CN116766042B - 用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法及设备，该方法包括在对晶圆薄膜进行磨削过程中，获取晶圆薄膜的反射率与波长关系的实测光谱曲线；在所述实测光谱曲线中分别根据两个预设波长范围选取第一波段和第二波段；计算所述第一波段与所述第二波段的实测积分面积比；根据所述实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定所述晶圆薄膜的当前厚度，其中所述对应关系曲线是根据不同厚度的所述晶圆薄膜下的参考光谱中。

Description

用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法及设备

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法及设备。

背景技术

随着半导体产业的迅速发展，集成电路特征尺寸不断趋于微细化，半导体晶片不断地朝小体积、高电路密集度、快速、低耗电方向发展，集成电路现已进入ULSI亚微米级的技术阶段。伴随着硅晶片直径的逐渐增大，元件内刻线宽度逐步缩小，金属层数的增多，因此半导体薄膜表面的高抛光对器件的高性能、低成本、高成品率有着重要的影响，因此硅晶片表面平整度要求将日趋严格。

化学机械抛光（Chemical Mechanical Planarization，CMP）是一种全局表面平坦化技术，在半导体制造过程中用以减小基板厚度变化和表面形貌的影响。由于CMP可精确并均匀地把基板平坦化为需要的厚度和平坦度，已经成为半导体制造过程中应用最广泛的一种表面平坦化技术。目前主流的技术为在线终点检测，在线终点检测能够更好地控制晶圆薄膜的厚度变化，减少重复操作，实现CMP的自动化操作，从而提高抛光设备利用率和产量，减少IC设备的密度分布缺陷，降低不均匀性，并最终使半导体设备的稳定性和可靠性得到提高。在线终点检测技术实现的原理主要是基于光学、电学、声学或振动、热学、摩擦力、化学或电化学原理的检测。在光谱终点检测法的监测工艺中，首先需要建立在限定波长范围内不同膜厚下的参考光谱，然后通过设定的匹配方法将抛光工艺期间原位测量的光谱与参考光谱的图库进行匹配，寻找到最佳匹配参考光谱。以最佳匹配参考光谱所对应的膜厚作为在抛光过程中此时的膜厚。

但在基于反射光谱法的在线终点检测技术中，一些情况下光谱曲线所体现出的特征不够充分，因此难以与参考图库进行准确匹配，导致检测的膜厚准确性降低。

发明内容

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法，该方法包括：

在对晶圆薄膜进行磨削过程中，获取晶圆薄膜的反射率与波长关系的实测光谱曲线；

在所述实测光谱曲线中分别根据两个预设波长范围选取第一波段和第二波段；

计算所述第一波段与所述第二波段的实测积分面积比；

根据所述实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定所述晶圆薄膜的当前厚度，其中所述对应关系曲线是根据不同厚度的所述晶圆薄膜的参考光谱中，两个预设波长范围下的第一波段和第二波段所计算出的参考积分面积比而预先构建的曲线数据。

可选地，所述两个预设波长范围是根据所述不同厚度下的反射率与波长关系的参考光谱曲线所呈现出的厚度与反射率的关系所确定的两段预设波长范围，其中第一预设波长范围中的各个曲线呈现出厚度与反射率正相关、第二预设波长范围中的各个曲线呈现出厚度与反射率负相关。

可选地，所述参考光谱曲线是根据所述晶圆薄膜的折射率、预检测膜厚范围计算出的理论反射率和波长关系的理论光谱曲线。

可选地，在根据所述实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定所述晶圆薄膜的当前厚度之前，还包括：

根据各个厚度下的参考光谱曲线确定转折波段，所述转折波段中厚度与反射率的关系呈现转变；

基于所述转折波段确定所述第一预设波长范围和所述第二预设波长范围；

在所述参考光谱曲线中分别根据两个预设波长范围选取第一波段和第二波段；

计算所述第一波段和所述第二波段的参考积分面积比；

根据所述各个厚度下的参考光谱曲线的所述参考积分面积比得到所述对应关系曲线。

可选地，所述第一波段与所述第二波段的波长范围长度相等，均为50-100nm。

可选地，在计算所述第一波段和所述第二波段的积分面积比的步骤中，利用较大的积分面积除以较小的积分面积，使得到的所述积分面积比大于1。

可选地，根据所述实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定所述晶圆薄膜的当前厚度，包括：

确定所述实测积分面积比在实时检测过程中的出现顺序；

根据所述实测积分面积比及其出现顺序，在所述对应关系曲线中确定相应的厚度。

根据本申请实施例的第二方面，还提供了一种用于晶圆薄膜磨削的终点检测方法，该方法包括：

利用上述厚度在线检测方法，实时监测晶圆薄膜的厚度是否达到目的厚度；

当晶圆薄膜的厚度达到目标厚度时，停止磨削。

根据本申请实施例的第三方面，还提供了一种用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测设备，该设备包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行上述用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法。

