CN110193776A - 晶圆抛光的抛光压力控制方法、装置和设备 - Google Patents

晶圆抛光的抛光压力控制方法、装置和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于晶圆抛光设备的抛光压力控制方法、装置和设备。所述晶圆抛光设备包括多区加压方式的抛光头以对晶圆的表面进行抛光，其中，所述抛光头将所述晶圆的受压表面划分为多个受压区域并能够独立地对各个受压区域的抛光压力进行控制。所述方法包括：测量所述多个受压区域中每个受压区域的翘曲度；根据所述每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头对所述每个受压区域的抛光压力，并以调整后的抛光压力对所述晶圆进行抛光处理。采样本发明的抛光压力控制方法，使得抛光后的晶圆表面更加平坦。

Description

晶圆抛光的抛光压力控制方法、装置和设备
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体而言，涉及一种晶圆抛光的抛光压力控制方法、装置和设备。
背景技术
硅晶圆被广泛用于制作半导体器件。通过对单晶硅锭依次进行如下工序来制造硅晶圆：外周磨削、切片、研磨(lapping)、蚀刻、双面抛光、单面抛光、清洗等。其中，抛光工序为去除晶圆表面的凹凸或起伏以提高平坦度的必要工序，使用CMP(Chemical MechanicalPolishing：化学机械抛光)法进行镜面加工。
进入3D NAND时代，为确保下游工艺(如光刻印刷、薄膜沉积、干法技术等)对芯片内部的均匀性要求更加严格，因而，晶圆表面形貌正在成为CMP工艺面临的最大挑战。
为了提高晶圆的平坦度，已知有一种晶圆抛光设备，其根据抛光前后测量的晶圆各区的厚度来调整抛光时间和/或各受压区域的压力。但是，如果晶圆翘曲变化，仅基于工艺调整的厚度不够实用，无法满足芯片内部均匀性的高标准要求。为了改善晶圆的纳米形貌，已知的方法事先求出纳米形貌的平均值成分的凹凸量与用于将该凹凸平坦化的磨石的倾斜调整量及偏移调整量之间的关系式，根据该关系式，进行后续磨削工序中的磨石的倾斜调整及偏移调整。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种改善的晶圆抛光压力控制方法、装置和设备，其能够提高经抛光晶圆的表面平坦度。
根据说明书的一个方面，提供了一种用于晶圆抛光设备的抛光压力控制方法，所述晶圆抛光设备包括多区加压方式的抛光头以对晶圆的表面进行抛光，其中，所述抛光头将所述晶圆的受压表面划分为多个受压区域并能够独立地对各个受压区域的抛光压力进行控制，其特征在于，所述抛光压力控制方法包括：
测量所述多个受压区域中每个受压区域的翘曲度；
根据所述每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头对所述每个受压区域的抛光压力，并以调整后的抛光压力对所述晶圆进行抛光处理。
优选地，所述抛光压力控制方法还包括：
控制所述抛光压力，使得对于翘曲度为正值越大的受压区域，降低该受压区域的抛光压力；并且对于翘曲度为负值越大的受压区域，增加该受压区域的抛光压力。
优选地，所述抛光压力控制方法还包括：
根据测量得到的所述多个受压区域的翘曲度以及针对所述晶圆的抛光压力换算式来计算各个受压区域的抛光压力。
优选地，所述抛光压力控制方法还包括：
基于测量得到的每个受压区域的翘曲度来确定所述每个受压区域的翘曲常数，并且将所述每个受压区域的所述翘曲常数作为权重值代入所述抛光压力换算式以计算所述每个受压区域的抛光压力。
优选地，所述抛光压力控制方法还包括：
根据属于同一个受压区域的多个采样点处的翘曲度的平均值来计算该受压区域的翘曲常数。
优选地，所述多个受压区域被划分为同心圆状。
优选地，所述抛光压力控制方法还包括：
根据每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头的抛光时间。
优选地，所述抛光压力控制方法还包括：
基于经调整的抛光压力来调整所述抛光时间。
通过本发明的上述方法，提供了基于晶圆翘曲的新的APC(自动过程控制)模型。具体地，在CMP工艺之前使用例如光学计量工具来测量晶圆的翘曲数据，然后基于测量得到的晶圆翘曲数据来调整各个受压区域的抛光压力、甚至抛光时间。这样抛光后的晶圆表面更加平坦。
