چرا مسطح کردن سطح در ساخت نیمه هادی ها حیاتی است؟
در دنیای پیچیده تولید نیمه هادی ها، جایی که ترانزیستورها در اتم ها اندازه گیری می شوند و مدارها با نور حکاکی می شوند، یک فرآیند اساسی زیربنای کل تلاش است: مسطح سازی سطح. اغلب در پشت صحنه عمل می‌کند، این یک عامل بی‌صدا قانون مور و حرکت بی‌وقفه به سمت تراشه‌های کوچکتر، سریع‌تر و قدرتمندتر است. بدون مسطح سازی موثر، میکروالکترونیک مدرن آنطور که ما می شناسیم به سادگی غیرممکن خواهد بود.
مشکل: یک کابوس توپوگرافیک
فرآیند ساخت یک مدار مجتمع (IC) یک فرآیند مسطح نیست. این مجموعه ای از مراحل افزایشی و کاهشی است-که لایه های فلز را برای اتصالات، عایق بندی مواد مانند دی اکسید سیلیکون و ویژگی های الگوبرداری با استفاده از فتولیتوگرافی فتولیت قرار می دهد. هر چرخه رسوب گذاری و اچینگ یک توپوگرافی سطحی به تدریج ناهموارتر ایجاد می کند.
تصور کنید یک منظره شهری چند لایه- بسازید. پس از ساختن اولین مجموعه از سازه ها (ترانزیستورها)، یک فونداسیون برای عایق کاری آنها می ریزید (لایه دی الکتریک). این سطح جدید اکنون تپه ای است و اشکال زیر آن را منعکس می کند. تلاش برای ساختن مجموعه ای جدید و ظریف تر از سازه ها به طور مستقیم بر روی این تپه ها فاجعه آمیز خواهد بود. همین امر در مورد ساخت تراشه نیز صادق است.
این ناهمواری سه چالش اصلی را به همراه دارد:
1. محدودیت های عمق تمرکز (DoF) در لیتوگرافی:فتولیتوگرافی، فرآیند "چاپ" الگوهای مدار بر روی ویفر، به یک سطح بسیار صاف نیاز دارد. نور استفاده شده دارای عمق فوکوس فوق العاده کم است. اگر سطح دارای تغییرات قابل توجهی باشد، برخی از مناطق در فوکوس قرار می گیرند در حالی که برخی دیگر تار می شوند که منجر به مدارهای ناقص یا شکسته می شود. همانطور که اندازه ویژگی ها به نانومتر کاهش می یابد، این تحمل تقریباً صفر می شود.
2. مسائل مربوط به پوشش مرحله در متالیزاسیون:هنگام قرار دادن لایه های بعدی، به ویژه فلز برای اتصالات، یک سطح ناهموار باعث ایجاد مشکلاتی می شود. فلزی که در یک پله شیب دار رسوب می کند می تواند در گوشه ها بسیار نازک شود و نقطه ضعفی ایجاد کند که می تواند منجر به مهاجرت الکتریکی و در نهایت خرابی مدار شود. پوشش ضعیف پله همچنین می تواند باعث ایجاد حفره ها شود و اتصال الکتریکی را به طور کامل قطع کند.
3. افزایش پیچیدگی اتصال:تراشه های مدرن می توانند بیش از 15 لایه اتصال فلزی داشته باشند. بدون صاف کردن هر لایه قبل از افزودن لایه بعدی، توپوگرافی تجمعی به طور غیرقابل مدیریتی شدید می شود و ساخت لایه های بالاتر را با دقت غیرممکن می کند.
راه حل: پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP)
پاسخ صنعت به این چالش، پولیش مکانیکی شیمیایی/پلاناریزه کردن (CMP) است. CMP یک تکنیک ترکیبی ترکیبی است که اچ شیمیایی را با ساییدگی مکانیکی ترکیب می‌کند تا به مسطح شدن سراسری-و صاف کردن کل سطح ویفر دست یابد.
