CN101456151B - 化学机械研磨及其终点检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种化学机械研磨方法，包括：确定检测参数；执行主研磨操作，获得所述检测参数的变化率与时间的函数关系；在所述检测参数的变化率取极值之时或之后，执行过研磨操作。可准确地确定过研磨操作的基点，提高晶片之间研磨的均匀性。一种化学机械研磨终点检测方法，包括：确定检测参数；在主研磨过程中，获得所述检测参数的变化率与时间的函数关系；确定所述变化率的极值和过研磨操作持续时间；所述变化率取极值之时或之后，再经历所述过研磨操作持续时间到达研磨终点。可准确地确定主研磨操作的终点，继而准确地确定过研磨操作的基点，以提高晶片之间研磨的均匀性。
Description
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及其终点检测方法。
背景技术
化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization，CMP)是一种全局表面平坦化技术，在半导体制造过程中用以减小晶片厚度的变化和表面形貌的影响。由于CMP可精确并均匀地把晶片平坦化为需要的厚度和平坦度，已经成为半导体制造过程中应用最广泛的一种表面平坦化技术。
实际生产过程中，通常采用终点检测来衡量CMP是否已将材料研磨至所需厚度。有些CMP应用对终点检测来说是简单的，如平坦化钨覆盖层时，由于金属钨和下面介质层材料间具有不同的平坦化速率，平坦化过程会在介质层材料处停下来，此时，介质层作为金属钨层平坦化的研磨终止层存在。但对于无研磨终止层的平坦化过程而言，通常利用原位终点检测弥补平坦化速率的变化并提供平坦化均匀性的检测。现行的两种最常用的原位终点检测方法为电机电流终点检测法和光学终点检测法。
电机电流终点检测法通过检测磨头或转盘电机中的电流量监控平坦化速率。平坦化量的变化(即电机负载)会导致电机电流量的变化，由于磨头是匀速旋转的，为补偿电机负载的变化，电机电流量会有相应变化，即电机电流对晶片表面粗糙程度的变化是敏感的。由此，通过检测电机电流量的变化可实现平坦化程度的检测。光学终点检测法是一种基于光反射原理的终点检测方法，光从膜层上反射的不同角度与膜层材料和膜层厚度相关，若膜层材料厚度变化，光学终点检测可测量到从平坦化膜层反射的紫外光或可见光之间的干涉。利用干涉信号处理算法连续地测量平坦化中膜层厚度的变化，可测定平坦化速率。相应的化学机械研磨及其终点检测方法在2005年9月21日公开的公告号为“CN1670923A”的中国专利申请中以及在2006年1月4日公开的公告号为“CN1717785A”的中国专利申请中有所披露。
实际生产中，执行化学机械研磨操作的步骤包括：确定检测参数；获得所述检测参数与时间的函数关系；执行主研磨操作，直至所述检测参数取设定值；以所述设定值对应的时间为基点，执行过研磨操作。
以利用光学方法进行研磨终点检测为例，获得的终点检测检测图像如图1所示，所述终点检测检测图像为选定的检测参数与时间的函数曲线。
如图1所示，所述函数是单调递减函数，在对应时间为75～125秒之间所述函数递减程度较为剧烈，说明经历此段过程后，研磨表面趋于平坦；通常，选定上述时间区间内的任一值对应的检测参数值为设定值，使得当所述检测参数达到所述设定值时，停止所述主研磨操作；继而，以所述设定值对应的时间为基点，执行过研磨操作。
然而，即使在上述时间区间内所述函数递减程度较为剧烈，但由于所述函数是逐渐递减的，实践中，难以确定所述检测参数达到设定值；即，利用现有技术难以准确地确定所述过研磨操作的基点，而所述过研磨操作又是利用其确定的持续时间检测终点，致使所述基点选取的不准确将导致确定的研磨终点不准确，使得经历所述研磨操作后膜层的平坦度难以满足要求。
发明内容
本发明提供了一种化学机械研磨方法，可准确地确定过研磨操作的基点，提高晶片之间研磨的均匀性；本发明提供了一种化学机械研磨终点检测方法，可准确地确定主研磨操作的终点，继而准确地确定过研磨操作的基点，以提高晶片之间研磨的均匀性。
本发明提供的一种化学机械研磨方法，包括：
确定检测参数；
执行主研磨操作，获得所述检测参数的变化率与时间的函数关系；
在所述检测参数的变化率取极值之时或之后，执行过研磨操作。
可选地，所述检测参数为反射率或电流值；可选地，所述极值为极小值。
