1、O 显徽、测量、徽细加工技术与设备 Microscope，Measurement，Microfabricati6nEquipment CMP综合终点检测研究 周国安，刘多勤，涂佃柳，詹 阳 (中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 101601) 摘要：在对电机电流终点检测、光学终点检测以及抛光垫温度检测三种终点检测技术的检测原 理、特点及其装置分析讨论的基础上，对终点检测硬件电路的设计效果进行了验证。采用 STRASBAUGH的Nvision软件进行移植，设置其增益、漂移量、数字过滤器的频率和类型。 以w作为抛光对象，以TiN作为阻挡层，优化了工艺参数菜单设置并实施抛光，在实时形成信 号曲
2、线的基础上，由主机综合三种终点检测信号的情况，判断出精准的终点位置，为CMP抛光 终点的监测和抛光垫的修整和更换提供科学的依据。 关键词：化学机械抛光；电机电流终点检测；光学终点检测；温度信号；抛光垫 中图分类号：TN3052 文献标识码：A 文章编号：16714776(2009)06037104 Research on Synthetic Endpoint Detection During CMP Zhou Guoan，Liu Duoqin，Tu Dianliu，Zhan Yang (The 45 Research Institute，CETC，Beijing 101601，China) A
3、bstract：Based on the analysis of the principle，characteristics and hardware of the motor cur rent detection，the optical endpoint detection and the pad temperature detection，the endpoint detection effectiveness of the hardware circuit design was verifiedThe Nvision software of the STRASBAUGH was tran
4、splantedAs the precondition of polishing，the gain，offset，frequency and type of the digital filter were setThe process parameters were optimized and the tungsten was polished with TiN as the barrier，then the realtime signal curve was achievedCombined with the three integrated signals，the most precise
5、 endpoint position was chosen Key words：CMP；motor current endpoint detection；optical interference endpoint detection； temperature signal；polishing pad DOI：103969jissn1671-4776200906010 EEACC：2550E 言 化学机械抛光(CMP)技术在大规模集成电 路多层互连工艺中起着重要的作用1。对各层的抛 光处理，实际上就是将其凸出部分均匀少量连续地 去除，使之平整，但去除的薄膜厚度需要高精度地 加以控制，若不能有效地
6、监测CMP运作，便会出 现晶片抛光过度或不足的情况。因此，CMP终点 收稿日期：20081110 E-mail：zhouguoantomcom 2009年6月 检测对于集成电路的成品率是十分关键的步骤2， 特别在纳米技术领域，终点检测更是不可或缺的， 如在SOI(绝缘层上硅)的抛光中仅要求有20 nm 的去除量，如果没有终点检测，该项技术指标将无 法实现。 终点检测有多种形式，如基于光学、电学、声 学、热学、摩擦力、化学等373，这些技术具有各 自的特点，但又具有一定的局限性。如对最常用的 微纳电子技术第46卷第嗍371 周国安等：CMP综合终点检测研究 绝缘材料SiO：的终点进行检测，不同方
