Polissage mécano-chimique - Chemical-mechanical polishing

Le polissage mécano-chimique (CMP) ou planarisation est un processus de lissage des surfaces avec la combinaison de forces chimiques et mécaniques. Il peut être considéré comme un hybride de gravure chimique et de polissage abrasif libre .

La description

Principe de fonctionnement du CMP

Le procédé utilise une suspension chimique abrasive et corrosive (généralement un colloïde ) en conjonction avec un tampon de polissage et une bague de retenue, typiquement d'un diamètre plus grand que la tranche. Le tampon et la plaquette sont pressés ensemble par une tête de polissage dynamique et maintenus en place par une bague de retenue en plastique. La tête de polissage dynamique est tournée avec différents axes de rotation (c'est-à-dire non concentriques ). Cela enlève de la matière et tend à uniformiser toute topographie irrégulière , rendant la plaquette plate ou plane. Cela peut être nécessaire pour configurer la plaquette pour la formation d'éléments de circuit supplémentaires. Par exemple, le CMP peut amener la surface entière dans la profondeur de champ d'un système de photolithographie , ou retirer sélectivement du matériau en fonction de sa position. Les exigences typiques de profondeur de champ sont descendues aux niveaux d' Angström pour la dernière technologie 22 nm.

Principes de travail

Action physique

Les outils CMP typiques, tels que ceux vus à droite, consistent en une plaque tournante et extrêmement plate qui est recouverte par un tampon. La plaquette qui est polie est montée à l'envers dans un support / axe sur un film de support. La bague de retenue (Figure 1) maintient la plaquette dans la bonne position horizontale. Pendant le processus de chargement et de déchargement de la plaquette sur l'outil, la plaquette est maintenue sous vide par le support pour empêcher les particules indésirables de s'accumuler sur la surface de la plaquette. Un mécanisme d'introduction de suspension dépose la suspension sur le tampon, représenté par l'alimentation en suspension sur la figure 1. La plaque et le support sont ensuite mis en rotation et le support est maintenu en oscillation; ceci peut être mieux vu sur la vue de dessus de la figure 2. Une pression vers le bas / une force vers le bas est appliquée au support, le poussant contre le tampon; typiquement, la force descendante est une force moyenne, mais une pression locale est nécessaire pour les mécanismes de retrait. La force descendante dépend de la zone de contact qui, à son tour, dépend des structures à la fois de la tranche et du tampon. Typiquement, les plots ont une rugosité de 50 µm; le contact est réalisé par des aspérités (qui sont typiquement les points hauts sur la tranche) et, par conséquent, la zone de contact n'est qu'une fraction de la zone de la tranche. En CMP, les propriétés mécaniques de la plaquette elle-même doivent également être prises en compte. Si la plaquette a une structure légèrement courbée, la pression sera plus importante sur les bords qu'elle ne le ferait sur le centre, ce qui provoque un polissage non uniforme. Afin de compenser la courbure de la tranche, une pression peut être appliquée à l'arrière de la tranche qui, à son tour, égalisera les différences de bord central. Les tampons utilisés dans l'outil CMP doivent être rigides afin de polir uniformément la surface de la tranche. Cependant, ces tampons rigides doivent être maintenus en alignement avec la plaquette à tout moment. Par conséquent, les vrais tampons ne sont souvent que des piles de matériaux souples et durs qui se conforment dans une certaine mesure à la topographie des plaquettes. Généralement, ces tampons sont réalisés à partir de matériaux polymères poreux avec une taille de pore comprise entre 30 et 50 µm, et du fait qu'ils sont consommés dans le processus, ils doivent être régulièrement reconditionnés. Dans la plupart des cas, les tampons sont très exclusifs et sont généralement désignés par leurs noms de marque plutôt que par leurs propriétés chimiques ou autres.

Action chimique

Le polissage mécano-chimique ou la planarisation est un processus de lissage des surfaces avec la combinaison de forces chimiques et mécaniques. Il peut être considéré comme un hybride de gravure chimique et de polissage abrasif libre .

