化学机械研磨终点的控制方法技术

公开了一种化学机械研磨终点的控制方法，该方法设置了研磨晶片的研磨参数、相关的前步工艺参数及研磨修正因子，并据此计算得到晶片的研磨时间；再按照研磨时间对所述晶片进行研磨，提高了研磨终点确定的准确性，确保了生产中批与批之间的研磨结果重复性，减少了返工率和废品率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造
，特别涉及一种化学机械研磨终点的控 制方法。技术背景随着超大规模集成电路ULSI(Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集 成电路制造工艺变得越来越复杂和精细，对晶片表面的平整度要求也越来越 严格。而现在广泛应用的多层布线技术会造成晶片表面起伏不平，对图形制 作极其不利，需要进行平坦化(Planarization)处理，使每一层都具有较高的全 局平整度。虽然有许多平坦化技术都曾得到应用，如反刻法、玻璃回流法和旋涂膜 层等，但是，这些传统技术都属于局部平面化技术，不能做到全局平坦化。 目前，化学机械研磨法(CMP， Chemical Mechanical Polishing )是达成全局平 坦化的最佳方法，尤其在半导体制作工艺进入亚微米(sub-micron)领域后，化 学机械研磨已成为一项不可或缺的制作工艺技术。图l为化学机械研磨示意图，如图1所示，化学机械研磨时，通过转动的 研磨头101将晶片102以一定的压力压在置于旋转的转盘上104的研磨垫103 上，混有极小磨粒的研磨液105在晶片与研磨垫之间流动，研磨液在研磨垫的 传输和旋转离心力的作用下，均匀分布其上，在晶片和研磨垫之间形成一层 液体薄膜，液体中的化学成分与晶片产生化学反应，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片表面去除，溶入 流动的液体中带走，从而获得超光滑无损伤的平坦化表面。该技术具有工艺 简单、操作温度接近室温，可兼顾局部平坦化与全面平坦化要求的优点，是 目前在超大规模集成电路芯片多层布线中最有效的层间平坦化方法。CMP工艺中最受关注的是有关研磨终点的控制问题。CMP在晶片的表面 上，从其凸部开始均匀地一步步少量去除，使之平整，经过平整化后的晶片 上所剩余的薄膜厚度需要严格的控制，即要准确地确定研磨总量，否则，可 能会出现过度研磨(overpolish)或研磨不足(underpolish)的后果，前者会 导致晶片刮伤，后者虽然可以通过返工挽救，但会导致成本上升。此外，随着器件设计规则变得越来越严格，对CMP工艺的要求也越来越高，希望晶片的研磨结果尽可能地维持在一定的规格内，浮动较小，保持较高的重复性， 而这些都要求能尽可能准确地控制研磨的终点。为准确控制研磨终点，发展了CMP工艺的在线实时终点检测(EPD, End Point Detection)技术，但是，由于在CMP过程中，晶片表面完全向下靠在研 磨垫上，对晶片研磨实施在线实时监测非常困难。目前为止，虽然已提出了 基于光学、电学、声学、化学或电化学原理的监测方式，但其中已应用于生 产的，只有基于驱动电机电流变化的终点检测技术。该技术的基本原理为 当晶片研磨达到终点时，研磨垫接触的薄膜材料的变化，导致晶片与研磨垫 之间的摩擦系数发生显著的变化，例如硅片上多晶硅薄膜被去除，露出下方 底层研磨速度相对緩慢的氮化硅薄膜时，硅片与研磨垫之间的摩擦力发生了 变化，从而使研磨头或研磨设备回转扭力发生变化，其驱动电机的电流也就 会随之变化，此时，由安装在研磨头和研磨设备上的传感器监测驱动电机电 流变化即可推知是否达到研磨终点，从而实现在线实时的终点检测。但是该 方法在具体实现时仍存在着以下不足1、 该方法易受到研磨液、机械振动等干扰因素的影响，存在监测精度低、 信号处理过于复杂和可靠性差等缺陷，无法确保CMP工艺的重复性。2、 该方法需要对研磨设备进行外型和线路上的修改，实现复杂。3、 该方法只适用于摩擦系数变化大的研磨过程，不适用于仅以去除薄膜 厚度为目的的研磨过程。