抛光件与抛光垫间存在相对速度,镶嵌在抛光垫或片子表面的颗粒沿抛光片表面的移动磨损表面,移动包括滑动和滚动。颗粒在片子表面上滚动时,尽管只有粘着磨损发生,然而粘着磨损和磨粒磨损是CMP 过程的主要磨损机制。决定嵌入表面的颗粒是否移动,它取决于诸多因素,包括颗粒和基体的变形、相对速度、粘着力、表面硬度和摩擦系数等。决定颗粒在表面是滚动还是滑动同样是非常重要的,以便于确定CMP过程中发生的磨损机理。并非所有接触抛光片的颗粒都会产生有效的材料去除,当颗粒在表面滚动时出现粘着磨损,因为滚动导致的晶片表面材料去除相对较小;当颗粒是被抛光垫牢固镶嵌至于在抛光片表面滑动时,颗粒与晶片表面间的相互作用变得显著,导致抛光表面明显的物理和化学变化,抛光片表面出现磨粒磨损的材料去除,该滑动条件主要受颗粒/抛光垫和颗粒/晶片之间的表面摩擦来决定,除摩擦系数和接触面积外,还决定于接触界面的法向力。图2 抛光表面与抛光垫接触示意图图3 归因于压入芯片表面的抛光颗粒的磨粒磨损示意图2 模型建立及推导2.1 模型的建立该模型建立在x-y的二维坐标系内。其模型示意图见图4。在图4模型中，以O1 为圆心的大圆为抛光垫，以O2 为圆心的小圆为晶片。任取晶片上一点为H，O2 与H点的连线和x轴正向的夹角为。抛光垫以1 的角速度逆时针匀角速转动，晶片跟随抛光垫一起转动，并且自己以2 的角速度逆时针匀角速转动。假设晶圆中心的初始位置在横坐标上，当经过一段时间t后，抛光垫转过角度，晶片自转了角度。H点与晶片圆心O2连线交小圆与R、S两点。其中抛光垫模型半径为R=200cm，转速为100rpm，晶圆模型半径为r=75cm。图4化学机械抛光材料去除的模型示意图2.2 轨迹方程推导令抛光垫与晶片的偏心距为e，根据推导计算可以得出初始位置处O2 坐标为(e,0),H点的坐标(x,y)，即：，R点坐标为(Rx,Ry),即 ,S点坐标为(Sx,Sy),即,经过t时间段，抛光垫转过了角，晶片圆心转到O2并自转了角。则，O2坐标为,R坐标为(,)即，S坐标为（Sx，Sy），即，则可以计算出H的轨迹方程为 根据轨迹方程，利用MATLAB软件画出其轨迹，并得出各个参数的最优解。3 计算判断及结果3.1 抛光垫与晶圆的偏心距对材料去除的影响取参数 则：1）当e=0.5时，H点轨迹方程为：其轨迹如图5（a）；2）当e=0.75时，H点轨迹方程为： 其轨迹如图5（b）；3）当e=1时，H点轨迹方程为：其轨迹如图5（c）；4）当e=1.25时，H点轨迹方程为：其轨迹如图5（d）。 （a）e=0.5 （b）e=0.75 （c）e=1 （d）e=1.25图5 抛光垫与晶圆偏心距取不同值时对应的H点轨迹由上述图5可以看出，（a）图的H点轨迹最为复杂，根据实际情况可以判断出，当抛光垫与晶圆的偏心距取0.5m时，其对材料去除的影响最好，所以抛光垫与晶圆的偏心距最优值为0.5m。3.2 晶圆上一点H分其所在直径的线段与直径比值对材料去除的影响取参数 则：1) 当c=0时，H点轨迹方程为其轨迹如图6（a）；2）当c=时，H点轨迹方程为其轨迹如图6（b）；3）当c=时，H点轨迹方程为其轨迹如图6（c）；4）当c=时，H点轨迹方程为其轨迹如图6（d）。 （a）c=0 （b）c=1/8 （c）c=1/2 （d）c=5/8图6 c取不同值时对应的H点的轨迹由上述图6可以分析出，（a）图中H点轨迹变化最复杂，这样对材料去除的影响也是最好的，所以对应图6（a）的c值的最有值是0.3.3 晶圆上一点与其圆心连线与X轴的夹角对材料去除的影响取参数则：1） 当时，H点轨迹方程为其轨迹如图7（a）;2) 当时，H点轨迹方程为其轨迹如图7（b）;3）当时，H点轨迹方程为其轨迹如图7（c）;4）当时，H点轨迹方程为其轨迹如图7（d）;5）当时，H点轨迹方程为其轨迹如图7（e）;6）当时，H点轨迹方程为其轨迹如图7（f）;7）当时，H点轨迹方程为其轨迹如图7（g）。 （a）=0 （b）=/6 (c) =/3 (d) =/2 (e) =2/3 (f) =5/5(g) =图7 角取不同值时对应的H点的运动轨迹由上述7张角取不同值时对应的H点的轨迹图，可以发现角的变化对轨迹影响不大，所以晶圆上一点H与其圆心连线与X轴的夹角对材料去除的影响很小，可以忽略不计。3.4 抛光垫与晶圆的转速比对材料去除的影响取参数 则：1） 当时，H点轨迹方程为其轨迹如图8（a）；2） 当时，H点轨迹方程为其轨迹如图8（b）；3）当时，H点轨迹方程为其轨迹如图8（c）；4）当时，H点轨迹方程为其轨迹如图8（d）；5）当时，H点轨迹方程为其轨迹如图8（f）。 （a）1: 2=1/2 （b）1: 2=1/1.5 (c) 1: 2=1 (d) 1: 2=1.5(f) 1: 2=2图8 抛光垫与晶圆的转速比取不同值时对应的H点的运动轨迹由图8中抛光垫与晶圆的转速比取不同值时对应的H点的运动轨迹图形可以判断出（c）图中转速比为1时,此时对材料去除的影响最好，所以抛光垫与晶圆的转速比的最优值为1。