CN100449703C

CN100449703C - 化学机械研磨终点的控制方法

Info

Publication number: CN100449703C
Application number: CNB2006100300181A
Authority: CN
Inventors: 蒋莉; 张映斌; 衣冠君; 章媛媛
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: CN101121246A

Abstract

公开了一种化学机械研磨终点的控制方法，该方法设置了研磨晶片的研磨参数、相关的前步工艺参数及研磨修正因子，并据此计算得到晶片的研磨时间；再按照研磨时间对所述晶片进行研磨，提高了研磨终点确定的准确性，确保了生产中批与批之间的研磨结果重复性，减少了返工率和废品率。

Description

化学机械研磨终点的控制方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种化学机械研磨终点的控制方法。

背景技术

随着超大规模集成电路ULSI(Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细，对晶片表面的平整度要求也越来越严格。而现在广泛应用的多层布线技术会造成晶片表面起伏不平，对图形制作极其不利，需要进行平坦化(Planarization)处理，使每一层都具有较高的全局平整度。

虽然有许多平坦化技术都曾得到应用，如反刻法、玻璃回流法和旋涂膜层等，但是，这些传统技术都属于局部平面化技术，不能做到全局平坦化。目前，化学机械研磨法(CMP，Chemical Mechanical Polishing)是达成全局平坦化的最佳方法，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(sub-micron)领域后，化学机械研磨已成为一项不可或缺的制作工艺技术。

图1为化学机械研磨示意图，如图1所示，化学机械研磨时，通过转动的研磨头101将晶片102以一定的压力压在置于旋转的转盘上104的研磨垫103上，混有极小磨粒的研磨液105在晶片与研磨垫之间流动，研磨液在研磨垫的传输和旋转离心力的作用下，均匀分布其上，在晶片和研磨垫之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与晶片产生化学反应，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晶片表面去除，溶入流动的液体中带走，从而获得超光滑无损伤的平坦化表面。该技术具有工艺简单、操作温度接近室温，可兼顾局部平坦化与全面平坦化要求的优点，是目前在超大规模集成电路芯片多层布线中最有效的层间平坦化方法。

CMP工艺中最受关注的是有关研磨终点的控制问题。CMP在晶片的表面上，从其凸部开始均匀地一步步少量去除，使之平整，经过平整化后的晶片上所剩余的薄膜厚度需要严格的控制，即要准确地确定研磨总量，否则，可能会出现过度研磨(overpolish)或研磨不足(underpolish)的后果，前者会导致晶片刮伤，后者虽然可以通过返工挽救，但会导致成本上升。此外，随着器件设计规则变得越来越严格，对CMP工艺的要求也越来越高，希望晶片的研磨结果尽可能地维持在一定的规格内，浮动较小，保持较高的重复性，而这些都要求能尽可能准确地控制研磨的终点。

为准确控制研磨终点，发展了CMP工艺的在线实时终点检测(EPD，EndPoint Detection)技术，但是，由于在CMP过程中，晶片表面完全向下靠在研磨垫上，对晶片研磨实施在线实时监测非常困难。目前为止，虽然已提出了基于光学、电学、声学、化学或电化学原理的监测方式，但其中已应用于生产的，只有基于驱动电机电流变化的终点检测技术。该技术的基本原理为：当晶片研磨达到终点时，研磨垫接触的薄膜材料的变化，导致晶片与研磨垫之间的摩擦系数发生显著的变化，例如硅片上多晶硅薄膜被去除，露出下方底层研磨速度相对缓慢的氮化硅薄膜时，硅片与研磨垫之间的摩擦力发生了变化，从而使研磨头或研磨设备回转扭力发生变化，其驱动电机的电流也就会随之变化，此时，由安装在研磨头和研磨设备上的传感器监测驱动电机电流变化即可推知是否达到研磨终点，从而实现在线实时的终点检测。但是该方法在具体实现时仍存在着以下不足：

1、该方法易受到研磨液、机械振动等干扰因素的影响，存在监测精度低、信号处理过于复杂和可靠性差等缺陷，无法确保CMP工艺的重复性。

2、该方法需要对研磨设备进行外型和线路上的修改，实现复杂。

3、该方法只适用于摩擦系数变化大的研磨过程，不适用于仅以去除薄膜厚度为目的的研磨过程。

因此，目前所用的确定CMP终点的主流技术仍是基于时间的离线终点检测技术。该技术检测研磨终点的方法是依照不同产品的需求，预先决定研磨去除量，再以控制研磨时间的方式来决定研磨终点。通常会先对试片进行预先实验研磨，在加工装置外进行离线评估之后，取得研磨时间及研磨速度的关系，再依此来进行产品的CMP平整化。离线终点检测具有易于实施、操作性较强等优点，但是因为影响CMP工艺研磨速率的因素过多，如设备工作的时间长短，研磨垫(polish pad)的新旧程度等会对研磨速率产生影响，导致简单地采用研磨时间来确定研磨终点的方法并不可靠；CMP工艺中待研磨晶片的状态及研磨环境等因素的变化，也会导致到达到研磨终点所需的时间不同，如不同规格晶片表面形貌的不同，前步沉积工艺不稳定造成的待研磨薄膜厚度的不均匀等都会使需要的研磨时间发生变化。因此，单纯采用基于时间的离线终点检测会产生较大的误差，不能有效避免过度研磨或研磨不足的产生，对于要保持批与批之间研磨的高重复性更是尤为困难。图2为采用现有的离线终点检测技术的研磨后厚度统计图，如图2所示，图中201表示的是一批晶片研磨后厚度的数据点，可以看到，多批的研磨后厚度离散范围较大，达

