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      CMP產業技術發展動態

      CMP產業技術發展動態

      來源:
      2015/03/31
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      近年來,隨著CMP產業技術的飛速發展,先進CMP技術的未來應用前景與存在的挑戰是備受關注的熱點。當前針對10nm以下CMP技術主要有:FinFET STI CMP,FinFET Poly CMP,FinFET RMG W CMP,Cu CMP,TSV Cu CMP等。而在攻克10nm以下CMP技術的道路上,擺在面前的挑戰有:FEOL CMP中的缺陷減少和均勻性控制,MOL CMP中的金屬柵極高度控制,缺陷減少和自對準接觸,以及BEOL CMP中的釕的拋光優化,鈷的金屬化,缺陷減少和過程控制等。CMP必須突破技術瓶頸才能在先進技術中得到持續的發展和應用,各方應積極協作,共同面對這些挑戰。

      針對CMP耗材技術、先進節點下的CMP技術、CMP硬件設備與控制和新型CMP應用與仿真技術等是當前亟待解決的問題和挑戰,2015年3月15-16日,中國國際半導體技術大會的CMP及CMP后清洗分會場上,各位專家學者們進行了精彩的報告。
      一、CMP耗材技術
      CMP耗材技術,主要是指對CMP過程中的拋光墊,拋光液,修整器等等對CMP結果的影響分析?,F階段對于CMP的考察主要從平坦化程度、技術可靠性、缺陷控制能力等方面,其中缺陷控制這塊包括對劃痕、顆粒物和腐蝕等影響的分析,也是研究的重點。海力士的KeeJoonOh、中芯國際的劉洪濤先生、Entegris的HJ Yang和Cabot的Alex  Wang分別從拋光液的角度出發,分析了拋光液對CMP過程中缺陷控制影響;SYMicro-Elecronic Tech.Ltd的Haiyu Kui從修整器和拋光墊的角度出發,也做了相應的研究。
      劉洪濤先生總結了32/28nm BEOL Cu CMP中面臨的挑戰,其中比較關注的是如何減少劃痕和顆粒,此報告指出需要在耗材的質量上把關,尤其對拋光液的選擇和制作上,需要調節好相應的化學成分,選擇合適的拋光液,在這類基礎上再對相應的CMP工藝參數進行調整,包括平衡拋光和清洗各環節的時間等。
      Kee  Joon Oh介紹了拋光液的發展歷程,其以減少劃痕和缺陷,達到平坦化為導向,經歷了磨料從煅制氧化硅到硅膠、從煅燒二氧化鈰到無煅燒二氧化鈰的變化。隨后Kee介紹了用于STICMP的無煅燒二氧化鈰拋光液,并從各個角度展示了實驗結果,如劃痕缺陷、去除率和穩定性、混合比、選擇比、使用壽命和循環等等,最后總結此拋光液有優點的同時,還需進一步的性能提升,需要企業和學術界的合作研究。
      HJ  Yang在對劃痕和拋光液粒徑的控制越來越嚴格的大趨勢下提出一個設想,即通過過濾的方式將拋光液中存在的不符合要求的大顆粒給清除掉,之后在報告中詳細介紹了過濾的模型和堵塞的機理,并給出了相應的解決方案——POT和POD過濾。最后楊先生介紹了納米纖維過濾技術,針對更小粒徑顆粒的過濾需求,其關鍵點是降低初始壓力及降低壓力的增長速度,實現了使用壽命的提升,以及顆粒去除和容納能力的增強。
      Alex  Wang介紹了Cabot公司新研制的用于氧化層拋光的硅膠拋光液——D9228,其擁有高稀釋度、穩定、低缺陷、低成本等優點,且該拋光液采用了電荷吸引的機理來實現和提高去除的效果。王先生還展示了D9228在300mm晶圓上的拋光數據,如缺陷、去除率、去除穩定性等,與同類拋光液進行對比后充分說明了這種拋光液在提高性能、降低成分等方面的優良表現,也從側面體現了拋光液的選擇對CMP結果的好壞重要作用。
      Haiyu  Kui從修整器和拋光墊的角度,采用軟件進行建模仿真,來計算修整器的金剛石顆粒在拋光墊上壓入的深度和運動軌跡之間的關系,在此基礎上改變兩者之間數學上的關系,來分析其對拋光性能的影響。
      二、先進節點下的CMP技術
      隨著半導體行業的發展,特征尺寸越來越小,CMP作為其中不可缺少的一環,也提出了對先進節點下的CMP技術發展要求。在特征尺寸減小的情況下,原有的技術存在瓶頸,如對缺陷的控制要求變得更高了等等。在這樣的趨勢下,來自三星的Yehwan Kim、Macronix的Yung-TaiHung和安集微電子的Chen  Wang三位學者對“極小特征尺寸下的CMP過程缺陷控制的方法”進行了分享介紹。