根据本申请实施例的第四方面，还提供了一种晶圆薄膜磨削的终点检测设备，该设备包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行上述用于晶圆薄膜磨削的终点检测方法。

根据本发明提供的用于晶圆薄膜磨削的终点检测方法及设备，针对合适的波段计算积分面积，进而得到积分面积之比，以此来扩大实测光谱曲线的特征，将此特征与预先建立的积分面积比与厚度的对应曲线进行匹配，有利于得出准确的膜厚，有效解决光谱曲线本身特征不明显而导致难以直接与参考图库匹配的缺陷，提高了膜厚检测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种膜厚与反射率的积分面积比曲线示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种实测积分面积比在膜厚与反射率的积分面积比曲线中的表示；

图4为本发明实施例提供的一个时刻下的第一实测积分面积和第二实测积分面积在实测光谱曲线中的表示；

图5为本发明实施例提供的另一种个时刻下的第一实测积分面积和第二实测积分面积在实测光谱曲线中的表示；

图6为本发明实施例提供的一种用于晶圆薄膜磨削的终点检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明的一个实施例，提供了一种参考积分面积比关系曲线的建立方法，该方法包括：

根据各个厚度下的参考光谱曲线确定转折波段，转折波段中厚度与反射率的关系呈现转变。

关于参考光谱曲线是根据晶圆薄膜的折射率n和预检测膜厚范围d计算出的理论反射率和波长关系的理论光谱曲线。预先根据折射率n和预检测膜厚范围d建立包含若干不同晶圆薄膜厚度下限定波长范围的反射率-波长参考光谱曲线的参考图库，本实施中待抛薄膜晶圆为二氧化硅，其基底材料为硅，预检测膜厚范围d为250-50nm，限定波长范围为200-1000nm，参考图库的每个参考光谱曲线的膜厚分辨率为0.1nm。即每隔0.1nm建立一条对应的反射率-波长曲线。转折波段的选取依据为：在转折波段两边，反射率和膜厚的对应关系所表现出的大小关系规律相反，比如波长小于500-700nm前的波段，膜厚相对大的曲线反射率高，相反地，波长大于500-700nm后的波段，膜厚相对大的曲线反射率低，因此可以确定转折波段为波长500-650nm的波段。

基于转折波段确定第一预设波长范围和第二预设波长范围，在参考光谱曲线中分别根据两个预设波长范围选取第一波段和第二波段。第一波段和第二波段优先选取规律且稳定的波段，以保证厚度检测的准确性，同时第一波段和第二波段的长度相等，可以使得二者对比值计算的权重相同，例如第一波段可以是波长400-500nm的波段，第二波段可以是波长750-850nm的波段。

计算第一波段和第二波段的参考积分面积比，将第一波段的积分面积记为S1、第二波段的积分面积记为S2，即得到比值S1/S2或者S2/S1。

根据各个厚度下的参考光谱曲线的参考积分面积比得到对应关系曲线。根据第一参考反射率积分面积S1和第二参考反射率积分面积S2计算参考积分面积比，并以膜厚分辨率0.1nm建立膜厚-反射率积分面积比曲线，可以得到如图1所示的对应关系曲线，其中横坐标为膜厚，纵坐标为参考积分面积比。

本实施例通过选取两个参考波段并计算积分面积比，以确定根据各个厚度下的晶圆薄膜的积分面积比，根据积分面积比与相应的厚度值构建出对应关系曲线，该曲线数据可用于检测晶圆薄膜的厚度。

在优选实施例中，计算参考积分面积比时，使用较大的积分面积除以较小的积分面积。具体是指比较S1和S2的大小，取比值大于1的计算方式可起到特征放大的作用，由此使得对应关系曲线提供足够多的特征信息，可进一步提高膜厚检测的准确性。

如图2所示，本发明实施例提供一种以硅为基底的二氧化硅晶圆薄膜磨削过程中二氧化硅薄膜的厚度在线检测方法，可以由计算机或服务器等电子设备执行，包括：

S401，在对以硅为基底的二氧化硅晶圆薄膜进行磨削过程中，获取以硅为基底的二氧化硅晶圆薄膜的反射率与波长关系的实测光谱曲线。

其中晶圆薄膜为以硅为基底的二氧化硅晶圆薄膜。通过光谱仪对磨削过程中的以硅为基底的二氧化硅晶圆在限定波长范围下的反射率进行实时测量，在实时测量时，获取某时刻的在限定波长范围下与反射率的实测光谱曲线，限定波长范围为200-1000nm。

