基于浅沟道隔离技术的化学机械研磨终点检测方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例提出了一种基于浅沟道隔离技术的化学机械研磨终点检测方法，包括：建立晶圆表面微元与研磨垫间相对滑动速度和微元所受摩擦力之间的函数方程；求解函数方程，将微元所受摩擦力代入研磨垫转矩公式，建立晶圆和可调节研磨垫转矩与研磨驱动装置机械参数间的函数关系；依据材质差异所导致的摩擦系数的不同，分析研磨垫表面特征对晶圆形貌变化的影响，通过研磨垫转矩与研磨驱动装置机械参数间的函数关系识别研磨终点，实现终点检测。本发明专利技术提出的上述方案，通过考察晶圆和研磨垫间的摩擦因素来分析转矩变化，深入分析研磨工艺制程中晶圆与随机波动粗糙垫板间的相互作用关系，直接通过研磨垫转矩即可识别因材质差异所导致的研磨去除率的不同，从而可以灵活地实现终点检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及CMP制造工艺和CMP建模
，具体而言，本专利技术涉及基于浅沟道隔离技术的化学机械研磨终点检测方法及系统。
技术介绍
目前，随着集成电路晶圆尺寸的不断扩大，芯片特征尺寸的不断缩小，45nm节点以下包括32nm、22nm以及16nm等工艺节点进程为可制造性设计(DFM，Design for manufacturability)的研究和应用提出了新的要求和挑战。化学机械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)作为DFM工艺解决方案的关键环节，在当前最尖端的半导体产业中，已经成为业界瞩目的核心技术。浅沟道隔离(STI，Shallow Trench Isolation)技术是随深亚微米集成电路技术发展而产生的一种新兴场区隔离技术，该技术作为替换传统硅氧化L0C0S结构的分离技术首先应用于0. 25 μ m技术节点，随着CMP平坦化技术的应用，STI已成为0. 18 μ m及以下技术节点的主要隔离技术。STI具有特征尺寸小、集成度高、隔离效果好的特点。浅沟道隔离技术对于CMP研磨后的厚度要求非常严格，一般CMP的研磨速率受耗材的影响很大，流行的固定时间研磨方式难以获得精确的厚度控制。过度研磨会造成器件空旷区严重的碟形化，导致隔离失效，影响器件的可靠性；研磨不足时氮化硅薄膜上残留的氧化硅薄膜会阻止下一道工艺对氮化硅的去除，使得有源区上有残留的氮化硅，导致器件无法工作。因此，为了提高CMP技术的稳定性和生产率，实现对CMP的自动化控制，避免硅片研磨过度或不足，更好地控制CMP工艺后有稳定的氮化硅厚度，如何设计合理而有效的控制研磨方案对于工艺制造具有重要作用。目前，针对STI的厚度控制，一个有效的方法就是在线终点检测技术，国内外各研究机构和生产厂商对此检测技术进行深入研究。比较常用的检测方法有(1)光学反射率终点检测，此法利用晶片表面从氧化硅薄膜过渡到氮化硅薄膜的光反射率变化来判别研磨终点，因而简单易行，但稳定性不高；(2)研磨废液离子浓度终点检测，此法通过检测废液中氮离子的浓度变化从而准确侦测终点，因而具有较高的准确率，但需要额外离子检测仪，费用较高；(3)电机扭矩变化终点检测，此法根据研磨接触薄膜材料或表面形貌差异所导致的研磨机电流变化，因此可由传感器监测驱动电机电流变化推知是否达到抛光终点。目前，尽管以上方法研究比较充分，但各项技术真正运用于工业生产实践，开发成产品的，只有基于驱动电机电流变化的终点检测技术，其他技术都还处于实验室论证阶段。因此，有必要提出一种有效的技术方案，以解决STI的厚度控制的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是通过考察晶圆和研磨垫间的摩擦因素来分析转矩变化，利用研磨垫转矩控制STI CMP终点检测。为了实现本专利技术之目的，本专利技术实施例一方面提出了一种基于浅沟道隔离技术的化学机械研磨终点检测方法，包括以下步骤建立晶圆表面微元与研磨垫间相对滑动速度和微元所受摩擦力之间的函数方程；求解所述函数方程，将微元所受摩擦力代入研磨垫转矩公式，建立晶圆和可调节研磨垫转矩与研磨驱动装置机械参数间的函数关系；依据材质差异所导致的摩擦系数的不同，分析研磨垫表面特征对晶圆形貌变化的影响，通过研磨垫转矩与研磨驱动装置机械参数间的函数关系识别研磨终点，实现终点检测。