以上，研磨终点的确定明显不够准确。为更为准确地确定研磨终点，现有的CMP工艺不得不随时监测CMP过程中的各种变化因素，如，频繁地利用试片进行研磨速率的测试，在生产过程中进行多次监测等，导致了较低的生产效率，较低的生产成品率以及较高的生产成本。

申请号为03150426.4的中国专利公开了一种决定化学机械研磨的研磨时间的方法，该方法结合了在线实时终点检测和基于时间的离线终点检测技术，通过实验分别确定了不同研磨和晶片类型的研磨层厚度与EPD检测时间的对应轨迹关系，并将根据这一轨迹关系导出的等式存于程序(recipe)中，在研磨时加以套用，实现控制研磨终点的目的。但是该方法中只考虑了不同研磨层厚度对研磨时间的影响，而未考虑到设备状态、设备工作时间、待研磨晶片状态等多种其它因素对确定研磨终点的影响，使得由该方法确定的研磨终点仍不够准确，仍会导致较高的返工率和废品率，需要在生产过程中进行多次监测，生产效率较低。

发明内容

本发明提供了一种化学机械研磨终点的控制方法，该方法全面考虑了影响CMP工艺的众多因素，并将各因素对确定各批晶片研磨终点的影响计入自动化程序中，对总的研磨时间进行修正，提高多批晶片研磨中研磨厚度的一致性和研磨终点的准确性。

本发明提供了一种化学机械研磨终点的控制方法，包括步骤：

确定待研磨晶片的研磨参数、相关的前步工艺参数及研磨修正因子；

根据所述的研磨参数、前步工艺参数及研磨修正因子计算所述晶片的研磨时间；

按照所述研磨时间对所述晶片进行研磨。

其中，所述研磨参数包括预计研磨前厚度、待研磨层的研磨速率和预计研磨时间；所述前步工艺参数包括实际研磨前厚度；所述研磨修正因子包括由研磨设备状态所确定的安全因子、由所述晶片的待研磨层材料确定的第一返工因子和由研磨后的表面材料确定的第二返工因子。且所述安全因子设置值在0.85至1之间，所述第一返工因子设置值在1至3之间，所述第二返工因子设置值在0.3至3之间。

其中，所述研磨时间由公式：研磨时间＝安全因子×(预计研磨时间+(实际研磨前厚度-预计研磨前厚度)/(第一返工因子×研磨速率)×60)确定。

其中，所述预计研磨时间由所述研磨设备之前进行的至少一批的研磨结果确定。

当总研磨批数小于20或在20到40批之间时，所述预计研磨时间由公式T0＝T(n)×M+(T(n-1)+T(n-2)+……+T(1))/(n-1)×(1-M)确定，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中的最后一批的理想研磨时间，M是影响预计研磨时间的改变速率的反馈因子，且所述反馈因子的值在0.25到0.85之间。

当总研磨批数在20到40批之间或超过40批后，所述预计研磨时间根据所述研磨设备之前进行的各批次的研磨结果，由有限接近法确定，其计算公式为：T0＝T(n)×M+T(n-1)×M×(1-M)+T(n-2)×M×(1-M)^2+…+T(n-X+1)×M×(1-M)^X-1)，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中的最后一批的理想研磨时间，M是决定T0的改变速率的反馈因子，X表示确定所述预计研磨时间时采用的研磨批数。

其中，所述反馈因子M的取值范围随所述采用的研磨批数X发生相应变化。

其中，所述最后一批的理想研磨时间是利用最后一批研磨后的实际研磨后厚度与预计研磨后厚度之间的差，对实际的最后一批研磨时间进行修正后的时间。

对于浅槽隔离结构的研磨，化学机械研磨终点的控制方法中所述研磨参数包括预计研磨前厚度、待研磨层的研磨速率、预计研磨时间和预计沟槽深度；所述前步工艺参数包括实际研磨前厚度和实际沟槽深度；所述研磨修正因子包括由研磨设备状态所确定的安全因子、由所述待研磨层状态确定的第一返工因子、由所述研磨后厚度所确定的第二返工因子和由沟道深度偏离效应所确定的沟槽因子。且所述安全因子设置值为0.85至1，所述第一返工因子设置值在1至3之间，所述第二返工因子在0.3至3之间，所述沟槽因子在2至5之间。

