化學機械研磨的微觀機制探討

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林明智(Ming-Zhe Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

化學工程與材料工程學系

論文名稱

化學機械研磨的微觀機制探討

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摘要(中)

化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)是目前唯一能提供積體電路全面平坦化(Global Planarization)製程的技術。研磨過程中介電層(二氧化矽晶片)的去除機制，包括了《化學反應》與《機械應力》的作用。由於影響因素繁多，我們對微觀機制的瞭解，仍徘徊在半經驗的機械磨耗觀點。而研磨過程中，化學機制所扮演的角色，依舊曖昧不明。本實驗的目的即在探討CMP中，化學與機械的微觀機制。實驗過程中，我們由自製的CMP機台，進行影響機制的探討。
一般以為化學作用是研磨液(Slurry)與介電層(Dielectric Layer)發生反應導致介電層表面軟化，爾後透過研磨粒子(Abrasive)以機械磨耗除去軟化表層。依據該模式，化學反應是速率決定步驟。因此我們進行二氧化矽晶圓的溶解實驗，發現溶解速率僅約16~70 (A/day)。上述模式並無法解釋實際CMP製程中，每分鐘1000 A以上的研磨去除率(Removal Rate)。
過去以為機械磨耗效果來自研磨墊與研磨粒子。在不加入研磨粒子的條件下，我們以三種硬度不同的研磨墊(Pad) (螺縈(Rayon)、鐵氟龍(PTFE)和玻璃(Glass))進行研磨程序。結果顯示不同硬度的螺縈與鐵氟龍材質，研磨去除率皆與單純化學靜置溶解速率相近。然而以SiO2為材質的玻璃研磨墊，其研磨去除率效果顯著。
加入研磨粒子(二氧化矽粉體)的研磨，其研磨去除率是靜置溶解速率的100倍以上。顯然研磨粒子在研磨過程中扮演舉足輕重的角色。此外實驗發現二氧化矽研磨粒子必須在鹼性環境下，才產生研磨效果。此結果與玻璃的研磨墊的結果相同。但改採氧化鋁與氧化鈦為研磨粒子時，則在酸性和鹼性環境都具有研磨效果。
在以水為溶劑的研磨液中，氧化鋁與氧化鈦都具良好的去除效果，但在以乙醇為溶劑的研磨液中，則不發生研磨作用；在油性的正癸烷中，二氧化矽與氧化鋁可產生研磨效果，而氧化鈦卻不具研磨作用。故研磨液中溶劑的成分影響研磨的產生與否。
當在研磨液中加入水溶性的SDS、TRITON、及CTAB或油溶性的AOT界面活性劑。界劑與晶片及研磨粒子表面電荷的作用，會導致不同的研磨結果：帶正電的CTAB界劑抑制研磨粒子的研磨作用；中性的TRITON界劑並不影響粒子的研磨效用；帶負電的SDS界劑則抑制氧化鋁研磨粒子在酸性研磨液的研磨作用。故晶片與研磨粒子間的表面化學作用(或特性)會顯著影響研磨去除速率。
我們推測可能的二氧化矽晶片的微觀去除模型有二：潤滑模型及研磨粒子吸附反應模型。兩者皆可合理地解釋文獻與我們的實驗結果。

關鍵字(中)

★ 化學機械研磨

關鍵字(英)

★ Chemical mechanical polishing

論文目次

目錄
中文摘要………………………………………………………………..Ⅰ
目錄……………………………………………………………………..Ⅲ
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅴ
表目錄…………………………………………………………………..Ⅵ
第一章序論……………………………………………………………..1
1-1研究背景………………………………………………………..1
1-1.1低電阻率金屬…………………………………………...4
1-1.2 低介電係數材料………………………………………..5
1-1.3 多層金屬內連線………………………………………..6
1-2 平坦化………………………………………………………….8
1-3 化學機械研磨………………………………………………...10
1-4 研究動機……………………………………………………...14
第二章文獻回顧………………………………………………………16
2-1機械研磨的模式………………………………………………18
2-2 化學機械研磨去除率方程式………………………………...19
2-3 機械影響因素………………………………………………...22
2-4 化學影響因素………………………………………………...24
2-4.1 粒子的表面電位狀態…………………………………24
2-4.2 研磨粒子和晶片間的鍵結反應………………………25
2-4.3 水合層的形成…………………………………………25
2-4.4 水分子的作用…………………………………………25
2-4.5 研磨液pH值的影響…………………………………..26
2-5 二氧化矽的微觀去除模型…………………………………...28
2-5.1純粹機械刮除模型…………………………………….28
2-5.2 化學軟化-機械刮除模型……………………………..30
2-5.3 化學鍵結反應模型……………………………………31
第三章實驗裝置與方法………………………………………………34
3-1 實驗目的與構想……………………………………………...34
3-1.1化學機械研磨機台…………………………………….36
3-2 實驗材料與藥品……………………………………………...39
3-3 實驗儀器設備………………………………………………...42
3-4 藥品配製……………………………………………………...43
3-5實驗步驟………………………………………………………45
3-6 儀器原理簡介………………………………………………...49
3-6.1 橢圓測厚儀……………………………………………49
3-6.2 ζ電位儀………………………………………………51
3-6.3 雷射粒徑分析儀………………………………………52
第四章結果與討論……………………………………………………53
4-1 二氧化矽晶片的溶解速率…………………………………...53
4-1.1 pH值的影響…………………………………………...55
4-1.2 溫度的影響……………………………………………56
4-2 研磨墊的影響………………………………………………...57
4-3 流場的影響…………………………………………………...58
4-4 研磨粒子的影響……………………………………………...59
4-5 研磨溶劑的影響……………………………………………...60
4-6 界面活性劑的影響…………………………………………...62
4-7 研磨轉速的改變……………………………………………...64
4-8 二氧化矽晶片的微觀去除程序……………………………...65
4-9未來研究方向…………………………………………………67
第五章結論……………………………………………………………68
第六章參考文獻………………………………………………………69
第七章附錄……………………………………………………………72

參考文獻

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41.莊達仁,"VLSI 製造技術", 高立圖書有限公司, 1998

指導教授

曹恆光(Heng-Kwong Tsao)

審核日期

2000-6-27

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