本专利技术实施例另一方面还提出了一种基于浅沟道隔离技术的化学机械研磨终点检测的系统，包括系统控制器和研磨机台，所述系统控制器，用于通过终点检测单元根据晶圆摩擦转矩模型算法计算出研磨终点，所述系统控制器根据所述研磨终点控制所述研磨机台进行晶圆化学机械研磨，其中， 所述终点检测单元包括建模模块、计算模块以及判断模块所述建模模块，用于建立晶圆表面微元与研磨垫间相对滑动速度和微元所受摩擦力之间的函数方程；所述计算模块，用于求解所述函数方程，将微元所受摩擦力代入研磨垫转矩公式， 建立晶圆和可调节研磨垫转矩与研磨驱动装置机械参数间的函数关系；所述判断模块，用于依据材质差异所导致的摩擦系数的不同，分析研磨垫表面特征对晶圆形貌变化的影响，通过研磨垫转矩与研磨驱动装置机械参数间的函数关系识别研磨终点，实现终点检测。本专利技术提出的上述方案，通过考察晶圆和研磨垫间的摩擦因素来分析转矩变化， 但区别于电机扭矩变化终点检测方法，本专利技术结合旋转式研磨机实际，深入分析研磨工艺制程中晶圆与随机波动粗糙垫板间的相互作用关系，建立晶圆和可调节研磨垫转矩与研磨驱动装置机械参数间的函数关系，直接通过研磨垫转矩即可识别因材质差异所导致的研磨去除率的不同，从而可以灵活地实现终点检测。因此，相比于电机扭矩电流信号监测，本专利技术可以更加深入地描述实际CMP工艺的微观机理，进一步揭示研磨过程中不同薄膜材质及表面形貌导致晶圆与研磨垫间摩擦参数所发生的变化及研磨垫转矩变化，提高模型的预测性及准确度。此外，本专利技术还可方便地改进现有电机扭矩终点检测，提供更加灵活的检测方案，同时还能可靠地用于STI CMP实时过程控制和研磨去除率的预测，提供更加丰富的研磨 fn息ο本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图1为基于浅沟道隔离技术的化学机械研磨终点检测方法流程图；图2为晶圆和研磨垫间研磨模型示意图3为判别是否到达研磨终点的功能示意图；图4为基于浅沟道隔离技术的化学机械研磨终点检测的系统框图；图5为STI CMP摩擦转矩模型在终点检测技术中的应用示意图。具体实施例方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。本专利技术通过考察晶圆和研磨垫间的摩擦因素来分析转矩变化，但区别于电机扭矩变化终点检测。本专利技术结合旋转式研磨机实际，深入分析研磨工艺制程中晶圆与随机波动粗糙垫板间的相互作用关系，采用能够精确刻画两体接触微观摩擦特征的LuGre分布式动力摩擦模型，求解晶圆表面微元所受摩擦力和微元与研磨垫间相对滑动速度之间的函数方程；依据研磨垫转矩公式，通过积分获得可调节研磨垫摩擦转矩；结合晶圆表面阶梯高度模型，推导沟道因子随时间的变化关系，同时考察研磨垫调节因子对摩擦转矩的影响 ’最终建立可调节研磨垫转矩与研磨驱动装置机械参数间的函数关系。此方案依据材质差异所导致的摩擦因素的不同，直接通过研磨垫转矩随时间的变化来识别研磨终点，从而可以灵活地实现终点检测，因此，相比于电机扭矩电流信号监测，本专利技术可以更加深入地描述实际 CMP工艺的微观机理，进一步揭示研磨过程中不同薄膜材质及表面形貌导致晶圆与研磨垫间摩擦参数所发生的变化及研磨垫转矩变化，提高模型的预测性及准确度。此外，本专利技术还可方便地改进现有电机扭矩终点检测，提供更加灵活的检测方案，同时还能可靠地用于STI CMP实时过程控制和研磨去除率的预测，提供更加丰富的研磨信息。在本专利技术中，微元指代晶圆表面的微小单元，例如，相对于晶圆S，则其表面微元用 dS表示。如图1所示，为基于浅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐勤志，陈岚，阮文彪，叶甜春，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：