其中，所述研磨时间是由公式：研磨时间＝安全因子×(预计研磨时间÷(实际研磨前厚度-预计研磨前厚度)/(第一返工因子×研磨速率)×60-(实际沟槽深度-预计沟槽深度)/(沟道因子×第二返工因子×研磨速率)×60)确定。

当总研磨批数小于20或在20到40批之间时，所述预计研磨时间由公式T0＝T(n)×M+(T(n-1)+T(n-2)+……+T(1))/(n-1)×(1-M)所确定，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中的最后一批的理想研磨时间，M是影响所述预计研磨时间的改变速率的反馈因子，且所述反馈因子的值在0.25到0.85之间。

当总研磨批数在20到40批之间或超过40批后，所述预计研磨时间根据所述研磨设备之前进行的各批次的研磨结果，由有限接近法确定，其计算公式为：T0＝T(n)×M+T(n-1)×M×(1-M)+T(n-2)×M×(1-M)^2+…+T(n-X+1)×M×(1-M)^X-1)，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中最后一批的理想研磨时间，M是决定T0的改变速率的反馈因子，X表示确定所述预计研磨时间时采用的研磨批数。

其中，所述反馈因子的取值范围随所述采用的研磨批数发生相应变化，

此外，所述方法进一步包括：

测量已研磨晶片的研磨后厚度；

根据所述研磨后厚度计算已研磨晶片的理想研磨时间；

结合已研磨晶片的理想研磨时间对下一批待研磨晶片的预计研磨时间进行修正。

其中，所述已研磨晶片的理想研磨时间由所述已研磨晶片的预计研磨时间×安全因子+(所述已研磨晶片的实际研磨后厚度-所述已研磨晶片的预计研磨后厚度)/(第二返工因子×研磨速率)×60所确定。

另外，在按照所述研磨时间对所述待研磨晶片进行研磨前，先要对计算得到的所述研磨时间与预计研磨时间的比值进行检测，所述比值在0.9到1.1之间，开始研磨；否则，停止运行。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明化学机械研磨终点的控制方法，全面考虑了影响CMP工艺的众多因素，如器件结构、晶片表面状态、研磨种类、研磨层厚度、设备工作时间，研磨中耗材的消耗情况以及设备的状态等，采用了闭环控制的方式将各因素对确定研磨终点的影响计入自动化程序中，利用之前进行的多批研磨数据的统计结果对总的研磨时间进行修正，提高了研磨终点确定的准确性，确保了生产中批与批之间的研磨总量的重复一致性，减少了返工率和废品率，减少了利用试片进行研磨速率检测的次数，提高了生产效率，降低了生产成本。

本发明化学机械研磨终点的控制方法，采用的是研磨时间控制模式，程序简单、易于维护，具有较强的灵活性和可操作性。

本发明化学机械研磨终点的控制方法，既适用于各种类型的研磨，如氧化物的研磨，浅槽隔离(STI，Shallow Trench Isolation)的研磨，也适用于各种类型的研磨机，具有通用性强的特点。

本发明化学机械研磨终点的控制方法，具有对本身设置状态的检测能力，通过对防呆因子K1的检测，确保了其本身设置的正确性，进一步提高了研磨的成品率。

附图说明

图1为化学机械研磨工艺示意图；

图2为采用现有的离线终点检测技术的研磨后厚度统计图；

图3为本发明化学机械研磨终点的控制方法的流程图；

图4为本发明第一实施例的研磨后厚度统计图；

图5为本发明第一实施例中集中度取最大值时的反馈因子与研磨速率偏移量的关系图；

图6A和6B为本发明第二实施例中STI沟槽研磨前后的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明化学机械研磨终点的控制方法，可以采用先进的工艺控制(APC，Advance process control)技术，结合生产线上各相关工艺的数据，利用设备上的自动化程序(EAP，Equpiment Automation Program)，将影响研磨终点确定的各因素均计入自动化程序中，同时，利用在本次研磨之前进行的多批研磨结果的统计数据对预计的本次研磨时间进行修正，提高研磨终点确定的准确性。

本发明的第一实施例是对金属层间介电层(ILD，intel metal dielectric)二氧化硅层的研磨终点进行控制。

图3为本发明化学机械研磨控制方法的流程图。结合图3对本发明的第一实施例进行详细介绍：

首先，在EAP程序中选择本次研磨的器件种类及研磨类型(S301)，如果该类器件在EAP中是第一次出现，则在输入本次研磨的器件种类及研磨类型后，还要在EAP中设置该器件种类及研磨类型所对应的相关研磨参数信息；如果该类器件的该种研磨在EAP中已出现过，则可以直接调用研磨参数信息。研磨信息包括预计研磨前厚度Th1，预计研磨后厚度Th2、理想研磨速率RR和预计研磨时间T0。本实施例中，预计的二氧化硅研磨层在研磨前的厚度为

到

如为

研磨后厚度为

到

如为

理想研磨速率是指无图形的研磨材料的平均研磨速率，取值可在

到

之间，如为

第一次研磨时可将预计研磨时间的初始设置值在100到200秒之间，如为150秒，随着研磨批次的增加，每次研磨后都会根据之前的研磨结果对其进行及时修正，以更准确地代表本研磨设备的研磨状态。

