Modeling and optimization of chemical mechanical polishing of semiconductor materials

Genel olarak mikroelektronik cihazların imalatında kullanılan Chemical-Mechanical Polishing (CMP), veya Türkçe tabirle kimyasal-mekanik parlatma olarak bilinen işlem metal ve dielektrik yüzeylerin düzlemselleştirmelerinde kullanılır. Kimyasal-Mekanik Parlatma (düzlemselleştirme) işleminden geçen bir malzeme aynı anda hem kimyasal hem de mekanik olarak işlemlere maruz bırakılarak yüzeyinden mikroskobik olarak parçalar çıkartılır. Tipik bir CMP makinesindeki üst kısma "baş" olarak tabir edilir ve tabakayı yerinde tutup belirlenen bir hızda döndürerek altta bulunan bir parçanın üstüne güç uygular. Altta bulunan tablanın üzerine işlemden geçecek malzemeye nispeten yumuşak bir malzemeden yapılan bir levha bağlanır. CMP işleminde içi nanometre-boyutlu parçacıklarla dolu kimyasalı (oksitleyici, şelatlayıcı, korozyon önleyici ve yüzey aktif maddelerden oluşan bir solüsyon), aynı zamanda bulamaç (slurry) olarak adlandırılır, istenilen debide malzemenin yüzeyine pompalanır. CMP süresince kimyasal yüzeyle reaksiyona girip özelliklerini değiştirirken, içinde bulunan nano-parçacıklar dönme hareketi nedeniyle yüzeyi fiziksel olarak değiştirir. CMP'deki kimyasal ve mekanik etkiler nedeniyle ortaya çıkan kompleks malzeme kaldırma mekanizmasını anlama kabiliyetimizi sınırlamaktadır. Bu mekanizmayı açıklamak ve çeşitli modeller geliştirmek için yoğun çabalar harcanarak malzeme kaldırma hızının levhanın üzerine uygulanan basınçla lineer bir ilişki içinde olduğu ortaya çıkmıştır; fakat yakın zamanlarda yapılan deneylerde bu ilişkinin lineer olmadığını ispatlayan veri ortaya çıkmıştır. Malzeme yüzeyinin altta bulunan yumuşak levha ile teması, nano-parçacıklarla ve kimyasal solüsyonla olan etkileşimi lineer olamayan ilişkiye neden olabilir. Bu nedenle, CMP işlemini modellerken her iki etkileşimin (kimyasal ve mekanik) birbirine olan bağımlılıkları malzeme kaldırma hızının lineer olmayan davranışını açıklığa kavuşturmak için önemlidir. Kimyasal etkilerin yalnızca silikon devre levhası (wafer) yüzeylerini yumuşatmanın bir yolu olarak ele alınması, silikon dioksitin CMP'deki MRR'sinin doğrusal olmayan davranışını açıklayamamasına neden olabilir. Bu çalışmada, nano-parçacıkların yüzey ile teması ve kimyasalın yüzeye olan difüzyonu arasındaki ilişkiyi göz önünde bulundurarak, silikon dioksitin CMP'deki malzeme kaldırma hızını tahmin edebilen bir model sunuyoruz. Geliştirdiğimiz model, literatürde mevcut olan deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır. Buna ek olarak model artan basınçla silikon dioksitin malzeme kaldırma hızındaki (MRR) doğrusal olmayan artışı açıklamak için kullanılabilir. Bariyer malzemelari için yapılan CMP'de, farklı malzemeler aynı anda parlatılır ve CMP'nin düzlemsel bir yüzey elde etmesi beklenir. Ayrıca, geliştirilen model bariyer CMP işlemi sırasında homojen malzeme kaldırma elde etmek için CMP koşullarını optimize etmek için kullanılabilir. Malzemenin özelliklerine ve CMP'ye parametrelerine göre malzeme kaldırma işlemi