CN111496665A - 一种化学机械抛光控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于化学机械抛光技术领域，提供了一种化学机械抛光控制方法，适用于具有多个可控腔室的晶圆承载头，以控制所述各个可控腔室的压力，调节施加于晶圆上多个相应区域的压力，其特征在于，包括：获取目标去除速率形貌和压力响应模型，所述压力响应模型描述压力与去除速率形貌的关系，通过机器学习的方式由压力与去除速率形貌的历史抛光数据训练得到；利用目标去除速率形貌和压力响应模型计算推荐压力分布；以推荐压力分布进行抛光。
Description
技术领域
本发明属于化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种化学机械抛光控制方法及控制系统。
背景技术
化学机械抛光是一种在芯片制造领域的主流晶圆抛光方法。这种抛光方法通常将晶圆吸合在承载头的下部，晶圆具有沉积层的一面抵接于旋转的抛光垫上，承载头在驱动部件的带动下与抛光垫同向旋转并给予晶圆向下的载荷；同时，抛光液供给于抛光垫的上表面并分布在晶圆与抛光垫之间，使得晶圆表面在抛光液的化学成分所产生的化学作用和抛光液所包含的磨粒所产生的机械作用下被抛光，实现全局平坦化。
承载头是化学机械抛光装置的重要组成部分，其作业性能直接关系到晶圆的化学机械抛光效果。美国专利US20070082589A1公开了一种用于化学机械抛光的承载头，其包括连接至第一压力输入的第一通路和连接至第二压力输入的第二通路。承载头还包括具有所述第一和第二通路的底座组件、结合至底座组件的柔性膜。柔性膜通常具有圆形主体，其下表面提供晶圆安装表面。在底座组件和柔性膜之间的空间形成多个可加压腔，其中所述第一通路和多个可加压腔的第一腔连通，所述第二通路和多个可加压腔的第二腔连通。
承载头的下部设置有保持环，其在晶圆的化学机械抛光中发挥重要作用。一方面，其可以防止抛光过程的晶圆从承载头的底部滑脱或飞出；另一方面，保持环的底部设置有沟槽，其可以为更新晶圆与抛光垫之间的抛光液提供流体通道；再者，保持环抵压于抛光垫参与晶圆边缘压力的调整，有利于实现晶圆的全局平坦化并改善平坦化的一致性。
目前随着晶圆尺寸不断增大，抛光后晶圆表面沿径向的不均匀问题己越加明显。为了解决大尺寸晶圆的抛光不均匀问题，如何改善晶圆表面平坦度成为亟待解决的问题。现有的调节方法一般基于膜厚进行调节，在厚度高的区域增大压力，厚度低的区域减小压力，但是由于初始膜厚的存在导致厚度和压力不存在直接对应关系，使得压力调不准，平坦化效果不好。
发明内容
本发明提供了一种化学机械抛光装置及控制方法，旨在一定程度上解决上述技术问题之一，其技术方案如下：
本发明实施例的第一方面提供了一种化学机械抛光控制方法，适用于具有多个可控腔室的晶圆承载头，以控制各个可控腔室的压力，调节施加于晶圆上多个相应区域的压力，其特征在于，包括：
获取目标去除速率形貌和压力响应模型，压力响应模型描述压力与去除速率形貌的关系，通过机器学习的方式由压力与去除速率形貌的历史抛光数据训练得到；
利用目标去除速率形貌和压力响应模型计算推荐压力分布；
以推荐压力分布进行抛光。
进一步地，该化学机械抛光控制方法获取目标去除速率形貌的步骤为：
在抛光前对晶圆膜厚进行测量，以获取晶圆的初始膜厚形貌；
确定抛光过程的时长和抛光结束后期望得到的期望膜厚形貌；
计算晶圆由初始膜厚形貌经时长的抛光达到期望膜厚形貌所需的膜厚去除速率形貌，以此作为目标去除速率形貌。
进一步地，该化学机械抛光控制方法中对晶圆膜厚形貌进行测量时，获取各个采样点与晶圆圆心的径向距离，将不同径向距离处的采样点的膜厚测量值组成膜厚形貌。
进一步地，该化学机械抛光控制方法中初始膜厚形貌由多个采样点处的膜厚测量值组成，其向量形式为THK1＝[a1,a2…an]，其中各元素按照与晶圆圆心的径向距离大小排列，距离的向量形式为RP＝[r1,r2…rn]。
进一步地，该化学机械抛光控制方法在对不同晶圆的膜厚形貌进行测量时，各采样点与晶圆圆心的径向距离向量RP固定不变，将与晶圆圆心距离为ri处的膜厚测量值作为ai。
进一步地，该化学机械抛光控制方法中与晶圆圆心距离ri处的膜厚测量值ai的确定方法为：在与晶圆圆心距离为ri的圆周上选取多个采样点P(ri,1)、P(ri,2)……P(ri,k)，将多个采样点处的膜厚测量值的平均值作为ai。
本发明实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光控制系统，包括：