然后，对修正因子进行设置(S302)。本发明全面考虑了影响CMP研磨终点的各个因素，如研磨设备的状态，研磨层薄膜的性质、研磨终止时接触到的下层材料的性质等，并以修正因子的形式加入到EAP程序中，对确定到达研磨终点所需的研磨时间进行修正，以确保研磨生产中批与批之间的重复性，减少返工率和废品率。

本实施例中采用了三个修正因子对研磨终点的确定进行修正：

1、安全因子S1：该修正因子主要是考虑了因研磨设备状态不同造成的研磨终点的偏差。如新更换了研磨垫的研磨设备，其研磨速率会略快，若仍按一般的研磨时间作为标准，易造成过度研磨，损伤硅片，此时可将安全因子设为0.95，将其与通常所用的研磨时间相乘，得到本批的研磨时间，就可以有效防止过度研磨。该修正因子可随研磨垫使用时间的长短而取不同的值，一般取值范围在0.85到1之间，随着研磨垫使用的时间越长，其取值越接近于1，该安全因子主要是为了防止硅片过研磨，造成废品率上升。

2、第一返工因子R1：该修正因子主要是考虑不同的待研磨层材料性质不同，软硬程度不同，其研磨速率也会有所差别，会对研磨终点的确定有所影响。其取值范围一般在1到3之间，如掺杂不同的氧化硅材料的研磨速率就有所不同，若待研磨材料是掺有硼(B)、磷(P)的二氧化硅材料硼磷硅玻璃BPSG，其研磨速率会较快，就可以将第一返工因子R1设置在2-2.5左右，如为2.3；若是未掺杂的二氧化硅，则可将第一返工因子R1设置为接近1，如为1。

3、第二返工因子R2：该修正因子主要是考虑到研磨后表面材料的性质对确定研磨终点的影响。其取值也是根据不同的研磨后表面材料的不同性质，不同软硬程度而确定，设置范围一般在0.3到3之间，如若二氧化硅研磨后，露出的下层材料为较硬的SiN层，则其第二返工因子R2可取值0.3。本实施例中只是将二氧化硅层减薄，研磨后露出的仍是二氧化硅层，则此时的第二返工因子R2的取值可与第一返工因子R1相同，如都设置为1。

可以看出，当研磨设备和待研磨器件的种类及研磨类型确定后，这两个修正因子也就确定了，可以在EAP中直接输入对应的设置值。

接着，输入本批待研磨硅片的批号，得到与本批硅片相关的前步工艺数据(S303)。除利用修正因子对研磨时间进行修正外，还考虑到了前面工艺对研磨结果的影响。本实施例中，前面沉积二氧化硅层工艺具有一定不稳定性、其所沉积的二氧化硅层很可能与系统中设置的预计研磨前厚度不一致。如果不加考虑，研磨后这一原有的厚度不一致性还会被继承下去，不可能在CMP后实现硅片厚度一致。本实施例中利用APC技术，实现了生产线上相关工艺数据的共享，在EAP中输入本批待研磨硅片的批号后，即可自动调入本批待研磨硅片在前步工艺中的相关数据信息，如可得到本批硅片在沉积二氧化硅后测量得到的实际二氧化硅层厚度，即实际研磨前厚度Th。

再接着，利用公式计算本批硅片的研磨时间T(S304)。本实施例中所用的公式为：

T＝S1×(T0+(Th-Th1)/(R1×RR)×60)

其中，T为计算所得的本批硅片的研磨时间；

S1为安全因子；

T0为预计研磨时间；

Th为实际研磨前厚度；

Th1为预计研磨前厚度；

R1为第一返工因子；

RR为理想的研磨速率。

由公式可以看到，本实施例中计算本批硅片的研磨时间时，考虑到了前步工艺对研磨时间的影响，并结合修正因子S1、R1对实际所需要的研磨时间进行了修正，提高了确定研磨终点的准确性，提高了批与批之间研磨结果的重复性。图4为本发明第一实施例的研磨后厚度统计图，如图4所示，图中401表示的是一批硅片研磨后厚度的数据点，可以看到，与图2相比，多批的研磨后厚度的离散范围已缩小至

左右，批与批之间的重复性有显著的提高。

本实施例中，在计算得到本批硅片的研磨时间T后，要对该计算结果进行防呆检查(S305)。为进一步提高研磨的成品率，要防止一些人为因素导致研磨时间T计算错误，如某个参数输入错误，可能会导致研磨时间远远偏离正常值，例如，前步沉积二氧化硅的操作人员错将测量的二氧化硅层实际厚度输为