S402，在实测光谱曲线中分别根据两个预设波长范围选取第一波段和第二波段。

按照参考光谱曲线中两个参考波段的预设波长范围选取第一波段和第二波段。

S403，计算所述第一波段与所述第二波段的实测积分面积比。与参考反射率积分面积相同，实测反射率积分面积为两个波段分别与横坐标的区域面积。

S404，根据实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定晶圆薄膜的当前厚度，其中对应关系曲线是根据不同厚度的晶圆薄膜的参考光谱中，两个预设波长范围下的第一波段和第二波段所计算出的参考积分面积比而预先构建的曲线数据。关于积分面积比与厚度的对应关系曲线，具体可参照上述建立方法预先进行建立。

本方案针对合适的波段计算积分面积，进而得到积分面积之比，以此来扩大实测光谱曲线的特征，将此特征与预先建立的积分面积比与厚度的对应曲线进行匹配，有利于得出准确的膜厚，有效解决光谱曲线本身特征不明显而导致难以直接与参考图库匹配的缺，提高了膜厚检测的准确性。本方案可适用于多种光谱曲线本身特征不明显的情况，例如膜厚较小导致的光谱特征信息不足，使用本方案可以检测50nm的膜厚，适用于更大范围的终点检测，且检测时间较短，可实现实时测量，从实时采集到得出最终膜厚仅需要100ms。

步骤S402中，两个预设波长范围是根据不同厚度下的反射率与波长关系的参考光谱曲线所呈现出的厚度与反射率的关系所确定的两段预设波长范围，其中第一预设波长范围中的各个曲线呈现出厚度与反射率正相关、第二预设波长范围中的各个曲线呈现出厚度与反射率负相关。通过选取两段表现特征完全不同的波段，有利于提高膜厚检测准确性。

优选实施例中，第一波段与第二波段的波长范围长度相等，这可以使得两个波段对比值计算的权重相同。测试系统的噪声在不同波长下是均匀的，增大某一段的权重则会放大该波段的噪声，结果会受到不同程度的影响，两个波段对比值计算的权重相同可以降低噪声对计算结果的影响。

优选实施例中，第一波段与第二波段的波长范围长度均为50-100nm。对于两个波段的预设长度，过小的波段长度会使波段比值受到较大的噪声影响，而过大的波段长度则会弱化该比值放大曲线趋势，优选的波段长度为50-100nm，优选为50nm。此波段长度的选择既可以消除噪声对比值的影响，又可以较大程度地扩大特征，提高检测准确性。

步骤S404中，根据实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定晶圆薄膜的当前厚度，包括：

确定实测积分面积比在实时检测过程中的出现顺序；

根据实测积分面积比及其出现顺序，在对应关系曲线中确定相应的厚度。

本实施中，将实测积分面积比带入到参考面积比与厚度的对应关系曲线中时，有时会出现多个膜厚值与之对应，如图3所示，在实测积分面积比为1.6时，分别对应两个膜厚值162nm和124nm，为解决这一问题，需连续实时地计算两个实测波段的积分面积比，根据实测面积比出现的先后顺序来确定其对应的膜厚。实际应用过程中，实际膜厚值是从大到小，对应此曲线是从右向左，在实测积分面积比第一次出现1.6时，应当取靠右的点，选取162nm作为当前被晶圆薄膜的膜厚，通过选取出现早的膜厚值确定为晶圆薄膜的当前膜厚。

优选实施例中，在计算第一波段和第二波段的积分面积比的步骤中，利用较大的积分面积除以较小的积分面积，使得到的所述积分面积比大于1。在计算两部分的积分面积比时，通过大面积比小面积，可以放大特征，提高膜厚检测的准确率。

在一个实施例中，在对晶圆薄膜进行磨削时，实时采集光谱仪实测数据，随机选取时刻1，得到该时刻下反射率-波长的实测光谱曲线，如图4所示，根据两个预设波长范围选取两个实测波段，分别计算出如图4中阴影对应的第一实测积分面积S3和第二实测积分面积S4，并计算第一实测积分面积S3和第二实测积分面积S4比的实测面积比为1.298，将实测面积比与图1中的参考积分面积比曲线进行匹配，选取出现顺序最早的膜厚值199.8nm作为晶圆薄膜的当前膜厚。

