CN103887206B

CN103887206B - 化学机械平坦化终点检测方法及装置

Info

Publication number: CN103887206B
Application number: CN201410129960.8A
Authority: CN
Inventors: 王东辉; 郭强生; 周国安; 李伟; 高文泉
Original assignee: Beijing Semiconductor Equipment Institute
Current assignee: Beijing Semiconductor Equipment Institute
Priority date: 2014-04-02
Filing date: 2014-04-02
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2034-04-02
Also published as: CN103887206A

Abstract

本发明提出了一种化学机械平坦化终点检测方法及装置，方法包括以下步骤：步骤一：根据设定的平坦化工艺参数将平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形及第二表面图形；在所述第一表面图形符合第一特征图形的情况下，根据第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；在第二表面图形符合第三特征图形的情况下，根据第三特征图形在相应的区域内对平坦化材料施加背压力进行平坦化。本发明提高了平坦化材料的全局平坦化效果，保证了平坦化材料平坦化的加工质量，提高化学机械平坦化设备的一次加工合格率，大大降低了化学机械平坦化终点检测工艺开发的成本。

Description

化学机械平坦化终点检测方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体器件制造技术领域，特别涉及一种化学机械平坦化终点检测方法及装置。

背景技术

在超大规模集成电路生产中，晶圆（硅晶圆）的特征线宽不断缩小，而金属互连层数不断增多，对硅晶圆的全局平坦化要求也变得越来越苛刻。化学机械平坦化（Chemical-Mechanical Planarization，CMP），又称化学机械研磨（Chemical-MechanicalPolishing），是半导体器件制造工艺中的一种技术，使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。化学机械平坦化作为一种全局的平坦化工艺，已经成为集成电路制造工艺中继光刻和刻蚀之后又一项必不可少的关键技术。

在平坦化过程中，若对硅晶圆的金属材料去除太少，则会引起芯片短路；若对硅晶圆的金属材料去除太多，金属线条会出现侵蚀或碟形坑，严重影响金属互连的可靠性。而且，由于金属层淀积的不均匀性、平坦化速度和压力等过程参数的微小波动，都会增加晶圆内以及晶圆批次间平坦化的不均匀性，造成金属平坦化时间的变化，进而降低设备的生产效率。因此，寻找一种有效的且更可靠的应用于化学机械平坦化的在线终点检测方法已成为当前急需解决的问题。

在金属互连工艺的化学机械平坦化工艺中，晶圆的图形结构一般分为三层，第一层为介质层，如氮化物，氧化物等；第二层为阻挡层，如钽、氮化钽、钛、氮化钛等；第三层为金属层，如铜、钨等。根据已有技术可知，这三层材料的反射率区别较大。因此，现有方法之一为光学终点检测方法，即利用光学反射原理，通过检测不同材料的反射光强来确定平坦化终点。

现有的光学在线终点检测方法一般包括：

（1）利用光学传感器扫描晶圆表面，记录该晶圆表面材料N个点的反射信号，计算这些检测点的平均值，将该平均值与已有的检测数据库比较，从而判断晶圆是否平坦化完成；

（2）把晶圆分成几个区，通过光学传感器扫描晶圆的每个分区，记录每个分区内晶圆表面材料N个点的反射信号，计算这些检测点的平均值和方差，并将其与已有检测数据库比较，根据数据之间的关系采用区域压力控制平坦化过程或者判断晶圆是否平坦化完成。

上述在线终点检测方法是通过计算整体或局部检测数据的平均值以及方差来确定终点信号，其是一个整体估计的方法，不能很好地反映出晶圆表面局部区域的平坦化情况。而且，在上述在线终点检测方法中，需要针对特定的晶圆图形开发具有差异性的终点检测算法，这无疑会耗费大量的时间以及也会增加相关的测试晶圆、设备耗材、能源等成本消耗。

发明内容

本发明的目的是提出一种化学机械平坦化终点检测方法及装置，能提高平坦化材料的全局平坦化效果，保证平坦化材料平坦化的加工质量，且降低化学机械平坦化终点检测工艺开发的成本。

