橢偏儀在半導(dǎo)體CMP工藝量測(cè)的應(yīng)用

一、半導(dǎo)體CMP工藝背景

芯片制造過(guò)程大致可以分為頂層設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試三大步驟，晶圓制造過(guò)程尤為復(fù)雜。晶圓制造主要包括7大流程，分別是擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長(zhǎng)、化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical-Mechanical Planarization，簡(jiǎn)稱CMP）、金屬化。不同特性芯片，工藝制程和技術(shù)節(jié)點(diǎn)要求也不同，這些工藝制程并不是按某單一順序執(zhí)行，而是選擇性地重復(fù)進(jìn)行。例如，每一片晶圓在生產(chǎn)過(guò)程中可能都會(huì)經(jīng)歷幾道甚至幾十道的CMP工序。

集成電路元件普遍采用多層立體布線，若未經(jīng)平坦化處理，晶片表面起伏明顯，如圖1所示。同層金屬薄膜由于厚度不均勻?qū)е码娮柚挡煌痣娮舆w移造成電路短路。晶圓表面起伏不平還會(huì)使光刻時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)焦，導(dǎo)致線寬控制失效，嚴(yán)重限制布線層數(shù)，降低集成電路的使用性能。因此在CMP工序后，必須進(jìn)行晶圓的測(cè)量和評(píng)估，以此來(lái)檢查產(chǎn)品的合格率及不斷優(yōu)化工藝參數(shù)。

圖1 CMP工藝平坦化效果

二、半導(dǎo)體CMP的量測(cè)意義

CMP工藝最重要的要求之一是確定何時(shí)停止拋光工藝，即終點(diǎn)檢測(cè)（EPD）。它是用來(lái)確定研磨過(guò)程何時(shí)完成的，即何時(shí)達(dá)到預(yù)期的平坦度和厚度。過(guò)度拋光晶片將導(dǎo)致偏離目標(biāo)膜厚度，從而降低器件性能或產(chǎn)量。另一方面，拋光不足的晶圓會(huì)導(dǎo)致返工并增加IC制造成本。因此，EPD對(duì)CMP工藝起著至關(guān)重要的作用。但EPD難度較大，成本較高，目前行業(yè)內(nèi)大多采用離線厚度檢測(cè)設(shè)備來(lái)調(diào)整CMP工藝，而離線厚度檢測(cè)設(shè)備中，橢偏儀和膜厚儀占重要地位。

橢偏儀和膜厚儀在CMP工藝中，通過(guò)分析光與材料表面的相互作用，能夠非接觸、實(shí)時(shí)地測(cè)量多種關(guān)鍵參數(shù)，為工藝控制和優(yōu)化提供重要依據(jù)。以下是其在CMP中的主要測(cè)量對(duì)象及應(yīng)用場(chǎng)景：

1.介質(zhì)層薄膜厚度（氧化物如SiO2）：用于潛溝槽隔離和層間介質(zhì)層的平坦化控制；

2.低介電常數(shù)材料（Low-k）：檢測(cè)低機(jī)械強(qiáng)度介質(zhì)的拋光均勻性，避免碎裂或過(guò)拋；

3.氮化硅（Si3N4）：作為硬掩?；蛭g刻停止層，需精確控制其殘留厚度；

4.光學(xué)常數(shù)（n&k）：折射率（n）和消光系數(shù)（k），反應(yīng)材料的電子結(jié)構(gòu)、密度和化學(xué)狀態(tài)；

5.工藝均勻性映射：結(jié)合晶圓掃描，生成全晶圓的膜厚分布熱力圖，識(shí)別邊緣與中心不均勻性（如邊緣過(guò)拋），通過(guò)歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，優(yōu)化拋光壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，提升工藝穩(wěn)定性。

三、半導(dǎo)體行業(yè)CMP工藝的測(cè)量解決方案

1. 實(shí)物展示

方案一

橢圓偏振光譜法是一種物理測(cè)量方法，即使用橢偏儀（SE，如圖2）來(lái)獲取薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)。具有無(wú)損傷樣件、靈敏度高和量測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，可精確地表征介質(zhì)膜（如SiOx、SiNx等）、非晶硅（a-Si）、多晶硅（poly-Si）等單層或多層薄膜的膜厚及材料的光學(xué)特性（如折射率、組分、各向異性和均勻性），可通過(guò)測(cè)量CMP工藝的前值與后值來(lái)監(jiān)控減薄量工藝，是一種可以滿足以上量測(cè)需求的解決方案。