在说明书的另一方面，提供了一种用于晶圆抛光设备的抛光压力控制装置，所述晶圆抛光设备包括多区加压方式的抛光头以对晶圆的表面进行抛光，其中，所述抛光头将所述晶圆的受压表面划分为多个受压区域并能够独立地对各个受压区域的抛光压力进行控制，其特征在于，所述抛光压力控制装置包括：
测量单元，其被配置用于测量所述多个受压区域中每个受压区域的翘曲度；以及
抛光单元，其被配置用于根据所述每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头对所述每个受压区域的抛光压力，并以调整后的抛光压力对所述晶圆进行抛光处理。
根据说明书的又一方面，提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序包括程序代码单元，所述程序代码单元用于当在计算机或处理器上执行所述计算机程序时令所述计算机或所述处理器执行前述段落所述的方法。
根据说明书的又一方面，提供了一种计算设备，包括一个或多个处理器以及存储器。所述存储器存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，所述指令使得所述一个或多个处理器执行前一段所述的方法。
根据说明书的又一方面，提供了一种晶圆抛光系统，其包括前述段落所述的抛光压力控制装置。
参照结合附图进行的说明，本发明的其他目的和效果将变得更加显而易见并且更加易于理解。
附图说明
下面将结合实施例并且参照附图更加具体地介绍和解释本发明，在附图中：
图1A示出了一种晶圆抛光设备的结构图的剖视图；
图1B为构成晶圆的受压表面的膜的仰视图；
图2是根据本申请的一个实施例的用于晶圆抛光设备的抛光压力控制方法的流程图；
图3示出了根据本申请的一个实施例的用于晶圆抛光设备的抛光压力控制装置的框图；
图4示出了根据本申请的一个实施例的计算设备的方框图；
图5示出了根据本申请的一个示例的晶圆抛光前的受压区域的翘曲数据的采样图；以及
图6示出了根据图4的翘曲数据采样得到的翘曲度随着晶圆半径的变化。
在附图中相同的附图标记表示相似或相应的特征和/或功能。
附图标记列表：
1 晶圆抛光设备
10 抛光头
12 旋转轴
14 加压凸缘
16 加固套
18 膜
20 膜加压线
22 旋转平台
24 抛光垫
100 抛光压力控制方法
110 测量晶圆的多个受压区域的翘曲度
120 根据受压区域的翘曲度来调整抛光压力
200 抛光压力控制装置
210 测量单元
220 抛光单元
300 计算设备
310 处理器
320 存储器
具体实施方式
下文中将参照附图更加具体地说明本发明的优选实施例。所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本申请基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
晶圆翘曲是CMP工艺开发过程中最重要的不可避免的因素之一。另外，层叠越多，CMP面临的挑战就越多。已知的方法测量抛光前后的晶圆厚度并据此调整抛光时间和/或区域压力，以获得所需的CMP结果。然而，如果晶圆翘曲变化，仅仅基于晶圆厚度调整的工艺不够实用，不能满足CMP工艺的高标准要求。
为了解决晶圆变形的技术挑战，本发明提出一种新的CMP工艺解决方案来补偿工艺过程中的晶圆翘曲变化，以便获得更好的均匀性交叉晶圆，改善划痕缺陷性能，并避免由于晶圆翘曲导致的晶圆损坏。
图1A示意性示出了一种现有晶圆抛光设备的结构图的剖视图。
如图1A所示，晶圆抛光设备1包括贴附了抛光垫24的旋转平台22和按压并保持载置于旋转平台22上的晶圆W的多区加压方式的抛光头10。贴附了抛光垫24的旋转平台22的主面与抛光头10的受压表面对置，且相比该受压表面具有足够大的平面尺寸。一边使浆料供给至抛光垫24上，一边使旋转平台22及抛光头10分别旋转，由此能够抛光与抛光垫24相接触的晶圆W的单面。
抛光头10具备旋转轴12、设置于旋转轴12的下端的加压凸缘14、设置于加压凸缘14的底面的独立加压方式的加固套16及安装在加压凸缘14上的膜18，并且构成经由膜18对晶圆W进行气体加压的晶圆加压机构。
