用于化学机械抛光工艺中对抛光参数进行动态调整的方法

摘要

本发明公开了一种用于化学机械抛光工艺中对抛光参数进行动态调整的方法，所述方法包括下列步骤：在化学机械抛光设备中选择n个易磨损部件，其中n为大于1的正整数；对于n个易磨损部件中的每个易磨损部件，分别将第k个易磨损部件的使用寿命划分为m(k)个使用时间阶段tk，m(k)，其中k和mk为大于0的正整数，1≤k≤n；定义X组抛光参数，其中每一组抛光参数对应于全部n个易磨损设备各自在任一使用时间阶段tk，m(k)时的状态，其中X＝m(1)×m(2)×……×m(n)；在所述化学机械抛光设备的操作过程中，根据所述每个易磨损部件所在的各自使用时间阶段，选取相应的该组抛光参数用来调整所述化学机械抛光设备。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，特别涉及化学机械抛光(CMP)工艺中的参数动态调整。

背景技术

随着集成电路制造工艺的发展，对于半导体器件的集成密度的要求日益增高。随着上个世纪70年代将多层金属化技术引入到集成电路制造工艺中，使得半导体晶片的垂直空间得到有效的利用，并显著提高了器件的集成度。但多层金属化引起的一个新的问题是使得硅片表面的不平整度加剧，硅片表面的不平整会在后续的光刻步骤中引起例如光刻胶厚度不均等问题，进而导致光刻受限，严重影响了半导体器件尺寸向微细化的发展。针对这一问题，需要对金属化后的半导体晶片表面进行平坦化，目前已经开发出多种平坦化技术，主要包括反刻、玻璃回流、旋涂膜层、化学机械抛光(CMP)等。

在目前的集成电路制造工艺中，CMP技术是最常用的一种平坦化技术。CMP技术是利用旋转平台与气压驱动研磨头做结合而运转，该工艺基本上是研磨晶片的前表面或组件表面至平坦，以便为下一步工艺做准备。在此过程中，常常对晶片进行一次或多次地研磨，以使晶片的前表面尽可能地平坦。晶片是用载具放置在CMP装置中，且被研磨的一面朝向下方的研磨头，此研磨头布满胶体硅土或矾土研磨液。一般有两层研磨垫覆盖自动旋转研磨平台，且研磨垫的外层为弹性层。这些层通常是由聚合材料构成的，如聚氨基甲酸酯，而且还可以包含填充剂来控制这些层尺寸的稳定度；在一般的旋转CMP中，研磨垫的大小通常会是晶片的几倍。晶片的旋转轴和研磨垫的旋转轴可以不在同一直线上，但两轴必须平行。晶片在CMP工艺中的研磨均匀度与研磨压力、研磨速度以及研磨液的浓度相关。

图1示出了传统的化学机械抛光设备的工作原理。将要进行抛光的晶片100置于自动旋转研磨平台101上，通过研磨头102固定住晶片100。自动旋转研磨平台101上设置有研磨垫103，研磨液输送装置104将研磨液105输送到研磨垫103上，从而通过自动旋转研磨平台101和研磨头102的旋转完成研磨过程。

CMP工艺涉及多个抛光参数，包括抛光时间、自动旋转研磨平台和研磨头部的旋转速率、抛光压力、抛光液的流速等等。现有技术中的抛光参数通常在抛光进行之前是预先调整好的，在抛光进行过程中是几乎不变的。然而，CMP设备上具有多个随工作时间而发生磨损的零部件，例如研磨垫、金刚石碟片(Diamond Disk)等等。如果始终保持参数不变，则会导致由于这些部件的磨损，使得同一批次的晶片抛光的效果不一致。典型的缺陷是晶片的中心磨的量较多，而晶片边缘磨的量较少。为了避免产生较大的误差，需要尽可能减少耗损部件或耗损材料的使用时间，由于频繁的更换各种磨损部件和损耗材料，这样就提高了大批量生产的生产成本。在Cu金属的CMP工艺中，两种主要的磨损部件为研磨垫与金刚石碟片，它们决定着移除速率和晶片在径向方向上的轮廓。在相同的抛光条件下，随着耗损部件或耗损材料的使用，CMP工艺对晶片的边缘部位形貌的影响显著，这样就引起了两种严重的后果：Cu金属仍然残留在晶片边缘部位，以及晶片边缘区域和中心区域方块电阻Rs的严重不一致。

图2A-2C示出了CMP设备抛光多个晶片之后所得晶片样品的中心部位与晶片边缘部位的高度差示意图。在图2A-2C中，横坐标代表沿与晶片表面平行的方向上晶片不同点的位置，0表示晶片中心，正负150表示晶片边缘；纵坐标代表晶片在进行了CMP工艺后残留的金属层的高度。如图2A所示，在研磨了29个晶片之后，晶片中心部位与晶片边缘部位最大高度差约300埃。如图2B所示，在研磨了796个晶片之后，晶片中心部位与晶片边缘部位最大高度差达到了1000埃以上，大约1200埃。这种晶片中心和边缘的高度差异是不期望出现的。

