Kimyasal mekanik düzleme / Aşındırma (CMP)

Kimyasal Mekanik Aşındırma/ Düzleme (CMP); kimyasal ve mekanik kuvvetler kullanılarak yüzeylerin topografisinin düzleme/ aşındırma yoluyla kontrol altında tutulduğu, alternatifi olmayan en nadir süreçlerden birisidir. Süreç mimarisini oluşturmak ve kimyasal olarak aşındırması zor olan yeni malzemeleri pul yüzeyinden uzaklaştırmak için tümdevre (IC) üretiminde etkili bir teknik olan CMP, polisilisyum aşındırma, sığ çukur izolasyonu (STI), metal öncesi (ILD) ve metaller arası yalıtımda (IMOX) ve özellikle tungsten (W) ve bakır (Cu) gibi metallerin çok katmanlı kullanımında (bazı durumlarda 14 katmana kadar), birçok alanda kullanılan süreçlerdendir.

Optik lens aşındırma yöntemlerinden uyarlanarak (teleskop aynalarının aşındırılması) 1983’te IBM Base Technology Laboratory’de geliştirilen CMP, mikro elektronik cihazlarda metal katman sayısını artırabilmek ve şekillendirilmiş yüzeylere katman depolandıktan sonra oluşan topografi farkını minimuma indirmek amacıyla geliştirilmiştir. Söz konusu iki strateji tümdevre üretim süreçlerinde kullanılmadığında, son derece düzensiz yapılar elde edilmektedir. Bu da şekillendirme (fotolitografi) adımında odaklanma problemini ortaya çıkarmaktadır. Devrenin kalite kavramını, CMP düzleme/aşındırma performansı belirlemektedir.

Başlangıçta CMP teknolojisi, mikro-fabrikasyonda sadece yüzeyin basit bir şekilde düzlenmesi için kullanılıyordu. Ancak transistörlerin boyutlarının küçülmesiyle daha fazla ara katmana ihtiyaç duyulmuş, böylece çok seviyeli yapılara olanak sağlayan bir teknoloji haline gelmiştir. CMP teknolojisinin;

· Çoklu metal düzleme

· Topografi iyileştirme

· IC üretim verimini artırma 4Hataları minimuma indirme

· Fotolitografi performansını yükseltme

· Diğer işlemlerden kaynaklanan verim sınırlayıcı kusurları azaltma

· Zararlı gaz kullanmama

gibi avantajları, bu teknolojiyi güvenilir, istikrarlı ve uygun maliyetli üretim odaklı yarı iletken pazarı haline getirmiştir. Endüstride kullanımının yaygınlaşması ile yükselişe geçen CMP, günümüzde dünya çapındaki fabrikalarda tümdevre (IC) üretiminde temel bir süreç olarak kabul edilmektedir.

CMP, yüzey topografisinin düzlenmesinde ve metal, dielektrik, polisilisyum gibi belirli bir katmanın yüzeyden uzaklaştırılmasında kullanılan fiziko-kimyasal bir işlemdir. Yani kimyasal ve fiziksel etkilerin bir kombinasyonu ile yüzeyden uzaklaştırılmak istenen malzeme pul yüzeyinden aşındırılmaktadır. Spesifik aşındırma kimyasalı olarak kullanılan süspansiyon (slurry) ile aşındırılacak yüzey arasında kimyasal çözünme gerçekleştirilmekte, aşındırma pedinin relatif hızı ve pul taşıyıcı başlığın pula yaptığı basınç, fiziksel etkiyi oluşturmakta ve yüzeyden alınmak istenen katmanın mekanik olarak uzaklaştırılması sağlanmaktadır.

CMP Mekanizmaları ve Süreçleri

Aşındırma, mekanizmalarına biraz daha yakından bakmak gerekirse, hidroksil iyonları (OH-), oksit CMP'de silisyumdioksite (SiO2 ) saldırarak yüzey yumuşamasına ve kimyasal çözünmeye neden olur. Sonuçta reaksiyona girmiş yüzey tabakası, uygulanan basınç ve aşındırma pedinin relatif hızı ile mekanik olarak yüzeyden uzaklaştırılır. Metal CMP proseslerinde ise, süspansiyon metal yüzey ile temas eder ve oluşan oksidanlar metalin çözünmesine ve pasivasyona neden olur (reaksiyonlar metal yüzeyde koruyucu tabaka oluşturur). Nihayetinde kimyasal oksidasyon mekanizması gerçekleşir. Mekanik aşındırma mekanizmasında ise, metal oksit tabakasının süspansiyondaki parçacıklardan mekanik aşındırma ile uzaklaştırılması sağlanmaktadır.

