晶圆和磨削垫在化学机械抛光中多尺度表面拓扑形状的演化规律及应用研究

Chemical Mechanical Polishing (CMP) has been widely used in integrated circuit (IC) manufacturing. Wafer surface topography after CMP has become a serious problem because it might cause integration, yield, and manufacturing problem. Based on the spectral analysis and contact mechanics method, contact area and contact pressure between the pad from high area contact to contact completely with wafer topography will be calculated. Contact pressure distribution when pad contacts wafer topography of TSV will be given. Contact pressure distribution among pad-slurry-wafer will be sdtudied.Material removal rate nonuniformity caused by chemical reaction, mechanical tribology and wear and electrochemical passivation will be studied. Combined with the influence of material property of pad on removal rate nonuniformity, a model for multi-scale wafer topography evolution during CMP will be established. The effects of polishing time on the parameters of the polishing process in the CMP linear system will be investigated. In order to improve the agreement between the model and the experimental literature, a linear system model with parameters changed with polishing time will be established. Based on the model proposed above, the effects of polishing parameters on the evolution process of wafer topography will be studied; a method to optimize the polishing parameters of TSV topograghy will be given. This research project belongs to basic research area in IC manufacturing industry.

化学机械抛光在大规模集成电路制造的整个加工工序中占有重要地位，化学机械抛光后的晶圆表面拓扑形状为后续加工和元件尺寸缩小带来困难，本项目结合信号频谱分析技术和接触力学理论，提出晶圆与磨削垫从非全接触过渡到全接触时接触面积和接触压强的计算模型，给出高深宽比硅通孔(TSV)的表面拓扑形状接触压强的计算方法；研究磨削垫-磨削液-晶圆形状之间的接触压强变化规律，以及化学反应、机械摩擦磨损和电化学钝化对磨削率非均匀性的影响，结合抛光垫材料特性等因素，拟建立多尺度分模内和晶圆内磨削率非均匀性的理论模型；研究磨削参数随时间变化对磨削率非均匀性的模型的影响规律与机理，拟建立时变参数的线性系统模型；分析不同参数下晶圆表面拓扑形状演化过程，提出具有高深宽比硅通孔的晶圆表面的形状能够获得理想平坦表面的最优参数的理论模型。该研究属于技术科学的基础性研究，是IC制造业研究的国际前沿。

边界过磨削(Edge over Erosion)长期以来困扰着大规模集成电路制造业。它是指在某些化学机械抛光（CMP）的过程中，晶圆表面特征图形(pattern)边界上的磨削量远远超出其它地方的一种现象。边界过磨削会给集成电路的生产制造带来很大的困难和挑战，因此边界过磨削产生的原因以及如何避免就成为科技界和工业界关心和研究的问题。在本项目的工作中，主要研究了边界过磨削产生的原因以及如何避免的方法。. 首先，在仅考虑了一种特征图形(pattern)的情况下，用我们以往提出的化学机械抛光的频谱叠加法模型，首次模拟出了边界过磨削在化学机械抛光中的演化过程，与实验数据进行了对比，并给出了如何减小和消除边界过磨削的方法。. 其次，研究了有多个晶圆表面特征图形(pattern) 排列组合的情况，对特征图形的排列方式对CMP磨削过程的影响进行详细的分析。利用小波将初始表面形状分解成了不同的分解信号，发现不论是在一种材料还是在两种材料的磨削过程中，晶圆表面磨削形状都可以通过分解信号叠加获得。而且晶圆表面不同面积的拓扑图形演化主要由其分解信号的磨削过程及其磨削率函数决定。因此影响边界过磨削的主要因素是影响该部分图形演化的分解信号及其磨削率函数。. 最后，几乎所有的两种材料磨削时的初始表面形状都可以分解成带有不同高度和宽度的两种类型的台阶。研究了这两种分解信号在不同磨削情况下的演化规律，以及会发生边界过磨削的情形以及引起边界过磨削的机理，从而为预测边界过磨削的大小和宽度提供依据。. 通过这些研究，能够对晶圆表面特征图形进行合理的排列组合提供理论依据，使得其在化学机械抛光(CMP)中能够获得期望的加工过程以及最终得到比较理想的表面拓扑图形，从而减少和避免边界过磨削的发生，以及降低边界过磨削的大小和宽度。