传统的解决CMP之后晶片中心部位与晶片边缘部位的有一定高度差的方法有两种。一种是设置CMP参数查找表，根据需要改变研磨的时间，但是这种方法不对施加在晶片上的压力进行调整，因此并不能有效解决CMP之后晶片中心部位与晶片边缘部位的有一定高度差的问题。另外一种是采用实时工艺控制(Real Time Process Control，RTPC)技术。采用RTPC技术能够在CMP过程中动态地改变一些参数，但是这种技术仅仅能够优化晶片边缘部位，随着研磨垫使用时间的增加，晶片高度差的整体情况并未有明显的好转，依然出现CMP之后晶片中心部位与晶片边缘部位高度相差甚多，以致晶片表面不平整的情况。如图2C所示，CMP过程采用了RTPC技术之后，研磨垫在研磨了1049个晶片之后其中心部位与边缘部位的最大高度差也会高达约为1000埃，因此，即使在CMP工艺中采用了RTPC技术，晶片中心部位与边缘部位的最大高度差仍然较高。晶片表面不平整，将会对后续工艺有较大的影响，甚至有可能造成元器件的损坏。

因此，需要一种新的CMP工艺参数动态调整的方法，能够有效解决在CMP工艺之后，晶片中心部位与边缘部位研磨程度不同的问题，以便能够提高器件的良品率。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了有效地对CMP工艺参数进行动态调整，解决晶片中心部位与边缘部位研磨程度不同的问题，提高器件的良品率，本发明提出了一种用于化学机械抛光工艺中对抛光参数进行动态调整的方法，所述方法包括下列步骤：在化学机械抛光设备中选择n个易磨损部件，其中n为大于1的正整数；对于n个易磨损部件中的每个易磨损部件，分别将第k个易磨损部件的使用寿命划分为m(k)个使用时间阶段t_k，m(k)，其中k和m_k为大于0的正整数，1≤k≤n；定义X组抛光参数，其中每一组抛光参数对应于全部n个易磨损设备各自在任一使用时间阶段t_k，m(k)时的状态，其中X＝m(1)×m(2)×……×m(n)；在所述化学机械抛光设备的操作过程中，根据所述每个易磨损部件所在的各自使用时间阶段，选取相应的该组抛光参数用来调整所述化学机械抛光设备。

优选地，所述易磨损部件选自金刚石碟片和研磨垫。

优选地，根据使用时间或磨片数目来划分所述易磨损部件的使用寿命。

优选地，所述抛光参数选自研磨垫的旋转速度、调整抛光液的流速、晶片中心区域所施加的抛光压力、晶片边缘区域所施加的抛光压力。

优选地，所述晶片的边缘区域定义为所述边缘区域中的任一点与晶片中心点之间的距离超过该点与晶片中心点的连线方向上的晶片总长度的三分之一，所述边缘区域以外的晶片上的其它区域为所述中心区域。

优选地，当所述易磨损部件接近其使用寿命时，调大晶片边缘区域的抛光压力，减小晶片中心区域的抛光压力。

根据本发明的这种新的CMP工艺参数动态调整的方法，能够有效解决在CMP工艺之后，晶片中心部位与边缘部位研磨程度不同的问题，提高器件的良品率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1示出了传统的化学机械抛光设备的工作原理；

图2A是CMP设备未采用RTPC工艺抛光29个晶片之后所得晶片样品的中心部位与晶片边缘部位的高度差示意图；

图2B是CMP设备未采用RTPC工艺抛光796个晶片之后所得晶片样品的中心部位与晶片边缘部位的高度差示意图；

图2C是采用了RTPC工艺抛光1049个晶片之后所得晶片样品的中心部位与晶片边缘部位的高度差示意图；

图3是根据本发明的二维参数矩阵示意图；

图4是根据本发明的三维参数矩阵示意图。

图5示出了本发明的方法流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明是如何利用设定CMP参数矩阵来改变抛光压力以便解决CMP工艺后晶片中心部位与晶片边缘部位有一定高度差的问题。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

由于CMP工艺是利用研磨液与研磨垫的摩擦力作为加工半导体晶片表面的方法，利用研磨液、研磨垫、背膜、金刚石碟片等多种易磨损部件，将要加工的半导体晶片表面紧贴在研磨垫上进行加工，通过研磨垫与晶片之间的压力分布来改变抛光特性。因此，可以根据损耗部位的损耗程度与晶片中心部位以及边缘部位所施加的压力之间的关系来创建一个参数矩阵，以便在CMP工艺中根据需要随时调用这些参数，达到本发明动态调节CMP参数的目的。

