狄韋宇,鄭永軍,衛(wèi)銀杰

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展,現(xiàn)時(shí)已然進(jìn)入微電子技術(shù)的時(shí)代,而集成電路芯片是其基礎(chǔ)。晶圓表面拋光是芯片生產(chǎn)過程中的重要步驟,化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical mechanical polishing,CMP)技術(shù),是當(dāng)今唯一可以實(shí)現(xiàn)全局平坦化(整個(gè)表面的平坦化)的方法[1]。相較于傳統(tǒng)機(jī)械拋光,其優(yōu)點(diǎn)在于表面光潔度更強(qiáng),損傷低,完整性更高;相較于傳統(tǒng)化學(xué)拋光技術(shù),它的表面精度更高,拋光速率更快。

如何有效地進(jìn)行實(shí)時(shí)終點(diǎn)判斷,將影響拋光的最終結(jié)果。要檢測(cè)拋光的終點(diǎn),需要實(shí)時(shí)得到被拋光薄膜的厚度。CMP的終點(diǎn)判斷就是判斷何時(shí)達(dá)到CMP的理想終點(diǎn),從而停止拋光。終點(diǎn)判斷過早則導(dǎo)致欠拋,即拋光不完全,薄膜過厚,晶圓需要二次加工;判斷過晚則產(chǎn)生過拋現(xiàn)象,導(dǎo)致膜層偏薄,過拋時(shí)間過長(zhǎng)晶圓或?qū)⒅苯訄?bào)廢[2]。而今在制造業(yè)結(jié)構(gòu)微細(xì)化、高精度要求下,晶圓膜厚要求在精度控制在0.1nm,些許偏差都將對(duì)薄膜的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)以及器件的設(shè)計(jì)及可靠性產(chǎn)生重要影響。準(zhǔn)確的終點(diǎn)監(jiān)測(cè)是產(chǎn)品成品率、加工效率的關(guān)鍵技術(shù),直接影響到成本與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

CMP終點(diǎn)監(jiān)測(cè)目前主要分兩大類:離線終點(diǎn)監(jiān)測(cè)與在線實(shí)時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)[4]。離線法主要通過對(duì)試驗(yàn)晶圓片進(jìn)行試驗(yàn)拋光,線下進(jìn)行離線評(píng)估,獲得拋光時(shí)間與速度的關(guān)系,這是目前半導(dǎo)體制造的主流技術(shù)。而由于待拋光面在拋光過程中是完全向下且與拋光墊緊貼,所以在線終點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難度很大。近年來,國(guó)內(nèi)外提出了基于光學(xué)、摩擦力、熱學(xué)、電學(xué)等原理的在線終點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法[5-7]。

基于光學(xué)的方法大多是基于光學(xué)干涉[8-9],也有將信號(hào)中提取濾波信息,如卡爾曼濾波序列導(dǎo)數(shù)[10]、聲發(fā)射信息等[11-12];但是，這些方法測(cè)量復(fù)雜,計(jì)算速度慢,如何更快的找到相應(yīng)特征值并進(jìn)行計(jì)算,對(duì)在線CMP終點(diǎn)監(jiān)測(cè)十分重要。

相比較于其它類方法,基于光學(xué)的方法特點(diǎn)是快、準(zhǔn)、無損[13]。MAZZONE等[14]對(duì)鎢在激光下反射率特征值進(jìn)行了探討,本文主要在白光光源下對(duì)SiO2薄膜進(jìn)行分析。SiO2薄膜作為集成電路絕緣層、光學(xué)薄膜器件及微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system,MEMS)薄膜的重要組成部分,在器件制造中起著重要的作用[15]。

1 光學(xué)法測(cè)膜厚原理

在復(fù)折射率為n+ik的膜層上鍍上厚度為d的假定恒定厚度的均勻的薄膜,入射光以入射角θ0入射,穿過復(fù)折射率為n2+ik2的基底并射入空氣中,如圖1。該層薄膜的特征矩陣為[16]

