CN104742008A - 化学机械研磨方法及化学机械研磨装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学机械研磨方法及化学机械研磨装置，根据研磨垫的使用寿命实时调整研磨垫平整器的压力，所述研磨垫的使用寿命越长则所述研磨垫平整器的压力越大，以保证研磨去除率的稳定，最终保证了CMP工艺后的薄膜剩余厚度的稳定，提高了产品之间的薄膜剩余厚度的稳定性和最终芯片性能的稳定。

Description

化学机械研磨方法及化学机械研磨装置
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别涉及一种化学机械研磨方法及化学机械研磨装置。
背景技术
随着超大规模集成电路的飞速发展，集成电路制造工艺变得越来越复杂和精细，为了提高集成度，降低制造成本，半导体器件的尺寸日益减小，平面布线已难以满足半导体器件高密度分布的要求，只能采用多层布线技术，进一步提高半导体器件的集成密度。由于多层互连或填充深度比较大的沉积过程导致了晶圆表面过大的起伏，引起光刻工艺聚焦的困难，使得对线宽的控制能力减弱，降低了整个晶圆上线宽的一致性。为此，需要对不规则的晶圆表面进行平坦化处理。目前，化学机械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）是达成全局平坦化的最佳方法，尤其是在半导体制作工艺进入亚微米领域后，化学机械研磨已成为一项不可或缺的制作工艺技术。
化学机械研磨过程中，将晶圆放置于化学机械研磨机台的研磨头上，并使晶圆的待研磨表面向下与研磨垫（Pad）接触，然后向化学机械研磨机台通入研磨液，并通过晶圆表面与研磨垫之间的相对运动将晶圆表面平坦化。因此，研磨垫的研磨表面的平整度对于化学机械研磨制程来说是至关重要的。目前，业界通常利用化学机械研磨设备的研磨垫调整装置（Pad Conditioner）来调整研磨垫的研磨表面的平整度，以使研磨表面的平整状态符合工艺要求。
然而，研磨垫作为耗材总是存在循环效应，即在使用初期和使用末期的性能较差，进而影响到工艺的稳定性和产品的性能。为此，业界在刚对化学机械研磨机台进行维护时，即刚换上新研磨垫后，使用挡空片（dummy wafer）进行预研磨来降低PM Cycle效应，如此能够解决耗材使用初期效果不理想的问题。而使用末期则依靠终点探测（End-Point Detection,EDP）技术来监测工艺的进程，从而确定研磨终点。一种类型的终点检测是基于信号强度的终点检测，其原理为：获取表征被研磨层所剩厚度的监控信号，当信号强度越过阈值时，则判断达到了研磨终点。例如，通过电磁感应原理来获得与金属层厚度相关的电信号，由此来控制研磨工艺的终点。另一种类型的终点检测是基于窗口探测的终点检测，其通过抓取监测曲线中较为明显的变化（揭示出被研磨材料层的过渡）来确定研磨终点。例如，通过用扫描光束对晶圆表面进行扫描，同时利用传感器监测经晶圆表面反射的光强度，由于金属层与阻挡层的反射率不同，因此可以根据反射强度来控制研磨工艺的终点。具体来说，当金属层被研磨掉一部分，被研磨材料的厚度出现变化时，光反射信号开始发生变化，当被研磨层被研磨完后，反射信号变化趋缓。因此，通过捕获光反射信号的两次明显变化，来判定化学机械研磨终点。
在实际生产中发现，尽管采用了上述终点探测技术来监测工艺的进程，但是在研磨垫使用末期的研磨效果仍然不理想，即实际研磨后薄膜剩余厚度与目标值偏差过大，以至于只能缩短使用耗材的使用寿命，来降低这种效应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种化学机械研磨方法及化学机械研磨装置，以解决研磨垫使用末期的研磨效果不理想的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种化学机械研磨方法，根据研磨垫的使用寿命实时调整研磨垫平整器的压力，所述研磨垫的使用寿命越长则所述研磨垫平整器的压力越大。
进一步的，根据如下公式确定研磨垫平整器的压力：
其中，DF实时为实时的研磨垫平整器压力值，DF固定为固定的研磨垫平整器压力值，Padlife总为设定的研磨垫总寿命，Padlife实时为实时的研磨垫寿命，K为换算因子，K取值范围为0.05～2.0。
进一步的，所述换算因子取决于工艺、机台以及使用的原材料。
进一步的，所述工艺是指浅沟槽化学机械研磨工艺、钨金属化学机械研磨工艺、中间隔离层化学机械研磨工艺或铜金属化学机械研磨工艺。
进一步的，所述设定的研磨垫总寿命是所述研磨垫所能研磨的晶圆总片数，所述实时的研磨垫寿命是所述研磨垫实时研磨的晶圆片数。
进一步的，根据如下公式确定研磨垫平整器的压力：
DF实时＝(1-K*sin(π/2+(Padlife实时/Padlife总)*π）*DF固定
