基于过程监测的大尺寸晶圆全局平坦化机理研究

As the wafer size increases to 300mm/450mm in the semiconductor industry, the result of chemical mechanical planarization (CMP) becomes one of the major factors in affecting the yield of the IC products. Only precise process control can improve the uniformity after planarization, which demands a clear understanding of the process and mechanism of the planarization. Unfortunately, the mechanism study lags far behind the technical development. This project aims at the studies on the mechanism of large size wafer planarization in real condition, by direct in-situ monitoring the interactions between the "wafer-slurry-pad" polishing main body. Using the self-developed process monitoring system in our 300mm copper interconnect CMP equipment, the lubrication and contact status of polishing main body can be monitored, the mechanism of the fluid pressure and its effect on the contact stress will be studied. Further, the interaction model of the polishing main body will be constructed, and the impacting mechanism of the process parameters on the planarization results will be revealed. Using this novel research strategy, it is expected to establish a CMP mechanism and model fit for actual condition, to provide guidance for the process optimization, and to put forward the mechanism understanding and technique improvement to large size wafer CMP.

随着半导体行业晶圆尺寸增大至300mm/450mm，晶圆化学机械平坦化（CMP）效果成为影响集成电路产品良率的一个关键因素。只有通过工艺过程的精确控制才能提高平坦化后的平整度，这就要求对平坦化过程和机理有一个清晰的认识。然而遗憾的是CMP领域对平坦化机理的认识远远滞后于技术的发展，传统的理论分析与模型仿真与实际情况相差甚远。本项目着眼于通过直接实时监测CMP过程"晶圆-抛光液-抛光垫"抛光主体间的作用状态，研究实际工况下大尺寸晶圆平坦化机理。利用自主研发的300mm铜互连CMP过程监测系统，监测CMP过程抛光主体间的润滑与接触状态，研究CMP过程流体压力的形成机理及其对接触压力的影响规律，从而建立抛光主体的作用模型，揭示主要工艺参数对抛光效果的影响机制。采用这种新的研究策略，有望建立更贴合实际的CMP机理与模型，为CMP工艺优化提供指导，促进大尺寸晶圆CMP机理的认识与技术水平的提升。

大尺寸晶圆抛光的一个最大挑战就是平坦度的控制，而平坦度的控制需要很好地控制抛光作用力的分布，由于CMP是一个有抛光液参与的体系，晶圆——抛光垫接触体系会因流体润滑作用而发生一定变化，并影响抛光效果。实际CMP系统的流体动压润滑的机理是十分复杂的，一方面，抛光头复杂的结构特点决定了晶圆受力比较复杂，另一方面，宏观的晶圆姿态角因素，和微观的局部应力特点都对流体压力有较大影响。.本项目采用一种从晶圆下方扫描测量的方法，通过对300mm晶圆化学机械平坦化过程“晶圆-抛光液-抛光垫”相互作用状态的多参量实时在线监测，提取影响CMP相互作用的关键要素、总结影响规律，从而建立更符合实际工况的物理模型，揭示大尺寸晶圆CMP全局平坦化过程的润滑机理。主要研究成果：.（1）建立了CMP过程界面参量综合监测系统，完成了挤压压力、离心力等干扰因素的排除。（2）通过系列实验及数据的深入分析发现晶圆俯仰角和流体压力有着很大相关性，揭示了姿态角对流体润滑有着直接的影响。（3）考虑了气膜侧壁，建立了符合实际工况的分区柔性膜加载真实工况有限元模型，分析了各种工况下的应力和变形特点。分析发现，下压力、保持环压力、保持环间隙这几大因素通过影响入口区应力集中来影响流体压力。（4）通过模型分析了CMP过程流体润滑的基本机理：入口区负压表现出随保持环压力增大而增大的趋势。晶圆姿态角和晶圆边缘接触应力特征是影响流体压力分布的主要原因。（5）开发了仿真程序，模拟磨粒的分布位置对MRR的贡献率，绘制了贡献率曲线。研究发现，不同径向分布的磨粒对MRR的贡献率是不同的，从而为通过针对性的调整抛光液分布来调整某个位置的MRR即提供了一个基本原则。.本项目的研究揭示了薄片形晶圆与软垫接触体系的润滑规律与机理，同时也为工业生产中工艺的调校提供了基本指导。