CN113070808A - 化学机械研磨工艺的研磨控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种化学机械研磨工艺的研磨控制方法，采用iAPC进行研磨控制，iAPC的控制参数中包括模拟研磨速率和耗材的使用时间。将模拟研磨速率的第一比重值降低；增加固定研磨速率且将固定研磨速率的第二比重值设置为1减第一比重值；由模拟研磨速率和固定研磨速率组合形成研磨速率反馈值。模拟研磨速率通过对化学机械研磨设备进行模拟得到，模拟研磨速率会受随机因素的影响，通过降低模拟研磨数量的比重来降低随机因素对研磨速率反馈值的影响。本发明能降低随机因素对研磨速率反馈值的影响，提高研磨控制的稳定性。

Description

化学机械研磨工艺的研磨控制方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别是涉及一种化学机械研磨(CMP)的研磨控制方法。
背景技术
在半导体集成电路制造中，除了进行各种膜层如介质层和金属层的生长所用的机台如化学气相沉积(CVD)设备和物理气相沉积(PVD)设备，用于对膜层进行平坦化的CMP设备也被广泛使用。
如图1所示，是现有化学机械研磨工艺设备的结构示意图；
CMP设备通过物理研磨和化学反应的双重作用实现对膜层的平坦化，研磨时，研磨台101上会设置研磨垫102，晶圆(wafer)104会固定在研磨头103上，包括了研磨颗粒和研磨浆料(Slurry)的研磨液106会从研磨液管输送到研磨液手臂105上并通过研磨液手臂105流动到研磨垫102上，研磨头103会将晶圆104和研磨垫102接触并施加压力以及转动，之后实现对晶圆104膜层的研磨。
晶圆的膜层也通常分为介质层和金属层，介质层比较常用的有氧化硅层和氮化硅层；金属层比较常用的由钨层、铝层和铜层。通常，CMP的研磨台上能设置多个研磨垫，运行晶圆在多个研磨垫上分步进行研磨，如实现粗细不同的研磨，多层膜层时实现不同膜层的研磨；也能实现多片晶圆在同一研磨台上进行并行研磨。
CMP的研磨速率(Remove Rate，RR)通常采用先进过程控制(APC)方法进行控制，APC主要是通过目标值以及测量的数据进行参数控制，最后使得结果和目标值接近。CMP中，APC又分为非在线测量的APC以及在线测量的iAPC。iAPC中的数据采用在线测量数据，能实现片到片(wafer to wafer)以及片内的研磨速率的均匀控制。
iAPC根据测量数据得到研磨速率反馈值，在结合厚度目标值，就能控制研磨时间并使得厚度达到目标值。现有方法中，iAPC的研磨速率反馈值公式为：
Monitor RR+Lifetime参数 (1)；
其中，Monitor RR为模拟RR，是通过在CMP设备的离线(offline)状态下模拟测试得到，产品生产时CMP设备会切换到online状态并实现自动化生产。
其中，Lifetime参数是和耗材的使用时间相关的参数，Lifetime表示耗材的使用寿命，耗材的使用时间越长，剩余Lifetime越短。如图2所示，是现有化学机械研磨工艺设备的研磨速率和耗材使用时间的曲线，横坐标表示耗材的使用时间对应于研磨的片数(pcs)，总坐标为研磨速率，曲线107可以看出，CMP设备的研磨速率具有虽然耗材的使用时间增加而降低的特点。
耗材通常需要在剩余使用寿命归零之前通过预防保养(Preventivemaintenance，PM)的方式更换。更换后耗材的使用时间和剩余使用寿命会重新计算。
现有方法中，在PM后，CMP设备的离线(offline)研磨速率的稳定性不佳，存在单头RR虚高或虚低现象，Offline在0片(pcs)～100pcs有较为明显的降低波动如从3600→3300的波动。按照PM的频率不同如每周2次PM时，则会出现大约2次/每周的频率的由iAPC调节异常引起的首批次(lot)的单片偏厚的超范围(OOC)报警(alarm)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种化学机械研磨工艺的研磨控制方法，能降低随机因素对研磨速率反馈值的影响，提高研磨控制的稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供的化学机械研磨工艺的研磨控制方法中采用iAPC进行研磨控制，iAPC的控制参数中包括模拟研磨速率和耗材的使用时间。
将所述模拟研磨速率的第一比重值降低；增加固定研磨速率且将所述固定研磨速率的第二比重值设置为1减第一比重值；由所述模拟研磨速率和所述固定研磨速率组合形成研磨速率反馈值。
所述模拟研磨速率通过对化学机械研磨设备进行模拟得到，所述模拟研磨速率会受随机因素的影响，通过降低所述模拟研磨数量的比重来降低随机因素对所述研磨速率反馈值的影响。
