楊元元，楊 旭，史 霄，孟曉云，楊 師

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京100176)

CMP 是表面全局平坦化關(guān)鍵技術(shù)之一，它通過晶圓與拋光墊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使晶圓表面平坦化，在晶圓與拋光墊之間加入具有研磨性和腐蝕性的磨料，并同時(shí)施加壓力[1，2]。由于CMP 能精確并均勻地將晶圓拋光至所需的厚度和平坦度，已經(jīng)成為一種最廣泛采用的平坦化技術(shù)。

在線終點(diǎn)檢測是CMP 工藝中的關(guān)鍵技術(shù)，是指在平坦化工藝過程中實(shí)時(shí)檢測晶圓膜厚并配合CMP 對(duì)工藝進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的技術(shù)。光學(xué)終點(diǎn)檢測法作為一種終點(diǎn)檢測方法，可應(yīng)用于金屬和非金屬檢測，檢測靈敏度高，材質(zhì)范圍廣，也是CMP 技術(shù)研究的一項(xiàng)重點(diǎn)。

1 金屬檢測原理

對(duì)于膜層發(fā)生層間變化的金屬CMP 工藝，平坦化過程包含兩個(gè)步驟：第一步，在第一個(gè)拋光臺(tái)去除晶圓表面大部分的金屬，第二步，在第二個(gè)拋光臺(tái)完全去除剩余金屬和阻擋層（鈦或氮化鈦）最后露出電介質(zhì)層（氧化硅或氮化硅）。金屬與氧化物（Oxide）反射率差異較大，故采用光學(xué)檢測法能很好地判斷晶圓CMP 的平坦化終點(diǎn)。

圖1 光路反射原理示意圖

金屬CMP 終點(diǎn)檢測的光學(xué)方法基于光學(xué)反射原理，光路反射原理圖如圖1 所示。影響光信號(hào)強(qiáng)度的因素包括材料的反射系數(shù)、吸收系數(shù)和折射系數(shù)。在金屬材料中，影響光信號(hào)檢測強(qiáng)度的因素是反射系數(shù)。其中，Ii表示入射光線，Ir表示反射光線，R表示反射率，因此，根據(jù)式(1)可表征反射率、入射光強(qiáng)、反射光強(qiáng)的關(guān)系。

在檢測層間變化的過程中，晶圓表面不同被拋材料對(duì)光的反射率差異較大。因此，當(dāng)晶圓由金屬層被拋光至阻擋層，或者由阻擋層被拋光至介質(zhì)層時(shí)，反射光強(qiáng)會(huì)發(fā)生明顯的變化。表1 是波長為670 nm 時(shí)半導(dǎo)體制造中常用材料的反射率。對(duì)金屬銅CMP 工藝而言，銅膜下層是由Ta 和TaN組成的阻擋層。由于Ta 的反射率為0.431，Cu 的反射率為0.934。因此，平坦化可以精準(zhǔn)地停止在銅被完全去除、露出阻擋層的界面[3]。

表1 半導(dǎo)體制造中常用材料的反射率

2 二氧化硅CMP 終點(diǎn)檢測原理

二氧化硅CMP 終點(diǎn)檢測的光學(xué)方法基于光學(xué)干涉原理，光路示意如圖2 所示。折射率為n2、厚度為d的均勻平面薄膜，其上下方的折射率為n1和n3。如果有一束光線以入射角i射到薄膜上，入射光在入射點(diǎn)A 產(chǎn)生反射光a，而折入膜內(nèi)的光在C 點(diǎn)經(jīng)反射后射到B 點(diǎn)，又折回膜的上方成為反射光b。此外還有在膜內(nèi)經(jīng)三次反射、五次反射……再折回膜上方的光線，但其強(qiáng)度迅速下降，所以只需考慮a，b兩束光線的干涉。

