張繼靜，李 偉，宋婉貞

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

化學機械拋光終點檢測技術研究

張繼靜，李 偉，宋婉貞

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

化學機械拋光是晶圓全局平坦化的核心技術，其中有效的終點檢測是影響拋光效果的關鍵。若不能有效地監(jiān)測拋光過程，便無法避免晶圓拋光過度或不足的缺陷。本文在介紹CMP原理與應用的基礎上，系統(tǒng)分析了CMP終點檢測技術的多種應用方法及其優(yōu)缺點。

晶圓；終點檢測；平坦化；化學機械拋光

近年來，超大規(guī)模集成電路制造技術已經(jīng)發(fā)展到了0.1 μm和300 mm時代，特征線寬為0.1 μm的技術也已經(jīng)廣泛應用。在2025年之前，20～14 nm工藝設備國產(chǎn)化率將達到30%，到2030年，實現(xiàn)450 mm工藝設備的國產(chǎn)化[1]。隨著特征線寬的進一步微小化，對硅片表面的平坦化程度提出了更高的要求，化學機械拋光技術被公認為是超大規(guī)模集成電路階段最好的材料全局平坦化方法，該方法既可以獲得較完美的表面，又可以得到較高的拋光速率。

由于金屬層數(shù)增加，要在大直徑晶圓上實現(xiàn)多層布線結構，刻蝕要求每一層都應具有很高的全局平整度，即要求對多層布線互連結構中凹凸不平的絕緣體、導體、層間介質(zhì)、鑲嵌金屬、硅氧化物、多晶硅等進行平整化，這是實現(xiàn)大規(guī)模集成電路立體化結構的關鍵。在眾多的平整化技術中，化學機械拋光（CMP）是目前唯一能獲得全局平面化效果的平整化技術，因此，在當前尖端的半導體科技中，CMP已經(jīng)成為眾所矚目的核心技術。作為半導體制造工藝中的關鍵技術，CMP設備的研究和應用已經(jīng)成為國內(nèi)半導體制造行業(yè)的焦點[2]。

1 晶圓CMP的原理及其應用

CMP系統(tǒng)主要是由承載拋光墊的拋光臺、一個旋轉的晶圓承載器和拋光液輸送裝置三大部分組成。化學機械拋光時，拋光臺上表面粘貼拋光墊，然后承載器吸附晶圓；旋轉的承載器以一定的壓力壓在旋轉的拋光墊上，拋光液持續(xù)流入，并在拋光墊與晶圓之間流動。拋光液在拋光墊的傳輸和旋轉離心力的作用下均勻分布其上，在晶圓和拋光墊之間形成一層液體薄膜，液體中的化學成分與晶圓產(chǎn)生化學反應，將不溶物質(zhì)轉化為易溶物質(zhì)，然后通過磨粒的微機械摩擦將這些化學反應物從晶圓表面去除，溶入流動的液體中帶走，在化學成膜和機械去膜的交替過程中實現(xiàn)超精密表面加工，從而達到平坦化的目的，見圖1所示。

圖1 CMP拋光原理示意圖

CMP可以用下列方程式來表示

式中，dz/dt為材料去除速率；

Kp為機器性能參數(shù)；

P為拋光壓力；

V為拋光速度。

由上式可見，晶圓表面的去除速率與晶圓和拋光墊的相對速度及拋光壓力成正比。在拋光過程中，除了機構參數(shù)及拋光墊特性的影響外，當晶圓和拋光墊表面的相對速度、壓力及拋光液供應穩(wěn)定時，晶圓會被均勻拋光。

在晶圓前道制程的多層循環(huán)布線中要反復使用到化學機械拋光。大量的研究表明，CMP不僅是單晶晶圓獲得納米級超光滑無損傷表面的最佳方法，同時被公認為是超大規(guī)模集成電路（ULSI）階段最好的材料全局平坦化方法。它在集成電路制造中的應用主要集中在以下幾個方面[3]：

（1）氧化硅薄膜的CMP。氧化硅多應用于做絕緣膜或隔離層，因此氧化硅層的平整度將影響其后數(shù)層的制造、導線的連接及定位工作。通常氧化硅層多以化學氣相沉積（CVD)的方法沉積，因此會有過多的堆積層需要以CMP的方式去除，此過程沒有明顯的停止終點，以去除薄膜的厚度為標準，只需達到平整度要求即可，如圖2所示。

圖2 沒有停止層的SiO2絕緣膜CMP

（2）層間絕緣膜的CMP。在層間絕緣膜的平整化方面，拋光對象有電漿輔助化學氣相沉積膜、硼磷硅玻璃及熱氧化膜等。每一種對象的CMP拋光條件都隨著拋光液種類、拋光壓力與拋光時間而有所不同。在對不同特性的絕緣膜拋光時，大多以監(jiān)測拋光終點來判定完成與否，如圖3所示。

