CN109968186A - 基于光谱的化学机械抛光在线终点检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于光谱的化学机械平坦化在线终点检测方法。首先根据被抛薄膜和基底材料的折射率n、消光系数k和目标膜厚d计算出理论光谱曲线，然后选取该曲线的一段波长区域，计算该区域内所有相对反射率极大值点对应的波长值λhi和极大值点对应的波长个数a、相对反射率极小值点对应的波长值λlk和极小值点对应的波长个数b。实时采集抛光过程中的原始光谱数据，得到滤波光谱曲线，选取相同波长区域的滤波光谱曲线区域的对应参数，并计算两组数据之间的差异值。如果该值小于预先设定的阈值，则停止平坦化过程。本发明可以排除检测光强信号变化带来的干扰，不用对检测光谱做归一化处理，减少了运算时间，同时提升信号的检测精度和检测一致性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路芯片制造的设备领域，具体涉及一种化学机械抛光设备中使用的基于光谱的在线终点检测方法。
背景技术
随着半导体产业的迅速发展，集成电路特征尺寸不断趋于微细化，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。伴随着硅晶片直径的逐渐增大，元件内刻线宽度逐步缩小，金属层数的增多，因此半导体薄膜表面的高抛光对器件的高性能、低成本、高成品率有着重要的影响，因此硅晶片表面平整度要求将日趋严格。
目前，作为唯一能获得全局平面化效果的平整化技术化学机械抛光技术，化学机械抛光(CMP)已经发展成集在线量测、在线终点检测、清洗等技术于一体的化学机械抛光技术，是集成电路向微细化、多层化、薄型化、抛光工艺发展的产物。同时也是晶圆由200mm向300mm乃至更大直径过渡、提高生产率、降低制造成本、衬底全局抛光所必需的工艺技术。
在CMP工艺过程中，如果没有有效的终点检测(End Point Detection，EPD)技术，就容易发生晶圆表层材料去除过多或材料去除不足，因此，如何判断CMP工艺是否到达期望的终点是CMP工艺亟需解决的难点，对于有效解决过抛或者欠抛问题具有重要的意义。特别是在在纳米技术领域，终点检测尤为重要。终点检测包括离线和在线两种。离线终点检测是结合预先决定的去除量来控制抛光时间的方式来决定抛光终点，其缺点是不能有效避免晶圆表层材料去除过多或材料去除不足的问题，目前主要在直径低于200mm晶圆的加工中应用，已不能满足当前大直径硅晶片自动化加工的需要。目前主流的技术为在线终点检测，在线终点检测能够更好地控制晶圆薄膜的厚度变化，减少重复操作，实现CMP的自动化操作，从而提高抛光设备利用率和产量，减少IC设备的密度分布缺陷，降低不均匀性，并最终使半导体设备的稳定性和可靠性得到提高。在线终点检测技术实现的原理主要是基于光学、电学、声学或振动、热学、摩擦力、化学或电化学原理的检测，通过检测驱动电机电流变化、声发射信号、抛光垫温度、抛光液中离子浓度等参数的变化来实现。
上述在线终点检测技术中，鉴于待抛光材料的去除精度为纳米级，如何排除由于电源电压波动或其它因素造成的检测光强信号变化带来的干扰，从而不用对检测光谱做归一化处理，以减少运算时间，同时提升信号的检测精度和检测一致性是一个非常具有挑战性的技术难题。
发明内容
本发明目的在于针对现有线终点检测技术存在的易受电源电压波动或其它因素造成的检测光强信号变化带来的干扰，由于归一化处理导致的运算时间的增加问题提出一种基于光谱的在线终点检测方法，以提升信号的检测精度和检测一致性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于光谱的化学机械抛光在线终点检测方法，具体包含以下步骤：
S1：首先根据被抛薄膜和基底材料的折射率n、消光系数k和设定的晶圆抛光后的膜厚d值计算出一条理论光谱曲线；
S2：选取理论光谱曲线的其中一段波长区域，计算如下参数：选取区域内所有相对反射率极大值点对应的波长值λhi和极大值点对应的波长个数a、选取区域内相对反射率极小值点对应的波长值λlk和极小值点对应的波长个数b；
