Объяснение типов шламов CMP: Оксид, STI, медь, вольфрам и другие

1. Почему выбор типа шлама для CMP имеет значение

По своей сути, Шламовый материал CMP является расходным материалом, обеспечивающим химико-механическую планаризацию - процесс выравнивания поверхности пластин до нанометрической плоскостности между каждым основным этапом осаждения в производстве полупроводников. Но суспензия, оптимизированная для полировки диоксида кремния, катастрофически переполирует медь; суспензия, предназначенная для удаления вольфрамовых пробок, разрушит хрупкий диэлектрик с низким коэффициентом К. Тип используемой суспензии - это не просто незначительная операционная деталь - это фундаментальная переменная процесса, определяющая выход продукции, производительность и надежность устройства.

Возможно развертывание современной передовой фабрики, работающей по технологии TSMC N3 или Samsung SF3 От 15 до 25 различных составов суспензии CMP по всему технологическому процессу - от изоляции транзисторов FEOL до многослойных медных межсоединений BEOL и вплоть до упаковки на уровне пластин. Каждая рецептура разрабатывается совместно с определенным типом прокладки, кондиционером и настройкой инструмента. Понимание различий между типами суспензий - их химического состава абразива, режима pH, селективности и профиля дефектности - необходимо любому инженеру, ответственному за управление процессом CMP.

2. Система классификации: Как классифицируются шламы CMP

Суспензии CMP можно классифицировать по двум осям, которые вместе определяют пространство рецептур:

2.1 По типу абразива

Химический состав абразивных частиц является основным фактором, определяющим способность к механическому удалению и взаимодействию с поверхностью. Три доминирующих абразивных материала - коллоидный диоксид кремния (SiO₂), оксид церия (CeO₂) и глинозем (Al₂O₃) - каждый служит для различных областей применения. Четвертая категория - суспензии без абразивов (AFS) - полностью полагается на химическое воздействие. Полная информация о рецептурах представлена в нашей специальной статье Состав шлама CMP: Абразивы, химикаты и рецептура.

2.2 По целевой пленке / этапу процесса

С точки зрения интеграции процессов, шламы наиболее практично классифицировать по пленкам, для удаления которых они предназначены. Именно эту систему классификации используют инженеры-технологи fab при выборе шлама для конкретного этапа CMP, и именно ее придерживаются в данной статье.

3. Оксидная суспензия CMP (ILD)

Оксидная суспензия CMP используется для планаризации межслойных диэлектрических (ILD) пленок - в основном SiO₂ на основе TEOS (тетраэтил ортосиликат), осажденных методом PECVD или HDP-CVD между слоями металлических межсоединений. Это исторически первое применение CMP, коммерциализированное компанией IBM в конце 1980-х годов, и оно остается крупнейшим сегментом рынка шламов CMP по объему потребления.

Характеристики препарата

Оксидные суспензии являются щелочными (pH 10-11), в них используются абразивы из коллоидного кремнезема с концентрацией 5-15 масс%. При высоком pH поверхность SiO₂ абразива и поверхность оксидной пленки заряжены отрицательно, что может показаться непродуктивным, но механическое полирующее действие доминирует в этом режиме pH, а щелочная среда улучшает кинетику растворения оксида (гидролиз связи Si-O), обеспечивая MRR оксида 1,000-3,000 Å/мин. KOH или NH₄OH обычно используется в качестве регулятора pH и вторичного растворяющего агента.

Заметки об интеграции процессов

Оксидная МЛД CMP, как правило, представляет собой этап с определенным временем - полировка заканчивается при достижении заранее заданной толщины удаления, подтвержденной оптической системой определения конечной точки in-situ. Без жесткого стопорного слоя равномерность в пределах пластины (WIWNU) является основной задачей управления процессом: для быстрого полирования по центру или по краям требуется точная настройка давления в зоне головки носителя и усилия фиксирующего кольца. Оксидная суспензия, как правило, является наиболее щадящей с точки зрения дефектов, что делает ее доступной для начинающих технологов CMP.

