Modeling and optimization of chemical mechanical polishing of semiconductor materials

Abstract

Chemical mechanical polishing (CMP) is a process of planarization of metal and dielectric surfaces typically in microelectronic devices manufacturing. Planarization is achieved by removing material from the wafer surface due to the synergistic effect of chemical and mechanical actions. In a typical CMP machine the upper part is referred to as the head. It holds the wafer, rotates and applies a force on the wafer against the lower part. The lower part is a rotating platen with an attached relatively softer pad. During CMP slurry is externally provided at a desired flow rate. The slurry is composed of chemicals (oxidizer, chelating agents, corrosion inhibitor and surfactants etc.) and nanometer-sized hard abrasive particles. The chemicals react with surface and modify the surface properties while the abrasive particles indent into the wafer surface and remove material from the wafer surface due to relative motion between the wafer and pad. The combination of chemical and mechanical effects limits our ability to understand the complex material removal mechanism in CMP. Intensive efforts have gone into developing models to explain the complex mechanism of material removal in CMP processes. The material removal rate in chemical mechanical processes have a linear dependency on applied down pressure. However, some experimental studies have reported nonlinear relationship between MRR and applied pressure. The nonlinearity can be attributed to complex interactions among the wafer, pad, abrasive particles, and chemical agents in the slurry. Therefore, in modelling CMP process coupling of both the chemical and mechanical actions is imperative to provide insight into the nonlinear behavior of MRR. Since, treating the chemical effects only as a mere means of softening the wafer surface fails to explain the nonlinear behavior of MRR in silicon dioxide CMP. Here, we present a model that couples micro-contact mechanics with diffusion of slurry into the wafer and predict MRR in CMP of silicon dioxide. The model is validated with experimental results available in the literature. In case of barrier CMP, different materials are simultaneously polished and CMP is expected to achieve a planar surface. The developed model can be utilized to optimize CMP input conditions to achieve similar material removal during barrier CMP. The material removal depends on material properties and the process input parameters. Several studies have investigated the role of slurry chemistry to achieve a certain material removal selectivity of different materials on a patterned wafer. Here we propose a methodology of achieving planar patterned surface of Cu/Mn/MnN system using a model-based optimization for mechanical process parameters. The parameters include applied force, slurry solid concentration, and abrasive particle size. The methodology has been developed via optimization using a genetic algorithm. The proposed methodology suggests that a lower downforce is the key parameter to achieve the desired material removal selectivity and planarity. The first part of the study suggests a low material removal rate (MRR) to achieve a lower standard deviation in MRR. The second part investigates the standard deviation in the thickness removed in the average time needed to remove a known thickness of the materials under consideration. It has been found that the application of lower downforce can also minimize the standard deviation in the thickness removed and a planar patterned surface can be achieved. Another way to achieve uniform material removal of different materials is the formulating of slurry chemistry. During chemical mechanical planarization process for nodes of 10nm and beyond, galvanic corrosion, material removal rate selectivity and defectivity issues need to be addressed. Better understanding of atomic scale chemical and mechanical interactions at the wafer surface to can provide useful insight and guidelines. This study also experimentally investigates the CMP Cu/Mn/MnN system with different slurry formulating. Ex-situ electrochemical analyses of Cu/Mn/MnN system were conducted to evaluate the passivation in different slurry formulations. The slurry formulations used were 0.1 M, 0.2 M, 0.3 M and 0.5 M oxidizer (H2O2) with abrasive solid loading of 2.5 %wt. The results of electrochemical analyses are compared with post CMP surface topography and material removal rate selectivity. It has been found that material removal selectivity of 1:0.8:0.88 can be achieved for Cu/Mn/MnN system, for a slurry composition of 0.3 M H2O2, under 30 N down force and 2.5 %wt. solid concentration of the slurry. The effect of mechanical components such as slurry solid concentration and applied force was also investigated. It was found that for an optimized concentration of oxidizer, more control over material removal selectivity can be achieved by optimizing the mechanical input parameters. The application of lower applied force and lower slurry solid concentration are needed to achieved the objective. This finding is in agreement with the material removal selectivity predicted with model based optimization. The model developed in this work can be used to predict MRR in a typical CMP. Also, the model can be used to optimize the CMP input conditions to achieved a desired MRR. The experimental approach proposed in this work can be beneficial to the barrier layer CMP for advanced interconnect integration schemes for sub-10 nm.

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.