CN102044408A

CN102044408A - 用于动态调整化学机械抛光速率的方法

Info

Publication number: CN102044408A
Application number: CN2009101975741A
Authority: CN
Inventors: 潘继岗; 彭澎
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: CN102044408B

Abstract

本发明公开了一种用于动态调整化学机械抛光速率的方法，包括下列步骤：收集特定历史时间段内的抛光数据，所述数据包括该时间段内多次测量的线下抛光速率，以及该时间段开始时的抛光速率结束时的抛光速率；根据这些历史数据计算每次抛光的抛光厚度调整量，从而将化学机械抛光设备中损耗部件的损耗情况进行评估并及时反馈，从而及时调整化学机械抛光设备的抛光速率，以便使得化学机械抛光设备可以始终以恒定的抛光速率进行工作，从而减小停机维护的频率，提高工作效率。

Description

用于动态调整化学机械抛光速率的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别涉及用于动态调整化学机械抛光(CMP)速率的方法。

背景技术

在集成电路的制造过程中，通常在硅晶片上依次沉积半导体层、导电层、氧化层等多种层结构。在沉积了每一层之后，会需要蚀刻工艺以形成所需的图案，从而形成电路元件。蚀刻工艺会导致沉积的层表面出现不平整或不均匀的问题，从而在后续的工艺步骤期间产生缺陷。因此需要对器件的表面进行平整化。

化学机械抛光(CMP)是一种常见的用于使器件表面平面化的工艺手段。CMP技术是利用旋转平台与气压驱动研磨头做结合而运转，该工艺基本上是研磨晶片的前表面或组件表面至平坦，以便为下一步工艺做准备。在此过程中，常常对晶片进行一次或多次地研磨，以使晶片的前表面尽可能地平坦。晶片是用载具放置在CMP装置中，且被研磨的一面朝向下方的研磨头，此研磨头布满胶体硅土或矾土研磨液。一般有两层研磨垫覆盖旋转平台，且研磨垫的外层为弹性层。这些层通常是由聚合材料构成的，如聚氨基甲酸酯，而且还可以包含填充剂来控制这些层尺寸的稳定度；在一般的旋转CMP中，研磨垫的大小通常会是晶片的几倍。晶片的旋转轴和研磨垫的旋转轴可以不在同一直线上，但两轴必须平行。晶片在CMP工艺中的研磨均匀度与研磨压力、研磨速度以及研磨液的浓度相关。

图1示出了传统的化学机械抛光设备的工作原理。将要进行抛光的晶片100置于工作台101上，通过夹持头102固定住晶片100。工作台101上设置有抛光垫103，抛光垫103上开设有多个储液槽，用于贮存通过抛光液输送装置104输送的抛光液或抛光浆料105，从而通过工作台101的旋转将抛光液105均匀运送到被抛光的工件表面区域。

在CMP设备的使用过程中，由于抛光垫与待抛光的晶片直接接触，因此会随着使用而产生磨损。另外，抛光垫上开设的储液槽也会随着抛光的进行而被抛光液中的研磨颗粒堵塞，致使无法均匀输送抛光液。在现有技术中，通常会使用金刚石碟片来清理这些储液槽。因此，这种金刚石碟片也会随着使用而磨损。这些易磨损部件会导致在抛光的过程中抛光的速率随着部件的磨损程度而发生变化。

图2分别示出了抛光垫与抛光速率(RR)随时间的变化关系以及金刚石碟片与抛光速率随时间的变化关系。如图可以看出，随着抛光垫和金刚石碟片的磨损，抛光速率会逐渐增大。通常抛光垫的使用寿命是大约32个小时，由图中可以看出，在抛光垫使用了接近30小时左右，抛光速率会较初始时增加大约200埃/分钟。如果在抛光垫的寿命期间研磨的是同一批晶片且对于磨片精度要求较高时，这一误差会导致盘片研磨厚度的不一致，造成半导体器件的特性不均匀，因此是不能忽略的。另外，在一些场合中，需要对多个批次、同种产品、同种成分的层连续进行抛光厚度要求相同的抛光处理，上述这种误差的出现会导致无法连续地以恒定的抛光速率进行抛光，也就无法满足这种场合的要求。

在现有技术领域中，由于这些易磨损部件对抛光速率产生的影响，通常会在CMP设备使用了一段时间(例如12小时)之后就要停机进行基台的维护和参数的调整，以消除误差影响。这会大大降低工作的效率，造成人力的浪费和设备的闲置。

