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核心技术，随着集成电路特性尺寸的减小，CMP技术的应用面临新的挑战，例如，大尺寸硅片表面的抛光规定含有0.1nm的表面粗糙度ADDINNE.Ref.{D3E3B1D5-78D1-4EDA-9B1E-CD21E7DD6D56}[1]，这些都对CMP技术提出了更高规定。进一步系统的研究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成果，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办法，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映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。本研究的完毕对于能够使我们对于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制造业的水平含有重要的科学价值和实际意义ADDINNE.Ref.{4836A688-6387-461D-8BB4-263646CBD666}[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，PrestonADDINNE.Ref.{D003833E-B68C-409F-80AA-2B89BD8A33EA}[3]提出了第一种材料去除率模型，认为材料的去除率与抛光压力和工作速度呈线性关系。Preston方程以下：（1）式中：MRR代表表面材料去除率，P0为抛光压力，V为工作速度，Kp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，其它影响因素都涉及在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，TsengADDINNE.Ref.{78BCC53A-B71C-4373-B5AA-21EFEE46123F}[4]，ShiADDINNE.Ref.{EFDA04A6-DD45-48F3-BE2D-67096AA88BD8}[5]，等人分别提出了非线性材料去除率模型：（2）即使研究者对上述公式使用简朴，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中其它核心参数，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去除速率模型重要有RunnelsandEymanADDINNE.Ref.{0C46AF93-26AA-4E9D-990A-D6BAA858DD8C}[6]模型，SrikanthSundararajanADDINNE.Ref.{E18B30A7-8727-4FDE-AADD-8F502E6C74DF}[7]模型，DiptoG.ThakurtaADDINNE.Ref.{C88DC9D6-F6BC-4CDB-8EA2-EFF4E1D82C52}[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ADDINNE.Ref.{04B8106D-ACCD-41E8-9529-221BF9D686B6}[9]：在没有磨粒的机械作用或者抛光液的化学作用时，芯片的抛光速度最少会减少一种数量级以上，并且LinADDINNE.Ref.{05AAB961-DC40-400D-AC62-5F92448B0819}[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中材料去除的重要方式。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。基于持续介质的压痕-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LuoADDINNE.Ref.{869E0B6A-F883-497B-A31B-472E27978E45}[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：（3）其中，ρw为芯片材料的质量密度，Nr为有效磨粒数，Volremoved为单个磨粒的去除率，MRRCo为化学作用造成的材料去除率。但该模型并未能将MRRCo进行定量化。图2.Zhao模型示意图ZhaoADDINNE.Ref.{3C1E3E47-119A-4523-BC78-55CAC22C76C5}[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能够采用GreenwoodandWilliamson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，抛光液中参加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：（4）上式中：At为抛光过程中硅片与抛光垫的实际接触面积；α2表达相对于基片化学成膜密度比率，V表达硅片和抛光垫之间的相对速度；A0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的实际状况，通过其模型预测介质层的CMP去除率与实验成果符合较好。但是由于其对化学作用的考虑只是以一种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。在持续介质机理基础上，采用接触力学的办法，FuADDINNE.Ref.{1D06BECB-53AB-4441-9AA4-BFE39582C999}[15]，CheADDINNE.Ref.{ECB634F7-DE0E-44A5-9F66-3EA174D36D2F}[16]，BastaworsADDINNE.Ref.{20FC40A2-452C-4352-AFAA-FB4B882A0963}[17]，LinADDINNE.Ref.{D7F4953A-2F64-4DCA-9EB1-D7F366E28B39}[10]，KuideADDINNE.Ref.{9D865C5C-C844-4810-866E-4FAC2FE6CBB1}[18]等人推导出了各自的CMP材料去除模型。这些模型即使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。并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。图3.Che的模型图2.1.4包含化学作用影响的材料去除率模型KaufmanADDINNE.Ref.{B4C50EC4-D0B7-4E58-96E9-6CACCE5B5EE4}[19]认为化学作用在芯片表面形成一层氧化薄膜，而机械作用将该氧化薄膜去除，从而提出了CMP协调去除机理，如图4。