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铜化学机械抛光中的平坦性问题研究
李秀娟，金洙吉，苏建修，康仁科，郭东明
摘要：铜的化学机械抛光（Cu-CMP）技术是ULSI多层金属布线结构制备中不可缺少的平坦化工艺。Cu-CMP后硅片表面的蝶形、侵蚀等平坦性缺陷将降低铜线的最终厚度和增大电阻率，从而降低器件性能和可靠性。而且可能进一步影响硅片的面内非均匀性(WIWUN)，在多层布线中导致图案转移的不准确。本文介绍了对Cu-CMP平坦性的仿真、模拟和实验研究，并着重分析了碟形、侵蚀和WIWUN与抛光液、线宽和图案密度、抛光速度和载荷等相关参数的关系。
集成电路（IC）制造技术已经跨入0.13mm和300mm的时代。由于Cu比Al具有更低的电阻率、优越的抗电迁移特性和低的热敏感性，可以产生较小的RC延迟并能提高电路的可靠性[1,2]，已经被用做互连线的理想材料。目前的绝大多数铜布线处于0.18~0.13mm工艺阶段，约40%的逻辑电路生产线会用到铜布线工艺。据预测，到了0.1mm工艺阶段，则有90%的半导体生产线采用铜布线工艺。采用Cu-CMP的大马士革镶嵌工艺是目前唯一成熟和已经成功应用到IC制造中的铜图形化工艺[2]。为了得到准确的光刻图案，在多层布线立体结构中，要求保证每层全局平坦化，这是实现多层布线的关键。Cu-CMP能够兼顾硅晶片全局和局部平坦化。Cu-CMP的平坦性受到诸如CMP系统参数、硅片的铜线宽度和图案密度、抛光液氧化剂成分和浓度等因素的影响。对Cu-CMP过程中影响平坦性的因素进行研究，有助于提高工艺的成品率，降低成本，提高生产效率。
2 Cu-CMP中存在的主要平坦性
在Cu-CMP过程中，由于对具有不同抛光速率的材料同时抛光，导致了硅片表面的不平整。Cu-CMP后出现的两种缺陷，如图1(b)所示，其中一种缺陷称为碟形(Dishing)，即铜线内出现凹陷，用介质层与Cu线内的最低点之间的高度差表示大小。另一类缺陷就是侵蚀（Erosion），指在高图形密度区抛光后SiO2介质层被抛掉一部分，可用设计的介质层高度与实际高度的差值来表示。此外，硅片内不均匀性（With-in-wafer-non-uniformity简写WIWNU），是指硅片内不同芯片位置在抛光后出现的不均匀性，见图1(c)。随着硅片尺寸的不断增大，WIWNU更加突出。
3 平坦性的影响因素分析
抛光垫的变形是产生碟形的主要原因[3]。抛光垫的变形与梁的弯曲相类似，由于抛光垫是由高分子聚酯材料制成的，表面粗糙度比较大，凸起部分能够进入到Cu线凹陷的区域，并使Cu材料去除。碟形和侵蚀产生不仅与抛光过程参数如抛光压力、抛光垫与晶片间的相对速率、抛光粒子在抛光垫上的分布有关，而且与抛光液的种类、过抛(over-polishing)时间、氧化物浓度、图案密度和铜线宽以及铜的电镀过程等因素有关。
影响WIWNU的参数包括Cu-CMP过程变量、抛光垫传输抛光液的能力、抛光垫的状态、晶片夹持时的应力传递和分布，同时与抛光液粘度、背膜的厚度变化等有关。
可以看出影响Cu-CMP平坦性的因素比较多，而且各因素之间还存在着复杂的相互作用。对Cu-CMP平坦性的主要影响因素进行研究可以为Cu-CMP选择工艺参数提供依据，也是评判抛光液和抛光效率的主要手段。
4 平坦性的建模和实验研究
4.1 仿真和建模研究
由于Cu-CMP的影响因素多、过程复杂，在仿真研究过程中，主要考虑的参数有图案密度、线宽等图形参数及Cu-CMP系统参数（包括压力、转速和抛光液的供给等），通过计算芯片或者硅片表面的局部压力分布，采用适当的材料去除率，来计算出硅片表面碟形、侵蚀的数值，并为IC的设计提供依据[4,5]。
现有的Cu-CMP平坦性的仿真研究均采用分步抛光的方法模拟多材料抛光。其中，Tugbawa[4]的仿真计算包括3个独立过程：大量铜的去除，阻挡层去除和过抛。Ohta[5]给出了采用两步抛光法仿真模型：第一步采用正常抛光方法去除大量的铜，第二步采用有选择性的抛光方法去除剩余铜和阻挡层。关于抛光的材料去除率计算，一般是根据接触力学理论，先计算出芯片表面不同点的抛光压力，再利用Preston方程计算出材料的去除量。
Tugbawa综合铜的电镀模型和Cu-CMP模型进行了芯片尺度上的平坦性计算与仿真。在其计算中，将芯片分成40mm×40mm的小单元，通过计算每一个单元的平均、最大、最小线宽和线长以及每一个单元的线间隔，并同时计算局部图案密度，然后以这些参数作为电镀过程仿真的输入参数。之后，在Cu电镀仿真结果的基础上，以芯片上电镀后的Cu膜的拓扑形貌结果和CMP过程参数如载荷、抛光盘转速、抛光液的供给等为参数，计算出Cu-CMP的碟形和侵蚀。