因此，需要一种改进的控制CMP设备工作的方法，将CMP设备中损耗部件的损耗情况进行评估，并及时反馈，从而及时调整CMP设备的抛光速率，以便使得CMP设备可以始终以恒定的抛光速率进行工作，从而减小停机维护的频率，提高工作效率。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决现有技术中由于CMP设备中损耗部件的损耗而造成抛光速率不一致的情况，本发明提供了一种用于动态调整化学机械抛光速率的方法，包括下列步骤：收集特定历史时间段(T)内的抛光数据，所述数据包括该时间段内多次测量的线下抛光速率，以及该时间段开始时的抛光速率(RR_pre)结束时的抛光速率(RR_post)；根据所述多次测量的线下抛光速率计算算术平均值，得到平均参考抛光速率(RR_Blanket)；根据所述时间段开始时的抛光速率和结束时的抛光速率，按下列公式得出该时间段的平均抛光率

(RR_ave)：RR_ave＝(RR_pre-RR_post)/T；

对于待抛光的第M个产品的第N层，其中M和N为大于1的正整数，利用平均抛光率和平均参考抛光速率根据下列公式进行计算，得出一系数(Coefficient_N)：

Coefficient_N＝RR_ave/RR_Blanket；

计算所述第N层的厚度补偿量(Offset_N)：

Offset_N＝化学机械抛光之后的理想厚度-化学机械抛光之后的实际厚度

建立归一化的反馈参数，将第N层的反馈调整量Feedback_N定义为：

Feedback_N＝Offset_N/Coefficient_N

对于第N层定义初始的抛光厚度Initial_N：

Initial_N＝(化学机械抛光之前实际厚度-化学机械抛光之后的理想厚度)/Coefficient_N

计算反馈的抛光厚度调整量(Feedback(1)_N)：

Feedback(1)_N＝(化学机械抛光之前实际厚度-化学机械抛光之后的理想厚度)/Coefficient_N+Feedback_N。

根据本发明的另一方面，对所述反馈抛光厚度调整量进行如下的优化处理：定义第一标准反馈调整量(Feedback_1)和第二标准反馈调整量(Feedback_2)；对于第m次抛光的反馈调整量(Feedback_m)设定为，其中m为大于2的正整数：

Feedback_m＝Feedback_(m-1)*M+Feedback_(m-2)*(1-M)

其中M为一权重因子，0≤M≤1。

优选地，M大于0.5；更优选地，M为0.8。

根据本发明的改进的控制CMP设备工作的方法，可以将CMP设备中损耗部件的损耗情况进行评估并及时反馈，从而及时调整CMP设备的抛光速率，以便使得CMP设备可以始终以恒定的抛光速率进行工作，从而减小停机维护的频率，提高工作效率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是传统的化学机械抛光设备的工作原理示意图；

图2分别示出了抛光垫与抛光速率(RR)随时间的变化关系以及金刚石碟片与抛光速率随时间的变化关系曲线。

图3是根据本发明的反馈式调整抛光速率的方法流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明是如何实现反馈式调整CMP设备的抛光速率的。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

参照图3，示出了根据本发明的反馈式调整抛光速率的方法流程图。

首先，在步骤301中，建立调整抛光速率(RR)的模型。收集在本次调整之前特定时间段的历史数据，例如一定时间段T内每次测量的线下抛光速率。所述特定时间段可以根据实际需要进行选择，例如3个月。收集该时间段T开始时的抛光速率和结束时的抛光速率值，分别定义为RR_pre和RR_post，通过下列公式计算得到这一段时间T内的平均抛光率RR_ave：

RR_ave＝(RR_pre-RR_post)/T (2)

将这些历史数据中多次测量的线下抛光速率按照测量次数进行算术平均值，得出一参考平均抛光速率RR_Blanket。在抛光过程中，抛光的层厚度按如下公式进行计算：

抛光厚度＝抛光速率×抛光时间(2)

在步骤302中，对于待抛光的第M个产品(M为大于1的正整数)的第N层(N为大于1的正整数)，利用RR_ave和RR_Blanket根据下列公式进行计算，得出一系数Coefficient_N：

