CMP Process

Химико-механическая планаризация или химико-механическая полировка CMP – это процесс, который может удалить топографию из оксида кремния, поли кремния и металлические поверхности. Он используется для выравнивания оксидных, поликремниевых или металлических слоев, чтобы подготовить их к следующий литографический шаг, избегая проблем глубокой фокусировки при освещении светочувствительных слоев.Это предпочтительный этап планаризации, используемый при производстве микросхем с глубокой субмикроной.u
CMP заменил технологии, такие как b oron p hospo s ilicate g осаждение BPSG с использованием Lass, с последующим этапом отжига BPSG для оплавления легкоплавкого легированного стекла, или с контакт – o n – г lass (SOG) технология. Осажденный материал кремнезема оплавляется на поверхности кремния и должен быть отвержден SOG, чтобы удалить оставшийся растворитель и органические компоненты.Чем меньше запрашиваемое разрешение структуры, тем выше запрос на плоскостность поверхности. BPSG и SOG не выравнивают слой полностью. Существует локальное изменение высоты между чипом области различной плотности рисунка. CMP является единственным методом, который выполняет глобальную планаризацию пластины.

С помощью технологий химико-механического полирования можно выравнивать несколько материалов:

Планаризация оксида

Первоначально CMP использовался главным образом для выравнивания диоксида кремния i nter l evel d ielectrics ILD.Диоксид кремния накапливается толще, чем запрошенная конечная толщина, а затем материал отполированы до тех пор, пока ступеньки не будут удалены. Это приводит к хорошей плоской поверхности для следующего уровня. Процесс может быть повторен для каждого добавленного уровня проводки.

Сегодня еще одно важное применение – планаризация оксидов в с. – освящение – сольватная технология STI. Силиконовая подложка покрывается слоем нитрида кремния.Этот стек скопирован и выгравирован. Неглубокие траншеи тогда заполнены с оксидом. Стадия CMP используется для удаления всего оксида с верхней части слоя нитрида кремния. После удаления слоя нитрида кремния, транзистор может быть построен путем образования затвора оксида и поликремния.

Поликремниевая планаризация

Поликремний можно легко полировать практически одинаковыми полировщики, аналогичные прокладки и жидкие растворы, поскольку они используются для планаризация оксида кремния.Приложения, как правило, полировка силиконовых заглушек или переходных отверстий, удаление поликремния из межуровневый диэлектрический ILD и оставляющий только пробку, заполненную поликремнием.
Планаризация поликремния может также использоваться для конечной фазы утонения пластин или просто для полировки кремниевых пластин.

Планаризация металла

Металлы, такие как вольфрам, алюминий или медь, используются в дамасском процессе технология заполнения переходных отверстий или траншей для подготовки электрических соединений.Эта технология назван в честь древней технологии, используемой для изготовления мечей в Дамаске.

Вольфрамовый дамасский процесс начинается с полностью планаризованного поверхность диэлектрика с вертикальными контактными отверстиями. Эти отверстия могут быть сделаны намного меньше и разнесены наклонные переходы предыдущего процесса. Вольфрам (W) затем осаждается с использованием химического пара процесс осаждения. Процесс CVD выращивает кристаллическую пленку вольфрама, которая заполняет отверстия со всех сторон, оставляя только очень узкий шов по середине контакта отверстие.Процесс CMP затем используется для удаления поверхности вольфрама, оставляя за собой заполненные контактные отверстия. Этот процесс полировки разработан, чтобы быть очень избирательным в удалении вольфрама по сравнению с основным диэлектриком. Наконец, металлический слой наносится поверх заполненных контактов, чтобы завершить цепь. это процесс повторяется с этапом планаризации оксида, чтобы добавить каждый уровень проводки к IC. Помимо использования для подготовки переходов для подключения двух уровней проводки, Дамасской процесс также может быть использован с траншеями по образцу диэлектрик для формирования самих проводов.Медь часто используется для этого процесса. Мелкий желоб протравлен в диэлектрике в виде желаемой проволоки, медь наносится на пластину e lectro c hemical осаждением ECD, и CMP Процесс выборочно удаляет материал, оставляя траншею заполненной.
В двухмасцентном процессе как уровень проводки, так и уровень Соединения создаются с одним шагом CVD или ECD и одним шагом полировки.

Все металлические слои должны быть отожжены после осаждения или выравнивания.Процесс отжига меди описан на отдельной странице.

CMP Technology

Химико-механическая планаризация – это процесс сглаживания и строгание поверхностей с сочетанием химического и механического силы, гибрид химического травления и свободной абразивной полировки. Механическое шлифование само по себе вызывает слишком большое повреждение поверхности, в то время как мокрый одно только травление не может достичь хорошей планаризации. Большинство химических реакций изотропны и травят разные кристаллические плоскости с разной скоростью.CMP включает оба эффекта одновременно.

Типичный инструмент CMP состоит из вращающейся плиты, которая закрыта по подушке. Вафля монтируется вверх ногами в держателе на подложке фильм. Стопорное кольцо удерживает пластину в правильном горизонтальном позиция. И плита, и держатель вращаются. Хорошая скорость контроль важен. Перевозчик также колеблется. Для загрузка и выгрузка роботизированной системы установлена. Во время загрузки и разгрузочная пластина удерживается в носителе под вакуумом.
Во время химико-механического полирования давление прикладывается прижимной силой на носителе, передается перевозчику через ось перевозчика и карданный механизм. Кроме того, давление газа или противодавление загружается на вафле. Тот факт, что высокие точки на пластине подвергаются более высоким давлениям по сравнению с более низкими точками, следовательно, скорость удаления там усиливаются и достигается планаризация.
Суспензия подается сверху на плиту.Обработать релевантными являются размер зерна и материал абразивного компонента и контроль pH суспензии. Обычно используются щелочные условия.
Тепловое управление очень важно для CMP. Скорость полировки во многом зависит от температуры и во время CMP тепло генерируется тепло реакции и абразивное трение. Следовательно, стол имеет система контроля температуры, чем можно регулировать температуру между 10 ° С и 70 ° С. Это делается либо с помощью технологии обратного распыления показано на рисунке или при контакте с подставкой с водяным охлаждением и Передаточное кольцо, вакуумное крепление к плите.

