CMP-Materialien für fortgeschrittene Knoten (unter 14 nm)

1. Warum fortschrittliche Knotenpunkte mehr von CMP-Materialien verlangen

Der Übergang von planaren CMOS- zu FinFET- und jetzt zu Gate-All-Around (GAA)-Nanoblechtransistoren hat nicht nur die Abmessungen der Bauelemente verringert, sondern auch die geometrische, chemische und mechanische Umgebung, in der CMP arbeiten muss, grundlegend verändert. Jede neue Architektur bringt neue Materialien, engere Entfernungsbudgets und höhere Anforderungen an die Schrittzahl mit sich, was dazu führt, dass die Standard-CMP-Verbrauchsmaterialien ihre Grenzen überschreiten.

Drei grundlegende Veränderungen machen CMP mit fortgeschrittenen Knoten kategorisch schwieriger als CMP mit ausgereiften Knoten:

• Knappere Umzugsbudgets: Bei unter 7 nm werden die vertikalen Strukturbudgets für jede Schicht im einstelligen Nanometerbereich gemessen. Ein CMP-Schritt, der bei 28 nm um 5 nm über das Ziel hinausschießt, ist ein geringfügiges Ärgernis; die gleiche Überpolitur bei 3 nm kann eine Metallschicht vollständig aufbrauchen oder die darunter liegende Bauteilstruktur beschädigen. Dies erfordert eine Endpunktpräzision und eine Selektivität der Aufschlämmung, für die frühere Generationen von Verbrauchsmaterialien nicht ausgelegt waren.
• Neuartige Materialsysteme: An jedem neuen Knotenpunkt kommen Metalle (Co, Ru, Mo) und Dielektrika (SiOC, SiCN, High-k-Filme auf Hafniumbasis) zum Einsatz, für die keine Standard-CMP-Slurries formuliert wurden. Für jedes neue Material muss eine neue CMP-Chemie entwickelt werden - oft von Grund auf - ein Prozess, der für eine wirklich neue Anwendung 2-4 Jahre Forschung und Entwicklung in Anspruch nehmen kann.
• Mechanische Zerbrechlichkeit fortschrittlicher Strukturen: Ultra-low-k-Dielektrika haben Elastizitätsmodule von nur 2-5 GPa - eine Größenordnung unter den 70 GPa von thermischem SiO₂. 3D-NAND-Strukturen mit hohem Aspektverhältnis und Dünnschichttransistoren in gestapelter 3D-IC-Integration können bei CMP-Downforce-Werten delaminieren, die für herkömmliche planare Prozesse Routine sind.

2. CMP-Herausforderungen in der FinFET-Architektur (14-7 nm)

Die FinFET-Technologie, die bei 22 nm (Intel) und 16/14 nm (TSMC, Samsung) in die Massenproduktion eingeführt wurde, führte eine nicht planare Transistorgeometrie ein, die sofort neue Herausforderungen für die CMP mit sich brachte. Die Flossenstrukturen - schmale Siliziumpfeiler, die über die Substratoberfläche hinausragen - müssen CMP-Schritte überstehen, die das umgebende dielektrische Material planar machen sollen. Jegliche seitliche Belastung oder übermäßiger Abwärtsdruck während der ILD-CMP im Bereich der Finnen kann die Finnenstrukturen selbst beschädigen oder delaminieren.

Wichtige FinFET CMP-Schritte und Anforderungen an Verbrauchsmaterialien

Die Einführung von Kobalt als Kontaktmetall bei 7 nm (anstelle von Wolfram für die fortschrittlichsten Kontakte) war eine der bedeutendsten Veränderungen in der CMP-Chemie in der FinFET-Ära. Die geringere Härte von Kobalt und seine Empfindlichkeit gegenüber galvanischer Korrosion erforderten völlig neue Slurry-Formulierungen. Eine ausführliche Behandlung der CMP-Chemie von Kobalt finden Sie in Abschnitt 4 dieses Artikels und in der breiteren Diskussion über die Slurry-Chemie in unserem CMP-Slurry-Typen, Anwendungen und Auswahlhilfe.

3. Gate-All-Around (GAA) und CMP bei 3 nm und darunter

Gate-All-Around (GAA)-Nanoblechtransistoren, die derzeit bei TSMC (N3), Samsung (3GAE) und Intel Foundry (18A) in Serienproduktion gehen, stellen die komplexeste Transistorgeometrie in der Geschichte der Halbleiterindustrie dar. Bei GAA sind horizontale Silizium- oder SiGe-Nanobleche (typischerweise 4-8 nm dick, vertikal in Gruppen von 2-4 gestapelt) auf allen vier Seiten vollständig vom Gate-Dielektrikum und Metall umgeben. Dies ermöglicht eine hervorragende elektrostatische Kontrolle, erfordert jedoch eine außerordentliche Präzision bei den CMP-Schritten, die diese Strukturen freilegen, isolieren und planarisieren.

