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
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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cmpcmp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结束语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
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
Ｓｉ３Ｎ４ 停止层 浅沟槽
ＳｉＯ２
Ｃ Ｍ Ｐ 去除
硅
图 ３ 浅沟槽隔离 ＣＭＰ 示意图
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。
ＩＣ 制造技术
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
（大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 １１６０２４）
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 Ｃ Ｍ Ｐ 机制与应用的基础上，系统分析了 Ｃ Ｍ Ｐ 终点检测技术的研究现状及存在的问题。
基金项目：国家自然科学基金重大项目资助（５ ０ ３ ９ ０ ０ ６ １ ）
24 半导体技术第 ２９ 卷第 ６ 期
件内刻线宽度也由 ０．１８ μ ｍ 缩减至 ０．１３ μ ｍ，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。
２ 硅晶片 Ｃ Ｍ Ｐ 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。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｆｅｒ； ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ； ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ； ｅｎｄｐｏｉｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
１ 引言
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
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
26 半导体技术第 ２９ 卷第 ６ 期
Ｃ Ｍ Ｐ 去除
多晶硅膜 氮化硅膜 垫层氧化膜
深沟槽
图 ４ 多晶硅 ＣＭＰ 示意图
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 Ｉ Ｂ Ｍ 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］ 。
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。Ｃ Ｍ Ｐ 的研究开发工作过去主要以美国半导体制造技术联 合会（Ｓ Ｅ Ｍ Ａ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ ）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］。
（１）
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；Ｋ 为
ｐ
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。
二 Ｏ Ｏ 四年六月
年度 １９９６ １９９８ ２０００ ２００２ ２００４－
ＤＲＡＭBiblioteka ６４Ｍ２５６Ｍ１Ｇ
刻线宽度 ０．５µｍ
０．２５µｍ
０．１３µｍ
硅片直径 ２ ０ ０ ｍ ｍ
２００／３００ｍｍ ３ ０ ０ ｍ ｍ
面平整度 ≤ ２００ｎｍ
≤ １３０ｎｍ
≤ ９０ｎｍ
刻线工艺 金属蚀刻
ＬＵＯ Ｙｕ－ｑｉｎｇ，ＫＡＮＧ Ｒｅｎ－ｋｅ，ＧＵＯ Ｄｏｎｇ－ｍｉｎｇ，ＪＩＮ Ｚｈｕ－ｊｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ １ １ ６ ０ ２ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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。
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。
Ｃ Ｍ Ｐ 去除
绝缘膜
停止层绝缘膜 第一层导线 第一层间绝缘膜
图 ３ 层间绝缘膜 ＣＭＰ（有停止层）
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。
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｕｐ ｔｏ ｎｏｗ， ｏｎｌｙ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｇｌｏｂａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｆｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｔｈｉｓ ｌａｔｅｓｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｏｆ ａｌｌ， ｉｔ ｎｅｅｄｓ ｏｎｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｎｄｐｏｉｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ＣＭＰ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｖｅｒ ｏｒ ｎｏｔ ｐｏｌｉｓｈ－ ｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ． Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｗａｆｅｒ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｗｅ ｔｒｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｏｓｅ ｅｎｄｐｏｉｎｔ－ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｅｓ．
接触窗
ＳｉＯ２ 导线
Ｃ Ｍ Ｐ 去除
１ 导线形成 ２ 绝缘膜形成 ３ 接触窗开口 金属
４ 金属膜形成
５ 金属膜 ＣＭＰ
图 ５ 金属膜 ＣＭＰ 流程示意图
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
金属蚀刻 ／ 镶嵌法并用
导线金属 Ａｌ Ａｌ／Ｃｕ
Ｃｕ
绝缘膜
ＳｉＯ２ ＳｉＯ２／Ｌｏｗ－Ｋ
Ｌｏｗ－Ｋ
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（Ｃ Ｍ Ｐ ）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，Ｃ Ｍ Ｐ 已经成为众所瞩目的核心技术。
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
June 2004
S e mico n d u c to r Tech n o l o g y Vo l . 2 9 No . 6 25
ＩＣ 制造技术
ＣＣＭＭＰ 去去除除
绝缘膜 第一层导线 第一层间绝缘膜
图 １ ＳｉＯ２ 绝缘膜 ＣＭＰ（没有停止层）
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（Ｉ Ｌ Ｄ ）、镶嵌金属（如 Ａ ｌ ，Ｃ ｕ ）、浅沟槽隔离（Ｓ Ｔ Ｉ ）、硅氧化物、多
二 Ｏ Ｏ 四年六月
ＩＣ 制造技术
表 １ ＤＲＡＭ 的制造技术发展趋势
关键词：硅片；化学机械抛光；平坦化；终点检测 中图分类号： ＴＮ３０５．２ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００４）０６－００２４－０６
