CMP 流程监控和端点检测
实时测量金属膜厚度，实现精确的平面化控制
化学机械平坦化（CMP）是现代半导体制造中不可或缺的工艺，可实现先进技术节点上多层互连结构所需的全局平坦化。
由于器件几何尺寸缩小到 10 纳米以下，互连层超过 20 层，在 CMP 过程中精确控制材料去除已成为实现可接受产量和器件性能的关键。
传统的基于时间的抛光和光学端点检测方法难以满足铜和阻挡层金属 CMP 的要求，在这种情况下，严格控制抛光、侵蚀和晶圆内的均匀性至关重要。
原位涡流传感提供了一种直接、非接触式的方法，可在抛光过程中实时监测金属膜厚度，从而实现：
- 用于铜、钨和阻挡金属 CMP 的精确端点检测
- 实时监测去除率，实现工艺控制和均匀性优化
- 用于多区压力调节的特定区厚度反馈
- 减少过度抛光，最大限度地减少盘形和侵蚀缺陷
SURAGUS 高频涡流传感器专为集成到 CMP 设备而设计，可在苛刻的潮湿环境中可靠运行，同时提供纳米级的厚度分辨率。
本应用说明介绍了现场涡流测量如何解决 CMP 面临的关键挑战，并实现先进半导体制造所需的过程控制。
挑战：当前终点方法的局限性
基于时间的抛光
最简单的方法是根据历史清除率使用固定的抛光时间。局限性包括- 不对输入厚度变化进行补偿
- 不适应去除率漂移
- 为安全起见，需要较大的过磨余量
- 导致过度盘旋和侵蚀
电机电流和扭矩监控
晶片和焊盘之间摩擦力的变化会导致电机电流发生可测量的变化。这种方法- 仅提供整个晶片的平均信号
- 无法区分空间变化
- 信号是间接的，受焊盘条件影响
- 清除障碍物的灵敏度低
光学端点检测
光学方法（反射测量法、干涉测量法）监测晶片表面反射的光线。局限性包括- 底层模式结构的干扰
- 对泥浆不透明度和气泡的敏感性
- 窗口污染和混浊
- 仅限于具有独特光学特性的材料
- 无法测量绝对厚度
局限性概述
| 方法 | 空间分辨率 | 绝对厚度 | 金属灵敏度 | 环境鲁棒性 |
|---|---|---|---|---|
| 基于时间 | 无 | 无 | 不适用 | 不适用 |
| 电机电流 | 整个晶片 | 无 | 低 | 好 |
| 光学 | 单点 | 有限 | 中等 | 差（泥浆效应） |
| 涡流 | 单点 | 是 | 优秀 | 优秀 |
SURAGUS 解决方案：现场涡流感应
涡流测量原理
在导电材料附近施加高频交变磁场时，导体内会产生涡流。 这些电流会产生与原始磁场相反的磁场，从而导致传感器阻抗发生可测量的变化。 对于导电薄膜而言，涡流响应的大小直接取决于薄膜的片电阻，而片电阻与厚度的关系为 Rs = ρ / t 在哪里？- Rs= 板材电阻（欧姆/平方）
- ρ= 材料电阻率（欧姆表）
- t= 薄膜厚度（米）
CMP 应用的优势
| 优势 | 对《议定书》缔约方会议的益处 |
|---|---|
| 非接触式 | 无磨损，不会污染晶片 |
| 对泥浆不敏感 | 对不透明浆料可靠 |
| 直接测量厚度 | 绝对值，而不仅仅是趋势 |
| 对金属的高灵敏度 | 对铜、钨、钴和阻挡金属具有极佳的灵敏度 |
| 快速响应 | 以工艺速度进行实时监控 |
| 结构坚固 | 可抵御潮湿和磨损环境 |
SURAGUS 传感器技术
SURAGUS 已开发出专门的涡流传感器，并针对 CMP 集成进行了优化： EddyCus® 在线传感器- 压盘集成的紧凑外形
- 密封结构，适用于潮湿环境
- 根据目标薄膜厚度范围优化工作频率
- 高速测量能力（每秒超过 50 个读数）
| 参数 | 参数 |
|---|---|
| 厚度范围 | 50 纳米至 10 微米（取决于材料） |
| 分辨率 | 小于 1 纳米（优化条件下） |
| 测量速率 | 最高 50 赫兹 |
| 提升公差 | 最大 5 毫米 |
| 工作环境 | 潮湿，10 至 40°C |
| 输出接口 | 模拟（0 至 10 V）或数字（RS485、以太网） |
测量性能
灵敏度
经过优化的线圈几何形状和电子元件可在典型的 CMP 提升距离（1.5 至 3 毫米）上实现每纳米大于 2 mV 的测量灵敏度，从而实现纳米级分辨率。
重复性
系统重复性优于正负 0.5%，可在抛光过程中可靠地检测微小的厚度变化。
速度