Типичная система CMP также включает инструмент для подготовки колодок в качестве инструмента для очистки пластин после CMP. Также различные конечные точки системы обнаружения могут быть интегрированы в инструмент CMP. Это можно сделать путем измерения тока плиты и двигателя-носителя и температуры плиты ИК датчик.

Crystec Technology Trading GmbH, Германия, www.crystec.com, +49 8671 882173, ФАКС 882177

Alpsitec Обзор компании

Alpsitec – компания по производству полупроводникового оборудования и технологий.Оно имеет была основана в 2001 году как дочерняя компания Steag и находится в Гренобле, Франция. Главный деятельность по проектированию, производству и установке машин для химической механическая планаризация кремниевых пластин и, как партнер Cognex, интеграция систем распознавания образов в производственные линии.
Crystec представляет Alpsitec для своего оборудования CMP. Эти машины, установленные Alpsitec и его предшественником на университеты, исследовательские институты и промышленные клиенты хорошо известны и пользуются отличной репутацией.

CMP Оборудование

Оборудование Alpsitec CMP предназначено для исследований и разработок, а также для производства опытных образцов. Поэтому он был разработан для высокой производительности, высокой гибкости, небольшой занимаемой площади, простоты эксплуатации и низких затрат. Автономные машины и модульные конструкции доступны. Изменение размеров кремниевой пластины легко; также специальные формы образцов, например Прямоугольные вафли можно обрабатывать, используя специальные держатели.Ниже приведен обзор, описание и сравнение доступных моделей:

Pcox 200 S, 202-204

Pcox 200 S занимает уникальную позицию на рынке планирования НИОКР. Действительно, машина идентична своим производственно-ориентированным родителям из семейство Pcox20X. Серия Pcox20X представляет серию модульных машины, которые предлагают конфигурации, включая 2, 3 или 4 полировки модули.Pcox 200 S является одним из этих модулей, используемых в автономных Форма для разработки процесса предлагает все технические характеристики производство машины:

• Полный контроль с помощью компьютера и ПЛК
• Автоматическая загрузка и выгрузка полировальной головки
• Несколько шагов полировки
• Совместимость от 4 “до 8”
• Ex-situ и in-situ кондиционирование
• Интегрированные шламовые насосы
• Уникальная быстрая замена валика, полировочных держателей и инструментов для кондиционирования.Его структура обеспечивает те же характеристики производительности, что и модуль, включенный в машину Pcox20X. хотя с ручной загрузкой вафли, чтобы сэкономить место и стоимость.
Другие активы:
• Прямая передача процессов, разработанных на Pcox200 S, на производственные машины Pcox20X.
• Возможное и простое преобразование модуля Pcox200 S в станок Pcox20X, обеспечивающий длительный срок службы инструмента без устаревания.

	Станция погрузки, включая 3 кассеты, робот для обработки пластин и дополнительный робот линейного перемещения	Оригинал PCox 200S	Дополнительный модуль полировки в PCox202S	Дополнительный модуль полировки в PCox203S

E550

E550 – это автономный инструмент планаризации для полупроводника промышленность.Его дизайн с двумя пластинами и от кассеты к кассете делает его идеальным инструментом для линии производства полупроводников. модульная конструкция также позволяет легко применять его для исследований и развитие. Инструмент способен полировать и выравнивать одиночные пластины до 200 мм. Простое и быстрое обращение является одним из самых расширенные возможности этого инструмента планаризации:

Программное обеспечение является прозрачным и гибким, очистка легко благодаря съемная защита от брызг, DI-сопла и DI-пистолет, доступ с трех стороны к области полировки заканчивают легкое обслуживание и позволяют удобная подушка и обмен носителей.

ПОЛИРОВОЧНАЯ СТАНЦИЯ
Вафля загружается и выгружается с носителя через палитра двойного переноса. Сначала полировка вафли на основной пластине диаметром 550 мм. Далее вафлю можно отполировать на финале тарелка диаметром 350 мм. Первичная пластина удерживается вакуумом для быстрой и легкой сборки. Зона уборки расположена над последняя пластина, для промывки вафли и носителя. Это также позиция загрузки для перевозчика.Средство подготовки первичного пластина может быть выполнена с диаметром до 238 мм, что составляет погруженный в ДИ воду во время цикла полировки. Этот кондиционер может быть оснащен либо кистью, либо алмазным диском. Кондиционер для последняя пластина состоит из линейной кисти.

E460

E460 предназначен для полировки и выравнивания одиночных пластин с диаметрами между 2 “и 8”.Оптимальное использование E460 в области исследований и разработок приложений, а также небольшие производственные требования из-за гибкости машины.
E460 предлагает 5 шагов процесса. Каждый шаг предлагает определенный набор параметров. Инструмент позволяет загружать вручную с автоматическим контролем полировки. Наш стандартный монтаж вафель использует вакуум и противодавление, но возможен любой вид монтажа: воск, шаблоны. Специальная договоренность перевозчика может быть реализована в соответствии с требованиями клиентов.Инструмент оснащен устройством автоматического кондиционирования. Разъемы для простого и быстрого Обнаружение конечной точки размещается на задней стороне машины.

Особые преимущества:

• Быстрый обмен деталями, посвященными процессу: валик, держатель и головка кондиционера (требуется 2 минуты).
• Идеально подходит для разделения машины между различными командами.

E400

Новое: недавно Alpsitec разработал также настольную версию своего станка CMP для пластин размером от 25 до 100 мм.

