CN106002603B - 一种铜研磨方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种研磨方法及系统，包括：提供一具有第一待研磨层的衬底；对第一待研磨层进行初始研磨，以去除部分第一待研磨层；量测经初始研磨后的第一待研磨层的初始厚度；根据初始厚度、所设定的第一待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算出再研磨的研磨时间；对第一待研磨层进行第一次再研磨；当再研磨的研磨时间结束时，量测经第一次再研磨的第一待研磨层的第一完成厚度；判断所述第一完成厚度是否在目标厚度的允许范围内；若为否，以所述第一完成厚度的值作为初始厚度的新值，重复循环上述过程以进行多次再研磨过程，来实现对铜研磨厚度的精确控制。本发明可以实现对待研磨层的厚度的精确控制，提高了研磨效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，具体涉及一种铜研磨方法及系统。
背景技术
铜研磨工艺是半导体制造技术中的重要工艺之一。为了精确控制研磨的铜的厚度，铜研磨工艺被广泛研究。例如目前应用于铜研磨工艺的制程包括Fullverion、IAPC、APC等，然而，这些方案均不够成熟，不能完全解决铜研磨的厚度稳定性问题。Fullverion工艺通过控制模块可以实现对每片制品的实时控制，通过终点控制技术来控制研磨终点，但是其受前层结构影响较大，不能很好地实现终点控制；IAPC工艺虽然具有系统反馈控制的服务器和量测机台，但不能够对制品的研磨情况进行实时反馈，没有利用终点控制技术，在铜研磨制程中，不能识别铜薄膜的量测图案，不能进行厚度前值量测，不能反馈出前层的变化结果；APC工艺虽然具有系统反馈控制的服务器，但也不能对制品的研磨情况进行实时反馈，没有利用终点控制技术，其反馈明显滞后，控制精度较差。
发明内容
为了克服以上问题，本发明提供了一种铜研磨方法及系统，以提高铜研磨厚度的精确控制。
为了达到上述目的，本发明研磨方法包括：
步骤01：提供一具有第一待研磨层的衬底；
步骤02：对第一待研磨层进行初始研磨，以去除部分第一待研磨层；
步骤03：量测经初始研磨后的第一待研磨层的初始厚度；
步骤04：根据初始厚度、所设定的第一待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算出再研磨的研磨时间；
步骤05：对第一待研磨层进行第一次再研磨；
步骤06：当再研磨的研磨时间结束时，量测经第一次再研磨的第一待研磨层的第一完成厚度；
步骤07：判断所述第一完成厚度是否在目标厚度的允许范围内；
步骤08：若为否，以所述第一完成厚度的值作为初始厚度的新值，重复循环步骤04-08以进行多次再研磨过程。
优选地，所述第一待研磨层为金属层，所提供的衬底为具有至少一个沟槽的衬底，在所述沟槽顶部的衬底表面具有阻挡层，所述金属层形成沟槽中以及所述阻挡层表面。
优选地，所述步骤02中，采用终点检测技术，研磨所述金属层直至暴露出所述阻挡层。
优选地，所述步骤02具体包括：首先，在终点检测技术监测下，以第一速率研磨所述金属层，并停止于所述阻挡层上方；然后，在终点检测技术监测下，以第二速率研磨所述金属层，并停止于所述阻挡层表面；所述第二速率小于所述第一速率。
优选地，所述步骤08之后，还包括：首先，根据步骤01-03对具有第二待研磨层的另一个衬底进行初始研磨；然后，根据所述第一待研磨层的所述第一完成厚度、所设定的第二待研磨层的目标厚度、所述第二待研磨层的初始厚度以及对所述第二待研磨层进行再研磨的研磨速率，来计算出第二待研磨层进行再研磨的研磨时间；接着，根据步骤05-08对第二待研磨层进行研磨。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种研磨系统，用于对具有第一待研磨层的衬底进行研磨；其包括：
