Теория процессов. Процесс химико-механической планаризации. Средства технологического оснащения

1 Теория процессов

1.1 Процессы химико-механической планаризации

1.1.1 Введение

Процесс химико-механической планаризации (ХМП) заключается в сглаживании рельефа на поверхности кремниевой пластины вследствие воздействия на выступающие участки поверхности функционального слоя химической компоненты и абразивных частиц суспензии, приводящем к окислительно-восстановительным реакциям и механическому удалению продуктов реакции из зоны обработки.

Основными факторами, влияющими на качество и производительность ХМП, являются выбор схемы движения шпинделя и полирующей головки, скорости их перемещения, давление в зоне обработки, свойства обрабатываемой поверхности, тип полирующей подушки, состав суспензии, расход суспензии и деионизованной воды, способ определения момента окончания процесса.

В настоящее время не существует единой стройной теории, описывающей процессы ХМП, однако,  предприняты попытки теоретического описания некоторых процессов, протекающих в зоне обработки [1]. Несмотря на то, что выбор технологических режимов носит, в основном, эмпирический характер, знание закономерностей позволяет упростить и оптимизировать разработку технологического процесса ХМП.

1.1.2 Характеристики процесса химико-механической планаризации

В [1] определены следующие характеристики (выходные параметры) процесса химико-механической планаризации (ХМП): скорость полирования, скорость полирования нижележащих пленок, скорость планаризации, качество поверхности, повреждения поверхности.

1.1.2.1 Скорость полирования

Единицы измерения – нм/мин либо мкм/мин. Скорость полирования – это толщина пленки, удаленная за единицу времени. Более высокие скорости полирования способствуют сокращению времени процесса ХМП и, с этой точки зрения, предпочтительны. Однако, если скорость полирования очень высока, процесс трудно контролировать. Отметим, что скорость полирования пластин с перфорированными пленками может быть существенно выше, чем  пластин с гладкой поверхностью. Этот эффект связан со снижением площади контакта рельефной поверхности с полирующей подушкой.

1.1.2.2 Скорость полирования нижележащих пленок

Отношение скорости полирования планаризируемого слоя к скорости полирования нижележащей пленки определяет селективность процесса. При полировании металла  низкая скорость полирования межслойного диэлектрика (МСД) желательна для предотвращения его утонения на стадии переполирования. Высокая селективность по отношению к подслою (тонкой пленке между металлом и МСД, используемой для повышения адгезии либо предотвращении диффузии металла  в МСД может компенсировать низкую селективность к МСД. Однако, более предпочтительной ситуацией является высокая селективность к МСД и низкая селективность к подслою. В этом случае подслой может быть удален в процессе основной стадии ХМП без необходимости последующей стадии обработки.

1.1.2.3 Скорость планаризации

Этот параметр определяет время, необходимое для уменьшения рельефа поверхности пластины до желаемого уровня. При ХМП окисла или других МСД, поскольку конечная цель  планаризации поверхности не есть просто удаление материала, скорость планаризации является такой же важной характеристикой, как и скорость полирования.

1.1.2.4 Зависимость от размера элемента 

Такая зависимость результатов планаризации замечена при полировании металла, нанесенного на рельефный, для межсоединений и канавок, МСД [2]. Наблюдается  влияние размера элемента на скорость полирования, скорость планаризации, степень повреждения поверхности и края ступеньки. При планаризации ряда структур, в частности, межсоединений на основе Cu, осажденного в окна W, диэлектрика, осажденного на Al после его травления, зависимость от размера элемента должна быть минимизирована. Эту зависимость можно уменьшить путем регулирования  ряда входных параметров. Вязкость и упругость полирующей подушки, скорость ее перемещения, нагрузка, размер и концентрация абразива, кривизна пластины являются важными переменными, влияющими на зависимость от размера элемента.

1.1.2.5 Качество поверхности

Влияет на выход годных и надежность межсоединений. Шероховатая поверхность пленки МСД способствует снижению напряжения пробоя и высоким утечкам. Шероховатая поверхность металлической пленки больше подвержена коррозии и электромиграции. Шероховатость минимизируется путем балансирования между химической и механической компонентами процесса ХМП. Высокая плотность частиц на обработанной поверхности приводит к снижению выхода годных. Плотность частиц может быть снижена эффективной очисткой пластин после полирования и выбором состава суспензии. Высокая степень коррозионной стойкости металлических пленок необходима для обеспечения надежности межсоединений. Это свойство обеспечивается формированием пассивирующей пленки на поверхности металла непосредственно после операции ХМП.

1.1.2.6 Повреждение поверхности