测量模块，用于在抛光前对晶圆膜厚进行测量，以获取晶圆的初始膜厚形貌；
计算模块，用于根据初始膜厚形貌以及期望膜厚形貌，计算目标去除速率形貌，目标去除速率形貌为使晶圆由初始膜厚形貌达到期望膜厚形貌所需的膜厚去除速率形貌；
调压模块，用于根据目标去除速率形貌和压力响应模型调整抛光参数中的压力分布，并按照调整后的压力分布进行抛光。
进一步地，计算模块采用如上所述的方法对目标去除速率形貌进行计算。
本发明实施例的第三方面提供了一种控制设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现如上所述抛光控制方法的步骤。
本发明实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上所述抛光控制方法的步骤。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果包括：基于压力响应模型调节承载头各个腔室的压力分布，使去除速率形貌接近预设的目标值，并且压力响应模型可以实现自适应校正，能够提高压力调节的准确性，更好地实现晶圆的全局平坦化。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的优点将变得更清楚和更容易理解，但这些附图只是示意性的，并不限制本发明的保护范围，其中：
图1是本发明一实施方式中化学机械抛光装置的立体图；
图2是本发明一实施方式中承载头的结构示意图；
图3是本发明一实施方式中晶圆的示意图；
图4是本发明一实施方式中晶圆初始膜厚形貌与期望膜厚形貌的示意图；
图5是本发明一实施方式中单点测量的示意图；
图6是本发明一实施方式中多点测量的示意图；
图7是本发明一实施方式中化学机械抛光控制系统的示意图；
图8是本发明一实施方式中控制设备的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及其附图，对本发明所述技术方案进行详细说明。在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思；这些说明均是解释性和示例性的，不应理解为对本发明实施方式及本发明保护范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书及其说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，一种化学机械抛光系统包括用于保持晶圆的承载头10、覆盖有抛光垫21的抛光盘20和提供抛光液的供液装置30，在抛光期间，承载头10将晶圆按压在抛光垫21上并旋转以及水平移动，同时抛光盘20旋转，在抛光液的化学作用下，通过承载头10与抛光盘20的相对运动使晶圆与抛光垫21摩擦以进行抛光。
如图2所示，承载头10下部设有用于向晶圆w施压的柔性膜11和将晶圆w保持在柔性膜11下方并防止晶圆w滑出的保持环12。柔性膜11内部设有多个同心的压力腔室，每个压力腔室可对应一个晶圆表面分区。图2中以承载头10下部设有3个环形压力腔室进行举例说明，分别为由外侧向中心依次同心设置的第1压力腔室Zone1、第2压力腔室Zone2和第3压力腔室Zone3。承载头中还设有用于控制保持环12下压力的压力腔室，图中未示出。
相应地，如图3所示，承载头10不同的压力腔室将晶圆w表面划分为对应的多个分区，例如图3中的第1区Zone1、第2区Zone2和第3区Zone3。每个压力腔室可对其对应的晶圆表面分区施加不同的压力，通过对供给到压力腔室的加压空气等流体的压力分别进行控制，可以实现对晶圆表面不同分区施加不同压力。
显然，图2和图3中示出的压力腔室和分区的数量仅为一种举例，实际还可以为其他数量，例如4、5、6、7个等。
由于晶圆表面材料的膜厚会因形成工艺的不同而在晶圆的不同径向位置有差异，使得晶圆表面在径向具有初始膜厚形貌，也就是在抛光前的膜厚形貌。如图3所示为晶圆w的初始膜厚形貌的一个示例图，可见晶圆w在抛光前其表面并不是平整的，而是在径向上具有一定的起伏。
为了修正初始膜厚形貌，晶圆整个表面不能以完全一致的去除速率进行抛光。抛光时需在晶圆不同分区施加不同压力，以使晶圆不同径向距离处匹配相应的去除速率以实现最终抛光后平坦度较高的膜厚形貌。
根据Preston模型，晶圆表面某处的材料去除率可表示为：RR＝kpv。其中，RR为晶圆表面某一点的材料去除速率(Removing Rate)，k为Preston系数，p和v分别为该点处的抛光压力和晶圆与抛光盘的相对速度。因此，当改变柔性膜11某个压力腔室的压力后，该压力腔室对应的晶圆分区及其附近的材料去除速率相应地会发生改变；同理，改变保持环12的下压力，晶圆相应区域的材料去除速率也会发生改变。