第一研磨部件，用于对第一待研磨层进行初始研磨；
量测模块，用于量测第一待研磨层的初始厚度、第一待研磨层经第一次再研磨后的第一完成厚度、以及每次再研磨后所对应的完成厚度；
计算模块，用于根据初始厚度、所设定的待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算出再研磨的研磨时间；
第二研磨部件，用于对第一待研磨层进行再研磨；
控制模块，用于控制所述第一研磨部件进行初始研磨，根据所述再研磨的研磨时间来控制所述第二研磨部件进行再研磨、以及根据判断模块的判断结果来结束再研磨过程；
判断模块，用于判断经再研磨的第一待研磨层的第一完成厚度是否在目标厚度的允许范围内；若为否，以所述第一完成厚度的值作为初始厚度的新值并结合所设定的待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算模块重新计算再研磨的研磨时间，使第二研磨部件对第一待研磨层进行重复循环地再研磨过程，直至第一待研磨层的厚度达到目标厚度。
优选地，所述第一待研磨层为金属层，所提供的衬底为具有至少一个沟槽的衬底，在所述沟槽顶部的衬底表面具有阻挡层，所述金属层形成沟槽中以及所述阻挡层表面。
优选地，所述系统还包括终点检测模块，所述第一研磨部件研磨所述金属层直至终点检测模块检测到所述阻挡层暴露出来为止。
优选地，控制模块还用于控制第一研磨部件的研磨速率；在第一研磨部件研磨所述金属层的过程中，首先，控制模块控制第一研磨部件以第一速率研磨所述金属层，至所述终点检测模块监测所述金属层的顶部被研磨至所述阻挡层上方为止；然后，控制模块控制第一研磨头以第二速率研磨所述金属层，至所述终点检测模块监测到所述阻挡层表面暴露出来为止；所述第二速率小于所述第一速率。
优选地，还包括：所述控制模块控制第二研磨部件对具有第二待研磨层的另一个衬底进行初始研磨；计算模块根据第一待研磨层的第一完成厚度、所设定的第二待研磨层的目标厚度、所述第二待研磨层的初始厚度以及对所述第二待研磨层进行再研磨的研磨速率，来计算出第二待研磨层进行再研磨的研磨时间；控制模块根据再研磨的研磨时间控制第二研磨部件对第二待研磨层进行研磨。
本发明的研磨方法及系统，首先，对待研磨层进行初始研磨，直至暴露出阻挡层表面；接着，以研磨后的待研磨层的厚度作为后续进一步精细研磨的初始厚度的新值，计算得到初始厚度的新值达到目标值的研磨时间，来实现对铜研磨厚度的精确控制。本发明可以实现对待研磨层的厚度的精确控制，提高了研磨效率。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的一个衬底的结构示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的研磨系统的方块图
图3为本发明的一个较佳实施例的研磨设备的结构示意图
图4为本发明的一个较佳实施例的研磨方法的流程示意图
图5～7为本发明的一个较佳实施例的研磨方法的各制备步骤示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
