CN101954621B - 化学机械研磨制程的研磨终点判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露了一种化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，该方法包括：提供一晶片，所述晶片包括基底和位于所述基底上的待研磨层；提供光束照射所述晶片；对所述晶片进行化学机械研磨制程；获取所述光束的反射强度曲线；根据所述反射强度曲线判断剩余的待研磨层厚度，以判断是否达到该化学机械研磨制程的研磨终点。本发明简单实用，不受研磨液、研磨垫以及研磨压力等因素的影响，可以精确地控制研磨终点，提高了化学机械研磨制程的稳定性。

Description

化学机械研磨制程的研磨终点判断方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种化学机械研磨制程的研磨终点判断方法。

背景技术

随着半导体器件的尺寸日益减小，由于多层互连或填充深度比较大的沉积过程导致了晶片表面过大的起伏，引起光刻工艺聚焦的困难，使得对线宽的控制能力减弱，降低了整个晶片上线宽的一致性，因此，业界引入了化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)来平坦化晶片表面。如何准确的侦测化学机械研磨制程的研磨终点，也就是说，如何准确的判断晶片表面的平坦度和厚度是否已经满足工艺要求，是化学机械研磨制程的研究重点之一。

目前业界常用来确定研磨终点的方法，是利用化学机械研磨设备自带的终点侦测系统(In Situ Rate Monitor，ISRM)来进行的，该终点侦测系统包括光源以及光学侦测器(detector)，首先由光源提供光束照射待研磨层，在所述待研磨层进行化学机械研磨制程的过程中，光学侦测器持续侦测光束照射所述待研磨层所获得的反射强度。若待研磨层的材质为金属，该光束对于金属层的反射强度，会远大于光束对于金属层下层的介质层(如氧化层)的反射强度。因此，当侦测到反射强度突然有下降的趋势时，便可以推断出所述金属层已经全部移除，而暴露出介质层的表面，此时，即为化学机械研磨制程的研磨终点。

然而，若所述待研磨层是氧化层，且所述氧化层并不需要完全移除时，终点侦测系统则无法得知所述氧化层已研磨到何种程度，也就是说，终点侦测系统无法得知氧化层的剩余厚度，也就无法准确的判断研磨终点。

目前，业界在氧化层的化学机械研磨过程中，常采用假片(dummy wafer)测试的方法来估测化学机械研磨制程的研磨速率，并通过估测的研磨速率估测研磨时间，所有产品片即按照统一的研磨时间来进行研磨步骤。但是，由于假片与实际的产品片之间的差异，因此利用估测的研磨速率来设定实际研磨时间的方法并不可取。并且，由于不同产品片的初始厚度也并不相同，且每一个产品片进行化学机械研磨时受研磨液(slurry)、研磨垫(polishing pad)以及研磨压力等因素的影响，导致最终的产品片之间厚度的差异性非常大，无法保证所有产品片在研磨过程后所剩余的氧化层厚度与目标厚度一致，也就是说，研磨终点不能仅仅通过研磨时间的函数来确定。

美国专利号为US6071177的专利中，公开了一种化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其利用两种不同波长的光束投射到晶片上，以确定氧化层的化学机械研磨的研磨终点，但是，由于利用了两种不同波长的光束，此种方法的控制过程较为复杂，难以应用到常规的只可提供一种光束的化学机械研磨设备中，且在需移除的氧化层厚度较大的情况下，并不适用此种方法。

发明内容

本发明提供一种化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，该方法简单实用，可准确的确定化学机械研磨制程的研磨终点，提高化学机械研磨制程的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，包括：提供一晶片，所述晶片包括基底和位于所述基底上的待研磨层；提供光束照射所述晶片；对所述晶片进行化学机械研磨制程；获取所述光束的反射强度曲线；根据所述反射强度曲线判断剩余的待研磨层厚度，以判断是否达到该化学机械研磨制程的研磨终点。

