智芯文库 | 一文看懂半导体CMP焦点质料:leyu乐鱼网
点击量: 发布时间:2021-12-25
本文摘要:对于半导体芯片工业来说,主要可以分为设计、制造和封测三个关键环节。

对于半导体芯片工业来说,主要可以分为设计、制造和封测三个关键环节。近年来,随着国家对于半导体工业的重视和扶持,国产半导体厂商在这个三个环节都取得了长足的进步。特别是在设计和封测这两块,海内已有一些厂商进入到了全球领先行列。

可是在半导体制造这块,与外洋厂商之间的差距依然很大。而对于本就处于弱势的国产半导体制造来说,其所需的关键设备和半导体质料,中国更是极为单薄。一、平坦化要求日趋庞大,CMP为集成电路制造关键制程CMP 全称为 Chemical Mechanical Polishing,即化学机械抛光,是普通抛光技术的高端升级版本。

集成电路制造历程好比建屋子,每搭建一层楼层都需要让楼层足够水平齐整,才气在其上方继续搭建另一层楼,否则楼面就会崎岖不平,影响整体可靠性,而这个使楼层整体平整的技术在集成电路中制造中用的就是化学机械抛光技术。CMP 是通过纳米级粒子的物理研磨作用与抛光液的化学腐蚀作用的有机联合,对集成电路器件外貌举行平滑处置惩罚,并使之高度平整的工艺技术。当前集成电路中主要是通过 CMP 工艺,对晶圆外貌举行精度打磨,并可到达全局平整落差 100A°~1000A°(相当于原子级 10~100nm)超高平整度。

△化学机械抛光示意图△化学机械抛光实物图而未经平坦化处置惩罚,晶片起伏随着层数增多变得更为显着,同层金属薄膜由于厚度不均导致电阻值差别,引起电子迁移造成电路短路。起伏不平的晶片外貌还会使得光刻时无法准确对焦,导致线宽控制失效,严重限制了布线层数,降低集成电路的使用性能。

△半导体芯片制造工艺流程中CMP工艺位置摩尔定律下,代工制程节点不停缩小,布线层数连续增加,CMP 成为关键制程。1991 年 IBM 公司首次乐成地将 CMP 技术应用到动态随机存储器的生产以来,随着半导体工业踏着摩尔定律的节奏快速生长,芯片的特征尺寸连续缩小,已生长至 5~7nm。CMP 已乐成用于集成电路中的半导体晶圆外貌的平面化。

凭据差别工艺制程和技术节点的要求,每一片晶圆在生产历程中都市履历几道甚至几十道的CMP 抛光工艺步骤。随着特征尺寸的缩小,以及布线层数增长,对晶圆平坦化精度要求不停增高,普通的化学抛光和机械抛光难以满足在当前集成电路 nm 级的精度要求,特别是现在对于 0.35um 制程及以下的器件必须举行全局平坦化,CMP 技术能够全局平坦化、去除外貌缺陷、改善金属台阶笼罩及其相关可靠性,从而成为现在最有效的抛光工艺。CMP 主要运用在在单晶硅片抛光及多层布线金属互连结构工艺中的层间平坦化。

集成电路制造需要在单晶硅片上执行一系列的物理和化学操作,同时随着器件特征尺寸的缩小,需要更多的生产工序,其中 90nm 以下的制程生产工艺均在 400 个工序以上。就抛光工艺而言,差别制程的产物需要差别的抛光流程,28nm制程需要12~13次CMP,进入10nm制程后CMP次数将翻倍,到达25~30次。现在在集成电路制造中 CMP 技术的应用越来越广泛,从加工历程中最初的 STI(浅沟槽隔离层)到 ILD(层间介质)再到 Metal 金属互连层再到后期的 TM(顶层金属)都需要用到。

而凭据抛光薄膜种类的差别,CMP 可以分为金属薄膜 CMP、氧化硅薄膜 CMP 和硅薄膜 CMP 等种类,且各自有偏重的主要应用领域。其中:金属薄膜CMP主要包罗:钨&钨阻挡层 CMP、铜&铜阻挡层 CMP、铝 CMP等;氧化硅薄膜CMP主要包罗:层间介质层 CMP、浅沟槽 CMP 等;硅薄膜CMP主要包罗:晶圆外貌 CMP、多晶硅 CMP 等;CMP 技术最早使用在氧化硅抛光中,是用来举行层间介质(ILD)的全局平坦的,在半导体进入 0.35μm 节点之后,CMP 更广泛地应用在金属钨、铜、多晶硅等的平坦化工艺中。

随着金属布线层数的增多,需要举行 CMP 抛光的步骤也越多。二、抛光垫和抛光液是CMP焦点质料CMP是化学作用和机械作用相联合的组合技术,其事情原理是,旋转的晶圆以一定的压力压在旋转的抛光垫上做相对运动,借助纳米磨料的机械研磨作用与各种化学试剂的化学作用的高度有机联合来实现平坦化要求。这一历程中应用到的质料主要包罗抛光液和抛光垫。从价值量占比可以看到,CMP 质料是晶圆制造的焦点耗材,占晶圆制造成本约7%,价值量与光刻胶相近。

而在CMP质料细分占比当中,抛光液和抛光垫是最焦点的质料,价值量占比划分为 49%和 33%。其他抛光质料还包罗抛秃顶、研磨盘、检测设备、清洗设备等。抛光垫和抛光液决议了 CMP 工艺的基础抛光效果,并联合设备操作历程、硅片等因素,配合影响 CMP 抛光效果和效率。我们一般从平均磨除率、平整度和匀称性、选择比和外貌缺陷四个维度来评判抛光效果。

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为了更好控制抛光历程,需要详细相识 CMP 系统中参数所起的作用以及它们之间微妙的交互作用。其中,抛光垫和抛光液的物理化学等性能在 CMP 工艺中发挥了重要的作用。

现在,最新的趋势是,国际先进的厂商在3D-Nand 等更高要求的生产环节中应用牢固研磨颗粒的抛光垫,其产物融合了原本存在于抛光液的抛光颗粒,抛光垫重要性进一步提高。三、抛光垫行业壁垒高,市场被外洋龙头高度垄断抛光垫是一种疏松多孔的质料,具有一定弹性,一般是聚亚氨酯类,主要作用是存储和传输抛光液,对硅片提供一定的压力并对其外貌举行机械摩擦。抛光垫具有类似海绵的机械特性和多孔特性,外貌有特殊的沟槽,可提高抛光匀称性。

抛光垫虽不与硅片直接接触,但仍同抛光液一。


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