(1)

薄膜膜層的位相厚度δ表達(dá)式為

(2)

圖1 反射原理圖Figure 1 Reflection principle schematic

折射角θ1由折射定律確定,相應(yīng)的P偏振光和S偏振光的導(dǎo)納η1分別為:

(3)

定義參數(shù)B和C,則單層薄膜的特征矩陣表達(dá)式為

(4)

其中,相位差δ=(2π/λ)nd,η2為薄膜基底的導(dǎo)納。對(duì)于P偏振光和S偏振光,有:

(5)

同時(shí),折射角θ2也由折射定律確定。那么可以得到單層薄膜的反射率公式為

(6)

其中*代表參量的復(fù)共軛,η0為入射介質(zhì)的導(dǎo)納,相應(yīng)的P偏振光和S偏振光的導(dǎo)納分別為:

(7)

方程(6)是單層晶圓薄膜的反射率,并不包括其基底的背面反射。該反射率是由組成薄膜系統(tǒng)的折射率、薄膜厚度、光線在3種介質(zhì)中傳播角度和波長(zhǎng)的函數(shù)?；谡凵涠?一旦單層光學(xué)薄膜系統(tǒng)中n0,n1,θ0和λ已知,那么反射率僅是晶圓薄膜折射率和厚度的函數(shù),即

R=R(n1,d)。

(8)

1.1 參考光譜理論模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論模型的可靠性,我們從filmetrics網(wǎng)站下載了不同膜厚條件下SiO2-Si膜的光學(xué)特性數(shù)值[17],繪制了不同波長(zhǎng)下SiO2的反射率。圖2為膜厚為113.8 nm時(shí),理論折射率曲線與filmetrics網(wǎng)站繪制曲線比較圖,可觀察到兩條曲線基本重合。這說明理論模型對(duì)于理論值n1、d而言是有效可靠的。

圖2 理論數(shù)據(jù)和filmetrics數(shù)據(jù)的反射率比較圖Figure 2 Comparison of reflectivity between theoretical data and filmetrics data

為了進(jìn)一步證明模型的可靠性,我們通過橢偏儀對(duì)膜厚為113.8 nm的薄膜進(jìn)行了檢測(cè),并根據(jù)理論模型擬合了不同波長(zhǎng)下的反射率。使用反射式橢圓偏振光譜儀(ELLIP-A型)測(cè)量,其中光源波長(zhǎng)范圍為200～800 nm,入射角在30°～90°范圍內(nèi)可調(diào)。由于橢圓偏振光譜儀靈敏度的緣故,實(shí)驗(yàn)中選取測(cè)量波段為350～800 nm,入射角為65°。圖3表示膜厚為113.8 nm時(shí),理論計(jì)算的反射率和橢偏儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的結(jié)果,可以觀察到數(shù)據(jù)走向基本一致,由此可以認(rèn)為理論模型確實(shí)是有效的。

圖3 橢偏儀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的反射率比較圖Figure 3 Comparison of reflectance between theoretical data and measured datausing ellipsometer

2 基于光強(qiáng)光譜的終點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)分析

用光強(qiáng)光譜進(jìn)行終點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)的具體步驟如下文所述。在開始研磨之前,先取同一批次的晶圓進(jìn)行試研磨,同時(shí)獲取所選特征值之間的聯(lián)系,最好為線性關(guān)系,通過試研磨獲取經(jīng)驗(yàn)下的時(shí)間與轉(zhuǎn)速等條件。該特征值可以是某些波峰、波谷對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值、波長(zhǎng)值等。

正式研磨時(shí),按照試研磨得到的研磨條件進(jìn)行研磨,首先通過光譜儀測(cè)得實(shí)時(shí)光強(qiáng)光譜,跟蹤預(yù)設(shè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)(視材料而定)而不是整個(gè)光譜內(nèi)的光譜特征,最后將特征值與目標(biāo)特征值作對(duì)比。若未滿足終點(diǎn)條件(經(jīng)驗(yàn)條件得出),則繼續(xù)跟蹤特征值直到滿足終點(diǎn)條件;若滿足終點(diǎn)條件,則停止研磨。

