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CMP产业技术发展动态

CMP产业技术发展动态

来源:
2015/03/31
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近年来,随着CMP产业技术的飞速发展,先进CMP技术的未来应用前景与存在的挑战是备受关注的热点。当前针对10nm以下CMP技术主要有:FinFET STI CMPFinFET Poly CMPFinFET RMG W CMPCu CMPTSV Cu CMP等。而在攻克10nm以下CMP技术的道路上,摆在面前的挑战有:FEOL CMP中的缺陷减少和均匀性控制,MOL CMP中的金属栅极高度控制,缺陷减少和自对准接触,以及BEOL CMP中的钌的抛光优化,钴的金属化,缺陷减少和过程控制等。CMP必须突破技术瓶颈才能在先进技术中得到持续的发展和应用,各方应积极协作,共同面对这些挑战。

针对CMP耗材技术、先进节点下的CMP技术、CMP硬件设备与控制和新型CMP应用与仿真技术等是当前亟待解决的问题和挑战,2015年3月15-16日,中国国际半导体技术大会的CMP及CMP后清洗分会场上,各位专家学者们进行了精彩的报告。
一、CMP耗材技术
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。海力士的KeeJoonOh、中芯国际的刘洪涛先生、Entegris的HJ Yang和Cabot的Alex  Wang分别从抛光液的角度出发,分析了抛光液对CMP过程中缺陷控制影响;SYMicro-Elecronic Tech.Ltd的Haiyu Kui从修整器和抛光垫的角度出发,也做了相应的研究。
刘洪涛先生总结了32/28nm BEOL Cu CMP中面临的挑战,其中比较关注的是如何减少划痕和颗粒,此报告指出需要在耗材的质量上把关,尤其对抛光液的选择和制作上,需要调节好相应的化学成分,选择合适的抛光液,在这类基础上再对相应的CMP工艺参数进行调整,包括平衡抛光和清洗各环节的时间等。
Kee  Joon Oh介绍了抛光液的发展历程,其以减少划痕和缺陷,达到平坦化为导向,经历了磨料从煅制氧化硅到硅胶、从煅烧二氧化铈到无煅烧二氧化铈的变化。随后Kee介绍了用于STICMP的无煅烧二氧化铈抛光液,并从各个角度展示了实验结果,如划痕缺陷、去除率和稳定性、混合比、选择比、使用寿命和循环等等,最后总结此抛光液有优点的同时,还需进一步的性能提升,需要企业和学术界的合作研究。
HJ  Yang在对划痕和抛光液粒径的控制越来越严格的大趋势下提出一个设想,即通过过滤的方式将抛光液中存在的不符合要求的大颗粒给清除掉,之后在报告中详细介绍了过滤的模型和堵塞的机理,并给出了相应的解决方案——POT和POD过滤。最后杨先生介绍了纳米纤维过滤技术,针对更小粒径颗粒的过滤需求,其关键点是降低初始压力及降低压力的增长速度,实现了使用寿命的提升,以及颗粒去除和容纳能力的增强。
Alex  Wang介绍了Cabot公司新研制的用于氧化层抛光的硅胶抛光液——D9228,其拥有高稀释度、稳定、低缺陷、低成本等优点,且该抛光液采用了电荷吸引的机理来实现和提高去除的效果。王先生还展示了D9228在300mm晶圆上的抛光数据,如缺陷、去除率、去除稳定性等,与同类抛光液进行对比后充分说明了这种抛光液在提高性能、降低成分等方面的优良表现,也从侧面体现了抛光液的选择对CMP结果的好坏重要作用。
Haiyu  Kui从修整器和抛光垫的角度,采用软件进行建模仿真,来计算修整器的金刚石颗粒在抛光垫上压入的深度和运动轨迹之间的关系,在此基础上改变两者之间数学上的关系,来分析其对抛光性能的影响。
二、先进节点下的CMP技术
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,原有的技术存在瓶颈,如对缺陷的控制要求变得更高了等等。在这样的趋势下,来自三星的Yehwan Kim、Macronix的Yung-TaiHung和安集微电子的Chen  Wang三位学者对“极小特征尺寸下的CMP过程缺陷控制的方法”进行了分享介绍。