可选的，所述反射强度曲线包括与剩余的待研磨层厚度相对应的反射强度级别，所述反射强度曲线是正弦波曲线。

可选的，对所述晶片进行化学机械研磨制程之前，还包括：确定所述反射强度曲线波形变化周期内移除的待研磨层厚度；确定初始监测时间。

可选的，确定所述初始监测时间包括：计算该化学机械研磨制程的最长研磨时间、最短研磨时间和平均研磨时间；根据所述反射强度曲线波形变化周期内移除的待研磨层厚度和最大研磨速率确定波形变化的每个周期内对应的周期研磨时间；根据所述最大研磨时间与平均研磨时间的差值确定所述初始监测时间。

可选的，根据所述待研磨层的目标厚度、最大初始厚度和最小研磨速率计算所述最长研磨时间，根据所述待研磨层的目标厚度、最小初始厚度和最大研磨速率计算所述最短研磨时间，根据所述待研磨层的目标厚度、最大初始厚度、最小初始厚度和最大研磨速率计算所述平均研磨时间。

可选的，若所述差值小于或等于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝最小研磨时间-周期研磨时间/2-1

可选的，若所述差值大于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝平均研磨时间-周期研磨时间/2-1

可选的，若所述差值大于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝最小研磨时间-周期研磨时间/2-1

可选的，根据所述反射强度曲线判断剩余的待研磨层厚度包括：当所述化学机械研磨制程进行到所述初始监测时间后，捕获所述反应强度曲线上的特征点，其中所述特征点是指所述目标厚度所对应的反射强度级别。

可选的，在捕获到所述特征点后，停止所述化学机械研磨制程。

可选的，所述待研磨层与所述基底的材质不同，所述待研磨层的材质为透明材质，所述待研磨层的材质为二氧化硅。

可选的，所述光束的波长为670nm。

与现有技术相比，本发明提供的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法具有以下优点：

本发明在对晶片进行化学机械研磨制程时，获取光束的反射强度曲线，所述反射强度曲线包括与剩余的待研磨层厚度相对应的反射强度级别，因此可通过该反射强度曲线来判断剩余的待研磨层厚度，进而确定是否已达到化学机械研磨制程的研磨终点，不受研磨液、研磨垫以及研磨压力等因素的影响，保证所有晶片在研磨后所剩余的待研磨层厚度与目标厚度一致，提高了化学机械研磨制程的稳定性。

本发明无需使用假片测试研磨速率，简单实用，提高了工作效率，且仅利用现有的化学机械研磨设备自带的终点侦测系统来精确的控制研磨终点，无需额外增加设备成本。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法的流程图；

图2为化学机械研磨设备的示意图；

图3为终点侦测系统的测量原理的示意图；

图4为利用终点侦测系统获取的反射强度曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。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。

本发明的核心思想在于，提供一种化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，利用现有的化学机械研磨设备自带的终点侦测系统(In Situ Rate Monitor，ISRM)，通过获取的反射强度曲线来判断剩余的待研磨层厚度，有效地确定化学机械研磨制程的研磨终点，提高工艺的稳定性。

请参考图1，其为本发明实施例所提供的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法的流程图，结合该图，该方法包括步骤：

步骤S1，提供一晶片，所述晶片包括基底和位于所述基底上的待研磨层；

其中，所述待研磨层与所述基底的材质不同，所述待研磨层的材质可以为透明材质，例如，所述待研磨层的材质可以为二氧化硅。

步骤S2，提供光束照射所述晶片；

步骤S3，对所述晶片进行化学机械研磨制程；

步骤S4，获取所述光束的反射强度曲线；

其中，所述反射强度曲线包括与剩余的待研磨层厚度相对应的反射强度级别，所述反射强度曲线是正弦波曲线，其展现出波峰至波谷振幅。

在对所述晶片进行化学机械研磨制程之前，首先确定所述反射强度曲线波形变化周期内移除的待研磨层厚度，接着确定初始监测时间。

确定所述初始监测时间具体包括如下步骤：计算该化学机械研磨制程的最长研磨时间、最短研磨时间和平均研磨时间；根据所述反射强度曲线波形变化周期内移除的待研磨层厚度和最大研磨速率确定每个波形变化周期对应的周期研磨时间；根据所述最大研磨时间与平均研磨时间的差值确定所述初始监测时间。