YİTAL’de CMP aşındırma/düzleme süreci IPEC WESTECH 372M CMP cihazında gerçekleşmektedir. Cihaz, üzerine aşındırma pedlerin monte edildiği 2 döner tablası, taşıyıcı başlık ve ped şartlandırma diskinden oluşmaktadır. Pul yüzeyine, spesifik bir kimyasal malzeme olan süspansiyon ve poliüretan esaslı mikro gözenekli aşındırma pedi tarafından etki edilir.

Süspansiyon, genellikle hidrotermal seryumoksit ve amorf silika esaslı, aşındırılacak yüzeye oldukça seçici, mikron altı aşındırıcı parçacıklar ve kimyasal malzemeler içeren sulu bir karışımdır ve pedin yüzeyinde merkeze yakın bir noktaya peristaltik pompalar yardımıyla kontrollü bir miktarda gönderilir. Merkezkaç kuvveti sayesinde, pula doğru hareket eder ve ardından atılmak üzere pedin kenarından dışarı çıkar. Pulu pedin içine bastırmak için bir kuvvet uygulanır ve taşıyıcı başlık ve ped relatif bir hız oluşturmak için harekete sahip olur. Hareket ve kuvvet, pul yüzeyi boyunca devam ederken, aşındırıcı maddeyi tabana doğru iterek ped porlarının da yardımıyla aşındırma gerçekleşir.

CMP proseslerinde son aşındırma aşaması tamamlandıktan sonra pul, CMP sonrası temizlik cihazındaki süreçlere dâhil olur. CMP sonrası ortaya çıkan partiküllerin uzaklaştırılmasına büyük özen gösterilir. Temizlik sistemlerinin ortak unsurları, pulun polivinil alkol (PVA) malzemeden yapılmış fırçalarla çift taraflı fırçalanması için fırça kutuları barındırmasıdır. Pulun durulama ve ardından kurutma için yüksek devirlerde döndürüldüğü bir döndürme kutusu da başka bir yaygın unsurdur.

YİTAL’de, CMOS ve SiGe BiCMOS üretim süreçlerinde aşındırılacak ince filme özel kimyasallar ve dinamik reçeteler kullanılarak aşağıda yazılı CMP prosesleri gerçekleştirilmektedir:

· POLİSİLİSYUM (derin çukur izolasyonunda depolanan polisilisyum tabakasının aşındırılıp düzlenmesi),

· STI (sığ çukur izolasyonunda depolanan LPCVD silisyumdioksit tabakasının aşındırılıp düzlenmesi),

· IMOX (metaller arası yalıtım için depolanan PECVD silisyumdioksit tabakasının aşındırılıp düzlenmesi),

· W (kontak içlerinin doldurulması için Ti/TiN üzerine depolanan CVD Tungsten (W) tabakasının aşındırılıp düzlenmesi)

Metal öncesi tüm devre üretim aşamalarındaki iyon ekme, depolama ve aşındırma süreçlerinden dolayı pulun topografisinde dalgalanmalar gözlenebilir. Bu topografik etki, metal öncesi ve sonrası depolanan dielektrik malzeme yüzeyine aynen yansımaktadır. Fotolitografinin etkinliği ise mükemmel bir CMP ile mümkündür. Mükemmel bir CMP, gelişen teknolojiyle uyumlu fonksiyonel süspansiyon ve ped gibi önemli bileşenlerin işleme dâhil edilmesinin yanı sıra, dinamik reçetelerin kullanılması ve CMP sonrası temizlik süreçleri gibi etkin parametrelerin kombinasyonu ile mümkündür.

Bu gelişmelerin sürece yansıması belli parametrelerle ölçülmektedir. Bunların başında düzenlilik, minimum tahribat, maliyet ve CMP’nin farklı disiplinlere uygulanması gibi başlıklar gelmektedir. CMP, yarı iletken endüstrisinde her alanda yer alarak yeni malzemeler içeren ve artan sayıdaki süreç entegrasyon şemalarının ayrılmaz bir parçası haline gelmiştir.