羅余慶

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，四川 崇州，611231)

硅片CMP終點(diǎn)檢測技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

羅余慶

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，四川 崇州，611231)

化學(xué)機(jī)械拋光是硅片表面全面平坦化的核心技術(shù)之一，其中準(zhǔn)確有效的終點(diǎn)檢測是影響拋光效果的重要關(guān)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(jī)制的基礎(chǔ)上，著重闡述了當(dāng)前幾種CMP終點(diǎn)檢測技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，最后討論了CMP終點(diǎn)檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。

化學(xué)機(jī)械拋光 終點(diǎn)檢測 硅片

1 概述

隨著半導(dǎo)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(xì)，集成電路制造技術(shù)已經(jīng)跨入0.07μm和450mm時代。在IC制造追求結(jié)構(gòu)微細(xì)化、薄膜化和布線立體化的趨勢下，硅片的化學(xué)機(jī)械拋光無疑是不可或缺的核心技術(shù)。

然而在實(shí)用階段上，這項(xiàng)技術(shù)還受限于一些系統(tǒng)整合上的問題。其中，有效的實(shí)時過程終點(diǎn)檢測系統(tǒng)(In-situEndpointDetectionSystem)，是影響化學(xué)機(jī)械拋光(ChemicalMechanicalPolishing，CMP)的重要關(guān)鍵。因?yàn)閷Υ笠?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(yùn)作，便會出現(xiàn)晶片拋光過度或不足的情況。準(zhǔn)確的過程終點(diǎn)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(shù)還必須考慮拋光過程的可重復(fù)性，并排除拋光液、機(jī)械振動等干擾因素的影響。迄今為止，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商提出了包括基于光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)或振動、熱學(xué)、摩擦力、化學(xué)或電化學(xué)的在線終點(diǎn)檢測技術(shù)，這些技術(shù)具有各自的特點(diǎn)。

2 硅片CMP的機(jī)制及其應(yīng)用

圖1 GMP拋光原理示意

硅片CMP機(jī)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(xué)機(jī)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(xué)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(xué)成分與硅片產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將不溶物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易溶物質(zhì)，然后通過磨粒的微機(jī)械摩擦將這些化學(xué)反應(yīng)物從硅片表面去除，溶入流動的液體中帶走，即在化學(xué)成膜和機(jī)械去膜的交替過程中實(shí)現(xiàn)超精密表面加工，從而達(dá)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(jī)構(gòu)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(dāng)硅片和拋光墊表面的相對速度、壓力及拋光液供應(yīng)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(fù)使用到化學(xué)機(jī)械拋光。圖2為美國思創(chuàng)(STRASBAUGH)公司化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備。單晶硅片拋光效果如圖3所示。

圖2 STRASBAUGH 6DS-SP CMP設(shè)備

圖3 GMP拋光硅片樣品

3 CMP終點(diǎn)檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀

提高CMP技術(shù)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)對CMP的自動化控制，對于拋光終點(diǎn)的監(jiān)測，絕對是必須具備的一項(xiàng)技術(shù)。迄今為止，國外各研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商，針對硅片化學(xué)機(jī)械拋光中的在線實(shí)時終點(diǎn)檢測技術(shù)進(jìn)行了一系列研究工作，提出了基于光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、摩擦力、化學(xué)或電化學(xué)原理的監(jiān)測方式，主要方法是通過監(jiān)測驅(qū)動電機(jī)電流變化、聲發(fā)射信號、拋光墊溫度變化等來實(shí)現(xiàn)。

3.1 基于驅(qū)動電機(jī)電流變化的終點(diǎn)檢測

美國微米半導(dǎo)體技術(shù)公司的SandhuS和LaurenceD等人，提出了利用拋光頭或拋光機(jī)臺驅(qū)動電機(jī)電流信號變化實(shí)現(xiàn)拋光終點(diǎn)在線檢測的方法，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。此方法的原理是當(dāng)硅片拋光達(dá)到終點(diǎn)時，拋光墊接觸的薄膜材料不同，導(dǎo)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(jī)臺回轉(zhuǎn)扭力變化，其驅(qū)動電機(jī)的電流也隨之變化。因此由安裝在拋光頭和拋光機(jī)臺上的傳感器監(jiān)測驅(qū)動電機(jī)電流變化，可推知是否達(dá)到拋光終點(diǎn)。

圖4 基于電機(jī)電流變化終點(diǎn)檢測

在金屬膜CMP過程期間，電機(jī)電流改變情況如圖5所示。電機(jī)電流在研磨金屬時會接近一常數(shù)，當(dāng)金屬層被去除而阻擋層暴露出來時，電機(jī)電流會減小，所以可在阻擋層去除后停止工作，達(dá)到終點(diǎn)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(diǎn)的氧化硅拋光。