以此机理为基础，众多学者展开了对CMP化学作用的研究。ChenADDINNE.Ref.{8A9004E3-1D07-402F-BE95-A00A2E898CFA}[20]采用吸附与解吸附理论，建立了材料去除率模型，见图5，该模型定性解释了化学作用在CMP中的影响，但模型参数过多，进行定量计算困难。ChristopherADDINNE.Ref.{E3B831C3-6DCA-4EB3-AEFD-794A4B98B858}[21]应用化学动力学理论，提出了CMP过程中的五步去除机理，如图6所示：=1\*GB3①氧化剂从抛光液中传递到芯片表面；=2\*GB3②部分氧化剂吸附到芯片表面；=3\*GB3③吸附的氧化剂和新鲜表面发生反映；=4\*GB3④机械去除氧化产物；=5\*GB3⑤去除材料进入抛光液被带走。图4.Kaufman提出的化学机械协调作用模型图5.Chen基于吸附解吸附理论的材料去除率模型图6.ChristopherCMP过程中的五步去除机理示意图JiangADDINNE.Ref.{8E72256D-8F30-48CC-8BDA-BBC3FE3C5E3B}[21]等人研究CMP过程中芯片表面氧化薄膜生成去除机理，该模型分析了机械作用（工作压力，工作速度，磨粒浓度，磨粒的粒度分布）和化学作用（氧化剂种类、氧化剂浓度）对材料去除率的影响，但该模型的参数有待进一步通过实验加以拟定。2.2化学机械抛光过程仿真研究现状2.2.1CMP中磨粒机械作用仿真研究图7.基于EAM势的铜化学机械抛光的仿真模型(a)完全化学溶解作用下(b)部分化学溶解作用下YeADDINNE.Ref.{F78F4E47-164C-4E8F-A0F6-C204CF42DE42}[22,23]等人运用EAM势模拟了机械作用与化学作用共同作用下的铜化学机械抛光过程（图7）。仿真表明，机械作用能够产生比较粗糙的加工表面，并在磨粒前面产生切屑，同时造成硅基体内部的位错。化学作用则能够产生比较光滑的表面，且使得磨粒和硅片之间的摩擦力减小，从而能够抑止硅基体内部的位错。段芳莉ADDINNE.Ref.{292FC382-1141-4589-9F47-A68C1C95BF9A}[24,25]等人运用Leonard-Jones势函数（LJ势）和Tersoff势函数模拟了LJ团簇冲击单晶硅基体的过程（图8），对团簇的反弹现象、基体的变形以及碰撞过程中基体势能和团簇运动轨迹的关系等进行了有关研究。(a)(b)图8.LJ团簇冲击单晶硅基体的过程(a)t=0fs(b)t=10000fs陈入领ADDINNE.Ref.{A7687A8A-A7B3-4B9F-BEC6-D5B62714AB34}[26,27]采用分子动力学模拟办法研究二氧化硅团簇与硅基体之间在干、湿碰撞过程中的作用机制（见图9）。通过碰撞过程的仿真分析，揭示超精密表面加工中纳米颗粒的作用机理，从原子尺度进一步探索超精密表面加工技术的材料去除机理，为进一步提高超精密表面加工水平提供理论指导。(a)(b)图9.5184-团簇在2500m/s和0°冲击后基体损伤图(a)干碰撞ChagarovADDINNE.Ref.{0005B6E4-2462-421F-AA9A-72B5D1837D4C}[28]等人运用MD模拟了CMP中材料去除过程，分析了抛光速度和团簇的尺寸大小对去除材料的影响，见图10。这个模型模拟了CMP抛光硅片时，硅片被氧化为二氧化硅后材料去除过程，考虑了硅片表面的氧化层和二氧化硅的抛光粒子之间的作用，认为二氧化硅磨粒在碰撞过程中沉积在硅片表面，形成了相对平整的表面。图10.二氧化硅团簇划过氧化后的硅基体的过程图11.Han模拟的不同颗粒半径的材料去除过程HanADDINNE.Ref.{1B3F3D44-D003-468A-BF3B-C27030CBA7A6}[29,30]等人研究了化学机械抛光过程中硅材料的材料去除机理，认为硅材料以塑性去除方式进行材料去除。材料的塑性去除方式造成了CMP后的光滑表面，见图11。2.2.2CMP过程中化学作用仿真研究YamauchiADDINNE.Ref.{52EA6E12-0127-41A1-A212-1AEDFE40B551}[31]等人通过第一性原理办法模拟了EEM中材料去除过程，研究表明，EEM确实存在通过二氧化硅团簇和硅表面的化学作用实现材料去除的可能性，见图12。图12.第一性原理办法下的EEM中原子转移的仿真(a)初始状态(b)氢键结合(c)硅烷形成(d)硅表面原子脱离RajendranADDINNE.Ref.{1A99FAC6-0FA7-4856-BEE4-ABCC93BFEE80}[32]等人运用TBMD（Tight-BindingMolecularDynamicsSimulation,TBMD）分析了CeO2颗粒抛光SiO2表面的去除机理（图13），讨论了抛光过程中原子间键长和电荷的变化。但由于TBMD办法本身的局限性，和第一性原理办法同样，它们仿真的系综规模都很小，普通都在1000个粒子下列。图13.CeO2颗粒对SiO2表面的CMP模拟YokosukaADDINNE.Ref.{C3C62E73-FF0A-4BB3-9997-0053E5ADE543}[33,34]采用紧束缚势的办法研究了化学机械抛光过程中铜表面的氧化过程（见图14），此模拟采用双氧水作为抛光液。分别研究了溶液PH值和铜的miller平面对于铜氧化过程的影响。研究成果发现：抛光液的PH值明显影响铜的氧化过程，同时铜的氧化过程与铜的miller平面亲密有关。图14.Yokosuka研究的三种系统：（a）铜（100）面，水与双氧水比值13：1；（b）铜（100）面，水与双氧水比值13：4；（c）铜（111）面，水与双氧水比值13：4在常见的工艺参数下，根据接触理论分析的到的芯片表面磨粒的压入深度靠近0.1nm。对于这类处在原子，分子状态的材料去除特性，用持续介质力学来描述不是十分适宜。Zhao等人提出了非持续介质力学来描述不适宜，现在多采用原子/分子去除机理来建模。总而言之，随着磨粒直径的减小，CMP材料原子/分子去除机理的研究将日趋合理。现在基于原子/分子的去除机理模型的研究还处在刚刚起步的阶段，研究极少，并且现有的研究还处在定性研究，无法精拟定量预测CMP的材料去除率。并且化学作用对材料去除机理的研究尚有待进一步。从上述的讨论我们总结出现在CMP研究的两个大的趋势。首先，现在的CMP研究多是从原子/分子量级的去除机理出发进行研究，由于颗粒在材料中的压入深度在亚纳米量级，我们进行了分子动力学的研究，发现在此压入深度下，材料的去除呈现单分子层的去除，得到的表面没有划痕等缺点与实际过程十分符合。基于此我们提出了单分子层的去除机理。另首先，现在越来越多的学者认识到CMP过程的去除是化学作用与机械作用结合的作用，因此多重视化学与机械协同作用的研究。因此谋求化学与机械作用协同作用解决办法变得日益重要。ADDINNE.Bib参考文献1. 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