加固套16为设置于加压凸缘14的底面的外周部的引导件。加固套16和膜18同样构成为能够按压抛光垫24的上表面，加固套16的底面与抛光垫24接触。将加固套16的底面向抛光垫24按压使其接触，由此能够确实限制晶圆W在水平方向的移动，能够防止晶圆向抛光头10的外侧飞出。
膜18的底面与晶圆的背面(上表面)的整个面接触。膜18与膜加压线20连接，气体被送入膜18的内部。从膜加压线20将气体供给至膜18内而使膜18膨胀，由此将晶圆W向下方按压。膜18的内部空间被分隔为多个受压区域，通过从膜加压线20供给至膜18内的气体，分别控制各个受压区域内的压力。
图1B为构成晶圆的受压表面的膜的仰视图。
如图1B所示，以12英寸晶圆为例，虽然并未特别限定，但是在本实施例中，晶圆抛光设备1对晶圆W施加抛光压力时会形成5个受压区域，即Z1、Z2、Z3、Z4和Z5，每个受压区域具有与其对应的抛光压力。这5个受压区域以晶圆的中心为圆心同心设置，对应于晶圆的中心处的为圆形的受压区域Zone5，Zone1-Zone4这五个环形的受压区域沿晶圆的径向向着晶圆的中心处(即由外向内)依次排列。抛光压力对于与膜18接触的晶圆W施以配合其表面凹凸形状的适当的按压力。这5个受压区域(由内向外)的半径依次为：Z5:0～40mm；Z4:40～100mm；Z3:100～130mm；Z2:130～145mm；Z1:145～150mm。
图2示出了使用图1的晶圆抛光设备1的抛光压力控制方法100的流程图。方法100可以由一个或多个处理器来执行。
如图2所示，在方块110，在CMP工艺之前控制例如光学计量工具，以测量晶圆的多个受压区域中每个受压区域的翘曲度。
在图1B的示例中，晶圆被划分为5个受压区域。例如，可以在晶圆的受压区域中采样25点或49点来测量相应受压区域的翘曲度。替代地，为了测量受压区域中的翘曲度，在受压区域最少抽检15点，测量数据见图5。采样区域Z1、Z3、Z4和Z5的平均翘曲度见表1：
受压区域 采样半径(mm) 平均翘曲度(um)
Z1 145 13.86
Z3 102 -5.67
Z4 48 -23.24
Z5 0 -27.83
表1
根据翘曲度的测量值，可以模拟出晶圆的翘曲度随其半径变化的公式：例如，y＝0.0018x2+0.0268x-28.064(曲线变化见图6)。
相应地，受压区域Z1、Z2、Z、Z4和Z5的平均翘曲度见表2。
受压区域 半径(mm) 平均翘曲度(um)
Z1 145-150 13
Z2 130-145 7
Z3 100-130 -1
Z4 40-100 -17
Z5 0-40 -27
表2
在方块120，在抛光开始前，根据每个受压区域的翘曲度来调整抛光头10对每个受压区域的抛光压力，并以调整后的抛光压力对晶圆W进行抛光处理。
下面详细论述如何使用翘曲数据来调整抛光压力。在如下试验条件下：沉积氧化膜的晶圆、旋转平台转速83rpm、抛光头转速78rpm、研磨浆料供给速率150ml/min，可以使用已知的方法来确定5个受压区域中每个的抛光压力。然后，针对每个受压区域的翘曲度，分别设置相应的高抛光压力和低抛光压力(见表3)以及抛光时间，测量这种高低压条件下CMP前后的晶圆的各个受压区域的厚度，并计算相应的CMP去除率(见表4)，其中，去除率(A/s)＝(抛光前厚度-抛光后厚度)/抛光时间。
表3
表4
如果将Z4受压区域当作固定区域并将Z4的压力系数设定为1，那么其他受压区域的压力系数计算如下面的矩阵：
通过试验，本发明的抛光压力控制方法100优选地还包括：在晶圆的表面向下进行抛光时，控制抛光压力，使得对于翘曲度为正值越大的受压区域，降低该受压区域的抛光压力；并且对于翘曲度为负值越大的受压区域，增加该受压区域的抛光压力。
优选地，根据测量得到的多个受压区域的翘曲度以及针对晶圆的抛光压力换算式来计算各个受压区域的抛光压力。关于各个受压区域的适当的抛光压力，能够使用换算式计算，该换算式是将晶圆表面形貌或各个受压区域厚度的大小与其所对应的适当的抛光压力一对一对应。在一个示例中，基于测量得到的每个受压区域的翘曲度来确定每个受压区域的翘曲常数，并且将每个受压区域的所述翘曲常数作为权重值代入抛光压力换算式以计算所述每个受压区域的抛光压力。优选地，根据属于同一个受压区域的多个采样点处的翘曲度的平均值来计算该受压区域的翘曲常数。
