CMP光學(xué)終點在線實時判定方法研究

狄韋宇,鄭永軍,衛(wèi)銀杰

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展,現(xiàn)時已然進入微電子技術(shù)的時代,而集成電路芯片是其基礎(chǔ)。晶圓表面拋光是芯片生產(chǎn)過程中的重要步驟,化學(xué)機械拋光(Chemical mechanical polishing,CMP)技術(shù),是當今唯一可以實現(xiàn)全局平坦化(整個表面的平坦化)的方法[1]。相較于傳統(tǒng)機械拋光,其優(yōu)點在于表面光潔度更強,損傷低,完整性更高;相較于傳統(tǒng)化學(xué)拋光技術(shù),它的表面精度更高,拋光速率更快。

如何有效地進行實時終點判斷,將影響拋光的最終結(jié)果。要檢測拋光的終點,需要實時得到被拋光薄膜的厚度。CMP的終點判斷就是判斷何時達到CMP的理想終點,從而停止拋光。終點判斷過早則導(dǎo)致欠拋,即拋光不完全,薄膜過厚,晶圓需要二次加工;判斷過晚則產(chǎn)生過拋現(xiàn)象,導(dǎo)致膜層偏薄,過拋時間過長晶圓或?qū)⒅苯訄髲U[2]。而今在制造業(yè)結(jié)構(gòu)微細化、高精度要求下,晶圓膜厚要求在精度控制在0.1nm,些許偏差都將對薄膜的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)以及器件的設(shè)計及可靠性產(chǎn)生重要影響。準確的終點監(jiān)測是產(chǎn)品成品率、加工效率的關(guān)鍵技術(shù),直接影響到成本與市場競爭力[3]。

CMP終點監(jiān)測目前主要分兩大類:離線終點監(jiān)測與在線實時重點監(jiān)測[4]。離線法主要通過對試驗晶圓片進行試驗拋光,線下進行離線評估,獲得拋光時間與速度的關(guān)系,這是目前半導(dǎo)體制造的主流技術(shù)。而由于待拋光面在拋光過程中是完全向下且與拋光墊緊貼,所以在線終點實時監(jiān)測難度很大。近年來,國內(nèi)外提出了基于光學(xué)、摩擦力、熱學(xué)、電學(xué)等原理的在線終點監(jiān)測方法[5-7]。

基于光學(xué)的方法大多是基于光學(xué)干涉[8-9],也有將信號中提取濾波信息,如卡爾曼濾波序列導(dǎo)數(shù)[10]、聲發(fā)射信息等[11-12];但是，這些方法測量復(fù)雜,計算速度慢,如何更快的找到相應(yīng)特征值并進行計算,對在線CMP終點監(jiān)測十分重要。

相比較于其它類方法,基于光學(xué)的方法特點是快、準、無損[13]。MAZZONE等[14]對鎢在激光下反射率特征值進行了探討,本文主要在白光光源下對SiO2薄膜進行分析。SiO2薄膜作為集成電路絕緣層、光學(xué)薄膜器件及微機電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system,MEMS)薄膜的重要組成部分,在器件制造中起著重要的作用[15]。

1 光學(xué)法測膜厚原理

在復(fù)折射率為n+ik的膜層上鍍上厚度為d的假定恒定厚度的均勻的薄膜,入射光以入射角θ0入射,穿過復(fù)折射率為n2+ik2的基底并射入空氣中,如圖1。該層薄膜的特征矩陣為[16]

(1)

薄膜膜層的位相厚度δ表達式為

(2)

圖1 反射原理圖Figure 1 Reflection principle schematic

折射角θ1由折射定律確定,相應(yīng)的P偏振光和S偏振光的導(dǎo)納η1分別為:

(3)

定義參數(shù)B和C,則單層薄膜的特征矩陣表達式為

(4)

其中,相位差δ=(2π/λ)nd,η2為薄膜基底的導(dǎo)納。對于P偏振光和S偏振光,有:

(5)

同時,折射角θ2也由折射定律確定。那么可以得到單層薄膜的反射率公式為

(6)

其中*代表參量的復(fù)共軛,η0為入射介質(zhì)的導(dǎo)納,相應(yīng)的P偏振光和S偏振光的導(dǎo)納分別為:

(7)

方程(6)是單層晶圓薄膜的反射率,并不包括其基底的背面反射。該反射率是由組成薄膜系統(tǒng)的折射率、薄膜厚度、光線在3種介質(zhì)中傳播角度和波長的函數(shù)?；谡凵涠?一旦單層光學(xué)薄膜系統(tǒng)中n0,n1,θ0和λ已知,那么反射率僅是晶圓薄膜折射率和厚度的函數(shù),即

R=R(n1,d)。

(8)

1.1 參考光譜理論模型驗證

為了驗證上述理論模型的可靠性,我們從filmetrics網(wǎng)站下載了不同膜厚條件下SiO2-Si膜的光學(xué)特性數(shù)值[17],繪制了不同波長下SiO2的反射率。圖2為膜厚為113.8 nm時,理論折射率曲線與filmetrics網(wǎng)站繪制曲線比較圖,可觀察到兩條曲線基本重合。這說明理論模型對于理論值n1、d而言是有效可靠的。

圖2 理論數(shù)據(jù)和filmetrics數(shù)據(jù)的反射率比較圖Figure 2 Comparison of reflectivity between theoretical data and filmetrics data

為了進一步證明模型的可靠性,我們通過橢偏儀對膜厚為113.8 nm的薄膜進行了檢測,并根據(jù)理論模型擬合了不同波長下的反射率。使用反射式橢圓偏振光譜儀(ELLIP-A型)測量,其中光源波長范圍為200～800 nm,入射角在30°～90°范圍內(nèi)可調(diào)。由于橢圓偏振光譜儀靈敏度的緣故,實驗中選取測量波段為350～800 nm,入射角為65°。圖3表示膜厚為113.8 nm時,理論計算的反射率和橢偏儀實測數(shù)據(jù)進行比較的結(jié)果,可以觀察到數(shù)據(jù)走向基本一致,由此可以認為理論模型確實是有效的。

圖3 橢偏儀實測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的反射率比較圖Figure 3 Comparison of reflectance between theoretical data and measured datausing ellipsometer

2 基于光強光譜的終點光學(xué)檢測分析

用光強光譜進行終點光學(xué)檢測的具體步驟如下文所述。在開始研磨之前,先取同一批次的晶圓進行試研磨,同時獲取所選特征值之間的聯(lián)系,最好為線性關(guān)系,通過試研磨獲取經(jīng)驗下的時間與轉(zhuǎn)速等條件。該特征值可以是某些波峰、波谷對應(yīng)的光強值、波長值等。

正式研磨時,按照試研磨得到的研磨條件進行研磨,首先通過光譜儀測得實時光強光譜,跟蹤預(yù)設(shè)波長范圍內(nèi)(視材料而定)而不是整個光譜內(nèi)的光譜特征,最后將特征值與目標特征值作對比。若未滿足終點條件(經(jīng)驗條件得出),則繼續(xù)跟蹤特征值直到滿足終點條件;若滿足終點條件,則停止研磨。

2.1 數(shù)據(jù)來源

我們基于海洋光學(xué)QE Pro光譜儀,在不同環(huán)境條件下進行了兩組實驗。

實驗步驟如下。首先,選擇表面氧化層厚度依次為20 nm、50 nm、80 nm、100 nm、120 nm、150 nm、160 nm、180 nm及200 nm的九個晶圓。其次,在黑暗環(huán)境下分別多次測量后取平均,得到了不同膜厚晶圓的反射光強數(shù)據(jù),為了減少環(huán)境因素的影響,再在同樣的實驗條件下測量了光纖接受到的環(huán)境雜光光強Idark,并用上述數(shù)據(jù)分別減去Idark,進行初步的處理,使得受環(huán)境因素的影響盡可能減小。這樣得到了A組數(shù)據(jù),含九個晶圓處理后的反射光強數(shù)據(jù)。再在晶圓上覆蓋一層20 mm塑料薄膜進行相同的操作,測得覆蓋薄膜后的九個晶圓的反射光強數(shù)據(jù)與環(huán)境雜光光強,初步處理后得到B組數(shù)據(jù)。A組與B組數(shù)據(jù)的區(qū)別在于B組數(shù)據(jù)在晶圓上覆蓋了一層20 mm塑料薄膜,其他均相同。

