CN102909649B - 化学机械抛光设备、化学机械抛光终点检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种化学机械抛光设备、化学机械抛光终点检测装置和方法，所述方法包括：收集从抛光垫上流出的废液；检测所述废液中含有的需要抛光物质的含量；当废液中含有的需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。本技术方案可以有效防止化学机械抛光中的过抛问题。

Description

化学机械抛光设备、化学机械抛光终点检测装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及化学机械抛光工艺中的化学机械抛光设备、化学机械抛光终点检测装置和终点检测方法。

背景技术

化学机械抛光(CMP)工艺是一种平坦化工艺，在1990年被引入集成电路制造工艺以来，经过不断实践和发展，已成为推动集成电路技术节点不断缩小的关键工艺。目前CMP已经广泛应用在浅沟槽隔离结构平坦化，栅电极平坦化，钨塞平坦化，铜互连平坦化等工艺中。CMP工艺也被应用于抛光基底表面上的其他薄膜层。

图1示出了现有技术的一种CMP设备的剖面结构示意图，图2示出了该CMP设备的立体结构示意图，结合图1和图2，该CMP设备包括：抛光头(polishinghead)10；与抛光头10相连的轴杆11；设置于抛光头10上的用于固定晶圆13的夹持环(retainingring)12；位于抛光头10下方的抛光盘(polishingplaten)14；与所述抛光盘14相连的传动件15；固定于抛光盘14上的抛光垫16；用于向抛光垫16上喷淋抛光液(slurry)18的管道17。在进行CMP时，轴杆11对抛光头10提供向下的下压力(downforce)，将晶圆13按压在抛光垫16上，轴杆11带动所述抛光头10沿抛光头10的轴线旋转，传动件15带动抛光盘14及抛光垫16沿抛光盘14的轴线旋转，同时管道17向抛光垫16喷淋抛光液18。在CMP过程中，晶圆13的表面部分与抛光液18发生化学反应，反应后的产物在抛光垫16的机械研磨作用下被去除，从而降低了晶圆13的表面部分的台阶高度(stepheight)，实现了平坦化。

随着集成电路制造工艺水平的不断提高，器件的特征尺寸越来越小，在利用CMP工艺对晶圆表面进行平坦化时，由于没有精确的终点检测装置和方法，容易对晶圆表面过抛，影响器件的性能。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术的CMP工艺对晶圆的过抛问题。

为解决上述问题，本发明具体实施例提供一种化学机械抛光终点检测装置，包括：

废液收集器，位于抛光垫的下方，用于收集从抛光垫上流出的废液；

检测单元，与所述废液收集器连接，废液收集器中的废液流入所述检测单元，所述检测单元用于检测废液中含有的需要抛光物质的含量，当废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。

可选的，所述预设条件为废液中需要抛光物质的含量逐渐减小到预定范围内；或者废液中需要抛光物质的含量在预定范围内且抛光的时间大于预定时间；或者废液中需要抛光物质的含量第二次在预定范围内。

可选的，所述检测单元包括：

收纳器，通过管道与所述废液收集器连接，收纳废液收集器流入检测单元的废液；

射线源，用于向所述收纳器中的废液发出射线；

光谱分析器，探测所述收纳器中的废液在射线的照射下发出的X射线荧光并对该X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱；

处理器，与所述光谱分析器连接，根据所述X射线荧光光谱获知废液中含有的需要抛光物质的含量，在废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。

可选的，所述射线源为X射线管或⁵⁵Fe、²³⁸Pu、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Co其中之一放射性同位素。

可选的，所述光谱分析器包括：

晶体衍射光栅，衍射收纳器中的废液在射线的照射下发出的X射线荧光；

探测器，探测从所述晶体衍射光栅衍射的X射线荧光并对X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱。

可选的，所述收纳器为透明收纳器。

本发明具体实施例还提供一种化学机械抛光终点检测方法，包括：

收集从抛光垫上流出的废液；

检测所述废液中含有的需要抛光物质的含量；

当检测到废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。

可选的，所述预设条件为废液中需要抛光物质的含量逐渐减小到预定范围内；或者废液中需要抛光物质的含量在预定范围内且抛光的时间大于预定时间；或者废液中需要抛光物质的含量第二次在预定范围内。