为达到上述目的，本发明提出了一种化学机械平坦化终点检测方法，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，所述方法包括以下步骤：

步骤一：根据设定的平坦化工艺参数将平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形；比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形，若否，则比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形，若是，则根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，并将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；

步骤二：在将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化时，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形；比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形，若否，则比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形，若是，则根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化，完成终点检测。

进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述第一特征图形为平坦化材料的金属层被部分平坦化且部分露出阻挡层的表面图形，所述第二特征图形为平坦化材料的金属层被平坦化后完全露出阻挡层的表面图形；所述第三特征图形为平坦化材料的阻挡层被部分平坦化且部分露出介质层的表面图形，所述第四特征图形为晶圆的阻挡层被平坦化后完全露出介质层的表面图形。

进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形的步骤或所述将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形的步骤具体包括：

将所述采集的反射光信号转换成多个数据，根据采集时间先后顺序标记所述多个数据；

以晶圆的圆心为圆心，按不同的半径划分成多个同心圆，两两相邻的多个同心圆之间依次定义为多个区域，并将所述标记后的多个数据平均分布于该多个区域内；

分别计算该多个区域内标记后的多个数据，得到第一表面图形的图形特征参数，该图形特征参数至少包括每个区域的数据个数ci、每个区域的起始数据gi、每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比ei、每个区域起始数据的位置Starti、所有区域中gi的最大值max(gi)以及最小值min(gi)。

进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形的步骤具体为：

判断所述第一表面图形的图形特征参数中ei≥e及ei＜e是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数。

进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：

对于所述第一表面图形的图形特征参数中满足ei≥e的数据段，根据每个区域起始数据的位置Starti以及每个区域的数据个数ci的值定位该数据段所属相应的区域，在该相应的区域内施加背压力对所述平坦化材料进行平坦化。

进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形的步骤具体为：

判断所述第一表面图形的图形特征参数中ei＜e，且第一阈值＜|gi－gi+1|＜第二阈值是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。

进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形的步骤具体为：

判断所述第二表面图形的图形特征参数中ei＜e且|gi－gi+1|＞第一阈值是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。

进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：

对于所述第二表面图形的图形特征参数中满足第一阈值＜|gi－gi+1|＜第二阈值的数据段，比较gi与gi+1的大小，根据两者之间较小值对应的起始数据的位置Starti以及该数据段的数据个数ci的值定位该数据段所属相应的区域，在该相应的区域内施加背压力对所述平坦化材料进行平坦化。

进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形的步骤具体包括：

判断所述第二表面图形的图形特征参数中ei＜e，且|gi－gi+1|＞第二阈值是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。

本发明还提供一种化学机械平坦化终点检测装置，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，所述检测装置包括：

用于对所述平坦化材料进行平坦化的第一平坦化平台及第二平坦化平台，所述第一平坦化平台上设有可相对旋转的第一检测窗口，所述第二平坦化平台上设有可相对旋转的第二检测窗口，所述第一检测窗口上安装有用于实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号的第一光学传感器，所述第二检测窗口上安装有用于实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号的第二光学传感器，所述检测装置还包括分别连接于所述第一光学传感器及第二光学传感器的数据处理单元及控制单元，所述数据处理单元具体包括：

第一数据图形化子单元，用于将第一光学传感器采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形；

第二数据图形化子单元，用于将第二光学传感器采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形；

第一比较判断子单元，用于比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形，以及在所述第一表面图形不符合第二特征图形的情况下，比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形；

第二比较判断子单元，用于比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形，以及在所述第二表面图形不符合第四特征图形的情况下，比较所述第一表面图形是否符合第三特征图形；

所述控制单元用于在所述第一表面图形符合第二特征图形的情况下，控制停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化；在所述第一表面图形符合第一特征图形的情况下，根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；在所述第一表面图形不符合第一特征图形的情况下，根据所述设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化；

所述控制单元还用于在所述第二表面图形符合第四特征图形的情况下，控制停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；在所述第二表面图形符合第三特征图形的情况下，根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；在所述第二表面图形不符合第三特征图形的情况下，根据所述设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化。

