Материалы для CMP для современных узлов (менее 14 нм)

1. Почему передовые узлы требуют больше от материалов CMP

Переход от планарных КМОП к FinFET, а теперь и к нанолистовым транзисторам Gate-All-Around (GAA) привел не просто к уменьшению размеров устройств - он кардинально изменил геометрические, химические и механические условия, в которых должна работать CMP. В каждой последующей архитектуре появляются новые материалы, сокращаются бюджеты на удаление и повышаются требования к количеству шагов, что выводит стандартные расходные материалы для CMP за пределы их возможностей.

Три фундаментальных изменения делают продвинутый узловой CMP категорически сложнее, чем зрелый узловой CMP:

• Более жесткие бюджеты на удаление: При толщине менее 7 нм бюджеты вертикальных элементов для каждой пленки измеряются однозначными нанометрами. Шаг CMP, превышающий цель на 5 нм при 28 нм, является незначительным раздражителем, в то время как такая же чрезмерная полировка при 3 нм может полностью уничтожить металлическую подложку или повредить основную структуру устройства. Это требует точности конечных точек и селективности шлама, которые предыдущие поколения расходных материалов не могли обеспечить.
• Новые материальные системы: В каждом новом узле появляются металлы (Co, Ru, Mo) и диэлектрики (SiOC, SiCN, высококристаллические пленки на основе гафния), для которых не были разработаны стандартные суспензии CMP. Для каждого нового материала необходимо разрабатывать новую химию CMP - часто с нуля - процесс, который может занять 2-4 года исследований и разработок для действительно нового применения.
• Механическая хрупкость современных конструкций: Ультранизкокристаллические диэлектрики имеют модуль Юнга всего 2-5 ГПа - на порядки ниже 70 ГПа термического SiO₂. 3D-структуры NAND с высоким аспектным отношением и тонкопленочные транзисторы в стекированной 3D-ИК-интеграции могут расслаиваться под действием CMP-усилий, обычных для обычных планарных процессов.

2. Проблемы CMP в архитектуре FinFET (14-7 нм)

Технология FinFET, внедренная в серийное производство по нормам 22 нм (Intel) и 16/14 нм (TSMC, Samsung), позволила создать непланарную геометрию транзисторов, что сразу же создало новые проблемы в области CMP. Структуры ребер - узкие кремниевые столбики, возвышающиеся над поверхностью подложки, - должны выдерживать этапы CMP, направленные на планарную обработку окружающего диэлектрического материала. Любое боковое напряжение или чрезмерная прижимная сила во время ЧМП в области ребер могут привести к повреждению или расслаиванию самих структур ребер.

Основные этапы CMP для FinFET и требования к расходным материалам

Введение кобальта в качестве контактного металла на уровне 7 нм (вместо вольфрама для самых современных контактов) стало одним из самых значительных переходов в химии CMP в эпоху FinFET. Более низкая твердость кобальта и его чувствительность к гальванической коррозии потребовали совершенно новых составов суспензий. Для подробного рассмотрения химии CMP с кобальтом см. раздел 4 этой статьи и более широкое обсуждение химии шлама в нашем журнале Типы шламов CMP, области применения и руководство по выбору.

3. Gate-All-Around (GAA) и CMP на длине волны 3 нм и ниже

Нанолистовые транзисторы Gate-All-Around (GAA), которые в настоящее время серийно производятся в TSMC (N3), Samsung (3GAE) и Intel Foundry (18A), представляют собой самую сложную геометрию транзистора в истории полупроводников. В GAA горизонтальные кремниевые или SiGe нанолисты (обычно толщиной 4-8 нм, уложенные вертикально группами по 2-4) полностью окружены диэлектриком затвора и металлом со всех четырех сторон, что обеспечивает превосходный электростатический контроль, но требует исключительной точности на этапах CMP, которые выявляют, изолируют и планаризуют эти структуры.