Kao等人[6]通过研究，给出了控制表面平坦性的半经验Cu-CMP公式，并给出了抛光速率与H2O2浓度的关系，见图2。其结论是：在C@浓度下进行抛光时，抛光速率对氧化剂的浓度比较敏感，将会引起抛光速率的不稳定，并导致WIWNU。Kao等人首先根据氧化剂浓度对抛光速率的影响，对Preston方程进行了修正，见式(1)。
式中C、C*、Co为与浓度相关的参数，P和V分别代表载荷和速度。
再根据碟形与压力P和速度V间的数据拟合得到碟形数值表达式
设材料去除率对氧化物浓度的导数为材料去除率对氧化剂含量的敏感性，综合推导出当满足方程式(3)时能够获得比较好的抛光速率和较低的碟形
最后，结合CMP的系统参数，给出了描述碟形的线性方程，通过分析并考虑抛光过程参数（压力）对碟形的影响，给出了CMP稳定操作的范围，见图3。
4.2 实验研究
Cu-CMP中，抛光液应在Cu表面具有足够的氧化速度以保证材料去除率，同时对Cu的腐蚀要在一定的范围内，以保证CMP的拓扑选择 (比较高的区域先被抛掉)。Nyuyen[3]给出了抛光液中氧化剂H2O2的浓度对碟形影响的实验结果（图4），可见蝶形随氧化剂浓度增加而减少。可以认为随着氧化剂浓度增高，Cu表面的钝化膜将增厚，钝化膜降低了在铜线内凹的区域Cu材料的去除率。此外，不同的氧化剂的成分对碟形和表面平坦性也有影响[6,7]。可见，Cu-CMP既与氧化剂种类也与氧化剂的浓度有关。
Stavreza[8]给出了图案密度和线宽对侵蚀的影响，见图5，其中，图案因素为铜线宽与线间距的比值。可见侵蚀与图案密度有密切的关系。SiO2介质的侵蚀在相同图案密度的情况下，随着线宽的减少而增加。而且碟形也受到侵蚀的影响，随着图案因素增加和侵蚀的增加，碟形减低。Serita[9]等人对线间距变化而图案密度保持50%的情况进行了实验研究，认为侵蚀与小的线间隔有关，并认为侵蚀仅在特征尺寸小于0.35μm和0.25μm时才有影响。
碟形和侵蚀均受到过抛的影响。Stavreza[8,10,11]采用PresiMecapol E460抛光机研究了不同线宽情况下过抛对碟形的影响。从图6可见，随着过抛时间的增加，产生的碟形深度增加，过抛严重影响抛光的平坦性效果。
Stavreza[10]研究了不同压力(10.9~32.8kPa)以及不同的晶片在抛光垫相对速度在24.3~105.5cm/s时的硅片平坦性，结果见图7和图8。可以认为低速抛光将导致WIWUN增大。文献[12]的研究表明，采用Fe(NO3)3抛光液可以获得较高的抛光率和选择性，但均匀性不好；采用H2O2抛光液可以获得比较好的均匀性。
5 保证平坦性采取的措施
通过以上的研究和分析可以总结出如下应采取的措施：
(1)选择合适的抛光垫，目前认为采用硬质抛光垫能够有效地减少碟形，但是实验研究表明硬抛光垫使WIWUN增大；
(2)适当的抛光垫修整，随着抛光垫使用时间的增长，抛光垫的液体输送能力降低，致使抛光液在硅片上分布不均匀，导致WIWUN增大；
(3)对于大尺寸的硅片，通过背压调整来补偿抛光材料去除率从中心到边缘的不均匀变化 ；
(4)一般通过改变抛光垫与硅片之间的相对速度来调整抛光液在抛光垫上的分布。
此外，增加终点检测的研究，以便于在工业生产过程中实现在线多点测量，实现全局平坦性的监测。为提高Cu-CMP的表面平坦性，必须对CMP的材料去除机理和多因素的相互关系进行系统深入的研究，从而建立更完善的Cu-CMP工艺，减少CMP工艺中的碟形、锓蚀等缺陷。
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作者简介：
李秀娟 （1974-），女，大连理工大学博士后,从事硅片超精密加工及特种加工研究；
金洙吉 （1967-），男,副教授，博士,从事硅片超精密加工及特种加工研究；
苏建修 (1963-),男，副教授,从事硅片超精密加工及特种加工研究。
大直径硅晶片化学机械抛光及其终点检测技术的研究与应用
罗余庆，康仁科，郭东明，金洙吉
摘要：化学机械抛光是硅片全局平坦化的核心技术，然而在实用阶段上，这项技术还受限于一些制造系统整合上的问题，其中有效的终点检测系统是影响抛光成效的重要关键。若未能有效地监测抛光运作，便无法避免硅片产生抛光过度或不足的缺陷。本文在介绍CMP机制与应用的基础上，系统分析了CMP终点检测技术的研究现状及存在的问题。