      Yehwan Kim對10nm特征尺寸下的接觸模式和可能產生劃痕種類進行了簡單講解,在談及如何減少劃痕的措施時,Yehwan Kim分析了相比較高特征尺寸下,需要對顆粒直徑進行控制、保證拋光液的分散穩定性、顆粒的形狀控制等。之后報告中介紹了二氧化鈰磨料,其擁有電動力學的特性,同時對PMMA有吸附的性能,顆粒直徑也不大。此外,Yehwan也分析了現今在極小特征尺寸下面臨的技術障礙:由于對顆粒直徑的控制,使得磨料尺寸下降,相應的減少了劃痕,但與此同時也降低了去除速率,增加了拋光時間,如何平衡這兩者之間的參數使其達到最佳性能是接下來研究的重點。最后Yehwan展示了三星公司生產的用于10nm以下的二氧化鈰磨料拋光液——NSC拋光液,并與其他拋光液進行了對比,體現了高去除率、磨料尺寸納米級、低缺陷等良好的拋光性能。
      Yung-TaiHung主要對拋光后的表面產生異常的顏色變換這一缺陷進行了分析,并提出了相應的解決方法。對于顏色的異常,他指出可能存在如下兩種缺陷,一是銅/阻擋層的殘留,二是局部厚度不均勻。對于前者,Yung-TaiHung猜測其根本原因是銅或者化學物質在拋光之后留下的殘留物,在之后的實驗中發現,對銅層拋后的檢查中并沒有銅殘留,但拋光后的表面仍有顏色異常,說明銅殘留不是根本原因,在進行了更多的試驗之后,如針對拋銅的、拋阻擋層的實驗、針對耗材的實驗等,調節了拋銅時拋光液流速、拋銅后去離子水沖洗速度和時間、銅拋光液分布情況、拋光液選擇比,終于解釋了局部厚度不均勻的機理,即拋銅過程中緩蝕劑會導致拋后局部dishing分布不均勻,且在阻擋層拋光過程中影響拋后形貌,導致最終的厚度不均勻,產生顏色異常??偨Y起來,銅緩蝕劑可以保護銅表面,但它的殘留和分布不均會影響后續的阻擋層拋光,造成厚度不均進而顏色異常。最后,Yung-TaiHung提出了相應的改進措施,即拋后更有效的去除緩蝕劑殘留,或選用緩蝕劑含量較低的銅拋光液。
      Chen  Wang從最近本的阻擋層拋光過程作為切入口,引出了包括對平坦度、低缺陷、寬工藝窗口、低成本等拋光要求,以及拋光后所面臨的諸如拋后形貌的均勻性、表面出現尖端(fang)、腐蝕、劃痕和顆粒殘留等等問題。在報告的余下時間,王先生先后對各個存在的缺陷問題闡述了相應的解決措施:1、針對拋后形貌的不均勻,報告認為關鍵在于拋光過程中的去除率選擇比,若銅的去除率高于介質層去除率,則隨著拋光的進行,dishing/erosion會越來越嚴重;當銅的去除率低于介質層時,可能出現protrusion或是erosion變嚴重;而當銅的去除率等于介質層去除率時,理論上最終的形貌與總的介質損耗關系不大,erosion在一開始會很大,后面逐漸減小并保持在較低水平。2、對于寬工藝窗口,理想狀態是去除率:阻擋層大于氧化層大于介質層等于銅層,而安集生產的阻擋層拋光液很接近這個目標,且由于銅的去除率基本接近介質層可以保證最終形貌不依賴于介質損耗,則過拋時間窗口變大,容許的配比和雙氧水窗口也很大。3、對于尖端(fang)問題,詳細揭示了其產生的機理,即局部氧化物去除過快,導致拋后出現臺階和高度差,而為了降低臺階,需要氧化物去除率高于銅,而為了避免fang的出現,需要局部氧化物去除率等于銅,使用安集的阻擋層拋光液,通過改善配比可以使dishing從500A降低到170A,fang從200A降到20A以下。
      三、CMP硬件設備和控制
      在對CMP技術研究的不斷深入過程中,研究人員發現提高CMP后效果,除了對耗材性能提出更高的要求外,在對CMP硬件設備和控制上的需求也變的越來越高。中芯國際的JunYang、上海華力微電子的Ding Yi、應用材料公司的H.X.Zhang和西安交通大學的XuNing分別從CMP硬件設備、控制及相應測試方法進行了介紹。
      JunYang對“先進過程控制(APC)”這一概念進行了簡單的介紹,同時將其與如今面對的CMP技術的挑戰,如更好的均勻度、更嚴格的拋后厚度控制、更小的晶圓間厚度變化、以及邊緣形貌調節等進行有機的結合,提出了在不同階段的對CMP后表面形貌的控制、邊緣形貌的控制、修整器時間調節等,最后指出未來CMP的發展離不開先進過程控制的輔佐,如何將兩者更加有效的結合在一起將是研究的重點。