Crystec Technology Trading GmbH будет рад дополнительно обсудить детали с вами.
Содержание Страница	Вы заинтересованы в дальнейшей информации? Пожалуйста свяжитесь с нами!	Топ Страница

Абразив для химико-механического полирования

1. Введение

Химико-механическое полирование (CMP) используется в течение нескольких десятилетий в производстве полупроводников с момента его разработки в 1980-х годах [1, 2, 3, 4, 5]. Первоначальная цель CMP состоит в том, чтобы выровнять поверхность пластины как локально, так и глобально, что дает возможность последующего литографического формирования рисунка с надлежащей глубиной фокуса [1, 2, 3, 4, 5]. Однако, поскольку усадка устройства продолжается, он стал критическим процессом для изготовления устройства, и его приложения играют ключевую роль в полупроводниковом процессе, поскольку масштабирование транзисторов становится больше 14 нм [5, 6, 7, 8, 9].Роль CMP и планаризованных пластин, связанных с формированием рисунков литографии, схематически показана на рисунке 1 [1, 4]. Топография поверхности препятствует конформному отложению фоторезиста, что приводит к искаженному рисунку. Кроме того, преимуществами использования CMP в производстве полупроводников являются [4, 5]: (1) устранение бремени покрытия шага, (2) удаление дефектов с предыдущих этапов процесса, (3) сглаживание поверхности в масштабе пластины и (4) включение формирования металлического затвора на устройстве до 14 нм. Основным механизмом процесса CMP является [1, 2, 3, 4]: (1) поверхность материала размягчается в результате химической реакции с суспензией, (2) механическая сила, вызванная абразивной частицей в суспензии, удаляет размягченный слой и уменьшение высоты ступени, ( 3) Поверхность материала вступает в реакцию с химикатом шлама, чтобы снова смягчить слой и повторить (1) – (3).Следовательно, химические и абразивные частицы в суспензии определяют характеристики CMP. Эта процедура приведена на рисунке 2. С помощью этого процесса может быть достигнуто быстрое удаление материала через пластину с планаризацией. С абразивной точки зрения во многих литературных источниках была опубликована модель абразивно-пластинчатого контакта по скорости удаления, в которой подчеркиваются размер и распределение абразивных частиц, а также форма и твердость абразива. Несмотря на то, что применение CMP началось с планаризации изношенных диэлектрических материалов, его использование было широко признано в мелкой траншейной изоляции, контактных и металлических соединениях [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].В последнее время в полупроводниковом масштабировании до 14 нм была разработана схема интеграции устройства для формирования трехмерного транзистора, такого как ребристый полевой транзистор, поэтому процесс обработки устройства становится намного более сложным, чем в предыдущем узле устройства [6, 7, 8, 9, 11, 12 ]. Следовательно, применение CMP распространяется на формирование транзистора, и важность процесса CMP становится сильно подчеркнутой.

Рисунок 1.

Концепция химико-механического полирования (CMP). Непланаризованная топография становится плоской поверхностью с помощью CMP.

Рисунок 2.

Схематический механизм удаления материала с помощью CMP.

На рисунке 3 (а) показано оборудование для полировки и обработки полировки пластин. Полировочная головка удерживает пластины под вакуумом и вращается на полировочной площадке. Шлам поступает с помощью пульпы и кондиционера для полировочных подушек, обновляя поверхность полировальных площадок при каждой обработке пластин, что приводит к глобальной планаризации и полировке. Принимая во внимание, что при наблюдении в микромасштабе во время обработки CMP происходит сложное взаимодействие между поверхностью подложки-абразивной суспензии (абразивная и химическая), что изображено на рисунке 3.В соответствии с разработкой полупроводникового процесса, CMP сама разработала свое оборудование, расходные материалы, функции полировки и суспензии для повышения производительности.

Рисунок 3.

Схема обычного оборудования CMP.

Характеристики CMP определяются скоростью удаления (пропускная способность), селективностью, планаризацией (плоскостностью), в пределах неоднородности пластины, топографией поверхности (шероховатостью), коррозией и дефектами после CMP. Их определения:

Коэффициент удаленияRR = preCMPthickness – postCMPthickness / время полировки

В пределах однородности пластин = Сигма толщины пленки postCMP / Средняя толщина пленки PostCMP

СелективностьA: B = RRofAmaterial / RRofBmaterial

Скорость снижения.Эти характеристики тесно связаны с выходом устройства и электрическими характеристиками. Например, CMP-индуцированный дефект царапин (рис. 4) отрицательно влияет на выход устройства [3, 5]; На сопротивление транзистора сильно влияет однородность после CMP, а остаточный материал блокирует последующее формирование рисунка. Характеристики CMP определяются несколькими факторами процесса CMP; однако CMP-суспензия является наиболее влиятельным параметром. Суспензия CMP состоит из абразивных частиц и химических компонентов, таких как регулятор pH, диспергатор, полимерные добавки, окислитель и пассивирующий агент, в зависимости от цели полировки для обеспечения надлежащей модификации поверхности материала.

Рисунок 4.

Примеры CMP-индуцированных изображений микроцарапин [13].

Как описано на рисунке 3, прямой контакт между абразивной частицей и поверхностью пластины удаляет материал, таким образом, свойства и характеристики абразивной частицы и их понимание неизбежны для оптимизации процесса CMP. Несмотря на то, что для применений CMP было опробовано множество различных видов абразивов, до недавнего изготовления устройства успешно использовались три абразива. Это абразив на основе диоксида кремния, абразив на основе оксида церия и абразив на основе оксида алюминия.Тем не менее, CMP является незаменимым процессом для будущего производства полупроводников и требует разработки новых абразивов для успеха нового разработанного устройства и зрелого производства. На рисунке 5 показана тенденция рынка абразивных материалов CMP в полупроводниковой промышленности [14]. Ожидаемые темпы его роста в ближайшие 4 года примерно на 30% больше, чем в 2016 году. В этой главе представлены абразивные частицы и их применение в технологии CMP для производства полупроводников.

Рисунок 5.

Тенденция на рынке абразивного шлама (перепечатано из Ref.[14] с разрешения автора. Copyright Линкс-консалтинг). FS представляет собой коллоидный диоксид кремния, UHPCS – коллоидный диоксид кремния сверхвысокой чистоты, а CSI – абразив на основе коллоидного диоксида кремния.