因此，目前所用的确定CMP终点的主流技术仍是基于时间的离线终点检 测技术。该技术检测研磨终点的方法是依照不同产品的需求，预先决定研磨 去除量，再以控制研磨时间的方式来决定研磨终点。通常会先对试片进行预 先实验研磨，在加工装置外进行离线评估之后，取得研磨时间及研磨速度的 关系，再依此来进行产品的CMP平整化。离线终点检测具有易于实施、操作 性较强等优点，但是因为影响CMP工艺研磨速率的因素过多，如设备工作的 时间长短，研磨垫(polishpad)的新旧程度等会对研磨速率产生影响，导致 简单地采用研磨时间来确定研磨终点的方法并不可靠；CMP工艺中待研磨晶 片的状态及研磨环境等因素的变化，也会导致到达到研磨终点所需的时间不 同，如不同规格晶片表面形貌的不同，前步沉积工艺不稳定造成的待研磨薄膜厚度的不均匀等都会使需要的研磨时间发生变化。因此，单純采用基于时 间的离线终点检测会产生较大的误差，不能有效避免过度研磨或研磨不足的 产生，对于要保持批与批之间研磨的高重复性更是尤为困难。图2为采用现有的离线终点检测技术的研磨后厚度统计图，如图2所示，图中201表示的是一批晶片研磨后厚度的数据点，可以看到，多批的研磨后厚度离散范围较大，达500A以上，研磨终点的确定明显不够准确。为更为准确地确定研磨终点， 现有的CMP工艺不得不随时监测CMP过程中的各种变化因素，如，频繁地利 用试片进行研磨速率的测试，在生产过程中进行多次监测等，导致了较低的 生产效率，较低的生产成品率以及较高的生产成本。申请号为03150426.4的中国专利公开了 一种决定化学机械研磨的研磨时 间的方法，该方法结合了在线实时终点检测和基于时间的离线终点检测技术， 通过实验分别确定了不同研磨和晶片类型的研磨层厚度与EPD检测时间的对 应轨迹关系，并将根据这一轨迹关系导出的等式存于程序(recipe)中，在研 磨时加以套用，实现控制研磨终点的目的。但是该方法中只考虑了不同研磨 层厚度对研磨时间的影响，而未考虑到设备状态、设备工作时间、待研磨晶 片状态等多种其它因素对确定研磨终点的影响，使得由该方法确定的研磨终 点仍不够准确，仍会导致较高的返工率和废品率，需要在生产过程中进行多 次监测，生产效率较低。
技术实现思路
本专利技术提供了 一种，该方法全面考虑了影 响CMP工艺的众多因素，并将各因素对确定各批晶片研磨终点的影响计入自 动化程序中，对总的研磨时间进行修正，提高多批晶片研磨中研磨厚度的一 致性和研磨终点的准确性。本专利技术提供了 一种，包括步骤 确定待研磨晶片的研磨参数、相关的前步工艺参数及研磨修正因子； 根据所述的研磨参数、前步工艺参数及研磨修正因子计算所述晶片的研 磨时间；按照所述研磨时间对所述晶片进行研磨。其中，所述研磨参数包括预计研磨前厚度、待研磨层的研磨速率和预计 研磨时间；所述前步工艺参数包括实际研磨前厚度；所述研磨修正因子包括 由研磨设备状态所确定的安全因子、由所述晶片的待研磨层材料确定的第一 返工因子和由研磨后的表面材料确定的第二返工因子。且所述安全因子设置值在0， 85至1之间，所述第一返工因子i殳置值在1至3之间，所述第二返工 因子设置值在0. 3至3之间。其中，所述研磨时间由公式研磨时间=安全因子x(预计研磨时间+(实际 研磨前厚度-预计研磨前厚度)/(第一返工因子x研磨速率)x 60)确定。其中，所述预计研磨时间由所述研磨设备之前进行的至少一批的研磨结 果确定。当总研磨批数小于20或在20到40批之间时，所述预计研磨时间由公式TO=T(n) x M+(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种化学机械研磨终点的控制方法，其特征在于，包括步骤：确定待研磨晶片的研磨参数、相关的前步工艺参数及研磨修正因子；根据所述的研磨参数、前步工艺参数及研磨修正因子计算所述晶片的研磨时间；按照所述研磨时间对所述晶片进行研 磨。

【技术特征摘要】
