CMP 在線光學終點檢測算法研究及應用

楊元元，楊 旭，史 霄，孟曉云，楊 師

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京100176)

CMP 是表面全局平坦化關鍵技術之一，它通過晶圓與拋光墊的相對運動使晶圓表面平坦化，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，已經成為一種最廣泛采用的平坦化技術。

在線終點檢測是CMP 工藝中的關鍵技術，是指在平坦化工藝過程中實時檢測晶圓膜厚并配合CMP 對工藝進行實時控制的技術。光學終點檢測法作為一種終點檢測方法，可應用于金屬和非金屬檢測，檢測靈敏度高，材質范圍廣，也是CMP 技術研究的一項重點。

1 金屬檢測原理

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

圖1 光路反射原理示意圖

金屬CMP 終點檢測的光學方法基于光學反射原理，光路反射原理圖如圖1 所示。影響光信號強度的因素包括材料的反射系數、吸收系數和折射系數。在金屬材料中，影響光信號檢測強度的因素是反射系數。其中，Ii表示入射光線，Ir表示反射光線，R表示反射率，因此，根據式(1)可表征反射率、入射光強、反射光強的關系。

在檢測層間變化的過程中，晶圓表面不同被拋材料對光的反射率差異較大。因此，當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層時，反射光強會發生明顯的變化。表1 是波長為670 nm 時半導體制造中常用材料的反射率。對金屬銅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，平坦化可以精準地停止在銅被完全去除、露出阻擋層的界面[3]。

表1 半導體制造中常用材料的反射率

2 二氧化硅CMP 終點檢測原理

二氧化硅CMP 終點檢測的光學方法基于光學干涉原理，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A 產生反射光a，而折入膜內的光在C 點經反射后射到B 點，又折回膜的上方成為反射光b。此外還有在膜內經三次反射、五次反射……再折回膜上方的光線，但其強度迅速下降，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n1＜n2＜n3或n1＞n2＞n3時，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分布為：

在拋光過程中，隨著膜層厚度的變薄，導致光程差發生變化，當光程差為波長整數倍時干涉加強，為半波長奇數倍時干涉減弱，干涉光光強信號呈類余弦曲線變化。

3 算法研究

隨著晶圓的拋光，晶圓表面膜層變化實時被監測，按照時間順序將信號輸出，經過采樣形成一組時間序列。在金屬拋光過程中，由于金屬材質不透光，拋光曲線呈“Z”字型走向，故可以采樣時間序列異常監測中斷層異常監測相關方法對信號進行處理。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

窗口檢測法通過設定窗口的高度和寬度，能夠檢測某一段時間內的信號變化，寬度代表檢測的時間段，高度代表信號的變化范圍，此處窗口高度代表光強。信號從窗口左側中部進入，可能從窗口上部、下部或右部導出，檢測信號導出窗口方向便可確定信號的變化。最后，采用多個窗口同時判斷，提高可靠性。

窗口檢測法采用三種模式來檢查信號的上升、下降和平緩的特征。隨著拋光的進行，新的數據將不斷產生，窗口檢測在每次新數據獲取后都進行一次判斷，檢測是否到達工藝人員設定的要求（窗口的模式與個數），若檢測到則進行下一個特征點的檢測（終點檢測會設置多個特征點逐一監測）。窗口檢測法應在數據濾波后使用。

在非金屬拋光過程中，根據干涉原理，當光束照射至透明薄膜時，經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，其干涉強弱隨厚度的變化而變化。厚度與波長的關系為：

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。

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

4 工藝驗證

4.1 實驗方案

（1）金屬膜層，選取3 片表面為鎢的晶圓進行拋光，創建終點檢測算法，使3 片晶圓分別停留在阻擋層、電介質層和氧化物層，驗證不同材質中光強的變化，并對各晶圓表面材質進行離線檢測，驗證拋光結果是否滿足要求。

（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行拋光，設置終點檢測算法，使拋光后晶圓厚度一致，終點檢測系統判斷拋光終點，拋光完成后離線檢測各晶圓的技術指標，驗證拋光結果是否滿足要求。

4.2 實驗步驟

選取FOUP 中第12，13，14 片表面為鎢的晶圓，進行拋光。拋光完成后，測量各晶圓表面材質。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。然后進行拋光。

4.3 實驗結果分析

（1）金屬檢測結果。晶圓拋光完成后，離線檢測各晶圓表面材質，結果如圖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的變化，由于不同層的反射率差異導致信號的急劇變化。窗口檢測法通過檢測信號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 在第一步的基礎上檢測下降至平緩得到阻擋層至電介質層的過渡，圖9 在第二步的基礎上過拋一段時間完成拋光。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、電介質層發生膜層變化時，光學信號的變化。實現了以檢測光學信號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）非金屬檢測結果。晶圓拋光完成后，離線測量各晶圓表面膜層厚度、片內/ 片間均勻性等各項指標，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，隨著拋光進行，膜層變薄，薄膜上下表面反射光束光程差不斷變小，當光程差為波長整數倍時干涉加強，為半波長奇數倍時干涉減弱，光強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算剩余膜層厚度，但在CMP 中，晶圓初始膜厚相似，拋光時僅關注去除量及最終厚度的均勻性，所以獲取曲線經過的周期數即可得出去除量，抓取相同趨勢的特征點即可完成終點檢測，從而保證晶圓拋光后厚度的均勻性。

表2 晶圓金屬層拋光數據

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 非金屬晶圓拋光數據

5 結論

光學終點檢測應用在金屬和非金屬CMP 中，其反射或干涉光強曲線呈現規律的變化趨勢，在金屬中通過曲線的驟變可確定膜層的變化，獲取預期的終點；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、波谷及其數量即可獲取預期的終點。

窗口檢測法可用于曲線變化趨勢的檢測，工藝人員通過設置窗口的寬高來獲取預期的終點，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，滿足實際生產需要。