Нанолисты раскрывают CMP: самый требовательный этап планарности в производстве полупроводников

На этапе раскрытия нанолиста удаляется изолирующий слой SiO₂ или SiOC, осажденный между рядами ячеек GAA, и останавливается на самой верхней поверхности нанолиста с целевым допуском остаточной толщины пленки ±1-2 нм на всей 300-миллиметровой пластине. Для достижения этой цели требуется:

• Нанокерамическая суспензия с размером частиц D99 менее 100 нм для минимизации повреждения поверхности нанолиста
• Чрезвычайно высокая селективность SiO₂:Si₃N₄ и SiO₂:SiGe для сохранения верхней поверхности нанолиста и боковой прослойки
• Высокая однородность MRR в пределах пластины (<1,5% 1σ) для обеспечения чрезмерной полировки поверхности нанолиста, при этом остатки остаются на противоположной стороне пластины
• Обнаружение оптической конечной точки в реальном времени с чувствительностью до нм позволяет остановить этап CMP до исчерпания бюджета допуска

4. Кобальтовый CMP: химия, проблемы и контроль дефектов

Кобальт стал предпочтительным металлом для контактов и локальных межсоединений в передовых логических узлах с нормами 7 нм и ниже, заменив вольфрам в самых требовательных приложениях благодаря более низкому удельному сопротивлению при размерах элементов менее 20 нм. Однако физические и химические свойства кобальта создают совершенно иную и значительно более сложную среду для CMP, чем вольфрам.

Почему кобальт CMP тверже, чем вольфрам CMP

• Кобальт намного мягче вольфрама (твердость по Виккерсу ~1 000 МПа для Co против ~3 430 МПа для W), что означает, что абразивные контактные силы, которые являются обычными для W CMP, могут привести к образованию углублений или царапин на кобальтовых поверхностях.
• Кобальт подвержен гальванической коррозии на границах с разнородными металлами (в частности, с барьерным металлом TiN). В присутствии окислительной суспензии электрохимическая разность потенциалов между Co и TiN может привести к анодному растворению кобальта по периметру контакта, образуя точечные дефекты, которые не видны при стандартном оптическом контроле, но снижают сопротивление и надежность контакта.
• Загрязнение ионами кобальта (Co²⁺, Co³⁺), вытекший с полированной поверхности в ванну с суспензией, является источником металлического загрязнения на поверхности пластин, если он не удален в ходе постпроцессорной очистки. Co является ловушкой глубокого уровня в кремнии и может вызывать серьезные утечки в устройствах, если присутствует на уровне транзисторов.

Принципы проектирования кобальтовых шламов

Эффективная формула кобальтовой суспензии для CMP требует баланса трех конкурирующих требований: достаточного окисления поверхности кобальта для создания абразивного слоя CoO/Co(OH)₂ (для адекватного MRR), ингибирования коррозии на гальванической границе Co/TiN (для предотвращения питтинга) и комплексообразования растворенных ионов кобальта (для предотвращения повторного осаждения). Типичным решением является:

• Слабый окислитель (H₂O₂ при 0,5-2 мас.ч. % или периодат в низкой концентрации) - достаточно умеренный, чтобы образовать оксид Co, не вызывая коррозии.
• Ингибиторы коррозии, специфичные для кобальта (производные имидазола, бензотриазола или запатентованные гетероциклические соединения), которые преимущественно адсорбируются на поверхности Co в контакте с TiN
• Комплексообразователи на основе органических кислот (лимонная кислота, яблочная кислота) для солюбилизации ионов Co и предотвращения повторного осаждения
• Коллоидный кремнезем со сверхнизкими дефектами (20-50 нм, D99 <150 нм) в качестве абразива, работающий при pH 4-7

5. Рутениевый ХМП: новый рубеж

Рутений (Ru) позиционируется как металл нового поколения для контактов, локальных межсоединений и заполнения затворов на узлах с длиной волны менее 5 нм. Его преимущества перед кобальтом включают более низкое удельное сопротивление при нанометровых размерах, лучшую термическую стабильность (температура плавления Ru: 2 334 °C против 1 495 °C у Co) и улучшенную совместимость с высококристаллическими диэлектриками затворов. Несколько ведущих литейных заводов представили схемы металлизации на основе Ru для своих техпроцессов 2 нм и более поздних поколений.

Проблема химической инертности рутения

Рутений термодинамически благороден в большинстве водных условий - гораздо больше, чем медь или кобальт. Эта химическая инертность, которая является преимуществом для надежности устройства, представляет собой значительное препятствие для CMP, где химическая реактивность поверхности мишени является необходимым условием для эффективного удаления материала. Стандартные суспензии для CMP меди и кобальта (на основе H₂O₂, умеренно кислые) достигают незначительного MRR на поверхностях Ru.

Для эффективного окисления Ru требуются либо очень сильные окислители при низком pH (перйодат, бромат или Ce⁴⁺ при pH 1-3), либо электрохимическая помощь. Основной продукт окисления, RuO₄ (тетроксид рутения), является летучим, токсичным соединением, которое может образовываться при высоких концентрациях и температурах окислителя, что создает проблемы как с безопасностью процесса, так и с загрязнением. Управление риском образования RuO₄ при сохранении адекватного MRR Ru является главной задачей при разработке химии Ru CMP.