本发明化学机械平坦化终点检测方法及装置提高了平坦化材料的全局平坦化效果，保证了平坦化材料平坦化的加工质量，提高化学机械平坦化设备的一次加工合格率，且大大降低了化学机械平坦化终点检测工艺开发的成本。

附图说明

图1为本发明化学机械平坦化终点检测方法中步骤一的流程示意图；

图2为本发明化学机械平坦化终点检测方法中步骤二的流程示意图；

图3a为本发明中晶圆管芯的结构示意图；

图3b为图3a的放大示意图；

图4a为本发明中晶圆在第一抛光台或第二抛光台上进行平坦化操作的结构示意图；

图4b为图4a中检测窗口旋转一周在晶圆表面的扫描路径示意图；

图5为平坦化前晶圆表面材料的结构分布示意图；

图6为在第一抛光台进行平坦化后晶圆表面材料的结构分布示意图；

图7为在第二抛光台进行平坦化后晶圆表面材料的结构分布示意图；

图8为平坦化过程中扫描晶圆后形成的第零特征图形I及第零特征图形II的示意图；

图9为平坦化过程中扫描晶圆后形成的第一特征图形的示意图；

图10为平坦化过程中扫描晶圆后形成的第二特征图形的示意图；

图11为平坦化过程中扫描晶圆后形成的第三特征图形的示意图；

图12为平坦化过程中扫描晶圆后形成的第四特征图形的示意图；

图13为平坦化过程不同阶段的平坦化时间的示意图；

图14为本发明化学机械平坦化终点检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

本发明一种化学机械平坦化终点检测方法，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，所述方法包括以下步骤：

这样，本发明通过将实时采集的平坦化材料表面的反射光信号进行数据图形化处理，并将其与平坦化各阶段的特征图形相比较，从而更可靠地判断各阶段的平坦化终点，而且根据采集的平坦化材料检测图形曲线对平坦化材料实施分区域压力控制，提高了平坦化材料的全局平坦化效果，保证了平坦化材料平坦化的加工质量，提高化学机械平坦化设备的一次加工合格率。

请参阅图1，图1是本发明化学机械平坦化终点检测方法中步骤一的流程示意图，本实施例中所述平坦化材料以晶圆为例进行说明，当然所述平坦化材料还可以为其他包括金属层、阻挡层及介质层的半导体平坦化材料。

所述步骤一具体包括：

步骤S101：设定并输入晶圆的结构特征参数及平坦化参数。

其中，所述晶圆的结构特征参数包括晶圆管芯的尺寸、两两相邻管芯之间的间隙、晶圆的直径或半径、晶圆的表面材料名称及结构分布参数；所述平坦化参数包括对晶圆进行平坦化的平坦化速率及压力。

请一并参阅图3a及图3b，其中，晶圆1内设有多个阵列排布的管芯2，所述管芯2的尺寸包括宽度a、长度b，两两相邻的管芯2之间的横向间隙d1及纵向间隙d2，所述设定并输入的晶圆1的结构特征参数包括晶圆1的直径D，也可以是晶圆1的半径或者其它能导出晶圆1直径的参数、晶圆1表面材料的名称，以及晶圆1表面材料的结构分布。

计算管芯2对角线与晶圆1直径的百分比常数e=（a²+b²）^0.5/D，该百分比常数e也可以是（a+b）/D，或者介于（a²+b²）^0.5/D和（a+b）/D之间的一个常数。

步骤S102：将平坦化材料在第一抛光台上以设定的平坦化参数进行平坦化，控制系统通过光学传感器以每秒大于3000个数据的采集速率实时采集所述晶圆表面的反射光信号。

请参阅图4a，在具体实现时，所述晶圆1放置于第一抛光台（或第二抛光台）3上，所述第一抛光台（或第二抛光台）3上设有可旋转的检测窗口4，所述检测窗口4上安装有光学传感器（图未示），用于实时采集所述晶圆1表面的反射光信号。当所述晶圆1在第一抛光台（或第二抛光台）3以设定的工艺参数开始平坦化，控制系统（图未示）通过安装在检测窗口4处的光学传感器实时采集所述晶圆表面的反射光信号，其采集速率为大于3000个数据每秒。