Nanosheet Reveal CMP: Der anspruchsvollste Planaritätsschritt in der Halbleiterfertigung

Bei der Nanoblattentfernung wird die zwischen den GAA-Zellreihen abgeschiedene SiO₂- oder SiOC-Isolationsfüllung entfernt und auf der obersten Nanoblattoberfläche mit einer angestrebten Restschichtdickentoleranz von ±1-2 nm auf dem gesamten 300-mm-Wafer gestoppt. Um dies zu erreichen, ist Folgendes erforderlich:

• Nano-Keroxid-Aufschlämmung mit D99-Partikelgröße unter 100 nm zur Minimierung der Oberflächenbeschädigung von Nanoblättern
• Extrem hohe SiO₂:Si₃N₄- und SiO₂:SiGe-Selektivität zur Erhaltung der obersten Nanoblechoberfläche und des Seitenwandspacers
• Enge MRR-Gleichmäßigkeit innerhalb des Wafers (<1,5% 1σ), um sicherzustellen, dass keine Nanoblatt-Oberfläche überpoliert wird, während Rückstände auf der gegenüberliegenden Seite des Wafers verbleiben
• Optische Endpunkterkennung in Echtzeit mit Sub-nm-Empfindlichkeit, um den CMP-Schritt zu stoppen, bevor das Toleranzbudget ausgeschöpft ist

4. CMP mit Kobalt: Chemie, Herausforderungen und Defektkontrolle

Kobalt hat sich als bevorzugtes Kontakt- und lokales Verbindungsmetall für fortschrittliche Logikknoten bei 7 nm und darunter herauskristallisiert und ersetzt Wolfram für die anspruchsvollsten Anwendungen aufgrund seines geringeren spezifischen Widerstandes bei Strukturgrößen unter 20 nm. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Kobalt schaffen jedoch eine ganz andere und wesentlich schwierigere CMP-Umgebung als Wolfram.

Warum Kobalt CMP härter ist als Wolfram CMP

• Kobalt ist viel weicher als Wolfram (Vickershärte ~1.000 MPa für Co im Vergleich zu ~3.430 MPa für W), was bedeutet, dass abrasive Kontaktkräfte, die bei W CMP üblich sind, auf Kobaltoberflächen Schüsselungen oder Kratzer erzeugen können.
• Kobalt ist anfällig für galvanische Korrosion an Grenzflächen mit unterschiedlichen Metallen (insbesondere TiN-Barrieremetall). Bei Vorhandensein eines oxidierenden Schlamms können elektrochemische Potenzialunterschiede zwischen Co und TiN zu einer anodischen Auflösung von Kobalt am Kontaktrand führen, wodurch Lochfraßdefekte entstehen, die bei einer standardmäßigen optischen Prüfung nicht erkennbar sind, aber den Kontaktwiderstand und die Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
• Kontamination durch Kobaltionen (Co²⁺, Co³⁺), das von der polierten Oberfläche in das Schlammbad ausgelaugt wird, ist eine Quelle der Metallverunreinigung auf der Wafer-Oberfläche, wenn es nicht durch eine Nach-CMP-Reinigung entfernt wird. Co ist eine Tiefenfalle in Silizium und kann ernsthafte Leckagen verursachen, wenn es auf Transistorebene vorhanden ist.

Cobalt CMP Slurry Design Prinzipien

Für eine wirksame Formulierung von Kobalt-CMP-Schlämmen müssen drei konkurrierende Anforderungen miteinander in Einklang gebracht werden: ausreichende Oxidation der Kobaltoberfläche zur Erzeugung einer abtragbaren CoO/Co(OH)₂-Schicht (für eine angemessene MRR), Korrosionshemmung an der galvanischen Co/TiN-Grenzfläche (zur Vermeidung von Lochfraß) und Komplexierung gelöster Kobaltionen (zur Vermeidung einer erneuten Ablagerung). Die typische Lösung ist:

• Mildes Oxidationsmittel (H₂O₂ bei 0,5-2 Gew.-TTP3T oder Periodat bei niedriger Konzentration) - moderat genug, um Co-Oxid zu bilden, ohne die Korrosion voranzutreiben
• Kobalt-spezifische Korrosionsinhibitoren (Imidazole, Benzotriazol-Derivate oder proprietäre heterozyklische Verbindungen), die bevorzugt an Co-Oberflächen in Kontakt mit TiN adsorbieren
• Organische Säurekomplexbildner (Zitronensäure, Apfelsäure) zur Auflösung von Co-Ionen und zur Verhinderung einer erneuten Ablagerung
• Kolloidales Siliziumdioxid mit sehr geringem Defekt (20-50 nm, D99 <150 nm) als Schleifmittel, betrieben bei pH 4-7

5. Ruthenium CMP: Die aufstrebende Grenze

Ruthenium (Ru) gilt als das Metall der nächsten Generation für Kontakte, lokale Verbindungen und Gate-Füllung bei Knotenpunkten unter 5 nm. Zu seinen Vorteilen gegenüber Kobalt gehören ein geringerer spezifischer Widerstand bei Nanometer-Dimensionen, eine bessere thermische Stabilität (Schmelzpunkt von Ru: 2.334 °C gegenüber 1.495 °C bei Co) und eine bessere Kompatibilität mit High-k-Gate-Dielektrika. Mehrere führende Gießereien haben Metallisierungsverfahren auf Ru-Basis für ihre 2-nm- und darüber hinausgehenden Prozessgenerationen bekannt gegeben.

Die Herausforderung der chemischen Trägheit von Ruthenium

Ruthenium ist unter den meisten wässrigen Bedingungen thermodynamisch edel - viel edler als Kupfer oder Kobalt. Diese chemische Inertheit, die für die Zuverlässigkeit der Geräte von Vorteil ist, stellt ein erhebliches Hindernis für die CMP dar, bei der die chemische Reaktivität der Zieloberfläche eine Voraussetzung für eine effektive Materialabtragung ist. Standard-CMP-Schlämme für Kupfer und Kobalt (auf H₂O₂-Basis, mäßig sauer) erzielen auf Ru-Oberflächen eine vernachlässigbare MRR.

Eine wirksame Ru-Oxidation erfordert entweder sehr starke Oxidationsmittel bei niedrigem pH-Wert (Periodat, Bromat oder Ce⁴⁺-Spezies bei pH 1-3) oder elektrochemische Unterstützung. Das primäre Oxidationsprodukt, RuO₄ (Rutheniumtetroxid), ist eine flüchtige, giftige Verbindung, die sich bei hohen Oxidationsmittelkonzentrationen und -temperaturen bilden kann und sowohl die Prozesssicherheit als auch die Kontamination gefährdet. Die Beherrschung des Risikos der RuO₄-Bildung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer angemessenen Ru-MRR ist die zentrale Herausforderung bei der Entwicklung der Ru-CMP-Chemie.

Ab April 2026 wird die Ru-CMP-Chemie aktiv von der Labordemonstration zur Prozessqualifizierung in führenden Fabriken übergehen. JEEZ engagiert sich in der Forschung und Entwicklung von Ru-Slurry und begrüßt Entwicklungspartnerschaften mit Fabriken, die an der Integration von Ru arbeiten. Kontaktieren Sie uns, um Ihre Anforderungen zu besprechen.

6. Molybdän CMP für GAA Gate Fill

Molybdän (Mo) stößt auf großes Interesse als alternative Metallfüllung für GAA-Transistorgates, da es aufgrund seiner Arbeitsfunktion nahe der mittleren Lücke, seiner guten thermischen Stabilität und seines geringeren Gate-Widerstands im Vergleich zu Wolfram bei kleinen Abmessungen wettbewerbsfähig ist. Intel hat die Mo-Gate-Füllung in seinem 18A-Prozess offengelegt; andere Foundries evaluieren sie für Generationen unter 2 nm.

Die CMP-Chemie für Molybdän unterscheidet sich deutlich von anderen CMP-Anwendungen für Metalle. Molybdänoxid (MoO₃) löst sich leicht in alkalischer Lösung (unter Bildung von MoO₄²-), was zu einer ungewöhnlichen Situation führt: Eine stark alkalische Aufschlämmung kann eine hohe Mo-MRR allein durch chemische Auflösung erreichen, ohne dass eine aggressive Abrasion erforderlich ist. Dieselbe Löslichkeit führt jedoch bei breiten Mo-Merkmalen zu einem Risiko des Schüsselns, wenn die chemische Ätzrate nicht sorgfältig durch oberflächenblockierende Zusätze kontrolliert wird.

Saure oxidierende Aufschlämmungen (pH 2-4 mit Peroxydisulfat oder Periodat) können ebenfalls für Mo-CMP verwendet werden, wobei Mo in MoO₂ oder MoO₃-Oberflächenschichten umgewandelt wird, die mechanisch entfernt werden können. Die Wahl zwischen alkalischer Auflösung und saurer Oxidationschemie hängt von den spezifischen Selektivitätsanforderungen des Gatestapels ab - insbesondere von der Notwendigkeit, das High-k-Gate-Dielektrikum sauber zu beenden, ohne es zu verdünnen.