近年来，随着半导体产业的迅速发展，半导体晶片不断地朝小体积、高电路密集度、快速、低耗电方向发展，集成电路现已进入ULSI亚微米级的技术阶段。同时硅晶片直径逐渐增大，据美国半导体工业协会（SIA）的微电子技术发展蓝图，到2005年，直径300mm硅片将成为主流产品，到2008年，将开始使用直径450mm（18 in）硅片。元件内刻线宽度也由0.18μm缩减至0.13μm，金属层数由5～6层向更多层数的目标迈进，因此硅晶片表面平整度要求将日趋严格。以在ULSI元件制造技术上处于领先地位的DRAM chip为例，其逻辑IC的技术发展趋势如表1所示。
由于金属层数增加，要在大直径硅片上实现多层布线结构，刻蚀要求每一层都应具有很高的全局平整度，即要求对多层布线互连结构中凹凸不平的绝缘体、导体、层间介质（ILD）、镶嵌金属（如Al，Cu）、浅沟槽隔离（STI）、硅氧化物、多晶硅等进行平整化，这是实现大规模集成电路立体化结构的关键。在众多的平整化技术中，化学机械抛光（CMP）是目前唯一能获得全局平面化效果的平整化技术，因此，在当前最尖端的半导体科技中，CMP已经成为众所瞩目的核心技术。
CMP是IBM公司于1985年发展CMOS产品时研发成功的一项新技术，并在1990年成功应用于64MB的DRAM生产中。1995年以后，CMP技术得到了快速发展，大量应用于半导体产业。CMP的研究开发工作过去主要以美国半导体制造技术联合会（SEMATECH）为主，现在已扩展到全球。欧洲联合体JESSI、法国研究公司LETI和CNET、德国FRAUDHOFER研究所、日本荏原制作所等也相继加入。我国台湾和韩国也在CMP方面研究较多，但国内对这方面的研究甚少。目前，国内已启动“909工程”等重大建设项目以鼓励半导体产业加工技术的基础性研究，作为半导体制造工艺中的关键技术，CMP在未来几年必将成为研究的热点课题和发展的焦点[1~3]。
2 硅晶片CMP的机制及其应用
随着IC元件逐渐采用小尺寸、高聚集化的多层立体布线后，光刻工艺中对解析度和焦点深度（即景深）的限制越来越高，因此对硅片的表面平整度有较高的要求，特别当产品需要三层或四层以上的金属层时，对平坦化技术的需求更显得重要。因为要在凹凸不平的表面上同时在凹处及凸处进行聚焦是十分困难的，再加上后期制造时每层电路间的连接也需要相当程度的平整度，否则电路将无法顺利接通。所以在IC制造追求结构微细化、薄膜化和布线立体化的趋势下，硅片的化学机械抛光无疑是不可或缺的关键技术。
硅片CMP机台整个系统由一个旋转的硅片夹持器、承载抛光垫的工作台和抛光液输送装置三大部分组成。化学机械抛光时，旋转的工件以一定的压力压在旋转的抛光垫上，由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在硅片与抛光垫之间流动，抛光液在抛光垫的传输和旋转离心力的作用下，均匀分布其上，在硅片和抛光垫之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与硅片产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从硅片表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中实现超精密表面加工，从而达到平坦化的目的[4]。CMP可以用下列Preston方程式来表示
式中，H为图形凸出部分的高度；t为抛光时间，L为压力；A为接触面积；s为相对位移量；Kp为Preston常数（机器性能参数）。由上式可见，硅片表面的去除速率与硅片和抛光垫的相对速度及抛光压力成正比。在抛光过程中，除了机构参数及抛光垫特性的影响外，抛光区域温度及抛光液中磨料颗粒大小、粘度、溶液pH值等参数均会对平坦化效果造成重要影响。一般而言，当硅片和抛光垫表面的相对速度、压力及抛光液供应稳定时，硅片会被均匀的抛光。
在硅晶片前半制程的多层循环布线中要反复使用到化学机械抛光。大量的研究表明，CMP不仅是单晶硅片获得纳米级超光滑无损伤表面的最佳方法，也是ULSI芯片多层布线中不可替代的层间平坦化方法。它在集成电路制造中的应用主要集中在以下几个方面。
⑴氧化硅薄膜的CMP。氧化硅多应用于做绝缘膜或隔离层，因此氧化硅层的平整度将影响往后数层的制造、导线的连接及定位的工作。通常氧化硅层多以CVD（化学汽相沉积）的方法沉积，因此会有过多的堆积层需要以CMP的方式去除，此过程没有明显的停止终点，以去除薄膜的厚度为标准，只需达到平整度要求即可，如图1所示。
⑵层间绝缘膜的CMP。在层间绝缘膜的平整化方面，抛光对象有电浆辅助化学汽相沉积膜、硼磷硅玻璃及热氧化膜等。每一种对象的CMP抛光条件都随着抛光液种类、抛光压力与抛光时间而有所不同。在对不同特性的绝缘膜抛光时，大多以监测抛光终点来判定完成与否，如图2所示。