请参阅图4b，通常，检测窗口4旋转一周在晶圆1表面形成的扫描轨迹可分为两个阶段，包括扫描进入阶段5及扫描离开阶段6。第一抛光台（或第二抛光台）3上的检测窗口4扫描晶圆1后，经过晶圆1的轨迹与旋转一周经过的轨迹之比为0.28。当设定第一抛光台（或第二抛光台）3的转速为60rpm时，第一抛光台（或第二抛光台）3每转一圈，检测窗口4经过晶圆1的时间为280ms，控制系统采集的数据至少为840个，晶圆1半径方向上采集的数据至少为420个。为增加晶圆1检测点的采集个数，可增大控制系统的采集速率。

步骤S103：将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形。

在具体实现时，所述步骤S103包括：

还包括：根据所述第一表面图形的图形特征参数，在上位机界面中实时显示所述第一表面图形。

作为一实施例，以上述数据作说明，但实际操作不限于此数据，第一抛光台（或第二抛光台）3以60rpm转动一圈，检测窗口4扫描晶圆1表面后采集到840个数据，把数据按采集时间先后顺序分别记为n1 ~n840。

根据需要，以晶圆1的圆心为圆心，按不同的半径可以组成多个同心圆，可以是3~9个，两两相邻的多个同心圆之间定义多个区域，通过对该多个区域分别实施背压力控制，以实现晶圆1的全局平坦化。

下述实施例以7个区域来说明本发明内容，每个区域不一定是均分的，为了方便说明，假设每个区域是均分的，且从晶圆1的圆心到边缘分别标记为S1~S7区，每个区域的宽度为D/7，D为晶圆1直径。

根据上述实施例，晶圆1表面被扫描一次后共采集到840个数据，这些数据被平均分到S1~S7区，S1区的数据范围是n360≤S1≤n480，S2区的数据范围是n300≤S2＜n360和n480＜S2≤n540，S3区的数据范围是n240≤S3＜n300和n540＜S3≤n600，S4区的数据范围是n180≤S4＜n240和n600＜S4≤n660，S5区的数据范围是n120≤S5＜n180和n660＜S5≤n720，S6区的数据范围是n60≤S6＜n120和n720＜S6≤n780，S7区的数据范围是n1≤S7＜n60和n780＜S7≤n840。但是，分区可以不是平均分布的，且分区的数量也是可变的。

根据上述实施例数据计算图形特征参数的过程如下：

1.令计数器C置1，计算x1=|n2-n1|；

2. 若x1小于0.5，计数器C加1，计算x2=|n3-n1|；判断x2的值，若x2小于0.5，计数器C加1，计算x3=|n4-n1|；……；判断xi的值，直到xi不小于0.5，把计数器C的值赋值给c1，被减数n1赋值给g1，然后计数器C置1；计算此区段数据与总数据的百分比e1=c1/840，若e1≥e，起始数据位置Start1=1，否则Start1=0。计算xi+1=|ni+2-ni+1|；

5. 按上述方法计算，直至把840个数据计算完毕，得到以下一维数组，即每个区域的数据个数ci、每个区域的起始数据gi、每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比ei及每个区域起始数据的位置Starti；

6. 计算所有区域中gi中的最大值max(gi)及最小值min(gi)。

上述第一阈值0.5的单位是任意的，且数值不是绝对的，将根据平坦化材料的不同而有所不同，这取决于平坦化开始前在工艺菜单中设定的平坦化材料的材料名称。

步骤S104：比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形，若是，则停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，并将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；若否，则进行步骤S105；

步骤S105：比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形，若是，则根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化。、