Utilisation dans la fabrication de semi-conducteurs

Avant environ 1990, le CMP était considéré comme trop "sale" pour être inclus dans des procédés de fabrication de haute précision, car l'abrasion a tendance à créer des particules et les abrasifs eux-mêmes ne sont pas sans impuretés. Depuis, l' industrie des circuits intégrés est passée des conducteurs en aluminium aux conducteurs en cuivre . Cela a nécessité le développement d'un processus de création de motifs additifs , qui repose sur les capacités uniques de CMP à éliminer les matériaux de manière plane et uniforme et à s'arrêter de manière répétée à l'interface entre les couches isolantes en cuivre et en oxyde (voir Interconnexions en cuivre pour plus de détails). L'adoption de ce processus a rendu le traitement CMP beaucoup plus répandu. En plus de l'aluminium et du cuivre, des procédés CMP ont été développés pour le polissage de nanotubes de tungstène, de dioxyde de silicium et (récemment) de carbone.

Limites

Il existe actuellement plusieurs limitations du CMP qui apparaissent lors du processus de polissage nécessitant l'optimisation d'une nouvelle technologie. En particulier, une amélioration de la métrologie des tranches est nécessaire. De plus, il a été découvert que le procédé CMP présentait plusieurs défauts potentiels, notamment la fissuration sous contrainte , le délaminage aux interfaces faibles et les attaques corrosives des produits chimiques en suspension . Le processus de polissage à l'oxyde, qui est le plus ancien et le plus utilisé dans l'industrie d'aujourd'hui, a un problème: un manque de points d'extrémité nécessite un polissage à l'aveugle, ce qui rend difficile de déterminer quand la quantité souhaitée de matériau a été enlevée ou le degré de planarisation souhaité été obtenu. Si la couche d'oxyde n'a pas été suffisamment amincie et / ou si le degré de planéité souhaité n'a pas été atteint pendant ce processus, alors (théoriquement) la plaquette peut être repolie, mais dans un sens pratique, cela n'est pas attrayant dans la production et doit être évité. Si tout est possible. Si l'épaisseur d'oxyde est trop mince ou trop non uniforme, alors la plaquette doit être retravaillée, un processus encore moins attrayant et susceptible d'échouer. Évidemment, cette méthode est longue et coûteuse car les techniciens doivent être plus attentifs lors de l'exécution de ce processus.

Application

L'isolation des tranchées peu profondes (STI), un processus utilisé pour fabriquer des dispositifs à semi-conducteurs, est une technique utilisée pour améliorer l'isolation entre les dispositifs et les zones actives. De plus, STI a un degré de planéité plus élevé, ce qui le rend essentiel dans les applications photolithographiques , un budget de profondeur de foyer en diminuant la largeur de ligne minimale. Pour aplanir les tranchées peu profondes, une méthode courante doit être utilisée, telle que la combinaison de la gravure par résiste (REB) et du polissage mécano-chimique (CMP). Ce processus se présente dans un modèle de séquence comme suit. Tout d'abord, le motif de tranchée d'isolation est transféré à la tranche de silicium. L'oxyde est déposé sur la plaquette en forme de tranchées. Un masque photo, composé de nitrure de silicium , est modelé sur le dessus de cet oxyde sacrificiel. Une deuxième couche est ajoutée à la plaquette pour créer une surface plane. Après cela, le silicium est oxydé thermiquement, de sorte que l'oxyde se développe dans des régions où il n'y a pas de Si3N4 et la croissance est comprise entre 0,5 et 1,0 µm d'épaisseur. Etant donné que les espèces oxydantes telles que l'eau ou l'oxygène sont incapables de diffuser à travers le masque, le nitrure empêche l'oxydation. Ensuite, le processus de gravure est utilisé pour graver la plaquette et laisser une petite quantité d'oxyde dans les zones actives. Au final, le CMP est utilisé pour polir le mort-terrain SiO 2 avec un oxyde sur la zone active.

Voir également

Les références

Livres

  • Traitement du silicium pour le VLSI Era - Vol. IV Deep-submicron Process Technology - S Wolf, 2002, ISBN  978-0-9616721-7-1 , Chapitre 8 "Polissage mécano-chimique" pp. 313–432

Liens externes