      DingYi認為,作為過程控制中的一環,CMP過程中銅厚度的測量至關重要,他介紹了兩種常見的對銅厚度的測量系統。RudolphMetalpulse是利用光聲技術進行測量,而Kla-Tencor Aleris是通過收集兩種光的信息,利用其偏振和光譜分析來測量。報告之后還對兩種測試系統進行了展示與對比,發現使用Rudolph Metalpulse方法對bondpad的測量結果振幅大,均勻度差,對OCDpad的測量結果均勻性好且更穩定;Kla-Tencor Aleris對介質層的測量更有優勢,因為能真實反映整個晶圓的形貌,且具有很好的收斂穩定性。最后他指出,針對不同材料、階段的CMP需要采取相應的測試手段去進行監測、控制。
      H.X.Zhang介紹了在一種叫Fullvision的實時終點檢測系統,它對ILDoxide/STIoxide/poly/Cu/W等多種材料都能進行終點檢測,在實際流水線上就能大大的提高產量,與傳統的APC/iAPC等檢測系統相比具有很大優勢。不過在最后張先生也指出Full vision目前也存在一些需改進之處,比如從介質層得到終點檢測信號,則導致終點時間受到CVD沉積厚度的影響等。
      Xu Ning通過對二氧化鈰針尖在銅表面進行納米劃痕實驗,揭示了粘附、犁入和剪切的劃痕產生機理。通過此類實驗得到的實驗數據再配以相應的過程檢測,即可實現在CMP過程中對劃痕產生的控制。
      四、新型CMP應用和CMP建模仿真
      在特征尺寸越來越小的趨勢下,勢必會對未來CMP做出一些新的定義,而研究此類CMP的手段將更多的借助于建模仿真。來自清華大學的路新春教授首先介紹了天津華海清科機電科技有限公司生產的Universal-300拋光機,然后提出利用仿真提高拋光性能的研究思路,接著從晶圓尺度的CMP機械仿真、原子尺度的分子動力學仿真和原子尺度材料去除的實驗等三方面進行了展示。CMP過程的仿真極為復雜,需要考慮的因素很多,如拋光頭、拋光墊和拋光液,在晶圓尺度上,需要分析的有下壓力、動力學參數、拋光液參數、拋光墊參數等等,得到的仿真結果包括溫度、滑動距離、拋光液分布、壓力分布等,分別從運動學模擬和接觸應力分析兩方面來介紹CMP的機械仿真。而在原子尺度上,路先生從機械作用和機械-化學作用兩方面進行了分子動力學模擬,用豐富的圖文和動畫闡釋了CMP過程的機理。最后在原子尺度材料去除的實驗方面,利用AFM和TEM研究了載荷、滑動速度、掃描范圍、濕度等因素對磨損深度的影響。最后,路先生結合仿真與實驗結果,闡述了CMP過程的材料去除機理,證實了原子層材料去除是由摩擦化學作用主導的。
      CMP技術發展迅速,變得越發復雜,而挑戰也越來越多,當特征尺寸到了10nm及以下時,高去除率選擇比材料的選取,dishing/erosion的控制,以及均勻性的保證顯得更加困難?,F如今,我們面臨的挑戰包括:10nm及以下的CMP技術,FinFETCMP,450mm晶圓的CMP,新型平坦化方式的探索尋找等等,而CMP本身也需要向自動化,精細化和通用化發展。
      參與此次CMP及CMP后清洗報告的演講者有:來自Global foundries的Yongsik Moon,來自海力士的Kee Joon Oh,來自中芯國際的劉洪濤,來自Entegris的HJ  Yang,來自Cabot的Alex  Wang,來自SYMicro-Elecronic Tech.Ltd的Haiyu Kui,來自三星的Yehwan Kim,來自Macronix的Yung-Tai Hung,來自安集微電子的Chen Wang,來自中芯國際的Jun Yang,來自上海華力微電子的Ding Yi,來自西安交通大學的Xu Ning,來自應用材料公司的H.X.Zhang,來自CEA-Leti的ViorelBalan,來自Nitta-Hass的Yoshitaka  Tsunashima,來自天津理工大學的Feng Yulin,來自North Carolina Agricultural&Technical State University的Zhang Qi,來自清華大學的路新春,來自臺灣科技大學的陳炤彰,來自蘭州理工大學的Lixiao Wu。主持人是:來自Cabot的K.C.Wu,David Huang,來自安集微電子的王雨春,Kent Liu,來自天津理工大學的張楷亮。
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