所述步骤105之后还包括：重复步骤S102至步骤S105；

即再次实时采集所述晶圆表面的反射光信号进行判断，直至所述第一表面图形符合第二特征图形，晶圆表面多余的金属层全部去除。

请一并参阅图5、图6及图8至图10，平坦化之前的晶圆1包括由外之内设置的金属层7、阻挡层8及介质层9，在化学机械平坦化过程中，对于金属层7材料的平坦化，首先是去除晶圆1表面多余的金属层7，这一过程在第一抛光台进行。通常情况下，刚开始平坦化金属层7时，由于晶圆1的金属层7初始表面形貌比较粗糙，当光束照射到金属层7表面发生散射，得到的检测信号强度偏低，但整个晶圆1的检测信号基本一致，此时得到的特征图形定义为第零特征图形I10（如图8所示），即所述第零特征图形I10为平坦化材料的金属层刚开始被平坦化后的表面图形。

随着平坦化地进行，金属层7变得更平坦，被平坦化后的金属层7薄膜反射率增加，检测信号增强，并且随着金属层7的去除且尚未露出阻挡层8，检测信号强度保持相对稳定。此时得到的特征图形定义为第零特征图形II11（如图8所示），即第零特征图形II11为平坦化材料的金属层被平坦化且未露出阻挡层的表面图形。

随着平坦化地进一步进行，部分阻挡层8暴露出来。由于阻挡层8材料的反射率小于金属层7材料的反射率，检测信号也随之降低。而且，检测信号的图形，与管芯2的尺寸、管芯2之间的间隙有关。晶圆1表面金属层7未平坦化完成的区域，其信号不变，且为一条连续的小震荡的近似直线的曲线。而金属层7平坦化完成的区域，其信号呈现频率变化的小震荡的近似方波的曲线，频率变化的趋势，与管芯2的尺寸、管芯2之间的间隙有关。此时，得到的特征图形定义为第一特征图形12（如图9所示），即所述第一特征图形12为晶圆的金属层7被部分平坦化且部分露出阻挡层的表面图形。

当晶圆1在第一抛光台上平坦化完成时，晶圆1表面多余的金属层7全部去除。晶圆1表面除在沟槽中露出的金属线条外，其余暴露出来的为阻挡层8。此时，检测传感器扫描晶圆1表面，其信号呈现频率变化的小震荡的近似方波的信号，频率变化的趋势，与管芯2的尺寸、管芯2之间的间隙有关。此时，得到的特征图形定义为第二特征图形13（如图10所示），即所述第二特征图形13为晶圆的金属层7被平坦化后完全露出阻挡层的表面图形。

一般的，晶圆1平坦化初始的数据图形符合第零特征图形I10。随着平坦化地进行，晶圆1表面的数据图形符合第零特征图形II11。其中，所述第零特征图形I10的算法包括：至少存在一个ei＞90%，且max(gi)－min(gi)＜第一阈值（0.5）；第零特征图形II11的算法包括：至少存在一个ei’＞90%，且max(gi)’－min(gi)’＜第一阈值（0.5），且max(gi)’＞max(gi)，min(gi)’＞min(gi)。此阶段，设备按照设定的工艺菜单进行平坦化。

即所述步骤S104还包括：比较所述第一表面图形是否符合第零特征图形I或第零特征图形II，若是，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化；若否，则比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形。

当晶圆1表面露出部分阻挡层8时，晶圆1表面的数据图形符合第一特征图形12。所述比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形的步骤具体为：

所述根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：

本实施例中，对于ei≥e，根据Starti以及ci的值判断此数据段属于哪个分区，然后在相应的区域内施加背压力进行平坦化，其余区域不施加背压力或者施加较小的负压。例如，假设Starti=152，ci=83，表示从第152个数据开始的连续83个数据（即从第152个数据到第234个数据）未达到平坦化终点。根据晶圆的分区法则可知，此数据段属于S4和S5区，所以在S4和S5区施加背压力进行平坦化。这样，就提高了晶圆的平坦化速率及平坦化均匀度。

当晶圆1表面完全露出阻挡层8时，晶圆1表面的数据图形符合第二特征图形13。

所述比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形的步骤具体为：

判断所述第一表面图形的图形特征参数中ei＜e，且第一阈值（0.5）＜|gi－gi+1|＜第二阈值（1.5）是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。