进一步的改进是，所述第一比重值降低为0.5。
进一步的改进是，在所述化学机械研磨设备完成预防保养之后，所述模拟研磨速率所受到随机因素的影响最大，所述模拟研磨速率会出现虚高或虚低的情形。
进一步的改进是，所述预防保养之后的前m片的所述晶圆对应的所述模拟研磨速率会出现虚高或虚低的情形，m为1至100。
进一步的改进是，所述固定研磨速率是所述化学机械研磨设备在进行所述预防保养之前所收集的已完成的晶圆的研磨速率的平均值。
进一步的改进是，所述固定研磨速率中已经剔除了上一次所述预防保养之后的前m片所述晶圆的研磨速率。
进一步的改进是，所述预防保养包括对所述化学机械研磨设备的工艺腔进行开腔清洗。
进一步的改进是，所述预防保养包括对所述化学机械研磨设备的工艺腔的所述耗材进行更换。
进一步的改进是，所述化学机械研磨设备的工艺腔的所述耗材的使用时间到达使用寿命时进行更换。
进一步的改进是，所述耗材包括研磨垫，钻石研磨盘。
进一步的改进是，所述研磨垫设置在研磨台上。
进一步的改进是，所述化学机械研磨设备还包括研磨头，研磨时所述晶圆固定在所述研磨头上。
进一步的改进是，所述化学机械研磨设备还包括研磨液手臂，所述研磨液手臂上设置有喷嘴，研磨液通过所述喷嘴流动到所述研磨垫上。
进一步的改进是，所述化学机械研磨设备的研磨的膜层为介质层或者为金属层。
进一步的改进是，所述介质层包括氧化硅层。
本发明通过将和模拟研磨速率相关的研磨速率反馈值更改为由模拟研磨速率和固定研磨速率组合而成，这样就能降低模拟研磨速率的比重，由于模拟研磨速率易受到随机因素的影响如在预防保养后特别容易受到随机因素的影响，本发明降低模拟研磨速率的比重后能降低随机因素对研磨速率反馈值的影响，同时，增加固定研磨速率能补偿模拟研磨速率的比重降低后所带来的不利影响，故最后本发明能提高研磨速率反馈值的稳定性，从而能提高研磨控制的稳定性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有化学机械研磨工艺设备的结构示意图；
图2是现有化学机械研磨工艺设备的研磨速率和耗材使用时间的曲线；
图3是本发明实施例化学机械研磨工艺的研磨控制方法中研磨速率反馈值的公式。
具体实施方式
本发明实施例化学机械研磨工艺的研磨控制方法中采用iAPC进行研磨控制，iAPC的控制参数中包括模拟研磨速率和耗材的使用时间。
将所述模拟研磨速率的第一比重值降低；增加固定研磨速率且将所述固定研磨速率的第二比重值设置为1减第一比重值；由所述模拟研磨速率和所述固定研磨速率组合形成研磨速率反馈值。
所述模拟研磨速率通过对化学机械研磨设备进行模拟得到，也即在所述化学机械研磨设备在offline状态下对晶圆假片(dummy wafer)进行化学机械研磨，通过晶圆假片的研磨前后的厚度测试得到的研磨速率即为所述模拟研磨速率。
所述模拟研磨速率会受随机因素的影响，通过降低所述模拟研磨数量的比重来降低随机因素对所述研磨速率反馈值的影响。
较佳为，所述第一比重值降低为0.5。
如图3所示，是本发明实施例化学机械研磨工艺的研磨控制方法中研磨速率反馈值的公式，公式为：
K*Monitor RR+(1-K)*固定RR+Lifetime参数 (2)；
其中，K表示所述第一比重值，Monitor RR表示所述模拟研磨速率；
固定RR表示固定研磨速率，是所述化学机械研磨设备机台长期的一个平均研磨速率数据。
Lifetime表示耗材的使用寿命，Lifetime参数表示和耗材的使用时间相关的掺杂，由于随着耗材的使用时间增加，剩余Lifetime会减少，和Lifetime相关的研磨速率会降低。
和公式(1)相比较可知，公式(2)中采用“K*Monitor RR+(1-K)*固定RR”代替了“Monitor RR”。
在所述化学机械研磨设备完成预防保养之后，所述模拟研磨速率所受到随机因素的影响最大，所述模拟研磨速率会出现虚高或虚低的情形。通常，所述预防保养之后的前m片的所述晶圆104对应的所述模拟研磨速率会出现虚高或虚低的情形，m为1至100。
所述固定研磨速率是所述化学机械研磨设备在进行所述预防保养之前所收集的已完成的晶圆104的研磨速率的平均值。较佳为，所述固定研磨速率中已经剔除了上一次所述预防保养之后的前m片所述晶圆104的研磨速率。
所述预防保养包括对所述化学机械研磨设备的工艺腔进行开腔清洗。所述预防保养包括对所述化学机械研磨设备的工艺腔的所述耗材进行更换。
同样参考图1所示，所述化学机械研磨设备的工艺腔的所述耗材的使用时间到达使用寿命时进行更换。所述耗材包括研磨垫102，钻石研磨盘(未显示)。所述砖石研磨盘的表面上设置有钻石，用于刮洗形成于所述研磨垫102表面上的研磨副产物，使得所述研磨垫102的表面依然保持粗糙。