2. Абразив для диэлектрика CMP

Диэлектрический материал при обработке полупроводников относится к изоляционным материалам и в основном он указывает на все виды оксидных материалов кремния [5]. Большинство приложений CMP диэлектрика сосредоточены на формировании транзистора, который называется процессом начала линии (FEOL). А диэлектрический CMP требует либо оксидного объемного CMP, либо остановки CMP на материале «пробки».Для остановки на корпусе CMP оксидный материал удаляется с помощью CMP, а CMP останавливается, когда материал пробки обнажается. CMP с неглубокой траншейной изоляцией (STI) и межслойный диэлектрический (ILD) CMP являются типичными приложениями для диэлектрического CMP. Процесс STI CMP (остановка на «нитриде кремния») описан на рисунке 6 [3] в качестве примера диэлектрического CMP. Стопорными материалами в основном являются нитрид кремния или поликремний в процессе FEOL. Для целей диэлектрического CMP, два-три основных абразива используются в продвинутом узловом производстве полупроводников.

Рисунок 6.

Процедура поверхностной изоляции траншей (STI) CMP. Остановка полировки на нитриде кремния (перепечатано с разрешения [3]. Copyright 2010 Американское химическое общество).

2.1. Суспензия на основе диоксида кремния и абразив на основе диоксида кремния

Как кратко описано во введении, механизм CMP представляет собой удаление мягкого слоя абразивными частицами. В этом разделе частицы кремнезема вводятся в качестве абразивного раствора. В процессе диэлектрического CMP поверхность оксида кремния реагирует с OH ^– из раствора суспензии и образует гидроксид кремния Si (OH) ₄ .Реакция гидратации есть.

SiO2x + 2h3O → SiO2x − 1 + SiOh5

И этот размягчитель Si (OH) ₄ механически удаляется абразивным кремнеземом [3, 15]. Затем поверхность оксида кремния подвергается воздействию, и гидратация происходит снова. Этот процесс повторяется, пока оксид кремния не исчезнет. На рисунке 2, мягкий слой может рассматриваться как Si (OH) ₄ в этом случае. На скорость гидратации влияет концентрация ионов ОН ^– в растворе, поэтому щелочная среда может ускорить гидратацию поверхности и ускорить удаление материала за счет быстрой реакции [2, 15, 16].Следовательно, абразивная суспензия с высоким pH кремнезема является благоприятной для получения высокой скорости удаления. Два распространенных метода синтеза абразивов на основе диоксида кремния коммерчески используются в полупроводниковой промышленности. Один из них является коллоидным процессом, а другой коллоидным [5, 17, 18, 19]. Типичные абразивные изображения кремнеземистого абразива по каждому методу синтеза приведены на рис. 7 [20, 21]. Для синтеза коллоидного диоксида кремния используется реакция пламени хлорсилана при высокой температуре, которая суммируется при.

SiCl4 + 2h3 + O2 → SiO2 + 4HCl

Рисунок 7.

ПЭМ-изображения (а) испаренных (перепечатано с разрешения [20], Авторское право, 2012 г., Американское химическое общество) и (б) коллоидный кремнеземный абразив [21].

С помощью этого метода раннее развитие размера абразивных частиц кремнезема превышает 300 Å, но развитие фильтрации и последующей обработки позволяет контролировать размер абразива ниже 150 Å. Коммерческая абразивная суспензия из коллоидного диоксида кремния для диэлектрика CMP имеет высокую концентрацию абразива для достижения достаточной скорости удаления. Однако высокая концентрация абразива приводила к появлению царапин, дефектов, которые легко агломерировались, и возникала проблема засорения в системе подачи суспензии или фильтре.

На рисунке 8 показан пример забитого абразива на основе диоксида кремния, который приводит к значительным дефектам на пластине после CMP. Беловатые частицы являются абразивным кремнеземом в системе шламовой петли Поэтому в последнее время в производстве устройств все чаще используется абразивная суспензия из высокодисперсного диоксида кремния, и прогнозируется меньшее использование абразива из высокодисперсного диоксида кремния, как показано на рисунке 5. В противоположность методу из коллоидного абразива синтезируется в процессе роста жидкой фазы через прекурсор [5, 16, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25].Обычно коллоидный диоксид кремния получают из силиката натрия (Na ₂ SiO ₃ ) или метасиликата натрия (NaHSiO ₃ ). Посредством ионного обмена ион натрия удаляется, и образуется коллоидный диоксид кремния для использования в качестве абразива для суспензии CMP. Абразивная суспензия коллоидного диоксида кремния имеет гораздо более низкую скорость удаления, чем абразив из коллоидного диоксида кремния, хотя она дает гораздо более низкую эффективность царапин из-за своей сферической формы и небольшого размера. Для повышения скорости удаления диэлектрического материала коллоидным кремнеземом в качестве усилителя удаления добавляется органический катион [16].Он изменяет поверхностный заряд коллоидного диоксида кремния с отрицательного на положительный, а кулоновская сила притяжения между абразивной и диэлектрической поверхностями, которая является отрицательной, ускоряет скорость удаления. Как показано на рисунке 9 (а), поведение дзета-потенциала поверхности по отношению к рН [26] может поддержать этот механизм. Схема увеличенной скорости удаления коллоидного абразива на основе диоксида кремния приведена на той же фигуре. Контроль pH имеет решающее значение для этого случая. В последнее время сообщалось о нескольких попытках нового синтеза абразива на основе кремнезема для добавления более стабильного распределения частиц [26, 27, 28, 29].Например, Pan et al. представлены модифицированные силаном кремнийорганические абразивные частицы для уменьшения гелеобразования коллоидного кремнезема благодаря высокой химически активной гидроксильной группе с поверхности кремнезема. Силоксановые группы в силане и гидроксильные группы на поверхности кремнезема генерируют реакцию гидролизной конденсации, которая приводит к изменению дзетапотенциала поверхности для улучшения стабильности дисперсии [27].

Рисунок 8.

Засоренный абразив на основе диоксида кремния в контуре подачи суспензии

Рисунок 9.

(а) дзета-потенциал SiO2 и (б) кремнеземный абразив без обработки поверхности и с обработкой поверхности органическим катионом в кислой области.