По состоянию на апрель 2026 года химия Ru CMP активно переходит от лабораторных демонстраций к квалификации процессов на передовых заводах. Компания JEEZ занимается разработкой суспензии Ru и приветствует партнерские отношения с заводами, работающими над интеграцией Ru. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования.

6. Молибденовый КМП для заполнения затворов GAA

Молибден (Mo) вызывает большой интерес в качестве альтернативного металлического наполнителя для затворов транзисторов GAA, где его рабочая функция вблизи среднего зазора, хорошая термическая стабильность и более низкое сопротивление затвора по сравнению с вольфрамом при малых размерах делают его конкурентоспособным. Компания Intel раскрыла возможности использования Mo для заполнения затворов в своем техпроцессе 18A; другие литейные компании оценивают его для поколений с нормами менее 2 нм.

Химия Mo CMP заметно отличается от других применений металлического CMP. Оксид молибдена (MoO₃) легко растворяется в щелочном растворе (образуя MoO₄²-), что создает необычную ситуацию: сильно щелочная суспензия может достичь высокого MRR Mo только за счет химического растворения, не требуя агрессивного абразивного воздействия. Однако эта же растворимость создает риск дишеринга в широких Mo-фабриках, если скорость химического травления не контролируется тщательно с помощью блокирующих поверхность добавок.

Кислотные окислительные суспензии (pH 2-4 с пероксидисульфатом или перйодатом) также могут использоваться для Mo CMP, преобразуя Mo в MoO₂ или MoO₃ поверхностные слои, которые механически удаляются. Выбор между щелочным растворением и кислотным окислением зависит от конкретных требований к селективности стека затвора - в частности, от необходимости чистого прекращения воздействия на высококристаллический диэлектрик затвора без его истончения.

7. Ультранизкокристаллический диэлектрик CMP: механическая хрупкость и селективность

Постепенное снижение диэлектрической проницаемости (k), необходимое для уменьшения RC-задержки в межсоединениях BEOL, привело к появлению семейства пористых диэлектрических пленок с модулем Юнга до 2-5 ГПа и вязкостью разрушения, приближающейся к аэрогелям. Уплотнение меди и барьерных металлов в этих хрупких диэлектрических средах является одним из наиболее технически сложных процессов в производстве современной логики.

Режимы отказов, характерные для сверхнизкотемпературного ХМП

• Расслоение диэлектрика: Интерфейс между пленкой ULK и ограничителем травления (обычно SiCN или SiCO) является самой слабой механической плоскостью во всем стеке межсоединений. Чрезмерная прижимная сила CMP или боковое напряжение сдвига могут вызвать расслоение интерфейса, которое распространяется в боковом направлении, создавая пустоты в слое межсоединений.
• Когезионное разрушение внутри диэлектрика: Для наиболее пористых ULK-пленок (k < 2,2) сама пленка может разрушиться под действием прижимной силы, образуя грубую, потрескавшуюся поверхность, которую невозможно восстановить последующей обработкой.
• Просачивание суспензии в открытые поры: Если жидкая фаза суспензии смачивает и проникает в открытую сеть пор материала ULK, она может унести абразивные частицы и ионы металлов внутрь пленки, что приводит к увеличению диэлектрической проницаемости, утечкам и снижению надежности.

Стандартный подход к смягчению последствий для ULK CMP сочетает условия процесса с низким давлением (обычно <1,5 фунтов на квадратный дюйм), мягкие полировальные коврики с низким модулем, а также составы шлама с низкой концентрацией абразива и системы поверхностно-активных веществ, которые уменьшают проникновение шлама в открытые поры. Эти ограничения существенно ограничивают доступный MRR и требуют тщательного контроля конечной точки для компенсации уменьшенного технологического запаса.

8. CMP для 3D NAND: высокое соотношение сторон и требования к многослойности

Флэш-память 3D NAND, в которой ячейки памяти укладываются вертикально с количеством слоев от 96 (новинка 2019 года) до 300+ (ведущие продукты 2026 года), требует CMP в нескольких точках производственной последовательности. Наиболее сложные этапы CMP в 3D NAND включают планаризацию чередующегося оксидно-нитридного (ON) или оксидно-поликремниевого стека после осаждения каждого яруса, а также удаление вольфрамового или молибденового материала заполнения строки после процесса замены затвора.

