CN107344327B - 在线改良晶圆表面平坦度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线改良晶圆表面平坦度的方法。其中方法应用于旋转型CMP设备上，CMP设备包括抛光头及其压力在线调节控制***，抛光头包括多个压力分区，所述方法包括：确定晶圆表面材料层上的基准区；获取多个压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值；根据基准区的材料层厚度值与其余各分区的材料层厚度值，对各压力分区的压力值进行调整；根据各压力分区调整后的压力值，控制抛光头对晶圆表面进行材料去除。由此，通过改变抛光头各压力分区所施加的压力大小，可以实时调节晶圆表面相应分区的材料去除率，从而实现可控平坦化，进而实现在线改良晶圆表面平坦度的目的。

Description

在线改良晶圆表面平坦度的方法
技术领域
本发明涉及机械平坦化技术领域，尤其涉及一种在线改良晶圆表面平坦度的方法。
背景技术
化学机械平坦化技术(Chemical Mechanical Planarization，英文简称CMP)是目前半导体制造工艺中晶圆全局平坦化最有效的方法。它利用化学与机械的协同作用，实现晶圆表面的超精密抛光，并被广泛应用于集成电路制造业中。
随着半导体技术的飞速发展，晶圆尺寸也再不断增大，例如，下一步将向直径450mm方向发展。所以，晶圆表面材料层(如铜层)沿径向方向的材料去除率将受晶圆变形、抛光液分布不均匀以及抛光垫损耗变化等因素产生更大差异，进而严重影响抛光质量。因此，为了解决大尺寸晶圆的抛光不均匀问题，如何在线改善晶圆表面铜层平坦度已成为CMP工艺控制的重要问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种在线改良晶圆表面平坦度的方法。该方法可以实时调节晶圆表面相应分区的材料去除率，从而实现可控平坦化，进而实现在线改良晶圆表面平坦度的目的。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出的在线改良晶圆表面平坦度的方法，所述方法应用于旋转型CMP设备上，所述CMP设备包括抛光头及其压力在线调节控制***，所述抛光头包括多个压力分区，所述方法包括：确定晶圆表面材料层上的基准区；获取所述多个压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值；根据所述基准区的材料层厚度值与其余各分区的材料层厚度值，对各压力分区的压力值进行调整；根据所述各压力分区调整后的压力值，控制所述抛光头对所述晶圆表面进行材料去除。
根据本发明实施例的在线改良晶圆表面平坦度的方法，可先确定晶圆表面材料层上的基准区，并获取多个压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值，之后，可根据基准区的材料层厚度值与其余各分区的材料层厚度值，对各压力分区的压力值进行调整，最后，根据各压力分区调整后的压力值，控制抛光头对晶圆表面进行材料去除。即通过改变抛光头各压力分区所施加的压力大小，可以实时调节晶圆表面相应分区的材料去除率，从而实现可控平坦化，进而实现在线改良晶圆表面平坦度的目的。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的在线改良晶圆表面平坦度的方法的流程图；
图2根据本发明一个实施例的晶圆铜层厚度在抛光前后的径向测量结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的在线改良晶圆表面平坦度的方法。
图1是根据本发明一个实施例的在线改良晶圆表面平坦度的方法的流程图。需要说明的是，本发明实施例的在线改良晶圆表面平坦度的方法可以应用于旋转型CMP设备上。其中，该CMP设备可包括抛光头及其压力在线调节控制***、抛光盘、修整器、抛光液输送模块等，其中，该抛光头及其压力在线调节控制***是最为关键的部件之一，是CMP技术实现纳米级平坦化的基础和核心。在本发明的实施例中，该抛光头可包括多个压力分区。
如图1所示，该在线改良晶圆表面平坦度的方法可以包括：
S110，确定晶圆表面材料层上的基准区。
可以理解，由于本发明实施例中的CMP抛光头采用的是气压方式加载，具有多个抛光压力分区，所以，该多个压力分区对应的会将晶圆表面材料层分成多个分区。
为此，在对晶圆表面进行材料去除之前，可先确定该晶圆表面材料层上的基准区。也就是说，可先从晶圆表面材料层的多个分区中确定出一个分区作为基准区(或称为参考区)。