⑶浅沟槽隔离的CMP。在硅晶片上经蚀刻形成沟槽后，利用CVD方式沉积氧化硅膜，再用CMP去除未埋入沟槽中的氧化硅膜，并以抛光速度相对缓慢的（如氮化硅膜）作为CMP的抛光停止层即终点，此时沟槽内的氧化硅即成为电路中的绝缘体膜，如图3所示。
⑷多晶硅的CMP。此为将STI过程的沟槽加深，以CVD方式沉积氧化硅或氮化硅后，再以多晶硅作为堆积材料，用CMP去除深沟外多余的多晶硅，并以在硅晶片上及沟槽内长成的氧化硅或氮化硅膜作为CMP的抛光停止层即终点，此方法常见于沟槽电容的制造过程中，如图4所示。
⑸金属膜的CMP。在半导体工艺中常用作导线的金属有铝、钨、铜，CMP除了能将金属导线平整化以外，还能制作（两层电路）导线间连接的“接触窗”，即在两层电路间的绝缘膜上蚀刻出接触窗的凹槽，再以CVD方式将用作导线材料的金属沉积其中，最后再以CMP去除多余的金属层。此法即为IBM公司的镶嵌法，如图5所示。因为由抛光垫所施加的压力对硅片上凸出处作用较大，因此按照导线密度及大小的不同，硅片受抛光的程度也有差异。也就是说，大区域绝缘层在一般情况下作为抛光停止层的效果颇佳，但在金属导线密度高的部分因绝缘膜层所占的面积小而容易产生过度抛光的现象，这是当前CMP领域急待解决的一大问题[5]。
3 终点检测技术及其特点
要提高CMP技术的稳定性和生产率，实现对CMP的自动化控制，对于抛光终点的监测，绝对是必须具备的一项技术[6]。CMP是在硅片的表面上，从其凸部开始均匀地一步步少量去除，使之平整，经过平整化后的硅片上所残留程度不一的薄膜厚度需要高精度地加以控制，若未能有效地监测CMP运作，便无法避免硅片产生抛光过度或不足的情况。因此，对于硅片CMP终点检测是绝对必要的。
在硅晶片前半制程的CMP中，所谓的过程终点是当介电层上的沉积薄膜被完全地移除，只留下填充在介电层孔中的沉积物。
3.1 基于时间的离线终点检测技术
基于时间的离线终点检测技术是目前国内各大半导体元件制造厂如首钢日电电子有限公司、有研半导体材料有限公司等所使用的主流技术。其检测抛光终点的方法，大多依照不同产品的需求，以预先决定去除量再控制抛光时间的方式来决定抛光终点，通常采取对试片或制品先行片进行预先实验抛光，在加工装置外进行离线评估之后，取得抛光时间及抛光速度的关系，再依此来进行产品的CMP平整化。
离线终点检测具有易于实施、操作性较强等优点，但是每道CMP工序的抛光时间会随着抛光对象、环境等因素的不同有所变化。因为抛光对象下方底层的导线金属图案的形状、堆积的比例、元件的种类以及工艺过程不同，在CMP时会产生各种各样的差异。例如层间绝缘膜的表面会随着电路图案结构的凹凸、尺寸大小、位置分布、高度与密集程度的不同而变化，导致抛光时间产生变化。另外，抛光垫材料、抛光垫温度分布、抛光液种类及硅片的加压方法也会对CMP的效果与时间有所影响[7]。
基于时间的离线终点检测不能有效避免抛光不足或过度抛光的产生，在离线检测时还容易对抛光处理后的硅片表面造成损伤、刮伤和污染，而且耗费时间长，生产率低，导致硅片的产量减少，成本提高，所以这种终点检测技术主要在直径≤200mm硅片的加工中应用，但已不能满足当前大直径硅晶片自动化加工的需要[8]。
3.2 实时在线终点检测技术
硅片CMP的实时在线终点检测一直是半导体产业关注的焦点。在CMP过程中，由于硅片表面完全向下靠在抛光垫上，使得对硅片光的在线实时监测非常困难，而且确立此技术必须考虑抛光过程的可重复性，排除抛光液、机械振动等干扰因素的影响。此外，为了便于采集处理信号，抛光用的抛光垫及抛光液的最优化处理也是必要的。
1991年美国Micron Technology公司的Sandhu.S和Laurence D等人提出了利用抛光头或抛光机台驱动电机电流信号变化实现抛光终点在线检测的方法 [9]。与基于时间的离线终点检测相比较，在线终点检测能够更好地控制硅片薄膜厚度变化，减少重复操作，实现CMP的自动化操作，从而提高抛光设备利用率和产量，同时避免了STI、多晶硅和金属等抛光过程中产生的各种缺陷，减少IC设备的密度分布缺陷，降低不均匀性，并最终使半导体设备的稳定性和可靠性得到提高。
4 终点检测技术的研究和应用
迄今为止，国外各研究机构和生产厂商针对硅片化学机械抛光中的在线实时终点检测技术（EPD）进行了一系列研究工作，提出了基于光学、电学、声学或振动、热学、摩擦力、化学或电化学原理的监测方式，主要方法是通过监测驱动电机电流变化、声发射信号、抛光垫温度变化、抛光液中离子浓度变化等来实现。
