Химико-механическая полировка ( ХМП ) (также называемая химико-механической планаризацией ) — это процесс сглаживания поверхностей с помощью комбинации химических и механических сил. Его можно рассматривать как гибрид химического травления и свободной абразивной полировки. [1] Он используется в полупроводниковой промышленности для полировки полупроводниковых пластин в рамках процесса производства интегральных схем. [2]
В процессе используется абразивная и едкая химическая суспензия (обычно коллоид ) в сочетании с полировальной подушкой и удерживающим кольцом, обычно большего диаметра, чем пластина. Подушка и пластина прижимаются друг к другу динамической полировальной головкой и удерживаются на месте пластиковым удерживающим кольцом. Динамическая полировальная головка вращается с разными осями вращения (т. е. не концентрическими). Это удаляет материал и имеет тенденцию выравнивать любую нерегулярную топографию , делая пластину плоской или планарной. Это может быть необходимо для настройки пластины для формирования дополнительных элементов схемы. Например, CMP может привести всю поверхность в глубину резкости фотолитографической системы или выборочно удалить материал в зависимости от его положения. Типичные требования к глубине резкости снижаются до уровней Ангстрема для новейшей технологии 22 нм .
Типичные инструменты CMP, такие как те, что показаны справа, состоят из вращения чрезвычайно плоской пластины, которая покрыта подложкой. Пластина, которая полируется, устанавливается вверх дном в носителе/шпинделе на подложке. Удерживающее кольцо (рисунок 1) удерживает пластину в правильном горизонтальном положении. Во время процесса загрузки и выгрузки пластины на инструмент пластина удерживается вакуумом носителем, чтобы предотвратить накопление нежелательных частиц на поверхности пластины. Механизм ввода суспензии наносит суспензию на подложку, представленную подачей суспензии на рисунке 1. Затем и пластина, и носитель вращаются, и носитель продолжает колебаться; это можно лучше увидеть на виде сверху на рисунке 2. К носителю прикладывается направленное вниз давление/сила вниз, прижимая его к подложке; обычно сила вниз является средней силой, но для механизмов удаления необходимо локальное давление. Сила прижима зависит от площади контакта, которая, в свою очередь, зависит от структуры как пластины, так и площадки. Обычно площадки имеют шероховатость 50 мкм; контакт осуществляется за счет неровностей (которые обычно являются высокими точками на пластине), и, как следствие, площадь контакта составляет лишь часть площади пластины. В CMP необходимо также учитывать механические свойства самой пластины. Если пластина имеет слегка изогнутую структуру, давление на края будет больше, чем в центре, что приводит к неравномерной полировке. Чтобы компенсировать изгиб пластины, можно приложить давление к задней стороне пластины, что, в свою очередь, выровняет разницу между центром и краем. Прокладки, используемые в инструменте CMP, должны быть жесткими, чтобы равномерно полировать поверхность пластины. Однако эти жесткие прокладки должны постоянно находиться на одной линии с пластиной. Поэтому реальные площадки часто представляют собой просто стопки мягких и твердых материалов, которые в некоторой степени соответствуют топографии пластины. Обычно эти площадки изготавливаются из пористых полимерных материалов с размером пор от 30 до 50 мкм, и поскольку они расходуются в процессе, их необходимо регулярно восстанавливать. В большинстве случаев площадки являются в значительной степени запатентованными и обычно упоминаются по их торговым маркам, а не по их химическим или другим свойствам.
Химико-механическая полировка или планаризация — это процесс сглаживания поверхностей с помощью комбинации химических и механических сил. Его можно рассматривать как гибрид химического травления и свободной абразивной полировки.
До 1990 года CMP считался слишком «грязным» для включения в высокоточные производственные процессы, поскольку абразивный износ приводит к образованию частиц, а сами абразивы не лишены примесей. С тех пор индустрия интегральных схем перешла от алюминиевых к медным проводникам. Это потребовало разработки аддитивного процесса формирования рисунка , который опирается на уникальные способности CMP удалять материал планарным и равномерным образом и останавливаться на границе раздела между медными и оксидными изоляционными слоями (подробнее см. в разделе Медные межсоединения ). Внедрение этого процесса сделало обработку CMP гораздо более распространенной. Помимо алюминия и меди, процессы CMP были разработаны для полировки вольфрама, диоксида кремния и (недавно) углеродных нанотрубок. [3]
В настоящее время существует несколько ограничений CMP, которые проявляются в процессе полировки, требуя оптимизации новой технологии. В частности, требуется улучшение метрологии пластин. Кроме того, было обнаружено, что процесс CMP имеет несколько потенциальных дефектов, включая растрескивание под напряжением , расслоение на слабых интерфейсах и коррозионное воздействие химикатов суспензии . Процесс полировки оксида, который является самым старым и наиболее используемым в современной промышленности, имеет одну проблему: отсутствие конечных точек требует слепой полировки, что затрудняет определение того, когда было удалено желаемое количество материала или была получена желаемая степень планаризации. Если оксидный слой не был достаточно истончен и/или желаемая степень планарности не была достигнута в ходе этого процесса, то (теоретически) пластину можно переполировать, но в практическом смысле это непривлекательно в производстве и его следует избегать, если это вообще возможно. Если толщина оксида слишком мала или слишком неравномерна, то пластину необходимо переработать, что является еще менее привлекательным процессом и, скорее всего, приведет к неудаче. Очевидно, что этот метод требует много времени и затрат, поскольку специалисты должны быть более внимательны при выполнении этого процесса.
Изоляция неглубоких канавок (STI), процесс, используемый для изготовления полупроводниковых приборов, представляет собой технологию, используемую для улучшения изоляции между приборами и активными областями. Более того, STI имеет более высокую степень планарности, что делает его необходимым в фотолитографических приложениях, глубине фокуса бюджета за счет уменьшения минимальной ширины линии. Для планаризации неглубоких канавок следует использовать распространенный метод, такой как сочетание резистивного травления (REB) и химико-механической полировки (CMP). Этот процесс происходит в последовательности, как указано ниже. Сначала рисунок изолирующей канавки переносится на кремниевую пластину. Оксид осаждается на пластину в форме канавок. Фотошаблон, состоящий из нитрида кремния , наносится поверх этого жертвенного оксида. Второй слой добавляется к пластине для создания плоской поверхности. После этого кремний термически окисляется, поэтому оксид растет в областях, где нет Si 3 N 4 , и рост составляет от 0,5 до 1,0 мкм. Поскольку окисляющие вещества, такие как вода или кислород, не могут диффундировать через маску, нитрид предотвращает окисление. Затем используется процесс травления, чтобы протравить пластину и оставить небольшое количество оксида в активных областях. В конце используется CMP для полировки слоя SiO 2 с оксидом на активной области.