Введение

Техника полировки, используемая при производстве полупроводников. Химико-механическая полировка (ХМП) (также называемая химико-механической планарной полировкой) – это процесс сглаживания поверхностей посредством сочетания химических и механических воздействий. Её можно рассматривать как гибрид химического травления и свободной абразивной полировки. Она применяется в полупроводниковой промышленности для полировки полупроводниковых пластин как часть процесса изготовления интегральных схем.

Описание

В процессе используется абразивная и коррозионная химическая суспензия (обычно коллоид) в сочетании с полировочным кругом и удерживающим кольцом, как правило, большего диаметра, чем подложка. Круг и подложка прижимаются друг к другу динамической полировочной головкой и фиксируются пластиковым удерживающим кольцом. Динамическая полировочная головка вращается вокруг различных осей (то есть неконцентрически). Это удаляет материал и способствует выравниванию неровностей поверхности, делая подложку плоской или планарной. Это может потребоваться для подготовки подложки к формированию дополнительных элементов схемы. Например, CMP позволяет привести всю поверхность в пределах глубины резкости фотолитографической системы или выборочно удалять материал в зависимости от его расположения. Типичные требования к глубине резкости для новейшей 22-нм технологии достигают уровня ангстрем.

Физические действия

Типичные инструменты CMP, такие как те, что показаны справа, состоят из вращающейся чрезвычайно плоской пластины, покрытой полировальным элементом (падом). Полируемая пластина устанавливается перевернутой в держатель/шпиндель на подложку. Удерживающее кольцо (рисунок 1) фиксирует пластину в правильном горизонтальном положении. Во время загрузки и выгрузки пластины держатель удерживает ее вакуумом, чтобы предотвратить осаждение нежелательных частиц на поверхности пластины. Механизм подачи суспензии (шлама) дозирует суспензию на пад, что показано на рисунке 1 как подача суспензии. Затем пластина и держатель вращаются, а держатель совершает колебательные движения; это лучше видно на виде сверху на рисунке 2. На держатель прикладывается давление вниз (усилие прижима), прижимающее его к поду. Обычно это среднее усилие, но для механизмов удаления требуется локальное давление. Усилие прижима зависит от площади контакта, которая, в свою очередь, определяется структурой как пластины, так и пада. Обычно пады имеют шероховатость 50 мкм; контакт происходит по неровностям (асперциям), которые обычно являются высшими точками на пластине, и в результате площадь контакта составляет лишь часть площади пластины. При CMP также необходимо учитывать механические свойства самой пластины. Если пластина имеет небольшую выпуклость, давление на края будет больше, чем в центре, что приводит к неравномерной полировке. Для компенсации выпуклости пластины можно приложить давление к ее обратной стороне, что выровняет разницу между центром и краями. Пады, используемые в инструменте CMP, должны быть достаточно жесткими для равномерной полировки поверхности пластины. Однако эти жесткие пады должны постоянно поддерживать выравнивание с пластиной. Поэтому реальные пады часто представляют собой слои из мягких и твердых материалов, которые в определенной степени соответствуют топографии пластины. Обычно эти пады изготавливаются из пористых полимерных материалов с размером пор от 30 до 50 мкм, и поскольку они изнашиваются в процессе, их необходимо регулярно восстанавливать. В большинстве случаев пады являются запатентованной продукцией и обычно обозначаются торговыми названиями, а не химическими или другими характеристиками.

Химическое действие

Химико-механическая полировка или планарная шлифовка — это процесс сглаживания поверхностей, основанный на сочетании химических и механических воздействий. Его можно рассматривать как гибрид химического травления и свободной абразивной полировки.

Использование в производстве полупроводников

До примерно 1990 года CMP считался слишком "грязным" для использования в высокоточных технологических процессах, поскольку абразивное воздействие склонно к образованию частиц, а сами абразивы не лишены примесей. С тех пор в индустрии интегральных схем произошел переход от алюминиевых к медным проводникам. Это потребовало разработки аддитивного формирования рисунка, который опирается на уникальные возможности CMP по удалению материала плоскостно и равномерно, а также по повторяемому прекращению процесса на границе между медью и диэлектрическими слоями оксидов (см. раздел "Медные соединения" для получения подробной информации). Внедрение этого процесса значительно расширило область применения обработки CMP. Помимо алюминия и меди, процессы CMP были разработаны для полировки вольфрама, диоксида кремния и, в последнее время, углеродных нанотрубок.

Ограничения

В настоящее время существует несколько ограничений технологии CMP, проявляющихся в процессе полировки и требующих оптимизации. В частности, необходимо улучшение контроля качества пластин. Кроме того, было выявлено несколько потенциальных дефектов процесса CMP, включая образование трещин от напряжения, расслоение на слабых границах раздела и коррозионное воздействие химических веществ из полировальной суспензии. Процесс полировки оксида, являющийся старейшим и наиболее распространенным в современной промышленности, имеет одну проблему: отсутствие четкой точки завершения требует полировки "вслепую", что затрудняет определение момента удаления необходимого количества материала или достижения требуемой степени выравнивания поверхности. Если оксидный слой недостаточно истончен и/или желаемая степень плоскостности не достигнута в ходе этого процесса, то (теоретически) пластину можно переполировать, однако на практике это нежелательно в производственном процессе и следует избегать по возможности. Если толщина оксида слишком мала или слишком неоднородна, то пластину необходимо подвергать переработке, что является еще менее предпочтительным вариантом и может привести к браку. Очевидно, что этот метод отнимает много времени и средств, поскольку требует повышенного внимания со стороны операторов.

Применение

Изоляция в неглубоких траншеях (STI) – это процесс, используемый при производстве полупроводниковых приборов, представляющий собой технику для улучшения изоляции между приборами и активными областями. Более того, STI обеспечивает более высокую степень плоскостности, что делает его важным для фотолитографических применений и увеличения глубины резкости за счет уменьшения минимальной ширины линии. Для выравнивания неглубоких траншей обычно используется такой метод, как комбинация обратного травления резиста (REB) и химико-механической полировки (CMP). Этот процесс выполняется в следующей последовательности: сначала рисунок изоляционной траншеи переносится на кремниевую пластину. Оксид осаждается на пластине в форме траншей. На вершину этого жертвенного оксида наносится фотомаска, состоящая из нитрида кремния. К пластине добавляется второй слой для создания плоской поверхности. Затем кремний подвергается термическому окислению, в результате чего оксид растет в областях, не покрытых Si3N4, достигая толщины от 0,5 до 1,0 мкм. Поскольку окисляющие агенты, такие как вода или кислород, не могут диффундировать через маску, нитрид предотвращает окисление. Далее используется процесс травления для удаления материала пластины и оставления небольшого количества оксида в активных областях. В заключение, CMP применяется для полировки избыточного слоя SiO2 с оксидом в активной области.