4. STI CMP Slurry (изоляция неглубоких траншей)

CMP для изоляции неглубоких траншей (STI) - это, пожалуй, самый технически сложный этап CMP для диэлектриков при обработке переднего фронта линии (FEOL). Его цель - планаризация оксида TEOS, осажденного в изоляционные структуры мелких траншей, с предельной точностью останавливаясь на полировочном стоп-слое Si₃N₄, который защищает активные области транзисторов. На передовых узлах менее 10 нм общий остаточный бюджет пленки после STI CMP может составлять всего ±1 нм, что практически не оставляет возможности для нарушения селективности.

Почему керия необходима при ИППП

Определяющей характеристикой шлама STI является необычайно высокая селективность SiO₂:Si₃N₄, достижимая только при использовании абразивов на основе оксида церия (церия). Механизм принципиально отличается от механического истирания: Частицы CeO₂ вступают в химическую реакцию с SiO₂, образуя поверхностные связи Ce-O-Si, которые значительно ускоряют растворение оксидов, в то время как поверхность Si₃N₄ в значительной степени инертна к этому механизму, обеспечивая селективность от 50:1 до 200:1 при использовании современных пакетов анионных полимерных добавок.

Оксидные суспензии на основе кремнезема достигают типичной селективности SiO₂:Si₃N₄ всего 5-10:1, что совершенно недостаточно для CMP STI, где потери нитрида должны быть ниже 2-3 нм. Это делает суспензию STI на основе церия практически незаменимым составом при обработке FEOL. Рецептура этих суспензий на основе церия - в частности, взаимодействие между размером частиц церия, типом анионного полимера (полиакриловая кислота, полисульфонат) и pH - является основным техническим полем битвы при разработке суспензий STI. Подробнее о химическом составе частиц церия читайте в нашем руководстве Состав шлама CMP.

5. Медный шлам CMP

Обработка меди CMP является наиболее сложным процессом в производстве межсоединений BEOL (back-end-of-line) и связана с наибольшим риском дефектов. Обработка меди двойным дамаском - стандартная схема межсоединений с нормами от 180 нм до 3 нм - требует как минимум двух последовательных этапов CMP, каждый из которых отличается составом суспензии.

Учитывая его важность, мы написали полное руководство по глубокому изучению этой темы: Медный шлам CMP: Полное руководство по интеграции процесса. Здесь мы приводим основные сведения.

Шаг 1: Удаление крупной меди

Этап удаления объемной Cu удаляет большую часть гальванической медной вкрапленности (обычно толщиной 500-1500 нм) при высоком MRR (3 000-8 000 Å/мин). В центре формулы суспензии находится перекись водорода (H₂O₂) в качестве окислителя, преобразующего поверхность меди в Cu(OH)₂, в сочетании с хелатирующим агентом, таким как глицин или лимонная кислота, для связывания растворенных ионов Cu²⁺, предотвращая повторное осаждение. Ингибитор коррозии (чаще всего бензотриазол, BTA) контролирует скорость растворения Cu, чтобы предотвратить образование разводов в широких линиях. Селективность барьера Cu против TaN должна быть >100:1, чтобы предотвратить раннее пробивание барьера.

Шаг 2: Снятие барьера / облицовки

После удаления объемной Cu барьерный слой TaN/Ta и слой Cu/семян, оставшийся на полевом оксиде, должны быть планаризованы на втором этапе CMP. Для этого требуется суспензия с селективностью, близкой к единице, по Cu, TaN и SiO₂ - противоположность целевой селективности по объемной Cu. В составах барьерных суспензий используется почти нейтральный pH (6-8), абразив из кремнезема с низкой концентрацией и тщательно сбалансированные системы окислителей/ингибиторов для удаления Ta со скоростью 400-800 Å/мин при минимизации удаления Cu и эрозии SiO₂. Финишная обработка на этом этапе непосредственно влияет на равномерность сопротивления металлических линий по всей матрице.