本发明提供的一种化学机械研磨方法，包括：
确定检测参数；
执行主研磨操作，获得所述检测参数与时间的函数关系；
获得所述函数的N次导数函数，N大于1；
在所述N次导数函数取极值之时或之后，执行过研磨操作。
可选地，所述检测参数为反射率或电流值；可选地，所述极值为至少一个极小值及/或至少一个极大值中的一个；可选地，所述极值为获得的第一个极小值或第一个极大值。
本发明提供的一种化学机械研磨终点检测方法，包括：
确定检测参数；
在主研磨操作中，获得所述检测参数的变化率与时间的函数关系；
确定所述变化率的极值和过研磨操作持续时间；
所述变化率取极值之时或之后，再经历所述过研磨操作持续时间后到达研磨终点。
可选地，所述检测参数为反射率或电流值；可选地，所述极值为极小值；可选地，根据所述极值对应的时间确定所述过研磨操作持续时间。
本发明提供的一种化学机械研磨终点检测方法，包括：
确定检测参数；
在主研磨操作中，获得所述检测参数与时间的函数关系；
获得所述函数的N次导数函数，N大于1；
确定所述N次导数函数的极值和过研磨操作持续时间；
所述N次导数函数取极值之时或之后，再经历所述过研磨操作持续时间到达研磨终点。
可选地，所述检测参数为反射率或电流值；可选地，所述极值为至少一个极小值及/或至少一个极大值中的一个；可选地，所述极值为获得的第一个极小值或第一个极大值；可选地，根据所述极值对应的时间确定所述过研磨操作持续时间。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
上述技术方案提供的化学机械研磨方法，通过采用检测参数的变化率作为新的检测参数，使得原有的包含检测参数与时间的函数关系的检测图像，变为包含检测参数的变化率与时间的函数关系的检测图像，继而，以所述检测参数的变化率与时间的函数的极值对应的时间作为过研磨操作的基点，利用函数关系改变后确定极值的准确性，提高确定所述过研磨操作基点的准确性，进而提高晶片之间研磨的均匀性；
上述技术方案提供的化学机械研磨方法，通过采用检测参数与时间的函数的N次导数函数作为新的检测参数，使得原有的包含检测参数与时间的函数关系的检测图像，变为包含检测参数与时间的函数的N次导数函数的检测图像，继而，以所述N次导数函数的极值对应的时间作为过研磨操作的基点，利用函数关系改变后确定极值的准确性，提高确定所述过研磨操作基点的准确性，进而提高晶片之间研磨的均匀性；
上述技术方案提供的化学机械研磨终点检测方法，通过采用检测参数的变化率作为新的检测参数，使得原有的包含检测参数与时间的函数关系的检测图像，变为包含检测参数的变化率与时间的函数关系的检测图像，继而，以所述检测参数的变化率与时间的函数的极值对应的时间作为过研磨操作的基点，利用函数关系改变后确定极值的准确性，提高确定所述过研磨操作基点的准确性，进而可提高终点检测的准确性，并提高晶片之间研磨的均匀性；
上述技术方案提供的化学机械研磨终点检测方法，通过采用检测参数与时间的函数的N次导数函数作为新的检测参数，使得原有的包含检测参数与时间的函数关系的检测图像，变为包含检测参数检测参数与时间的函数的N次导数函数的检测图像，继而，以所述N次导数函数的极值对应的时间作为过研磨操作的基点，利用函数关系改变后确定极值的准确性，提高确定所述过研磨操作基点的准确性，进而可提高终点检测的准确性，并提高晶片之间研磨的均匀性。
附图说明
图1为说明现有技术中利用光学终点检测方法获得的检测图像；
图2为说明本发明第一实施例的利用光学终点检测方法获得的检测图像；
图3为说明本发明第二实施例的利用光学终点检测方法获得的检测图像。
具体实施方式
尽管下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应当理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列的描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛教导，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下列说明和权利要求书本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
应用本发明提供的方法进行化学机械研磨的具体步骤包括：