圖2 光束反射示意圖

理論表明，當(dāng)n1＜n2＜n3或n1＞n2＞n3時(shí)，光束a和光束b的光程差[4]為：

式中i"為折射角。薄膜的兩束反射光的干涉光強(qiáng)分布為：

在拋光過程中，隨著膜層厚度的變薄，導(dǎo)致光程差發(fā)生變化，當(dāng)光程差為波長整數(shù)倍時(shí)干涉加強(qiáng)，為半波長奇數(shù)倍時(shí)干涉減弱，干涉光光強(qiáng)信號(hào)呈類余弦曲線變化。

3 算法研究

隨著晶圓的拋光，晶圓表面膜層變化實(shí)時(shí)被監(jiān)測，按照時(shí)間順序?qū)⑿盘?hào)輸出，經(jīng)過采樣形成一組時(shí)間序列。在金屬拋光過程中，由于金屬材質(zhì)不透光，拋光曲線呈“Z”字型走向，故可以采樣時(shí)間序列異常監(jiān)測中斷層異常監(jiān)測相關(guān)方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。此處采用窗口檢測法，如圖3 所示。

圖3 窗口檢測法的三種檢測模式

窗口檢測法通過設(shè)定窗口的高度和寬度，能夠檢測某一段時(shí)間內(nèi)的信號(hào)變化，寬度代表檢測的時(shí)間段，高度代表信號(hào)的變化范圍，此處窗口高度代表光強(qiáng)。信號(hào)從窗口左側(cè)中部進(jìn)入，可能從窗口上部、下部或右部導(dǎo)出，檢測信號(hào)導(dǎo)出窗口方向便可確定信號(hào)的變化。最后，采用多個(gè)窗口同時(shí)判斷，提高可靠性。

窗口檢測法采用三種模式來檢查信號(hào)的上升、下降和平緩的特征。隨著拋光的進(jìn)行，新的數(shù)據(jù)將不斷產(chǎn)生，窗口檢測在每次新數(shù)據(jù)獲取后都進(jìn)行一次判斷，檢測是否到達(dá)工藝人員設(shè)定的要求（窗口的模式與個(gè)數(shù)），若檢測到則進(jìn)行下一個(gè)特征點(diǎn)的檢測（終點(diǎn)檢測會(huì)設(shè)置多個(gè)特征點(diǎn)逐一監(jiān)測）。窗口檢測法應(yīng)在數(shù)據(jù)濾波后使用。

在非金屬拋光過程中，根據(jù)干涉原理，當(dāng)光束照射至透明薄膜時(shí)，經(jīng)過薄膜上下表面的反射，反射光線和薄膜的出射光線重疊，形成相干光，其干涉強(qiáng)弱隨厚度的變化而變化。厚度與波長的關(guān)系為：

式中，d 為薄膜厚度；λ 為波長；n 為折射率；αref為折射角；N 為周期數(shù)。

式（4）中，波長、折射率、折射角均為已知數(shù)，即計(jì)算周期數(shù)N 便可得到去除厚度。光強(qiáng)信號(hào)呈類余弦曲線變化，故計(jì)算波峰波谷個(gè)數(shù)即可得到周期數(shù)。

4 工藝驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

（1）金屬膜層，選取3 片表面為鎢的晶圓進(jìn)行拋光，創(chuàng)建終點(diǎn)檢測算法，使3 片晶圓分別停留在阻擋層、電介質(zhì)層和氧化物層，驗(yàn)證不同材質(zhì)中光強(qiáng)的變化，并對(duì)各晶圓表面材質(zhì)進(jìn)行離線檢測，驗(yàn)證拋光結(jié)果是否滿足要求。

（2）非金屬膜層，選取5 片表面為二氧化硅且初始厚度相近的晶圓進(jìn)行拋光，設(shè)置終點(diǎn)檢測算法，使拋光后晶圓厚度一致，終點(diǎn)檢測系統(tǒng)判斷拋光終點(diǎn)，拋光完成后離線檢測各晶圓的技術(shù)指標(biāo)，驗(yàn)證拋光結(jié)果是否滿足要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