Yehwan Kim对10nm特征尺寸下的接触模式和可能产生划痕种类进行了简单讲解,在谈及如何减少划痕的措施时,Yehwan Kim分析了相比较高特征尺寸下,需要对颗粒直径进行控制、保证抛光液的分散稳定性、颗粒的形状控制等。之后报告中介绍了二氧化铈磨料,其拥有电动力学的特性,同时对PMMA有吸附的性能,颗粒直径也不大。此外,Yehwan也分析了现今在极小特征尺寸下面临的技术障碍:由于对颗粒直径的控制,使得磨料尺寸下降,相应的减少了划痕,但与此同时也降低了去除速率,增加了抛光时间,如何平衡这两者之间的参数使其达到最佳性能是接下来研究的重点。最后Yehwan展示了三星公司生产的用于10nm以下的二氧化铈磨料抛光液——NSC抛光液,并与其他抛光液进行了对比,体现了高去除率、磨料尺寸纳米级、低缺陷等良好的抛光性能。
Yung-TaiHung主要对抛光后的表面产生异常的颜色变换这一缺陷进行了分析,并提出了相应的解决方法。对于颜色的异常,他指出可能存在如下两种缺陷,一是铜/阻挡层的残留,二是局部厚度不均匀。对于前者,Yung-TaiHung猜测其根本原因是铜或者化学物质在抛光之后留下的残留物,在之后的实验中发现,对铜层抛后的检查中并没有铜残留,但抛光后的表面仍有颜色异常,说明铜残留不是根本原因,在进行了更多的试验之后,如针对抛铜的、抛阻挡层的实验、针对耗材的实验等,调节了抛铜时抛光液流速、抛铜后去离子水冲洗速度和时间、铜抛光液分布情况、抛光液选择比,终于解释了局部厚度不均匀的机理,即抛铜过程中缓蚀剂会导致抛后局部dishing分布不均匀,且在阻挡层抛光过程中影响抛后形貌,导致最终的厚度不均匀,产生颜色异常。总结起来,铜缓蚀剂可以保护铜表面,但它的残留和分布不均会影响后续的阻挡层抛光,造成厚度不均进而颜色异常。最后,Yung-TaiHung提出了相应的改进措施,即抛后更有效的去除缓蚀剂残留,或选用缓蚀剂含量较低的铜抛光液。
Chen  Wang从最近本的阻挡层抛光过程作为切入口,引出了包括对平坦度、低缺陷、宽工艺窗口、低成本等抛光要求,以及抛光后所面临的诸如抛后形貌的均匀性、表面出现尖端(fang)、腐蚀、划痕和颗粒残留等等问题。在报告的余下时间,王先生先后对各个存在的缺陷问题阐述了相应的解决措施:1、针对抛后形貌的不均匀,报告认为关键在于抛光过程中的去除率选择比,若铜的去除率高于介质层去除率,则随着抛光的进行,dishing/erosion会越来越严重;当铜的去除率低于介质层时,可能出现protrusion或是erosion变严重;而当铜的去除率等于介质层去除率时,理论上最终的形貌与总的介质损耗关系不大,erosion在一开始会很大,后面逐渐减小并保持在较低水平。2、对于宽工艺窗口,理想状态是去除率:阻挡层大于氧化层大于介质层等于铜层,而安集生产的阻挡层抛光液很接近这个目标,且由于铜的去除率基本接近介质层可以保证最终形貌不依赖于介质损耗,则过抛时间窗口变大,容许的配比和双氧水窗口也很大。3、对于尖端(fang)问题,详细揭示了其产生的机理,即局部氧化物去除过快,导致抛后出现台阶和高度差,而为了降低台阶,需要氧化物去除率高于铜,而为了避免fang的出现,需要局部氧化物去除率等于铜,使用安集的阻挡层抛光液,通过改善配比可以使dishing从500A降低到170A,fang从200A降到20A以下。
三、CMP硬件设备和控制
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硬件设备和控制上的需求也变的越来越高。中芯国际的JunYang、上海华力微电子的Ding Yi、应用材料公司的H.X.Zhang和西安交通大学的XuNing分别从CMP硬件设备、控制及相应测试方法进行了介绍。
JunYang对“先进过程控制(APC)”这一概念进行了简单的介绍,同时将其与如今面对的CMP技术的挑战,如更好的均匀度、更严格的抛后厚度控制、更小的晶圆间厚度变化、以及边缘形貌调节等进行有机的结合,提出了在不同阶段的对CMP后表面形貌的控制、边缘形貌的控制、修整器时间调节等,最后指出未来CMP的发展离不开先进过程控制的辅佐,如何将两者更加有效的结合在一起将是研究的重点。