在另一示例中，除了根据受压区域的翘曲度来调整相应的抛光压力以外，还可以根据每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头的抛光时间。优选地，基于经调整的抛光压力来调整所述抛光时间。
图3示出了根据本申请的一个实施例的用于晶圆抛光设备1的抛光压力控制装置200的框图。图3所示的装置200可以利用软件、硬件或软硬件结合的方式来实现。
如图3所示，装置200可以包括测量单元210和抛光单元220。抛光压力控制装置200可以用在图1的晶圆抛光设备1中，以控制或调整晶圆的抛光压力。
在一个示例中，测量单元210可以被配置用于测量晶圆的多个受压区域中每个受压区域的翘曲度。如上所述，测量单元210可以控制例如光学计量工具，以测量晶圆的多个(例如5个)受压区域中每个受压区域的翘曲度。
在一个示例中，抛光单元220可以被配置用于根据每个受压区域(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5)的翘曲度来调整抛光头10对每个受压区域的抛光压力，并以调整后的抛光压力对晶圆W进行抛光处理。
优选地，抛光单元220还被配置用于控制所述抛光压力，使得对于翘曲度为正值越大的受压区域，降低该受压区域的抛光压力；并且对于翘曲度为负值越大的受压区域，增加该受压区域的抛光压力。
在一个示例中，抛光单元220还可以被配置用于根据测量得到的多个受压区域的翘曲度以及针对晶圆的抛光压力换算式来计算各个受压区域的抛光压力。优选地，抛光单元220还可以被配置用于基于测量得到的每个受压区域的翘曲度来确定每个受压区域的翘曲常数，并且将每个受压区域的翘曲常数作为权重值代入抛光压力换算式以计算每个受压区域的抛光压力。优选地，抛光单元220还可以被配置用于根据属于同一个受压区域的多个采样点处的翘曲度的平均值来计算该受压区域的翘曲常数。
在一个示例中，抛光单元220还可以被配置用于根据每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头的抛光时间。优选地，抛光单元220还可以被配置用于基于经调整的抛光压力来调整所述抛光时间。
在本申请中，抛光压力控制装置200可以利用计算设备实现。图4示出了根据本申请的一个实施例的这种计算设备300的方框图。根据一个实施例，计算设备300可以包括一个或多个处理器310，处理器310执行在计算机可读存储介质(即，存储器320)中存储或编码的一个或多个计算机可读指令(即，上述以软件形式实现的元素)。
应该理解，在存储器320中存储的计算机可执行指令当执行时使得一个或多个处理器310进行本申请的各个实施例中以上结合图1描述的各种操作和功能。
按照本说明书的又一实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序包括程序代码单元，所述程序代码单元当被执行时使得机器执行图2所示的方法100。
根据一个实施例，提供了一种晶圆抛光系统(未示出)。所述晶圆抛光系统包括本申请的各个实施例中结合图3描述的抛光压力控制装置200。
应当注意上述实施例示意而非限制本发明并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求范围的情况下应当能够设计出各种替代实施例。在权利要求书中，不应该将括号中的任何附图标记理解成是对权利要求的限制。词语“包括”并不排除存在权利要求或说明书中没有列举的元件。元件之前的词语“一”或“一个”并不排除存在多个这种元件。在列举了几个单元的系统权利要求中，这些元件中的几种可以由同一类软件和/或硬件来实施。使用词语“第一”、“第二”和“第三”等并不表示任何顺序关系。应当将这些词语理解成名称。

Claims (17)

1.一种用于晶圆抛光设备(1)的抛光压力控制方法(100)，所述晶圆抛光设备包括多区加压方式的抛光头以对晶圆的表面进行抛光，其中，所述抛光头将所述晶圆的受压表面划分为多个受压区域并能够独立地对各个受压区域的抛光压力进行控制，其特征在于，所述抛光压力控制方法包括：
测量所述多个受压区域中每个受压区域的翘曲度(110)；
根据所述每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头对所述每个受压区域的抛光压力，并以调整后的抛光压力对所述晶圆进行抛光处理(120)。