7、法的检测 精度也都存在着差异。目前，常用的是电机电流终 点检测、光学终点检测和抛光垫温度的终点检 测 。本文综合这三种终点检测技术于一体，可应 用于更加广泛的检测材料，以提高检测的可靠性。 1 终点检测综合系统组成及分析 终点检测系统由三个检测子系统组成，在抛光 过程中同时检测不同的信号，实时采样并处理信 号。系统装置如图1。 图1 终点检测综合系统图 Fig1 Synthesis EDP system 中 央 处 理 茧 元 实际上用于光学检测的区域是一个一元硬币大 小镶嵌于抛光垫内的圆形窗口。由于抛光台一直处 于旋转之中，每转动一周发射并采样一次信号，这 种抛光垫称为smartpad。为了
8、便于分析和理解其 工作原理，镶嵌于抛光垫内部集成的发射和接收装 置简化为图中实现其功能的矩形区域。 11 电机电流终点检测原理及硬件装置 美国微米半导体技术公司的SSandhu和 DLaurence等人9提出电机电流终点检测方法， 其原理是在抛光表面到达晶圆的不同介质材料的界 面时，摩擦力会产生明显的变化，为保持抛光转速 不变，抛光台驱动电机电流必然会随之发生变化。 对这个变化的电机电流信号进行采样，就可以实现 CMP的在线终点检测。美国一款抛光机原机的电 机电流终点检测装置如图2 为提高其检测精度，避免基于电机电流变化的 终点检测的误判断，王学军等人1 0对图2所示电 路的两个方面进行了改进
9、：采集信号的高保真、 372 Micronanoelectronic Technology Vo146 No6 高灵敏度和噪声信号的屏蔽；对于毫安级的小电 流信号准确无误转换到05 V的电压输出，其中 采样电路如图3。改进后的检测电流为420 mA， 全量程精度优于1 ，检测效果良好。 输人 计算机 图2电机电流检测 Fig2 Motor current inspect sketch 图3改进的电机电流检测电路 Fig3 Improved motor current inspect circuit 的输入 机 12光学终点检测原理及装置 光学终点检测灵敏度高、反应快，是一种适用 于多种材料的终
10、点检测技术。在各主流CMP机型 中，特别是第三代，通常都配备有光学终点检测装 置，采用干涉法进行精准检测。其检测原理如图 4。人射光束( )以入射角(a，)投射到第一表 面，部分入射光束在点(A)处发生反射( 。)， 另外一部分进入透明层，在衬底(B)处发生反 射，于点(C)处折射进入空气(I )。两条反射线 因路程差而具备不同相位，形成干涉。 周国安等：CMP综合终点检测研究 图4光学终点检测原理 Fig4 Theory of optical endpoint detection 通常，在J1和j：设置接收传感器装置，由光 而生成电信号，经过检波、滤波、整形和放大来形 成数据或者图形来判断终
11、点位置。 光学终点检测可以采用多种波长的光，如红 外、白光和紫外线，根据实际应用效果来看，虽然 可见光和紫外线波长较短，检测起来可以达到更高 的精度，但是由于半导体设备多采用掺杂结构的 pn结器件，通常白光容易诱导产生光生伏特效应； 紫外线在光刻领域虽有较好的应用，但其辐射强度 较自光更甚，在线终点检测中受到了限制；红外线 是低能量光线，并且能够穿透很多介质，虽然波长 大于07 m，对于检测nm级别薄膜从硬件上会 面临着严峻的挑战，但是由于其干涉光是连续的， 在软件设计上完全可以实现高精度算法的编程。红 外检测装置如图5所示。 发射器 接收器 图5光学终点检测装置简图 Fig5 Sketch
12、of optical endpoint detection 机型中，光的发射和接收装置均集成于一体，镶嵌 在抛光垫的内部，并有一个透明窗口。采集的信号 通过带状排线方式从抛光垫内部引出，并传输至固 定在抛光盘边缘的专用处理器，经处理后的信号通 过无线方式传输至主机，调用相关算法，进行实时 处理和跟踪。当然，在处理之前也需要输入对应层 数材料的种类。整个处理过程与CMP抛光厚度相 关，并进行实时监控。 13抛光垫温度检测原理与装置 抛光垫直接与晶圆接触，抛光过程中由于机械 和化学作用，将会导致局部温度升高。DA WhiteL1 详细阐述了温度产生的机制，给出实际检 测的红外图，建立了模型并绘制了