4.1 基于驱动电机电流变化的终点检测
美国微米半导体技术公司的Sandhu S和Laurence D等人提出了利用抛光头或抛光机台驱动电机电流信号变化实现抛光终点在线检测的方法，其结构如图6所示。此方法的原理是当硅晶片抛光达到终点时，抛光垫接触的薄膜材料不同，导致硅片与抛光垫之间的摩擦系数发生显著变化，例如硅片上多晶硅膜被去除，下方底层抛光速度相对缓慢的氮化硅膜露出，晶片与抛光垫之间的摩擦力发生变化，从而使抛光头或抛光机台回转扭力变化，其驱动电机的电流也随之变化，因此由安装在抛光头和抛光机台上的传感器监测驱动电机电流变化可推知是否达到抛光终点。
这种方法适用于摩擦系数变化大的金属膜抛光和多晶硅抛光过程中，不适用于以去除薄膜厚度为抛光终点的氧化硅抛光。
4.2 基于声发射信号的终点检测
利用声发射AE信号来监测CMP抛光终点是由美国California Berkeley University的Jianshe Tang[10]等人所提出的一种新方法，其结构如图7所示。CMP实际上是化学反应和抛光液中研磨粒自由磨削加工的综合作用，其中的机械磨削作用就是AE信号发生源。研究表明声发射信号与CMP中的材料去除过程密切相关，在抛光薄膜层材料变化时，会产生剧烈变化，从而判定达到抛光终点。
AE传感器在CMP的材料去除范围内（1～10nm之间）具有很高的灵敏度，并且在此区间内AE信号具有高信噪比，易于采集，可使用装设在CMP机台上的AE传感器直接监测硅片抛光时的AE讯号，并使用快速傅里叶转换法（FFT）将AE讯号转换成频谱而加以解析。从监测硅片表面情况与频谱间两者的关系，归纳出硅片抛光时产生的各种频谱所代表的意义，进而设计出一套实时在线CMP终点检测系统。
利用声发射信号进行终点检测不适用于没有材料层变化的抛光过程，因为无法通过AE传感器撷取剧烈的信号变化来判断抛光终点。
4.3 基于抛光垫温度变化的终点检测
在CMP在线终点检测的研究中，日本荏原制作所（EBARA）的Hsi-chieh Chen等人根据硅片和抛光垫之间的运动方式，开发出通过检测抛光垫温度分布监控CMP过程的试验模型[11]。该实验模型装置如图8所示，它可用来预测抛光垫的温度分布，清楚地了解硅片表面的抛光情况。
为了得到清晰的温度信号，需要对抛光液种类和抛光垫材料进行最优化处理。图9是对5组抛光垫与抛光液组合进行的实验分析。由图可知，当抛光层变化时，抛光垫温度随之发生剧烈变化，采用不同的抛光垫与抛光液，所发生的变化程度不同。为了便于分析判断，要求信号变化效果越大越好。
此种方法不仅可以监测硅晶片上被抛光材料的变化，还可检测抛光垫的损耗状态、硅片抛光表面平整度，但它受限于温度信号不易提取，抛光垫上的温度信号很容易受到机械噪音的干扰影响，由于存在抛光液等因素，温度值也不容易测量，所以利用抛光垫温度变化进行终点检测尚需进一步的研究。
4.4 基于光学分光反射率的终点检测
利用光学方法进行实时终点检测是目前最具发展前景的在线监测技术，各大CMP设备厂商投入许多人力、物力开展此研究。该技术应用领域广阔，大多绝缘膜或Poly Si抛光后的薄膜厚度测量都可利用分光反射率进行测定。同时，由于能量比Si的能带隙低的光（如红外光IR）能穿透硅晶片，因此也可以在晶片里做光学测定，其测量精度可达0.1nm。所以对于CMP的EPD，它将是一种很好的检测方法。
美国Applied Materials公司的Raymond R.Jin等人[12]设计了一套新的在线终点检测系统，它采用安装在机台上的特定设备来采集光学信号，光学信号与被抛光薄膜厚度的变化相关联，当所要求的薄膜厚度被去除后，机台自动停止抛光。他们还专门为此系统开发了新的光学信号模式识别算法，通过信号处理来确保检测的成功率。
另外，基于抛光液离子浓度变化的终点检测和基于机械力学信号测量的终点检测也是当前CMP在线监测的热点，限于篇幅，这里就不再详细介绍了。硅片化学机械抛光的过程终点可以同时利用这几种方法或单一方法准确地判断出来。
在CMP抛光过程中所撷取的各类信号混有大量的干扰噪音，对其中的有用信号进行处理前必须对噪音进行滤除，将有用信号提炼出来，而且实时终点检测系统还需对机构系统参数进行分析、对CMP抛光过程进行模拟与仿真，建立敏感、稳定的信号观测机制，藉助CMP仿真机台与半导体工业级CMP机台实际撷取的信号数据及实际抛光成品测试的反馈资料，验证出所规划与建立系统的实用与可靠性[13]。