7. Ultra-niedrig-k-dielektrische CMP: Mechanische Zerbrechlichkeit und Selektivität

Die fortschreitende Verringerung der Dielektrizitätskonstante (k), die zur Verringerung der RC-Verzögerung in BEOL-Verbindungen erforderlich ist, hat eine Familie von porösen dielektrischen Filmen mit ultraniedrigem k-Wert (ULK) hervorgebracht, deren Elastizitätsmodul nur 2-5 GPa beträgt und deren Bruchzähigkeit der von Aerogelen nahekommt. Die CMP von Kupfer und Barrieremetallen in diesen fragilen dielektrischen Umgebungen ist einer der technisch anspruchsvollsten Prozesse in der modernen Logikfertigung.

Spezifische Versagensmodi für Ultra-Low-k-CMP

• Dielektrische Delamination: Die Grenzfläche zwischen der ULK-Schicht und dem Ätzstopp (in der Regel SiCN oder SiCO) ist die schwächste mechanische Ebene im gesamten Stapel der Leiterplatten. Übermäßige CMP-Abwärtskräfte oder seitliche Scherspannungen können eine Delaminierung der Grenzfläche verursachen, die sich seitlich ausbreitet und Hohlräume in der Verbindungsschicht erzeugt.
• Kohäsiver Bruch innerhalb des Dielektrikums: Bei den porösesten ULK-Folien (k < 2,2) kann die Folie selbst unter dem Druck zusammenhängend brechen, so dass eine raue, rissige Oberfläche entsteht, die durch eine nachfolgende Verarbeitung nicht wiederhergestellt werden kann.
• Gülleinfiltration in offene Poren: Wenn die flüssige Phase der Aufschlämmung das offene Porennetz des ULK-Materials benetzt und in dieses eindringt, kann sie abrasive Partikel und Metallionen in das Innere der Folie tragen, was zu einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstante, zu Leckagen und zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit führt.

Der Standardansatz zur Schadensbegrenzung bei ULK CMP kombiniert Prozessbedingungen mit geringem Abwärtsdruck (typischerweise <1,5 psi Waferdruck), weiche Polierpads mit niedrigem Modul und Slurry-Formulierungen mit geringer Schleifmittelkonzentration und Tensidsystemen, die das Eindringen des Slurrys in offene Poren reduzieren. Diese Einschränkungen schränken die verfügbare MRR stark ein und erfordern eine sorgfältige Endpunktkontrolle, um die reduzierte Prozessmarge zu kompensieren.

8. CMP für 3D-NAND: Hohe Aspect Ratio und Multi-Layer-Anforderungen

3D-NAND-Flash-Speicher, bei denen die Speicherzellen vertikal in Schichten von 96 Lagen (Jahrgang 2019) bis zu 300+ Lagen (führende Produkte im Jahr 2026) gestapelt werden, erfordern CMP an mehreren Punkten in der Herstellungssequenz. Zu den anspruchsvollsten CMP-Schritten bei 3D-NAND gehören die Planarisierung des alternierenden Oxid-Nitrid- (ON) oder Oxid-Polysilizium-Stapels nach jeder Schichtabscheidung und die Entfernung von Wolfram- oder Molybdän-Wordline-Füllmaterial nach dem Gate-Ersetzungsprozess.

9. 3D-IC und Hybridbonden: Die Herausforderung der Sub-Nanometer-Rauigkeit

Das Hybridbonden ist die Grundlagentechnologie für die 3D-IC-Integration mit höchster Dichte, die bei High-Bandwidth-Memory (HBM), CMOS-Bildsensoren (CIS) und fortschrittlichem Logic-on-Logic-Stacking eingesetzt wird. Beim Hybridbonden werden zwei Wafer durch direkten Kontakt von Dielektrikum zu Dielektrikum (SiO₂- oder SiCN-Bondflächen) und Cu-zu-Cu-Metallpad-Kontakt ohne Klebstoff- oder Lotzwischenschicht verbunden. Die Verbindung entsteht durch Oberflächenchemie und thermische Aktivierung, und ihre Qualität hängt entscheidend von der Ebenheit und Rauheit der beiden Bondflächen ab.