所述研磨垫102设置在研磨台上。
所述化学机械研磨设备还包括研磨头103，研磨时所述晶圆104固定在所述研磨头103上。
所述化学机械研磨设备还包括研磨液手臂105，所述研磨液手臂105上设置有喷嘴，研磨液106通过所述喷嘴流动到所述研磨垫102上。
本发明实施例中所述化学机械研磨设备的研磨的膜层为氧化硅层。在其他实施例中也能为：所述化学机械研磨设备的研磨的膜层为氧化硅层之外的其他介质层如氮化硅，或者为金属层。
本发明实施例通过将和模拟研磨速率相关的研磨速率反馈值更改为由模拟研磨速率和固定研磨速率组合而成，这样就能降低模拟研磨速率的比重，由于模拟研磨速率易受到随机因素的影响如在预防保养后特别容易受到随机因素的影响，本发明实施例降低模拟研磨速率的比重后能降低随机因素对研磨速率反馈值的影响，同时，增加固定研磨速率能补偿模拟研磨速率的比重降低后所带来的不利影响，故最后本发明实施例能提高研磨速率反馈值的稳定性，从而能提高研磨控制的稳定性。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于，采用iAPC进行研磨控制，iAPC的控制参数中包括模拟研磨速率和耗材的使用时间；
将所述模拟研磨速率的第一比重值降低；增加固定研磨速率且将所述固定研磨速率的第二比重值设置为1减第一比重值；由所述模拟研磨速率和所述固定研磨速率组合形成研磨速率反馈值；
所述模拟研磨速率通过对化学机械研磨设备进行模拟得到，所述模拟研磨速率会受随机因素的影响，通过降低所述模拟研磨数量的比重来降低随机因素对所述研磨速率反馈值的影响。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述第一比重值降低为0.5。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：在所述化学机械研磨设备完成预防保养之后，所述模拟研磨速率所受到随机因素的影响最大，所述模拟研磨速率会出现虚高或虚低的情形。
4.如权利要求3所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述预防保养之后的前m片的所述晶圆对应的所述模拟研磨速率会出现虚高或虚低的情形，m为1至100。
5.如权利要求4所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述固定研磨速率是所述化学机械研磨设备在进行所述预防保养之前所收集的已完成的晶圆的研磨速率的平均值。
6.如权利要求5所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述固定研磨速率中已经剔除了上一次所述预防保养之后的前m片所述晶圆的研磨速率。
7.如权利要求3所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述预防保养包括对所述化学机械研磨设备的工艺腔进行开腔清洗。
8.如权利要求7所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述预防保养包括对所述化学机械研磨设备的工艺腔的所述耗材进行更换。
9.如权利要求8所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述化学机械研磨设备的工艺腔的所述耗材的使用时间到达使用寿命时进行更换。
10.如权利要求8所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述耗材包括研磨垫，钻石研磨盘。
11.如权利要求10所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述研磨垫设置在研磨台上。
12.如权利要求11所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述化学机械研磨设备还包括研磨头，研磨时所述晶圆固定在所述研磨头上。
13.如权利要求11所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述化学机械研磨设备还包括研磨液手臂，所述研磨液手臂上设置有喷嘴，研磨液通过所述喷嘴流动到所述研磨垫上。
14.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述化学机械研磨设备的研磨的膜层为介质层或者为金属层。
15.如权利要求14所述的化学机械研磨工艺的研磨控制方法，其特征在于：所述介质层包括氧化硅层。
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