作者/吳洪波，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心

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化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測(cè)專利技術(shù)綜述

作者/吳洪波，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心

文章摘要：化學(xué)機(jī)械拋光（chemical mechanical polishing, CMP）技術(shù)是目前集成電路制造中制備多層銅互連結(jié)構(gòu)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。在應(yīng)用CMP技術(shù)去除多余材料時(shí)，能準(zhǔn)確判斷CMP過程中何時(shí)達(dá)到理想臨界狀態(tài)的終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，是保證既不“欠拋”又不“過拋”，提高CMP加工質(zhì)量和效率的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文較為全面地介紹了終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的專利申請(qǐng)情況，詳細(xì)介紹了各種檢測(cè)手段的原理并列舉了典型的專利文獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)機(jī)械拋光 CMP 終點(diǎn)檢測(cè)

1.化學(xué)機(jī)械研磨過程及終點(diǎn)檢測(cè)

圖1　CMP過程示意圖

化學(xué)機(jī)械研磨(拋光，平坦化)，是半導(dǎo)體器件制造工藝中的一種技術(shù)，使用化學(xué)腐蝕及機(jī)械力對(duì)加工過程中的硅晶圓或其它襯底材料進(jìn)行平坦化處理。

如圖1所示，化學(xué)機(jī)械拋光過程包括三步：第一步以較大的材料去除率去除晶圓表面大量的Cu,實(shí)現(xiàn)Cu表面的初步平坦化；第二步以相對(duì)較小的材料去除率去除剩余的Cu,并通過終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)在勢(shì)壘層剛好全部露出時(shí)停止CMP；第三步去除勢(shì)壘層和少量的絕緣層材料,并達(dá)到平坦化的要求。

所謂終點(diǎn)檢測(cè)的終點(diǎn),即勢(shì)壘層表面的銅剛好全部被去除,此時(shí)為CMP的理想終點(diǎn),如圖中完成第二步所示，CMP終點(diǎn)檢測(cè)就是判斷何時(shí)達(dá)到CMP的理想終點(diǎn)。在銅CMP過程中,第二步的終點(diǎn)檢測(cè)是保證CMP質(zhì)量的關(guān)鍵,如果第二步?jīng)]有進(jìn)行終點(diǎn)檢測(cè)或判斷的CMP終點(diǎn)不準(zhǔn)確,則往往會(huì)產(chǎn)生“欠拋”或“過拋”現(xiàn)象。因此,準(zhǔn)確的終點(diǎn)檢測(cè)是保證銅CMP質(zhì)量、提高成品率和加工效率的關(guān)鍵技術(shù),直接關(guān)系到芯片的成本和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.CMP終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)專利概況

分別對(duì)專利申請(qǐng)目的地與專利申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該分支的專利申請(qǐng)情況與化學(xué)機(jī)械拋光整個(gè)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)情況一致，即專利申請(qǐng)也主要集中在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的幾個(gè)地區(qū)，例如美國(guó)、日本和臺(tái)灣地區(qū)；相應(yīng)地，專利申請(qǐng)也主要為該些地區(qū)的多個(gè)大公司所主導(dǎo)。

從申請(qǐng)時(shí)間來看，終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的專利申請(qǐng)量在2003年-2012年都保持較高水平，其中在2004－

圖2　各國(guó)專利申請(qǐng)量

圖3　申請(qǐng)人分布情況

2005年前后達(dá)到了該段期間的峰值。

圖4　終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)10年間申請(qǐng)量

3.終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)的技術(shù)手段

現(xiàn)有技術(shù)有多種CMP終點(diǎn)檢測(cè)方法，從技術(shù)手段分類包括光電、聲音、電流負(fù)載、扭矩及化學(xué)成分檢測(cè)等手段，同時(shí)又可根據(jù)實(shí)時(shí)性分為離線和在線檢測(cè)，主要包括以下方式：

■3.1基于時(shí)間控制

其原理為通過多次試驗(yàn)確定生產(chǎn)某種產(chǎn)品所需的拋光時(shí)間，并進(jìn)而根據(jù)該時(shí)間推算出該種產(chǎn)品拋光過程的終點(diǎn)時(shí)刻，屬于一種離線檢測(cè)方式。申請(qǐng)人為中芯國(guó)際集成電路制造的2003年中國(guó)申請(qǐng)CN1583363A及申請(qǐng)人為臺(tái)積電的2001年美國(guó)申請(qǐng)US6712669B1等公開了該種終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)。該種檢測(cè)方式應(yīng)用于早期，優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)單易行；但即使是同一批產(chǎn)品也不可能完全一致,材料去除量也會(huì)略有差別,而且影響CMP去除率的因素很多,拋光墊的溫度變化和磨損等因素都會(huì)影響到CMP的去除率,因此該方法缺點(diǎn)是不能有效地避免“過拋”和“欠拋”。

圖5　基于時(shí)間控制的CMP終點(diǎn)檢測(cè)

■3.2基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流、摩擦系數(shù)和扭矩終點(diǎn)檢測(cè)