可选的，所述检测所述废液中含有的需要抛光物质的含量包括：

用射线照射收集的废液；

探测废液在射线的照射下产生的X射线荧光，并对该X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱；

处理X射线荧光光谱获知废液中含有的需要抛光物质的含量。

可选的，所述射线为X射线或⁵⁵Fe、²³⁸Pu、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Co其中之一放射性同位素放射的射线。

本发明具体实施例还提供一种化学机械抛光设备，包括：

抛光盘和抛光头；

位于抛光盘上的抛光垫；

所述的化学机械抛光终点检测装置；

驱动所述抛光盘、抛光头运动的驱动装置；

控制单元，与所述检测单元、驱动装置连接，用于在接收到检测单元输出的终点检测信号后，控制所述驱动装置停止工作。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

本发明具体实施例的化学机械抛光设备、化学机械抛光终点检测方法和装置，在对晶圆表面进行化学机械抛光时，分析化学机械抛光中从抛光垫上流出的废液中需要抛光物质的含量，当废液中需要抛光物质的含量满足一定条件时，停止对晶圆继续进行化学机械抛光，可以有效的避免现有技术中CMP工艺对晶圆的过抛现象。

附图说明

图1为现有技术的一种CMP设备的剖面结构示意图；

图2为图1所示的CMP设备的立体结构示意图；

图3为本发明具体实施例的化学机械抛光终点检测方法的流程示意图；

图4至图5为利用CMP对铜栓塞进行化学机械抛光的实施例；

图6为模拟的废液中铜含量的曲线图；

图7为本发明具体实施例的化学机械抛光设备的结构示意图。

具体实施方式

化学机械抛光中，从晶圆上被研磨下来的物质会留到抛光垫上，抛光垫上的废液会从抛光垫上流下来，抛光垫上流出的废液中通常包含有抛光液、被研磨下来的物质。研磨下来的物质不同，废液中的物质的成分也不同。并且，对晶圆进行化学机械抛光时，在刚开始对晶圆进行研磨工艺时，有一定的预成熟时间，研磨速度逐渐增大；在预成熟时间之后，研磨速度固定不变；在接近研磨终点时，研磨速度会慢慢降下来。根据化学机械抛光的特点可以获知：在对晶圆表面进行抛光的起始时间内，由于研磨速度由慢到快，因此在相同时间内被研磨下来的物质的量也由少变多，因此废液中含有的被研磨下来的物质的含量也由少变多；当研磨速度稳定时，在相同时间内被研磨下来的物质的量也不变；之后，在快要达到研磨终点时，研磨速度慢慢降低，在相同时间内被研磨下来的物质的量也慢慢减小，当减小到一定值时，说明需要被研磨的物质已抛光完成，需要停止对晶圆继续进行化学机械抛光，如果继续进行化学机械抛光工艺会造成过抛问题。

现有技术的CMP工艺中由于没有很好的终点检测方法和终点检测装置，因此容易对晶圆造成过抛，根据以上所述的抛光垫上废液中被研磨下来的物质的量与研磨过程的关系，本发明具体实施例的化学机械抛光终点检测方法和装置，分析化学机械抛光中从抛光垫上流出的废液中需要抛光物质的含量，在废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，停止对晶圆继续进行化学机械抛光，可以有效的避免现有技术中CMP工艺对晶圆的过抛现象。

随着抛光的进行，需要抛光物质会越来越少，预设条件可以为废液中需要抛光物质的含量逐渐减小到预定范围内，也就是说，当检测到废液中需要抛光物质的含量逐渐减小且含量落在预定范围内时(即小于或等于预定范围的上限值、且大于或等于预定范围的下限值时)，停止对晶圆的化学机械抛光。

