CN113681457A - 一种膜厚测量方法和化学机械抛光设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膜厚测量方法和化学机械抛光设备，其中，方法包括：线下测试步骤，在该步骤中获取在不同提离高度下、不同膜厚对应的膜厚传感器的输出信号值，拟合得到用于表征输出信号值、提离高度和膜厚之间函数关系的静态方程，其中，提离高度为膜厚传感器距晶圆的距离；线上测试步骤，在该步骤中获取抛光垫厚度以及在化学机械抛光设备上进行抛光时膜厚传感器的输出信号值，利用静态方程计算得到晶圆的计算膜厚，根据计算膜厚与晶圆的实际膜厚之间的偏差，得到用于修正静态方程的动态方程；实际测量步骤，在该步骤中根据静态方程和动态方程，基于当前工况下的抛光垫厚度，将膜厚传感器在线测量时的输出信号值转换为最终的膜厚。

Description

一种膜厚测量方法和化学机械抛光设备

技术领域

本发明属于化学机械抛光技术领域，尤其涉及一种膜厚测量方法和化学机械抛光设备。

背景技术

集成电路(Integrated Circuit，IC)是信息技术产业发展的核心和命脉。集成电路一般通过在硅晶圆上相继沉积导电层、半导体层或绝缘层而形成。从而使晶圆表面沉积有填料层形成的薄膜。制造工艺中，需要持续平坦化填料层直到露出图案化的顶表面，以在凸起图案之间形成导电路径。

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技术是IC制造过程中的首选平面化工艺。在化学机械抛光中，对半导体器件的制造工艺而言，过多或过少的材料去除都会导致器件电性的减退甚至失效。为了提高化学机械抛光工艺的可控度，提升产品的稳定性，降低产品的缺陷率，使每一片晶圆达到均一性的生产，化学机械抛光的终点检测技术(Endpoint Detection，EPD)应运而生。

在金属CMP终点检测中，电涡流检测是最常用的方法，其输出的信号为电压信号，经实验验证，该电压信号的大小与所测金属晶圆膜厚有关，也与电涡流传感器与所测金属晶圆的距离有关，其中，该距离被称为传感器的提离高度(Lift-off Distance)，在不同的提离高度下膜厚与电压值的对应关系不同。在实际加工中，传感器与被抛晶圆之间为抛光垫，故抛光垫的厚度即为提离高度，抛光垫的厚度会随着加工的进行变薄，即提离高度变小，此时电压值与膜厚的对应关系发生变化，导致测量误差变大，影响抛光效果。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种膜厚测量方法和化学机械抛光设备，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明实施例的第一方面提供了一种膜厚测量方法，包括：

线下测试步骤，在该步骤中获取在不同提离高度下、不同膜厚对应的膜厚传感器的输出信号值，拟合得到用于表征输出信号值、提离高度和膜厚之间函数关系的静态方程，其中，所述提离高度为膜厚传感器距晶圆的距离；

线上测试步骤，在该步骤中获取抛光垫厚度以及在化学机械抛光设备上进行抛光时膜厚传感器的输出信号值，利用所述静态方程计算得到晶圆的计算膜厚，根据所述计算膜厚与晶圆的实际膜厚之间的偏差，得到用于修正所述静态方程的动态方程；

实际测量步骤，在该步骤中根据所述静态方程和所述动态方程，基于当前工况下的抛光垫厚度，将所述膜厚传感器在线测量时的输出信号值转换为最终的膜厚。

本发明实施例的第二方面提供了一种化学机械抛光设备，包括：

抛光盘，其覆盖有用于对晶圆进行抛光的抛光垫；

承载头，用于保持晶圆并将晶圆按压在所述抛光垫上；

膜厚传感器，用于在抛光期间测量晶圆的膜厚；

控制装置，用于实现如上所述的膜厚测量方法。

本发明实施例的第三方面提供了一种控制装置，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上所述膜厚测量方法的步骤。

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，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上所述膜厚测量方法的步骤。