2.2. Абразив церия для диэлектрической суспензии CMP

Несмотря на то, что благодаря абразиву на основе диоксида кремния достигается высокая скорость удаления, низкая стоимость владения и эффективная планаризация, контроль селективности и низкие требования к царапинам приводят к универсальному использованию абразива на основе диоксида церия в диэлектрике CMP для передовых узловых полупроводниковых производств. ,А в недавних диэлектрических СМР используется суспензия на основе оксида церия намного чаще, чем раньше (см. Рис. 5). Механизм CMP для суспензии на основе оксида церия отличается от суспензии на основе оксида кремния. Вместо механического удаления кремнеземистым абразивом диоксид церия использует преимущественно поверхностное взаимодействие с оксидом кремния.

-Ce-OH + -SiO- → -Si-O-Ce + OH-

Сильная связь между Ce и гидратированным силикатом отделяет оксид кремния и комок Si-O-Ce удаляется с поверхности [15, 30]. Процесс Ceria CMP показан на рисунке 10.

Рисунок 10.

Схематический механизм скорости удаления оксида церия абразивом.

Следовательно, контроль поверхностного заряда абразива церия важен при определении характеристик CMP. Поведение поверхностного заряда может указываться свойством церия-дзета-потенциала [31]. Как показано на рисунке 11 (а), изоэлектрическая точка (IEP) оксида церия составляет ~ рН 8 (при кислотном: положительный заряд, при щелочном: отрицательный заряд), а поверхностный потенциал противоположен оксиду кремния в кислой среде. Таким образом, pH большинства церий-абразивных суспензий составляет менее 8 для облегчения образования Si-O-Ce.Подобно абразивному синтезу на основе диоксида кремния, два типа абразива на основе церия обычно синтезируются для применений CMP [5, 31, 32]. Это кальцинированный церия абразивный и мокрый (или коллоидный) церия абразивный. Прокаленный синтез основан на твердофазном процессе окисления. Сырой церия материал окисляется с последующим механическим измельчением, чтобы сделать их мелкими частицами. И фильтрация удаляет крупные частицы. В зависимости от условий дробления и фильтрации, размер абразивного обожженного церия можно контролировать. С другой стороны, влажный процесс использует процедуру осаждения в жидком состоянии.Ядро семян церия в водном растворе церия растет и образует частицы церия (или гидроксида церия). Церийный абразив, полученный мокрым способом, имеет сферическую форму и узкое распределение частиц по размерам по сравнению с прокаленным процессом. Эти методы синтеза и типичные церия абразивные изображения для каждого метода схематически показаны на рис. 11 (б) – (г) [31, 33, 34, 35]. Общее сравнение свойств кальцинированного обработанного церия абразива и коллоидного церия абразива суммировано в таблице 1 [31]. Кальцинированная абразивная суспензия церия обеспечивает стабильную скорость удаления.Влажная абразивная суспензия церия показывает относительно более низкую скорость удаления, чем кальцинированный абразивный церий, однако наиболее важным преимуществом абразивной суспензии влажного церия является улучшение дефектов царапин из-за небольшой и правильной формы абразивной частицы. Недавнее исследование, проведенное Seo, показало, что состояние окисления поверхности Ce оказало значительное влияние на взаимодействие CeO ₂ с силикатом, и они исследовали влияние концентрации ионов Ce ³⁺ на сродство к ионам силиката и влияние размера частиц влажного диоксида церия на адсорбцию. силиката [35, 36].Более высокая концентрация ионов Се ³⁺ повышает сродство к адсорбции с силикатными ионами, а более крупный абразив церия имеет более высокие ионы Се ³⁺ из-за более высокого отношения поверхности к объему. В дополнение к кальцинированному и мокрому процессу, флюсовый метод синтеза абразивной частицы церия предложил преодолеть ограничение кальцинированного или мокрого процесса [37]. Он использует гексагидрат нитрата церия (Ce (NO ₃ ) ₃ · 6H ₂ O) и гидроксид калия (KOH) в качестве исходного материала и этиленгликоль (C ₂ H ₆ O ₂ ) – ДИ смесь в качестве растворителя.Посредством осаждения, гидротермальной реакции и процесса центрифугирования демонстрируется узкое распределение по размерам с желаемыми характеристиками синтеза церия-абразива [37]. Применение суспензии на основе оксида церия или оксида церия в CMP расширяется, и в полупроводниковой промышленности появляются усовершенствованные суспензии с абразивом церия. Ультратонкий (или наноразмерный) абразив церия и композитный абразив будут представлены в разделе 5.

Рис. 11.

(a) Кривая дзета-потенциала обычного абразива церия, (b) синтез кальцинированного абразива церия, (c) синтез коллоидного церия абразива, (d) ПЭМ изображения кальцинированного (слева) и коллоидного (справа) абразива церия ((a) и (d) перепечатаны с разрешения матери.и интерфейсы, Jihoon Seo et al. [35], Copyright 2014 American Chemical Society) ((b) & (c) Перепечатано из [34] с разрешения авторов)).

Таблица 1.

Свойства кальцинированного CeO ₂ и коллоидного CeO ₂ (Перепечатано из [31] с разрешения автора).