Coefficient_N＝RR_ave/RR_Blanket

由于实际抛光的速率可能由于抛光设备的易损耗部件而发生变化，从而导致实际抛光的厚度发生改变，因此在步骤303中引入该第N层的厚度补偿量Offset_N，定义为：

Offset_N＝CMP之后的理想厚度-CMP之后的实际厚度(3)

接着，在步骤304中，建立归一化的反馈参数，将第N层的反馈调整量Feedback_N定义为：

Feedback_N＝Offset_N/Coefficient_N (4)

接着，对于第N层定义初始的抛光厚度Initial_N：

Initial_N＝(CMP之前实际厚度-CMP之后的理想厚度)/Coefficient_N(5)

因此第一次反馈的抛光厚度调整量Feedback(1)_N定义为：

Feedback(1)_N＝(CMP之前实际厚度-CMP之后的理想厚度)/Coefficient_N+Feedback_N；(6)

对于上述公式中的反馈抛光厚度调整量还可以进行如下的优化处理：当CMP设备已经抛光了K个批次的芯片(K为大于1的正整数)，则执行下列优化的步骤：

(1)定义一标准的反馈调整量，将该标准的设定为第一次计算出来的反馈调整量Feedback_1，并按照如上方法计算出第二次标准反馈调整量Feedback_2；

(2)对于第m次抛光的反馈调整量设定为，其中m为大约2的正整数：

Feedback_m＝Feedback_(m-1)*M+Feedback_(m-2)*(1-M)

这里的M为一权重因子，0≤M≤1，考虑到第m次抛光受到相邻的第m-1次抛光的影响较大，而受较早批次的抛光影响相对较小，因此优选为M＞0.5，更优选M＝0.8。

由此计算出第m次抛光的反馈调整量Feedback(m)，将该值反馈到抛光机台的控制系统中，可以对抛光过程进行实时的动态调整，避免了因为抛光部件的磨损而造成抛光速率不一致的情况。

另外，根据实际抛光部件磨损的情况和不同的抛光对象的具体应用场合，还可以对上述Coefficient_N进行修正：当对所有层设定模型时，我们需要把实际计算的Coefficient_N再乘(1+4％)作为最终的Coefficient_N。这里的4％是经验常数。

当更换CMP设备的盘片和抛光垫之后，将整个反馈系统复位，即置为“0”，按照上述方法重新设定新的反馈。

综上所述，仅是本发明较佳的实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等同实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种用于动态调整化学机械抛光速率的方法，包括下列步骤：

收集特定历史时间段(T)内的抛光数据，所述数据包括该时间段内多次测量的线下抛光速率，以及该时间段开始时的抛光速率(RR_pre)结束时的抛光速率(RR_post)；

根据所述多次测量的线下抛光速率计算算术平均值，得到平均参考抛光速率(RR_Blanket)；

根据所述时间段开始时的抛光速率和结束时的抛光速率，按下列公式得出该时间段的平均抛光率(RR_ave)：

RR_ave＝(RR_pre-RR_post)/T

Coefficient_N＝RR_ave/RR_Blanket

计算所述第N层的厚度补偿量(Offset_N)：

Feedback_N＝Offset_N/Coefficient_N

对于第N层定义初始的抛光厚度Initial_N：

计算反馈的抛光厚度调整量(Feedback(1)_N)：

2.如权利要求所述的方法，其特征在于，对所述反馈抛光厚度调整量进行如下的优化处理：

定义第一标准反馈调整量(Feedback_1)和第二标准反馈调整量(Feedback_2)；

对于第m次抛光的反馈调整量(Feedback_m)设定为，其中m为大于2的正整数：

Feedback_m＝Feedback_(m-1)*M+Feedback_(m-2)*(1-M)

其中M为一权重因子，0≤M≤1。

3.如权利要求所述的方法，其特征在于，M大于0.5。

4.如权利要求所述的方法，其特征在于，M为0.8。

5.如权利要求所述的方法，其特征在于，所述时间段为3个月。

6.如权利要求所述的方法，其特征在于，对所述系数(Coefficient_N)进行修正，即修正后的系数等于修正前的系数乘以(1+4％)。

7.如权利要求所述的方法，其特征在于，当更换化学机械抛光设备的至少一个易磨损部件时，将整个反馈系统复位。

8.如权利要求所述的方法，其特征在于，所述化学机械抛光设备的至少一个易磨损部件是抛光垫或金刚石盘片。