测量速率高达 50 Hz，每旋转一次晶片可提供多个数据点，从而实现实时过程监测和控制。
与其他方法的比较
行业背景
5 纳米及以下节点的现代逻辑器件需要 15 到 20 层或更多的金属互连层，而先进的 3D NAND 存储器堆栈则超过 200 层。这些层中的每一层都需要精确的平面化，以实现后续的光刻和沉积步骤。
化学机械平坦化已成为能够实现这些先进结构所需的全局和局部平坦性的唯一技术。
，CMP 设备市场也相应增长，其应用已从传统的氧化物和钨抛光扩展到铜双层大马士革、阻挡金属、低 K 电介质和用于先进封装的新型材料。
主要市场驱动因素包括
- 先进的逻辑缩放：FinFET 和全栅极 (GAA) 晶体管需要精确的栅极高度控制
- 3D NAND 的扩展：层数的增加需要更多的 CMP 步骤和更严格的均匀性
- 先进封装：扇出晶圆级封装 (FOWLP) 和混合接合需要超平表面
- 新型互连材料：钴、钌和钼带来新的 CMP 挑战
原位厚度测量的作用
与 CMP 控制的离线测量相比，现场测量（在操作过程中在加工工具内部进行测量）具有至关重要的优势：
| 视角 | 离线计量 | 现场计量 |
|---|---|---|
| 反馈时间 | 分钟至小时 | 实时时间（毫秒） |
| 晶圆取样 | 仅选定晶圆 | 每个晶圆，每次通过 |
| 工艺调整 | 下一个批次或晶片 | 当前晶圆 |
| 终点准确性 | 统计估算 | 直接测量 |
| 抛光余量过大 | 大（保守） | 最小（优化） |
特别是在金属 CMP 方面，现场厚度测量可以实现：
- 终点检测：识别目标胶片何时被移除
- 去除率监测：为 SPC 实时跟踪抛光率
- 均匀性控制：为多区云台提供特定区反馈
- 工艺优化：根据输入薄膜厚度实现自适应配方
CMP 流程概述
CMP 基础知识
化学机械平面化结合了化学蚀刻和机械研磨，以去除晶圆表面的材料。
，该过程包括：
- 抛光垫：提供机械作用的多孔聚氨酯垫
- 泥浆：含有研磨颗粒和活性化学品的化学溶液
- 承载头：将晶片固定并压紧在旋转垫上
- 压盘：支撑衬垫并提供旋转功能
在抛光过程中，旋转晶片面朝下压在旋转垫上，同时浆料流过晶片表面。
化学反应软化表面材料，然后通过研磨作用以机械方式去除。
化学效应和机械效应相结合，可实现材料去除率和选择性，而这两种机制都无法单独实现。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ CMP 系统原理图 │ │ │ │ Carrier Head │ （旋转）泥浆 │ │ ┌───┐ 供应 │ │ │ ◯ │ │ │ │ ┌────┴───┴────┐ ▼ │ │ │ 晶圆 │ ~~~~ │ │ │（面朝下） │ │ │ └─────────────┘ │ │═══════════════════════════════════ ← 抛光垫 │ │ ┌─────────────────────────────────┐ │ │ │ 压盘（旋转） │ │ │ │ └─────────────────────────────────┘ │ │ ▲ │ │ │ │ │ 传感器窗口 │ │ （用于现场测量） │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘
金属 CMP 应用
金属 CMP 工艺对于创建在整个集成电路中传输信号和电源的互连结构至关重要：
铜 CMP（双大马士革）
铜CMP 是逻辑和存储器件的主要互连金属，包括：
- 去除铜块，露出阻挡层
- 去除绝缘层（Ta 或 TaN）以暴露介电质
- 抛光打磨，以达到最终的表面质量
钨 CMP
钨 CMP 要求用于接触插头和本地互连：
- 对底层氧化物的高选择性
- 宽幅特征中的低盘
- 密集阵列中的侵蚀最小
阻挡层金属 CMP
阻挡层（Ta、TaN、TiN、Co）由于以下原因需要单独优化：
- 与铜的抛光率截然不同
- 与低 k 电介质的临界界面
- 对通孔阻力和可靠性的影响
关键 CMP 缺陷
Dishing
软金属（铜）相对于周围较硬电介质的过度去除，在宽金属特征上形成凹陷。