在本实施例中，基准区的确定方式有很多种：例如，可预先设定晶圆表面材料层上的某个分区为基准区，比如，假设CMP抛光头共有5个压力分区，这样会对应的将晶圆表面材料层分为5个分区，假设预先以晶圆表面材料层的某一分区(一般可以1区为主)作为基准区；又如，可以晶圆表面的材料去除量的大小来确定该基准区，比如，晶圆表面的材料去除的比较多，则可以晶圆表面上材料层厚度稍薄的分区作为基准区，而当晶圆表面的材料去除的比较少时，可以晶圆表面上材料层厚度稍厚的分区作为基准区，具体情况可根据实际应用来确定，对此不作具体限定。
S120，获取多个压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值。
作为一种示例，可通过材料厚度检测装置来检测多个压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值。
举例而言，在本示例中，该多个压力分区可为5个，每个压力分区的形状可为环状。其中，各压力分区的径向宽度划分可为1区为0～35mm，2区为35～95mm，3区为95～135mm，4区为135～145mm，5区为145～150mm，这样的抛光头可用于300mm晶圆的CMP工艺，此外，该抛光头会将晶圆表面的材料层对应的分为5个分区。在对晶圆表面进行材料去除时，可通过材料厚度检测装置在线获取这5个压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值。
S130，根据基准区的材料层厚度值与其余各分区的材料层厚度值，对各压力分区的压力值进行调整。
具体而言，在本发明的一个实施例中，可将基准区的材料层厚度值分别与其余各分区的材料层厚度值相差，得到基准区与其余各分区之间的厚度偏差，之后，根据各压力分区的预设压力调节系数和基准区与其余各分区之间的厚度偏差，计算各压力分区的压力调节量，最后，根据各压力分区的压力调节量，对相应分区的压力值进行调整。
其中，在本实施例中，可通过以下基本公式计算各压力分区的压力调节量：
ΔPi＝kiΔti (1)
其中，ΔPi为第i压力分区的压力调节量，ki为第i压力分区的压力调节系数，ti为第i压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值与基准区的材料层厚度值之间的差值。
可以理解，在本示例中，基准区与基准区的厚度偏差为0，则通过上述式(1)可知，该基准区所对应的压力分区的压力调节量可为0，即该基准区所对应的压力分区的压力值不做调整。
需要说明的是，在实际工艺中，首先，可根据工艺要求，确定基准区及其他分区的基本压力值，然后在确定本步骤中所需要的预设压力调节系数大小。在本发明的实施例中，各压力分区的预设压力调节系数的大小由各压力分区与晶圆表面对应分区去除率之间的关系及工艺需求所确定，需要多次实验与检验，不断修正而得到的。
S140，根据各压力分区调整后的压力值，控制抛光头对晶圆表面进行材料去除。
具体地，在对各压力分区的压力值进行调整之后，可根据各压力分区调整后的压力值控制抛光头对晶圆表面进行材料去除，以改善对应分区的材料去除率，从而实现可控平坦化。
需要说明的是，分区压力控制是衡量CMP设备技术水平高低的重要因素，其控制思想来自Preston模型，基于该Preston模型，材料去除率可表示为：
R＝Kpv (2)
其中，R为材料去除率，K为Preston系数，p和v分别为晶圆表面的抛光压力和晶圆与抛光盘的相对速度。
对于分区压力抛光头而言，晶圆表面各分区的材料去除率通过如下公式表示：
Ri＝∑jKi,jpjv (3)
其中，Ri为晶圆表面第i分区的材料去除率，Ki,j为抛光头第j压力分区的压力对晶圆半径i位置材料去除率的Preston系数，pj为抛光头第j压力分区的压力，v为晶圆与抛光盘的相对速度。
在本发明中，通过改变抛光头各压力分区所施加的压力大小，可以调节晶圆表面相应分区的材料去除率，从而实现可控平坦化。可以理解，抛光头的分区数量越多，对材料去除率的调节能力越强，作为一种示例，，该多个压力分区可为5个。
为了提高本发明的可用性以及可行性，进一步地，在本发明的一个实施例中，在对各压力分区的压力值进行调整的过程中，该在线改良晶圆表面平坦度的方法还可包括：如果当前压力分区调整后的压力值大于当前压力分区的预设上限值，则将当前压力分区调整后的压力值更新为预设上限值；如果当前压力分区调整后的压力值小于当前压力分区的预设下限值，则将当前压力分区调整后的压力值更新为预设下限值。
也就是说，可预先定义各分区压力的上限值和下限值，如果某分区调整后的压力值大于该分区的预设上限值，则可将该某分区调整后的压力值更正为上预设限值；如果某分区调整后的压力值小于预设下限值，则可将该某分区调整后的压力值更正为预设下限值。
