化学机械平坦化终点检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种化学机械平坦化终点检测方法及装置，方法包括以下步骤：根据设定的平坦化工艺参数将平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形及第二表面图形；在所述第一表面图形符合第一特征图形的情况下，根据第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；在第二表面图形符合第三特征图形的情况下，根据第三特征图形在相应的区域内对平坦化材料施加背压力进行平坦化。本发明专利技术提高了平坦化材料的全局平坦化效果，保证了平坦化材料平坦化的加工质量，提高化学机械平坦化设备的一次加工合格率，大大降低了化学机械平坦化终点检测工艺开发的成本。

【技术实现步骤摘要】
化学机械平坦化终点检测方法及装置
本专利技术涉及半导体器件制造
，特别涉及一种化学机械平坦化终点检测方法及装置。
技术介绍
在超大规模集成电路生产中，晶圆（硅晶圆）的特征线宽不断缩小，而金属互连层数不断增多，对硅晶圆的全局平坦化要求也变得越来越苛刻。化学机械平坦化（Chemical-MechanicalPlanarization，CMP），又称化学机械研磨（Chemical-MechanicalPolishing），是半导体器件制造工艺中的一种技术，使用化学腐蚀及机械力对加工过程中的硅晶圆或其它衬底材料进行平坦化处理。化学机械平坦化作为一种全局的平坦化工艺，已经成为集成电路制造工艺中继光刻和刻蚀之后又一项必不可少的关键技术。在平坦化过程中，若对硅晶圆的金属材料去除太少，则会引起芯片短路；若对硅晶圆的金属材料去除太多，金属线条会出现侵蚀或碟形坑，严重影响金属互连的可靠性。而且，由于金属层淀积的不均匀性、平坦化速度和压力等过程参数的微小波动，都会增加晶圆内以及晶圆批次间平坦化的不均匀性，造成金属平坦化时间的变化，进而降低设备的生产效率。因此，寻找一种有效的且更可靠的应用于化学机械平坦化的在线终点检测方法已成为当前急需解决的问题。在金属互连工艺的化学机械平坦化工艺中，晶圆的图形结构一般分为三层，第一层为介质层，如氮化物，氧化物等；第二层为阻挡层，如钽、氮化钽、钛、氮化钛等；第三层为金属层，如铜、钨等。根据已有技术可知，这三层材料的反射率区别较大。因此，现有方法之一为光学终点检测方法，即利用光学反射原理，通过检测不同材料的反射光强来确定平坦化终点。现有的光学在线终点检测方法一般包括：（1）利用光学传感器扫描晶圆表面，记录该晶圆表面材料N个点的反射信号，计算这些检测点的平均值，将该平均值与已有的检测数据库比较，从而判断晶圆是否平坦化完成；（2）把晶圆分成几个区，通过光学传感器扫描晶圆的每个分区，记录每个分区内晶圆表面材料N个点的反射信号，计算这些检测点的平均值和方差，并将其与已有检测数据库比较，根据数据之间的关系采用区域压力控制平坦化过程或者判断晶圆是否平坦化完成。上述在线终点检测方法是通过计算整体或局部检测数据的平均值以及方差来确定终点信号，其是一个整体估计的方法，不能很好地反映出晶圆表面局部区域的平坦化情况。而且，在上述在线终点检测方法中，需要针对特定的晶圆图形开发具有差异性的终点检测算法，这无疑会耗费大量的时间以及也会增加相关的测试晶圆、设备耗材、能源等成本消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种化学机械平坦化终点检测方法及装置，能提高平坦化材料的全局平坦化效果，保证平坦化材料平坦化的加工质量，且降低化学机械平坦化终点检测工艺开发的成本。为达到上述目的，本专利技术提出了一种化学机械平坦化终点检测方法，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，所述方法包括以下步骤：步骤一：根据设定的平坦化工艺参数将平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形；比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形，若否，则比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形，若是，则根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，并将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；步骤二：在将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化时，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形；比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形，若否，则比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形，若是，则根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化，完成终点检测。进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述第一特征图形为平坦化材料的金属层被部分平坦化且部分露出阻挡层的表面图形，所述第二特征图形为平坦化材料的金属层被平坦化后完全露出阻挡层的表面图形；所述第三特征图形为平坦化材料的阻挡层被部分平坦化且部分露出介质层的表面图形，所述第四特征图形为晶圆的阻挡层被平坦化后完全露出介质层的表面图形。进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形的步骤或所述将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形的步骤具体包括：将所述采集的反射光信号转换成多个数据，根据采集时间先后顺序标记所述多个数据；以晶圆的圆心为圆心，按不同的半径划分成多个同心圆，两两相邻的多个同心圆之间依次定义为多个区域，并将所述标记后的多个数据平均分布于该多个区域内；分别计算该多个区域内标记后的多个数据，得到第一表面图形的图形特征参数，该图形特征参数至少包括每个区域的数据个数ci、每个区域的起始数据gi、每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比ei、每个区域起始数据的位置Starti、所有区域中gi的最大值max(gi)以及最小值min(gi)。进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形的步骤具体为：判断所述第一表面图形的图形特征参数中ei≥e及ei＜e是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数。进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：对于所述第一表面图形的图形特征参数中满足ei≥e的数据段，根据每个区域起始数据的位置Starti以及每个区域的数据个数ci的值定位该数据段所属相应的区域，在该相应的区域内施加背压力对所述平坦化材料进行平坦化。