由于从开始抛光到抛光速度达到稳定值和抛光速度从稳定值下降到接近抛光终点，在废液中需要抛光物质的含量会出现相同的值，预设条件也可以为在废液中需要抛光物质的含量第二次在预定范围内，也就是说，当第二次检测到废液中需要抛光物质的含量落在预定范围内时(即小于或等于预定范围的上限值、且大于或等于预定范围的下限值)，停止对晶圆的化学机械抛光。

另外，预设条件也可以为废液中需要抛光物质的含量在预定范围内且抛光的时间大于预定时间，也就是说，当第二次检测到废液中需要抛光物质的含量落在预定范围内时(即小于或等于预定范围的上限值、且大于或等于预定范围的下限值)，停止对晶圆的化学机械抛光。其中，预定时间应当大于废液中需要抛光物质的含量第一次落在预定范围内的时间，实际上，也就是排除了开始抛光阶段废液中需要抛光物质的含量第一次落在预定范围内的情况。具体地，预定时间可以设定为从开始抛光到抛光速度稳定所需要的时间；也可以设定为从开始抛光到抛光快要结束需要的时间(可以根据需要抛光物质的厚度或经验值确定)。

需要说明的是，预设条件并不限于上述所列举的情况，可以根据需要抛光物质在废液中的含量与需要抛光物质的材料、厚度等特性的关联来确定可以终止抛光的条件。另外，预定范围的上限值不能太大，否则会抛光不充分，预定范围的下限值也不能太小，否则会过抛。

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

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图3为本发明具体实施例的化学机械抛光终点检测方法的流程示意图，参考图3，本发明具体实施例的化学机械抛光终点检测方法包括：

步骤S31，收集从抛光垫上流出的废液；

步骤S32，检测所述废液中含有的需要抛光物质的含量；

步骤S33，当检测到废液中含有的需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。

本发明具体实施例中，需要抛光物质在废液中的含量通过需要抛光物质在废液中的浓度表示。

X射线荧光分析是确定物质中微量元素的种类和含量的一种方法。它用外界辐射激发待分析样品中的原子，使原子发出标识X射线，称为X射线荧光，通过测量这些X射线荧光的能量和强度来确定物质中微量元素的种类和含量。根据X射线荧光分析的特点，本发明具体实施例中，检测废液中含有的需要抛光物质的含量包括：用射线照射收集的废液，射线为X射线或⁵⁵Fe、²³⁸Pu、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Co其中之一放射性同位素放射的射线；探测废液在射线的照射下产生的X射线荧光，并对X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱；处理X射线荧光光谱获知废液中含有的需要抛光物质的含量，也就是说，根据X射线荧光光谱可以获知需要抛光物质在废液中的含量。

化学机械抛光中产生的废液中含有抛光液以及被研磨下来的晶圆表面的物质，当用射线照射废液时，废液会产生X射线荧光，该废液的X射线荧光光谱根据废液中物质的种类及其的含量不同而不同，因此探测到X射线荧光后，对该X射线荧光进行光谱分析得到废液的X射线荧光光谱。根据X射线荧光光谱可以得知废液中含有何种物质，以及各种物质的含量。利用该分析结果就可以得知废液中含有的需要抛光物质的含量，当需要抛光物质的含量满足预设条件时，说明对需要抛光物质的CMP过程已经完成，不需要再继续进行CMP工艺，应当停止对晶圆继续进行CMP工艺。

