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ICPT 2015纪要:CMP技术最新进展

ICPT 2015纪要:CMP技术最新进展

来源:
2015/10/19
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2015年ICPT会议(International Conference on Planarization/CMP Technology)于2015年9月30日-10月2日在美国凤凰城举行。此次会议是化学抛光(CMP)和平坦化技术国际交流的盛会,来自世界各地的科研工作者和工程师齐聚一堂,共同探讨平坦化过程中的关键问题,进行广泛的技术交流和信息共享。

本次会议包括2个特邀报告,分别是来自格罗方德半导体股份有限公司的Mark Dougherty题为《欢迎来到第五维度》的特邀报告,和已从IBM退休的Klaus Beyer做的题为《IBM器件应用中的CMP发现动态》,以及9场专题研讨会,包括50篇口头报告和59篇张贴报告。与会人员就半导体中的CMP应用、新兴CMP和集成、CMP的缺陷、清洗、建模,CMP机理研究,CMP设备、耗材等等诸多前沿问题进行了广泛而深入的技术交流和讨论。下面将结合报告内容,简要介绍CMP技术的最新进展。

一、      半导体中的CMP应用

在特征尺寸越来越小的趋势下,提出了对先进节点下的CMP技术发展要求,并讨论相应技术的实际应用。FujifilmAbhudaya MishraIMECPatrick Ong、美光的Rutuparna NarulkarAir ProductsJames SchlueterHitachi ChemicalYasuhiro Ichige针对不同器件中CMP的要求,分析未来CMP应用的动向。

FujifilmAbhudaya Mishra在报告中指出,FinFET器件的CMP中,针对不同介质的抛光,抛光液中需要添加不同的反应增强剂或抑制剂,抛光中需要关注其去除率、选择比、抛后形貌和缺陷等。

IMECPatrick Ong等人根据五种不同的抛光垫和修整器的实验结果,总结出最优的抛光垫结果,可以在合理时间内达到图形片的平坦化,控制氧化物的损失,且对空片的去除率和缺陷也较为合适。对于Ge空片的抛光,目前还没有合适的终点检测方法,但对于SiGe空片和Ge图形片的抛光,可以找到有效的终点检测方法。

美光的Rutuparna Narulkar等人指出了下一代3D NAND存储器在抛光中的挑战,包括去除率,氧化层的平坦化,晶圆内和芯片内的均匀性,腐蚀程度,以及缺陷控制。

Air ProductsJames Schlueter等人说明,下一代阻挡层的抛光液需要对抛光过程有更严格的控制,更低的缺陷。实验证明可以通过在阻挡层抛光液中添加合适的添加剂来提高机械去除的效率,以便提高去除率,选择比,更好的控制抛后表面形貌,减少缺陷。

Hitachi ChemicalYasuhiro Ichige等人通过电化学方法得到了用于Co-H2O系统的三维pH电位图,可以提供腐蚀速率等常规Pourbaix图无法提供的有用信息,并且可以根据实际抛光过程和条件来扩展到腐蚀速率的多维图。

二、      新兴CMP和集成

随着半导体行业的发展,特征尺寸越来越小,CMP作为其中不可缺少的一环,也提出了对先进节点下的CMP技术发展要求。在特征尺寸减小的情况下,新兴CMP技术应用得到了广泛的重视与研究。河北工业大学的张保国、清华大学的王婕、EntegrisChintan PatelKyushu大学和EbaraMasashi Kitamura做了相应的报告分享。

河北工业大学的张保国等人通过使用不同的化学溶液和磨粒尺寸来尝试提高GaN的去除率,并且在其抛光中加入紫外光。随着等离子体技术的发展,可以在GaN的抛光过程中或预处理中加入等离子体。

清华大学的王婕等人在基于H2O2-SiO系统的 GaN抛光中引入光催化氧化技术,实验证明对提高去除率很有效,且通过尝试不同的催化剂,证明TiO2有较好的催化效果,此外还建立了光催化氧化下GaN去除的物理模型。

Kyushu大学和EbaraMasashi Kitamura等人证明抛光垫表面的清洁度可以通过堵塞比例来表征,而堵塞比例可以通过抛光垫的图像来得到,同时修整器的作用也可以用堵塞比例来反映。