圖3 有停止層的層間絕緣膜CMP

（3）淺溝槽隔離的CMP。在晶圓上經(jīng)蝕刻形成溝槽后，利用CVD方式沉積氧化硅膜，再用CMP去除未埋入溝槽中的氧化硅膜，并以拋光速度相對緩慢的（如氮化硅膜）作為CMP的拋光停止層即終點，此時溝槽內(nèi)的氧化硅即成為電路中的絕緣體膜，如圖4所示。

圖4 淺溝槽隔離CMP示意圖

（4）多晶硅的CMP。此為將STI過程的溝槽加深，以CVD方式沉積氧化硅或氮化硅后，再以多晶硅作為堆積材料，用CMP去除深溝外多余的多晶硅，并以在晶圓上及溝槽內(nèi)長成的氧化硅或氮化硅膜作為CMP的拋光停止層即終點，此方法常見于溝槽電容的制造過程中，如圖5所示。

圖5 多晶硅CMP示意圖

（5）金屬膜的CMP。在半導體工藝中常用作導線的金屬有鋁、鎢、銅，CMP除了能將金屬導線平整化以外，還能制作（兩層電路）導線間連接的“接觸窗”，即在兩層電路間的絕緣膜上蝕刻出接觸窗的凹槽，再以CVD方式將用作導線材料的金屬沉積其中，最后再以CMP去除多余的金屬層。此法即為通常所說的鑲嵌法，如圖6所示。因為由拋光墊所施加的壓力對晶圓上凸出處作用較大，因此按照導線密度及大小的不同，晶圓拋光的程度也有差異。也就是說，大區(qū)域絕緣層在一般情況下作為拋光停止層的效果很好，但在金屬導線密度高的部分，由于絕緣膜層所占的面積小而容易產(chǎn)生過度拋光的現(xiàn)象，這是當前CMP領域亟待解決的一大問題。

圖6 金屬膜CMP流程示意圖

2 終點檢測技術及其分類

要提高CMP技術的穩(wěn)定性和生產(chǎn)率，實現(xiàn)對CMP的自動化控制，對于拋光終點的監(jiān)測是必須具備的技術。CMP是在晶圓的表面上，從其凸起部分開始均勻地逐步少量去除，使之平整。經(jīng)過平整化后的晶圓上所殘留程度不一的薄膜厚度需要加以精確控制，若未能有效地監(jiān)測CMP運作，便無法避免晶圓產(chǎn)生拋光過度或不足的情況。

在晶圓前半制程的CMP中，所謂的過程終點是介電層上的沉積薄膜被完全移除，只留下填充在介電層孔中的沉積物。

根據(jù)終點檢測的特點可以分為基于時間的離線終點檢測技術和實時在線檢測技術。

2.1 基于時間的離線終點檢測技術

基于時間的離線終點檢測技術是21世紀初國內(nèi)半導體元件制造廠使用的主流技術。這種方法通常對試驗片進行預先試驗拋光，在進行離線評估之后取得拋光時間與拋光速度的關系，根據(jù)關系曲線進行產(chǎn)品的CMP平整化。這一檢測拋光終點的方法，需要根據(jù)不同產(chǎn)品的需求，預先決定去除量再控制拋光時間的方式來決定拋光終點，離線終點檢測具有易于實施、操作性較強等優(yōu)點，但是每道CMP工序的拋光時間會隨著拋光對象、環(huán)境等因素的不同有所變化。因為拋光對象下方底層的導線金屬圖案的形狀、堆積的比例、元件的種類以及工藝過程不同，在拋光時會產(chǎn)生各種各樣的差異。例如層間絕緣膜的表面會隨著電路圖案結構的凹凸、尺寸大小、位置分布、高度與密集程度的不同而變化，導致拋光時間產(chǎn)生變化。另外，拋光墊材料、拋光墊溫度分布、拋光液種類及晶圓的加壓方法也會對CMP的效果與時間有所影響。所以這種方法會造成晶片加工缺陷過多，而且加工精度不高。

這種終點檢測技術主要在直徑小于200 mm的晶圓加工中應用，已不能滿足當前晶圓自動化加工的需要。

2.2 實時在線終點檢測技術

晶圓CMP的實時在線終點檢測一直是半導體產(chǎn)業(yè)關注的焦點。在CMP過程中，由于晶圓表面向下靠在拋光墊上，使得對晶圓拋光的實時在線監(jiān)測非常困難，而且此技術必須考慮拋光過程的可重復性，排除拋光液、機械振動等干擾因素的影響。此外，為了便于采集處理信號，拋光用的拋光墊及拋光液的最優(yōu)化處理也是必要的。