6. Вольфрамовый шлам CMP

Вольфрамовая суспензия CMP используется для планаризации W-разъемных контактов и локальных межсоединений, сформированных CVD-заполнением вольфрама в вытравленных отверстиях и траншеях. Обработка W CMP является одним из этапов технологического процесса FEOL/MOL (middle-of-line) и одним из наиболее абразивно-агрессивных применений CMP в производстве полупроводников, благодаря твердости вольфрама (7,5 по Моосу) и его склонности к образованию собственных оксидных пассивирующих слоев, которые препятствуют удалению.

Химия рецептур

Вольфрамовые шламы сильно кислые (pH 2-4), и для преобразования поверхности W в растворимый тунгстат (WO₃ / WO₄²-) требуется окислитель, который затем может быть удален механически. Исторически стандартным окислителем был нитрат железа(III) (Fe(NO₃)₃), обеспечивающий постоянный и настраиваемый MRR W. Перекись водорода (H₂O₂) получила распространение как более экологически безопасная альтернатива, хотя для поддержания эквивалентной производительности требуется более тщательный контроль pH. Йодат калия (KIO₃) обладает сильной окислительной способностью при минимальном риске загрязнения металлами и является предпочтительным для высокочистых применений.

Выбор абразива для W CMP представляет собой компромисс: абразив из глинозема (Al₂O₃) обеспечивает высокий показатель W MRR благодаря своей превосходной твердости, но повышает риск появления царапин и затрудняет очистку после CMP. Окаменевший или коллоидный диоксид кремния обеспечивает более низкую дефектность при несколько меньшем MRR. В современных суспензиях W CMP все чаще используются абразивы из кремнезема с оптимизированным составом окислителей и диспергаторов, что позволяет достичь высокого MRR без ущерба для дефектности глинозема.

Поведение стоп-слоя

Вольфрамовый CMP должен останавливаться на барьерном/адгезионном слое Ti/TiN, осажденном под W-наполнителем. Селективность W:TiN в стандартной суспензии W CMP составляет примерно 10:1-20:1 - менее точно, чем селективность церия STI, но достаточно, учитывая относительно постоянную толщину TiN и использование оптического концевого датчика для обнаружения шагов. При чрезмерном удалении TiN обнажается лежащий под ним оксид ILD и возникает риск замыкания контактов с соседними структурами.

7. Барьер / прокладка CMP Slurry

Барьерный CMP-шлам используется на втором этапе последовательности Cu dual damascene CMP. После удаления объемной меди на полевом диэлектрике остается стопка композитных пленок - остаточная тонкая Cu, барьерный слой TaN/Ta и затравочный слой Cu. Барьерная суспензия должна удалять все три материала (Cu, TaN, SiO₂) с контролируемой, практически равной скоростью для достижения глобально планарной поверхности с минимальными отклонениями в металлических линиях и минимальной эрозией в плотных областях массива.

Достижение такой селективности мультиматериалов, близкой к единству, при одновременном контроле диширования (<30 нм) и эрозии (<20 нм) на передовых узлах - одна из самых сложных задач в химии суспензий для CMP. Разработка барьерной суспензии особенно чувствительна к типу диэлектрика - переход от TEOS SiO₂ к пористым диэлектрикам с ультранизким К (ULK) приводит к механической хрупкости, что требует изменения концентрации абразива, твердости и прилагаемого давления.

8. Шламы для поликремниевого CMP

Суспензия для CMP поликремния используется в двух основных областях применения FEOL: планаризация электродов затвора в КМОП-логике (схемы "затвор-первый high-k/металлический затвор") и CMP конденсаторов ячеек в производстве DRAM. В обоих случаях суспензия должна удалять поликристаллический кремний (poly-Si), останавливаясь при этом с высокой селективностью на нижележащих или окружающих оксидных пленках SiO₂ затвора или полевого оксида.