9. 3D-IC и гибридное скрепление: Проблема субнанометровой шероховатости

Гибридное склеивание - это технология, позволяющая обеспечить высочайшую плотность интеграции 3D-IC, используемая в памяти с высокой пропускной способностью (HBM), КМОП-датчиках изображения (CIS) и передовых методах укладки логики на логику. При гибридном соединении две пластины соединяются посредством прямого контакта диэлектрика с диэлектриком (поверхности соединения SiO₂ или SiCN) и контакта металлической площадки Cu-Cu, без промежуточного слоя клея или припоя. Соединение образуется за счет химии поверхности и термической активации, а его качество в значительной степени зависит от плоскостности и шероховатости обеих поверхностей соединения.

Спецификации CMP для подготовки гибридного связующего слоя

Для выполнения этих требований требуются сверхчистые суспензии коллоидного кремнезема с концентрацией менее 2 масс% и мягкие полировальные диски, работающие при сверхнизкой прижимной силе (<1 psi). Расширенная многоступенчатая очистка после ЧМП - обычно включающая SC1 (APM), DHF и мегазвуковую промывку - обязательна для достижения целевых показателей загрязнения поверхности частицами и металлами.

Рекомендации по выбору суспензии для данного применения см. в нашей статье Абразивы CMP: Церий против кремнезема против глинозема, В частности, в разделе "Коллоидный диоксид кремния" представлены варианты ультрачистого бондинга.

10. Дорожная карта материалов CMP: 2026-2030 гг.

11. ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

В чем разница между требованиями CMP при длине волны 7 нм и 3 нм?

В узле 7 нм прежде всего появились кобальтовые контакты и более жесткие требования к селективности для STI и ILD CMP. На уровне 3 нм (архитектура GAA) задачи резко возрастают: CMP теперь должен обрабатывать нанолисты с вертикальной точностью менее 2 нм, заполнение затвора новыми металлами (Ru или Mo) и диэлектрические среды со сверхнизким значением модуля Юнга менее 5 ГПа. Количество этапов CMP также увеличивается примерно на 30-40% между 7 нм и 3 нм, что усугубляет последствия для стоимости и выхода продукции, связанные с уменьшением производительности каждого этапа.

Можно ли использовать стандартные суспензии CMP для кобальта и рутения?

Нет. Стандартные медные или вольфрамовые суспензии CMP не подходят для кобальта или рутения. Для кобальта требуются специально разработанные суспензии с ингибиторами коррозии, специфичными для кобальта, и мягкими окислителями, сбалансированными против риска гальванической коррозии на границах Co/TiN. Для рутения требуются сильно окисляющие кислотные химические составы (на основе перйодата или Ce⁴⁺), которые полностью отличаются от любых других коммерческих применений CMP. Использование неправильного химического состава суспензии для этих металлов чревато возникновением серьезных дефектов, загрязнением или полной невозможностью удалить пленку в установленные сроки.

Чем отличается гибридное соединение CMP от стандартного медного CMP?

Принципиальное различие заключается в требованиях к качеству поверхности. Стандартная технология BEOL CMP для меди нацелена на удаление <20-30 нм и количество царапин исчисляется десятками на пластину. При гибридной адгезионной обработке необходимо добиться дишинирования меди менее 5 нм, шероховатости поверхности менее 0,3 нм Ra и менее 10 частиц на пластину более 50 нм - спецификации, которые в 5-10 раз жестче, чем у обычной CMP, по всем параметрам. Для достижения этих целей требуются сверхразбавленные суспензии нанокремнезема, мягкие полировальные пады с ультранизкой прижимной силой и многоступенчатые последовательности очистки после CMP, которые больше похожи на очистку пластин, чем на обычную очистку CMP.

Сколько этапов CMP требуется для логической пластины толщиной 3 нм?

Полностью обработанная логическая пластина толщиной 3 нм (включая FEOL, MOL и BEOL через финальный слой металлизации) требует примерно 50-70 этапов CMP-процесса, в зависимости от конкретного технологического процесса и схемы интеграции. По сравнению с примерно 30-40 шагами при 10 нм, 15-20 шагами при 28 нм и менее чем 10 шагами при 180 нм. Каждый дополнительный шаг CMP представляет собой возможность потери выхода продукции из-за дефектов, неравномерности или загрязнения, поэтому стандарты производительности расходных материалов для CMP на передовых узлах гораздо строже, чем на зрелых узлах.