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先进节点化学机械研磨液优化
[作者 Adam Manzonie等]   2017年01月12日 星期四 浏览人次: [10176]


先进节点的逻辑和记忆体装置要求化学机械平坦化/研磨 (CMP) 制程具有极高的性能。鉴于非金属 CMP 制程数量的快速增加和不断多样化,此类节点对该制程提出了新的要求,如更高的平坦化效率、接近零缺陷率以及制程成本的大大降低。为达到技术和经济的双重目标,需要高度可调节、可稀释的CMP 研磨液以及相匹配的 CMP 研磨垫和研磨工艺。在先进的前段制程中将有不同材料层的组合(如氧化物、氮化物和多晶矽),各材料都需要研磨,各层分别要求不同的研磨率、选择比和严格的制程控制。


这些新的多样化需求需要新的研磨液配方。一组新的介电层 CMP 研磨液将接受检测,该研磨液使用先进的凝胶状二氧化矽磨料和先进添加剂来实现高研磨率、高平坦化效率和低缺陷率。这个新近已商品化的研磨液以浓缩液形式提供给客户,以将总体拥有成本降至最低。使用端稀释可将磨料浓度降至最低,而不会影响 CMP 性能和工艺稳定性。


CMP 技术的趋势和挑战

随着逻辑晶片和记忆体晶片广泛应用于行动、伺服器、资料处理、通讯、消费电子产品、工业和汽车等领域,半导体行业对逻辑晶片和记忆体晶片的需求持续增长。透过技术节点的进展和降低成本来延伸摩尔定律,这一模式始终推动着对新电晶体/装置架构与技术(包括 3D FinFET、3D NAND 和 3D 封装)需求的增长。 CMP 正是提供这些技术的重要基础。


先进的逻辑节点所包含的 CMP 层数不断增加(例如,由 45nm 12 层增加至 7nm 22 28层)。新的技术和材料不仅提供了新的机会,同时为 CMP 耗材和工具带来新的挑战。


除降低缺陷率和拥有成本外,必须对平坦化效率、Erosion和Dishing等主要性能因素进行严格的程式控制,以达到晶粒内和晶圆内均匀度要求。这些新的需求必须透过创新来满足。


在先进的逻辑工艺中,POP 要求研磨氮化物和氧化物,停在多晶矽层。 1 为减少栅格高度变化和Dishing,需要可调式研磨液和稳定的研磨垫寿命。 50:1)。"SAC 工艺要求研磨氮化物,保留氧化物;这就要求使用高选择性研磨液(氮化物:氧化物选择性 50:1)。要达成无氮化物残留表面,则可能需要多个细研磨工序,这使得可调整研磨液能成为一个很好的选择。多晶矽栅 CMP 研磨非晶矽或多晶矽并研磨至同一层,晶圆内的栅格高度变化变得很重要。透过终点测量来管理最终厚度要求变得非常具有挑战性;这要求研磨垫/研磨液工艺最好具有高平坦化效率,并有一定自动停止功能,从而控制栅格高度并降低表面粗糙度。


100:1 Ox:SiN),以將氮化矽損失降"在浅沟槽绝缘层(STI)的制程下中,由于针状结构翼变薄、变长,研磨液需具有极高选择性(100:1 Ox:SiN),以将氮化矽损失降至最低。用于填充缝隙(如在浅沟槽绝缘层工艺中)的新型可流动 CVD 膜对沉积和回火硬化制程较敏感,可能导致高缺陷率(微粒)和研磨率不稳定。


先进记忆体应用也增加了 CMP 工序(例如,在蚀刻工序后,细研磨制程可加在以使用硬研磨垫来降低缺陷率、提高整体均匀度的单盘(one platen)工艺中)。进一步缩小现有 DRAM 记忆体单元存在巨大的技术难度。 DRAM 工艺需要不断对CMP制程要求提高研磨率,从而提高产量、降低总体拥有成本。


先进节点的一个共同点在于,不管逻辑和记忆体(主要是 3D-NAND)都需要更多的 CMP 制程。多种应用都需要具有特定可调整的研磨率、并能够降低缺陷率和拥有成本的研磨液。


新研磨液配方

半导体制造商依赖与材料供应商密切合作,来发开发能满足更严苛新需求的研磨液。例如,陶氏电子材料事业部近期开发出针对 ?20nm DRAM 应用和 ?28nm 逻辑应用的研磨液,实现了高氧化物研磨率、低缺陷率和低拥有成本。对于?14nm 的逻辑应用,不同的工艺要求需要氧化物研磨液具有高平坦化效率,低梯度,以及良好的多晶矽和氮化物的研磨率。