步骤1：确定检测参数。
对于待研磨膜层，无论其下是否具有研磨停止层，在经历化学机械研磨过程时，通常均需利用终点检测监测所述研磨过程的进行。用以作为所述终点检测的标量的参数即为所述检测参数。
利用光学终点检测法监测所述研磨过程时，所述检测参数可为反射率(reflectivity)；利用电机电流终点检测法监测所述研磨过程时，所述检测参数可为电流值。随着所述研磨过程的进行，所述检测参数发生变化；即，所述检测参数与所述研磨过程持续的时间之间具有函数关系。
通常，获得的终点检测图像即为所述检测参数对时间的函数。随着时间的增加，所述检测参数的检测值逐渐减小。所述检测参数随时间的递减程度较为剧烈时，说明研磨表面趋于平坦，即，所述研磨操作即将到达终点。
为准确检测研磨终点，以精确控制所述研磨操作，通常选定一设定值，所述设定值可为任一检测参数值；使得当所述检测参数达到所述设定值时，停止所述主研磨操作；继而，以所述设定值对应的时间为基点，执行过研磨操作。
然而，实践中，难以确定所述检测参数达到设定值；即，利用现有技术难以准确地确定所述过研磨操作的基点，而所述过研磨操作又是利用其确定的持续时间检测终点，致使所述基点选取的不准确将导致确定的研磨终点不准确，使得经历所述研磨操作后膜层的平坦度难以满足要求。
本发明的发明人分析后认为，如何选取检测参数，使得易于准确检测所述检测参数达到设定值，成为增强单一晶片研磨准确性和不同晶片间研磨均匀性的指导方向。
本发明的发明人分析后认为，由于随着时间的增加，所述检测参数对时间的函数经历先逐渐剧烈，再逐渐变缓的变化过程，即所述检测参数的变化率将经历先变小再变大的变化过程，以此变化过程中的拐点对应的函数值作为设定值，即以所述拐点对应的时间作为后续过研磨操作的基点，由于所述拐点对应的函数值先变小再变大，变化明显，易于准确地检测到所述函数值，致使选取所述检测参数的变化率作为新的检测参数，可使准确地选取过研磨操作的基点成为可能。
本发明提供的方法中，以选定的检测参数的变化率作为新的检测参数。即，利用光学终点检测法监测所述研磨过程时，可以反射率的变化率作为新的检测参数；利用电机电流终点检测法监测所述研磨过程时，可以电流值的变化率作为新的检测参数。
步骤2：执行主研磨操作，获得所述检测参数的变化率与时间的函数关系。
获得所述检测参数的变化率与时间的函数关系，即为获得新的检测参数与时间的函数关系。
获得所述检测参数的变化率与时间的函数关系的步骤包括：获得所述检测参数与时间的函数关系；获得所述函数的导数函数。
对于终点检测图像如图1所示的研磨过程，检测参数为反射率；对应时间为75～125秒之间的所述函数递减程度较为剧烈，若选用时间为100秒时对应的函数值作为设定值，难以准确检测所述设定值。
作为本发明的第一实施例，应用本发明提供的方法选用的新检测参数为反射率的变化率，选用此新检测参数后，获得的终点检测图像如图2所示。对应时间为75～125秒之间的所述函数变化程度更为剧烈，即在75～100秒之间的所述函数随时间的增加单调递减，在100～125秒之间的所述函数随时间的增加单调递增，即对应时间为100秒的点为所述函数的拐点，与图1所示的函数曲线相比，图2所示的函数曲线在75～125秒之间的时间段内，拐点与其临近点的检测参数值差距更明显，更容易被准确检测到。
此外，可扩展地，若以所述反射率的变化率作为检测参数，即可继续以所述反射率的变化率的变化率作为检测参数。即，所述检测参数为反射率时，检测图像为反射率对时间的函数；而应用本发明提供的方法时，所述检测图像既可为所述函数的导数函数，又可为所述导数函数的导数函数；并且，所述检测图像还可为所述导数函数的导数函数的导数函数，......，即，所述检测图像可为所述函数的N次导数函数，N可为任意自然数，且N大于1。
换言之，获得所述检测参数变化率与时间的函数关系的步骤还包括：获得所述导数函数的N次导数函数。N可为任意自然数，且N大于1。
作为本发明的第二实施例，所述检测图像为所述函数的2次导数函数时，获得的所述检测图像如图3所示。
对应时间为75～125秒之间的所述检测图像变化程度更为剧烈，即在75～100秒之间对应的函数先随时间的增加单调递增，再随时间的增加单调递减；继而，在100～125秒之间对应的函数先随时间的增加单调递减，再随时间的增加单调递增；即在对应时间为75～125秒范围内，新的函数具有两个拐点，对于任一所述拐点，拐点与其临近点的检测参数值差距更明显，更容易被准确检测到。实践中，可根据工艺需要选取适合的拐点作为后续过研磨操作的基点。