目前，上述各项技术真正运用于工业生产实践，开发成产品的，只有基于驱动电机电流变化的终点检测技术，其他技术都还处于实验室论证阶段，未应用于实际生产，其原因是大部分方法需要对抛光机台进行外型和管线上的修改，有些则只能安装在特定形式的机台上，同时还存在监测系统测量精度低，信号处理过于复杂和可靠性差等缺限。
大直径硅晶片化学机械抛光及其实时终点检测是很有发展前景的项目。目前，国内还没有开展自己的研究，生产硅片的厂商也大都使用国外进口产品。因此，我们应将硅片化学机械抛光及其在线终点检测作为重点研究方向，开发出具有自主知识产权和专利的产品，努力赶超国际先进水平。
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作者简介：
罗余庆（1977-），男，大连理工大学机械学院博士研究生。主要研究方向为超精密加工技术，加工过程的检测与计算机仿真；
康仁科（1962-），男，大连理工大学机械学院教授，博士生导师。主要研究领域为精密与超精密加工技术，特种和复合加工技术，半导体制造技术与设备，高速加工技术，计算机辅助制造；
郭东明（1959-），男，大连理工大学副校长，大连理工大学机械学院教授，博士生导师。主要研究领域为非传统与精密加工技术，数字化设计与制造技术，快速成型制造技术，计算机辅助测量、设计和制造。
金洙吉（1967-），男，博士，大连理工大学机械学院副教授，主要研究领域为精密与超精密加工技术、特种和复合加工技术、快速成型制造及快速制模。
化学机械抛光中的硅片夹持技术
孙禹辉，康仁科，郭东明，金洙吉，苏建修
摘要：目前半导体制造技术已经进入0.13mm时代，化学机械抛光（CMP）已经成为IC制造中不可缺少的技术。本文描述了下一代IC对大尺寸硅片（≥300mm）局部和全局平坦化精度的要求，介绍了目前工业发达国家在化学机械抛光加工中硅片夹持技术方面的研究现状，分析了当前硅片夹持技术中存在的问题，并指出了未来大尺寸硅片超精密平坦化加工中夹持与定位技术的发展趋势。
集成电路（IC）制造是电子信息产业的核心，是推动国民经济和社会信息化发展最主要的高新技术之一。发达国家国民经济总产值增长部分的65%与IC工业相关，而全球90%以上的IC都要采用硅片。IC的发展遵循“Moore定律”，每隔3年芯片的集成度翻两番，特征尺寸缩小1/3。目前，已由超大规模集成电路（ULSI）向巨大规模集成电路（GLSI）发展。下一代IC使用300mm直径硅片和0.1mm线宽生产技术，要求硅片的夹持定位精度在30mm2区域内为±0.05mm。按照美国微电子技术协会预测的发展构图，到2009年将开始使用450mm硅片，实现特征线宽0.05mm的生产技术[1,2]。
随着硅片尺寸的增大以及特征线宽的减小，作为目前硅片超精密平整化加工的主要手段――化学机械抛光技术面临着新的挑战：一方面，要求经过化学机械抛光工艺加工出的硅片，达到亚纳米级表面粗糙度；另一方面为了提高硅片利用率，增加芯片产量，还要求在除距硅片边缘1mm区域以外的整个硅片表面达到亚微米级面型精度。要达到上述这些要求，化学机械抛光机床的硅片夹持系统对保证硅片的加工精度具有至关重要的作用。硅片夹持系统的作用不仅包括在加工中带动硅片运动，还要将加工所需要的工作载荷作用在硅片上，并保证硅片在加工载荷的作用下不会发生翘曲变形。因此，改善硅片夹持系统的性能对提高最终硅片产品的质量有重要意义。
2 硅片CMP中的硅片夹持方法
由于化学机械抛光中材料去除量很少，一般只有几微米，因此，化学机械抛光的材料去除力较小，对夹持系统的吸附力强度要求不高，但要求有较高的平整度。针对这种要求，目前在化学机械抛光中主要使用的夹持方法有石蜡粘结、水的表面张力吸附、多孔陶瓷式真空吸盘、静电吸盘和薄膜式真空吸盘吸附等方法。
2.1 机械夹持与石蜡粘结方法
早期的硅片固定方法有机械式夹钳和石蜡粘结等。最早使用的是机械式活动夹钳，加工前先用夹钳将硅片固定，待加工结束后将其松开[3]。因为机械夹持方法容易使硅片发生翘曲变形或者损坏硅片的边缘区域，所以目前已经很少使用。
石蜡粘结方法是另一种使用较早的方法。以用黄蜡进行粘结为例，先将硅片放置在夹具上的规定位置，先加热，然后将熔化的粘结剂渗入到硅片与夹具之间，并且仅供给不使硅片浮起的必要量，然后在工件上进行加压，使石蜡将硅片平整的固定在基板上。为保证硅片粘结的可靠性，需要对粘结剂进行熔化过滤以清除杂质[4]。这种方法的优点在于粘结时石蜡比较柔软，硅片一般不会发生变形，比其它一些加工方法的残余变形小，如果将石蜡的厚度做得非常均匀，可达到很高的抛光精度。缺点是石蜡的加热、粘结、剥离及清洗很费时，效率不高，所使用的粘结剂和溶剂对硅片洁净度也有很大影响，而且难于实现石蜡层的均匀分布以及去除石蜡中所包含的气泡。