Высокая селективность поли:оксид (>50:1) достигается благодаря зависящей от рН разнице в скорости растворения поли-Si и SiO₂ в щелочных растворах в сочетании с коллоидным абразивом из кремнезема и пакетами добавок на основе аминов или четвертичного аммония, которые повышают реакционную способность поверхности поли-Si. При pH 10-12 поверхность поли-Si подвергается значительно более быстрому растворению под действием гидроксидов, чем термически выращенный SiO₂, обеспечивая естественную химическую селективность, которая усиливается при тщательном подборе добавок.

9. Новые типы шламов для CMP: Кобальт, рутений и без абразивов

По мере продвижения полупроводниковой технологии к 3-нм узлу и далее появляются новые проводниковые и барьерные материалы, требующие принципиально новых химических составов суспензий. Эти новые типы суспензий представляют собой современный рубеж исследований рецептур для CMP. Наша специальная статья о Шламы CMP для усовершенствованных узлов: Проблемы и инновации в котором эта тема рассматривается с большой технической глубиной.

9.1 Шлам кобальта CMP

Кобальт заменил вольфрам в контактах MOL и локальных межсоединениях при нормах 10 нм и ниже (Intel 10 нм/7 нм, Samsung SF4/SF3, TSMC N7/N5), что обусловлено более низким удельным сопротивлением кобальта при малых размерах и лучшими свойствами заполнения зазоров для контактов диаметром менее 20 нм. Суспензия Co CMP представляет собой уникальную проблему: кобальт электрохимически активен в широком диапазоне pH, подвержен гальванической коррозии при контакте с TiN или SiO₂ и очень чувствителен к концентрации окислителя - небольшое переокисление приводит к образованию питтинговых дефектов, а недоокисление оставляет неполированные остатки. Для успешной обработки Co CMP требуется строго контролируемая концентрация H₂O₂, специализированные ингибиторы коррозии и оптимизированные хелатирующие агенты для управления видообразованием Co²⁺/Co³⁺ в растворе.

9.2 Рутениевая суспензия CMP

Рутений (Ru) становится барьерным, подкладочным и локальным материалом для межсоединений следующего поколения при нормах 3 нм и выше благодаря очень низкому объемному удельному сопротивлению (7,1 мкОм-см), хорошей электромиграционной стойкости и совместимости с ALD-осаждением при толщине ≤1 нм. Суспензия Ru CMP все еще находится в активной разработке у большинства крупных поставщиков: чрезвычайно инертный нативный оксид рутения (RuO₂) и его сложное электрохимическое поведение делают достижение высокого, стабильного MRR без чрезмерной коррозии чрезвычайно сложной задачей. В текущих исследованиях перспективным является использование почти нейтрального pH со специализированными окислителями - перйодатом или нитратом аммония.

9.3 Шламы без абразивов (AFS)

Для сверхчувствительных областей применения, включая полировку заготовок фотомасок EUV, окончательную полировку пластин SOI и финишную обработку межслойных диэлектриков ULK на уровне 2 нм, безабразивные суспензии, основанные исключительно на химическом растворении, являются единственным способом достижения шероховатости поверхности менее 0,1 нм Ra с отсутствием микроцарапин, вызванных частицами. Формулы AFS жертвуют MRR (типичная скорость <200 Å/мин) ради практически бездефектных поверхностей, что делает их пригодными только в качестве заключительного этапа финишной обработки, а не процесса удаления основной массы.

10. Полная сравнительная таблица типов шламов CMP

Используйте эту справочную таблицу для сравнения всех основных типов шламов CMP по критически важным параметрам процесса в едином представлении.

11. Как выбрать правильный тип шлама для КМП: Система принятия решений

Выбор правильного типа суспензии для новой или модифицированной технологической операции CMP происходит по логической схеме принятия решений. Приведенная ниже схема помогает инженерам-технологам и специалистам по закупкам ответить на ключевые вопросы в правильной последовательности.

