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抛光材料和靶材发展情况: 我国集成电路材料专题报告(五)

2019-7-8 14:11:23 显示全部楼层
        出自:SIMIT战略研究室(ID:SIMITSRO)
        中国科学院上海微系统与信息技术研究所

        引言

        集成电路材料对集成电路制造业安全可靠发展以及持续技术创新起到至关重要的支撑作用。本报告将全面梳理我国集成电路材料产业细分领域的发展状况。

        本报告系列文章将分以下几个部分依次发布:(1)我国集成电路发展态势及我国集成电路产业总体情况 (2)衬底材料发展情况;(3)光刻胶和掩膜版发展情况;(4)工艺化学品和电子气体发展情况;(5)抛光材料和靶材发展情况;(6)封装材料发展情况。

        本文为该系列的第五篇:《抛光材料和靶材发展情况

        一、抛光材料

        CMP抛光材料是集成电路制造中的关键耗材,主要包括抛光液、抛光垫和修整盘等,其中抛光垫与抛光液占80%以上。随着集成电路工艺技术节点尺寸的不断缩小,互联层数的不断增加和新材料新工艺的应用,CMP在芯片工艺制程中的使用次数和重要性不断增加(图9),所抛光的材料有多种金属(包括Co、Al、W、Cu、Ta等)和非金属(包括SiO2、Si3N4、衬底材料等),技术节点降低同时对CMP提出了更高的要求,在抛光缺陷、表面污染物的尺寸和数量、抛光性能的稳定性、抛光工艺可控性、抛光均一性、电性能和可靠性等方面提出了更为苛刻的要求。

        抛光液是决定CMP工艺性能最终良率最为关键的材料,约占整个CMP材料市场的49%。抛光液主要由纳米级的研磨颗粒、不同化学剂和去离子水组成。针对具体工艺和被抛光材料的要求,不同种类的研磨颗粒(如二氧化硅、三氧化二铝、二氧化铈等)和多种化学试剂(如金属络合剂、表面抑制剂、氧化还原剂、分散剂以及其他助剂等)被使用在CMP抛光液的配方中。根据其应用,抛光液可以使用在集成电路芯片制造前/后道的各个工序中,如FinFET栅极、浅沟道隔离、钨栓塞、铜互联等。另外,抛光液还应用在先进封装中的硅通孔工艺中,所需要的抛光液也因工艺和材料要求的不同而不同。集成电路用抛光液市场主要被美日欧企业垄断,主要企业有美国的 Cabot、Nalco、Rodel、DuPont、Grace,荷兰的Akzol Nobel,德国的Bayer和Wacker,日本的 Fujimi、Fujifilm、Nissan Chemical、Fuso等,占据全球90%以上的市场份额。
       
        图9 不同技术节点CMP工艺处理的材料

        国内从事CMP抛光液研发与生产的企业有安集微电子、上海新安纳电子、北京国瑞升科技等。其中安集微生产的铜/铜阻挡层抛光液、二氧化硅抛光液、TSV抛光液、硅抛光液、铜抛光后清洗液等产品已成功进入国内外8英寸和12英寸客户芯片生产线使用,铜/铜阻挡层抛光液产品已经进入国内外领先技术节点,产品涵盖130nm~28nm技术节点;上海新安纳电子级二氧化硅纳米磨料成功应用于集成电路抛光液,是目前国内唯一的供应商,研发出的硅片粗抛抛光液获得中国新材料首批次应用的支持,成功应用在8英寸和12英寸硅片抛光上。另外,上海新安纳在存储器抛光液等产品开发方面取得较好进展。

        虽然我国在抛光液领域取得了点的突破,但是整体上我国抛光液的国产化率约为5%,主要为铜及其阻挡层抛光液、TSV抛光液和硅的粗抛液,其它的CMP工艺抛光液(硅片精抛液、化合物半导体抛光液,14nm以下FinFET工艺抛光液,钴、铷等新金属互联材料的抛光,STI抛光液等)及其抛光磨料还是依赖进口。

        CPM工艺中的另一个重要工艺耗材为抛光垫,约占整个CMP材料市场的33%。抛光垫的主要功能是提供机械摩擦和承载抛光液,是影响CMP抛光工艺参数(如抛光速率、均匀度、平整度、缺陷率)的关键因素之一。抛光垫主要以聚亚氨脂为原材料,通过特殊的发泡和成型工艺制作而成。根据不同CMP工艺的需求,需要对抛光垫的材料配方和工艺进行调整,从而获得不同的抛光垫硬度、发泡尺寸、可伸缩性以及表面沟槽的图形和深度。目前,国际上抛光垫市场由陶氏化学一家独大,占整个市场份额的80%,嘉柏微电子次之,约占10%的市场份额。CMP修整盘也是CMP工艺材料中的关键组成部分,其作用是将金刚石颗粒镶嵌在金属胎体上,在抛光过程中对抛光垫进行修正,以保证抛光工艺的稳定性和重复性。美国的3M、韩国的Saesol、我国台湾的中砂等公司都占有一定的CMP修整盘市场份额。

        国内方面,近年来成长起来的成都时代立夫在CMP抛光垫产品开发方面取得较好进展,部分产品在8英寸和12英寸CMP工艺中正在进行应用评估;湖北鼎龙控股开发的铜抛光垫、氧化物抛光垫和钨抛光垫也开始认证;此外,宁波江丰电子和苏州观胜半导体也开始上马新型局抛光垫项目。深圳嵩洋微电子正在开发金刚石修整盘;宁波江丰电子的金刚石修整盘和保持环已进入评价验证阶段。就抛光垫修整盘整体而言,我国本土企业仍处于尝试突破阶段,高端产品依然空白。

        二、靶材

        高纯溅射靶材(包括蒸发材料)作为集成电路芯片制造过程中重要的配套材料之一,主要用于金属化工艺中互连线、阻挡层、通孔、背面金属化层等薄膜的制备。使用的靶材原材料主要有超高纯铝及其合金、铜、钛、钽、钨、钨钛合金以及镍及合金、钴、金、银、铂及合金等(表17)。

        全球靶材制造行业呈现寡头垄断格局,少数日美化工与制造集团主导了全球靶材制造行业,其中霍尼韦尔、日矿金属、东曹、普莱克斯、住友化学、爱发科等跨国集团占据主导地位。

        在国内,靶材是集成电路材料领域最先打破国外垄断的产品。目前我国靶材行业已经初具规模,随着国内靶材企业的不断技术创新,出现了具备和日美跨国集团竞争的本土靶材企业。国内靶材行业龙头包括宁波江丰电子、有研新材子公司有研亿金新材等。在逻辑芯片用靶材方面,国内最大的靶材生产商江丰电子生产的8-12英寸铝、钛、铜、钽靶材已批量进入国际主流芯片厂,公司产品70%以上销往以台积电等为代表的280多家海外芯片制造工厂,并在国际领先的7nm技术得到量产应用;在封装用靶材方面,有研亿金新材8英寸靶材也开始进入市场,公司正在建设12英寸系列靶材生线,在稀贵金属靶材研究与生产方面具备优势。

       
        表17 常用靶材类别及其纯度和用途

        整体上,我国高纯靶材生产技术已跻身国际第一梯队,以江丰电子为代表的国内靶材厂商目前掌握了钛靶、铝靶、铜靶等靶材从提纯到最终靶材成型的整套工艺,但7nm先进工艺用高端钴靶以及存储芯片用钨靶始终被韩国、美国等跨国公司垄断,国内供应商还在需求突破。

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