本实施例的研磨系统，对具有第一待研磨层的衬底进行研磨；包括第一研磨部件、量测模块、计算模块、第二研磨部件、判断模块和控制模块；其中，第一研磨头，用于对待研磨层进行初始研磨；量测模块，用于量测待研磨层的初始厚度、待研磨层经第一次再研磨后的第一完成厚度、以及每次再研磨后所对应的完成厚度；计算模块，用于根据初始厚度、所设定的待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算出再研磨的研磨时间；第二研磨部件，用于对第一待研磨层进行再研磨；判断模块，用于判断经再研磨的待研磨层的第一完成厚度是否在目标厚度的允许范围内；若为否，以所述第一完成厚度的值作为初始厚度的新值并结合所设定的待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算模块重新计算再研磨的研磨时间，使第二研磨部件对待研磨层进行重复循环地再研磨过程，直至待研磨层的厚度达到目标厚度；控制模块，用于控制第一研磨部件进行初始研磨，以及根据再研磨的研磨时间来控制第二研磨部件进行再研磨。
本发明中，具有第一待研磨层的衬底可以为具有至少一个沟槽的衬底，在沟槽顶部的衬底表面具有阻挡层，金属层形成沟槽中以及阻挡层表面；这里的金属层就是待研磨层。沟槽可以为通孔、接触孔等任意形状的开口。金属层的材料可以为铜、铝等。第一研磨部件和第二研磨部件可以为一个研磨盘、一个研磨块等用于研磨的部件，第一研磨部件也可以为多个，例如多个研磨盘或研磨头，第二研磨部件也可以为多个，例如多个研磨盘或研磨头。
以下结合附图1-6和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
本实施例中，请参阅图1，为本实施例的所提供的一个衬底示意图，在一硅衬底101中具有通孔，阻挡层102位于通孔顶部周围的硅衬底101表面，铜层1031位于通孔内以及阻挡层102表面；本实施例的研磨部件为研磨盘；请参阅图2，本实施例的铜研磨系统包括：
第一研磨部件，其具有第一一研磨盘和第一二研磨盘，用于对铜层进行初始研磨；第一一研磨盘用于对铜层进行第一步研磨，去除一定厚度的铜层，但是没有暴露出阻挡层；第一二研磨盘用于对铜层进行第二部研磨，直至暴露出阻挡层表面；
量测模块，用于量测第一待研磨层的初始厚度、第一待研磨层经第一次再研磨后的第一完成厚度、以及每次再研磨后所对应的完成厚度；这里量测模块用于量测铜层的厚度；其中所量测的铜层的厚度包括铜层的初始厚度以及经过第一研磨过程的铜层的第一完成厚度、以及每次再研磨后所对应的完成厚度。
计算模块，用于根据铜层的初始厚度、所设定的待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算出对铜层再研磨的研磨时间；
第二研磨盘，用于对铜层进行再研磨；
控制模块，用于控制第一一研磨盘和第一二研磨盘进行初始研磨及其研磨速率，以及根据再研磨的研磨时间来控制第二研磨盘进行再研磨；
判断模块，用于判断经再研磨的铜层的第一完成厚度是否在目标厚度的允许范围内；
这里，若为否，计算模块以第一完成厚度的值作为初始厚度的新值并结合所设定的铜层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，重新计算再研磨的研磨时间，根据重新计算的再研磨的研磨时间，控制模块使第二研磨盘对铜层进行重复循环地再研磨过程，直至铜层的厚度达到目标厚度；
本实施例中，还具有终点检测模块，用于在第一研磨过程中控制初始研磨过程的终点；当检测得到已经到达初始研磨过程的终点时，终点检测模块发送信号给控制模块，控制模块控制初始研磨过程终止。这里为第一一研磨盘研磨铜层直至终点检测模块检测到阻挡层暴露出来为止；具体的，在第一一研磨盘研磨铜层的过程中，首先，控制模块控制第一一研磨盘以第一速率研磨铜层，至终点检测模块监测铜层的顶部被研磨至阻挡层上方为止，此时，研磨铜层的顶部使其平坦，但还没有暴露出阻挡层表面；然后，控制模块控制第一二研磨盘以第二速率研磨铜层，至终点检测模块监测到阻挡层表面暴露出来为止；较佳的，第二速率小于第一速率。