步骤3：在所述检测参数的变化率取极值之时或之后，执行过研磨操作。
以应用光学终点检测方法检测研磨终点为例，以反射率的变化率作为检测参数时，即以所述反射率对时间的函数的导数函数作为检测参数时，检测图像中的函数只具有一个极值，为极小值；但以所述导数函数的导数函数作为检测参数时，所述检测参数的变化率取极值包含所述导数函数取极值。检测图像中的函数具有至少一个极小值及至少一个极大值，所述极值为至少一个极小值及/或至少一个极大值中的一个。所述极值的选取根据工艺条件确定。选取对应的时间最短的极小值或极大值作为极值时，可避免检测系统的误操作，进一步提高基点选取的准确性。
实践中，所述主研磨的研磨精度低于所述过研磨的研磨精度；由于待研磨的每一晶片的状况均不同，为精确控制研磨过程，通常，首先，执行主研磨操作，至晶片表面接近产品要求；再执行过研磨操作，使晶片表面符合产品要求。
所述主研磨操作以前述方法确定研磨终点，而所述过研磨操作在以所述主研磨操作的终点作为基点之后，即可通过控制所述过研磨操作持续的时间确定过研磨终点。
本技术方案提供的化学机械研磨方法，通过采用检测参数的变化率作为新的检测参数，使得原有的包含检测参数与时间的函数关系的检测图像，变为包含检测参数的变化率与时间的函数关系的检测图像，继而，以所述检测参数的变化率与时间的函数的极值对应的时间作为过研磨操作的基点，利用函数关系改变后确定极值的准确性，提高确定所述过研磨操作基点的准确性，进而提高晶片之间研磨的均匀性；或者，通过采用检测参数与时间的函数的N次导数函数作为新的检测参数，使得原有的包含检测参数与时间的函数关系的检测图像，变为包含检测参数与时间的函数的N次导数函数的检测图像，继而，以所述N次导数函数的极值对应的时间作为过研磨操作的基点，利用函数关系改变后确定极值的准确性，提高确定所述过研磨操作基点的准确性，进而提高晶片之间研磨的均匀性。
基于相同的构思，本发明还提供了一种化学机械研磨终点检测方法，包括：确定检测参数；在主研磨过程中，获得所述检测参数的变化率与时间的函数关系；确定所述变化率的极值和过研磨操作持续时间；所述变化率取极值之时或之后，再经历所述过研磨操作持续时间到达研磨终点。
其中，所述检测参数为反射率或电流值；所述极值为极小值；根据所述极值对应的时间确定所述过研磨操作持续时间，如，所述过研磨操作持续时间为所述极值对应时间的50％，即，若所述极值对应时间为100秒，所述过研磨操作持续时间为50秒；也可以根据工艺条件及产品要求估算所述过研磨操作持续时间，如，所述过研磨操作持续时间为到达所述极值对应时间之后再持续150秒，即，若所述极值对应时间为100秒，则在所述变化率取极值之时或之后，再经历150秒后到达研磨终点。
此外，基于相同的构思，本发明还提供了一种化学机械研磨终点检测方法，包括：确定检测参数；在主研磨过程中，获得所述检测参数与时间的函数关系；获得所述函数的N次导数函数，N大于1；确定所述N次导数函数的极值和过研磨操作持续时间；所述N次导数函数取极值之时或之后，再经历所述过研磨操作持续时间到达研磨终点。
所述检测参数为反射率或电流值；所述极值为至少一个极小值及/或至少一个极大值中的一个；所述极值为获得的第一个极小值或第一个极大值；根据所述极值对应的时间确定所述过研磨操作持续时间，如，所述过研磨操作持续时间为所述极值对应时间的50％，即，若所述极值对应时间为100秒，所述过研磨操作持续时间为50秒；也可以根据工艺条件及产品要求估算所述过研磨操作持续时间，如，所述过研磨操作持续时间为到达所述极值对应时间之后再持续150秒，即，若所述极值对应时间为100秒，则在所述变化率取极值之时或之后，再经历150秒后到达研磨终点。
以所述检测参数与时间的函数关系的导数函数作为终点检测图像时，所述极值为极小值；以所述检测参数与时间的N次函数关系的导数函数作为终点检测图像时，所述极值为至少一个极小值及/或至少一个极大值中的一个。所述极值对应的时间最短时，可避免检测系统的误操作，进一步提高基点选取的准确性。
