CN112936085B - 一种化学机械抛光控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学机械抛光控制方法及控制系统，所述化学机械抛光控制方法包括：使用具有多个压力腔室的承载头抛光晶圆，所述压力腔室将晶圆表面对应划分为多个分区，控制所述压力腔室的抛光参数以调节晶圆各个分区的形貌；所述分区设定有多个采集点，加权处理所述分区中采集点的测量值，根据加权处理的测量值计算晶圆的实测形貌；比对晶圆的实测形貌与目标形貌的差异，优化所述压力腔室对应的抛光参数。

Description

一种化学机械抛光控制方法及控制系统

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，具体而言，涉及一种化学机械抛光控制方法及控制系统。

背景技术

集成电路产业是信息技术产业的核心，在助推制造业向数字化、智能化转型升级的过程中发挥着关键作用。芯片是集成电路的载体，芯片制造涉及芯片设计、晶圆制造、晶圆加工、电性测量、切割封装和测试等工艺流程。其中，化学机械抛光属于晶圆制造工序。

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization,CMP)是一种全局平坦化的超精密表面加工技术。化学机械抛光通常将晶圆吸合于承载头的底面，晶圆具有沉积层的一面抵压于抛光垫上表面，承载头在驱动组件的致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，使得晶圆在化学和机械的共同作用下完成晶圆的化学机械抛光。

为了提升晶圆抛光的均匀性，承载头配置具有多个独立的压力腔室的弹性膜，以按需调整施加在相应区域的抛光压力。具体地，在抛光过程中，需要监测晶圆的材料去除速率或晶圆的表面形貌，准确控制抛光的材料去除量，实现全局平坦化。

承载头的压力腔室将晶圆表面对应划分为多个分区，在各个分区设置采集点以获取测量值并计算材料去除速率或晶圆的表面形貌。现有技术中，将测量值求平均来计算各分区的材料去除速率或表面形貌。平均值计算消除了分区内测量值的偏差，无法准确真实的反映分区内的材料去除速率，进而影响了抛光参数控制的准确性，致使抛光均匀性不佳。

发明内容

本发明旨在至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明实施例的第一个方面提供了一种化学机械抛光控制方法，其包括：

使用具有多个压力腔室的承载头抛光晶圆，所述压力腔室将晶圆表面对应划分为多个分区，为所述分区设置多个采集点以测量晶圆的表面形貌；

加权处理所述分区中采集点的测量值，根据加权处理的测量值计算晶圆的实测表面形貌；

比对晶圆的实测表面形貌与目标表面形貌的差异，调节所述压力腔室对应的抛光参数以控制晶圆各个分区的表面形貌。

作为优选实施例，晶圆的分区包括中间分区和边缘分区，所述中间分区对应测量值的加权处理方式不同于边缘分区对应测量值的加权处理方式。

作为优选实施例，所述中间分区根据压力响应曲线确定测量值的加权系数，所述边缘分区根据径向位置确定测量值的加权系数。

作为优选实施例，所述中间分区的加权系数自所述压力响应曲线的峰值向两侧递减，或所述中间分区的加权系数自所述压力响应曲线的谷值向两侧递增。

作为优选实施例，所述边缘分区的加权系数由外向内降低或由内向外降低。

作为优选实施例，所述中间分区为多个，每个中间分区的加权系数的最大值由其对应的压力响应曲线确定。

作为优选实施例，所述分区边界处的采集点受到相邻分区的叠加影响，所述分区边界处采集点的测量值经加权处理后参与所述分区的实测表面形貌的计算。

此外，本发明还公开了一种化学机械抛光控制系统，其使用上面所述的化学机械抛光控制方法，包括：

测量部，通过晶圆各分区的采集点获取晶圆膜厚的测量值；

计算部，加权处理所述分区的测量值，根据加权处理的测量值计算晶圆的实测表面形貌；

调压部，比对晶圆的实测表面形貌与目标表面形貌的差异，调控所述压力腔室对应的抛光压力。

本发明的有益效果包括：摒弃了通过均值计算确定分区抛光去除速率或晶圆表面膜厚的方法，对各分区采集点的测量值加权处理，以准确反映各分区的偏差，提高智能工艺控制算法的准确性。

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，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是本发明所述化学机械抛光系统100的结构示意图；

