化學機械研磨終點檢測專利技術綜述

作者/吳洪波，國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心

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化學機械研磨終點檢測專利技術綜述

作者/吳洪波，國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心

文章摘要：化學機械拋光（chemical mechanical polishing, CMP）技術是目前集成電路制造中制備多層銅互連結構不可或缺的關鍵技術之一。在應用CMP技術去除多余材料時，能準確判斷CMP過程中何時達到理想臨界狀態的終點檢測技術，是保證既不“欠拋”又不“過拋”，提高CMP加工質量和效率的一項關鍵技術。本文較為全面地介紹了終點檢測技術的專利申請情況，詳細介紹了各種檢測手段的原理并列舉了典型的專利文獻。

關鍵詞：化學機械拋光 CMP 終點檢測

1.化學機械研磨過程及終點檢測

圖1　CMP過程示意圖

化學機械研磨(拋光，平坦化)，是半導體器件制造工藝中的一種技術，使用化學腐蝕及機械力對加工過程中的硅晶圓或其它襯底材料進行平坦化處理。

如圖1所示，化學機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,實現Cu表面的初步平坦化；第二步以相對較小的材料去除率去除剩余的Cu,并通過終點檢測技術在勢壘層剛好全部露出時停止CMP；第三步去除勢壘層和少量的絕緣層材料,并達到平坦化的要求。

所謂終點檢測的終點,即勢壘層表面的銅剛好全部被去除,此時為CMP的理想終點,如圖中完成第二步所示，CMP終點檢測就是判斷何時達到CMP的理想終點。在銅CMP過程中,第二步的終點檢測是保證CMP質量的關鍵,如果第二步沒有進行終點檢測或判斷的CMP終點不準確,則往往會產生“欠拋”或“過拋”現象。因此,準確的終點檢測是保證銅CMP質量、提高成品率和加工效率的關鍵技術,直接關系到芯片的成本和市場競爭力。

2.CMP終點檢測技術專利概況

分別對專利申請目的地與專利申請人進行統計，發現該分支的專利申請情況與化學機械拋光整個領域專利申請情況一致，即專利申請也主要集中在半導體產業較為發達的幾個地區，例如美國、日本和臺灣地區；相應地，專利申請也主要為該些地區的多個大公司所主導。

從申請時間來看，終點檢測技術的專利申請量在2003年-2012年都保持較高水平，其中在2004－

圖2　各國專利申請量

圖3　申請人分布情況

2005年前后達到了該段期間的峰值。

圖4　終點檢測技術10年間申請量

3.終點檢測技術的技術手段

現有技術有多種CMP終點檢測方法，從技術手段分類包括光電、聲音、電流負載、扭矩及化學成分檢測等手段，同時又可根據實時性分為離線和在線檢測，主要包括以下方式：

■3.1基于時間控制

其原理為通過多次試驗確定生產某種產品所需的拋光時間，并進而根據該時間推算出該種產品拋光過程的終點時刻，屬于一種離線檢測方式。申請人為中芯國際集成電路制造的2003年中國申請CN1583363A及申請人為臺積電的2001年美國申請US6712669B1等公開了該種終點檢測技術。該種檢測方式應用于早期，優勢是簡單易行；但即使是同一批產品也不可能完全一致,材料去除量也會略有差別,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影響到CMP的去除率,因此該方法缺點是不能有效地避免“過拋”和“欠拋”。

圖5　基于時間控制的CMP終點檢測

■3.2基于驅動電機電流、摩擦系數和扭矩終點檢測

此類方法原理為當晶圓的拋光層研磨到一定程度時拋光表面與拋光墊之間的摩擦系數會發生變化,導致相應的摩擦力、驅動電機的電流、拋光頭和拋光盤旋轉軸的扭矩也發生變化,據此通過檢測CMP過程中摩擦力、驅動電機電流或扭矩的變化即可判斷當前的拋光程度。如中芯國際提交的申請CN200810033816公開了一種通過檢測拋光頭扭矩實現終點檢測的方案；申請人為IBM的美國申請US005308438提出了一種基于電機負載電流監測的終點檢測方案。

圖6　基于電機電流的終點檢測

■3.3基于化學成分檢測

晶圓的拋光狀態不同會導致研漿的化學成分發生變化，根據該特點，通過監測研漿的關鍵物質成分，即可確定當前的拋光狀態。國際商業機器公司于2001年6月提交的申請CN01121832，通過對漿料中氨濃度監測獲取拋光信息，從而實現拋光過程控制；羅門哈斯電子材料的申請CN200710109894也公開了一種采用化學終點檢測系統的終點檢測方案。

圖7　基于化學成分檢測的終點檢測

圖8　基于光學的終點檢測

■3.4光學終點檢測

光學終點檢測方法包括兩種檢測手段：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方式。反射光量檢測的原理為:將光投射到半導體晶片上，使用檢測部件監測由晶片反射的光量，根據晶圓拋光狀態不同，露出的金屬面積變化導致反射的光量也不同，據此即可確定當前晶片露出金屬面積，從而確定晶片的拋光狀態。光干涉檢測原理為：根據來自頂部表面和下層的光的干涉，采用干涉測量技術測量膜厚度。光干涉檢測適于測量諸如電介質層之類的透明膜，但對不透明的金屬膜無效。

申請人為三星電子株式會社的申請CN03107601提出了一種根據反射光量檢測拋光終點的技術方案、申請人為中芯國際的申請CN201010103998、申請人為華力微電子有限公司的申請CN201310062507均公開了在反射光量檢測原理基礎上設計的多種終點探測方法或裝置。

■3.5聲音終點檢測

聲音檢測的原理很簡單，即通過檢測研磨過程中研磨到金屬層時產生的聲音信號變化來確定該終點。以此原理為基礎的有皮斯洛奎斯特公司于2001年提交的中國申請CN01821550。

■3.6電渦流終點檢測

電渦流檢測原理為通過探測當金屬層被去除時金屬層厚度的變化導致渦流所產生磁通量的變化而確定當前晶圓的狀態。磁通量的變化導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，也即當前晶片的拋光狀態。申請人為應用材料有限公司的申請CN03822308、申請人為蘭姆研究公司的申請CN200380107456、清華大學于2010年提交的申請CN201010236186均公開了以此原理為基礎的多種終點檢測方法及檢測裝置。

從對以上各檢測手段的專利申請情況統計發現，光學檢測手段一直是終點檢測的主流檢測手段，而如電機負載、聲音、化學成分的檢測方式也并沒有被拋棄，同樣獲取了一定的關注。預計未來終點檢測的方式還將保持多種檢測手段同時發展的趨勢。

【參考文獻】

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