陶氏 OPTIPLANE 2118 研磨液是根据以上需求开发的一款研磨液产品。该产品为低磨料的酸性二氧化矽研磨液,用于平坦化先进 CMP 节点中的介电膜。此款研磨液的 CMP 效率提高,主要源于其独特的配方可促进有利微粒/晶圆的相互作用。如电势-pH 对比图(图一)所示,凝胶状二氧化矽磨料表面带负电荷,与已研磨TEOS 膜的表面相同(根据pH 2 至pH 11 的所有测得pH 范围得出),因此在研磨中出现不利的静电排斥。新研磨液配方中加入了专有添加剂,其等电位点的位置大幅移动,而且由于添加剂吸附于二氧化矽微粒表面,生成了带正电荷的酸性 pH 表面。在此情况下,微粒自动吸附于晶圆表面,大大减少了使用端磨料用量,而不影响研磨性能(图 二)。此优化配方精确控制微粒与晶圆的介面,从而将 CMP 的优势发挥到最大。



图一 : OPTIPLANE 2118 CMP 研磨液、传统凝胶状二氧化矽研磨液、TEOS 晶圆电势-pH 对比
图一 : OPTIPLANE 2118 CMP 研磨液、传统凝胶状二氧化矽研磨液、TEOS 晶圆电势-pH 对比

此研磨液由球形凝胶状二氧化矽微粒和专有添加剂组成,添加剂吸附于磨料微粒上,将负电荷转化为正电荷,如图二所示。磨料微粒 (+ve) 和介电膜 (-ve) 间的最终静电吸附力使研磨性能(材料研磨率/研磨负载)提高,如图三所示。12"市场上的碱性凝胶状二氧化矽和烧结式二氧化矽研磨液很难在较低研磨负载下实现较高介电质研磨率,因此,此类研磨液通常作为磨料含量重量百分比12 % 的层间介电层研磨液。与此相对,此新款研磨液配方的磨料含量重量百分比为 6%,可作为层间介电层研磨液用于使用端。



图二 : 二氧化矽磨料-晶圆相互作用 (a) 无改变电荷的添加剂 (b) 有改变电荷的添加剂
图二 : 二氧化矽磨料-晶圆相互作用 (a) 无改变电荷的添加剂 (b) 有改变电荷的添加剂

图三 : OPTIPLANE 2118 和烧结式二氧化矽研磨液TEOS 研磨率随二氧化矽磨料负载变化
图三 : OPTIPLANE 2118 和烧结式二氧化矽研磨液TEOS 研磨率随二氧化矽磨料负载变化

氧化物 CMP 过程中会产生各种缺陷,包括刮伤、微粒残留、研磨垫碎屑和与粗糙度相关的不可见缺陷。一般认为,刮伤最影响晶圆产量。刮伤的形成通常是研磨液中大微粒数量增加的结果。


OPTIPLANE 2118 配方中含有高度可控的球形二氧化矽微粒, 并以先进的过滤技术制造。此研磨液用于研磨纯石英玻璃晶圆时,可减少约45% 的刮伤(图四),用于内部TEOS 晶圆时, 相比类似研磨工艺下传统烧结式二氧化矽,此研磨液 70%的刮傷。"可减少 70%的刮伤。此原因在于在使用端使用较低磨料含量,同时添加剂吸附于已研磨表面可产生位阻保护将可以将缺陷大大减少,并且大幅降低研磨温度与研磨垫磨损。



图四 : USG 晶圆上的标准化刮伤缺陷比较及刮伤缺陷示例
图四 : USG 晶圆上的标准化刮伤缺陷比较及刮伤缺陷示例

此新款商用研磨液配方可用于层间介电层研磨液,而我们的研发团队正在开发针对先进的前段 CMP 工序(如 POP、SAC 等)的特定选择性研磨液。借助内部开发工作以及与客户的密切合作,OPTIPLANE 4000 产品系列还将推出支援各种研磨率和选择性的其他商用配方。


结论

为满足先进设备制造商对新的附加 CMP 工序的需求,新型研磨液配方可确保 CMP 工艺稳定,提高平坦化效率,大幅降低缺陷率。透过降低使用端磨料浓度,提高研磨率和消耗品生命周期,在提供先进性能的同时降低了工艺成本。 CMP 研磨液创新助力下一代先进技术节点的成功,推动行业持续发展。


(本文作者Adam Manzonie (1)、Todd Buley (2)、Jia-Ni Chu (3)、Mike Kulus(4)为陶氏化学公司CMP 技术部1全球研磨液业务总监、2全球研磨液应用总监、 3研磨液行销经理、4战略行销总监)


致谢

作者感谢 Yi Guo、John Nguyen、Arun Reddy、Peter van der Velden 和 Matt VanHanehem 对此文章作出的贡献。此外,还要感谢 Julia Chou 和 Linus Khoo 提供工艺要求,感谢位于德拉瓦州纽华克和台湾新竹的应用实验室团队提供的技术支援。


参考资料

[1] Babu, S. (2016). Advances in chemical mechanical planarization (CMP), 1st Edition. Woodhead Publishing.


[2] Choi, J., Prasad, Y. N., Kim, I., Kim, I., Kim, W., Busnaina, A. A., & Park, J. (2010). Analysis of Scratches Formed on Oxide Surface during Chemical Mechanical Planarization. Journal of The Electrochemical Society J. Electrochem. Soc., 157(2). doi:10.1149/1.3265474.


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