3. Абразив для вольфрама CMP

Вольфрам был использован для соединения металла и формирования контактов. Многие металлы-кандидаты были разработаны для замены вольфрама; однако вольфрам все еще является стандартным металлом для формирования контактов менее 14 нм из-за его превосходных характеристик электромиграции и диффузионного барьера [3, 38]. Механизм CMP вольфрама был впервые предложен Кауфманом [39].Нетронутая поверхность вольфрама окисляется окислителем в кислых условиях и превращается в оксид вольфрама (WO _x ). Образование оксида зависит от раствора и химического состава. Оксид вольфрама играет роль пассивирующего слоя для защиты подземного вольфрама от растворения или коррозии. А оксид вольфрама легко удаляется механическим воздействием абразива, поскольку его твердость меньше, чем у чистого вольфрама. Этот процесс повторяется до тех пор, пока CMP не остановится. Следовательно, роль химии (в частности, окислителя) важна для вольфрама CMP.Среди многих видов окислителей наиболее успешным является нитрат железа (Fe (NO ₃ ) ₃ -) [3, 5]. Схематическое описание механизма вольфрама CMP приведено на рисунке 12. Обычная и коммерчески доступная суспензия для вольфрама CMP содержит абразивы на основе оксида алюминия и диоксида кремния [3, 5]. При изготовлении логического устройства с длиной волны менее 14 нм вольфрамовая СМР является наиболее важным процессом, обеспечивающим формирование транзистора. Это требует превосходной плоскостности и чрезвычайно точного контроля однородности. Для этой цели глиноземный абразив показал лучшие показатели плоскостности и селективности.Следовательно, его использование для объемного вольфрама CMP обычно применяется в передовых производствах устройств. Глиноземный абразив был синтезирован методом квасцов и обжига [18]. Для применения CMP обычно используется альфа-оксид алюминия. Твердость глиноземного абразива намного выше, чем у вольфрама и оксида вольфрама, поэтому на поверхности легко царапается дефект. Кроме того, из-за разницы в поверхностном заряде между оксидом алюминия и вольфрамом в кислотной области сила притяжения удерживает абразив из оксида алюминия на поверхности пластины.Недавно композитный глиноземный абразив с полимерным материалом был внедрен в промышленность из-за проблем с дефектами в усовершенствованном узле полупроводников [38]. Использование суспензии на основе кремнезема на вольфрамовой СМР обычно для неселективной цели СМР (полировка как вольфрама, так и диэлектрического материала), поскольку его селективность в отношении оксида не так высока, как абразивная суспензия оксида алюминия. CMP вольфрама обусловлен химическим воздействием больше, чем механическое истирание, скорость удаления сильно зависит от химических компонентов (окислитель, поверхностно-активное вещество и стабилизатор) и условий активации (например, температура процесса) [39, 40, 41].Поэтому адекватные комбинации между ними необходимы для обеспечения желаемых характеристик CMP. Хотя скорость удаления линейно увеличивается с концентрацией абразива в суспензии, эффект загрузки (очень низкая скорость удаления или поведение нелинейной скорости удаления на ранней стадии CMP) является более значительным в вольфрамовой CMP, чем в диэлектрической CMP. Иттрий, церий, цирконий и композитные абразивы были опробованы и разрабатываются для применения вольфрама CMP [3].

Рисунок 12.

Механизм вольфрама CMP.

4. Абразив для меди CMP

Медь была внедрена в производство полупроводников для применения в межсоединениях металлов в середине 1990-х годов, и теперь она является стандартным металлом для внутренней части межсоединения линий [2, 3, 4, 10]. Соответственно, CMP для меди был выделен из-за его технологических проблем. Подобно вольфрамовой CMP, медный механизм CMP основан на модели Кауфмана. Химическая реакция от пульпы производит окисленную медь, а абразивные частицы удаляют окисленную медь. Основными компонентами медной суспензии CMP являются абразив, окислитель, ингибитор, поверхностно-активное вещество и хелатирующий агент.Проблемы меди CMP являются дефекты царапин и коррозии меди. Коррозия в основном вызвана химическим веществом в пульпе, а большинство царапин вызвано абразивными частицами. В частности, твердость меди ниже, чем у большинства абразивных частиц. Следовательно, меньший размер абразива со сферической формой и меньшее содержание абразива являются благоприятными для композиции суспензии. Обычными медными абразивами CMP являются глинозем и коллоидный кремнезем [3, 10]. Однако при усовершенствованном производстве полупроводников коллоидный кремнеземный абразив становится преобладающим, потому что он имеет заметную скорость полировки барьерного материала (тантал / нитрид тантала).На скорость удаления меди и характеристики CMP чувствительное влияние оказывает химический состав и компоненты в суспензии в сочетании с абразивными характеристиками диоксида кремния. Большинство исследований медной суспензии CMP были сосредоточены на химическом аспекте, а не на абразивах.

5. Усовершенствованные абразивные материалы для будущих применений CMP

Одним из наиболее важных требований процесса CMP в полупроводниковых устройствах является уменьшение дефектов царапин, которое упоминалось в этой главе несколько раз.Для абразивной перспективы абразивная частица меньшего размера благоприятна для царапин. Таким образом, последние абразивные технологии были сосредоточены на абразивном синтезе наноразмеров с минимальной агломерацией. Для диэлектрической CMP была введена наноразмерная абразивная суспензия гидроксида церия (или ультрадисперсного гидроксида церия или нанокерия) из-за ее потенциального уменьшения дефектов царапин [33, 34, 42, 43]. Процедура синтеза наноразмерного абразива гидроксида церия приведена на рисунке 13.

Рисунок 13.

Синтез наноразмерного абразива гидроксида церия (перепечатано из [33] с разрешения авторов).

Изображение на прокаленном электронном микроскопе кальцинированного абразива церия и наноразмерного абразива сравнивается на рисунке 14 [44]. Один размер абразива становится равным 5 нм. Даже размер агломерированного абразива составляет менее 20 нм. Танака и др. Продемонстрировали контроль скорости удаления и селективности путем замены добавок [33, 34]. Тем не менее, механизм CMP наноразмерного абразива гидроксида церия еще не совсем понятен.Хан и соавт. Сообщалось, что контроль шероховатости поверхности полировочных подушек имеет решающее значение для поддержания стабильности скорости удаления с помощью наноразмерного абразива на основе гидроксида церия [44]. Ким предложил модель покрытия частиц на пластине в качестве механизма удаления материала с помощью наноразмерного абразива гидроксида церия [43]. Чтобы применять наноразмерный абразив на основе гидроксида церия для диэлектрической СМР, необходимо дополнительно изучить роль химического состава для повышения скорости удаления с контролем селективности.

Рисунок 14.

ПЭМ-изображения (а) прокаленного абразива церия и (2) наноразмерного абразива гидроксида церия (перепечатано с разрешения Ref.[44], Copyright 2013 Springer Nature).