若是，则说明晶圆的金属层7已经被完全平坦化，此时应通过控制系统停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，并将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化。

上述第一阈值0.5及第二阈值1.5的单位是任意的，且数值不是绝对的，将根据平坦化材料的不同而有所不同，这取决于平坦化开始前在工艺菜单中设定的平坦化材料的名称。

请参阅图2，图2是本发明化学机械平坦化终点检测方法中步骤二的流程示意图，所述步骤一具体包括：

步骤S201：将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；

步骤S202：控制系统通过光学传感器以每秒大于3000个数据的采集速率实时采集所述晶圆表面的反射光信号；

步骤S203：将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形；

其中，所述步骤S202及步骤S203与步骤S102及步骤S103类似，在此不再赘述。

即所述步骤S203包括：

分别计算该多个区域内标记后的多个数据，得到第二表面图形的图形特征参数，该图形特征参数至少包括每个区域的数据个数ci、每个区域的起始数据gi、每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比ei、每个区域起始数据的位置Starti、所有区域中gi的最大值max(gi)以及最小值min(gi)。

根据所述第二表面图形的图形特征参数，在上位机界面中实时显示所述第二表面图形。

步骤S204：比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形，若是，则停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；若否，则进行步骤S205；

步骤S205：比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形，若是，则根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化。

所述步骤205之后还包括：重复步骤S202至步骤S205；

即再次实时采集所述晶圆表面的反射光信号进行判断，直至所述第二表面图形符合第四特征图形，晶圆表面多余的阻挡层全部去除。

请一并参阅图7及图11、图12，在化学机械平坦化过程中，阻挡层8材料的平坦化就是去除晶圆表面多余的阻挡层8，这一过程在第二抛光台进行。随着平坦化地进行，部分介质层9暴露出来。由于介质层9材料的反射率小于阻挡层8材料的反射率，除在沟槽中金属线条外的检测信号也随之降低。晶圆1表面的阻挡层8未平坦化完成的区域，其信号保持不变，且呈现频率变化的小震荡的近似方波的信号，频率变化的趋势，与管芯2的尺寸、管芯2之间的间隙有关。而阻挡层8平坦化完成的区域，其信号也呈现频率变化的小震荡的近似方波的信号，频率变化的趋势，与管芯2的尺寸、管芯2之间的间隙有关。但是，露出介质层9的区域，检测信号进一步降低，且明显小于阻挡层8区域的检测信号值。此时，得到的特征图形定义为第三特征图形14（如图11所示），即所述第三特征图形14为晶圆的阻挡层8被部分平坦化且部分露出介质层9的表面图形。

当晶圆1在第二抛光台平坦化完成时，晶圆表面多余的阻挡层8全部去除。晶圆1表面除在沟槽中露出的金属线条外，其余暴露出来的为介质层9。此时，光学传感器扫描晶圆1表面，其信号呈现频率变化的小震荡的近似方波的信号，频率变化的趋势，与管芯2的尺寸、管芯2之间的间隙有关。而且，所有周期内检测信号的最大值与最小值的差值max(gi)－min(gi)基本一致，且明显大于刚开始在所述第二抛光台平坦化时所有周期内检测信号的最大值与最小值的差值。此时，得到的特征图形定义为第四特征图形15（如图12所示），即所述第四特征图形15为晶圆的阻挡层8被平坦化后完全露出介质层9的表面图形。

当晶圆1表面露出部分介质层9时，晶圆1表面的数据图形符合第三特征图形12。所述比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形的步骤具体为：

判断所述第二表面图形的图形特征参数中ei＜e且|gi－gi+1|＞第一阈值（0.5）是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。

所述根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：

对于所述第二表面图形的图形特征参数中满足第一阈值（0.5）＜|gi－gi+1|＜第二阈值（1.5）的数据段，比较gi与gi+1的大小，根据两者之间较小值对应的起始数据的位置Starti以及该数据段的数据个数ci的值定位该数据段所属相应的区域，在该相应的区域内施加背压力对所述平坦化材料进行平坦化。