1、 一种化学机械研磨终点的控制方法，其特征在于，包括步骤确定待研磨晶片的研磨参数、相关的前步工艺参数及研磨修正因子； 根据所述的研磨参数、前步工艺参数及研磨修正因子计算所述晶片 的研磨时间；按照所述研磨时间对所述晶片进行研磨。2、 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述研磨参数包括预计 研磨前厚度、待研磨层的研磨速率和预计研磨时间。3、 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述前步工艺参数包括 实际研磨前厚度。4、 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述研磨修正因子包括 由研磨设备状态所确定的安全因子、由所述晶片的待研磨层材料确定的第一 返工因子和由研磨后的表面材料确定的第二返工因子。5、 如权利要求4所述的控制方法，其特征在于所述安全因子设置值在 0. 85至1之间。6、 如权利要求4所述的控制方法，其特征在于所述第一返工因子设置 值在1至3之间。7、 如权利要求4所述的控制方法，其特征在于所述第二返工因子设置 值在0. 3至3之间。8、 如权利要求2或3或4所述的控制方法，其特征在于所述研磨时间 由公式研磨时间=安全因子x (预计研磨时间+(实际研磨前厚度-预计研磨前 厚度)/(第 一返工因子x研磨速率)x 60)确定。9、 如权利要求8所述的控制方法，其特征在于所述预计研磨时间由所 述研磨设备之前进行的至少 一批的研磨结果确定。10、 如权利要求8所述的控制方法，其特征在于总研磨批数小于20或 在20到40批之间时，所述预计研磨时间由公式TO=T(n) x M+(T(n-1 )+T(n-2) +......+T(l))/(n-l)x(l-M)确定，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研磨中的最后一批的理想研磨时间，M是影响预计研磨时间的改变速率的 反馈因子。11、 如权利要求IO所述的控制方法，其特征在于所述反馈因子的值在 0.25到0.85之间。12、 如权利要求8所述的控制方法，其特征在于总研磨批数在20到40 批之间或超过40批后，所述预计研磨时间4艮据所述研磨设备之前进行的各批 次的研磨结果，由有限接近法确定。13、 如权利要求12所述的控制方法，其特征在于所述预计研磨时间由 公式T0= T(n) x M+T(n-1) x M x (l-M)+T(n-2) x M x (l-M)A2+...+T(n-X + 1) x M x (l-M) AX - 1 )确定，n为总研磨批数，T(n)为所述研磨进行之前的n批研 磨中的最后一批的理想研磨时间，M是决定TO的改变速率的反馈因子，X表 示确定所述预计研磨时间时采用的研磨批数。14、 如权利要求13所述的控制方法，其特征在于所述反馈因子的取值 范围随所述采用的研磨批数发生相应变化。15、 如权利要求13所述的控制方法，其特征在于所述最后一批的理想 研磨时间是利用最后一批研磨后的实际研磨后厚度与预计研磨后厚度之间的 差，对实际的最后 一批研磨时间进行修正后的时间。16、 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于对于浅槽隔离结构的 研磨，所述研磨参数包括预计研磨前厚度、待研磨层的研磨速率、预计研磨 时间和预计沟槽深度。17、 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于对于浅槽隔离结构的 研磨，所述前步工艺参数包括实际研磨前厚度和实际沟槽深度。18、 如权利要求1所述的控制方法，其特征在于对于浅槽隔离结构的 研磨，所述研磨修正因...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋莉，张映斌，衣冠君，章媛媛，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]