2.2 水表面张力吸附夹持方法
利用水的张力进行夹持的方法与用石蜡进行粘结类似，是将网状泡沫聚氨酯布粘贴在不锈钢基板表面，并利用泡沫聚氨酯表面的水将硅片吸住，见图1。为防止硅片在抛光时脱落和滑动，用多孔挡板进行定位和导向，在去离子水中将硅片放置在夹具的规定位置，使硅片与基板紧密结合，然后将夹具放在干燥皿中，直至水形成分子膜，整个过程约需24h。形成水分子膜后，用熔化的沥青或石蜡等油性物质在硅片的外周隔离，进行防水处理，然后可对硅片进行抛光加工。这种方式的优点是夹持精度比较高，可以达到0.1mm；缺点是效率低，而且防水层一旦破裂，会造成吸附失效，发生碎片。
2.3 静电吸盘夹持方法
为满足对硅片的高精度夹持和定位，70年代Wardly[5]首先将静电吸盘应用在硅片的夹持中，见图2。因为其存在很多优点，从那时起很多研究人员投入到静电吸盘的研究中，目前静电吸盘的形式很多，大致可以分为两个类型：一种是硅片本身也通上高压，称作“平板电容式静电吸盘”；另一种不对硅片直接加压，称为“整体电极式静电吸盘”，后者吸力比较小，但硅片无需通电。静电吸盘主要在化学汽相沉积等真空环境下使用，也可用于硅片的化学机械抛光加工。
在最新的研究中，Asano和Watanabe[6]研究了静电吸盘电压和吸力之间的关系。随着电压增大和介质层变薄，吸力将会逐渐增大，对于100mm硅片，吸力可达17N。Kalkowski 和Risse[7]认为，静电吸盘的优点在于作用力在吸盘上的变化比较平缓，不会产生应力集中，也不会导致硅片在吸盘表面发生超过100mm的变形。由于静电吸盘与硅片的边缘不是直接接触，避免了对硅片边缘的损坏和金属污染。这种吸盘的缺点是吸附力较小，夹持精度较低。
2.4 真空吸盘夹持方法
目前在CMP加工中使用最广泛的硅片夹持方法是真空吸盘，见图3。真空吸盘顾名思义就是采用了真空原理，利用真空负压来“吸附”工件以达到夹持硅片的目的。在抛光过程中，通过真空吸盘将工作压力作用在硅片表面，吸盘上的保持环保证硅片与吸盘之间不会产生相对运动。除了普通的多孔陶瓷式真空吸盘，美国的Bendfeldt 和Schulz研究了带有沟槽的真空吸盘。这种吸盘在100mm的硅片面积上其吸力可达50N，其中沟槽的面积占总面积的5%，如果扩大吸附面积的比例，最大可获得140N的吸力，表明了增大吸附面积可使吸附力变大。Heyderman和Schift[8]研究了这种真空吸盘表面所使用的聚合物的粒度与吸力的关系。但是通过对加工后硅片表面形态的分析，沟槽式吸盘对硅片面型精度的影响比多孔陶瓷吸盘要大，鉴于未来大尺寸硅片加工精度的要求，这种吸盘还有待改进。
3 研究现状与发展趋势
因为真空吸盘具有高效率、无污染、定位精度高等优点，所以目前的研究工作也主要集中在对这种吸盘的改进与提高上。
目前CMP加工所面临的主要问题是随着硅片尺寸的不断增大，其表面厚度变化误差值(TTV)也随之增加。整体厚度误差产生的原因比较复杂，其中主要的影响因素有抛光压力和抛光液的分布不均、抛光垫的局部磨损较快以及硅片与抛光垫之间的相对速度不一致等。这些影响因素中，工作载荷分布不均匀在其中影响最大。从当前的国外研究来看，解决工作载荷分布不均匀这一问题主要通过设计特殊结构努力使载荷分布完全均匀和采用补偿性多区域压力调整技术。
3.1 载荷分布完全均匀化夹持系统
这种思想是通过改进真空吸盘的结构，使作用在硅片上的载荷尽可能地均匀。其倡导者以Lap master公司和Micron Technology公司为代表，其中Micron Technology 公司的Leland F.Gotcher设计的吸盘在支撑薄膜的基盘中设计了一个空腔，其中充满空气，下压力首先作用在该腔上，压力通过该腔传到硅片表面，这样硅片的受力会比较均匀，还可以减少吸盘主轴与工作台之间的垂直度误差。Lapmaster公司在新一代吸盘的基盘空腔内使用一种专用的凝胶，其作用与Micron Technology 公司的压缩空气相同，效果也非常理想。
日本的Une 和 Kunyoo[9]采用和上述两家公司相同的设计思想，创造性地提出了一种新型的真空吸盘，如图4所示，这种真空吸盘表面不用多孔陶瓷而是用均匀分布的氧化铝圆柱销，每个圆柱的直径为0.2mm,相邻的两个圆柱间的距离也是0.2mm。镀了碳化硅的圆柱销表面的粗糙度Ry&0.03mm,比单纯使用氧化铝材料小了三分之一。吸盘光滑的圆柱端部防止了接触时对硅片造成划伤，也减少了灰尘的粘附。实验证明，这种真空吸盘的平坦化效果比传统的吸盘高几倍，这样高的平整能力来自于其巨大的吸附面积。通过有限元分析计算得知，该吸盘可以将一片翘曲达360mm的硅片纠正到几十个微米。Sakamoto[10]等人的设计与该吸盘类似，但他们使用的圆柱销尺寸更大而数量较少，在圆柱销上加了弹性圈，防止了圆柱销对硅片的划伤。