此时，计算得到的本批的研磨时间T时会远远大于通常的预计研磨时间，如果不进行防呆检查，直接由程序自动按计算得到的研磨时间T进行研磨，显然会造成过度研磨，导致本批硅片全部报废，长实施例中，设置了防呆因子K1，其定义为计算得到的本批研磨时间T与预计研磨时间T0的比值，由于每批结束后都要对下一批的预计研磨时间T0进行修正，故而K1值也是随时更新的。在正式研磨前由程序自动检查该K1值，如果K1值在0.9到1.1之间，表明正常，可以进入下一步程序的执行；如果发现K1值超出了0.9到1.1之间的范围，则有可能是因一些参数输入错误造成，此时，程序会停止运行，提示工程师对所设置参数进行检查，杜绝人为失误造成的损失。

然后，在检查判断出防呆因子K1正常后，按照计算得到的本批硅片的研磨时间T对本批硅片进行研磨(S306)。

本批硅片研磨完成后，需要对硅片的研磨后厚度进行测量，并输入EAP中(S307)。本步操作可以为下一次研磨时间的确定提供数据。

接着，EAP根据输入的实际研磨后厚度对对本研磨设备的下一批预计研磨时间T0进行修正(S308)。

当该种器件种类及研磨类型在本研磨设备上进行的次数还较少时，如少于20次或在20到40次之间时，可利用公式：

T0＝T(n)×M+(T(n-1)+T(n-2)+……+T(1))/(n-1)×(1-M)对本研磨设备上该种器件种类及研磨类型的预计研磨时间T0进行修正。

当该种器件种类及研磨类型在本研磨设备上进行研磨的总次数已较多如总次数达到20到40次之间或多于40次时，可用有限接近法对预计研磨时间T0进行修正，该方法更为精确，其公式为：

T0＝T(n)×M+T(n-1)×M ×(1-M)+T(n-2)×M×(1-M)^2+…+T(n-X+1)×M×(1-M)^(X-1)

上述两个公式中的，n为总研磨批数；M是决定T0的改变速率的反馈因子；X表示确定所述预计研磨时间时采用的研磨批数，X的取值由计算精度要求和数据库的大小决定，X越大，则计算越精确，但所需存储的有关研磨结装的数据量越多，需要的数据存储空间也越大；公式中的T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中最后一批的理想研磨时间，即根据最后一次研磨的实际研磨后厚度Thk与预计研磨后厚度Thk1之间的差，计算得出的若要达到预计研磨后厚度Thk1的研磨时间，所用的公式为：

T(n)＝T0×S1+(Thk-Thk1)/(R2×RR)×60

其中，T(n)为计算所得的之前的n批研磨中最后一批的理想研磨时间：

S1为安全因子；

T0为本次的预计研磨时间；

Thk为实际研磨后厚度；

Thk1为预计研磨后厚度；

R2为第二返工因子；

RR为理想的研磨速率。

另外，对T0进行修正的两个公式中的M是决定预计研磨时间T0的改变速率的反馈因子，M的取值范围随着采用的研磨批数X取值的不同会有相应的变化，如当X取值为20时，M的可取值范围在0.25到0.85之间，如果此时M取值过小，假设取为0.1，则会造成对T0的修正不准确，最终影响到研磨终点确定的准确性；但当X的取值较大时，如100，此时即使M的取值略小些，对T0的修正影响也不会很大，因此，在设置M值时需要注意其取值范围随X的取值的不同要有相应的变化。一般M取值范围的确定是通过大量实验数据确定的，目的是为了得到更准确的研磨终点，实现批与批之间的高重复性。

半导体制造工艺中，衡量批与批之间重复性的一个重要参数是制造能力指数或称为集中度Cpk，Cpk值越大，表示批与批之间的重复性越好。为得到反馈因子M的最佳取值范围，在利用有限接近法对预计研磨时间T0进行修正时，采用的研磨批数为20的情况下，对多批硅片在不同研磨速率RR下，取不同M值时的Cpk进行了统计。图5为本发明第一实施例中集中度取最大值时的反馈因子与研磨速率偏移量的关系图，如图5所示，图中501是实验数据点，可以看出，随着研磨速率偏移量的增大，对于集中度Cpk为最大值时的反馈因子M值集中在0.25到0.85之间，因此，本发明中反馈因子M一般取值在此范围内，以达到对预计研磨时间T0的最佳的修正效果。本修正步骤利用该研磨设备本次及之前的多批研磨的结果数据对下次的预计研磨时间进行修正，用这种统计的修正方法可以将该研磨设备的研磨特点及研磨规律综合到一起，更为准确地控制下一批硅片的研磨。

至此，完成了一次硅片上ILD层的研磨过程，通过以上各种修正，本实施例实现了准确的研磨终点的确定，提高了批与批间研磨结果的重复性。

本发明的第二实施例是对浅槽隔离(STI)结构进行研磨。一般的APC系统只能用于氧化硅的研磨控制，而本发明的APC系统还可以用于STI结构的研磨控制。

图6A和6B为本发明的第二实施例中的STI结构研磨前后示意图。图6A为研磨前的STI结构示意图，如图6A所示，STI结构的形成为：首先在Si衬底601上沉积生长一层SiN停止层602，厚度在1000-