在另一个实施例中，在对晶圆薄膜进行磨削时，实时采集光谱仪实测数据，随机选取时刻2（时刻2位于时刻1之后），得到该时刻下反射率-波长的实测光谱曲线，如图5所示，根据两个预设波长范围选取两个实测波段，分别计算出如图5中阴影对应的第一实测积分面积S5和第二实测积分面积S6，并计算第一实测积分面积S5和第二实测积分面积S6比的实测面积比为1.473，将实测面积比与图1中的参考积分面积比曲线进行匹配，假设1.473是实时计算过程中第二次出现的相同的数值，则确定膜厚值为91.8nm作为晶圆薄膜的当前膜厚。

为了验证本方案的准确性，在上述两个时刻下将磨削对象取下，使用Otsuka光学测厚仪OPTM对此被晶圆薄膜选取49个点进行膜厚测量，来验证此算法的准确性：200nm时，最大值测得200.30nm，最小值测得195.13nm；90nm时，最大值测得92.37nm，最小值测得88.43nm。

如图6所示，本发明实施例提供一种用于晶圆薄膜磨削的终点检测方法，可以由计算机或服务器等电子设备执行，该方法包括如下操作：

利用上述实施例的厚度在线检测方法，通过步骤S401-S404实时测量晶圆薄膜的厚度；

S405，判断晶圆薄膜的当前厚度是否达到目标厚度，当晶圆薄膜的当前厚度达到目标厚度时，执行S406；否则继续磨削并返回步骤S401。

S406，停止磨削。

本方案针对合适的波段计算积分面积，进而得到积分面积之比，以此来扩大实测光谱曲线的特征，将此特征与预先建立的积分面积比与厚度的对应曲线进行匹配，有利于得出准确的膜厚，有效解决光谱曲线本身特征不明显而导致难以直接与参考图库匹配的缺，提高了膜厚检测的准确性，基于此检测方法进行终点检测，可提高对晶圆薄膜磨削的控制精度。本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法，其特征在于，包括：

在对晶圆薄膜进行磨削过程中，获取晶圆薄膜的反射率与波长关系的实测光谱曲线；

在所述实测光谱曲线中分别根据两个预设波长范围选取第一波段和第二波段，所述两个预设波长范围是根据不同厚度下的反射率与波长关系的参考光谱曲线所呈现出的厚度与反射率的关系所确定的两段预设波长范围，其中第一预设波长范围中的各个曲线呈现出厚度与反射率正相关、第二预设波长范围中的各个曲线呈现出厚度与反射率负相关；

计算所述第一波段与所述第二波段的实测积分面积比；

根据所述实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定所述晶圆薄膜的当前厚度，其中所述对应关系曲线是根据不同厚度的所述晶圆薄膜的参考光谱中，两个预设波长范围下的第一波段和第二波段所计算出的参考积分面积比而预先构建的曲线数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考光谱曲线是根据所述晶圆薄膜的折射率、预检测膜厚范围计算出的理论反射率和波长关系的理论光谱曲线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在根据所述实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定所述晶圆薄膜的当前厚度之前，还包括：

根据各个厚度下的参考光谱曲线确定转折波段，所述转折波段中厚度与反射率的关系呈现转变；

基于所述转折波段确定所述第一预设波长范围和所述第二预设波长范围；

在所述参考光谱曲线中分别根据两个预设波长范围选取第一波段和第二波段；

计算所述第一波段和所述第二波段的参考积分面积比；

根据所述各个厚度下的参考光谱曲线的所述参考积分面积比得到所述对应关系曲线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一波段与所述第二波段的波长范围长度相等，均为50-100nm。

5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在计算所述第一波段和所述第二波段的积分面积比的步骤中，利用较大的积分面积除以较小的积分面积，使得到的所述积分面积比大于1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述实测积分面积比和参考积分面积比与厚度的对应关系曲线确定所述晶圆薄膜的当前厚度，包括：

确定所述实测积分面积比在实时检测过程中的出现顺序；

根据所述实测积分面积比及其出现顺序，在所述对应关系曲线中确定相应的厚度。

7.一种用于晶圆薄膜磨削的终点检测方法，其特征在于，包括：

利用权利要求1-6中任意一项所述的厚度在线检测方法，实时监测晶圆薄膜的厚度是否达到目的厚度；

当晶圆薄膜的厚度达到目标厚度时，停止磨削。

8.一种用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测设备，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如权利要求1-6中任意一项所述的用于晶圆薄膜磨削的厚度在线检测方法。

9.一种用于晶圆薄膜磨削的终点检测设备，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如权利要求7所述的用于晶圆薄膜磨削的终点检测方法。