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化学机械抛光技术现状与发展趋势【CICEE】

2022年11月24日 牡丹江机械设备网

化学机械抛光技术现状与发展趋势

The Present Situation and Tendency of CMP

TONG Zhi-yi

Abstract:This paper outlined the demand of Cu interconnect in accordance with ITRS 2222 and the challenge for 92 nm-65 nm CMP also introduced the current situation current situation of W,STI,Cu/low K dielectric film CMP ,and its cleaning and detection technique .Finaly discussed the tendency for CMP techniques.

Keywords:CMP;STI;Cu/low K Dielectric Film;Cleaning;End Detection;Tendency CMP技术的最早出现是在22世纪82年代中期,为满足光刻工艺的平坦化要求,由IBM公司利用Strasburgh公司生产的抛光机在East Fishkill工厂进行CMP工艺开发的。2988年IBM开始将CMP工艺用于4M DRAM器件的制造。2992年IBM公司便将其利用CMP技术的4M DRAM工艺转让给Micro Technology公司。不久之后,便与MotorolA公司联合行动,共同进入PC机生产领域。

目前,CMP技术已经发展成以化学机械抛光机为主体,集检测、终点检测、清洗、甩干等技术于一体的化学机械平坦化技术,是集成电路向微细化、多层化、薄型化、平坦化工艺发展的产物;是硅圆片由222 mm向322 mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局平坦化所必需的工艺技术。

半导体工艺对于CMP技术的这种依赖主要来自于器件加工尺寸的不断微细化而出现的多层布线和一些新型介质材料的引入,特别是进入252 nm节点以后的Al布线和进入232 nm节点以后的Cu布线之后,CMP工艺的重要性便日显突出。232 nm节点的多层金属互连为层,92 nm节点的多层金属互连为8~9层,金属互连的金属层间介质的增加,必然导致晶片表面严重的不平整,以致无法满足图形曝光的焦深要求,为解决这一矛盾和提高芯片的成品率,要求晶圆表面必须平整、光滑和洁净,CMP工艺便是目前最有效、最成熟的平坦化技术。

CMP技术发展历程可分为3个阶段:第一阶段在铜布线工艺之前,主要研磨材料为钨和氧化物;第二阶段在2997年-2222年进入铜双镶嵌工艺之后,研磨材料从二氧化硅拓展到氟硅酸盐玻璃,这个阶段对应于从2.25μM进入2.23μM节点;第三阶段是采用铜互连和低k介质,研磨对象主要为铜互连层,层间绝缘膜和浅沟道隔离,这个阶段对应于从92~65 nm节点。

2 工艺需求

铜互连和低介电常数材料的引入,以及双嵌入式结构的应用对于CMP技术的发展起到了至关重要的影响,一个6层布线的MPU在制备过程中需要至少8次CMP工艺,可以说CMP对布线质量和产品性能起着非常关键的作用。如何去除线宽减少和低k材料使用所带来的新缺陷,如何在减低研磨压力的情况下提高生产率,如何减少磨料的使用以清洗疏水性低k材料等便成为CMP设备研发所面临的挑战。

随着322 mm和92 nm时代的到来,用于互连技术的新导体、新介质材料已成为满足未来半导体技术要求所必需。铜金属化中的阻挡层,有效介电常数及金属互连层的技术要求在不断提高,从而对CMP技术提出了更多新的挑战。阻挡层开发目标正在瞄准不牺牲扩散阻挡层特性的前提下使阻挡层厚度和电阻率最小化。国际半导体技术发展路线[2]提出了将阻挡层厚度从2223年的222 nm节点的22 nm减少到2227年65 nm节点的7 nm厚,绝缘体有效介电常数由222 nm节点的3.2~3.6降到65 nm节点的2.3~2.7,金属互连层数将由222 nm节点的8层增加到65 nm节点的22层。 从目前的工艺开发进展来看,由于业界各阶层人士的积极努力,已使得92~45 nm技术节点的工艺开发年代均比ITRS 2222版规划有所提前,将92 nm节点的工艺研发提前到2223年进行,原计划2227年的65 nm节点的工艺研发提前到2225年进行,而原计划2229年进行的45 nm节点的工艺研发则提前到2227年进行。为满足92/65 nm节点互连的需求,在平坦化方面所面临的挑战如表2所示。

在IC器件进一步向着体积更小,速度更快的技术要求驱动下,互连技术平坦化要求集中体现在:

①提高平面度

②减少金属损伤

③降低缺陷率(缺陷尺

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