其中，DF实时为实时的研磨垫平整器压力值，DF固定为固定的研磨垫平整器压力值，Padlife总为设定的研磨垫总寿命，Padlife实时为实时的研磨垫寿命，K为换算因子，K取值范围为0.05～1.0。
进一步的，所述换算因子取决于工艺、机台以及使用的原材料。
进一步的，所述工艺是指浅沟槽化学机械研磨工艺、钨金属化学机械研磨工艺、中间隔离层化学机械研磨工艺或铜金属化学机械研磨工艺。
进一步的，所述设定的研磨垫总寿命是所述研磨垫所能研磨的晶圆总片数，所述实时的研磨垫寿命是所述研磨垫实时研磨的晶圆片数。
本发明还提供一种化学机械研磨装置，包括：研磨垫、研磨垫平整器以及研磨垫平整器压力调整系统，所述研磨垫平整器用于调整所述研磨垫的平整度，所述研磨垫平整器压力调整系统根据所述研磨垫的使用寿命实时调整所述研磨垫平整器的压力，所述研磨垫的使用寿命越长则所述研磨垫平整器的压力越大。
发明人发现，研磨垫使用初期和末期的研磨垫使用效果不佳，在研磨垫使用初期研磨后的薄膜剩余厚度低于目标厚度，在研磨垫使用末期研磨后的薄膜剩余厚度高于目标厚度，另外，研磨垫平整器的压力越高则研磨的去除率就越高，为此本发明根据研磨垫的使用寿命动态控制研磨垫平整器的压力，随着研磨垫使用寿命的增加研磨垫平整器的压力，来保证研磨去除率的稳定，最终保证了CMP工艺后的薄膜剩余厚度的稳定，提高了产品之间的薄膜剩余厚度的稳定性和最终芯片性能的稳定。
附图说明
图1是本发明的化学机械研磨装置的示意图。
具体实施方式
在背景技术中已经提及，半导体制造过程中往往会使用到很多耗材，例如化学机械研磨过程中所使用的研磨垫，而研磨垫使用过程中总是存在一种PMCycle效应，具体表现为在研磨垫使用初期研磨后的薄膜剩余厚度低于目标厚度，在研磨垫使用末期研磨后的薄膜剩余厚度高于目标厚度，进而影响到工艺的稳定性和产品的性能。因此在刚PM换上新研磨垫后，使用挡空片进行预研磨来降低PM Cycle效应，而后期却没有办法来解决，以至于只能缩短研磨垫使用时间来降低这种效应。这是因为现有的化学机械研磨装置依靠终点探测系技术来确定研磨终点，而终点探测系统只是探测到了工艺信号的变化，在此之后，还需要一段基于固定时间的过研磨（over polish）才终止工艺，在这段基于固定时间的过研磨工艺中，由于实际研磨的去除率已经由于PM Cycle效应有所变化，因此就会造成实际研磨后的薄膜剩余厚度发生变化。
为此，本发明提供一种化学机械研磨方法，通过调整研磨垫平整器的压力（down force of pad conditioner）来及时调整实际研磨的去除率，进而解决上述问题。经发明人研究发现，研磨垫平整器的压力越高，研磨的去除率就越高，而且基本呈线性关系。因此，本发明在研磨垫使用初期，降低研磨垫平整器的压力，然后随研磨垫使用时间的推移而增加研磨垫平整器的压力，根据研磨垫的使用寿命动态控制研磨垫平整器的压力，即，研磨垫使用初期降低研磨垫平整器的压力，随着研磨垫使用寿命的增加研磨垫平整器的压力，来保证研磨去除率的稳定，最终保证了CMP工艺后的薄膜剩余厚度（THK）的稳定，提高了产品之间的THK的稳定性和最终芯片性能的稳定。
在本发明的一个实施例中，可通过如下公式来确定研磨时的研磨垫平整器的压力：
其中，DF实时为实时的研磨垫平整器压力值，DF固定为固定的研磨垫平整器压力值，Padlife总为设定的研磨垫总寿命，Padlife实时为实时的研磨垫寿命，K为换算因子，通常取值范围为0.05～2.0。
固定的研磨垫平整器压力值DF固定可根据实验确定。换算因子F取决于工艺、机台、使用的原材料等因素，其可由本领域技术人员根据具体的实验数据来获得；所述工艺是指STI CMP（浅沟槽化学机械研磨）、W CMP（钨金属化学机械研磨）、ILD CMP（中间隔离层化学机械研磨）、Cu CMP（铜金属化学机械研磨）等工艺；机台是指Applied Material提供的Mirra Mesa机台等；使用的原材料例如是指研磨盘（disk）、研磨液（slurry）等。设定的研磨垫总寿命Padlife总是指研磨垫所能研磨的晶圆总片数，可通过经验值确定。实时的研磨垫寿命Padlife实时是指研磨垫实时研磨的晶圆片数。
本实施例中，Padlife总为1000片（即该研磨垫能够对1000片晶圆进行化学机械研磨），K取值0.1，DF固定为一固定数值，根据实验数据取先前的研磨垫使用到一半寿命时的研磨垫平整器压力值，如5磅，则，
该研磨垫进行第500片晶圆的研磨时，DF实时=1*DF固定=5磅
该研磨垫进行第1000片晶圆的研磨时，DF实时=1.05*DF固定=5.25磅
在本发明的另一个实施例中，可通过如下公式来确定研磨时的研磨垫平整器的压力：
DF实时＝(1-K*sin(π/2+(Padlife实时/Padlife总)*π）*DF固定
其中，DF实时为实时的研磨垫平整器压力值，DF固定为固定的研磨垫平整器压力值，Padlife总为设定的研磨垫总寿命，Padlife实时为实时的研磨垫寿命，K为换算因子，通常取值范围为0.05～1.0。