farklılık gösterir. Yapılan çeşitli araştırmalarda, istenilen miktarda malzeme kaldırımını gerçekleştirebilmek için bulamaç (slurry) kimyasının farklı malzemelerle yapılan desenli levhaların üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Burada, mekanik işlem parametrelerini optimize edebilmek için bahsedilen modeli kullanarak Cu/Mn/MnN sistemlerinin düzlemsel desenli yüzeyini elde etmek için bir metodoloji öneriyoruz. Uygulanan kuvvet, bulamaç katı konsantrasyonu ve aşındırıcı parçacık boyutları istenilen yüzey karakteristiklerini yakalamamızı sağlayacak parametrelerdır. Bu parametreleri kullanarak genetik algoritma yardımı ile model tabablı optimizasyon yapılmıştır. Ortaya çıkan metodoloji, istenilen malzeme kaldırma oranı ve düzlemselliğini elde edebilmek için düşük düzeyde uygulanan kuvvetin önemli bir parametre olduğunu öne sürüyor. Araştırmanın ilk kısmı, malzeme kaldırma oranında (MRR) daha düşük bir standart sapma elde etmek için düşük bir MRR öneriyor. Araştırmanın ikinci kısmı ise, gereken ortalama süre içinde kaldırılan malzeme kalınlığındaki standart sapmayı incelemektedir. Uygulanan kuvveti azaltmak, çıkartılan malzeme kalınlığındaki standart sapmayı en aza indirebileceği ve düzlemsel desenli yüzey elde edilebileceği bulunmuştur. Farklı malzemelerin homojen bir şekilde kaldırmasını sağlamanın bir başka yolu, bulamaç kimyasının formüle edilmesidir. 10nm ve daha küçük düğümler (nodes) için kimyasal ve mekanik düzlemselleştirme işlemi sırasında galvanik korozyon, istenilen malzeme kaldırma oranı ve kusurluluk sorunlarının göz önünde bulundurulması gereklidir. Levha üzerindeki atomik boyutlarda olan kimyasal ve mekanik etkileşimlerin daha iyi bir şekilde anlaşılması faydalı bilgiler ve öneriler sağlayabilir. Bu çalışma aynı zamanda Cu/Mn/MnN sistemlerinin CMP'de çeşitli bulamaç (slurry) formülasyonları deneysel olarak araştırmaktadır. Farklı bulamaç formülasyonlarında pasivasyonu değerlendirmek için Cu/Mn/MnN sistemlerinin ex-situ elektrokimyasal analizleri yapılmıştır. Kullanılan bulamaç formülasyonları sırasıyla 0.1 M, 0.2 M, 0.3 M, 0.4 M, 0.5 M oksitleyici (H2O2) ve %2.5 bulamaç katı konsantrasyonu içermektedir. Elektrokimyasal analizlerden gelen veriler, CMP işlemi sonrası yüzey topografisi ve malzeme kaldırma oranı seçiciliği ile karşılaştırılmıştır. Cu/Mn/MnN sistemleri için 1:0.8:0.88'lik malzeme kaldırma seçiciliğine ulaşabilmek için, 0.3 M H2O2 bulamaç birleşimi, %2.5'luk katı konsantrasyonu ve 30 N kuvvetin gerekli olduğu bulunmuştur. Bulamaç katı konsantrasyonu ve uygulanan kuvvet gibi mekanik bileşenlerin etkisi de araştırmıştı. Amaca ulaşmak için daha düşük uygulama kuvveti ve bulamaç katı konsantrasyonu kullanılması gerekli olduğu bulunmuştur. Bu çalışmada geliştirilen model, tipik bir CMP işleminde MRR'yi tahmin etmek için kullanılabilir. Ayrıca geliştirilen model, istenilen MRR'ye ulaşmak için CMP giriş koşullarını optimize etmek için kullanılabilir. Bu çalışmada önerilen deneysel yaklaşım, 10-nm ve altı için geliştirilmiş ara bağlantı entegrasyon şemaları bariyer katmanı CMP için faydalı olabilir.