本发明的有益效果是：能够准确获取晶圆上金属薄膜的膜厚。

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是本发明一实施例提供的化学机械抛光设备的简化示意图；

图2是本发明一实施例提供的化学机械抛光设备的简化示意图；

图3是本发明一实施例提供的膜厚测量方法的流程示意图；

图4至图6是实验数据对比图。

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。

在本申请中，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)也称为化学机械平坦化(Chemical Mechanical Planarization)，晶圆(wafer)也称为晶片、硅片、基片或晶圆(substrate)，其含义和实际作用等同。

如图1所示，本发明实施例提供的化学机械抛光设备1的主要构成部件有用于保持晶圆w并带动晶圆w旋转的承载头10、覆盖有抛光垫21的抛光盘20、用于修整抛光垫21的修整器30、以及用于提供抛光液的供液部40。

在化学机械抛光过程中，承载头10将晶圆w按压在抛光盘20表面覆盖的抛光垫21上，并且承载头10做旋转运动以及沿抛光盘20的径向往复移动使得与抛光垫21接触的晶圆w表面被逐渐抛除，同时抛光盘20旋转，供液部40 向抛光垫21表面喷洒抛光液。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w与抛光垫21摩擦以进行抛光。在抛光期间，修整器 30用于对抛光垫21表面形貌进行修整和活化。使用修整器30可以移除残留在抛光垫21表面的杂质颗粒，例如抛光液中的研磨颗粒以及从晶圆w表面脱落的废料等，还可以将由于研磨导致的抛光垫21表面形变进行平整化。

在化学机械抛光过程中，晶圆w被承载头20压在抛光垫21上，并随承载头20沿抛光盘10径向往复运动，同时，承载头20与抛光盘10同步旋转运动，使得与抛光垫21接触的晶圆w表面被逐渐抛除。

如图2所示，化学机械抛光设备1还包括用于在线测量晶圆w膜厚的膜厚传感器51和控制装置。膜厚传感器51设置在抛光垫21下方，并跟随抛光盘 20旋转从而实现在抛光的同时进行膜厚在线测量。膜厚传感器51挨着抛光垫 21设置，晶圆w放在抛光垫21上，因此，膜厚传感器51距晶圆w的距离即为抛光垫21的厚度。

在抛光过程中，需要实时监测晶圆w的膜厚变化以及膜厚值，以便采取相应的抛光工艺，避免出现过抛或者抛光不完全。膜厚传感器51可以采用电涡流检测，电涡流检测的原理是膜厚传感器51在扫过晶圆w时，晶圆w表面的金属膜层会感生涡流而使膜厚传感器51产生的磁场发生变化，从而在通过抛光移除该金属膜层时，膜厚传感器51测量涡流变化来对金属膜层的膜厚进行测量。

本发明一实施例还提供了一种用于化学机械抛光的膜厚测量方法，本方法适用于使用电涡流式膜厚传感器51测量晶圆w膜厚，且晶圆w表面膜层为金属材料，例如铜、钨、铝、钽、钛等。晶圆w表面膜层厚度可以为0.01μm至 50μm。

如图3所示，本发明实施例提供的膜厚测量方法包括：

线下测试步骤S1，在该步骤中获取在不同提离高度下、不同膜厚对应的膜厚传感器51的输出信号值，拟合得到用于表征输出信号值、提离高度和膜厚之间函数关系的静态方程，其中，所述提离高度为膜厚传感器51距晶圆w的距离；

线上测试步骤S2，在该步骤中获取抛光垫厚度以及在化学机械抛光设备1 上进行抛光时膜厚传感器51的输出信号值，利用所述静态方程计算得到晶圆w 的计算膜厚，根据所述计算膜厚与晶圆w的实际膜厚之间的偏差，得到用于修正所述静态方程的动态方程；