固定的研磨垫平整器压力值DF固定可根据实验确定。换算因子F取决于工艺、机台、使用的原材料等因素，其可由本领域技术人员根据具体的实验数据来获得；所述工艺是指STI CMP（浅沟槽化学机械研磨）、W CMP（钨金属化学机械研磨）、ILD CMP（中间隔离层化学机械研磨）、Cu CMP（铜金属化学机械研磨）等工艺；机台是指Applied Material提供的Mirra Mesa机台等；使用的原材料例如是指研磨盘（disk）、研磨液（slurry）等。设定的研磨垫总寿命Padlife总是指研磨垫所能研磨的晶圆总片数，可通过经验值确定。实时的研磨垫寿命Padlife实时是指研磨垫实时研磨的晶圆片数。
根据本发明的另一面，还提供一种化学机械研磨装置，包括：研磨垫14、研磨垫平整器13以及研磨垫平整器压力调整系统，所述研磨垫平整器13用于调整所述研磨垫14的平整度，所述研磨垫平整器压力调整系统根据研磨垫14的使用寿命实时调整所述研磨垫平整器13的压力，所述研磨垫14的使用寿命越长则所述研磨垫平整器13的压力越大。
具体地说，化学机械研磨过程中，研磨头12通过真空吸附晶圆15，并使晶圆15的待研磨表面向下与粘附于研磨平台（platen）11上的研磨垫接触，然后向化学机械研磨机台的研磨垫表面通入研磨液，并通过晶圆表面与研磨垫14之间的相对运动将晶圆表面平坦化。所述研磨垫平整器13例如是钻石盘（diamonddisk），所述研磨垫平整器13根据上述方法实时调整研磨垫的研磨表面的平整度，以使研磨表面的平整状态符合工艺要求。
综上所述，所述化学机械研磨装置根据研磨垫14的使用寿命调整研磨垫平整器13的压力，在研磨垫使用初期降低研磨垫平整器13的压力，然后随研磨垫使用时间的推移而增加研磨垫平整器的压力，来保证研磨去除率的稳定，最终保证了CMP工艺后的薄膜剩余厚度（THK）的稳定，提高了产品之间的THK的稳定性和最终芯片性能的稳定。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，根据研磨垫的使用寿命实时调整研磨垫平整器的压力，所述研磨垫的使用寿命越长则所述研磨垫平整器的压力越大。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，根据如下公式确定研磨垫平整器的压力：
其中，DF实时为实时的研磨垫平整器压力值，DF固定为固定的研磨垫平整器压力值，Padlife总为设定的研磨垫总寿命，Padlife实时为实时的研磨垫寿命，K为换算因子，K取值范围为0.05～2.0。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述换算因子取决于工艺、机台以及使用的原材料。
4.如权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述工艺是指浅沟槽化学机械研磨工艺、钨金属化学机械研磨工艺、中间隔离层化学机械研磨工艺或铜金属化学机械研磨工艺。
5.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述设定的研磨垫总寿命是所述研磨垫所能研磨的晶圆总片数，所述实时的研磨垫寿命是所述研磨垫实时研磨的晶圆片数。
6.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，根据如下公式确定研磨垫平整器的压力：
DF实时＝(1-K*sin(π/2+(Padlife实时/Padlife总)*π）*DF固定
其中，DF实时为实时的研磨垫平整器压力值，DF固定为固定的研磨垫平整器压力值，Padlife总为设定的研磨垫总寿命，Padlife实时为实时的研磨垫寿命，K为换算因子，K取值范围为0.05～1.0。
7.如权利要求6所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述换算因子取决于工艺、机台以及使用的原材料。
8.如权利要求6所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述工艺是指浅沟槽化学机械研磨工艺、钨金属化学机械研磨工艺、中间隔离层化学机械研磨工艺或铜金属化学机械研磨工艺。
9.如权利要求6所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述设定的研磨垫总寿命是所述研磨垫所能研磨的晶圆总片数，所述实时的研磨垫寿命是所述研磨垫实时研磨的晶圆片数。
10.一种化学机械研磨装置，包括：研磨垫、研磨垫平整器以及研磨垫平整器压力调整系统，所述研磨垫平整器用于调整所述研磨垫的平整度，所述研磨垫平整器压力调整系统根据所述研磨垫的使用寿命实时调整所述研磨垫平整器的压力，所述研磨垫的使用寿命越长则所述研磨垫平整器的压力越大。
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