此類方法原理為當(dāng)晶圓的拋光層研磨到一定程度時(shí)拋光表面與拋光墊之間的摩擦系數(shù)會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致相應(yīng)的摩擦力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流、拋光頭和拋光盤旋轉(zhuǎn)軸的扭矩也發(fā)生變化,據(jù)此通過檢測(cè)CMP過程中摩擦力、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流或扭矩的變化即可判斷當(dāng)前的拋光程度。如中芯國(guó)際提交的申請(qǐng)CN200810033816公開了一種通過檢測(cè)拋光頭扭矩實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測(cè)的方案；申請(qǐng)人為IBM的美國(guó)申請(qǐng)US005308438提出了一種基于電機(jī)負(fù)載電流監(jiān)測(cè)的終點(diǎn)檢測(cè)方案。

圖6　基于電機(jī)電流的終點(diǎn)檢測(cè)

■3.3基于化學(xué)成分檢測(cè)

晶圓的拋光狀態(tài)不同會(huì)導(dǎo)致研漿的化學(xué)成分發(fā)生變化，根據(jù)該特點(diǎn)，通過監(jiān)測(cè)研漿的關(guān)鍵物質(zhì)成分，即可確定當(dāng)前的拋光狀態(tài)。國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司于2001年6月提交的申請(qǐng)CN01121832，通過對(duì)漿料中氨濃度監(jiān)測(cè)獲取拋光信息，從而實(shí)現(xiàn)拋光過程控制；羅門哈斯電子材料的申請(qǐng)CN200710109894也公開了一種采用化學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的終點(diǎn)檢測(cè)方案。

圖7　基于化學(xué)成分檢測(cè)的終點(diǎn)檢測(cè)

圖8　基于光學(xué)的終點(diǎn)檢測(cè)

■3.4光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)

光學(xué)終點(diǎn)檢測(cè)方法包括兩種檢測(cè)手段：包括利用可見光的反射原理和可見光的干涉原理兩種檢測(cè)方式。反射光量檢測(cè)的原理為:將光投射到半導(dǎo)體晶片上，使用檢測(cè)部件監(jiān)測(cè)由晶片反射的光量，根據(jù)晶圓拋光狀態(tài)不同，露出的金屬面積變化導(dǎo)致反射的光量也不同，據(jù)此即可確定當(dāng)前晶片露出金屬面積，從而確定晶片的拋光狀態(tài)。光干涉檢測(cè)原理為：根據(jù)來自頂部表面和下層的光的干涉，采用干涉測(cè)量技術(shù)測(cè)量膜厚度。光干涉檢測(cè)適于測(cè)量諸如電介質(zhì)層之類的透明膜，但對(duì)不透明的金屬膜無(wú)效。

申請(qǐng)人為三星電子株式會(huì)社的申請(qǐng)CN03107601提出了一種根據(jù)反射光量檢測(cè)拋光終點(diǎn)的技術(shù)方案、申請(qǐng)人為中芯國(guó)際的申請(qǐng)CN201010103998、申請(qǐng)人為華力微電子有限公司的申請(qǐng)CN201310062507均公開了在反射光量檢測(cè)原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的多種終點(diǎn)探測(cè)方法或裝置。

■3.5聲音終點(diǎn)檢測(cè)

聲音檢測(cè)的原理很簡(jiǎn)單，即通過檢測(cè)研磨過程中研磨到金屬層時(shí)產(chǎn)生的聲音信號(hào)變化來確定該終點(diǎn)。以此原理為基礎(chǔ)的有皮斯洛奎斯特公司于2001年提交的中國(guó)申請(qǐng)CN01821550。

■3.6電渦流終點(diǎn)檢測(cè)

電渦流檢測(cè)原理為通過探測(cè)當(dāng)金屬層被去除時(shí)金屬層厚度的變化導(dǎo)致渦流所產(chǎn)生磁通量的變化而確定當(dāng)前晶圓的狀態(tài)。磁通量的變化導(dǎo)致主線圈中電流的變化，即電流的變化反映了金屬層厚度的變化，也即當(dāng)前晶片的拋光狀態(tài)。申請(qǐng)人為應(yīng)用材料有限公司的申請(qǐng)CN03822308、申請(qǐng)人為蘭姆研究公司的申請(qǐng)CN200380107456、清華大學(xué)于2010年提交的申請(qǐng)CN201010236186均公開了以此原理為基礎(chǔ)的多種終點(diǎn)檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置。

從對(duì)以上各檢測(cè)手段的專利申請(qǐng)情況統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，光學(xué)檢測(cè)手段一直是終點(diǎn)檢測(cè)的主流檢測(cè)手段，而如電機(jī)負(fù)載、聲音、化學(xué)成分的檢測(cè)方式也并沒有被拋棄，同樣獲取了一定的關(guān)注。預(yù)計(jì)未來終點(diǎn)檢測(cè)的方式還將保持多種檢測(cè)手段同時(shí)發(fā)展的趨勢(shì)。

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