日本Tokyo Seimitsu公司应用气压控制技术开发了气浮式硅片夹盘，不需要高精度的平整背衬，通过在夹盘中形成的气垫支撑硅片背面，以保证抛光过程中均匀的压力分布。
上述几种吸盘在设计思想上都是追求载荷分布的完全均匀，这对于中小尺寸的硅片加工是比较实用的。
3.2 多区域压力调整夹持系统
既然化学机械抛光的机床结构和其他因素造成了硅片材料去除的不均匀，很自然的可以想到通过调整加工中吸盘对硅片的压力来进行修正，使材料的去除量变得均匀，从而提高硅片的表面平整度。基于这种考虑，研究人员提出了一种硅片夹持新技术――区域压力调整技术。
对于小尺寸硅片和前道化学机械抛光工艺而言，采取区域压力调整的效果可能不是十分明显。但是，随着硅片尺寸的不断增大，例如直径为300mm的硅片，由于材料去除率的不均匀性十分明显，以及后道化学机械抛光工艺的特殊要求，区域压力调整技术将成为提高硅片平整度的重要措施。
这种技术主要是针对在化学机械抛光加工中硅片材料去除的不均匀性(如边缘效应等)，在支撑硅片的基盘背面的不同区域采用不同的压力，加大对去除量小的区域的压力，来获得面型更加一致的硅片。这项技术不仅可以修正由于压力分布不均匀造成的误差，而且可以补偿由于抛光时中心区域抛光液缺乏造成的材料去除率不均匀。
Strasbaugh和Applied Materials公司的吸盘是这种夹持技术发展趋势的代表，图5为Strasbaugh公司的设计夹持系统。SpeedFam-IPEC公司的设计对此功能作了进一步的完善。首先测量待加工硅片的形貌和厚度，然后根据成品的要求，确定每个区域的材料去除量，从而计算各区域应该施加的压力。根据各区域的尺寸对压力曲线进行优化，然而，由于各区域的压力随着时间不断变化，这就使得要完全满足各区域的压力要求，必须对各区域的压力进行时时在线调整，但目前还没有这方面的报道。
采用区域压力调整技术做到根据不同区域材料的去除量进行压力补偿是吸盘设计者的追求目标，但目前要实现这个目标还存在一些问题：
（1）缺乏一个准确的压力与材料去除率的关系模型，无法通过压力进行精确的补偿。目前的材料去除率模型虽然按硅片与抛光垫的接触性质进行了划分，但缺乏一个明确的判定依据，使用者无法从加工参数上了解当前硅片与抛光垫之间的接触性质，并选择合适的预测模型。同时，每一种接触形态的材料去除率预测模型都不够成熟，无法精确地得到工作压力与材料去除率之间的对应关系，几乎每个模型都是针对特定的设备和加工条件得到的，不具有通用性。
（2）区域压力调整只能划分有限的2~4个区域，加工时是用有限的几条直线段来拟和压力曲线，这必然存在着误差，而增加区域数量必将加大吸盘的结构复杂性和成本。
（3）因为吸盘上与硅片接触的薄膜是弹性的，而不同区域所要施加的补偿量很小，因此精确地将大小不同加工压力作用在硅片表面的各区域上很困难。
在工作压力与材料去除率之间对应关系的模型建立方面，Cook和 Yu [11,12]等人提出了薄膜与硅片的接触模型，Luo和Dornfeld基于化学机械抛光中两实体接触的磨损机理细致地研究了材料去除率的影响因素。台湾国立大学一些研究人员对加工中吸盘和薄膜变形进行了有限元分析。这些相关研究为进一步研究和优化吸盘的区域背压调整功能提供了理论依据。
3.3 其他一些新出现的夹持系统改进设计
另外还有很多新技术和装置有助于提高夹持的平整效果和自动化程度。例如(1)Thomas H. Osterheld[13,14]等人研究了在对定位环施加不同压力的情况下，对硅片的抛光效率和抛光质量的影响。试验表明，采用该方法平均可以减小整体厚度变化30%。他们提出定位环的压力可以成为加工中的一项参数，实现针对不同加工要求施加不同压力，避免硅片边缘的过抛现象。(2)美国Rodel公司的Lee Melbourne发明了薄膜防静电装置，可以防止静电使薄膜吸附灰尘。(3)Strasbaugh公司的VIPRR-X吸盘采用活塞伸缩的方式进行硅片的安装与拆卸，另外，他们的吸盘还使用了压力传感器来检测硅片是否已经安放好，避免了因为硅片安装不当造成的碎片，提高了加工效率。(4)Zuniga和Steven[15]在2002年设计的检测系统不仅可以检测硅片是否放好还可以检测加工中薄膜与硅片之间是否有水进入，可以监测加工过程是否正常。
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