当晶圆1表面完全露出介质层9时，晶圆1的第二表面图形符合第四特征图形15。

所述比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形的步骤具体包括：

判断所述第二表面图形的图形特征参数中ei＜e，且|gi－gi+1|＞第二阈值（1.5）是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。

若是，则说明晶圆的阻挡层8已经被完全平坦化，此时应通过控制系统停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化，从而完成了终点检测。

本发明一种化学机械平坦化终点检测方法还包括：

计算并定义前一个平坦化材料的第一表面图形在第一抛光台上从开始平坦化到形成第一特征图形的时间为第一时间段，所述前一个平坦化材料的第一表面图形从形成第一特征图形到形成第二特征图形的时间为第二时间段，所述前一个平坦化材料的第二表面图形在第二抛光台上从开始平坦化到形成第三特征图形的时间为第三时间段，所述前一个平坦化材料的第二表面图形从形成第三特征图形到形成第四特征图形的时间为第四时间段；

将后一个平坦化材料在第一抛光台上于所述第一时间段内以第一平坦化速率进行平坦化，接着将后一个平坦化材料在第一抛光台上以第二平坦化速率进行平坦化，直至所述后一个平坦化材料的第一表面图形形成第二特征图形；其中，所述第一平坦化速率大于所述第二平坦化速率；

将后一个平坦化材料在第二抛光台上于所述第三时间段内以第三平坦化速率进行平坦化，接着将后一个平坦化材料在第二抛光台上以第四平坦化速率进行平坦化，直至所述后一个平坦化材料的第二表面图形形成第四特征图形；其中，所述第三平坦化速率大于所述第四平坦化速率。

请参阅图13，图13为平坦化材料在平坦化过程不同阶段的平坦化时间的示意图。

本实施例中，当抛完一片晶圆（即完成平坦化操作）时，自动分析计算形成晶圆表面第一特征图形12以及第三特征图形14的时间，且生成一个优化后的工艺配方，作为下一片晶圆平坦化的工艺参数，从而提高了设备平坦化效率。

当前一片晶圆平坦化完成后，计算并定义该晶圆在第一抛光台开始平坦化到晶圆的第一表面图形形成第一特征图形12的时间为t1，从晶圆的第一表面图形形成第一特征图形12到形成第二特征图形13的时间为t2；计算并定义该晶圆1在第二抛光台开始平坦化到晶圆1的第二表面图形形成第三特征图形14的时间为t3，从晶圆的第二表面图形形成第三特征图形14到形成第四特征图形15的时间为t4。

当下一片晶圆上料进行平坦化时，控制系统使用优化后的工艺参数对后一片晶圆进行平坦化，具体实施方法是：在0~δ1（0<δ1<t1）的时间内，使用去除量大的第一平坦化速率工艺参数，例如可以为是相对较大的转速和合适的平坦化压力等；然后使用去除量小且平坦化均匀性好的第二平坦化速率工艺参数，直至晶圆的第一表面图形形成第二特征图形13时，设备停止在第一抛光台的平坦化；

在t2 ~δ2（t2<δ2<t3）的时间内，使用去除量大的第三平坦化速率工艺参数，可以是相对较大的转速和合适的平坦化压力等；然后使用去除量小且平坦化均匀性好的第四平坦化速率工艺参数，直至晶圆的第二表面图形形成第四特征图形15时，设备停止在第二抛光台的平坦化。

这样通过使用优化的前一平坦化工艺参数，在不影响平坦化材料全局平整度的条件下，减少了整个平坦化材料平坦化时间，提高了设备的平坦化效率。

请参阅14，本发明还提供一种化学机械平坦化终点检测装置，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，所述检测装置包括：用于对所述平坦化材料进行平坦化的第一平坦化平台10及第二平坦化平台20，所述第一平坦化平台10上设有可相对旋转的第一检测窗口30，所述第二平坦化平台20上设有可相对旋转的第二检测窗口40，所述第一检测窗口30上安装有用于实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号的第一光学传感器50，所述第二检测窗口40上安装有用于实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号的第二光学传感器60，所述检测装置还包括分别连接于所述第一光学传感器50及第二光学传感器60的数据处理单元70及控制单元80，所述数据处理单元70具体包括：