之间，如为

光刻出隔离图案后进行刻蚀形成STI沟槽，沟槽深度一般在

之间，如为接着沉积一层厚的SiO₂层603作为填充物填充沟槽，厚在度4000

之间，如为

形成STI结构后需要作平坦化处理以去除多余的填充物，图6B为研磨后的STI结构示意图，如图6B所示，填充沟槽后，表面多余的二氧化硅603已研磨去除，形成了一个平坦的硅片表面。

下面结合图3对控制该STI结构研磨的终点的方法进行详细介绍：

首先，在EAP程序中选择特研磨的STI结构对应的器件种类及研磨类型(S301)。如果该类器件已在选用的研磨设备上处理过，则可以直接调用在EAP中已设置的该器件种类及研磨类型所对应的相关参数信息。如：预计研磨前SiO₂层603的厚度为

预计研磨后SiN停止层602的厚度为

预计沟槽深度为理想研磨速率为

本批的预计研磨时间为100秒。

然后，对修正因子进行设置(S302)。STI结构的研磨是要将表面多余的填充物二氧化硅研磨去除，在研磨至下层的SiN层时停止，在确认研磨终点时下层的SiN层的材料性质也会对研磨结果有影响。另外，确定研磨终点时，STI结构中沟槽的形成状态，如深度也会影响到研磨的结果，若沟槽深度比预计的要深，则意味着为了防止STI结构受到损伤，对于厚度相同的表面氧化硅层的研磨量必须要减小，即研磨时间要缩短。此外，为了更好地控制STI结构的研磨，还要考虑到器件密度对沟槽研磨速率的影响。所以在本实施例中，除第一实施例中的所说的考虑到被研磨设备状态不同造成的研磨终点的偏差而设置的安全因子S1、考虑到不同的待研磨层材料性质对研磨结果的影响的第一返工因子R1和考虑到研磨后表面材料的性质对确定研磨终点的影响的第二返工因子R2外，还需要增加为了弥补刻蚀沟槽的偏离效应而设置的沟槽因子Tr，其兼顾到了器件密集度对研磨结果的影响。

其中，安全因子S1、第一返工因子R1和第二返工因子R2的设置方法与第一实施例中的一致。安全因子S1的取值范围也在0.85到1之间，如对于新更换了研磨垫或新更换了在研磨过程中用于处理研磨垫的金刚盘的研磨设备，可将安全因子设为0.95，以防止研磨速率过快造成过度研磨。第一返工因子R1的设置范围在1到3之间，本实施例中待研磨的表面材料二氧化硅层，可取值为1。第二返工因子R2的取值范围在0.3到3之间，本实施例中要将待研磨的表面材料二氧化硅层完全去除，露出其下层的SiN层，为防止二氧化硅去除不干净，一般也会研磨掉一小部分SiN，因此，研磨完成后露出的表面材料应是SiN，故而第二返工因子R2取值可为0.3。沟槽因子Tr决定了补偿沟槽的深度差异的程度，其取值与器件密集度有关，密集度越大，其取值越大，取值范围一般在2到5之间，如为4。

接着，输入本批待研磨硅片的批号，获得本批硅片的相关数据(S303)。本实施例中前面工艺中对研磨结果有较大影响的除了有二氧化硅层的实际沉厚度外，还有STI沟槽的实际刻蚀深度。本实施例中，在EAP中输入本批待研磨硅片的批号后，即可利用APC技术自动调入本批待研磨硅片的相关工艺的共享数据，如可得到本批硅片在沉积二氧化硅后测量得到的实际二氧化硅层厚度，即实际研磨前厚度Th，如为和本批硅片在刻蚀STI沟槽后形成的实际沟槽深度Thr，如为

再接着，就可以利用公式计算本批硅片的研磨时间T(S304)。本实施例中所用的公式为：

T＝S1×((T0+(Th-Th1)/(R1×RR)×60)-(Thr-Thr1)/(Tr×R2×RR)×60)

其中，T为计算所得的本批硅片的研磨时间；

S1为安全因子；

T0为预计研磨时间；

Th为实际研磨前厚度；

Th1为预计研磨前厚度；

R1为第一返工因子；

RR为理想的研磨速率；

Thr为实际沟槽深度；

Thr1为预计沟槽深度；

Tr为沟槽因子；

R2为第二返工因子。

由公式可以看到，本实施例中的公式与第一实施例中的公式相比，增加了有关沟槽深度的偏移量的修正项，该修正项是考虑到研磨时，ST1结构中沟槽的实际深度对确定STI研磨终点的影响。如：若沟槽深度比预计的要深，则意味着填充相同厚度的二氧化硅层后，在沟槽上的需要研磨去除的二氧化硅层厚度要小，这显然会影响到研磨终点的判断，需要缩短研磨时间，以防止损伤STI结构。

然后，进行防呆检查(S305)。在正式研磨前由程序自动检查防呆因子K1值，如果K1值在0.9到1.1之间，表明正常，可以进入下一步程序的执行；如果发现K1值超出了0.9到1.1之间的范围，则可能出现了错误，此时，程序会停止运行，提示工程师对所设置参数进行检查。

