椭偏仪在半导体CMP工艺量测的应用

椭偏仪在半导体CMP工艺量测的应用

一、半导体CMP工艺背景

芯片制造过程大致可以分为顶层设计、晶圆制造、封装测试三大步骤，晶圆制造过程尤为复杂。晶圆制造主要包括7大流程，分别是扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、化学机械抛光（Chemical-Mechanical Planarization，简称CMP）、金属化。不同特性芯片，工艺制程和技术节点要求也不同，这些工艺制程并不是按某单一顺序执行，而是选择性地重复进行。例如，每一片晶圆在生产过程中可能都会经历几道甚至几十道的CMP工序。

集成电路元件普遍采用多层立体布线，若未经平坦化处理，晶片表面起伏明显，如图1所示。同层金属薄膜由于厚度不均匀导致电阻值不同，引起电子迁移造成电路短路。晶圆表面起伏不平还会使光刻时无法准确对焦，导致线宽控制失效，严重限制布线层数，降低集成电路的使用性能。因此在CMP工序后，必须进行晶圆的测量和评估，以此来检查产品的合格率及不断优化工艺参数。

图1 CMP工艺平坦化效果

二、半导体CMP的量测意义

CMP工艺最重要的要求之一是确定何时停止抛光工艺，即终点检测（EPD）。它是用来确定研磨过程何时完成的，即何时达到预期的平坦度和厚度。过度抛光晶片将导致偏离目标膜厚度，从而降低器件性能或产量。另一方面，抛光不足的晶圆会导致返工并增加IC制造成本。因此，EPD对CMP工艺起着至关重要的作用。但EPD难度较大，成本较高，目前行业内大多采用离线厚度检测设备来调整CMP工艺，而离线厚度检测设备中，椭偏仪和膜厚仪占重要地位。

椭偏仪和膜厚仪在CMP工艺中，通过分析光与材料表面的相互作用，能够非接触、实时地测量多种关键参数，为工艺控制和优化提供重要依据。以下是其在CMP中的主要测量对象及应用场景：

1.介质层薄膜厚度（氧化物如SiO2）：用于潜沟槽隔离和层间介质层的平坦化控制；

2.低介电常数材料（Low-k）：检测低机械强度介质的抛光均匀性，避免碎裂或过抛；

3.氮化硅（Si3N4）：作为硬掩模或蚀刻停止层，需精确控制其残留厚度；

4.光学常数（n&k）：折射率（n）和消光系数（k），反应材料的电子结构、密度和化学状态；

5.工艺均匀性映射：结合晶圆扫描，生成全晶圆的膜厚分布热力图，识别边缘与中心不均匀性（如边缘过抛），通过历史数据对比，优化抛光压力、转速等参数，提升工艺稳定性。

三、半导体行业CMP工艺的测量解决方案

1. 实物展示

方案一

椭圆偏振光谱法是一种物理测量方法，即使用椭偏仪（SE，如图2）来获取薄膜的厚度和光学常数。具有无损伤样件、灵敏度高和量测速度快等优点，可精确地表征介质膜（如SiOx、SiNx等）、非晶硅（a-Si）、多晶硅（poly-Si）等单层或多层薄膜的膜厚及材料的光学特性（如折射率、组分、各向异性和均匀性），可通过测量CMP工艺的前值与后值来监控减薄量工艺，是一种可以满足以上量测需求的解决方案。

图2 椭偏仪（SE）示意图

方案二

反射膜厚仪利用反射干涉的原理进行无损测量，操作简单，配置兼容多尺寸产品的多轴样品台和对位传感器，可对样片进行对位和测量（EOF200，如图3）。测量稳定性高达0.02nm，测量时间只需一到二秒，可广泛应用于光阻、半导体材料、高分子材料等薄膜层的厚度测量，是一种满足CMP量测需求的方案。

图3 反射膜厚仪EOF200示意图

2. 样件膜层结构和实测数据

（1）单层膜CMP减薄量测量（SE）

对硅基底单层BPSG膜层进行椭偏建模测量，其结构示意图见图4。

图4 单层BPSG膜层结构

对CMP工序前后值进行测量，椭偏光谱拟合图分别如图5、图6所示：

图5 Si-BPSG前值椭偏光谱拟合

图6 Si-BPSG后值椭偏光谱拟合

将减薄量与参考值对比，如图7所示，两者趋势基本一致。

图7 BPSG层CMP后减薄量对比数据

（2）多层膜CMP减薄量测量（SE）

对Si-SiO2-Poly进行椭偏建模测量，其结构示意图见图8。

图8 Si-SiO2-Poly膜层结构

对CMP工序前后值进行测量Si-SiO2-Poly拟合结果分别如图9、图10所示，测量椭偏参数与仿真参数匹配度高，GOF>0.99。

图9 Si-SiO2-Poly前值椭偏拟合光谱曲线

图10 Si-SiO2-Poly后值椭偏拟合光谱曲线

将椭偏测量得到的减薄量与参考值对比，如图11所示，两者结果基本一致，且分布趋势符合该CMP工艺特征。

（3）CMP清洗后测量（SE）

对CMP工序清洗后Si基底的单层介质膜HDP进行建模测量，其结构示意图见图12。

图12 单层HDP膜层结构

对CMP清洗后wafer进行测量，结构为Si-HDP，拟合结果如图13所示，测量椭偏参数与仿真参数匹配度高，GOF>0.99。

图13 单层HDP膜层结构

将椭偏测量结果与参考值对比，如图14所示，两者趋势一致，决定系数(R2)大于0.99。

图14 HDP层量测结果与参考值对比数据

（4）单层膜CMP减薄量测量（SR）

对单层Si-SiNx进行膜厚仪测量分析，其结构示意图见图15。

图15 单层SiNx膜层结构

使用膜厚仪测量CMP前后的反射率，并分析厚度计算差值可得到CMP减薄量，测量CMP前值反射率如图16，测量CMP后值反射率如图17，减薄量对比值如图18。

图16 CMP前反射率测量分析

图17 CMP后反射率测量分析

图18 SiNx层CMP后减薄量对比数据