13、优化的曲线，为 检测设置奠定了理论基础。实际上，抛光垫温度检 测是间接反映抛光终点情况，并且温度变化具有一 定的滞后性，因此在实际应用中，可以作为其他终 点检测方法的参考。但是，抛光垫是抛光中的关键 因素，其表面分布着众多的微凸峰，温度稍有变化 就会引起微变形，导致抛光平坦化效果变差，即便 作是作为参考因素，当发现抛光台和抛光垫温度之 间出现异常波动时，也要引起高度重视。温度曲线 还可提供抛光垫老化情况的信息，便于判断其是否 需要进行修整或更换。因此，实时检测并跟踪抛光 垫温度变化具有三重作用。温度检测硬件电路如 图6。 图6温度检测电路图 Fig6 Circuit diagram of de
14、tecting temperature 针对SiO 材料的终点检测，宋文超等人 从 原理、机械结构方面做了详细的阐述，对光学终点 图6中PCB2是接收并初步处理信号的装置， 检测设备具有初步的参考意义。但是，目前应用的 主要功能之一是过滤热噪信号(如抛光机内环境温 2009年6月 微纳电子技术第46卷第6期373 周国安等：CMP综合终点检测研究 度，其他相临发热器件的影响等)，处理后的信号 到AD2转化为数字信号并输入到CPU。图6给出 温度传感器电路图和承载器的压力电路图，在实际 设计中，两个电路通常紧密相连。许多温度传感器 采用红外检测装置，该装置通常位于抛光头的侧 面。 2软件导入分析
15、 为了验证改进的样机的终点检测效果， STRASBAUGH的工艺人员采用软件移植的方法， 将Nvision从商业生产用的6DS-SP导人实验室专 用CMP设备系统中。该软件具有诸多优点：对于 多种终点检测具备独立通道，并且每个通道可以独 立实时显示信号；也可以进行多项选择，信号曲线 将显示在同一界面中。在抛光过程中，信号是实时 检测与显示的，并且可以进行过程跟踪。Nvision 本身具备强大的噪声处理技术，在软件中，可以选 择数字信号过滤处理器。检测完的信号可以选择存 档，以便于离线分析。 以w为抛光对象，终点选择为阻挡层的TiN。 选择好合适抛光参数，保存好菜单文档，在抛光环 境完全具备的情
16、况下，进行抛光，则其中信号设置 见图7。 图7 nvision的信号设置图 Fig7 Signal setup of nvision 从图中可以看出，整个传感器检测在软件上是 形成的是闭反馈，根据实验情况增益设置是不同。 而偏移则只有温度，因为需要根据起始设置温度与 实际温度对比进行调整；均采用顺序滤波器，频率 设置也在MHz以上，保证采样信号的噪声得到有 效抑制。形成的图像如图8。 374 Micronanoelectronic Technologv Vo146 No6 图8综合终点检测显示 Fig8 Display of the synthetic endpoint 图8横轴为时间，单位为
17、S，纵轴为归一化信 号强度。如果单独分析实际信号的话，抛光台和抛 光头的电机电流终点检测可以判断到达物理性质相 差较大的材料终点的时间，并向主机发出信号，停 止抛光，却无法量度抛光的去除量。红外终点检测 则可以定位于任意厚度抛光，并且可以跟踪信号及 计算抛光去除量，但波长较大，既使软件上采用诸 如斜率法予以补偿，仍需参考其他因素以保证系统 的精准性。综合以上信号，主机可以精确地选择抛 光终点，如图中竖线EDP所示。图8参数显示去 除量为5158 Flm，红外波长可以根据等倾干涉计 算得出： =2 nd，其中 为波长，d为抛光去除 的厚度， 为介质的折射率。只需要输入各介质层 的材料，或者输入同种材料的厚度，软件都会自动 选择合适的红外波长。 3 结 论 本文将改进后的电机电流终点检测电路信号、 红外终点检测信号以及抛光垫温度信号移植于软件 系统中，其可靠性及精准性得到了明显提高。根据 软件特点，还可以进行过程跟踪。另外，根据采集 到的抛光垫温度信号的变化特点，可以科学合理地 决断抛光垫的修整和更换，避免目前采用单纯依据 抛光时间或抛光晶圆数目更换抛光垫的方式所造成 的浪费。 参考文献： 1 贾英茜，刘玉岭，牛新环，等ULSI多层互连中的化学机械 抛光工艺口微纳电子技术，2006，43(8)：442446 (下转第382页)