举例来说，图4至图5为利用CMP对铜栓塞进行化学机械抛光的实施例，参考图4，晶圆40上具有通孔，通孔的侧壁、底部和晶圆40的表面上具有氮化钽(TaN)41，在通孔内以及晶圆表面上的氮化钽(TaN)41上形成有铜42，通孔内的铜42作为栓塞使用，需要利用CMP工艺去除晶圆40表面上以及高出通孔的铜。参考图5，利用CMP工艺去除晶圆40表面上以及高出通孔的铜。在利用CMP工艺去除铜的过程中，利用本发明的化学机械抛光终点检测方法检测从抛光垫上流出的废液中铜的含量，图6为模拟的废液中铜含量的曲线图，横坐标代表时间，单位为秒(S)，纵坐标代表铜在废液中的含量，其中含量通过铜在废液中的浓度表示，其单位为mol/L(摩尔/升)。需要说明的是，图6仅是一个示意图，起到说明本发明的目的，而不是一个实际的模拟图，结合参考图4和图6，刚开始研磨晶圆40表面上的铜42时，速度由慢变快，因此研磨下来的铜也逐渐增加，相应的废液中铜的含量也由小变大；当研磨的速度基本稳定时，被研磨下来的铜也基本稳定，相应的废液中铜的含量也基本保持不变；之后，研磨的速度慢慢降低，被研磨下来的铜也慢慢变少，相应的废液中铜的含量也慢慢减小，当降低到预定值(图中虚线表示的位置)时说明晶圆40表面上的铜和高出通孔的铜已研磨完成，此时停止化学机械抛光设备的工作，因此可以防止过抛。从图6中，可以获知，在刚开始研磨阶段，也有一个和虚线表示位置的预定值相同的值，仅限定铜的含量在预定范围内不能确定是否抛光完成，因此需要结合其他的因素进行判定。在该实施例中，由于废液中铜的含量是先递增，之后是慢慢递减，因此可以为当废液中铜的含量逐渐减小到预定范围时，停止对晶圆进行抛光。另外，也可以为当废液中铜的含量第二次在预定范围内时，停止对晶圆进行抛光。还可以为当废液中铜的含量在预定范围且抛光的时间大于预定时间时，停止对晶圆进行抛光。

需要说明的是，由于当晶圆表面上的铜被完全研磨下来后，如果之后继续对晶圆进行研磨时，会研磨到下层的氮化钽41，被研磨下来的物质中既包括氮化钽41、也包括通孔内的铜，所以废液中依然含有铜，但是废液中铜的含量会减少，因此，设定的预定值不能是零，而必须根据实际情况进行设定。

图7为本发明具体实施例的化学机械抛光设备的示意图，参考图7，本发明具体实施例的化学机械抛光终点检测装置包括：废液收集器20，位于抛光垫16的下方，用于收集从抛光垫16上流出的废液；检测单元30，与所述废液收集器20连接，废液收集器20中的废液流入所述检测单元30，所述检测单元30用于检测废液中含有的需要抛光物质的含量，当检测到的废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。

本发明具体实施例中，检测单元30包括：收纳器31，射线源32，光谱分析器33，处理器34。收纳器31，通过管道50与所述废液收集器20连接，收纳废液收集器20流入检测单元30的废液，本发明具体实施例中，收纳器31为透明收纳器，确保射线源32发射的射线可以穿过收纳器31照射收纳器31中的废液。射线源32，用于向所述收纳器31中的废液发出射线；其中，本发明中，射线源为X射线管或⁵⁵Fe、²³⁸Pu、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Co其中之一放射性同位素，但不限于列举的射线源，可以为本领域技术人员公知的其他射线源；光谱分析器33，探测收纳器31中的废液在射线的照射下发出的X射线荧光并对该X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱；处理器34，与所述光谱分析器33连接，根据所述光谱分析器33得到的X射线荧光光谱获知废液中含有的需要抛光物质的含量，当废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。

本发明具体实施例中，光谱分析器33包括：晶体衍射光栅331，衍射收纳器31中的废液在射线的照射下发出的X射线荧光；探测器332，探测从所述晶体衍射光栅衍射的X射线荧光并对X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱。本发明中的光谱分析器33不限于此列举的具体实施，也可以为本领域技术人员熟知的其他光谱分析器。

继续参考图7，本发明具体实施例的化学机械抛光设备包括：抛光盘14和抛光头10；位于抛光盘上的抛光垫16；所述的化学机械抛光终点检测装置；驱动所述抛光盘14、抛光头10运动的驱动装置60，具体的，驱动装置60通过驱动与抛光盘14连接的轴杆15、与抛光头10运动的轴杆11驱动抛光盘14、抛光头10运动；控制单元70，与所述检测单元30、驱动装置60连接，用于在接收到检测单元30输出的终点检测信号后，控制所述驱动装置60停止工作，从而控制抛光垫16、抛光头10停止运动，不再对晶圆继续进行抛光。