此外，本实施例中不仅对一个具有铜层的硅衬底进行研磨，还对多个具有铜层的硅衬底进行研磨；具体的，控制模块控制第二研磨盘对具有铜层的另一个衬底进行初始研磨；计算模块根据上述的铜层的第一完成厚度、所设定的；另一个衬底中的铜层的目标厚度及其初始厚度、以及对另一个衬底中的铜层进行再研磨的研磨速率，来计算出另一个衬底中的铜层进行再研磨的研磨时间；控制模块根据该再研磨的研磨时间控制第二研磨头对另一个衬底中的铜层进行研磨。举例来说，对于多个完全相同的衬底，第一个衬底中的铜层的初始厚度为2000埃，目标厚度为1000埃，根据初始厚度2000埃、目标厚度1000埃以及第一次再研磨的研磨速率，计算出第一次再研磨的研磨时间；经第一次再研磨后的铜层的第一完成厚度为1200埃，目标厚度的阈值为1000±10埃，则目标厚度的允许范围为990-1010埃，则比较第一完成厚度和该目标厚度，发现第一完成厚度与目标厚度的差距为200埃；因此，需要对铜层继续进行再研磨，则使第一完成厚度的值1200埃作为下一个再研磨的初始厚度的值，再结合目标厚度1000埃以及再研磨速率来重新计算下一个再研磨的研磨时间，以此时间来进行下一个再研磨；如果下一个再研磨过程后，量测的铜层的完成厚度还大于目标厚度的允许范围，则继续重复上述过程对铜层进行再研磨，直至铜层的最终厚度在目标厚度的允许范围内；对于第二个衬底，第二个衬底中的铜层的初始厚度仍为2000埃，目标厚度仍为1000埃，此时，需要将第一个衬底的第一完成厚度考虑进来，根据初始厚度2000埃、目标厚度1000埃、第一个衬底的第一完成厚度1200埃以及第二个衬底的第一次再研磨的研磨速率，可以利用初始厚度-目标厚度+(第一个衬底的第一完成厚度-目标厚度)来计算出第二个衬底的第一次再研磨的研磨时间；这样，对第二个衬底的第一次再研磨的研磨时间进行了修正，使得经第一次再研磨后的铜层的第一完成厚度会小于第一个衬底的第一完成厚度1200埃，减少再研磨的重复次数及时间，提高研磨效率。
请参阅图3，为本实施例的研磨设备的结构示意图，本实施的研磨设备中，装载有多个硅片盒201、待传输工位202、第一机械手M1、第二机械手M2、第三机械手M3、第四机械手M4、待研磨工位203、三个研磨盘；三个研磨盘中，第一一研磨盘P11和第一二研磨盘P12用初始研磨过程；第二研磨盘P2用于再研磨过程。
第一机械手M1用于将硅片从硅片盒201中取出并放置于待传输工位202，硅片所具有的结构与上述图1所示具有铜层的硅衬底的结构相同相同，硅片位于待传输工位202等待第二机械手M2来拾取，第二机械手M2拾取待传输工位202的硅片并放置于第三机械手M3上，第三机械手M3将硅片放置于待研磨工位203上，第四机械手M4从待研磨工位203上将硅片拾取并且放置于第一一研磨盘P11上，硅片在第一一研磨盘P11上完成对铜层的第一步研磨，此时没有暴露出阻挡层，此过程采用终点检测技术来实现终点监测，终点检测技术可以采用常规技术，例如，利用一传感器来监测铜层的涡流电流变化，当铜层的厚度发生变化时，铜层所传递出的涡流电流也会相应发生变化，根据经验值设置铜层达到某一厚度的电流值范围，在研磨过程中，当铜层所传递出的电流值在该设定电流值范围内时，表明铜层被研磨至所设定的某一厚度，即为该步的研磨的终点；然而这种终点检测技术用于对铜层进行初步研磨，因为上述传感器的设置适用于大面积铜层，而不适用于沟槽内的铜层；然后，第四机械手M4将硅片从第一一研磨盘P11取出并放置于第一二研磨盘P12上对铜层继续进行初始研磨，直至暴露出阻挡层表面，在此过程中，也采用终点检测技术来实现终点检测，此时的终点检测技术可以采用上述监测铜层的电流变化的方法，也可以采用材料成分监测方法，这是由于阻挡层的材料与铜层的材料不相同，一旦研磨到阻挡层后，检测到研磨的材料成分不同即可表明以及达到研磨终点，材料成分监测技术可以采用元素分析仪等常规技术，这里不再赘述。