CMP 前 CMP 后（带盘形） ┌────────────────────┐ ┌────────────────────┐ │▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓│ │ │ │▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓│ │ ╲ ╱ │ │▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓▓│ │ ╲──────╱ │ ← Dishing ├────┬────────────┬───┤ ├────┬────────────┬───┤ │ │ Copper │ │ │ │ Copper │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └────┴────────────┴───┘ └────┴────────────┴───┘ 电介质 电介质
侵蚀
相对于低密度区域，高图案密度区域的金属和电介质整体变薄。
这些缺陷的影响包括
- 增加互连电阻（盘形）
- 介质击穿裕量降低（侵蚀）
- 后续层的光刻聚焦问题
- 通过形成问题和开放
- 产量损失和可靠性降低
集成架构
压盘集成配置
最常见的集成方法是将传感器安装在抛光压盘中，通过抛光垫上的窗口进行测量。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ 压盘集成 │ │ │ 载物台头（旋转） │ │ ┌─────────────┐ │ │ │ 晶圆 │ ←── 晶圆朝下 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └─────────────┘ │ │ ═══════════╤═════════════════════════ ← 抛光垫 │ │ 窗口 │ │ ┌──────────┴──────────────────────────┐ │ │ │ 压盘 │ │ │ │ ┌──────────────┐ │ │ │ │ │ suragus │ │ │ │ │ │ │ 涡流│ ←── 传感器在压板上 │ │ │ │ │ 传感器 │ │ │ │ │ └──────┬───────┘ │ │ │ └────────────┼────────────────────────┘ │ │ │ │ │ ▼ │ │ 信号处理 │ │ 和数据输出 │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘
测量几何
在压盘旋转时，传感器每转一圈从晶圆下方经过一次。
晶圆和压盘的相对旋转会导致传感器在晶圆表面划过一条复杂的路径，在连续经过时对不同的径向位置进行采样。
优势
- 测量正在抛光的实际晶片
- 每次轮换采样多个区域
- 对承载头的改动最小
- 传感器保护在衬垫表面以下
多传感器配置
为了提高空间分辨率和加快反馈速度，可在压盘上分布多个传感器：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ 多传感器配置 │ （俯视图） │ │ │ │ ┌─────────────┐ │ │ │ 晶圆 │ │ │ │ │ │ │ │ ┌──●──────┼─────────────┼───────●──┐ │ │ │ S1 │ │ S2 │ ← 压盘 │ │ │ │ │ │ │ │ │ ●────┼─────────────┼────● │ │ │ │ S3 │ │ S4 │ │ │ │ │ │ │ │ │ └─────────┼─────────────┼──────────┘ │ │ │ │ │ │ └─────────────┘ │ │ │ │ S1 至 S4：SURAGUS 涡流传感器 │ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘
福利
- 更快地覆盖晶片区
- 独立监控中心区域和边缘区域
- 增强多区云台的均匀性反馈
- 连续运行冗余
数据整合
SURAGUS 传感器通过多个接口与 CMP 设备控制系统集成：
实时控制界面
- 用于直接反馈的模拟输出（0 至 10 V，4 至 20 mA