國內(nèi)外各研究機構和生產(chǎn)廠商針對晶圓化學機械拋光中的在線實時終點檢測技術（EPD）進行了一系列研究工作，提出了基于光學、電學、聲學或振動、熱學、摩擦力、化學或電化學原理的監(jiān)測方式。與基于時間的離線終點檢測相比較，在線終點檢測能夠更好地控制晶圓薄膜厚度變化，減少重復操作，實現(xiàn)CMP的自動化操作，從而提高拋光設備利用率和產(chǎn)量，同時避免了STI、多晶硅和金屬等拋光過程中產(chǎn)生的各種缺陷，減少IC設備的密度分布缺陷，降低不均勻性，并最終使半導體設備的穩(wěn)定性和可靠性得到提高。

3 在線終點檢測技術的研究和應用

目前常用的在線終點檢測主要有電機電流終點檢測、光學終點檢測和電渦流終點檢測。

3.1 基于驅(qū)動電機電流變化的終點檢測

美國微米半導體技術公司的 Sandhu S和Laurence D等人提出了利用拋光頭或拋光機臺驅(qū)動電機電流信號變化實現(xiàn)拋光終點在線檢測的方法，其結構如圖7所示。此方法的原理是當晶圓拋光達到終點時，拋光墊所接觸的薄膜材料不同，導致晶圓與拋光墊之間的摩擦系數(shù)發(fā)生顯著變化。例如，晶圓上多晶硅膜被去除，下方底層拋光速度相對緩慢的氮化硅膜露出，晶片與拋光墊之間的摩擦力發(fā)生變化，從而使拋光頭或拋光機臺回轉扭力變化，其驅(qū)動電機的電流也隨之變化，因此由安裝在拋光頭和拋光機臺上的傳感器監(jiān)測驅(qū)動電機電流變化可推知是否達到拋光終點。

圖7 基于電機電流變化終點檢測示意圖

這種方法適用于摩擦系數(shù)變化大的金屬膜拋光和多晶硅拋光過程中，不適用于以去除薄膜厚度為拋光終點的氧化硅拋光。

3.2 基于光學反射率的終點檢測

在CMP過程中，當金屬層、阻擋層、電介質(zhì)層發(fā)生膜的變化時，光學信號能發(fā)生明顯變化，以此區(qū)分不同材料的變化。傳統(tǒng)的金屬CMP工藝控制主要包含三個步驟：第一步，去除晶圓表面大量的金屬層，剩余少量的金屬層（厚度約為150～200 nm）；第二步，完全去除晶圓表面的金屬層，露出阻擋層（鈦和氮化鈦層）；第三步，完全去除阻擋層，露出電介質(zhì)層（氧化硅或氮化硅）。

針對金屬CMP的拋光工藝，先進的在線終點檢測技術，采用光學反射終點檢測來實現(xiàn)晶圓終點檢測，它可用于不同類型的晶圓，以適應在金屬薄膜厚度、平整度和器件圖案等方面的差別。CMP設備包含3個拋光盤，每個拋光盤對應一種拋光工藝步驟。第一拋光盤采用光學終點檢測來檢測晶圓金屬膜的大量去除（此處主要針對CMP工藝的多樣性進行選擇），第二拋光盤采用光學終點檢測來檢測銅膜的完全去除拋光終點，第三拋光盤采用光學終點檢測來檢測阻擋層的拋光終點。此方案可以有效提高設備終點檢測的精度及可靠性[4]。

利用光學方法進行實時終點檢測是目前最具發(fā)展前景的在線監(jiān)測技術。系統(tǒng)采用安裝在機臺上的光學傳感器來采集光學信號，光學信號與被拋光薄膜厚度的變化相關聯(lián)，當所要求的薄膜厚度被去除后，機臺自動停止拋光。通過光學信號模式識別算法識別并處理光學信號，以此來確保檢測的成功率。系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 光學終點檢測原理圖

這種方法應用領域廣闊，大多絕緣膜或多晶硅拋光后的薄膜厚度測量都可利用光學反射率進行測定。同時，由于其測量精度可達0.1 nm。所以對于CMP的終點檢測，這是一種很好的檢測方法。

3.3 電渦流終點檢測

在銅CMP在線終點檢測的研究中，電渦流檢測是最常用的方法。研磨前后電渦流終點檢測裝置中電渦流變化如圖9所示。

圖9 金屬膜上電渦流變化示意圖

檢測裝置主要包括電渦流傳感器、交流驅(qū)動及信號放大器（模擬部分）、以及數(shù)據(jù)采集和運算系統(tǒng)（數(shù)字部分）。其中，數(shù)據(jù)采集與運算系統(tǒng)是電渦流檢測裝置的核心，負責產(chǎn)生并輸出特定頻率的正弦交流信號，并采集信號放大器輸出的測量信號，完成鎖定放大運算，并向上級控制器返回測量信號。