当第二研磨盘P12中的硅片完成初始研磨后，阻挡层表面暴露出来；第四机械手M4将硅片从第一二研磨盘P12取出并放置于第二研磨盘P2，进行再研磨，此时根据上述的研磨系统中的量测模块的反馈和计算模块的计算，在控制模块的控制下进行多次再研磨以使铜层的最终厚度在目标厚度的允许范围内。
请参阅图4，本实施例中，采用上述研磨系统进行对铜层进行研磨的方法，
步骤01：提供一具有第一待研磨层的衬底；
具体的，请再次参阅图1，第一待研磨层为铜层，所提供的衬底为具有至少一个沟槽的衬底，在沟槽顶部的衬底表面具有阻挡层，铜层形成沟槽中以及阻挡层表面。
步骤02：对第一待研磨层进行初始研磨，以去除部分第一待研磨层；
具体的，步骤02中，采用终点检测技术，研磨铜层直至暴露出阻挡层表面；具体包括：首先，如图5所示，在终点检测技术监测下，以第一速率研磨铜层得到铜层1032，并停止于阻挡层102上方；然后，如图6所示，在终点检测技术监测下，以第二速率研磨铜层1032后得到铜层1033，并停止于阻挡层102表面；第二速率小于第一速率。
步骤03：量测经初始研磨后的第一待研磨层的初始厚度；
具体的，量测完成步骤02的铜层的初始厚度，这里初始厚度为完成步骤02的铜层顶部至沟槽中铜层的底部的厚度。
步骤04：根据初始厚度、所设定的待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算出再研磨的研磨时间；
具体的，利用(d1-d2)/v来计算对铜层再研磨的研磨时间，其中，d1为铜层的初始厚度，d2为所设定的铜层的目标厚度，v为再研磨的研磨速率；
步骤05：对第一待研磨层进行第一次再研磨；
步骤06：当再研磨的研磨时间结束时，量测经第一次再研磨的第一待研磨层的第一完成厚度；
具体的，第一次再研磨完成，量测铜层此时的厚度为第一完成厚度；
步骤07：判断第一完成厚度是否在目标厚度的允许范围内；
具体的，目标厚度具有上下极限值，上下极限值所限制的范围即为目标厚度的允许范围。
步骤08：若为否，以第一完成厚度的值作为初始厚度的新值，重复循环步骤04-08以进行多次再研磨过程；。
具体的，若为是，则完成对第一待研磨层的研磨；重复上述的量测过程、重新计算过程等进行多次再研磨过程，直至铜层的最终厚度在目标厚度的允许范围内。如图7所示，为最终的铜层的示意图，在硅衬底101中的铜层103顶部齐平，铜层103的厚度在目标厚度的允许范围内。因此，由于在再研磨过程中，由于研磨的全是铜层，研磨停止时无法采用终点检测技术监控，单一的一个再研磨过程会导致研磨精度不准确，采用本发明克服了现有的缺陷，提高了研磨精度。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (8)
1.一种研磨方法，其特征在于，包括：
步骤01：提供一具有第一待研磨层的衬底；
步骤02：对第一待研磨层进行初始研磨，以去除部分第一待研磨层；
步骤03：量测经初始研磨后的第一待研磨层的初始厚度；
步骤04：根据初始厚度、所设定的第一待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算出再研磨的研磨时间；
步骤05：对第一待研磨层进行第一次再研磨；
步骤06：当再研磨的研磨时间结束时，量测经第一次再研磨的第一待研磨层的第一完成厚度；