2.1 數(shù)據(jù)來源

我們基于海洋光學(xué)QE Pro光譜儀,在不同環(huán)境條件下進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下。首先,選擇表面氧化層厚度依次為20 nm、50 nm、80 nm、100 nm、120 nm、150 nm、160 nm、180 nm及200 nm的九個(gè)晶圓。其次,在黑暗環(huán)境下分別多次測(cè)量后取平均,得到了不同膜厚晶圓的反射光強(qiáng)數(shù)據(jù),為了減少環(huán)境因素的影響,再在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量了光纖接受到的環(huán)境雜光光強(qiáng)Idark,并用上述數(shù)據(jù)分別減去Idark,進(jìn)行初步的處理,使得受環(huán)境因素的影響盡可能減小。這樣得到了A組數(shù)據(jù),含九個(gè)晶圓處理后的反射光強(qiáng)數(shù)據(jù)。再在晶圓上覆蓋一層20 mm塑料薄膜進(jìn)行相同的操作,測(cè)得覆蓋薄膜后的九個(gè)晶圓的反射光強(qiáng)數(shù)據(jù)與環(huán)境雜光光強(qiáng),初步處理后得到B組數(shù)據(jù)。A組與B組數(shù)據(jù)的區(qū)別在于B組數(shù)據(jù)在晶圓上覆蓋了一層20 mm塑料薄膜,其他均相同。

下面將通過這兩組數(shù)據(jù)分析特征值。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了進(jìn)一步減少誤差影響,我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了必要的濾波處理,濾波后的信號(hào)應(yīng)當(dāng)保留需要的特征數(shù)據(jù),有效地降低噪聲的影響,由于不需要建立數(shù)學(xué)模型,大大地提高了計(jì)算效率。所采用的濾波方式為移動(dòng)平均濾波。移動(dòng)平均濾波是將獲得的連續(xù)的數(shù)據(jù)看作長(zhǎng)度固定的隊(duì)列,在新的一次測(cè)量后去掉隊(duì)列的首數(shù)據(jù),剩下數(shù)據(jù)前移并在隊(duì)尾插入新的監(jiān)測(cè)采樣數(shù)據(jù),再對(duì)此隊(duì)列進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算,得到期望的結(jié)果。

如圖4,先設(shè)置移動(dòng)的采樣長(zhǎng)度j。采樣長(zhǎng)度能決定濾波的光滑程度,j越大,所得到的曲線越光滑,但失真度也越高;j越小,所得曲線毛刺越多,但所保留的信息越多。首先預(yù)設(shè)j=20。接著,輸入待處理的數(shù)組x。令a等于數(shù)組x的元素個(gè)數(shù)與j之差,即還未處理過的元素個(gè)數(shù)。若a>j,則進(jìn)行平移光滑處理;若a

圖4 移動(dòng)平均濾波流程圖Figure 4 Flow chart of moving average filtering

平移光滑處理原理圖如圖5。選取從數(shù)組x的第一個(gè)元素開始的j個(gè)元素,計(jì)算出其平均值后賦給數(shù)組y的第一個(gè)值。接著選取從數(shù)組x的第二個(gè)元素開始的j個(gè)元素,計(jì)算出其平均值后賦給數(shù)組y的第二個(gè)值。以此類推,直到處理完整個(gè)x數(shù)組。

為了更直觀地看到濾波的效果,選取d=200 nm時(shí)的光強(qiáng)圖譜做濾波前后的對(duì)比。對(duì)比圖如圖6。通過圖6我們可以看到,經(jīng)過濾波處理后的光強(qiáng)圖譜更加光滑,不規(guī)則的毛刺明顯減少,并且成功保留信號(hào)的一些重要特征(如波峰、波谷等),這更有利于后續(xù)的分析工作。