结 论 根据机械作用对化学机械抛光中材料去除的影响，建立了相关数学模型，并分析抛光垫与晶片的偏心距e、角、c值、抛光垫转过的角度、晶片转过的角度等参数对材料去除的影响，同时通过数学推导，得到了晶片上一点H的运动轨迹方程，并运用MATLAB软件生成在各个参数影响下H点运动轨迹，经过分析计算，得出各个参数的最优值，抛光垫与晶圆的偏心距最优值为0.5m，晶圆上一点H分其所在直径的线段与直径比值c的最优值为0，晶圆上一点与其圆心的连线与X轴的夹角对材料影响不大，可以忽略不计，抛光垫与晶圆的转速比的最优值为1。致 谢本论文是在我的导师李军的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，李老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。三个多月来，李老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向李老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢本学校机械工程系的老师们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢肖猛老师，他给予了我不少的帮助。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!参 考 文 献1 Michael A. Fury.Emerging developments in CMP for semiconductorplanarization-Part2 J.Solid state technology,1995,38(7):81-88. 2 Kathleen A.Perry.Chemical mechanical polishing: The impact of a new technology on an industryC.Digest of technical papers-sym-posium on VLST technology,1998:2-5 3 王建荣,林必窕.半导体平坦化CMP技术(修订版)M.台湾:全华科技出版社, 2002. 4 苏建修,康仁科,郭东明.超大规模集成电路制造中硅片化学机械抛光技术分析.制造技术,2003,28(10):27-325 Xie Y S,Bhushan B.Effects of particle size, polishing pad and contactpressure in free abrasive polishingJ.Wear,1996,200:281-295.6 刘玉岭,王弘英,王新.半导体技术J,2001,26(8):65-69.7 江瑞生,集成电路多层结构中的化学机械抛光技术,半导体技术,1998,23 (1): 691 8 John Schuler,CMP technology and markets,SEMICON China 99 Techanical Symposium,March 1718,1999,Beijing,China1. 9 Steigermald J.M.,Murarka S.P.,Gutmann R.J.,Chemical mechanical planarization of microelectronic materials,A Wiley-Interscience Publication ,John Wiley & sons,Inc.,New York,USA,1996:324. 10 Kaufman F.B.,Thompson D.B.,Broabie R.E.et al.Chemical-mechanical polishing for fabricating patterned W metal features as chip interconnects.J.Electrochem.Soc.,1991,138(11):34603464. 11 董志义,CMP 设备市场及技术现状,电子工业专用设备,2000 ,29(4):1118. 12 江瑞生,集成电路多层结构中的化学机械抛光技术,半导体技术,1998,23 (1):69. 13 李秀娟,金诛吉,康仁科,等.磨料对铜化学机械抛光过程的影响研究J. 摩擦学学报,2005,25(5):431-436. 14 苏建修.I制造中硅片化学机械抛光材料去除机理研究D.大连:大连理工大学,2006. 15 陈杨,陈建清,陈志刚,等.纳米磨料对硅晶片的超精密抛光研究J.摩擦学学报,2004,24(4):332-335. 16 P.H.Chen,B.W.Huang,H.C.Shih,Thin Solid Films 483 (2005)239-244. 17 Michael A.Fury, The early days of CMP,Solid State Technol,1997,40 (5):8186. 18 Minoru T.,Oxide CMP mechanisms,So