羅余慶

(四川水利職業(yè)技術學院電力工程系，四川 崇州，611231)

硅片CMP終點檢測技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

羅余慶

(四川水利職業(yè)技術學院電力工程系，四川 崇州，611231)

化學機械拋光是硅片表面全面平坦化的核心技術之一，其中準確有效的終點檢測是影響拋光效果的重要關鍵。若未能有效地監(jiān)測拋光工藝過程，便無法避免硅片產(chǎn)生拋光過度或不足的缺陷。本文在介紹CMP機制的基礎上，著重闡述了當前幾種CMP終點檢測技術的原理及優(yōu)缺點，最后討論了CMP終點檢測技術的發(fā)展趨勢。

化學機械拋光 終點檢測 硅片

1 概述

隨著半導體工業(yè)的飛速發(fā)展，為滿足現(xiàn)代微處理器和其他IC元件要求，硅片的刻線寬度越來越細，集成電路制造技術已經(jīng)跨入0.07μm和450mm時代。在IC制造追求結構微細化、薄膜化和布線立體化的趨勢下，硅片的化學機械拋光無疑是不可或缺的核心技術。

然而在實用階段上，這項技術還受限于一些系統(tǒng)整合上的問題。其中，有效的實時過程終點檢測系統(tǒng)(In-situEndpointDetectionSystem)，是影響化學機械拋光(ChemicalMechanicalPolishing，CMP)的重要關鍵。因為對大規(guī)模集成電路互連各層的拋光處理，就是將其凸出部分均勻少量連續(xù)的去除，使之平整。但去除的薄膜厚度需要高精度地加以控制，若不能有效的監(jiān)測CMP運作，便會出現(xiàn)晶片拋光過度或不足的情況。準確的過程終點檢測方法，可以降低產(chǎn)品的差異性，提高成品率及產(chǎn)能。

在CMP過程中，由于硅片完全向下靠在拋光墊上，使得對硅片拋光的監(jiān)測非常困難，而且此技術還必須考慮拋光過程的可重復性，并排除拋光液、機械振動等干擾因素的影響。迄今為止，國內(nèi)外各研究機構和生產(chǎn)廠商提出了包括基于光學、電學、聲學或振動、熱學、摩擦力、化學或電化學的在線終點檢測技術，這些技術具有各自的特點。

2 硅片CMP的機制及其應用

圖1 GMP拋光原理示意

硅片CMP機臺整個系統(tǒng)如圖1所示，由一個旋轉(zhuǎn)的硅片夾持器、承載拋光墊的工作臺和拋光液輸送裝置三大部分組成?；瘜W機械拋光時，旋轉(zhuǎn)的工件以一定壓力壓在旋轉(zhuǎn)的拋光墊上，由亞微米或納米磨粒和化學溶液組成的拋光液在拋光墊的傳輸和旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，均勻分布其上，在硅片和拋光墊之間形成一層液體薄膜，液體中的化學成分與硅片產(chǎn)生化學反應，將不溶物質(zhì)轉(zhuǎn)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硅片表面去除，溶入流動的液體中帶走，即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。

硅片表面的去除速率，與硅片和拋光墊的相對速度及拋光壓力成正比。在拋光過程中，除了受到機構參數(shù)及拋光墊特性的影響外，拋光區(qū)域溫度及拋光液中磨料顆粒大小、粘度、溶液pH值等參數(shù)均會對平坦化效果造成重要影響。一般而言，當硅片和拋光墊表面的相對速度、壓力及拋光液供應穩(wěn)定時，硅片會被均勻拋光。在硅片的多層循環(huán)布線中，要反復使用到化學機械拋光。圖2為美國思創(chuàng)(STRASBAUGH)公司化學機械拋光設備。單晶硅片拋光效果如圖3所示。

圖2 STRASBAUGH 6DS-SP CMP設備

圖3 GMP拋光硅片樣品

3 CMP終點檢測技術的研究現(xiàn)狀

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，絕對是必須具備的一項技術。迄今為止，國外各研究機構和生產(chǎn)廠商，針對硅片化學機械拋光中的在線實時終點檢測技術進行了一系列研究工作，提出了基于光學、電學、聲學、熱學、摩擦力、化學或電化學原理的監(jiān)測方式，主要方法是通過監(jiān)測驅(qū)動電機電流變化、聲發(fā)射信號、拋光墊溫度變化等來實現(xiàn)。

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SandhuS和LaurenceD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4所示。此方法的原理是當硅片拋光達到終點時，拋光墊接觸的薄膜材料不同，導致硅片與拋光墊之間的摩擦系數(shù)發(fā)生顯著變化。例如硅片上金屬膜(MetalLayer)去除，下方底層拋光速度相對緩慢的阻擋層(BarrierLayer)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(zhuǎn)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4 基于電機電流變化終點檢測

在金屬膜CMP過程期間，電機電流改變情況如圖5所示。電機電流在研磨金屬時會接近一常數(shù)，當金屬層被去除而阻擋層暴露出來時，電機電流會減小，所以可在阻擋層去除后停止工作，達到終點檢測的目的。

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，不適用于以去除薄膜厚度為拋光終點的氧化硅拋光。

圖5 GMP過程中電機電流變化曲線

3.2 基于光學分光反射率的終點檢測

光學終點檢測靈敏度高、反應快，是一種適用于多種材料的終點檢測技術。在各主流CMP機型中，特別是第三代，通常都配備有光學終點檢測裝置，采用干涉法進行精準檢測，其檢測原理如圖6所示。入射光束Iinc以入射角a1投射到第一表面，部分入射光束在點A處發(fā)生反射IA，另外一部分進入透明層，在襯底B處發(fā)生反射，于點C處形成折射IB進入空氣。兩條反射線因路程差而具備不同相位，形成干涉。通常，在IA和IB設置接收傳感器裝置，由光而生成電信號，經(jīng)過檢波、濾波、整形和放大后，形成數(shù)據(jù)或者圖形來判斷終點位置。