优选的，根据所述待研磨层的目标厚度、最大初始厚度和最小研磨速率计算所述最长研磨时间，根据所述待研磨层的目标厚度、最小初始厚度和最大研磨速率计算所述最短研磨时间，根据所述待研磨层的目标厚度、最大初始厚度、最小初始厚度和最大研磨速率计算所述平均研磨时间。

若所述差值小于或等于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝最小研磨时间-周期研磨时间/2-1

若所述差值大于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝平均研磨时间-周期研磨时间/2-1

若所述差值大于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝最小研磨时间-周期研磨时间/2-1

步骤S4，根据所述反射强度曲线判断剩余的待研磨层厚度，以判断是否达到该化学机械研磨制程的研磨终点。

具体的说，当所述化学机械研磨制程进行到所述初始监测时间后，开始捕获所述反应强度曲线上的特征点，其中所述特征点是指所述目标厚度所对应的反应强度级别。在捕获到所述特征点后，可确定已达到该化学机械研磨制程的研磨终点，即停止所述化学机械研磨制程。

本发明利用现有的化学机械研磨设备自带的终点侦测系统，无需额外增加成本，就可以有效地确定化学机械研磨制程的研磨终点。

下面将结合剖面示意图对本发明的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该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，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

请参考图2，所述化学机械研磨设备200用以研磨晶片100，该化学机械研磨设备200包括可旋转的盘状平台210，所述盘状平台210上设置有一研磨垫300。所述盘状平台210可以以一中央轴为中心旋转。例如，可利用一马达来旋转该盘状平台210。所述盘状平台210上设置有孔洞211，所述研磨垫300是可拆除的固定在该盘状平台210上，例如，可以通过一层胶粘剂来固定该研磨垫300，在所述研磨垫300上设置有测量窗口310，而晶片100位于研磨垫300上，可利用一硅片载具固定该晶片100，晶片100与研磨垫300的接触面涂布有研磨液400，测量窗口310恰好位于晶片100研磨时相对于研磨垫300的旋转轨迹上。

所述化学机械研磨设备200还包括有终点侦测系统230，其设置于盘状平台210内，该终点侦测系统230至少包括光源231以及光学侦测器232。另外，还可以包括传送光纤233和折射平面234，该传送光纤233用以传送光源231所发射的光线以及从晶片100的下表面所反射的光线，该折射平面234用于折射光源231所发射的光线至测量窗口310。

其中，所述光源231可以为激光产生装置，该激光产生装置可以提供波长为670nm的光束。所述光学侦测器232可以是光谱仪，该光谱仪是一种用来测量电磁波谱的一部分范围内的光线特性的光学仪器。

如图3所示，所述晶片100包括基底110与位于所述基底110上的待研磨层120，所述待研磨层120为透明材质，例如可作为介质层的氧化层，照射到晶片100上的光束111的一部分在氧化层的表面反射形成第一光束112，然而，光束111的其余部分透射穿过氧化层，并在基底110的表面反射形成第二光束113。第一光束112和第二光束113根据它们的相位关系相互干涉。

具体的说，光束111以一定角度照射到晶片100的表面，其中一部分在点A处形成第一光束112，其余部分传送到折射率为n的透明层内，其中，折射角为α_ref，并在点B处反射，在点B处反射的光束穿过点C形成第二反射光束113。根据光程差的差异，第一反射光束112和第二反射光束113具有相位差ф，其中第一反射光束112的光强为I_A，第二反射光束113的光强为I_B。

当待研磨层的折射率为n，待研磨层的厚度为d，且光束的波长为λ₀时，相位差ф可以由下面的公式计算：

$\mathrm{\φ}=\frac{2\·\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\·2\·n\·d\·\cos \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ref}}\right)$