接着，判断出防呆因子K1正常后，按照计算得到的研磨时间T对本批硅片进行研磨(S306)。

当该种器件种类及研磨类型在本研磨设备上进行的次数还较少时，如少于20次，或在20到40次之间时，可利用公式：

当该种器件种类及研磨类型在本研磨设备上进行研磨的总次数已较多，达到20到40次之间或超过40次时，可用有限接近法对预计研磨时间T0进行修正，该方法更为精确，其所用公式为：

T0＝T(n)×M+T(n-1)×M×(1-M)+T(n-2)×M×(1-M)^2+…+T(n-X+)×M×(1-M)^(X-1)

上述两个公式中的，n为总研磨批数，M是决定T0的改变速率的反馈因子，其取值范围所所采用的研磨批数有关，一般在0.25到0.85之间，如为0.3；X表示确定所述预计研磨时间时采用的研磨批数，其取值同样由计算精度要求和数据库的大小决定；公式中的T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中最后一批的理想研磨时间，即根据最后一次研磨的实际研磨后厚度Thk与预计研磨后厚度Thk1之间的差，计算得出的若要达到预计研磨后厚度Thk1的研磨时间，所用的公式为：

T(n)＝T0×S1+(Thk-Thk1)/(R2×RR)×60

其中，T(n)为计算所得的之前的n批研磨中最后一批的理想研磨时间；

S1为安全因子；

T0为本次的预计研磨时间；

Thk为实际研磨后厚度；

Th1为预计研磨后厚度；

R2为第二返工因子；

RR为理想的研磨速率。

至此，控制完成了一批硅片的STI结构的研磨过程。通过采用本发明的控制方法，本实施例中的STI研磨后的SiN后厚度偏离小于

本发明利用APC系统采用闭合循环的控制方式，监控研磨工艺中批与批之间的研磨状态，并将产品信息自动反馈给微调程序，及时调整对预计研磨时间，减少废品率和返工率，大大节约了监控研磨速率所需的时间和成本，返工率由采用本发明的控制方法之前的>6％降到3％，所需的监控频率由采用本发明的控制方法之前的每6批监控一次，降到每天一次，效果显著。

另外，采用本发明对研磨时间进行修正前，硅片研磨的集中度Cpk的平均值＜1，而采用本发明对研磨时间进行修正后，硅片研磨的集中度Cpk的平均值达到＞1.55，也就是说，批与批之间的研磨结果重复性、集中度有了明显的提高。

本发明综合考虑了众多影响CMP研磨结果的因素，如安全因子、第一返工因子、第二返工因子等，并利用防呆因子对程序结果进行自检，利用反馈因子调整对预计研磨时间进行修正的速率。

以上实施例中，列举了当研磨设备新更换了研磨垫或新更换了在研磨过程中用于处理研磨垫的金刚盘时，对安全因子的影响；在本发明的其它实施例中，安全因子的设置还可以因其它研磨设备状态的变化而发生改变，如使用研磨液的状态、研磨头的状态等。

以上实施例中，列举了部分修正因子的设置方法，在本发明的其它实施例中，工程师还可以根据一些实际情况对各修正因子进行灵活的设置，给予了工程师较大的可操作空间。

以上实施例中，是利用APC技术自动获得相关的工艺参数，并通过EAP设置及运行控制程序的；在本发明的其它实施例中，也可以通过人工计算或自编程序确定本批所需的研磨时间，再直接对研磨终点进行控制。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1、一种化学机械研磨终点的控制方法，其特征在于，包括步骤：

确定待研磨晶片的研磨参数、相关的前步工艺参数及研磨修正因子，且所述研磨参数包括预计研磨前厚度、待研磨层的研磨速率和预计研磨时间，所述前步工艺参数包括实际研磨前厚度，所述研磨修正因子包括由研磨设备状态所确定的安全因子、由所述晶片的待研磨层材料确定的第一返工因子和由研磨后的表面材料确定的第二返工因子；

根据所述的研磨参数、前步工艺参数及研磨修正因子计算所述晶片的研磨时间，且所述研磨时间由公式：研磨时间＝安全因子×(预计研磨时间+(实际研磨前厚度-预计研磨前厚度)/(第一返工因子×研磨速率)×60)确定；

按照所述研磨时间对所述晶片进行研磨。

2、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述安全因子设置值在0.85至1之间。

3、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述第一返工因子设置值在1至3之间。

4、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述第二返工因子设置值在0.3至3之间。

5、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述预计研磨时间由所述研磨设备之前进行的至少一批的研磨结果确定。

6、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：总研磨批数小于20或在20到40批之间时，所述预计研磨时间由公式T0＝T(n)× M+(T(n-1)+T(n-2)+......+T(1))/(n-1)×(1-M)确定，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中的最后一批的理想研磨时间，M是影响预计研磨时间的改变速率的反馈因子。

7、如权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述反馈因子的值在0.25到0.85之间。

8、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：总研磨批数在20到40批之间或超过40批后，所述预计研磨时间根据所述研磨设备之前进行的各批次的研磨结果，由有限接近法确定。