对多个压力腔室的压力分布进行调节的前提是对晶圆表面各处的膜厚进行测量，获取初始膜厚形貌。针对不同材料的表面膜层，可以采用多种检测方式，例如电涡流检测或光学检测，电涡流检测是利用感应涡流产生的磁场变化来对膜厚进行检测，光学检测是对光照射时反射的干涉波进行测定来检测膜厚。
图4为晶圆初始膜厚形貌与期望膜厚形貌的示意图。THK1＝[a1,a2…an]是经由测量装置获取的晶圆表面多个采样点处的膜厚测量值组成的向量，其中任一元素ai代表与晶圆圆心距离为ri处的膜厚测量值，将ri按照与晶圆圆心的径向距离由小到大排列得到向量RP＝[r1,r2…rn]。将各点(ri,ai)依次连接即得到初始膜厚形貌。
目标去除速率形貌为抛光之前根据需求指定的晶圆表面多点处的期望膜厚向量THK2＝[b1,b2…bn]，其中任一元素bi代表与晶圆圆心距离为ri处的期望膜厚值。将各点(ri,bi)依次连接即得到初始膜厚形貌。
假如预计在经过抛光时长t之后，晶圆表面膜厚形貌可由初始膜厚形貌达到目标去除速率形貌，则所有采样点的目标去除速率向量可以通过公式RR＝(THK1-THK2)/t来计算。同样以各采样点与晶圆圆心距离ri作为横坐标，依次描绘相应的目标去除速率，即得到目标去除速率形貌。
对不同晶圆的膜厚形貌进行测量时，均选择相同的向量RP＝[r1,r2…rn]，即描述各晶圆膜厚形貌的各点的横坐标为固定的n个值。换言之，对每片晶圆进行测量时，传感器探头分别在晶圆表面n个特定半径的同心圆上进行膜厚测量。
如图5所示，可以在n个特定半径的同心圆分别取一个点P(ri)，并测量该点处的膜厚值。然而，晶圆边缘在整个圆周方向厚度波动较大，单点测量会有一定程度随机性误差。采用误差较大的测量值作基准来调节压力，会造成边缘压力控制准确性下降。为避免上述问题，可以在任一与晶圆圆心距离为ri的同心圆上取P(ri,1)、P(ri,2)至P(ri,k)共k个采样点，在这k个采样点分别进行膜厚测量后取这k个测量值的平均值作为与ri对应的ai，如图6所示。具体地，在测量时，传感器探头可以依次在晶圆表面n个特定半径的同心圆周处保持静止，随着晶圆的自转，完成各特定半径圆周上的厚度测量。在完成一圈测量后，传感器探头运动至下一个同心圆周处开始下一圈测量，直至完成全部测量。
在本发明中，相邻两次测量的同心圆周之间的径向间距可以相同，也可以根据实际需求分别设置，例如将靠近晶圆外缘的同心圆周的径向间距设置为小于靠近晶圆圆心的同心圆周的径向间距，以在晶圆边缘设置较多采样点，减小边缘膜厚的测量误差。
另外，在某些实施例中，各测量圆周上测量的数据点数可由圆心至边缘逐渐增多，各圈测量点在所在圆周上均匀分布。
在对每一片晶圆进行抛光前与抛光后，按照上述方法分别测量初始膜厚形貌和最终初始膜厚形貌，结合该次抛光实际耗费的时长，可以获得该次抛光的实际去除速率形貌，同时抛光设备可以记录该次抛光时各区压力分布。以历次抛光的压力分布、实际去除速率形貌作为历史数据样本，借助机器学习的方法，可以训练出描述压力与去除速率形貌之间关系的压力响应模型。利用训练得到的压力响应模型，输入目标去除速率形貌，可以计算出对应的推荐压力分布。
在本发明中，对施加于晶圆上多个相应区域的压力进行调节的步骤为：
在抛光前对晶圆膜厚进行测量，以获取晶圆的初始膜厚形貌向量THK1＝[a1,a2…an]；
确定抛光过程的时长t和抛光结束后期望得到的期望膜厚形貌THK2＝[b1,b2…bn]；
通过公式RR＝(THK1-THK2)/t计算目标去除速率形貌；
将目标去除速率形貌输入压力响应模型计算推荐压力分布；
以推荐压力分布进行抛光。
如图7所示，本发明的一个实施例提供的抛光控制系统100，用于执行上述实施例中的方法步骤，其包括：
测量模块110，用于在抛光前对晶圆膜厚进行测量，以获取晶圆的初始膜厚形貌；
计算模块120，用于根据所述初始膜厚形貌以及期望膜厚形貌，计算目标去除速率形貌，所述目标去除速率形貌为使晶圆由所述初始膜厚形貌达到所述期望膜厚形貌所需的膜厚去除速率形貌；
调压模块130，用于根据目标去除速率形貌和压力响应模型调整抛光参数中的压力分布，并按照调整后的压力分布进行抛光。
图8是本发明一实施例提供的控制设备的示意图。如图8所示，该实施例的控制设备包括：处理器、存储器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序。处理器执行计算机程序时实现如上述方法实施例中的各实施例中的步骤。或者，处理器执行计算机程序时实现如上述系统实施例中的各实施例中的各模块/单元的功能，例如图7所示模块110至130的功能。