步骤07：判断所述第一完成厚度是否在目标厚度的允许范围内；
步骤08：若为否，以所述第一完成厚度的值作为初始厚度的新值，重复循环步骤04-08以进行多次再研磨过程；
步骤08之后还包括：
首先，根据步骤01-03对具有第二待研磨层的另一个衬底进行初始研磨；
然后，根据所述第一待研磨层的所述第一完成厚度、所设定的第二待研磨层的目标厚度、所述第二待研磨层的初始厚度以及对所述第二待研磨层进行再研磨的研磨速率，来计算出第二待研磨层进行再研磨的研磨时间；
接着，根据步骤05-08对第二待研磨层进行研磨。
2.根据权利要求1所述的研磨方法，其特征在于，所述第一待研磨层为金属层，所提供的衬底为具有至少一个沟槽的衬底，在所述沟槽顶部的衬底表面具有阻挡层，所述金属层形成沟槽中以及所述阻挡层表面。
3.根据权利要求2所述的研磨方法，其特征在于，所述步骤02中，采用终点检测技术，研磨所述金属层直至暴露出所述阻挡层。
4.根据权利要求3所述的研磨方法，其特征在于，所述步骤02具体包括：首先，在终点检测技术监测下，以第一速率研磨所述金属层，并停止于所述阻挡层上方；然后，在终点检测技术监测下，以第二速率研磨所述金属层，并停止于所述阻挡层表面；所述第二速率小于所述第一速率。
5.一种研磨系统，用于对具有第一待研磨层的衬底进行研磨；其特征在于，包括：
第一研磨部件，用于对第一待研磨层进行初始研磨；
量测模块，用于量测第一待研磨层的初始厚度、第一待研磨层经第一次再研磨后的第一完成厚度、以及每次再研磨后所对应的完成厚度；
计算模块，用于根据初始厚度、所设定的待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算出再研磨的研磨时间；
第二研磨部件，用于对第一待研磨层进行再研磨；
控制模块，用于控制所述第一研磨部件进行初始研磨，根据所述再研磨的研磨时间来控制所述第二研磨部件进行再研磨、以及根据判断模块的判断结果来结束再研磨过程；
判断模块，用于判断经再研磨的第一待研磨层的第一完成厚度是否在目标厚度的允许范围内；若为否，以所述第一完成厚度的值作为初始厚度的新值并结合所设定的待研磨层的目标厚度以及再研磨的研磨速率，计算模块重新计算再研磨的研磨时间，使第二研磨部件对第一待研磨层进行重复循环地再研磨过程，直至第一待研磨层的厚度达到目标厚度；
所述控制模块控制第二研磨部件对具有第二待研磨层的另一个衬底进行初始研磨；计算模块根据第一待研磨层的第一完成厚度、所设定的第二待研磨层的目标厚度、所述第二待研磨层的初始厚度以及对所述第二待研磨层进行再研磨的研磨速率，来计算出第二待研磨层进行再研磨的研磨时间；控制模块根据再研磨的研磨时间控制第二研磨部件对第二待研磨层进行研磨。
6.根据权利要求5所述的研磨系统，其特征在于，所述第一待研磨层为金属层，所提供的衬底为具有至少一个沟槽的衬底，在所述沟槽顶部的衬底表面具有阻挡层，所述金属层形成沟槽中以及所述阻挡层表面。
7.根据权利要求6所述的研磨系统，其特征在于，所述系统还包括终点检测模块，所述第一研磨部件研磨所述金属层直至终点检测模块检测到所述阻挡层暴露出来为止。
8.根据权利要求7所述的研磨系统，其特征在于，控制模块还用于控制第一研磨部件的研磨速率；在第一研磨部件研磨所述金属层的过程中，首先，控制模块控制第一研磨部件以第一速率研磨所述金属层，至所述终点检测模块监测所述金属层的顶部被研磨至所述阻挡层上方为止；然后，控制模块控制第一研磨头以第二速率研磨所述金属层，至所述终点检测模块监测到所述阻挡层表面暴露出来为止；所述第二速率小于所述第一速率。
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