由于電渦流測量裝置工作頻率較高（1～ 10 MHz），所以檢測裝置使用高速A/D和D/A器件進行信號轉換，并且用FPGA器件構成控制與運算系統(tǒng)的核心。

測量裝置工作時，當傳感器檢測范圍內(nèi)有金屬薄膜時，傳感器的等效阻抗發(fā)生變化，由阻抗測量輸出的信號經(jīng)過放大后輸入到A/D轉換器，并將轉換后的數(shù)據(jù)輸入到運算系統(tǒng)中。經(jīng)過系統(tǒng)的采集和濾波處理后，計算渦電流的大小。

這種方法不僅可以監(jiān)測晶圓上被拋光材料的變化，還可檢測晶圓拋光表面平整度，是銅CMP終點檢測最實用的方法。

3.4 綜合終點檢測

綜合多種終點檢測方法于一體，會大幅度提高檢測的可靠性，如圖10所示，該綜合檢測系統(tǒng)由電機電流檢測、光學檢測、拋光墊溫度檢測三個檢測子系統(tǒng)組成[5]，它們在拋光過程中，同時檢測不同的信號，實時采樣并處理信號。

另外，基于拋光液離子濃度變化的終點檢測、基于聲學發(fā)射信號的終點檢測和基于機械力學信號測量的終點檢測也是當前CMP在線監(jiān)測的熱點[6][7]。晶圓化學機械拋光的過程終點可以同時利用這幾種方法或單一方法準確地判斷出來。

圖10 綜合終點檢測系統(tǒng)

在CMP拋光過程中所擷取的各類信號混有大量的干擾噪音，對其中的有用信號進行處理前必須對噪音進行濾除，將有用信號提煉出來，而且實時終點檢測系統(tǒng)還需對機構系統(tǒng)參數(shù)進行分析、對CMP拋光過程進行模擬與仿真，建立敏感、穩(wěn)定的信號觀測機制，藉助CMP仿真機臺與半導體工業(yè)級CMP機臺實際擷取的信號數(shù)據(jù)及實際拋光成品測試的反饋資料，驗證出所規(guī)劃與建立系統(tǒng)的實用與可靠性。

4 結束語

隨著晶圓尺寸的不斷擴大和芯片特征尺寸的不斷縮小，對晶圓的表面平整化程度提出了更高的要求。IC制造追求結構微細化、薄膜化和布線立體化的趨勢下，晶圓的化學機械拋光無疑是不可或缺的關鍵技術。

目前，生產(chǎn)晶圓的廠商大都使用國外進口產(chǎn)品。我們以在線終點檢測作為研究方向研制出的晶圓化學機械拋光設備，已經(jīng)達到了國際先進水平，產(chǎn)業(yè)化以后在國內(nèi)會有廣闊的應用前景。

[1] 趙晨.《中國制造2025》設定IC設備國產(chǎn)化目標，五大難點怎么破？[N].中國電子報，2016-7-7.

[2] 蘇建修，康仁科，郭東明.超大規(guī)模集成電路制造中晶圓化學機械拋光技術分析[J].半導體技術，2003，28 (10)：27-32.

[3] S.H.Li，R.Miller.Chemical Mechanical Polishing in SiliconProcessing[M].NewYork：Academic PressNewYork，2000.63-64.

[4] 高文泉，丁鵬剛，徐存良.化學機械拋光設備關鍵技術研究[J].電子工業(yè)專用設備，2012，41（1）：12-15.

[5] 周國安，柳濱，王學軍，等.紅外光學終點檢測的研究[J].電子工業(yè)專用設備.2008.37(9)：7-10.

[6] JIN R R.New generation CMP equipment and its impact on IC devices[J].Journal of Electronic Materials，2001，30(12)：72-75.

Research of Chemical Mechanical Polishing and Endpoint Detection Technology

ZHANG Jijing，LI Wei，SONG Wanzhen

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing，100176 China)

Chemical mechanical polishing is the core technology of the global planarization of wafer，and the effective endpoint detection is the key to influence the polishing effect.If the polishing operation can not be effectively monitored，it can't avoide producing the defect that the polishing excessive or insufficient on the silicon wafer.On the basis of introducing the principle and application of CMP，this paper analyzes the application methods，the advantages and the disadvantages of the CMP endpoint detection technology.

Wafer；Endpoint detection；Chemical mechanical polishing；Planarization

TN307

A

1004-4507(2016)12-0010-06

2016-12-01