实际测量步骤S3，在该步骤中根据所述静态方程和所述动态方程，基于当前工况下的抛光垫厚度，将所述膜厚传感器51在线测量时的输出信号值转换为最终的膜厚。

本发明实施例通过建立抛光过程中抛光垫厚度、被测晶圆膜厚、膜厚传感器51的输出信号值三者之间的数学模型，从而有效减小抛光垫变薄对金属膜厚测量带来的影响，提高测量的准确性，从而满足相应制程的需求。

在一个实施例中，线下测试步骤S1包括：

步骤S11，采用不同提离高度值h₁～h_m进行测试，分别测量不同膜厚值t₁～t_n的晶圆对应的膜厚传感器51的输出信号值，得到输出信号矩阵u_m×n；

步骤S12，将所述提离高度值h₁～h_m、膜厚值t₁～t_n和输出信号矩阵u_m×n代入函数方程，拟合出该函数方程中的系数，得到所述静态方程。

具体地，在线下测试时，使用测试平台进行测试，将晶圆放置于膜厚传感器51下方，膜厚传感器51与晶圆之间的距离可调。

取用不同膜厚值的晶圆或者同一晶圆不同点，膜厚值分别记为t₁～t_n，其中 n应大于10且数据越多准确性越高，膜厚值所选择的最大值、最小值即为该膜厚测量方法所得方程的量程，膜厚值的选择间距应较为均匀，若不能保证均匀度，则需提高数据量来保证准确度。

采用不同提离高度值h₁～h_m进行线下测试，在现行的膜厚传感器51标准下，提离高度的选择应位于[1.5±0.3mm，3.5±0.5mm]这个区间，在本文中，提离高度主要专注于1.2～1.7mm。提离高度的间距有多种选法，常用0.01mm、 0.05mm和0.1mm，使用0.01mm为间距准确性较高但是数据量较大采集时间较长，使用0.1mm为间距采集时间较短但是准确度较低，故选用适中的0.05mm为提离高度的间距采集数据较好。

举例来说，在提离高度h₁下，先使用膜厚传感器51对空气进行测量得到u_a, 然后使用膜厚传感器51对膜厚值t₁的镀铜晶圆进行测量，减去u_a后得到输出信号值u₁₁，依次重复，测量n片，得到输出信号矩阵u_m×n。

然后将提离高度值h₁～h_m、膜厚值t₁～t_n和输出信号矩阵u_m×n代入以下静态方程：

t_l＝log₁₀t (2)；

其中，p₁～p₉为系数，h用于表征提离高度，t用于表征膜厚，t_l用于表征膜厚的对数。

在一个实施例中，线上测试步骤S2包括：

步骤S21，在化学机械抛光设备1上，测量已知实际膜厚t_r的晶圆的输出信号值u_r。这里，晶圆的膜厚已知，为实际膜厚t_r。在化学机械抛光设备1上对此晶圆执行水抛，水抛不会改变膜厚，使用膜厚传感器51进行测量得到输出信号值u_r。

步骤S22，将所述输出信号值u_r和所使用的抛光垫厚度h_r代入所述静态方程，得到计算膜厚t_e。这里抛光垫厚度h_r可以采用工艺经验值，根据抛光垫的使用时长和变薄的速率可以计算得到当前的抛光垫厚度h_r。

其中，步骤S22具体为：将输出信号值u_r和抛光垫厚度h_r代入上述公式(1) 求解，得到最优解t_log，具体算式为

然后将最优解t_log代入上述公式(2)，得到计算膜厚t_e，具体算式为t_log＝log₁₀t_e。

步骤S23，计算实际膜厚t_r与计算膜厚t_e的差值E，拟合差值E与计算膜厚t_e之间的函数关系，得到所述动态方程。

这里E＝t_r-t_e。对多组差值E和计算膜厚t_e进行拟合，得到动态方程如下：

E＝a₁t_e+a₂ (3)