選取FOUP 中第12，13，14 片表面為鎢的晶圓，進(jìn)行拋光。拋光完成后，測量各晶圓表面材質(zhì)。選取FOUP 中第21，22，23，24，25 片表面為二氧化硅的晶圓，測量其表面二氧化硅的厚度。然后進(jìn)行拋光。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）金屬檢測結(jié)果。晶圓拋光完成后，離線檢測各晶圓表面材質(zhì)，結(jié)果如圖4、圖5、圖6 所示。

由圖4、圖5、圖6 可以看出金屬鎢拋光過程中信號(hào)的變化，由于不同層的反射率差異導(dǎo)致信號(hào)的急劇變化。窗口檢測法通過檢測信號(hào)的急劇變化來檢測金屬拋光中的層間變化。由于金屬層，阻擋層，電介質(zhì)層反射率依次降低，圖7 檢測到下降趨勢得到金屬層至阻擋層的過渡，圖8 在第一步的基礎(chǔ)上檢測下降至平緩得到阻擋層至電介質(zhì)層的過渡，圖9 在第二步的基礎(chǔ)上過拋一段時(shí)間完成拋光。最后，測得拋光后金屬晶圓表面無金屬殘留，拋光曲線呈“Z”字型走向，反映了金屬層、阻擋層、電介質(zhì)層發(fā)生膜層變化時(shí)，光學(xué)信號(hào)的變化。實(shí)現(xiàn)了以檢測光學(xué)信號(hào)的變化來控制拋光過程。

圖5 第13 片晶圓金屬層拋光后照片

圖6 第12 片晶圓金屬層拋光后照片

（2）非金屬檢測結(jié)果。晶圓拋光完成后，離線測量各晶圓表面膜層厚度、片內(nèi)/ 片間均勻性等各項(xiàng)指標(biāo)，其反射率曲線如圖10～圖14 所示。

圖7 第14 片晶圓金屬層反射率變化曲線

圖8 第13 片晶圓金屬層反射率變化曲線

由圖10～14 可以看出，隨著拋光進(jìn)行，膜層變薄，薄膜上下表面反射光束光程差不斷變小，當(dāng)光程差為波長整數(shù)倍時(shí)干涉加強(qiáng)，為半波長奇數(shù)倍時(shí)干涉減弱，光強(qiáng)隨著拋光呈類余弦曲線周期變化，拋光后片間厚度差最大為4.3 nm，拋光后片間去除量差最大為12.9 nm，表明拋光后膜厚一致性更好。理論上單色光無法計(jì)算剩余膜層厚度，但在CMP 中，晶圓初始膜厚相似，拋光時(shí)僅關(guān)注去除量及最終厚度的均勻性，所以獲取曲線經(jīng)過的周期數(shù)即可得出去除量，抓取相同趨勢的特征點(diǎn)即可完成終點(diǎn)檢測，從而保證晶圓拋光后厚度的均勻性。

表2 晶圓金屬層拋光數(shù)據(jù)

圖9 第12 片晶圓金屬層反射率變化曲線

圖10 第21 片晶圓反射率變化曲線

圖11 第22 片晶圓反射率變化曲線

圖12 第23 片晶圓反射率變化曲線

圖13 第24 片晶圓反射率變化曲線

圖14 第25片晶圓反射率變化曲線

表3 非金屬晶圓拋光數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

光學(xué)終點(diǎn)檢測應(yīng)用在金屬和非金屬CMP 中，其反射或干涉光強(qiáng)曲線呈現(xiàn)規(guī)律的變化趨勢，在金屬中通過曲線的驟變可確定膜層的變化，獲取預(yù)期的終點(diǎn)；在非金屬中，曲線的周期性變化反映了薄膜厚度的變化，通過判斷曲線的上升、下降、波峰、波谷及其數(shù)量即可獲取預(yù)期的終點(diǎn)。

窗口檢測法可用于曲線變化趨勢的檢測，工藝人員通過設(shè)置窗口的寬高來獲取預(yù)期的終點(diǎn)，窗口檢測法可有效避開去除率變化，初始厚度不同的影響，可有效判斷曲線變化趨勢，簡單高效，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。