S3：抛光过程中，实时采集原始光谱数据，得到一条反映相对反射率和波长关系的原始光谱曲线，并对该光谱曲线进行滤波，得到一条平滑的滤波光谱曲线；
S4：参照步骤2中对理论光谱曲线的处理方式，选取相同波长区域的滤波光谱曲线区域，并计算：选取区域内所有相对反射率极大值点对应的波长值λhi’和极大值点对应的波长个数a’、选取区域内相对反射率极小值点对应的波长值λlk’和极小值点对应的波长个数b’；
S5：接下来判断是否满足a＝a’且b＝b’，如否，返回步骤S3；如是，计算两组数据之间的差异值S；
S6：判断S是否小于预先设定的阈值，如否，则返回步骤S3；如是，则说明化学机械抛光过程达到预设目的，设备停止抛光。
进一步，作为优选，上述步骤1中所述d厚度范围在0-5000nm之间。
进一步，步骤1中的基底材料一般为单晶硅，但可以不局限于单晶硅，选用其他业界常见的基底材料。另外，被抛薄膜和基底材料相对反射率的计算公式也不局限于还可以采用别的公式，此处只是示例性。
此外，步骤1中所述折射率n和消光系数k可通过检测仪器测量获得，如椭偏仪、轮廓仪、膜厚检测仪或其它光学检测仪器。
作为优选，上述步骤3中，所述波长区域在200-1100nm之间。
步骤7中，所述滤波可采用快速傅里叶变换方式完成，但不限于快速傅里叶变换，高斯、最小二乘、低通、带通、高通、移动平均值等方法或其组合也可以。
另外，作为优选，上述步骤5中所述计算两组数据之间差异的方法为平方和，即S＝∑(λhi-λhi’)2+∑(λlk-λlk’)2。
与现有在线终点检测技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1，由于光谱检测信号易受电源电压波动、外界震动、光源和被检测物的检测距离、被检测物体表面的粗糙度和外界环境等因素的影响，容易造成检测光强信号的波动，直接表现为光谱信号的相对反射率波动，相对于一般的膜厚检测方法，如全光谱拟合法，由于每次实际检测的光谱曲线受上述各种因素影响导致的光强值不一致，会造成较大的检测误差，而本发明可以排除由于电源电压波动等因素造成的检测光强信号变化带来的干扰。
2，光强归一化处理方法是把每一点光强信号除以最大值和最小值，得到光强系数最大值都为1的光谱曲线，但该方法容易造成检测精度降低，增加运算时间，且归一化也存在误差。本发明不用对检测光谱做归一化处理，减少了运算时间，同时提升信号的检测精度和检测一致性。
附图说明
图1为本发明基于光谱的化学机械抛光在线终点检测方法的流程图；
图2为经过计算生成的理论光谱曲线示意图；
图3为一定波长范围区域内的理论光谱曲线的示意图；
图4为对图3所示光谱曲线标注极大值和极小值及其对应的波长后的示意图；
图5为采集的原始光谱曲线图；
图6为对图5所示原始光谱曲线图进行滤波处理后的示意图；
图7为对图6所示光谱曲线标注极大值和极小值及其对应的波长后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明基于光谱的化学机械抛光在线终点检测方法的流程图如图1所示，现结合该附图对本发明的在线终点检测方法进行说明。
为便于本领域的技术人员实施本发明，现提供一个实施例如下：
给定一厚度d为500nm的被抛薄膜材料SiO2，其基底材料为Si。选取计算理论光谱波长区域范围为200-800nm，其中，被抛材料SiO2和基底材料Si在200-800nm之间的折射率n、消光系数k可通过资料查询或者测量仪器检测获得。
假设，当SiO2薄膜厚度d＝400nm时停止抛光过程。
首先，根据上述被抛材料SiO2和基底材料Si在200-800nm之间的折射率n、消光系数k和设定厚度d＝400nm计算理论光谱曲线，结果如图2所示。
理论光谱曲线的一种计算方法可以采用以下公式，但不局限于下述公式：
其中，N1为不同λ时的空气折射率、N2为不同λ时的被抛材料复折射率，N3为不同λ时的基底材料复折射率，但不局限于上述公式。
然后，选取理论光谱曲线的一段波长区域，如图3所示，选取250-700nm的波长范围区域。