其中，E为所述差值，t_e为所述计算膜厚，a₁和a₂为系数。

具体地，在线上测试时，是在化学机械抛光设备1上进行抛光测试。

举例来说，选用已知膜厚的晶圆，其膜厚为t_r1～t_rk，其中k大于等于4，即至少需要四片进行该步骤。该步骤在安装有与前述步骤型号批次一致的膜厚传感器51的化学机械抛光设备1上进行，检测所使用的抛光垫厚度h_r1。使用水抛的方式进行数据收集，水抛的方式不会使晶圆减薄。化学机械抛光设备1上所收集到输出信号值不是某一个点的数据，需要先对每一次收集到的输出信号进行平均，得到输出信号值u_r1。将u_r1和h_r1代入上述公式(1)，得到t_1log，然后计算t_1log＝log₁₀t_e1，差值E₁＝t_r1-t_e1，重复以上步骤k次后所得的k组数据代入上述公式(3)，拟合出其中的系数a₁和a₂。

可以理解的是，得到静态方程和动态方程后，测试步骤已经完成，其中，静态方程的拟合针对的是所使用的膜厚传感器51，动态方程的拟合针对的是所使用的生产加工环境。

在一个实施例中，实际测量步骤S3包括：

步骤S31，将膜厚传感器51在线测量时的输出信号值u₀和当前工况下的抛光垫厚度h₀代入所述静态方程，求得解的集合；

步骤S32，将所述解的集合中的最优解ss₃代入所述动态方程，得到修正值 E_eq0；

步骤S33，根据所述最优解ss₃和修正值E_eq0计算最终的膜厚。

进一步，最终的膜厚为：

t_final＝10^(ss₃)+E_eq0 (4)

其中，t_fina(为最终的膜厚，ss₃为最优解，E_eq0为修正值。

举例来说，在安装有前述步骤里同型号膜厚传感器51的化学机械抛光设备1上进行生产加工中的实际测量时，将膜厚传感器51在线测量时的输出信号值 u₀和当前工况下的抛光垫厚度h₀代入上述公式(1)求解，得到最优解。

在这里做一个解释说明，上述公式(1)为四次方程，将输出信号值和抛光垫厚度代入其中，解方程得到一组含有四个元素的解集合S＝[s₁ s₂ s₃ s₄]，取每个解的实数部分以从小到大的顺序排序组成新的集合S_s＝[ss₁ ss₂ ss₃ ss₄]，其中ss₁<ss₂<ss₃<ss₄，取第三个解ss₃为最优解。

然后，将最优解ss₃代入上述公式(2)，得到

再代入上述公式 (3)，得到修正值

代入上述公式(4)，得到最终的膜厚

下面通过具体实验数据说明本发明的技术效果。

以铜膜晶圆为例，根据四探针法所测准确膜厚，选取25个不同膜厚的点，其中最小膜厚为

最大膜厚为

提离高度以间隔0.05mm由1.2mm 改变至1.7mm，得到的数据拟合出静态方程。取4张已知膜厚的晶圆在装载有膜厚传感器51的化学机械抛光设备1上进行水抛，晶圆膜厚分别为

得到的数据拟合出动态方程。

然后，在化学机械抛光设备1上，分别利用6张不同膜厚晶圆在6个不同厚度抛光垫上(即6个不同提离高度下)进行探究，如图4至图6所示为使用本申请中膜厚测量方法前后的膜厚计算结果的区别。其中，真实膜厚为利用四探针法测得的膜厚，h相关膜厚为使用本方法所测得的膜厚，绝对误差(h)为使用本方法测的膜厚与真实膜厚的差的绝对值，相对误差(h)为使用本方法测的膜厚的相对误差。h无关膜厚指未使用本方法所测得的膜厚，相应的，绝对误差(无 h)和相对误差(无h)分别指未使用本方法所测得膜厚的绝对误差和相对误差。

可以看出，在使用本方法后，膜厚的绝对误差和相对误差都下降明显，且当提离高度与1.5mm相差越多时，未使用本方法的误差越大，即随着加工的进行误差会逐渐增大。在使用本方法后，绝对误差在