所以干涉光束可以表示为反射强度I的函数。

$I=I_A+I_B+2\·\sqrt{I_A\·I_B}\·\cos \left(\mathrm{\φ}\right)$

可以得知，随着待研磨层的厚度不断减小，相位差改变，导致产生的干涉波形也发生变化，例如，当折射率n为1.46，光束的波长λ₀为670nm时，获得的反射强度曲线如图4所示，所述反射强度曲线包括与剩余的待研磨层厚度相对应的反射强度级别，详细的，所述反射强度曲线是正弦波曲线，其展现出波峰至波谷振幅。

因此，在对所述晶片进行化学机械研磨制程之前，可以利用经验获取如图4所示的反射强度曲线，进而确定所述反射强度曲线的波形变化的每个周期内移除的待研磨层厚度Δd，根据计算可以得知，在本发明实施例中，Δd为

接着，需要确定初始监测时间(Initial Dead Time，IDT)，确定所述初始监测时间具体包括如下步骤：

首先，根据经验估测出待研磨的一批晶片中待研磨层的最大初始厚度Pr_emax和最小初始厚度Pre_min，并估测出该化学机械研磨制程的最大研磨速率RR_max和最小研磨速率RR_min。

然后，根据上述估测的参数以及该化学机械研磨制程的目标厚度P_post计算最长研磨时间T_max、最短研磨时间T_min和平均研磨时间T_m；其中，

T_max＝(Pre_max-P_post)/RR_min

T_min＝(Pre_min-P_post)/RR_max

T_m＝((Pre_max+Pre_min)/2-P_post)/RR_max

接着，根据所述反射强度曲线的波形变化的每个周期内移除的待研磨层厚度Δd和最大研磨速率RR_max确定每个周期对应的周期研磨时间ΔT；其中，

ΔT＝Δd/RR_max

之后，可根据所述最大研磨时间T_max与平均研磨时间T_m的差值确定所述初始监测时间。

详细的，若所述差值小于或等于所述周期研磨时间ΔT，则所述待研磨的一批晶片中所有晶片的初始监测时间均可以利用如下公式计算，IDT＝T_min-ΔT/2-1，也就是说，可直接确定晶片的初始监测时间为IDT＝T_min-ΔT/2-1；

若所述差值大于所述周期研磨时间ΔT，则进一步估算待研磨的一批晶片中每一个晶片的厚度，对于待研磨的一批晶片中初始厚度较大的晶片，其所采用的初始监测时间则可以利用如下公式计算，IDT＝T_m-ΔT/2-1；

对于所述待研磨的一批晶片中初始厚度较小的晶片，其所采用的初始监测时间则可以利用如下公式计算，IDT＝T_min-ΔT/2-1；

其中，所述初始厚度较大的晶片是指在研磨前进一步估算的厚度大于或等于Pre_max和Pre_min均值的晶片，所述初始厚度较小的晶片是指进一步估算的厚度小于Pre_max和Pre_min均值的晶片。

假设待研磨的一批晶片中，最大研磨速率RR_max为

最小研磨速率RR_min为

最大初始厚度Pre_max为

最小初始厚度目标厚度P_post为

其中，所述目标厚度P_post所对应的是反应强度波形上的波谷位置。根据计算可得，最长研磨时间T_max为105sec，最短研磨时间T_min为79sec，周期研磨时间ΔT则为32sec。

可以得知，最大研磨时间T_max与平均研磨时间T_m的差值小于所述周期研磨时间ΔT，因此，初始监测时间IDT则设定为62秒。

化学机械研磨设备在初始监测时间IDT后开始捕获特征点，也就是说，当所述化学机械研磨制程进行到62秒后，才开始捕获反应强度曲线上的特征点，由于所述最大研磨时间T_max与平均研磨时间T_m的差值小于所述周期研磨时间ΔT，因此，实际捕获到的第一个波谷位置一定对应于目标厚度P_post。

利用本发明实施例所提供的方法捕获特征点，由于在初始监测时间后才开始捕获，而在这段时间内捕获到的第一个波谷所对应的厚度就是目标厚度，因此可避免捕获到多个波谷位置而导致无法分辩其中哪一个代表的是目标厚度对应的反射强度级别。