图2是本发明所述承载头30的结构示意图；

图3是本发明所述晶圆对应分区的示意图；

图4(a)是采用在线方式测量晶圆膜厚对应采集点的示意图；

图4(b)是采用离线方式测量晶圆膜厚对应采集点的示意图；

图5是本发明所述化学机械抛光控制方法的流程图；

图6是本发明所述弹性膜的压力响应曲线的示意图；

图7是本发明所述晶圆各分区对应采集点的示意图；

图8是本发明及现有技术对应的晶圆表面的材料去除速率的比对图；

图9是本发明所述化学机械抛光控制系统一个实施例的示意图；

图10是本发明所述控制设备一个实施例的示意图。

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。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。应当理解的是，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制，相同的参考标记用于表示附图中相同的部分。

在本发明中，“化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)”也称为“化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization,CMP)”，晶圆(Wafer)也称基板(Substrate),其含义和实际作用等同。

图1是本发明所述的化学机械抛光系统的示意图，化学机械抛光系统100包括抛光盘10、抛光垫20、承载头30、修整器40以及供液部50；抛光垫20设置于抛光盘10上表面并与其一起沿轴线Ax旋转；可水平移动的承载头30设置于抛光垫20上方，其下表面接收有待抛光的晶圆；修整器40包括修整臂及修整头，其设置于抛光盘10的一侧，修整臂带动旋转的修整头摆动以修整抛光垫20的表面；供液部50设置于抛光垫20的上侧，以将抛光液散布于抛光垫20的表面。

抛光作业时，承载头30将晶圆的待抛光面抵压于抛光垫20的表面，承载头30做旋转运动以及沿抛光盘10的径向往复移动使得与抛光垫20接触的晶圆表面被逐渐抛除；同时抛光盘10旋转，供液部50向抛光垫20表面喷洒抛光液。在抛光液的化学作用下，通过承载头30与抛光盘10的相对运动使晶圆与抛光垫20摩擦以进行抛光。

由亚微米或纳米磨粒和化学溶液组成的抛光液在晶圆与抛光垫20之间流动，抛光液在抛光垫20的传输和旋转离心力的作用下均匀分布，以在晶圆和抛光垫20之间形成一层液体薄膜，液体中的化学成分与晶圆产生化学反应，将不溶物质转化为易溶物质，然后通过磨粒的微机械摩擦将这些化学反应物从晶圆表面去除，溶入流动的液体中带走，即在化学成膜和机械去膜的交替过程中去除表面材料实现表面平坦化处理，从而达到全局平坦化的目的。

在化学机械抛光期间，修整器40用于对抛光垫20表面形貌进行修整和活化。使用修整器40可以移除残留在抛光垫表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫20表面形变进行平整化，保证了在抛光期间抛光垫20表面形貌的一致性，进而使抛光去除速率保持稳定。

为了提高集成度，逻辑芯片特征线宽已经降到10nm以下，如7nm、5nm，甚至3nm；存储芯片的堆叠层数也从64层发展到128层以上。芯片集成度的提升对抛光的均匀性提出了更高的要求。

为了满足抛光均匀性的要求，目前采用具有多个压力腔室的承载头实施化学机械抛光，图2是承载头30的示意图。承载头30配置有具有多个压力腔室的弹性膜，以精确调整晶圆各个分区的抛光压力，控制晶圆的材料去除量，实现全局平坦化。图2中，承载头30配置的弹性膜具有5个压力腔室(Chamber)，分布为C1、C2、C3、C4和C5。可以理解的是，弹性膜的腔室数量也可以为3个、6个、7个、9个等。

图3是晶圆的示意图，承载头30配置3个压力腔室，承载头30的压力腔室将晶圆表面对应划分为多个分区(Zone)。图3中，压力腔室将晶圆W划分为同心设置的多个分区：Zone1、Zone2和Zone3。位于晶圆的边缘部分的分区为边缘分区，如Zone1；晶圆其他位置的分区为中间分区，如Zone2和Zone3。

根据Preston模型，晶圆表面某处的材料去除率可表示为：MRR＝kpv。其中，MRR为晶圆表面某一点的材料去除速率(Material Remove 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，当改变弹性膜某个压力腔室的抛光压力后，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。

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，获取晶圆的表面形貌。针对不同材料的表面膜层，可以采用如电涡流检测和/或光学检测等多种检测方式，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。