EntegrisChintan Patel等人通过材料的提高和创新,对CMP耗材、过滤、清洗等过程进行了改进,为未来10nm以下的CMP过程提供了有效的方案。

三、      CMP的缺陷、清洗、建模

CMP作为整个半导体制造中不可或缺的一环,研究其过程中产生缺陷的原因,可以有效防止或减少缺陷,提高整个生产制造环节的效率;另一方面清洗技术影响着各半导体工艺步骤的工艺质量,自然CMP后的清洗工艺也是研究的重点;而研究CMP的手段目前更多的借助于建模仿真,这块也是未来发展的一个重要方向。Wei-Tsu TsengRuben Ghulghazaryan、德州仪器的Christopher Eric BrannonYohei Hashimoto和清华大学的温家林等人从分别从缺陷、清洗、建模做了报告分享。

Yohei Hashimoto等人建立了CMP过程中抛光垫表面的粗糙面接触模型,分析了抛光垫使用后的表面形貌,并在考虑形貌特征后,结合赫兹弹性接触模型建立了一个新的接触模型,但依据新模型得到的粗糙面接触压力与常规模型得到的有较大差距。

Wei-Tsu Tseng等人通过实验证明,在抛光后清洗过程中,不仅仅要考虑清洗液的酸碱性,还应考虑pH值、稀释比、双氧水浓度、添加剂等因素。

德州仪器的Christopher Eric Brannon等人通过实验研发出第三代低pH化学成分,在铜抛光后清洗过程中添加后,可以在相同良率的情况下降低成本。

Ruben Ghulghazaryan等人建立了FEOL CMP模型,并说明可以据此建立STIPOPAl RMG FEOL等的CMP模型,这些模型可以预测一些相关数据,使得研究多层堆叠和芯片设计变得可能。

清华大学的温家林等人用化学反应分子动力学模拟的方法来研究Si抛光过程,分析了水分子在其中的化学和机械协同作用,并研究了抛光压力的作用,高压会使更多的硅原子脱离表面。这是ReaxFF分子动力学模拟第一次在CMP领域的应用。

四、      CMP机理研究

在特征尺寸越来越小的趋势下,势必会对未来CMP做出一些新的定义,研究新节点下的CMP机理,有助于揭示其本质,更好的服务于CMP产业的发展。Duane Boning、 Julianne Truffa、 Clarkson大学的Armin Saeedi Vahdat、 Arizona大学的Changhong Wu和 Lauren M. Jacobson等对新的CMP机理做了报告分享。

Duane Boning等人研究了Pad-in-a-Bottle模型,相比于传统CMP可以提高芯片内均匀性,而未来还可以研究调节去除率、减少缺陷的可能性。

Julianne Truffa等人研究了纳米颗粒聚合物界面的化学和物理交互作用,以便更深入的了解先进CMP过滤机理。聚合物去除效率取决于孔隙大小和聚合物结果,在系统中加入添加剂会降低过滤器的寿命和颗粒滞留。这些效应会引发过滤过程中的一些化学损失,导致影响CMP过程。

Clarkson大学的Armin Saeedi Vahdat等人建立了一个数学模型来描述磨粒颗粒运动轨迹,从而研究旋转抛光条件下的材料去除形貌和均匀性。模型中研究了抛光垫修整和连续抛光液流动对磨粒颗粒的分布和运动轨迹的影响。

Arizona大学的Changhong Wu等人研究了抛光垫表面热管理系统,通过局部调节抛光垫表面温度来提高铜抛光去除率和片内均匀度,研究说明可以实现晶圆中心区域温度降低,边缘区域温度保持不变,因此晶圆中心区域去除率大幅下降,而边缘去除率保持,从而实现片内均匀度的提高。

Lauren M. Jacobson等人用FCS(荧光相关光谱)技术描述了抛光液中的磨粒,并讨论了FCS技术在硅溶胶表面化学特性以及其他磨粒中的应用。

五、      新型平坦化技术

CMP作为一种全局平坦化技术在半导体制造领域得到了很广泛的应用,然而除此之外还有许多其他的抛光手段,通过对这类技术的研究并将其与CMP有机结合,相信也能对未来半导体制造中的抛光过程提出更多的创新。CEA LETIViorel BalanOzyegin大学的G. Bahar BasimDan TrojanPaul Westerhoff对新型平坦化技术做了报告分享。