光強(qiáng)光譜與反射率轉(zhuǎn)換公式如式(9):

(9)

其中,Id為膜厚為d時(shí)的光強(qiáng),Idark為環(huán)境雜光光強(qiáng),I0為無氧化膜的Si上測(cè)得的光強(qiáng)。對(duì)比A組數(shù)據(jù)d=120 nm時(shí)濾波前后的反射率曲線,如圖7,可以看到濾波有效地去除了雜光影響。

圖8為根據(jù)式(9)計(jì)算得出的A組不同膜厚情況下的反射率光譜圖。

圖9為A組數(shù)據(jù)移動(dòng)平均濾波處理后的光強(qiáng)光譜圖?？梢钥闯?在λ=750 nm前的圖像較為雜亂無章,而750 nm后的曲線排列較為規(guī)律。故我們主要從λ=750 nm后的曲線著手分析。為了能更直觀地觀察分析,我們將740～900 nm處進(jìn)行了局部放大,得到A組數(shù)據(jù)的光強(qiáng)光譜局部放大圖。

圖5 移動(dòng)平均處理流程圖Figure 5 Flow chart of moving average processing

圖6 光強(qiáng)光譜濾波前后對(duì)比圖(d=200 nm)Figure 6 Comparison of intensity spectral before and after filtering(d=200 nm)

圖7 A組反射率濾波前后對(duì)比(d=120 nm)Figure 7 Comparison of reflectivity before and after filtering for group A(d=120 nm)

圖8 A組不同膜厚的反射率光譜圖Figure 8 Reflectivity spectrum of group A with different film thickness

圖9 移動(dòng)平均濾波處理后的光強(qiáng)光譜圖Figure 9 Light intensity spectrum after moving average filtering

3 特征值選取

本文由光譜儀測(cè)得光強(qiáng)光譜,從光強(qiáng)光譜中提取得到了一組特征值,即以某一峰值與左拐點(diǎn)的波長(zhǎng)差為特征值。為排除特殊性,分別分析了A組與B組數(shù)據(jù),以檢驗(yàn)特征值的有效性。

3.1 A組數(shù)據(jù)分析

觀察圖9,發(fā)現(xiàn)在波長(zhǎng)λ為790～840 nm的波段上不同膜厚的波峰寬度有明顯的變化,這段距離在圖9中的小圖中由指示箭頭標(biāo)出。波峰寬度為波峰對(duì)應(yīng)膜厚與其左拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)膜厚的差值,其中拐點(diǎn)的計(jì)算方法如下:當(dāng)波長(zhǎng)在790～840 nm之間時(shí),若有一點(diǎn)x(i)滿足x(i+k)-x(i)>x(i)-x(i-k),即點(diǎn)x(i)后的曲線斜率大于點(diǎn)x(i)前的斜率,則認(rèn)為x(i)為拐點(diǎn)。經(jīng)過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),k=4時(shí)效果最好。

濾波處理時(shí),對(duì)于采樣長(zhǎng)度j的取值,我們進(jìn)行了一定的比較及篩選。圖10為不同j值濾波效果比較圖。比較了從j=1到j(luò)=4的差值圖。其中,j=1即為在不使用濾波的情況下得到的原始差值圖。從圖10中可以看到,差值曲線在j=3時(shí)線性效果最好。故我們?cè)趯?duì)A組差值圖進(jìn)行濾波處理時(shí),選取采樣長(zhǎng)度j=3。

圖10 A組數(shù)據(jù)不同j值濾波效果比較圖Figure 10 Comparison of filtering effects with different j for group A

圖11為j=3時(shí)A組數(shù)據(jù)在不同膜厚條件下特征值的線形圖。通常采用相關(guān)系數(shù)表示兩個(gè)量之間的相關(guān)度[18],計(jì)算公式如式(10)。計(jì)算皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.997 735,說明A組膜厚與波長(zhǎng)差之間的有高度的線性正相關(guān)關(guān)系。