下面將通過這兩組數(shù)據(jù)分析特征值。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了進一步減少誤差影響,我們對數(shù)據(jù)進行了必要的濾波處理,濾波后的信號應(yīng)當保留需要的特征數(shù)據(jù),有效地降低噪聲的影響,由于不需要建立數(shù)學(xué)模型,大大地提高了計算效率。所采用的濾波方式為移動平均濾波。移動平均濾波是將獲得的連續(xù)的數(shù)據(jù)看作長度固定的隊列,在新的一次測量后去掉隊列的首數(shù)據(jù),剩下數(shù)據(jù)前移并在隊尾插入新的監(jiān)測采樣數(shù)據(jù),再對此隊列進行算術(shù)運算,得到期望的結(jié)果。

如圖4,先設(shè)置移動的采樣長度j。采樣長度能決定濾波的光滑程度,j越大,所得到的曲線越光滑,但失真度也越高;j越小,所得曲線毛刺越多,但所保留的信息越多。首先預(yù)設(shè)j=20。接著,輸入待處理的數(shù)組x。令a等于數(shù)組x的元素個數(shù)與j之差,即還未處理過的元素個數(shù)。若a>j,則進行平移光滑處理;若a

圖4 移動平均濾波流程圖Figure 4 Flow chart of moving average filtering

平移光滑處理原理圖如圖5。選取從數(shù)組x的第一個元素開始的j個元素,計算出其平均值后賦給數(shù)組y的第一個值。接著選取從數(shù)組x的第二個元素開始的j個元素,計算出其平均值后賦給數(shù)組y的第二個值。以此類推,直到處理完整個x數(shù)組。

為了更直觀地看到濾波的效果,選取d=200 nm時的光強圖譜做濾波前后的對比。對比圖如圖6。通過圖6我們可以看到,經(jīng)過濾波處理后的光強圖譜更加光滑,不規(guī)則的毛刺明顯減少,并且成功保留信號的一些重要特征(如波峰、波谷等),這更有利于后續(xù)的分析工作。

光強光譜與反射率轉(zhuǎn)換公式如式(9):

(9)

其中,Id為膜厚為d時的光強,Idark為環(huán)境雜光光強,I0為無氧化膜的Si上測得的光強。對比A組數(shù)據(jù)d=120 nm時濾波前后的反射率曲線,如圖7,可以看到濾波有效地去除了雜光影響。

圖8為根據(jù)式(9)計算得出的A組不同膜厚情況下的反射率光譜圖。

圖9為A組數(shù)據(jù)移動平均濾波處理后的光強光譜圖?？梢钥闯?在λ=750 nm前的圖像較為雜亂無章,而750 nm后的曲線排列較為規(guī)律。故我們主要從λ=750 nm后的曲線著手分析。為了能更直觀地觀察分析,我們將740～900 nm處進行了局部放大,得到A組數(shù)據(jù)的光強光譜局部放大圖。

圖5 移動平均處理流程圖Figure 5 Flow chart of moving average processing

圖6 光強光譜濾波前后對比圖(d=200 nm)Figure 6 Comparison of intensity spectral before and after filtering(d=200 nm)

圖7 A組反射率濾波前后對比(d=120 nm)Figure 7 Comparison of reflectivity before and after filtering for group A(d=120 nm)

圖8 A組不同膜厚的反射率光譜圖Figure 8 Reflectivity spectrum of group A with different film thickness

圖9 移動平均濾波處理后的光強光譜圖Figure 9 Light intensity spectrum after moving average filtering

3 特征值選取

本文由光譜儀測得光強光譜,從光強光譜中提取得到了一組特征值,即以某一峰值與左拐點的波長差為特征值。為排除特殊性,分別分析了A組與B組數(shù)據(jù),以檢驗特征值的有效性。

3.1 A組數(shù)據(jù)分析

觀察圖9,發(fā)現(xiàn)在波長λ為790～840 nm的波段上不同膜厚的波峰寬度有明顯的變化,這段距離在圖9中的小圖中由指示箭頭標出。波峰寬度為波峰對應(yīng)膜厚與其左拐點對應(yīng)膜厚的差值,其中拐點的計算方法如下:當波長在790～840 nm之間時,若有一點x(i)滿足x(i+k)-x(i)>x(i)-x(i-k),即點x(i)后的曲線斜率大于點x(i)前的斜率,則認為x(i)為拐點。經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn),k=4時效果最好。

