化学机械平坦化后清洗对超低k介质材料影响的理论研究

This project is to focus on the Problem that the post-CMP cleaning process caused seriously effect on K value, leakage current and atomic structure of ultra-low k dielectric material for copper wiring, to study the dynamic and thermodynamic mechanism of the post CMP cleaning process for ultra-low k dielectric materials under the influence of mechanical action. Comparing with the tetramethylammonium hydroxide, it will research the dynamic and thermodynamic mechanism of the reaction between novel alkaline complex cleaning agent and ultra-low k dielectric material. Based on the theory of potential energy surface in transition state, it will establish the relationship of the first derivative of atomic potential energy and K value as well as leakage current change by time; Establish transformation function of mechanical kinetic energy to chemical energy. Using support vector machine to establish the mechanism model of the effect of K value and leakage current on the ultra-low k dielectric structure by friction and corrosion. It reflects the mechanical effect of the alkaline cleaning agent on ultra-low k dielectric materials, and it is the theoretical foundation for post-CMP cleaning of ultra-low k dielectric material on Copper interconnect.

针对化学机械平坦化（CMP）后清洗过程对铜布线超低k介质材料的结构产生严重影响从而影响到器件的k值和漏电流进而影响器件稳定性的问题，本项目研究清洗过程中机械作用影响下清洗剂对超低k介质材料的动力学热力学反应机制及构建材料物理结构模型。首先采用络合胺化路线选取新型碱性清洗剂关键组分，该组分可以络合金属离子以减小漏电流，将新型碱性清洗剂与通用的四甲基氢氧化铵进行对比，研究碱性清洗剂对超低k介质材料的动力学及热力学反应机制；以过渡态理论中势能面理论为基础，研究建立超低k介质材料物理结构模型；研究建立机械动能与热能转化函数关系式，利用支持向量机构建CMP后清洗机械作用和化学作用对超低k介质结构和k值的影响的机理模型。该模型体现了机械作用影响下碱性清洗剂在清洗过程中对低k介质材料的影响，该模型为指导铜布线超低k介质材料CMP后清洗打下了理论基础。

针对化学机械平坦化（CMP）后清洗过程对铜布线超低k介质材料的结构产生影响，本项目研究清洗过程中机械作用影响下清洗剂对超低k介质材料的动力学热力学反应机制及构建材料物理结构模型。首先根据络合胺化路线，研究碱性低k介质清洗剂，选取具有络合或螯合作用的碱性清洗剂组分，能够有效地去除抛光后的残余有机物及颗粒污染； 项目开展了CMP后清洗工艺实验研究，包括工艺中各个参数对k值的影响以及对表面颗粒残留、有机物等清洗效果的影响的实验研究，多层铜布线CMP 后清洗机械作用和化学作用对超低k 介质结构以及k 值影响，从而用于指导清洗过程的机械及化学作用设定使其适用于超低k 介质材料的清洗：结果表明，PVA刷子间距、去离子水刷洗时间、清洗液刷洗时间与刷子转速等参数都对k值有规律性影响，因此可以通过优化清洗工艺能提高低k介质材料的清洗效果，使表面粗糙度及k值的变化可控，基于以上实验结论，得到了适用于低k介质材料的清洗方案。在实验过程中，从热力学及动力学角度，研究了低k介质材料碱性清洗工艺技术机械作用对k值的影响，并研究了碱性清洗剂与超低k 介质材料化学反应机制；通过建立并优化三原子结构模型，研究了碱性清洗剂对超低k 介质材料孔隙结构的影响，通过计算得到的三原子模型的势能曲线和势能面，发现低k介质材料结构本身相对较稳定，总能量较低。从分子动力学角度，研究了碱性清洗剂对超低k 介质材料原子间结构的影响，分析超低k 介质多孔材料各元素与碱性清洗剂的反应机制。结果表明，低K介质材料结构稳定，材料原子间结构不会轻易被清洗剂分子和水分子破坏，k值的影响主要是孔隙吸附水基溶液中的分子造成。BD多孔介质材料对碱性清洗剂中的螯合剂成分具有“抗药性”，因此清洗剂中螯合剂与活性剂的复配比例优化可使清洗剂在不破坏BD介质材料本身结构的前提下，起到去除表面沾污的作用。