以内，相对误差在5％以内，大大减小了加工过程中提离高度变化带来的影响。

本发明实施例还提供了一种控制装置，其包括：处理器、存储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图3所示的方法步骤。所述控制装置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。控制装置上一般都安装有操作系统，包括但不限于：Windows操作系统、 LINUX操作系统、安卓(Android)操作系统、Symbian操作系统、Windowsmobile 操作系统、以及iOS操作系统等等。以上详细罗列了控制装置的具体实例，本领域技术人员可以意识到，控制装置并不限于上述罗列实例。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，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图3所示的方法步骤。所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM， Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

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)

1.一种膜厚测量方法，其特征在于，包括：

线下测试步骤，在该步骤中获取在不同提离高度下、不同膜厚对应的膜厚传感器的输出信号值，拟合得到用于表征输出信号值、提离高度和膜厚之间函数关系的静态方程，其中，所述提离高度为膜厚传感器距晶圆的距离；

线上测试步骤，在该步骤中获取抛光垫厚度以及在化学机械抛光设备上进行抛光时膜厚传感器的输出信号值，利用所述静态方程计算得到晶圆的计算膜厚，根据所述计算膜厚与晶圆的实际膜厚之间的偏差，得到用于修正所述静态方程的动态方程；

实际测量步骤，在该步骤中根据所述静态方程和所述动态方程，基于当前工况下的抛光垫厚度，将所述膜厚传感器在线测量时的输出信号值转换为最终的膜厚。

2.如权利要求1所述的膜厚测量方法，其特征在于，所述线下测试步骤进一步包括：

采用不同提离高度值h₁～h_m进行测试，分别测量不同膜厚值t₁～t_n的晶圆对应的膜厚传感器的输出信号值，得到输出信号矩阵u_m×n；

将所述提离高度值h₁～h_m、膜厚值t₁～t_n和输出信号矩阵u_m×n代入函数方程，拟合出该函数方程中的系数，得到所述静态方程。

3.如权利要求2所述的膜厚测量方法，其特征在于，所述静态方程为：

其中，t_l＝log₁₀t；

其中，p₁～p₉为系数，h用于表征提离高度，t用于表征膜厚，t_l用于表征膜厚的对数。

4.如权利要求1所述的膜厚测量方法，其特征在于，所述线上测试步骤进一步包括：

在化学机械抛光设备上，测量已知实际膜厚t_r的晶圆的输出信号值u_r；

将所述输出信号值u_r和所使用的抛光垫厚度h_r代入所述静态方程，得到计算膜厚t_e；

计算实际膜厚t_r与计算膜厚t_e的差值E，拟合差值E与计算膜厚t_e之间的函数关系，得到所述动态方程。

5.如权利要求4所述的膜厚测量方法，其特征在于，所述动态方程为：

E＝a₁t_e+a₂

其中，E为所述差值，t_e为所述计算膜厚，a₁和a₂为系数。

6.如权利要求1所述的膜厚测量方法，其特征在于，所述实际测量步骤进一步包括：

将所述膜厚传感器在线测量时的输出信号值u₀和当前工况下的抛光垫厚度h₀代入所述静态方程，求得解的集合；

将所述解的集合中的最优解ss₃代入所述动态方程，得到修正值E_eq0；

根据所述最优解ss₃和修正值E_eq0计算最终的膜厚。

7.如权利要求6所述的膜厚测量方法，其特征在于，所述最终的膜厚为：

其中，

其中，t_final为所述最终的膜厚，ss₃为所述最优解，E_eq0为所述修正值。

8.一种化学机械抛光设备，其特征在于，包括：

抛光盘，其覆盖有用于对晶圆进行抛光的抛光垫；

承载头，用于保持晶圆并将晶圆按压在所述抛光垫上；

膜厚传感器，用于在抛光期间测量晶圆的膜厚；

控制装置，用于实现如权利要求1至7任一项所述的膜厚测量方法。

9.一种控制装置，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7任一项所述的膜厚测量方法的步骤。

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7任一项所述的膜厚测量方法的步骤。

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