Композитный абразив недавно привлек внимание к полупроводниковой промышленности. Каждый абразив имеет свои уникальные свойства. Некоторые из них очень привлекательны, а некоторые не подходят для желаемых результатов CMP. Попытки объединить преимущества только от разных абразивов привели к развитию абразивного соединения церия-диоксид кремния (45, 46, 47, 48). Исследователи обратили внимание на диоксид кремния, покрытый церией, в качестве абразива для суспензии CMP следующего поколения. Чжао и соавт.использует золь-гель метод синтеза абразива на основе оксида кремния с покрытием из оксида церия [48]. Они подготовили тетраэтилортосиликат и аммиак в качестве сырья, а композитные наночастицы были синтезированы методом осаждения. Около 150–200 нм сферических абразивов на основе оксида церия, покрытых диоксидом кремния, были успешно синтезированы. Размер оболочки церия составляет 10 нм. Peedikakkandy et al. синтезировали монодисперсные наночастицы оксида кремния с покрытием из оксида церия методом микроэмульсии и процесса химического осаждения [46]. Приблизительно ~ 10 нм кристаллического оксида кремния над кремнеземом со сферической формой и общим размером частиц <100 нм абразив успешно получен.Чжан и соавт. синтезированный абразив диоксида кремния с покрытием из церия методом осаждения с использованием аммиачной церия-нитрата и мочевины в качестве осаждающего вещества с поли (винилпирролидоном) (PVP) в качестве помощника [45]. При оптимизированных условиях синтеза получается абразив диоксида кремния с покрытием из оксида церия <200 нм. В их исследовании, дифракция рентгеновских лучей подтверждает гранецентрированный кубический CeO ₂ наночастиц инкапсулирует ядро ​​кремнезема. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) показывает равномерно распределенные частицы сферической формы. Просвечивающий электронный микроскоп (TEM) непосредственно показывает доказательства гомогенного зародышеобразования частиц церия и гетерогенного зародышеобразования частиц кремнезема с однородной, отличительной и кристаллической оболочкой из церия.С абразивом на основе оксида кремния, покрытого оксидом церия, более высокая скорость удаления, чем у абразива из чистого оксида кремния, и сопоставимая шероховатость поверхности на стеклянной подложке CMP Аналогично, покрытый церией абразивный церия, Chen et al. сообщалось о композитном абразиве, содержащем твердое кремнеземистое ядро ​​с кремнеземистой мезопористой оболочкой [29]. Преимущество мезопористого кремнезема – его значительная способность к упругому восстановлению в сочетании с пластичным поведением. Чен и соавт. синтезированное ядро ​​из твердого кремнезема по обычной процедуре Штобера и оболочка из кремнезема, инкапсулирующая ядро, посредством модифицированного процесса Штобера.Он использует винилтриметоксисилан (VTMS) в качестве источника диоксида кремния и бромид цетилтриметиламмония в качестве агента, направляющего структуру. Хорошо определены абразивы сферической формы, и они четко показывают структуру ядро-оболочка. Толщина оболочки мезопористого кремнезема контролируется количеством VTMS во время синтеза. С этим абразивом проявляется более высокая скорость удаления термической пленки диоксида кремния и более низкая шероховатость поверхности. Полимерный композит привлек внимание общества CMP из-за его потенциального уменьшения дефектов царапин.Чен и соавт. сообщалось об абразиве ядро-оболочка на полимерной основе с целью уменьшения дефекта царапанья CMP. Основным абразивом является сферический полистирол (PS), а в качестве абразива для оболочки выбран церия [49]. Механизмом низкого царапин и минимизации повреждения пластин является амортизационный эффект мягкой полимерной сердцевины абразива. Для этого гибридного абразивного синтеза используют химическое осаждение in situ смесью деионизированной воды, сфер PS, гексагидрата нитрата церия (Ce (NO ₃ ) ₃ · 6H ₂ O) и гексаметилентерамина.Как показано на Фигуре 15, отчетливо наблюдаются равномерно распределенные частицы оксида церия на ядре PS, что указывает на образование ядра / структурированной абразивной частицы. Размер частиц оксида церия составляет около 10 нм и гранецентрированная кубическая структура, что подтверждается данными рентгенографии и SAED. На основании теста CMP с термической оксидной пленкой гибридная абразивная суспензия PS / церия демонстрирует более низкую скорость удаления, меньше царапин и более низкую шероховатость поверхности по сравнению с абразивной суспензией церия.

Рисунок 15.

(а) СЭМ-изображения и (б) ПЭМ-изображения композитного абразива PS / церия (перепечатано с разрешения [49], Copyright 2016 Springer Nature).

Наноразмерный абразив церия уже используется в производстве полупроводников. Композиционный абразив из оксида церия-диоксида кремния или диоксида кремния-диоксида кремния все еще находится в стадии разработки, хотя предлагается несколько уникальных синтезов, которые демонстрируют многообещающие данные CMP. Большая часть литературы с композитным абразивом фокусируется на скорости удаления материала и качестве поверхности.Тем не менее, приложение CMP нуждается в большей производительности. Для использования в промышленности композитные абразивы должны избегать агломерации, должны иметь устойчивую абразивную стабильность, требовать оптимизированной химии, а также должны выполняться дополнительные характеристики CMP, такие как селективность и дефектность.