圖6 基于光學信號終點檢測原理

美國AppliedMaterials公司的RaymondR.Jin等人設計的光學在線終點檢測系統(tǒng)，將光的發(fā)射和接收裝置集成于一體，鑲嵌在拋光墊的內(nèi)部，并有一個透明窗口(結構如圖7所示)。采集的光學信號與被拋光薄膜厚度的變化相關聯(lián)，通過帶狀排線方式從拋光墊內(nèi)部引出，并傳輸至固定在拋光盤邊緣的專用處理器，經(jīng)處理后的信號通過無線方式傳輸至主機，調(diào)用相關算法，進行實時處理和跟蹤，當所要求的薄膜厚度被去除后，機臺自動停止拋光。他們還專門為此系統(tǒng)開發(fā)了新的光學信號模式識別算法，通過信號處理來確保檢測的成功率。

該技術應用領域廣闊，大多數(shù)絕緣膜或PolySi拋光后的薄膜厚度測量，都可利用分光反射率進行測定。光學終點檢測一般采用紅外光。

圖7 基于光學終點檢測

3.3 基于拋光墊溫度變化的終點檢測

在CMP在線終點檢測的研究中，日本荏原制作所(EBARA)的Hsi-chiehChen等人，根據(jù)硅片和拋光墊之間的運動方式，開發(fā)出通過檢測拋光墊溫度分布來監(jiān)控CMP過程的試驗模型。該試驗模型裝置如圖8所示，它可用來預測拋光墊的溫度分布，清楚地了解硅片表面的拋光情況。

圖8 基于拋光墊溫度變化終點檢測

為了得到清晰的溫度信號，需要對拋光液種類和拋光墊材料進行最優(yōu)化處理。圖9是對5組拋光墊與拋光液組合進行的實驗分析。由圖9可知，當拋光層變化時，拋光墊溫度隨之發(fā)生劇烈變化，采用不同的拋光墊與拋光液，所發(fā)生的變化程度不同。為了便于分析判斷，要求信號變化效果越大越好。

此種方法不僅可以監(jiān)測硅晶片上被拋光材料的變化，還可檢測拋光墊的損耗狀態(tài)、硅片拋光表面平整度，但它受限于溫度信號不易提取，拋光墊上的溫度信號很容易受到機械噪音的干擾影響，由于存在拋光液等因素，溫度值也不容易測量，所以利用拋光墊溫度變化進行終點檢測尚需進一步研究。

圖9 GMP過程中拋光墊溫度變化

另外，基于拋光液離子濃度變化和基于機械力學信號測量的終點檢測等技術，也是當前CMP在線監(jiān)測的研究熱點。限于篇幅，這里就不再詳細介紹了。

4 CMP及其終點檢測技術的發(fā)展趨勢

近年來，CMP技術取得了長足進展。在應用方面，CMP技術已從集成電路的硅晶片、層間介質(zhì)(ILD)、絕緣體、導體、鑲嵌金屬W、Al、Cu、Au及多晶硅、硅氧化物溝道等的平面化，拓展至薄膜存貯磁盤、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)、陶瓷、磁頭、機械磨具、精密閥門、藍寶石和金屬材料等表面加工領域。同時還涌現(xiàn)出了不少新技術。例如，固結磨料化學機械拋光技術、電化學機械平坦化技術、無磨料化學機械拋光技術、無應力拋光技術、接觸平坦化技術和等離子輔助化學蝕刻平坦化技術等。盡管CMP技術發(fā)展的速度很快，但目前對CMP技術的了解還處于定性的階段，需要解決的理論及技術問題還很多。由于缺乏準確有效的在線終點檢測技術，維持穩(wěn)定的、一次通過性的生產(chǎn)運轉(zhuǎn)過程還存在困難，因而迫切需要開發(fā)實用的在線終點檢測手段。現(xiàn)階段只有基于驅(qū)動電機電流變化的終點檢測技術開發(fā)成產(chǎn)品，其他技術大多還處于實驗室論證階段，其原因主要是監(jiān)測系統(tǒng)測量精度低，信號處理過于復雜和可靠性差等缺陷。如對最常用的絕緣材料SiO2進行終點檢測，不同方法的檢測精度還都存在著差異。

由于CMP拋光過程中所擷取的各類信號混有大量的干擾噪音，在線終點檢測系統(tǒng)有待繼續(xù)改進軟件，設計新算法對其中的有用信號進行處理，濾除噪音，提煉有用信號。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，驗證出系統(tǒng)的實用與可靠性。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。硅片化學機械拋光的過程終點還可綜合利用幾種方法同時進行判斷，但這要解決各系統(tǒng)的整合問題，防止出現(xiàn)相互干涉的現(xiàn)象。

5 結語

硅晶片CMP及其實時終點檢測是很有發(fā)展前景的項目。深入研究和開發(fā)CMP及其在線終點檢測，并形成具有自主知識產(chǎn)權和專利的產(chǎn)品，必將促進我國IC產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，提高我國在這一方面的國際地位，同時也將帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。

〔1〕郭東明，康仁科，金洙吉.大尺寸硅片的高效超精密加工技術[C].中國機械工程學會2002年年會論文集，北京：機械工業(yè)出版社，2002.

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2095-1809(2016)04-0087-04