DingYi认为,作为过程控制中的一环,CMP过程中铜厚度的测量至关重要,他介绍了两种常见的对铜厚度的测量系统。RudolphMetalpulse是利用光声技术进行测量,而Kla-Tencor Aleris是通过收集两种光的信息,利用其偏振和光谱分析来测量。报告之后还对两种测试系统进行了展示与对比,发现使用Rudolph Metalpulse方法对bondpad的测量结果振幅大,均匀度差,对OCDpad的测量结果均匀性好且更稳定;Kla-Tencor Aleris对介质层的测量更有优势,因为能真实反映整个晶圆的形貌,且具有很好的收敛稳定性。最后他指出,针对不同材料、阶段的CMP需要采取相应的测试手段去进行监测、控制。
H.X.Zhang介绍了在一种叫Fullvision的实时终点检测系统,它对ILDoxide/STIoxide/poly/Cu/W等多种材料都能进行终点检测,在实际流水线上就能大大的提高产量,与传统的APC/iAPC等检测系统相比具有很大优势。不过在最后张先生也指出Full vision目前也存在一些需改进之处,比如从介质层得到终点检测信号,则导致终点时间受到CVD沉积厚度的影响等。
Xu Ning通过对二氧化铈针尖在铜表面进行纳米划痕实验,揭示了粘附、犁入和剪切的划痕产生机理。通过此类实验得到的实验数据再配以相应的过程检测,即可实现在CMP过程中对划痕产生的控制。
四、新型CMP应用和CMP建模仿真
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,而研究此类CMP的手段将更多的借助于建模仿真。来自清华大学的路新春教授首先介绍了天津华海清科机电科技有限公司生产的Universal-300抛光机,然后提出利用仿真提高抛光性能的研究思路,接着从晶圆尺度的CMP机械仿真、原子尺度的分子动力学仿真和原子尺度材料去除的实验等三方面进行了展示。CMP过程的仿真极为复杂,需要考虑的因素很多,如抛光头、抛光垫和抛光液,在晶圆尺度上,需要分析的有下压力、动力学参数、抛光液参数、抛光垫参数等等,得到的仿真结果包括温度、滑动距离、抛光液分布、压力分布等,分别从运动学模拟和接触应力分析两方面来介绍CMP的机械仿真。而在原子尺度上,路先生从机械作用和机械-化学作用两方面进行了分子动力学模拟,用丰富的图文和动画阐释了CMP过程的机理。最后在原子尺度材料去除的实验方面,利用AFM和TEM研究了载荷、滑动速度、扫描范围、湿度等因素对磨损深度的影响。最后,路先生结合仿真与实验结果,阐述了CMP过程的材料去除机理,证实了原子层材料去除是由摩擦化学作用主导的。
CMP技术发展迅速,变得越发复杂,而挑战也越来越多,当特征尺寸到了10nm及以下时,高去除率选择比材料的选取,dishing/erosion的控制,以及均匀性的保证显得更加困难。现如今,我们面临的挑战包括:10nm及以下的CMP技术,FinFETCMP450mm晶圆的CMP,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。
参与此次CMP及CMP后清洗报告的演讲者有:来自Global foundries的Yongsik Moon,来自海力士的Kee Joon Oh,来自中芯国际的刘洪涛,来自Entegris的HJ  Yang,来自Cabot的Alex  Wang,来自SYMicro-Elecronic Tech.Ltd的Haiyu Kui,来自三星的Yehwan Kim,来自Macronix的Yung-Tai Hung,来自安集微电子的Chen Wang,来自中芯国际的Jun Yang,来自上海华力微电子的Ding Yi,来自西安交通大学的Xu Ning,来自应用材料公司的H.X.Zhang,来自CEA-Leti的ViorelBalan,来自Nitta-Hass的Yoshitaka  Tsunashima,来自天津理工大学的Feng Yulin,来自North Carolina Agricultural&Technical State University的Zhang Qi,来自清华大学的路新春,来自台湾科技大学的陈炤彰,来自兰州理工大学的Lixiao Wu。主持人是:来自Cabot的K.C.Wu,David Huang,来自安集微电子的王雨春,Kent Liu,来自天津理工大学的张楷亮。
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