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｅｎｄｐｏｉｎｔ－ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｉｚｅ ｗａｆｅｒ
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
Ｓｉ３Ｎ４ 停止层 浅沟槽
ＳｉＯ２
Ｃ Ｍ Ｐ 去除
硅
图 ３ 浅沟槽隔离 ＣＭＰ 示意图
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。
ＩＣ 制造技术
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
（大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 １１６０２４）
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 Ｃ Ｍ Ｐ 机制与应用的基础上，系统分析了 Ｃ Ｍ Ｐ 终点检测技术的研究现状及存在的问题。
基金项目：国家自然科学基金重大项目资助（５ ０ ３ ９ ０ ０ ６ １ ）
24 半导体技术第 ２９ 卷第 ６ 期
件内刻线宽度也由 ０．１８ μ ｍ 缩减至 ０．１３ μ ｍ，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。
２ 硅晶片 Ｃ Ｍ Ｐ 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。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗａｆｅｒ； ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ； ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ； ｅｎｄｐｏｉｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
１ 引言
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
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
26 半导体技术第 ２９ 卷第 ６ 期
Ｃ Ｍ Ｐ 去除
多晶硅膜 氮化硅膜 垫层氧化膜
深沟槽
图 ４ 多晶硅 ＣＭＰ 示意图
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 Ｉ Ｂ Ｍ 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］ 。
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。Ｃ Ｍ Ｐ 的研究开发工作过去主要以美国半导体制造技术联 合会（Ｓ Ｅ Ｍ Ａ Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ ）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］。
（１）
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；Ｋ 为
ｐ
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。
二 Ｏ Ｏ 四年六月
年度 １９９６ １９９８ ２０００ ２００２ ２００４－
ＤＲＡＭBiblioteka ６４Ｍ２５６Ｍ１Ｇ
刻线宽度 ０．５µｍ
０．２５µｍ
０．１３µｍ
硅片直径 ２ ０ ０ ｍ ｍ
２００／３００ｍｍ ３ ０ ０ ｍ ｍ
面平整度 ≤ ２００ｎｍ
≤ １３０ｎｍ
≤ ９０ｎｍ
刻线工艺 金属蚀刻
ＬＵＯ Ｙｕ－ｑｉｎｇ，ＫＡＮＧ Ｒｅｎ－ｋｅ，ＧＵＯ Ｄｏｎｇ－ｍｉｎｇ，ＪＩＮ Ｚｈｕ－ｊｉ
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ １ １ ６ ０ ２ ４ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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。
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。
Ｃ Ｍ Ｐ 去除
绝缘膜
停止层绝缘膜 第一层导线 第一层间绝缘膜
图 ３ 层间绝缘膜 ＣＭＰ（有停止层）
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。
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｕｐ ｔｏ ｎｏｗ， ｏｎｌｙ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｇｌｏｂａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｆｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｔｈｉｓ ｌａｔｅｓｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｏｆ ａｌｌ， ｉｔ ｎｅｅｄｓ ｏｎｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｅｎｄｐｏｉｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ＣＭＰ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｖｅｒ ｏｒ ｎｏｔ ｐｏｌｉｓｈ－ ｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ． Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｗａｆｅｒ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｗｅ ｔｒｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｏｓｅ ｅｎｄｐｏｉｎｔ－ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｒｏｌｏｇｉｅｓ．
接触窗
ＳｉＯ２ 导线
Ｃ Ｍ Ｐ 去除
１ 导线形成 ２ 绝缘膜形成 ３ 接触窗开口 金属
４ 金属膜形成
５ 金属膜 ＣＭＰ
图 ５ 金属膜 ＣＭＰ 流程示意图
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
金属蚀刻 ／ 镶嵌法并用
导线金属 Ａｌ Ａｌ／Ｃｕ
Ｃｕ
绝缘膜
ＳｉＯ２ ＳｉＯ２／Ｌｏｗ－Ｋ
Ｌｏｗ－Ｋ
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（Ｃ Ｍ Ｐ ）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，Ｃ Ｍ Ｐ 已经成为众所瞩目的核心技术。
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
June 2004
S e mico n d u c to r Tech n o l o g y Vo l . 2 9 No . 6 25
ＩＣ 制造技术
ＣＣＭＭＰ 去去除除
绝缘膜 第一层导线 第一层间绝缘膜
图 １ ＳｉＯ２ 绝缘膜 ＣＭＰ（没有停止层）
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（Ｉ Ｌ Ｄ ）、镶嵌金属（如 Ａ ｌ ，Ｃ ｕ ）、浅沟槽隔离（Ｓ Ｔ Ｉ ）、硅氧化物、多
二 Ｏ Ｏ 四年六月
ＩＣ 制造技术
表 １ ＤＲＡＭ 的制造技术发展趋势
关键词：硅片；化学机械抛光；平坦化；终点检测 中图分类号： ＴＮ３０５．２ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００４）０６－００２４－０６
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｅｎｄｐｏｉｎｔ－ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｉｚｅ ｗａｆｅｒ