晶圆表面膜厚的测量可以采用在线的方式。即在抛光盘10中设置膜厚检测装置，在抛光过程中实时测量晶圆的表面膜厚。图4(a)为在线测量晶圆表面膜厚对应采集点的一个实施例的分布情况，采集点使用P(rij)表示，其中i表示晶圆对应的分区编号，j表示同一分区中采集点的编号。可以理解的是，也可以采用离线的方式测量晶圆表面膜厚，对应采集点的一个实施例的分布情况，如图4(b)所示。

本发明提供了一种化学机械抛光控制方法，其流程图，如图5所示，其包括：

S1:使用具有多个压力腔室的承载头抛光晶圆，所述压力腔室将晶圆表面对应划分为多个分区，为所述分区设置多个采集点以测量晶圆的表面形貌；

S2:加权处理所述分区中采集点的测量值，根据加权处理的测量值计算晶圆的实测表面形貌；

S3:比对晶圆的实测表面形貌与目标表面形貌的差异，调节所述压力腔室对应的抛光参数以控制晶圆各个分区的表面形貌。

由于弹性膜的各个压力腔室的压力响应特性存在差异，尤其是，弹性膜边缘部分对应的腔室，其受到其他腔室的叠加效应，呈现的压力响应特性极为复杂，因此，晶圆的各个分区的测量值的加权处理方式也存在差异。具体地，中间分区对应测量值的加权处理方式不同于边缘分区对应测量值的加权处理方式。

作为本发明的一个实施例，所述中间分区根据压力响应曲线确定测量值的加权系数。弹性膜的压力腔室的抛光压力增加或减少，如10％、20％或30％，所述压力腔室对应分区的材料去除速率的变化曲线为弹性膜的压力响应曲线。图6是弹性膜压力响应曲线的示意图，其中，增加抛光压力对应的曲线使用实线表示，减少抛光压力对应的曲线使用点划线表示。

对于弹性膜中部位置的压力腔室，晶圆的材料去除速率会在分区中出现一个峰值，即峰值点的材料去除速率最大，其他部分的材料去除速率自峰值点向两侧降低。为了准确利用压力腔室的这一特性，在对中间分区采集点的测量值加权处理时，中间分区的加权系数自所述压力响应曲线的峰值向两侧递减，或中间分区的加权系数自所述压力响应曲线的谷值向两侧递增。

由于弹性膜的压力腔室的数量为多个，不同压力腔室具有不同的特性，因此，压力腔室的压力响应曲线的峰值不一定位于几何中心位置。在一些实施例中，压力腔室的压力响应曲线的峰值也可以偏离几何中心位置。即中间分区的测量值的加权系数的最大值或最小值不一定与中间分区的几何中心位置重合，需要根据压力响应曲线的峰值位置灵活确定对应的加权系数。

对于晶圆的边缘分区，需要根据径向位置确定测量值的加权系数。边缘分区的加权系数也与弹性膜的压力特性曲线存在关联。具体地，弹性膜边缘腔室对应的压力特性曲线，如图6所示，其近似于指数函数；在该实施例中，边缘分区的加权系数由外向内降低。

作为本发明的另一个实施例，晶圆边缘分区的压力特性曲线可能会在某个点出现小的峰值或谷值，如145mm等，在该实施例中，在峰值外侧对应的加权系数为由内向外降低，在峰值内侧对应的加权系数为由外向内降低。

可以理解的是，对应晶圆边缘分区的加权系数，也可以指定径向位置对应采集点的加权系数，如指定半径为145mm对应采集点的加权系数为0.8，而半径为147mm对应采集点的加权系数为1.5等，以更加真实准确反映晶圆表面的材料去除速率或表面形貌，提高抛光压力调控的精确度。

由于晶圆边缘分区的抛光条件相对复杂，对应的晶圆膜厚波动较大，为了提高膜厚测量的准确性，在边缘分区设置的采集点多于中间分区设置的采集点。如图7所示，边缘分区Zone1设置的采集点多于中间分区Zone2设置的采集点，且边缘分区中相邻采集点的间距小于中间分区中相邻采集点的间距。即图7中的L1小于L2，以准确采集晶圆各个位置的膜厚值，准确反映晶圆的抛光状态。

对于边缘分区中的采集点，加权处理对应的测量值时，可以根据径向位置的不同确定对应的加权系数。对于中间分区中的采集点，加权处理对应的测量值时，可以根据压力特性曲线的峰值确定该分区最大的加权系数，然后确定该分区其他采集点的加权系数。