9、如权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述预计研磨时间由公式T0＝T(n)×M+T(n-1)×M×(1-M)+T(n-2)×M×(1-M)^2+...+T(n-X+1)×M×(1-M)^(X-1)确定，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中的最后一批的理想研磨时间，M是决定T0的改变速率的反馈因子，X表示确定所述预计研磨时间时采用的研磨批数。

10、如权利要求9所述的控制方法，其特征在于：所述反馈因子的取值范围随所述采用的研磨批数发生相应变化。

11、如权利要求9所述的控制方法，其特征在于：所述最后一批的理想研磨时间是利用最后一批研磨后的实际研磨后厚度与预计研磨后厚度之间的差，对实际的最后一批研磨时间进行修正后的时间。

12、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述方法进一步包括：

测量已研磨晶片的研磨后厚度；

根据所述研磨后厚度计算已研磨晶片的理想研磨时间；

13、如权利要求12所述的控制方法，其特征在于：所述已研磨晶片的理想研磨时间由所述已研磨晶片的预计研磨时间×安全因子+(所述已研磨晶片的实际研磨后厚度-所述已研磨晶片的预计研磨后厚度)/(第二返工因子×研磨速率)×60所确定。

14、如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：对所述待研磨晶片进行研磨前，先对计算得到的所述研磨时间与预计研磨时间的比值进行检测，所述比值在0.9到1.1之间，开始研磨；否则，停止运行。

15、一种浅槽隔离结构的化学机械研磨终点的控制方法，其特征在于，包括步骤：

确定待研磨晶片的研磨参数、相关的前步工艺参数及研磨修正因子，且所述研磨参数包括预计研磨前厚度、待研磨层的研磨速率、预计研磨时间和预计沟槽深度，所述前步工艺参数包括实际研磨前厚度和实际沟槽深度，所述研磨修正因子包括由研磨设备状态所确定的安全因子、由所述待研磨层状态确定的第一返工因子、由所述研磨后厚度所确定的第二返工因子和由沟道深度偏离效应所确定的沟槽因子；

根据所述的研磨参数、前步工艺参数及研磨修正因子计算所述晶片的研磨时间，且所述研磨时间是由公式：研磨时间＝安全因子×(预计研磨时间+(实际研磨前厚度-预计研磨前厚度)/(第一返工因子×研磨速率)×60-(实际沟槽深度-预计沟槽深度)/(沟道因子×第二返工因子×研磨速率)×60)确定；

按照所述研磨时间对所述晶片进行研磨。

16、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：所述安全因子设置值为0.85至1。

17、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：所述第一返工因子设置值在1至3之间。

18、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：所述第二返工因子在0.3至3之间。

19、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：所述沟槽因子在2至5之间。

20、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：所述预计研磨时间由所述研磨设备之前进行的至少一批的研磨结果确定。

21、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：总研磨批数小于20或在20到40批之间时，所述预计研磨时间由公式T0＝T(n)×M+(T(n-1)+T(n-2)+......+T(1))/(n-1)×(1-M)所确定，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中的最后一批的理想研磨时间，M是影响所述预计研磨时间的改变速率的反馈因子。

22、如权利要求21所述的控制方法，其特征在于：所述反馈因子的值在0.25到0.85之间。

23、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：总研磨批数在20到40批之间或超过40批后，所述预计研磨时间根据所述研磨设备之前进行的各批次的研磨结果，由有限接近法确定。

24、如权利要求23所述的控制方法，其特征在于：所述预计研磨时间由公式T0＝T(n)×M+T(n-1)×M×(1-M)+T(n-2)×M×(1-M)^2+...+T(n-X+1)×M×(1-M)^(X-1)确定，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中最后一批的理想研磨时间，M是决定T0的改变速率的反馈因子，X表示确定所述预计研磨时间时采用的研磨批数。

25、如权利要求24所述的控制方法，其特征在于：所述反馈因子的取值范围随所述采用的研磨批数发生相应变化。

26、如权利要求24所述的控制方法，其特征在于：所述最后一批的理想研磨时间是利用最后一批研磨后的实际研磨后厚度与预计研磨后厚度之间的差，对实际的最后一批研磨时间进行修正后的时间。

27、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：所述方法进一步包括：

测量已研磨晶片的研磨后厚度；

根据所述研磨后厚度计算已研磨晶片的理想研磨时间；

28、如权利要求27所述的控制方法，其特征在于：所述已研磨晶片的理想研磨时间由所述已研磨晶片的预计研磨时间×安全因子+(所述已研磨晶片的实际研磨后厚度-所述已研磨晶片的预计研磨后厚度)/(第二返工因子×研磨速率)×60所确定。

29、如权利要求15所述的控制方法，其特征在于：对所述待研磨晶片进行研磨前，先对计算得到的所述研磨时间与预计研磨时间的比值进行检测，所述比值在0.9到1.1之间，开始研磨；否则，停止运行。