第一数据图形化子单元702，用于将第一光学传感器50采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形；

第二数据图形化子单元704，用于将第二光学传感器60采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形；

第一比较判断子单元706，用于比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形，以及在所述第一表面图形不符合第二特征图形的情况下，比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形；

第二比较判断子单元708，用于比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形，以及在所述第二表面图形不符合第四特征图形的情况下，比较所述第一表面图形是否符合第三特征图形；

所述控制单元80用于在所述第一表面图形符合第二特征图形的情况下，控制停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化；在所述第一表面图形符合第一特征图形的情况下，根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；在所述第一表面图形不符合第一特征图形的情况下，根据所述设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化；

所述控制单元80还用于在所述第二表面图形符合第四特征图形的情况下，控制停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；在所述第二表面图形符合第三特征图形的情况下，根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；在所述第二表面图形不符合第三特征图形的情况下，根据所述设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化。

相比于现有技术，本发明采用通过将实时采集的平坦化材料表面的反射光信号进行数据图形化处理，并将其与平坦化各阶段的特征图形相比较，从而更可靠地判断各阶段的平坦化终点，而且根据采集的平坦化材料检测图形曲线对平坦化材料实施分区域压力控制，提高了平坦化材料的全局平坦化效果，保证了平坦化材料平坦化的加工质量，提高化学机械平坦化设备的一次加工合格率。

本发明的实施可以使化学机械平坦化设备不需要对特定平坦化材料进行检测标定，而通过数据图形化的方法对平坦化材料的化学机械平坦化过程实现在线终点检测，本发明大大节省了半导体制造商因开发检测不同产品平坦化材料终点检测算法的时间，更重要的是，本发明大大降低了因开发特定平坦化材料终点检测算法所需消耗品等造成的成本。

综上，本发明化学机械平坦化终点检测方法及装置提高了平坦化材料的全局平坦化效果，保证了平坦化材料平坦化的加工质量，提高化学机械平坦化设备的一次加工合格率，且大大降低了化学机械平坦化终点检测工艺开发的成本。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims

1.一种化学机械平坦化终点检测方法，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二：在将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化时，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形；比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形，若否，则比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形，若是，则根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化，完成终点检测；

所述第一特征图形为平坦化材料的金属层被部分平坦化且部分露出阻挡层的表面图形，所述第二特征图形为平坦化材料的金属层被平坦化后完全露出阻挡层的表面图形；所述第三特征图形为平坦化材料的阻挡层被部分平坦化且部分露出介质层的表面图形，所述第四特征图形为晶圆的阻挡层被平坦化后完全露出介质层的表面图形；

所述将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形的步骤或所述将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形的步骤具体包括：

2.根据权利要求1所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形的步骤具体为：

3.根据权利要求1所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：

4.根据权利要求1所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形的步骤具体为：

5.根据权利要求1所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形的步骤具体为：

6.根据权利要求5所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：

7.根据权利要求6所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形的步骤具体包括：

8.一种化学机械平坦化终点检测装置，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，其特征在于，所述检测装置包括：

所述控制单元用于在所述第一表面图形符合第二特征图形的情况下，控制停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化；在所述第一表面图形符合第一特征图形的情况下，根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；在所述第一表面图形不符合第一特征图形的情况下，根据设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化；

所述控制单元还用于在所述第二表面图形符合第四特征图形的情况下，控制停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；在所述第二表面图形符合第三特征图形的情况下，根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；在所述第二表面图形不符合第三特征图形的情况下，根据设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化；

所述第一特征图形为平坦化材料的金属层被部分平坦化且部分露出阻挡层的表面图形，所述第二特征图形为平坦化材料的金属层被平坦化后完全露出阻挡层的表面图形；所述第三特征图形为平坦化材料的阻挡层被部分平坦化且部分露出介质层的表面图形，所述第四特征图形为晶圆的阻挡层被平坦化后完全露出介质层的表面图形。