2.如权利要求1所述的抛光压力控制方法(100)，其特征在于，还包括：
控制所述抛光压力，使得对于翘曲度为正值越大的受压区域，降低该受压区域的抛光压力；并且对于翘曲度为负值越大的受压区域，增加该受压区域的抛光压力。
3.如权利要求1或2所述的抛光压力控制方法(100)，其特征在于，还包括：
根据测量得到的所述多个受压区域的翘曲度以及针对所述晶圆的抛光压力换算式来计算各个受压区域的抛光压力。
4.如权利要求3所述的抛光压力控制方法(100)，其特征在于，还包括：
基于测量得到的每个受压区域的翘曲度来确定所述每个受压区域的翘曲常数，并且将所述每个受压区域的所述翘曲常数作为权重值代入所述抛光压力换算式以计算所述每个受压区域的抛光压力。
5.如权利要求4所述的抛光压力控制方法(100)，其特征在于，还包括：
根据属于同一个受压区域的多个采样点处的翘曲度的平均值来计算该受压区域的翘曲常数。
6.如权利要求1或2所述的抛光压力控制方法(100)，其特征在于，还包括：
根据每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头的抛光时间。
7.如权利要求6所述的抛光压力控制方法(100)，其特征在于，
基于经调整的抛光压力来调整所述抛光时间。
8.一种用于晶圆抛光设备(1)的抛光压力控制装置(200)，所述晶圆抛光设备包括多区加压方式的抛光头以对晶圆的表面进行抛光，其中，所述抛光头将所述晶圆的受压表面划分为多个受压区域并能够独立地对各个受压区域的抛光压力进行控制，其特征在于，所述抛光压力控制装置(200)包括：
测量单元(210)，其被配置用于测量所述多个受压区域中每个受压区域的翘曲度；以及
抛光单元(220)，其被配置用于根据所述每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头对所述每个受压区域的抛光压力，并以调整后的抛光压力对所述晶圆进行抛光处理。
9.如权利要求8所述的抛光压力控制装置(200)，其特征在于，
所述抛光单元还被配置用于控制所述抛光压力，使得对于翘曲度为正值越大的受压区域，降低该受压区域的抛光压力；并且对于翘曲度为负值越大的受压区域，增加该受压区域的抛光压力。
10.如权利要求8或9所述的抛光压力控制装置(200)，其特征在于，
所述抛光单元还被配置用于根据测量得到的所述多个受压区域的翘曲度以及针对所述晶圆的抛光压力换算式来计算各个受压区域的抛光压力。
11.如权利要求10所述的抛光压力控制装置(200)，其特征在于，
所述抛光单元还被配置用于基于测量得到的每个受压区域的翘曲度来确定所述每个受压区域的翘曲常数，并且将所述每个受压区域的所述翘曲常数作为权重值代入所述抛光压力换算式以计算所述每个受压区域的抛光压力。
12.如权利要求11所述的抛光压力控制装置(200)，其特征在于，
所述抛光单元还被配置用于根据属于同一个受压区域的多个采样点处的翘曲度的平均值来计算该受压区域的翘曲常数。
13.如权利要求8或9所述的抛光压力控制装置(200)，其特征在于，
所述抛光单元还被配置用于根据每个受压区域的翘曲度来调整所述抛光头的抛光时间。
14.如权利要求13所述的抛光压力控制装置(200)，其特征在于，
所述抛光单元还被配置用于基于经调整的抛光压力来调整所述抛光时间。
15.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序包括程序代码单元，所述程序代码单元用于当在计算机或处理器上执行所述计算机程序时令所述计算机或所述处理器执行根据权利要求1-7中的任一项所述的抛光压力控制方法。
16.一种计算设备(300)，包括
一个或多个处理器(310)；以及
存储器(320)，所述存储器存储一个或多个指令，所述指令在被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行根据权利要求1-7中的任一项所述的抛光压力控制方法。
17.一种晶圆抛光系统，其特征在于，包括根据权利要求8-14中的任一项所述的抛光压力控制装置。
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