Шаг 1 - Определите целевую пленку и стоп-слой

Целевая пленка - обязательная отправная точка. Уточните, какая именно пленка полируется (например, TEOS SiO₂ против HDP SiO₂ против спинового оксида - каждая из них имеет разную плотность и реакцию на полировку), и определите стоп-слой с требуемой селективностью травления. Если твердого стоп-слоя нет, планируйте полировку по времени с оптической поддержкой конечной точки.

Шаг 2 - Определение требуемого коэффициента селективности

Минимальная допустимая толщина остаточной пленки стоп-слоя и ее допустимые отклонения указаны в спецификации на интеграцию процесса. Рассчитайте требуемый коэффициент селективности с учетом ожидаемого времени переполировки (обычно 10-30%). Процессы STI с бюджетом потерь нитрида 100:1, что требует применения суспензии церия. Процессы оксидной ИЛД без стоп-слоя не требуют спецификации селективности - подходит суспензия диоксида кремния.

Шаг 3 - Установите требования к MRR и пропускной способности

Рассчитайте требуемый MRR, исходя из целевой толщины съема и бюджета времени цикла работы инструмента CMP. Более высокий MRR сокращает время полировки, но может ухудшить WIWNU и увеличить риск удаления. Убедитесь, что выбранный тип шлама может обеспечить требуемый MRR в пределах допустимых параметров давления и скорости для установленной платформы CMP-инструмента.

Шаг 4 - Оценка бюджета дефектности

Обратитесь к своей модели производительности для определения допустимой плотности царапин, количества крупных частиц (LPC) и пределов загрязнения металлами. Металлические этапы CMP (Cu, Co) обычно имеют самые жесткие ограничения по дефектности. Цериевый шликер (STI) требует специальной химической очистки после ЧМП для удаления остаточных частиц церия. Эти требования могут еще больше ограничить ваш список шликерных материалов. Управление дефектами рассматривается в нашем специальном руководстве Анализ дефектов и контроль качества шлама CMP.

Шаг 5 - Оценка совместимости с оборудованием и инфраструктурой

Некоторые типы шламов предъявляют особые требования к обращению: абразивы из церия и глинозема более плотные и быстрее оседают, что требует использования рециркуляционных контуров; H₂O₂-содержащие шламы Cu имеют ограниченный срок службы (<24 часов в открытых системах дозирования) и требуют систем подачи с N₂-одеялом; сильнокислые шламы W требуют коррозионностойких материалов трубок и фитингов (PVDF, PFA). Оцените существующую химико-механическую инфраструктуру вашей фабрики, прежде чем окончательно выбрать тип шлама. См. наше руководство по Фильтры для шлама CMP, хранение и обработка для удовлетворения потребностей инфраструктуры по типу шлама.

12. Часто задаваемые вопросы

Заключение

Выбор типа шлама для CMP является одним из наиболее важных технологических решений в процессе CMP-технологии полупроводников. Каждый тип суспензии - от оксида и STI до меди, вольфрама, барьера, поликремния и новых кобальтовых и рутениевых составов - представляет собой отдельный химический состав, оптимизированный для определенного набора материалов, требований к селективности и ограничений по дефектности. Ни один состав не подходит для всех областей применения, а выбор неправильного типа суспензии для конкретного этапа CMP является основной причиной отклонений в процессе, снижения выхода продукции и сбоев в интеграции.

Понимая классификационные рамки, химический состав каждого типа и критерии выбора, изложенные в данном руководстве, инженеры-технологи могут подходить к решению вопроса о выборе шлама для CMP с большей уверенностью и эффективностью. Для получения исчерпывающей информации об основах CMP-шламов - механике процесса, науке о составах, поставщиках и тенденциях рынка - вернитесь к разделу Полное руководство по шламу CMP. Для более глубокого изучения химии абразивных частиц и рецептурных добавок см. нашу статью о Состав шлама CMP: Абразивы, химикаты и рецептура.