عمل شیمیایی:دوغاب، حاوی مواد شیمیایی مانند اکسید کننده اکسید کننده، به ویفر اعمال می شود. این باعث نرم شدن یا تغییر لایه بالایی مواد می شود (به عنوان مثال، تبدیل مس به اکسید نرمتر).
عمل مکانیکی:سپس یک پد پولیش به صورت مکانیکی مواد نرم شده را ساییده و آن را از بین می برد. فشار پد به دقت کنترل می شود تا از سرعت حذف یکنواخت در نقاط بالا و پایین اطمینان حاصل شود که در نهایت منجر به یک روکش کاملاً صاف و آینه{1}}می شود.
CMP یک فرآیند واحد نیست بلکه به طور انتخابی برای مواد مختلف اعمال می شود:
STI CMP:برای جداسازی ترانزیستورها با مسطح کردن اکسیدهای جداسازی ترانچ کم عمق.
ILD CMP:برای صاف کردن لایه های بین{0}}لایه دی الکتریک (عایق).
تنگستن CMP:برای حذف تنگستن اضافی از "شاخه ها" که تماس های عمودی بین لایه ها را تشکیل می دهند.
مس CMP:سنگ بنای فناوری اتصال مدرن، که در فرآیند دمشق برای ایجاد سیم های مسی منبت کاری شده استفاده می شود.
تاثیر بحرانی مسطح سازی موثر
سطح بندی موثر فقط یک راحتی نیست. این یک نیاز اساسی برای گره های نیمه هادی پیشرفته است.
1. فعال کردن اتصالات چند سطحی-:CMP امکان قرار دادن ده‌ها لایه سیم‌کشی فلزی را فراهم می‌کند و امکان مسیریابی پیچیده و سه بعدی مورد نیاز در میلیاردها-تراشه‌های حافظه و پردازنده‌های ترانزیستوری امروزی را فراهم می‌کند.
2. بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان:با حذف عیوب توپولوژیکی، CMP اتصال کوتاه، اتصالات باز و سایر مکانیسم های خرابی را به شدت کاهش می دهد. سطح صاف تر مستقیماً به بازده تولید بالاتر و محصولات نهایی قابل اطمینان تر ترجمه می شود.
3. تسهیل مقیاس گذاری دستگاه:هر نسل متوالی از فناوری ترانزیستورهای کوچکتر به لیتوگرافی دقیق‌تر مانند اشعه ماوراء بنفش شدید (EUV) بستگی دارد. این سیستم‌ها حتی محدودیت‌های DoF سخت‌تری دارند و مسطح بودن بی‌عیب ارائه شده توسط CMP را کاملاً غیرقابل مذاکره-می‌سازد.
4. افزایش عملکرد الکتریکی:سطح صاف‌تر تأخیر سیگنال (تأخیر RC) را در اتصالات داخلی کاهش می‌دهد و نشت جریان را به حداقل می‌رساند و به سرعت سوئیچینگ سریع‌تر و مصرف انرژی کمتر کمک می‌کند.
نتیجه گیری
در حالی که اغلب تحت الشعاع پیشرفت‌های لیتوگرافی یا طراحی ترانزیستور قرار می‌گیرد، مسطح‌سازی سطح از طریق CMP یکی از حیاتی‌ترین و تکراری‌ترین فرآیندها در کارخانه نیمه‌رسانا است. این مرحله اساسی است که توپوگرافی پیچیده ایجاد شده در طول ساخت را تمیز می کند و بوم بکر و مسطحی را فراهم می کند که لایه بعدی شگفتی های میکروسکوپی را می توان بر روی آن ساخت. با پیشروی بیشتر به عصر مقیاس‌بندی آنگستروم-و معماری‌های تراشه‌های سه‌بعدی، نقش تکنیک‌های مسطح‌سازی پیشرفته اهمیت بیشتری پیدا می‌کند و به پیشرفت تکنولوژیکی که دنیای مدرن ما را تعریف می‌کند، ادامه می‌دهد.