圖2 橢偏儀（SE）示意圖

方案二

反射膜厚儀利用反射干涉的原理進(jìn)行無(wú)損測(cè)量，操作簡(jiǎn)單，配置兼容多尺寸產(chǎn)品的多軸樣品臺(tái)和對(duì)位傳感器，可對(duì)樣片進(jìn)行對(duì)位和測(cè)量（EOF200，如圖3）。測(cè)量穩(wěn)定性高達(dá)0.02nm，測(cè)量時(shí)間只需一到二秒，可廣泛應(yīng)用于光阻、半導(dǎo)體材料、高分子材料等薄膜層的厚度測(cè)量，是一種滿足CMP量測(cè)需求的方案。

圖3 反射膜厚儀EOF200示意圖

2. 樣件膜層結(jié)構(gòu)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

（1）單層膜CMP減薄量測(cè)量（SE）

對(duì)硅基底單層BPSG膜層進(jìn)行橢偏建模測(cè)量，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 單層BPSG膜層結(jié)構(gòu)

對(duì)CMP工序前后值進(jìn)行測(cè)量，橢偏光譜擬合圖分別如圖5、圖6所示：

圖5 Si-BPSG前值橢偏光譜擬合

圖6 Si-BPSG后值橢偏光譜擬合

將減薄量與參考值對(duì)比，如圖7所示，兩者趨勢(shì)基本一致。

圖7 BPSG層CMP后減薄量對(duì)比數(shù)據(jù)

（2）多層膜CMP減薄量測(cè)量（SE）

對(duì)Si-SiO2-Poly進(jìn)行橢偏建模測(cè)量，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 Si-SiO2-Poly膜層結(jié)構(gòu)

對(duì)CMP工序前后值進(jìn)行測(cè)量Si-SiO2-Poly擬合結(jié)果分別如圖9、圖10所示，測(cè)量橢偏參數(shù)與仿真參數(shù)匹配度高，GOF>0.99。

圖9 Si-SiO2-Poly前值橢偏擬合光譜曲線

圖10 Si-SiO2-Poly后值橢偏擬合光譜曲線

將橢偏測(cè)量得到的減薄量與參考值對(duì)比，如圖11所示，兩者結(jié)果基本一致，且分布趨勢(shì)符合該CMP工藝特征。

（3）CMP清洗后測(cè)量（SE）

對(duì)CMP工序清洗后Si基底的單層介質(zhì)膜HDP進(jìn)行建模測(cè)量，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖12。

圖12 單層HDP膜層結(jié)構(gòu)

對(duì)CMP清洗后wafer進(jìn)行測(cè)量，結(jié)構(gòu)為Si-HDP，擬合結(jié)果如圖13所示，測(cè)量橢偏參數(shù)與仿真參數(shù)匹配度高，GOF>0.99。

圖13 單層HDP膜層結(jié)構(gòu)

將橢偏測(cè)量結(jié)果與參考值對(duì)比，如圖14所示，兩者趨勢(shì)一致，決定系數(shù)(R2)大于0.99。

圖14 HDP層量測(cè)結(jié)果與參考值對(duì)比數(shù)據(jù)

（4）單層膜CMP減薄量測(cè)量（SR）

對(duì)單層Si-SiNx進(jìn)行膜厚儀測(cè)量分析，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖15。

圖15 單層SiNx膜層結(jié)構(gòu)

使用膜厚儀測(cè)量CMP前后的反射率，并分析厚度計(jì)算差值可得到CMP減薄量，測(cè)量CMP前值反射率如圖16，測(cè)量CMP后值反射率如圖17，減薄量對(duì)比值如圖18。

圖16 CMP前反射率測(cè)量分析

圖17 CMP后反射率測(cè)量分析

圖18 SiNx層CMP后減薄量對(duì)比數(shù)據(jù)