(10)

圖11 不同膜厚下A組特征值示意圖(λ:790～840 nm)Figure 11 Schematic diagram of the eigenvalue for group A with different film thicknesses(λ:790～840 nm)

3.2 B組數(shù)據(jù)分析

圖12中列出了當(dāng)d在20 nm到120 nm之間時(shí)從j=1到j(luò)=4的差值圖,其中j=1為在不使用濾波的情況下得到的原始差值圖。從圖12中可以看出,當(dāng)d在20 nm到120 nm之間時(shí),采樣長(zhǎng)度j=4的差值曲線具有較高的線性相關(guān)關(guān)系,故取j=4。

圖12 B組數(shù)據(jù)不同j值濾波效果比較圖Figure 12 Comparison of filtering effects with different j for group B

圖13為j=4時(shí)的B組數(shù)據(jù)在不同膜厚條件下特征值的線形圖。從圖13中我們可以看出,d在20 nm到120 nm的區(qū)域內(nèi),計(jì)算皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.994 98,說明B組膜厚與波長(zhǎng)差之間的有高度的線性正相關(guān)關(guān)系。

為了研究穩(wěn)定性與魯棒性,又選用了另外兩組相同規(guī)模的薄膜進(jìn)行了驗(yàn)證,相關(guān)系數(shù)如表1。由四組的相關(guān)系數(shù)均>0.99,我們可以認(rèn)為在SiO2薄膜20～120 nm厚度條件下,測(cè)得光強(qiáng)光譜后,經(jīng)移動(dòng)平均濾波后的光譜在740～900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的波峰與其左拐點(diǎn)兩者相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差與膜厚存在良好的線性關(guān)系。

圖13 不同膜厚下B組特征值示意圖(λ:790～840 nm)Figure 13 Schematic diagram of the eigenvalue for group B with different film thicknesses(λ:790～840 nm)

表1 不同組薄膜的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient of different film groups

4 總 結(jié)

提出了一種判斷CMP終點(diǎn)信號(hào)處理方法。該方法首先通過移動(dòng)平均濾波對(duì)實(shí)測(cè)光強(qiáng)光譜進(jìn)行濾波降噪,然后從降噪后信號(hào)中提取信號(hào)特征,本文提出了一個(gè)特征值,即在波長(zhǎng)λ為790～840 nm的波段上,峰值與左拐點(diǎn)的波長(zhǎng)差。最后分別以兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)上述特征值和薄膜厚度存在明顯的線性關(guān)系,可應(yīng)用于在線研磨終點(diǎn)光學(xué)檢測(cè)。該特征值具有計(jì)算簡(jiǎn)單快速、特征明顯等特點(diǎn),只需快速讀取光強(qiáng)光譜,計(jì)算并跟蹤該特征值,將實(shí)測(cè)檢測(cè)計(jì)算得到的特征值與目標(biāo)預(yù)計(jì)特征值進(jìn)行對(duì)比分析,分析結(jié)果小于經(jīng)驗(yàn)所得閾值即認(rèn)為達(dá)到了CMP研磨終點(diǎn)。

本文僅應(yīng)用于SiO2薄膜晶圓,如需檢測(cè)其他材料晶圓則需再次進(jìn)行驗(yàn)證,但仍然是對(duì)此材料條件下CMP終點(diǎn)監(jiān)測(cè)判定特征值進(jìn)行了有益的補(bǔ)充。有時(shí)，很難基于單一特征值確定被拋光層的厚度,跟蹤所選擇的的光譜特征的多個(gè)特征變化則可以提高端點(diǎn)控制的準(zhǔn)確度,并且可以允許批次內(nèi)或批次之間的基板之間的拋光更均勻,在后續(xù)工作中可以尋找多組特征值進(jìn)行完善改進(jìn)。