CEA LETIViorel Balan等人介绍了为实现3D结构的CMP需要面对的过程和挑战,包括3D 门结构,3D单片集成电路,和3D混合直接键合等。

Ozyegin大学的G. Bahar Basim等人将CMP技术引入了种植牙的过程,通过CMP来诱发Ti表面的微结构、提高平坦度,同时形成保护性氧化层,从而产生更多的生物相容性表面。生物相容性实验证明,CMP过程中氧化剂的使用可以增强表面平坦度,更好的实现细胞粘着。

Dan Trojan等人使用新的临时键合方法,使用100mm先进硅抛光设备,并结合了应力测试,得到了厚为15um的硅薄片。

Paul Westerhoff等人讨论了CMP中带有分散颗粒的抛光液的特性,包括物理、化学、试管内毒性等。

六、      CMP设备和测量

在对CMP技术研究的不断深入过程中,研究人员发现提高CMP后效果,除了对耗材性能提出更高的要求外,在对CMP硬件设备和实时测量上的需求也变的越来越高。Kwangehee HanKeisuke SuzukiEiichi KONDOHCarlo Dominic Aparece和美光的Andrew Carswell分别从表面形貌、终点检测技术等应用介绍了相应设备和测量技术。

Kwangehee Han等人使用无线振动传感器来检测CMP设备抛光头旋转马达表面的信号,在每个抛光垫的使用周期中收集振动信号,并分析了信号和过程终点时间,抛光垫表面粗糙度等因素间的关系。

Keisuke Suzuki等人使用了基于光学傅里叶变换的评估方法来研究抛光垫表面形貌,可以通过改变入射光角度来测量不同条件下的抛光垫形貌,而优化入射光角度后还可实现波长成分比例和材料去除率之间的较高相关系数(超过0.8)。因此波长成分比例可以用来评价抛光垫表面形貌。

Eiichi KONDOH等人用椭圆测量法来定量研究颗粒污染物,并证明了椭圆测量和颗粒数量间的相关性非常好。这种方法可以用来在实验室快速评估晶圆清洗效果。

Carlo Dominic Aparece等人将折射率测量方法结合到了CMP中,因为折射率测量可以用在不透明混合物的测量中,且可为抛光液中混合的多种材料提供有效信息。根据实验结果,折射率测量法对于fab里对抛光液长期不间断的监测有足够稳定性。

美光的Andrew Carswell等人研究了光学终点检测技术,包括短波长光谱可见性的延伸,改善抛光垫的窗口性质以实现更好的终点检测等。此外,还结合了马达扭矩终点检测技术来研究低摩擦力减少对膜的损耗。

七、      CMP耗材

CMP耗材技术,主要是指对CMP过程中的抛光垫,抛光液,修整器等等对CMP结果的影响分析。现阶段对于CMP的考察主要从平坦化程度、技术可靠性、缺陷控制能力等方面,其中缺陷控制这块包括对划痕、颗粒物和腐蚀等影响的分析,也是研究的重点。CabotTina C. LiEntegrisYiWei LuChun-Chieh LeeJinwoo Park做了报告分享。

CabotTina C. Li等人介绍了该公司生产的iDIELTM D74XX抛光液,具有高平坦化效率、高氧化物去除率、划痕表现良好、高稀释比等优点,可应用于3D NAND非选择性介质抛光、选择性氧化物抛光、大量氧化物抛光等多种场合。

EntegrisYiWei Lu等人研究了CMP过滤中的筛选环节,主要是表面Zeta电位对胶体颗粒过滤的影响,高差别的Zeta电位可以提高过滤效率,基于特定的抛光液Zeta电位表现,研究人员可以选择更多更合适的材料。

Chun-Chieh Lee等人研究了硅材料抛光液中一种新的添加剂,在腐蚀、粗糙度等方面表现良好,且材料去除率可调,对FinFET的先进CMP技术有重要意义。

Jinwoo Park等人研究了保持环的优化形状,可以有更好的均匀性,且使边缘部分承担更低的应力。然而考虑到抛光液的流速,对保持环的开槽位置还应有进一步研究。

CMP技术发展迅速,变得越发复杂,而挑战也越来越多,现如今,面临的挑战包括:10nm及以下的CMP技术,新机理的研究,实时监测技术、新型平坦化方式的探索寻找等等,而CMP本身也需要向自动化,精细化和通用化发展。除上述报告之外,还有59位与会者进行了张贴交流。与会人员在听取精彩报告的同时,也在大会讨论环节和会议间歇,彼此进行了深入的讨论与交流,分享交流研究的一系列成果。

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