接着计算上述选取区域内所有极大值和极小值点对应的波长值，分别记为λhi，λlk，同时记λh，λk的个数a，b，如图4所示，分别记为λh1、λh2、λh3和λl1、λl2、λl3，其中，a＝3，b＝3。
随后抛光开始，同时采集原始数据，计算得到一条反映相对反射率和波长关系的光谱曲线，如图5所示，图中所示被抛材料SiO2的初始厚度d＝500nm。
对上述光谱曲线1进行滤波，得到一光滑的光谱曲线，如图6所示。
按照理论光谱曲线范围选取相同区域的光滑光谱曲线，计算该光滑光谱曲线内所有极大值和极小值点对应的波长值，分别记为λhi’，λlk’，同时记λh’，λl’的个数a’，b’，如图7所示，图中选取250-700nm之间的区域，找到相应的极大值和极小值对应的波长值，分别记为λh1’、λh2’、λh3’和λl1’、λl2’、λl3’、λl4’，其中，a’＝3，b＝4’。
接下来，判断是否满足a＝a’且b＝b’，如果结果为否，则继续抛光晶圆过程，对应图1的步骤3；如果结果为是，则计算平方和S＝∑(λhi-λhi’)2+∑(λlk-λlk’)2。
在上述计算中，因为a≠a’,所以继续采集原始数据，做上述相同计算处理。直至a＝a’且b＝b’，然后计算平方和S＝∑(λhi-λhi’)2+∑(λlk-λlk’)2。
判断S是否小于设定阈值，如果否，则继续抛光晶圆，对应图1中的步骤3(从上往下方向第三个框)；如果是，则设备停止抛光过程，说明已经达到预设的去除目标。
以上具体实施方式的描述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于光谱的化学机械抛光在线终点检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1：根据被抛薄膜和基底材料的折射率n、消光系数k和设定的晶圆抛光后的膜厚d值计算出一条理论光谱曲线；
S2：选取上述理论光谱曲线的其中一段波长区域，计算：选取区域内所有相对反射率极大值点对应的波长值λhi和极大值点对应的波长个数a、选取区域内相对反射率极小值点对应的波长值λlk和极小值点对应的波长个数b；
S3：抛光过程中，实时采集原始光谱数据，得到一条反映相对反射率和波长关系的原始光谱曲线，并对该光谱曲线进行滤波，得到一条平滑的滤波光谱曲线；
S4：参照步骤2中对理论光谱曲线的处理方式，选取相同波长区域的滤波光谱曲线区域，计算：选取区域内所有相对反射率极大值点对应的波长值λhi’和极大值点对应的波长个数a’、选取区域内相对反射率极小值点对应的波长值λlk’和极小值点对应的波长个数b’；
S5：判断是否a＝a’且b＝b’，如否，返回步骤S3；如是，计算两组数据之间的差异值S；
S6：判断S是否小于预先设定的阈值，如否，则返回步骤S3；如是，则设备停止抛光。
2.根据权利要求1所述的化学机械抛光在线终点检测方法，其特征在于，步骤1中所述d的厚度值范围为0-5000nm。
3.根据权利要求1所述的化学机械抛光在线终点检测方法，其特征在于，步骤1中的基底材料为单晶硅。
4.根据权利要求1所述的化学机械抛光在线终点检测方法，其特征在于，步骤1中被抛薄膜和基底材料相对反射率的计算公式是：其中， N1为不同λ时的空气折射率、N2为不同λ时的被抛薄膜和基底材料的复折射率，N3为不同λ时的基底材料复折射率。
5.根据权利要求1所述的化学机械抛光在线终点检测方法，其特征在于，步骤1中所述折射率n和消光系数k可通过椭偏仪或膜厚检测仪测量获得。
6.根据权利要求1所述的化学机械抛光在线终点检测方法，其特征在于，步骤2中所述波长区域在200-1100nm之间。
7.根据权利要求1所述的化学机械抛光在线终点检测方法，其特征在于，步骤3中所述对光谱曲线进行滤波系采用快速傅里叶变换、高斯、最小二乘法、高通、低通、带通、移动平均值的一种或多种滤波方法的组合。
8.根据权利要求1所述的化学机械抛光在线终点检测方法，其特征在于，步骤5中所述的计算两组数据之间差异的方法为平方和，即S＝∑(λhi-λhi’)2+∑(λlk-λlk’)2。
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