濾波處理時,對于采樣長度j的取值,我們進行了一定的比較及篩選。圖10為不同j值濾波效果比較圖。比較了從j=1到j(luò)=4的差值圖。其中,j=1即為在不使用濾波的情況下得到的原始差值圖。從圖10中可以看到,差值曲線在j=3時線性效果最好。故我們在對A組差值圖進行濾波處理時,選取采樣長度j=3。

圖10 A組數(shù)據(jù)不同j值濾波效果比較圖Figure 10 Comparison of filtering effects with different j for group A

圖11為j=3時A組數(shù)據(jù)在不同膜厚條件下特征值的線形圖。通常采用相關(guān)系數(shù)表示兩個量之間的相關(guān)度[18],計算公式如式(10)。計算皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.997 735,說明A組膜厚與波長差之間的有高度的線性正相關(guān)關(guān)系。

(10)

圖11 不同膜厚下A組特征值示意圖(λ:790～840 nm)Figure 11 Schematic diagram of the eigenvalue for group A with different film thicknesses(λ:790～840 nm)

3.2 B組數(shù)據(jù)分析

圖12中列出了當d在20 nm到120 nm之間時從j=1到j(luò)=4的差值圖,其中j=1為在不使用濾波的情況下得到的原始差值圖。從圖12中可以看出,當d在20 nm到120 nm之間時,采樣長度j=4的差值曲線具有較高的線性相關(guān)關(guān)系,故取j=4。

圖12 B組數(shù)據(jù)不同j值濾波效果比較圖Figure 12 Comparison of filtering effects with different j for group B

圖13為j=4時的B組數(shù)據(jù)在不同膜厚條件下特征值的線形圖。從圖13中我們可以看出,d在20 nm到120 nm的區(qū)域內(nèi),計算皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.994 98,說明B組膜厚與波長差之間的有高度的線性正相關(guān)關(guān)系。

為了研究穩(wěn)定性與魯棒性,又選用了另外兩組相同規(guī)模的薄膜進行了驗證,相關(guān)系數(shù)如表1。由四組的相關(guān)系數(shù)均>0.99,我們可以認為在SiO2薄膜20～120 nm厚度條件下,測得光強光譜后,經(jīng)移動平均濾波后的光譜在740～900 nm波長范圍內(nèi)的波峰與其左拐點兩者相對應(yīng)的波長差與膜厚存在良好的線性關(guān)系。

圖13 不同膜厚下B組特征值示意圖(λ:790～840 nm)Figure 13 Schematic diagram of the eigenvalue for group B with different film thicknesses(λ:790～840 nm)

表1 不同組薄膜的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient of different film groups

4 總 結(jié)

提出了一種判斷CMP終點信號處理方法。該方法首先通過移動平均濾波對實測光強光譜進行濾波降噪,然后從降噪后信號中提取信號特征,本文提出了一個特征值,即在波長λ為790～840 nm的波段上,峰值與左拐點的波長差。最后分別以兩組數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)上述特征值和薄膜厚度存在明顯的線性關(guān)系,可應(yīng)用于在線研磨終點光學(xué)檢測。該特征值具有計算簡單快速、特征明顯等特點,只需快速讀取光強光譜,計算并跟蹤該特征值,將實測檢測計算得到的特征值與目標預(yù)計特征值進行對比分析,分析結(jié)果小于經(jīng)驗所得閾值即認為達到了CMP研磨終點。

本文僅應(yīng)用于SiO2薄膜晶圓,如需檢測其他材料晶圓則需再次進行驗證,但仍然是對此材料條件下CMP終點監(jiān)測判定特征值進行了有益的補充。有時，很難基于單一特征值確定被拋光層的厚度,跟蹤所選擇的的光譜特征的多個特征變化則可以提高端點控制的準確度,并且可以允許批次內(nèi)或批次之間的基板之間的拋光更均勻,在后續(xù)工作中可以尋找多組特征值進行完善改進。