在捕获到所述特征点后，即可确定已达到该化学机械研磨制程的研磨终点，可停止所述化学机械研磨制程。在实际的化学机械研磨制程中，每一个晶片皆利用终点侦测系统获取反射强度曲线，通过捕获反射强度曲线上的特征点来判断剩余的待研磨层的厚度，当捕获到特征点后即停止研磨步骤，也就是说，每一个晶片由于初始厚度以及实际研磨时的研磨速率、研磨液浓度等因素不同，实际所进行的研磨时间可能并不相同，但是却可以达到工艺要求的目标厚度，确保晶片剩余的待研磨层厚度的一致性，可精确的控制研磨终点。

此外，由于用以获取反射强度曲线的终点侦测系统是化学机械研磨设备自带的，因此，无需增加额外的成本就可以在线侦测剩余的待研磨层的厚度。并且，本发明无需在每一次研磨前都使用假片测试研磨速率，简单实用，提高了工作效率。

综上所述，本发明提供一种化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，该方法包括：提供一晶片，所述晶片包括基底和位于所述基底上的待研磨层；提供光束照射所述晶片；对所述晶片进行化学机械研磨制程；获取所述光束的反射强度曲线；根据所述反射强度曲线判断剩余的待研磨层厚度，本发明通过该反射强度曲线来判断剩余的待研磨层厚度，进而确定是否已达到化学机械研磨制程的研磨终点，方法简单实用，不受研磨液、研磨垫以及研磨压力等因素的影响，保证所有晶片在研磨后所剩余的待研磨层厚度与目标厚度一致，提高了化学机械研磨制程的稳定性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，包括：

提供一晶片，所述晶片包括基底和位于所述基底上的待研磨层；

提供光束照射所述晶片；

对所述晶片进行化学机械研磨制程；

获取所述光束的反射强度曲线，所述反射强度曲线包括与剩余的待研磨层厚度相对应的反射强度级别，所述反射强度曲线是正弦波曲线；

根据所述反射强度曲线判断剩余的待研磨层厚度，以判断是否达到该化学机械研磨制程的研磨终点；

其中，对所述晶片进行化学机械研磨制程之前，还包括：

确定所述反射强度曲线波形变化周期内移除的待研磨层厚度；以及

确定初始监测时间，包括：计算该化学机械研磨制程的最长研磨时间、最短研磨时间和平均研磨时间；根据所述反射强度曲线波形变化周期内移除的待研磨层厚度和最大研磨速率确定波形变化的每个周期内对应的周期研磨时间；根据所述最长研磨时间与平均研磨时间的差值确定所述初始监测时间。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，根据所述待研磨层的目标厚度、最大初始厚度和最小研磨速率计算所述最长研磨时间。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，根据所述待研磨层的目标厚度、最小初始厚度和最大研磨速率计算所述最短研磨时间。

4.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，根据所述待研磨层的目标厚度、最大初始厚度、最小初始厚度和最大研磨速率计算所述平均研磨时间。

5.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，若所述差值小于或等于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝最短研磨时间-周期研磨时间/2-1

6.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，若所述差值大于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝平均研磨时间-周期研磨时间/2-1

7.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，若所述差值大于所述周期研磨时间，则

初始监测时间＝最短研磨时间-周期研磨时间/2-1

8.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，根据所述反射强度曲线判断剩余的待研磨层厚度包括：

当所述化学机械研磨制程进行到所述初始监测时间后，捕获所述反应强度曲线上的特征点，其中所述特征点是指所述目标厚度所对应的反射强度级别。

9.如权利要求8所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，在捕获到所述特征点后，停止所述化学机械研磨制程。

10.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，所述待研磨层与所述基底的材质不同。

11.如权利要求10所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，所述待研磨层的材质为透明材质。

12.如权利要求11所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，所述待研磨层的材质为二氧化硅。

13.如权利要求1所述的化学机械研磨制程的研磨终点判断方法，其特征在于，所述光束的波长为670nm。

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