控制设备是指具有数据处理能力的终端，包括但不限于计算机、工作站、服务器，甚至是一些性能优异的智能手机、掌上电脑、平板电脑、个人数字助理(PDA)、智能电视(Smart TV)等。
控制设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，图8仅仅是控制设备的示例，并不构成对控制设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如控制设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
存储器可以是控制设备的内部存储单元，例如控制设备的硬盘或内存。存储器也可以是控制设备的外部存储设备，例如控制设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器还可以既包括控制设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及控制设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，各实施例可以任意组合，组合后形成的新的实施例也在本申请的保护范围之内。某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种化学机械抛光控制方法，适用于具有多个可控腔室的晶圆承载头，以控制所述各个可控腔室的压力，调节施加于晶圆上多个相应区域的压力，其特征在于，包括：
获取目标去除速率形貌和压力响应模型，所述压力响应模型描述压力与去除速率形貌的关系，通过机器学习的方式由压力与去除速率形貌的历史抛光数据训练得到；
利用目标去除速率形貌和压力响应模型计算推荐压力分布；
以推荐压力分布进行抛光。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光控制方法，其特征在于，获取目标去除速率形貌的步骤为：
在抛光前对晶圆膜厚进行测量，以获取晶圆的初始膜厚形貌；
确定抛光过程的时长和抛光结束后期望得到的期望膜厚形貌；
计算晶圆由所述初始膜厚形貌经所述时长的抛光达到所述期望膜厚形貌所需的膜厚去除速率形貌，以此作为目标去除速率形貌。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光控制方法，其特征在于，对晶圆膜厚形貌进行测量时，获取各个采样点与晶圆圆心的径向距离，将不同径向距离处的采样点的膜厚测量值组成膜厚形貌。
4.如权利要求3所述的化学机械抛光控制方法，其特征在于，所述初始膜厚形貌由多个采样点处的膜厚测量值组成，其向量形式为THK1＝[a1,a2…an]，其中各元素按照与晶圆圆心的径向距离大小排列，所述距离的向量形式为RP＝[r1,r2…rn]。
5.如权利要求4所述的化学机械抛光控制方法，其特征在于，在对不同晶圆的膜厚形貌进行测量时，各采样点与晶圆圆心的径向距离向量RP固定不变，将与晶圆圆心距离为ri处的膜厚测量值作为ai。
6.如权利要求5所述的化学机械抛光控制方法，其特征在于，与晶圆圆心距离ri处的膜厚测量值ai的确定方法为：在与晶圆圆心距离为ri的圆周上选取多个采样点P(ri,1)、P(ri,2)……P(ri,k)，将所述多个采样点处的膜厚测量值的平均值作为ai。
7.一种化学机械抛光控制系统，包括：
测量模块，用于在抛光前对晶圆膜厚进行测量，以获取晶圆的初始膜厚形貌；
计算模块，用于根据所述初始膜厚形貌以及期望膜厚形貌，计算目标去除速率形貌，所述目标去除速率形貌为使晶圆由所述初始膜厚形貌达到所述期望膜厚形貌所需的膜厚去除速率形貌；
调压模块，用于根据目标去除速率形貌和压力响应模型调整抛光参数中的压力分布，并按照调整后的压力分布进行抛光。
8.如权利要求7所述的化学机械抛光控制系统，其特征在于，所述计算模块采用如权利要求2-6中任一项所述的方法对目标去除速率形貌进行计算。
9.一种控制设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述抛光控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述抛光控制方法的步骤。
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