- 数字协议（RS485、以太网 IP、PROFINET）
- 用于协调测量的触发和同步输入
数据记录和分析
- 厚度与时间的连续记录
- 区域平均均匀度计算
- 去除率趋势和 SPC
- 配方关联和优化
设备通讯
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ 数据流结构 │ │ │ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │ │ │ SURAGUS │ │ 设备 │ │ 工厂 │ │ │ │ 传感器 │─────│ 控制器 │─────
应用实例
铜质批量 CMP 端点检测
挑战
在铜双层大马士革加工中，除铜步骤必须精确地停在阻挡层上。
除铜不充分会留下铜短路；除铜过度会导致阻挡层变薄、分层和侵蚀。
未经适当测量的影响
- 抛光不足：铜残留物导致线路间短路（产量杀手）
- 过度抛光：宽阔地形中的凹陷会增加阻力；密集区域中的侵蚀会导致阻力变化
SURAGUS 解决方案
涡流传感器可在抛光过程中实时监测铜的厚度：
铜厚度与抛光时间 厚度 (nm) │ 1000├────────────╲ │ ╲ 800├ ╲ │ ╲ 600├ ╲ │ ╲ 400├ ╲ │ ╲ 200├ ╲ │ ╲_____ 端点触发器 0 ├───────────────────────────────────────
传感器检测到屏障层的接近，并触发端点，从而启用：
- 在目标剩余厚度处精确停机
- 入料厚度变化补偿
- 适应清除率漂移
结果
- 终点精度：正负 5 nm 余铜
- 减少打磨：与基于时间的工艺相比，减少 30% 至 50
- 晶片与晶片之间的一致性：小于 2% (1σ)
多区均匀性控制
挑战
如果不进行补偿，这种不均匀性会直接转移到 CMP 后的厚度变化上。
未经适当测量的影响
- 整个晶片上的剩余铜不均匀
- 影响电路时序的可变互连电阻
- 边模产量损失
SURAGUS 解决方案
多个涡流传感器为多区载物头提供特定区域的厚度反馈：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ 多区均匀性控制 │ │ │ 传入轮廓调整压力 │ │ │ │ ┌───────┐ ┌───────┐ │ │ / \ │ │ │ │ / \ ───
结果
- 提高晶片内的均匀性：40% 至 60
- 边缘产量恢复：好模具增加 1%至 2
- 减少对进口胶片规格的依赖
屏障金属端点检测
挑战
阻挡层很薄（10 至 30 纳米），因此很难进行端点检测。
未经适当测量的影响
- 屏障残留物导致耐药性问题
- 过度抛光会损坏低 k 电介质
- 依赖于模式的清除造成了统一性问题
SURAGUS 解决方案
高灵敏度涡流测量可检测阻挡层过渡：
障碍物抛光时的信号响应 信号 (mV) │ 50├────╲ │ ╲ 40├ ￭ ￭ 清铜 │ ╲ 30├ ───────────── 阻隔层 │ ╲ 20├ ￭ ￭ 障碍清除 │ ╲ 10├ ───── 终端 │ 0├───────────────────────────────────────
阻挡层金属的独特信号轮廓使其成为可能：
- 检测铜到阻挡层的转变
- 监测障碍物清除进度
- 障碍清除终点
结果
- 障碍清除终点精度：正负 2 纳米
- 介质损耗降低：20% 至 30
- 通过改进阻力均匀性15
钨 CMP 工艺控制
挑战
钨和氧化物的去除率非常不同，过度抛光非常有害。
未经适当测量的影响
- 钨盘面增加了接触电阻
- 氧化物侵蚀影响后续层地形
- 触点间电阻变化
SURAGUS 解决方案
涡流监测可在整个过程中直接测量钨的厚度：
- 实时计算去除率
- 目标剩余厚度的终点检测
- 基于实际清除行为的工艺优化
结果
- 钨盘减少：25% 至 40
- 接触电阻均匀性：小于 5% (1σ)
- 优化工艺时间：吞吐量提高 10-15
先进封装 CMP
挑战
扇出晶圆级封装 (FOWLP) 和混合键合需要具有亚纳米级形貌的超平表面。
铜再分布层 (RDL) 必须抛光到精确的厚度，并尽量减少凹陷。
未经适当测量的影响
- 表面形貌影响粘接质量
- 厚度变化影响阻抗匹配