圖5 GMP過程中電機(jī)電流變化曲線

3.2 基于光學(xué)分光反射率的終點(diǎn)檢測

光學(xué)終點(diǎn)檢測靈敏度高、反應(yīng)快，是一種適用于多種材料的終點(diǎn)檢測技術(shù)。在各主流CMP機(jī)型中，特別是第三代，通常都配備有光學(xué)終點(diǎn)檢測裝置，采用干涉法進(jìn)行精準(zhǔn)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(diǎn)A處發(fā)生反射IA，另外一部分進(jìn)入透明層，在襯底B處發(fā)生反射，于點(diǎn)C處形成折射IB進(jìn)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(shè)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(diǎn)位置。

圖6 基于光學(xué)信號終點(diǎn)檢測原理

美國AppliedMaterials公司的RaymondR.Jin等人設(shè)計的光學(xué)在線終點(diǎn)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(jié)構(gòu)如圖7所示)。采集的光學(xué)信號與被拋光薄膜厚度的變化相關(guān)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(jī)，調(diào)用相關(guān)算法，進(jìn)行實(shí)時處理和跟蹤，當(dāng)所要求的薄膜厚度被去除后，機(jī)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(xué)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(shù)應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)行測定。光學(xué)終點(diǎn)檢測一般采用紅外光。

圖7 基于光學(xué)終點(diǎn)檢測

3.3 基于拋光墊溫度變化的終點(diǎn)檢測

在CMP在線終點(diǎn)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(yùn)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(yàn)?zāi)Ｐ?。該試?yàn)?zāi)Ｐ脱b置如圖8所示，它可用來預(yù)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(diǎn)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(jìn)行最優(yōu)化處理。圖9是對5組拋光墊與拋光液組合進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析。由圖9可知，當(dāng)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(jī)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(jìn)行終點(diǎn)檢測尚需進(jìn)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(jī)械力學(xué)信號測量的終點(diǎn)檢測等技術(shù)，也是當(dāng)前CMP在線監(jiān)測的研究熱點(diǎn)。限于篇幅，這里就不再詳細(xì)介紹了。

4 CMP及其終點(diǎn)檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢

近年來，CMP技術(shù)取得了長足進(jìn)展。在應(yīng)用方面，CMP技術(shù)已從集成電路的硅晶片、層間介質(zhì)(ILD)、絕緣體、導(dǎo)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(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、陶瓷、磁頭、機(jī)械磨具、精密閥門、藍(lán)寶石和金屬材料等表面加工領(lǐng)域。同時還涌現(xiàn)出了不少新技術(shù)。例如，固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、電化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)、無磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、無應(yīng)力拋光技術(shù)、接觸平坦化技術(shù)和等離子輔助化學(xué)蝕刻平坦化技術(shù)等。盡管CMP技術(shù)發(fā)展的速度很快，但目前對CMP技術(shù)的了解還處于定性的階段，需要解決的理論及技術(shù)問題還很多。由于缺乏準(zhǔn)確有效的在線終點(diǎn)檢測技術(shù)，維持穩(wěn)定的、一次通過性的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程還存在困難，因而迫切需要開發(fā)實(shí)用的在線終點(diǎn)檢測手段?，F(xiàn)階段只有基于驅(qū)動電機(jī)電流變化的終點(diǎn)檢測技術(shù)開發(fā)成產(chǎn)品，其他技術(shù)大多還處于實(shí)驗(yàn)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(fù)雜和可靠性差等缺陷。如對最常用的絕緣材料SiO2進(jìn)行終點(diǎn)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(diǎn)檢測系統(tǒng)有待繼續(xù)改進(jìn)軟件，設(shè)計新算法對其中的有用信號進(jìn)行處理，濾除噪音，提煉有用信號。還需對機(jī)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析、對CMP拋光過程進(jìn)行模擬與仿真，建立敏感、穩(wěn)定的信號觀測機(jī)制，藉助CMP仿真機(jī)臺與半導(dǎo)體工業(yè)級CMP機(jī)臺實(shí)際擷取的信號數(shù)據(jù)及實(shí)際拋光成品測試的反饋資料，驗(yàn)證出系統(tǒng)的實(shí)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(xué)機(jī)械拋光的過程終點(diǎn)還可綜合利用幾種方法同時進(jìn)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(jié)語

硅晶片CMP及其實(shí)時終點(diǎn)檢測是很有發(fā)展前景的項(xiàng)目。深入研究和開發(fā)CMP及其在線終點(diǎn)檢測，并形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)和專利的產(chǎn)品，必將促進(jìn)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(jì)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(shù)[C].中國機(jī)械工程學(xué)會2002年年會論文集，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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2095-1809(2016)04-0087-04