核心提示：本文详细介绍了RTPC系统的检测原理和控制流程。将闭环RTPC控制用于300mm铜CMP工艺中，由于传感器对剖面形状及时和精准的检测，针对目标形貌不断调整的工艺参数，以及多分区压力可调的研磨头的作用，可以实现比开环更加均匀的铜薄膜研磨过程，达到更稳定的晶圆内薄膜厚度均匀性。
在铜CMP工艺中，为了去除多余的铜金属而形成嵌入式铜互连结构，分别应用电磁和光学信号于第一和第二阶段的研磨终点控制。工艺如图1所示。
图1. 铜CMP工艺。
传统的铜CMP工艺控制主要包括两个方面：1.利用开环控制达到对晶圆平整度，缺陷，生产量，成本等工艺要求；利用电磁和光学传感器提供研磨终止信号。在铜CMP工艺的第一阶段（Platen1）去除大量的铜以及表面的波形结构形成初步平坦化，通过电磁信号原理终点控制系统iScan将铜膜控制在设定的厚度。
目前的iScan系统可以补偿研磨速率的差别和CMP前不同的铜膜厚度。RTPC系统基于iScan发展而来，不仅同样具有这些功能以应用于研磨的第一阶段，为了满足工艺要求和提高效率，RTPC系统有以下两个特性：
1.自动根据实时的晶圆剖面来调整工艺参数，通过持续不断的实时检测和调整参数来得到最终设定的铜薄膜剖面形状。
2.基于iScan系统，改善了电磁传感器的测量精度，特别提高了接近晶圆边缘部分剖面形貌的准确性。
RTPC的测量原理
RTPC测量系统提供了电磁和光学等两种终点检测手段，可用于不同类型的晶圆，以适应在铜薄膜厚度、平整度和器件图案（devicepattern）等方面的差别。
电磁耦合
RTPC的磁信号（Magneticchannel）以涡流检测为基础判断铜薄膜的厚度。原理如图2。
由于金属铜在变化的电场中运动感生出涡流，并且膜厚越大，涡流产生的信号也越大。因此可以根据检测到的涡流信号大小判断膜厚。
图2. 电磁耦合基本原理： 1.交流电通过线圈的时候会产生磁力线；2.磁场的大小决定于瞬时通过的电流大小；3.如果此时有其他导体接近磁场，交变磁场将在导体内感生出电场，涡流就是感生电场形成的电流。
光学反射
RTPC的光学信号是一个由单色光源生发装置和检测装置组成的光学反射计。可能影响光信号强度的属性是材质的反射，吸收和折射指数。当薄膜材质为金属时，影响检测强度的因素是反射，通常用反射率R来表征入射光与反射光的关系：
R=I反射光强/I入射光强（图3）
图3. 光的反射现象。
由于半导体制造中薄膜常见材质在反射率上都有明显区别，因此当研磨过程由一层薄膜过度到另一层薄膜时，反射光强会有明显区别。可以经由特定算法，灵敏的检测到两层薄膜的交界过程，进而发出研磨终止信号。表1是半导体制造中常用材质的反射率，对铜CMP工艺来讲，铜薄膜的前层是由Ta和TaN组成的阻挡层，由于Ta的反射率只有0.431，而Cu的反射率是0.934，研磨可以精准的停止在铜被完全去除，露出前层阻挡层的阶段。
表1. 半导体制造中常用材质的反射率
RTPC的闭环控制
RTPC的两个主要实现功能是终点检测和研磨剖面形状的实时调整。RTPC会以晶圆的剖面厚度平均值作为终点判断依据，当薄膜厚度减少到设定的目标值时，RTPC将发送给CMP设备研磨终止信号。剖面调整功能需要研磨设备配备具多压力控制区的研磨头，RTPC可对研磨头的不同区域进行实时压力控制，以实现对研磨剖面形状的调整。RTPC的控制流程图如图3。
图4. RTPC的控制原理示意图。
RTPC对研磨的控制分为以下几个步骤：
1.测量铜薄膜剖面的厚度和形状：薄膜的厚度和剖面形状由RTPC检测装置完成，终点检测软件将原始的电信号经过简单的线性函数转化为厚度信号，线性函数的参数需要事先以标准厚度的晶圆对RTPC进行信号校准得到。
2.计算研磨头各个区域的新压力：RTPC用户界面用于计算新的研磨头区域压力，计算的依据是RTPC模型算法。新压力根据当前剖面形状计算得到，目标是获得预先设定的研磨剖面形状。
3.调整头的压力：RTPC用户界面将计算结果返回研磨设备软件，设备软件将更新研磨头的压力。这个过程周而复始，新压力研磨出的剖面形状会被RTPC再次检测到，根据和目标的偏差决定是否继续调节。
RTPC的控制系统由RTPC检测装置，终点检测软件，RTPC用户界面和CMP设备软件等几个部分组成。这些组件之间进行通讯和数据交换以实现RTPC的控制流程。
结论
本文详细介绍了RTPC系统的检测原理和控制流程。将闭环RTPC控制用于300mm铜CMP工艺中，由于传感器对剖面形状及时和精准的检测，针对目标形貌不断调整的工艺参数，以及多分区压力可调的研磨头的作用，可以实现比开环更加均匀的铜薄膜研磨过程，达到更稳定的晶圆内薄膜厚度均匀性。RTPC可满足65nm以下的工艺需求，已在半导体业得到广泛的推广应用，逐渐成为控制那些窗口日益缩小、复杂性不断增加的特殊关键工艺必不可少的组成部分。
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