- 钻孔会在粘接界面中产生空隙
SURAGUS 解决方案
可进行高分辨率涡流测量：
- 最终厚度控制在正负 10 纳米以内
- 实时均匀性监测
- 自适应抛光，实现模间一致性
结果
- 表面平面度：关键区域的 RMS 小于 1 nm
- 厚度精度：再分布层正负 10 纳米
- 减少债券无效：提高 50
福利摘要
质量改进
现场涡流监测可直接提高 CMP 的输出质量：| 指标 | 改进 |
|---|---|
| 终点精度 | 正负 5 纳米与正负 50 纳米（基于时间） |
| 减少钓饵 | 减少 30%至 50 |
| 减少侵蚀 | 20% 至 35 |
| 在晶圆均匀性范围内 | 提高 40% 至 60 |
| 晶圆与晶圆之间的一致性 | 提高 50% 至 70 |
提高产量
- 边缘芯片回收率：每个晶片增加 0.5% 至 2% 的好芯片
- 减少缺陷：减少短路（抛光不足）和开路（抛光过度）
- 参数产量：更严格的阻力分布
- 提高可靠性：减少过度抛光造成的应力
提高生产力
| 效益 | 影响 |
|---|---|
| 减少过抛光余量 | 抛光时间缩短 15% 至 25 |
| 减少返工晶圆 | 重新抛光次数减少 50% 至 80 |
| 减少测试晶片 | 监控晶片减少 30% 至 50 |
| 更快的工艺开发 | 配方优化速度提高 2 至 3 倍 |
降低成本
| 类别 | 储蓄机制 |
|---|---|
| 耗材 | 更短的抛光时间意味着更少的泥浆，更长的焊盘使用寿命 |
| 设备利用率 | 提高每个工具的产量 |
| 减少废料 | 减少不合规格晶圆 |
| 工程效率 | 数据驱动的流程优化 |
过程智能
- 趋势分析：及早发现清除率偏移
- 消耗品监测：与垫块和泥浆状况的相关性
- 设备健康：确定机械问题
- 工艺相关性：上游沉积与 CMP 结果之间的联系
实施指南
可行性评估
SURAGUS 提供可行性研究，以评估传感器在特定应用中的性能：
第 1 阶段：应用分析
- 审查目标材料和厚度范围
- 评估整合要求
- 绩效目标的定义
第 2 阶段：样品测量
- 传感器响应的台式评估
- 信号与厚度关系的特征
- 升空和环境影响评估
第 3 阶段：效益估算
- 预计的性能改进
- 根据产量和生产率的提高计算投资回报率
- 集成成本和时间表估算
实施阶段
分阶段的方法既能最大限度地降低风险，又能体现价值：
第 1 阶段：离线特征描述（4 至 8 周）
- 在测试配置中安装传感器
- 将涡流信号与基准计量学相关联
- 开发信号处理算法
第 2 阶段：现场监测（8 至 12 周）
- 将传感器集成到 CMP 压盘上
- 在生产抛光过程中收集数据
- 验证端点检测能力
- 将结果与光学方法和基于时间的方法进行比较
第 3 阶段：闭环控制（12 至 16 周）
- 将传感器输出连接到设备控制器
- 实施端点触发
- 启用多区反馈（如适用）
- 根据实时数据优化配方
第 4 阶段：生产部署
- 与设备控制系统完全集成
- 配方认证和资格
- 操作员培训
- 持续支持和优化
支持与服务
SURAGUS 为 CMP 传感器集成提供全面支持：
工程支持
- 传感器选择和定制
- 集成设计协助
- 信号处理算法开发
- 性能优化
培训
- 传感器的操作和维护
- 数据解释和分析
- 故障排除程序
持续服务
- 校准和验证
- 预防性维护
- 软件更新和增强
- 应用支持
结论
传统的端点检测方法、基于时间的抛光、电机电流监控和光学技术无法提供先进金属 CMP 工艺所需的精度、可靠性和空间分辨率。
原位涡流传感技术通过提供以下功能解决了这些局限性：
- 直接测量铜、钨和阻挡金属的厚度
- 对整个抛光过程进行实时监控
- 运行稳定，不受泥浆不透明度和环境变化的影响
- 特定区域反馈，优化均匀性
- 纳米级分辨率实现精确的终点检测
SURAGUS 高频涡流传感器专为集成到 CMP 设备而设计，可提供先进半导体制造所需的测量性能。
通过实现精确的端点检测和均匀性控制，SURAGUS 传感器可帮助 CMP 设备制造商和半导体工厂实现更高的产量、更好的设备性能和更高的生产率。
SURAGUS 涡流技术为金属 CMP 提供了这种能力，实现了先进半导体所需的平面化精度。