举例而言，假设晶圆表面的材料层为铜层，并以晶圆表面上的中心区1区为基准区，当其它某区铜层厚度值高于1区铜层厚度值，则根据上述计算公式(1)获得对应分区的压力调节量，并根据该压力调节量对相应分区进行加压，当其它某区铜层厚度值低于1区铜层厚度值，则根据上述计算公式(1)对相应分区进行减压，从而在实际工艺过程中，实现抛光头各分区压力的连续调节。
本发明测量各测试基准区平均膜厚的分布来控制抛光工艺中的压力参数，实现晶圆表面的全局平坦化。
综上所述，本发明可以有效结合现有工艺条件在规定时间内对铜CMP过程中晶圆表面剩余铜层厚度形貌进行平坦化处理，且在同时完成规定厚度铜层的快速去除。
举例而言，假设晶圆表面的材料层为铜层，并以晶圆表面上的中心区1区为基准区，调控晶圆表面上的2区和3区所对应的分区压力，具体工艺条件见下面表1，分区压力参数设置见下面表2。图2为晶圆铜层厚度在抛光前后的径向测量结果示意图。如图2所示，其中A曲线为工艺前晶圆表面剩余铜层厚度，B曲线为通过本发明实施例的方法对晶圆铜层进行材料去除后，晶圆表面剩余铜层厚度，可以看出，调控后的铜层厚度较均匀，能够获得较好的形貌。
表1工艺参数
表2工艺调控条件
1区 2区 3区 4区 5区 保持环
压力设置(Psi) 2.5 2.5 2.5 2.5 5.0 7.0
最大值(Psi) 2.5 3.0 3.0 2.5 5.0 7.0
最小值(Psi) 2.5 2.0 2.0 2.5 5.0 7.0
根据本发明实施例的在线改良晶圆表面平坦度的方法，可先确定晶圆表面材料层上的基准区，并获取多个压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值，之后，可根据基准区的材料层厚度值与其余各分区的材料层厚度值，对各压力分区的压力值进行调整，最后，根据各压力分区调整后的压力值，控制抛光头对晶圆表面进行材料去除。即通过改变抛光头各压力分区所施加的压力大小，可以实时调节晶圆表面相应分区的材料去除率，从而实现可控平坦化，进而实现在线改良晶圆表面平坦度的目的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种在线改良晶圆表面平坦度的方法，所述方法应用于旋转型CMP设备上，其特征在于，所述CMP设备包括抛光头及其压力在线调节控制***，所述抛光头包括多个压力分区，所述方法包括：
确定晶圆表面材料层上的基准区，其中，所述基准区为所述晶圆表面多个分区的其中一个分区，或者，以晶圆表面的材料去除量的大小来确定所述基准区，其中，所述晶圆表面的材料去除的比较多，则以晶圆表面上材料层厚度稍薄的分区作为所述基准区，当所述晶圆表面的材料去除的比较少时，以晶圆表面上材料层厚度稍厚的分区作为所述基准区；
获取所述多个压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值；
根据所述基准区的材料层厚度值与其余各分区的材料层厚度值，对各压力分区的压力值进行调整；所述根据所述基准区的材料层厚度值与其余各分区的材料层厚度值，对各压力分区的压力值进行调整，包括：
将所述基准区的材料层厚度值分别与所述其余各分区的材料层厚度值相差，得到所述基准区与所述其余各分区之间的厚度偏差；
根据各压力分区的预设压力调节系数和所述基准区与所述其余各分区之间的厚度偏差，计算所述各压力分区的压力调节量；
根据所述各压力分区的压力调节量，对相应分区的压力值进行调整；
根据所述各压力分区调整后的压力值，控制所述抛光头对所述晶圆表面进行材料去除。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述各压力分区的压力调节量：
ΔPi＝kiΔti
其中，ΔPi为第i压力分区的压力调节量，ki为所述第i压力分区的压力调节系数，ti为所述第i压力分区对应的晶圆表面分区的材料层厚度值与所述基准区的材料层厚度值之间的差值。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述各压力分区的预设压力调节系数的大小由所述各压力分区与所述晶圆表面对应分区去除率之间的关系及工艺需求所确定。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在对各压力分区的压力值进行调整的过程中，所述方法还包括：
如果当前压力分区调整后的压力值大于所述当前压力分区的预设上限值，则将所述当前压力分区调整后的压力值更新为所述预设上限值；
如果所述当前压力分区调整后的压力值小于所述当前压力分区的预设下限值，则将所述当前压力分区调整后的压力值更新为所述预设下限值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个压力分区为5个，每个压力分区的形状为环状。
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