Umweltverträgliche Slurries auf Siliziumoxidbasis für die Mikroelektronikfertigung

In der heute üblichen Transistorfertigung werden die Einzelbauelemente durch gezielt hergestellte tiefe Gräben von isolierendem Siliziumoxid elektrisch voneinander getrennt. Um die Dimension der Isolationsgräben nanometergenau anzupassen, ist ein chemisch mechanischer Planarisierungsprozess (CMP) erforderlich. Heute wird bei diesem Schritt mit einer Poliersuspension (Slurry) basierend auf Ceroxid-Abrasivpartikeln gearbeitet. Da es sich bei Cer um ein Element der Seltenen Erden handelt, dessen Oxid im Verdacht steht, krebserregend zu sein, laufen am Fraunhofer IPMS Versuche mit umweltverträglicheren alternativen Slurries auf Siliziumoxidbasis.

Da beim Fertigungsprozess Siliziumoxid abgetragen wird und die Topographie mit Hilfe einer Polierstoppschicht aus Siliziumnitrid eingestellt wird, sind (mindestens) zwei Parameter zur Bewertung einer Slurry von zentraler Bedeutung: Der Oxidabtrag sollte hinreichend hoch sein, um einen hohen Prozessdurchsatz zu ermöglichen. Eine hohe Selektivität des Abtrags ist erforderlich, um den Prozess bei Erreichen der Polierstoppschicht zu beenden.

Motivation

Chemisch Mechanisches Polieren (CMP) ist ein entscheidender Prozess in der Halbleiterfertigung, jedoch gehört er auch zu den Verfahren mit dem zweithöchsten CO₂-Fußabdruck. Die verwendeten Abrasivpartikel sind meist Siliziumoxid (Silica) oder Ceroxid (Ceria). Ceria, ein Seltenerdelement, verursacht einen wesentlich höheren CO₂-Fußabdruck und steht zudem im Verdacht, krebserregend zu sein. Die globale Versorgung mit Ceria ist kritisch.

In fortschrittlichen Technologien werden Polierschritte, die selektiv auf einer Siliziumnitridschicht (SON) stoppen, häufig mit Ceria-Slurries durchgeführt. Die Ergebnisse des CMP-Prozesses hängen stark von der Strukturierung der Chips ab. Aktuell ist die Produktion vielfältiger Chips mit Silica-basierten SON-Polierschritten nicht möglich, was die Diversifizierung der Mikroelektronik einschränkt und den Bedarf an unterschiedlichen Chip-Designs steigert.

Stand der Technik

Beim Chemisch Mechanischen Polieren (CMP) für Stop on Nitride (SON)-Strukturen ist es erforderlich, Siliziumoxid über Siliziumnitrid präzise zu entfernen. Hohe Liniendichten führen zu längeren Polierzeiten, bis das Aktivoxid vollständig entfernt ist. In Bereichen mit niedrigen Dichten neben hohen Dichten kann es zu längeren Polierzeiten als nötig kommen, was die Notwendigkeit einer exzellenten Funktionalität des SON unterstreicht.

Ein weiter Dichtebereich ergibt eine hohe Eingangstopographie, was die Anforderungen an den SON erhöht. Es gibt eine Variation der Prozessergebnisse in Abhängigkeit von den Strukturdichten. Für einen breiten Dichtebereich innerhalb des Zielfensters ist eine Ceria-Slurry erforderlich, während eine Silica-Slurry nur bei einem sehr schmalen Dichtebereich im Zielfenster eingesetzt werden kann.

Ceroxidfreies STI CMP

Der Polierprozess erfolgt in zwei Schritten: Vorpolieren und finales Polieren.

• Vorpolieren: Hierbei werden die Strukturen eingeebnet und der Unterschied zwischen hohen und niedrigen Dichten reduziert.

• Finales Polieren: Dies umfasst das SON-Polieren mit einer selektiven, umweltverträglichen Silica-Slurry.

Die Optimierung des Vorpolierens zielt darauf ab, die Topographie zu reduzieren, was die Anforderungen an den SON senkt. Es gibt drei Optionen zur Verbesserung des Vorpolierens:

1. Mehr Oxid für längeres Polieren.
2. Geringerer Polierdruck.
3. Aufteilen der Polierzeit in 30-Sekunden-Intervalle.

Diese Maßnahmen führen zu einer reduzierten Topographie (WIDNU) und verringern die Dichteabhängigkeit. Eine geringere Dichteabhängigkeit und die Topographie bleiben auch nach dem SON/finalen Polieren bestehen, was mit WIDNU korreliert.

Fazit zum Prozess

Das finale Polierergebnis kann erheblich durch einen angepassten Vorpolierprozess verbessert werden. Die Einschränkungen, die durch Silica-Abrasiva entstehen – insbesondere die stärkere Dichteabhängigkeit – können durch gezielte Anpassungen im Vorpolieren adressiert werden. 

Es gibt verschiedene Möglichkeiten des Vorpolierens, die eine Varianz in der Prozessanpassung je nach den spezifischen Anforderungen der geforderten Produkte bieten. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Topographie und Dichteabhängigkeit, was zu optimierten Ergebnissen im finalen Polierprozess führt.