下面结合本发明的终点检测装置说明终点检测方法的实现。

结合参考图3和图7，废液收集器20执行步骤S31，收集从抛光垫上流出的废液；检测单元30执行步骤S32和步骤S33，检测所述废液中含有的需要抛光物质的含量，当废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。其中，检测所述废液中含有的需要抛光物质的含量包括：用射线照射收集的废液，射线为X射线或⁵⁵Fe、²³⁸Pu、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Co其中之一放射性同位素放射的射线，该射线由检测单元30中的射线源32产生，且射线照射在收纳器31中收纳的废液；探测废液在射线的照射下产生的X射线荧光，并对该X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱，该步骤由光谱分析器33执行，具体由光谱分析器33中的晶体衍射光栅331和探测器332执行；处理X射线荧光光谱获知废液中含有的需要抛光物质的含量，该步骤由处理器34执行。

本发明虽然已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改，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种化学机械抛光终点检测装置，其特征在于，包括：

废液收集器，位于抛光垫的下方，用于收集从抛光垫上流出的废液；

检测单元，与所述废液收集器连接，废液收集器中的废液流入所述检测单元，所述检测单元用于检测废液中含有的需要抛光物质的含量，当废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号；

所述预设条件为废液中需要抛光物质的含量在预定范围内且抛光的时间大于预定时间；或者废液中需要抛光物质的含量第二次在预定范围内。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光终点检测装置，其特征在于，所述检测单元包括：

收纳器，通过管道与所述废液收集器连接，收纳废液收集器流入检测单元的废液；

射线源，用于向所述收纳器中的废液发出射线；

光谱分析器，探测所述收纳器中的废液在射线的照射下发出的X射线荧光并对该X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱；

处理器，与所述光谱分析器连接，根据所述X射线荧光光谱获知废液中含有的需要抛光物质的含量，在废液中需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号。

3.如权利要求2所述的化学机械抛光终点检测装置，其特征在于，所述射线源为X射线管或⁵⁵Fe、²³⁸Pu、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Co其中之一放射性同位素。

4.如权利要求2所述的化学机械抛光终点检测装置，其特征在于，所述光谱分析器包括：

晶体衍射光栅，衍射收纳器中的废液在射线的照射下发出的X射线荧光；

探测器，探测从所述晶体衍射光栅衍射的X射线荧光并对X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱。

5.如权利要求2所述的化学机械抛光终点检测装置，其特征在于，所述收纳器为透明收纳器。

6.一种化学机械抛光终点检测方法，其特征在于，包括：

收集从抛光垫上流出的废液；

检测所述废液中含有的需要抛光物质的含量；

当检测到废液中含有的需要抛光物质的含量满足预设条件时，输出终点检测信号；

所述预设条件为废液中需要抛光物质的含量在预定范围内且抛光的时间大于预定时间；或者废液中需要抛光物质的含量第二次在预定范围内。

7.如权利要求6所述的化学机械抛光终点检测方法，其特征在于，所述检测所述废液中含有的需要抛光物质的含量包括：

用射线照射收集的废液；

探测所述废液在射线的照射下产生的X射线荧光，并对该X射线荧光进行光谱分析，得到X射线荧光光谱；

处理所述X射线荧光光谱获知废液中含有的需要抛光物质的含量。

8.如权利要求7所述的化学机械抛光终点检测方法，其特征在于，所述射线为X射线或⁵⁵Fe、²³⁸Pu、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Co其中之一放射性同位素放射的射线。

9.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括：

抛光盘和抛光头；

位于抛光盘上的抛光垫；

权利要求1～5任一项所述的化学机械抛光终点检测装置；

驱动所述抛光盘、抛光头运动的驱动装置；

控制单元，与所述检测单元、驱动装置连接，用于在接收到所述检测单元输出的终点检测信号后，控制所述驱动装置停止工作。