Новые материалы CMP появились вместе с введением нового устройства и усадкой узла устройства, от ультрамягких материалов, таких как пористый low-k и фоторезист, до высокореакционноспособного металла, такого как рутений (Ru) [3, 4, 5, 50 , 51].Ультрамягкий материал CMP нуждается в очень мягкой абразивной или даже не содержащей абразивов суспензии [5]. Ru – мало химически реактивный металл с высокой твердостью. И это больше зависит от механической силы, чтобы удалить слой Ru, чем химическое растворение. Кроме того, RuO ₄ , который может быть получен с помощью химического раствора, является токсичным газом [50, 51]. Поэтому Ru CMP имеет много ограничений для достижения достаточной скорости удаления CMP. Кобальт (Co) является наиболее потенциальным металлом-кандидатом для замены вольфрама в качестве контактного металла (или замены Ta / TaN в качестве барьерного металла), и его абразивное развитие в суспензии CMP является главной проблемой при изготовлении устройства [52, 53, 54].Известными проблемами Co CMP являются остаточные дефекты абразивных частиц и коррозия Co. Больше трудностей с этими материалами имеют не только целевой материал CMP, но и соседние материалы CMP для правильной селективности. Большинство новых материалов CMP-суспензия основана на абразивном кремнеземе, и химическая оптимизация была подчеркнута. Тем не менее, у него все еще есть много возможностей для разработки абразивных материалов. Углеродные материалы (углеродные нанотрубки или графен) уже давно привлекают к себе внимание полупроводниковой промышленности.С точки зрения CMP, полировка углеродных материалов, о которой редко сообщалось, является большой проблемой для абразивной разработки из-за ее высокой твердости.

6. Контроль абразива в полупроводниковой промышленности

Роль абразива в применении CMP заключается в получении достаточной скорости удаления материала, желаемой селективности и низкой производительности по дефектам (остаточным частицам и царапинам). В дополнение к разработке усовершенствованного абразивного материала и синтеза, абразивное распределение по размерам и диспергирующая способность в растворе были разработаны для контроля большого количества частиц.Распределение частиц по размерам является природным абразивным материалом, полученным в результате синтеза, однако система распределения суспензии и фильтрация могут контролировать крупные частицы и агломерацию из суспензии без ухудшения характеристик CMP. В больших объемах производства полупроводников, система распределения пульпы рассматривается как инфраструктура вместо оборудования [18, 55]. Он состоит из (1) барабана для суспензии, (2) перемешивания барабана (переворачивания барабана), (3) смешивания и дозирования суспензии, (4) резервуара (или резервного резервуара) с мешалкой, (5) зацикливания на инструментах.На рисунке 16 показана упрощенная система распределения. Шлам циркулирует в цикле, пока не будет использован для CMP. Абразивная агломерация вызвана сдвиговым напряжением, изменением температуры и химическим изменением, если надлежащая фильтрация не осуществляется [56]. Расположение фильтров из системы распределения жидкого навоза подбирается тщательно. Больше фильтрации быстро сбрасывает давление потока суспензии с помощью самого фильтра. Очень тонкий фильтр удаляет большинство абразивов, что приводит к низкой скорости удаления. Различная суспензия требует различного типа фильтра и фильтрации в разных местах; однако глобальная петлевая фильтрация и фильтрация по месту использования (POU) на полировальном оборудовании являются стандартными [18, 56, 57].Общий размер фильтра обычно> 10 мкм, что больше, чем у фильтра POU, чтобы избежать падения давления потока. Размер фильтра POU меньше 1 мкм. Yi Wei и др. Показали агломерационное поведение различных суспензий. Абразивная агломерация коллоидного кремнезема более чувствительна к напряжению сдвига, чем абразивный церия. Наиболее важной задачей фильтрации является закупорка абразивами. Хорошо известны три механизма закупоривания при фильтрации: образование осадка, постепенное закупорка и полное засорение [58].Образование кека обусловлено накоплением частиц на поверхности фильтра, постепенное закупоривание вызвано накоплением частиц в поре, а конкурентное засорение указывает на блокирование поры частицами. В зависимости от размера частиц, деформируемости и агломерации процедура фильтрации может быть оптимизирована. Наиболее часто используемый фильтр в суспензии CMP является типом «градуированной плотности». Он состоит из нескольких слоев волокнистых сред и имеет градиент удержания наряду с направлением потока. Обычно крупные частицы сначала улавливаются на внешнем слое, а мелкие частицы остаются на внутреннем слое.Однако в последнее время сообщается о более продвинутых исследованиях фильтров и фильтрации. Сообщается, что усовершенствованный фильтр на основе нановолокна используется для удаления большого абразива и предотвращения агломерации. Morby и соавт. Предложили композитный / жестко структурированный фильтр, который состоит из двухкомпонентной грубой волокнистой матрицы из термически связанного полиолефина и полотна из микроволокна в качестве фильтра следующего поколения для сохранения давления потока суспензии и эффективного удаления большого абразива [59]. Помимо фильтрации диспергатор в суспензии предотвращает агломерацию абразива.В случае суспензии с высоким содержанием абразива абразивные частицы легко осаждаются и агломерируются за счет взаимодействия заряда частиц. Наряду с разработкой абразивного раствора в суспензии, для приготовления шлама требуется усовершенствованная разработка фильтра и предотвращение образования осадка абразива.

Рисунок 16.

Средства доставки жидкого навоза в производстве полупроводников. (SD = раздача жидкого навоза, SBD = распределение в режиме ожидания).

7. Заключение

В этой главе рассматриваются абразивные материалы для применения CMP в производстве полупроводников.Он включает абразивные типы, абразивный синтез, механизм CMP и роль абразивов, а также возможности новых абразивных разработок. Полупроводниковый бизнес стремительно растет, и в соответствии с требованиями рынка были разработаны различные полупроводниковые структуры с высокими эксплуатационными характеристиками. Чтобы достичь зрелого производства полупроводников, разработка процесса CMP имеет решающее значение, и абразивные материалы в суспензии играют ключевую роль в определении характеристик CMP. Наиболее распространенным абразивом в диэлектрической СМР является диоксид кремния или диоксид церия.Для металла CMP (вольфрам и медь) кремнезем является наиболее популярным абразивом. Усовершенствованный синтез для абразивов на основе диоксида кремния или церия, новых абразивных материалов и композитных абразивов был изучен для высокоэффективных CMP и нового материала CMP. Кроме того, контроль за абразивом жидкого раствора в петле подчеркивается. Расширенная фильтрация имеет решающее значение для поддержания абразивного распределения размеров. Приложения CMP в основном сосредоточены на полупроводниковой промышленности; однако его использование расширяется, чтобы показать промышленность, M / NEMs, автомобильную промышленность и биотехнологию.Ключ каждого приложения – благородная абразивная разработка с правильной химией.