进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形的步骤具体为：判断所述第一表面图形的图形特征参数中ei＜e，且第一阈值＜|gi－gi+1|＜第二阈值是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形的步骤具体为：判断所述第二表面图形的图形特征参数中ei＜e且|gi－gi+1|＞第一阈值是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。进一步，在上述化学机械平坦化终点检测方法中，所述根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：对于所述第二表面图形的图形特征参数中满足第一阈值＜|gi－gi+1|＜第二阈值的数据段，比较gi与gi+1的大小，根据两者之间较小值对应的起始数据的位置Starti以及该数据段的数据个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化学机械平坦化终点检测方法，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据设定的平坦化工艺参数将平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形；比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形，若否，则比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形，若是，则根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，并将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；步骤二：在将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化时，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形；比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形，若否，则比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形，若是，则根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化，完成终点检测。...

【技术特征摘要】
1.一种化学机械平坦化终点检测方法，以在对包括金属层、阻挡层及介质层的平坦化材料执行化学机械平坦化操作时进行终点检测，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据设定的平坦化工艺参数将平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形；比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形，若否，则比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形，若是，则根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第一抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第一抛光台上进行平坦化，并将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化；步骤二：在将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化时，通过光学传感器实时采集所述平坦化材料表面的反射光信号，并将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形；比较所述第二表面图形是否符合第四特征图形，若否，则比较所述第二表面图形是否符合第三特征图形，若是，则根据所述第三特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化；若否，则根据所述设定的平坦化工艺参数在第二抛光台上继续进行平坦化；若是，则停止将所述平坦化材料在第二抛光台上进行平坦化，完成终点检测；所述第一特征图形为平坦化材料的金属层被部分平坦化且部分露出阻挡层的表面图形，所述第二特征图形为平坦化材料的金属层被平坦化后完全露出阻挡层的表面图形；所述第三特征图形为平坦化材料的阻挡层被部分平坦化且部分露出介质层的表面图形，所述第四特征图形为晶圆的阻挡层被平坦化后完全露出介质层的表面图形；所述将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第一表面图形的步骤或所述将采集到的反射光信号进行数据图形化处理得到第二表面图形的步骤具体包括：将所述采集的反射光信号转换成多个数据，根据采集时间先后顺序标记所述多个数据；以晶圆的圆心为圆心，按不同的半径划分成多个同心圆，两两相邻的多个同心圆之间依次定义为多个区域，并将所述标记后的多个数据平均分布于该多个区域内；分别计算该多个区域内标记后的多个数据，得到第一表面图形的图形特征参数，该图形特征参数至少包括每个区域的数据个数ci、每个区域的起始数据gi、每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比ei、每个区域起始数据的位置Starti、所有区域中gi的最大值max(gi)以及最小值min(gi)。2.根据权利要求1所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述比较所述第一表面图形是否符合第一特征图形的步骤具体为：判断所述第一表面图形的图形特征参数中ei≥e及ei＜e是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数。3.根据权利要求1所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述根据所述第一特征图形在相应的区域内对所述平坦化材料施加背压力进行平坦化的步骤具体包括：对于所述第一表面图形的图形特征参数中满足ei≥e的数据段，根据每个区域起始数据的位置Starti以及每个区域的数据个数ci的值定位该数据段所属相应的区域，在该相应的区域内施加背压力对所述平坦化材料进行平坦化。4.根据权利要求1所述的化学机械平坦化终点检测方法，其特征在于，所述比较所述第一表面图形是否符合第二特征图形的步骤具体为：判断所述第一表面图形的图形特征参数中ei＜e，且第一阈值＜|gi－gi+1|＜第二阈值是否同时成立，其中，ei为每个区域数据个数与总采集数据个数的百分比，e为管芯对角线与晶圆直径的百分比常数，gi为每个区域的起始数据。5.根据权利要求1所述的化学机械平坦化终点...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东辉，郭强生，周国安，李伟，高文泉，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十五研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11