本技术方案提供的化学机械研磨终点检测方法，通过采用检测参数的变化率作为新的检测参数，使得原有的包含检测参数与时间的函数关系的检测图像，变为包含检测参数的变化率与时间的函数关系的检测图像，继而，以所述检测参数的变化率与时间的函数的极值对应的时间作为过研磨操作的基点，利用函数关系改变后确定极值的准确性，提高确定所述过研磨操作基点的准确性，进而可提高终点检测的准确性，并提高晶片之间研磨的均匀性；或者，通过采用检测参数与时间的函数的N次导数函数作为新的检测参数，使得原有的包含检测参数与时间的函数关系的检测图像，变为包含检测参数检测参数与时间的函数的N次导数函数的检测图像，继而，以所述N次导数函数的极值对应的时间作为过研磨操作的基点，利用函数关系改变后确定极值的准确性，提高确定所述过研磨操作基点的准确性，进而可提高终点检测的准确性，并提高晶片之间研磨的均匀性。
需说明的是，未加说明的步骤均可采用传统的方法获得，且具体的工艺参数根据产品要求及工艺条件确定。附图所示的检测数据均应用美国应用材料提供的型号为reflexion的设备进行检测；并应用CMPendpoint system进行数据处理。
尽管通过在此的实施例描述说明了本发明，和尽管已经足够详细地描述了实施例，申请人不希望以任何方式将权利要求书的范围限制在这种细节上。对于本领域技术人员来说另外的优势和改进是显而易见的。因此，在较宽范围的本发明不限于表示和描述的特定细节、表达的设备和方法和说明性例子。因此，可以偏离这些细节而不脱离申请人总的发明概念的精神和范围。
Claims (7)
1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括：
确定检测参数，所述检测参数为反射率或电流值；
执行主研磨操作，获得所述检测参数与时间的函数关系；
获得所述函数的N次导数函数，N大于1；
在所述N次导数函数取极值之时或之后，执行过研磨操作。
2.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述极值为至少一个极小值及/或至少一个极大值中的一个。
3.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于：所述极值为获得的第一个极小值或第一个极大值。
4.一种化学机械研磨终点检测方法，其特征在于，包括：
确定检测参数，所述检测参数为反射率或电流值；
在主研磨操作中，获得所述检测参数与时间的函数关系；
获得所述函数的N次导数函数，N大于1；
确定所述N次导数函数的极值和过研磨操作持续时间；
所述N次导数函数取极值之时或之后，再经历所述过研磨操作持续时间到达研磨终点。
5.根据权利要求4所述的化学机械研磨终点检测方法，其特征在于：所述极值为至少一个极小值及/或至少一个极大值中的一个。
6.根据权利要求4所述的化学机械研磨终点检测方法，其特征在于：所述极值为获得的第一个极小值或第一个极大值。
7.根据权利要求4所述的化学机械研磨终点检测方法，其特征在于：根据所述极值对应的时间确定所述过研磨操作持续时间。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SEMICONDUCTOR MANUFACTURING (BEIJING) INTERNATIONA Effective date: 20121025 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20121025 Address after: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Applicant after: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation Applicant after: Semiconductor Manufacturing International (Beijing) Corporation Address before: 201203 Shanghai City, Pudong New Area Zhangjiang Road No. 18 Applicant before: Semiconductor Manufacturing International (Shanghai) Corporation |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130417 Termination date: 20181213 |