图8是本发明及现有技术对应的晶圆表面的材料去除速率的比对图。

现有技术中，各分区的采集点对应的测量值求平均来计算晶圆的实测表面形貌，其消除了分区内材料去除速率的差异，没有准确反映晶圆的表面形貌，进而影响了抛光压力的准确调控。采用现有技术实施化学机械抛光，得到的材料去除速率曲线使用图8中的细实线表示，材料去除速率在晶圆的中部位置存在微小波动，而材料去除速率在晶圆的边缘位置出现较大波动。晶圆边缘位置的较大波动与晶圆边缘部分的应力集中有关，但也与抛光压力调控不准确有关。

本发明中，各分区的采集点对应的测量值经加权处理以计算晶圆的实测表面形貌，其保留了分区内材料去除速率的差异，准确反映晶圆的表面形貌，提升了抛光压力调控的准确性。采用本发明所述化学机械抛光控制方法实施抛光，得到的材料去除速率曲线使用图8中的虚线表示，材料去除速率在晶圆的中部位置几乎没有波动，材料去除速率在晶圆的边缘位置明显变缓。

作为本发明的一个实施例，中间分区为多个，每个中间分区的加权系数的最大值由其对应的压力响应曲线确定。作为本实施例的一个方面，中间分区的加权系数的最大值可以设置为不同的数值。如图3所示的实施例中，Zone3的加权系数的最大值设置为0.5，而Zone2的加权系数的最大值可以设置为0.8。

本发明中，所述分区的边界处采集点的测量值受到相邻分区的叠加影响，如图6所示，采集点P(ri1)同时受到相邻分区的影响。在进行晶圆表面形貌计算时，边界处采集点的测量值经加权处理后，参与对应分区的实测表面形貌的计算。

此外，本发明还提供了一种化学机械抛光控制系统，其使用上面所述的化学机械抛光控制方法。化学机械抛光控制系统的模块示意图，如图9所示，其包括：

测量部，通过晶圆各分区的采集点获取晶圆膜厚的测量值；

计算部，加权处理所述分区的测量值，根据加权处理的测量值计算晶圆的实测表面形貌；

调压部，比对晶圆的实测表面形貌与目标表面形貌的差异，调控所述压力腔室对应的抛光压力。

图10是本发明提供的控制设备一实施例的示意图。该实施例中，所述控制设备包括：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10所示测量部、计算部及调压部的功能。

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10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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种化学机械抛光控制方法，其特征在于，包括：

使用具有多个压力腔室的承载头抛光晶圆，所述压力腔室将晶圆表面对应划分为多个分区，为所述分区设置多个采集点以测量晶圆的表面形貌；

加权处理所述分区中采集点的测量值，根据加权处理的测量值计算晶圆的实测表面形貌；

比对晶圆的实测表面形貌与目标表面形貌的差异，调节所述压力腔室对应的抛光参数以控制晶圆各个分区的表面形貌；

晶圆的分区包括中间分区和边缘分区，所述中间分区对应测量值的加权处理方式不同于边缘分区对应测量值的加权处理方式；所述中间分区根据压力响应曲线确定测量值的加权系数，所述边缘分区根据径向位置确定测量值的加权系数；所述边缘分区的加权系数由外向内降低或由内向外降低。

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，所述中间分区的加权系数自所述压力响应曲线的峰值向两侧递减，或所述中间分区的加权系数自所述压力响应曲线的谷值向两侧递增。

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，所述中间分区为多个，每个中间分区的加权系数的最大值由对应的压力响应曲线确定。

4.如权利要求1所述的化学机械抛光控制方法，其特征在于，所述分区边界处的采集点受到相邻分区的叠加影响，所述分区边界处采集点的测量值经加权处理后参与所述分区的实测表面形貌的计算。

5.一种化学机械抛光控制系统，其特征在于，使用权利要求1至4任一项所述的化学机械抛光控制方法，包括：

测量部，通过晶圆各分区的采集点获取晶圆膜厚的测量值；

计算部，加权处理所述分区的测量值，根据加权处理的测量值计算晶圆的实测表面形貌；

调压部，比对晶圆的实测表面形貌与目标表面形貌的差异，调控所述压力腔室对应的抛光压力。

6.一种控制设备，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4中任一项所述化学机械抛光控制方法的步骤。

7.一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4中任一项所述化学机械抛光控制方法的步骤。

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