CMP-Spezifikationen für die Vorbereitung von Hybridbindungsschichten

Um diese Spezifikationen zu erfüllen, sind hochreine kolloidale Kieselsäure-Slurries mit Konzentrationen von weniger als 2 wt% erforderlich, die mit weichen Polierpads kombiniert werden, die mit extrem niedrigem Anpressdruck (<1 psi) arbeiten. Eine ausgedehnte mehrstufige Reinigung nach dem CMP - in der Regel einschließlich SC1 (APM), DHF und Megaschallspülung - ist zwingend erforderlich, um die Zielvorgaben für Oberflächenpartikel und Metallverunreinigungen zu erreichen.

Eine Anleitung zur Auswahl der Gülle für diese Anwendung finden Sie in unserem Artikel über CMP-Schleifmittel: Ceroxid vs. Kieselerde vs. Tonerde, insbesondere der Abschnitt über kolloidales Siliziumdioxid, der die hochreinen Varianten für die Verklebung umfasst.

10. CMP-Fahrplan für Materialien: 2026 bis 2030

11. FAQ

Was ist der Unterschied zwischen CMP-Anforderungen bei 7 nm und 3 nm?

Mit dem 7-nm-Knoten wurden vor allem Kobaltkontakte und strengere Selektivitätsanforderungen für STI und ILD CMP eingeführt. Bei 3 nm (GAA-Architektur) steigen die Herausforderungen dramatisch an: Die CMP muss nun Nanobleche mit einer vertikalen Präzision von weniger als 2 nm, Gate-Füllungen mit neuartigen Metallen (Ru oder Mo) und ultra-niedrige dielektrische Umgebungen mit Elastizitätsmoduln unter 5 GPa verarbeiten. Auch die Anzahl der CMP-Schritte nimmt zwischen 7 nm und 3 nm um etwa 30-40% zu, was die Auswirkungen der Leistungsunterschiede pro Schritt auf Kosten und Ertrag noch verstärkt.

Können Standard-CMP-Schlämme für Kobalt und Ruthenium verwendet werden?

Nein. Standard-CMP-Schlämme aus Kupfer oder Wolfram sind nicht für Kobalt oder Ruthenium geeignet. Kobalt erfordert speziell formulierte Schlämme mit kobaltspezifischen Korrosionsinhibitoren und milden Oxidationsmitteln, die das galvanische Korrosionsrisiko an Co/TiN-Grenzflächen ausgleichen. Ruthenium erfordert stark oxidierende saure Chemikalien (auf Periodat- oder Ce⁴⁺-Basis), die sich von allen anderen kommerziellen CMP-Anwendungen völlig unterscheiden. Die Verwendung der falschen Slurry-Chemie für diese Metalle birgt das Risiko von schweren Defekten, Verunreinigungen oder der völligen Unfähigkeit, den Film innerhalb des Prozesszeitbudgets zu entfernen.

Wodurch unterscheidet sich CMP mit hybrider Verklebung von CMP mit Standardkupfer?

Der grundlegende Unterschied liegt in den Anforderungen an die Oberflächenqualität. Die Standard-Kupfer-BEOL-CMP zielt auf ein Dishing <20-30 nm und eine Kratzerzahl im Dutzendbereich pro Wafer ab. Hybrid Bonding CMP muss ein Cu-Dishing unter 5 nm, eine Oberflächenrauheit unter 0,3 nm Ra und weniger als 10 Partikel pro Wafer über 50 nm erreichen - Spezifikationen, die in jeder Hinsicht 5-10 mal strenger sind als bei konventioneller CMP. Um diese Ziele zu erreichen, sind extrem verdünnte Nano-Silica-Slurries, weiche Polierpads mit extrem niedrigem Anpressdruck und mehrstufige Reinigungssequenzen nach der CMP erforderlich, die eher der Waferreinigung als der herkömmlichen CMP-Reinigung ähneln.

Wie viele CMP-Schritte sind für einen 3-nm-Logikwafer erforderlich?

Ein vollständig bearbeiteter 3-nm-Logikwafer (einschließlich FEOL, MOL und BEOL durch die abschließende Metallisierungsschicht) erfordert je nach spezifischem Prozessablauf und Integrationsschema etwa 50-70 CMP-Prozessschritte. Im Vergleich dazu sind es bei 10 nm etwa 30-40 Schritte, bei 28 nm 15-20 Schritte und bei 180 nm weniger als 10 Schritte. Jeder zusätzliche CMP-Schritt birgt die Gefahr von Ertragseinbußen aufgrund von Defekten, Ungleichmäßigkeiten oder Verunreinigungen. Aus diesem Grund sind die Leistungsstandards für CMP-Verbrauchsmaterialien bei fortgeschrittenen Knoten so viel strenger als bei ausgereiften Knoten.