为了克服CMP之后晶片中心部位与晶片边缘部位有一定高度差的问题，本发明提出了一种参数矩阵动态选择方法。根据本发明的这种参数矩阵动态选择方法主要依赖于CMP设备的易磨损部件或易损耗材料的损耗程度而变化，根据当前的部件或材料的损耗程度选择合适的参数，以便在晶片不同的部位施以不同的抛光压力来解决这一问题。

根据本发明的一个实施例，选择CMP工艺中两个主要磨损部件，即研磨垫和金刚石碟片随抛光时间变化的损耗量对应于抛光参数，设定二维矩阵。随着研磨垫和金刚石碟片的损耗程度不同，从矩阵中挑选相应的抛光参数对CMP设备进行实时动态的调整。调整的方式例如可以包括调整研磨垫的旋转速度、抛光液的流速等等，优选调节抛光参数中的晶片中心区域和边缘区域所施加的抛光压力，使得减小晶片中心部位与晶片边缘区域厚度差异。晶片的边缘区域定义为所述边缘区域中的任一点与晶片中心点之间的距离超过该点与晶片中心点的连线方向上的晶片总长度的三分之一。即属于边缘区域；边缘区域以外的其它区域即属于中心区域。

如上定义的示例性二维参数矩阵如图3所示，用R_mn来代表在晶片表面中心部位与边缘部位所分别施加的一组抛光压力值，m代表研磨垫的使用时间，m大于等于0，小于等于研磨垫最大使用寿命，随着m的增大，表示研磨垫的使用时间越长，磨损程度越大；n代表金刚石碟片随时间的磨损程度，n大于等于0，小于等于金刚石碟片最大使用寿命，随着n的增大，表示金刚石碟片的使用时间越长，磨损程度越大。例如，R₀₀代表了在研磨垫和金刚石碟片刚刚进行更换后尚未使用的初始状态下，即当前研磨垫使用了0分钟，金刚石碟片使用了0分钟时在晶片表面中心部位与边缘部位分别施加的一组抛光压力参数；R₁₁代表研磨垫使用1分钟，金刚石碟片使用1分钟时在晶片表面中心部位与边缘部位分别施加的一组抛光压力参数；R₁₂代表研磨垫使用1分钟，金刚石碟片使用2分钟时在晶片表面中心部位与边缘部位分别施加的一组抛光压力参数，以此类推。

将所设定的这一二维参数矩阵用来控制CMP的工作，当初始更换了研磨垫和金刚石碟片时，对晶片表面中心部位与边缘部位分别施加的一组抛光压力参数根据R₀₀中设定的相应参数进行调整；当研磨垫使用了1分钟，金刚石碟片使用1分钟后，对晶片表面中心部位与边缘部位分别施加的一组抛光压力参数根据R₁₁中设定的相应参数进行调整。如果研磨垫和金刚石碟片不是同时更换的，例如研磨垫已经使用了1分钟，而金刚石碟片刚刚更换，则对晶片表面中心部位与边缘部位分别施加的一组抛光压力参数根据R₁₀中设定的相应参数进行调整，依此类推。可以使用该参数矩阵，根据研磨垫以及金刚石碟片的使用情况对晶片表面中心部位与边缘部位所施加的抛光压力进行选择，以便有效解决CMP之后晶片表面中心部位与边缘部位有一定的高度差的问题，为晶片表面的平整化打下良好的基础。

对研磨垫与金刚石碟片的参数矩阵的设定不仅限于使用时间，还可以根据抛光样品的个数和批次数，抛光温度的变化等等对其进行设定，其m与n值代表的数值可以按线性方式递增，也可以按非线性方式递增，例如按对数方式递增。对于参数的选择同样不仅限于金刚石碟片和研磨垫这两种磨损部件，还可以用其他磨损部件或损耗材料来代替，例如研磨液金刚石碟片等等。当然，参数R的设定也不仅限于只考虑两种磨损部件，还可以设定为考虑三种、四种甚至更多的磨损部件或损耗材料。对于晶片边缘位置与中心位置的划分也可以根据需要来判定，划分的位置也不仅限于两个位置，还可以根据需要划分出更多的区域，如第一中心部位、第二中心部位、第一边缘部位、第二边缘部位等等。

根据本发明的又一实施例如图4所示。在该实施例中，选择了三个磨损部件分别随时间磨损的程度来设定CMP的参数。m代表第一磨损部件的使用时间，m大于等于0，小于第一磨损部件最大使用寿命；n代表第二磨损部件的使用时间，n大于等于0，小于等于第二磨损部件最大使用寿命；p代表第三磨损部件的使用时间，p大于等于0，小于等于t，t即第三磨损部件最大使用寿命。m、n和p可分别表示第一、第二、第三磨损部件使用的时间，也可以用研磨的晶片批次数目来表示磨损部件的磨损程度。

具体地，对于第三磨损部件的每个时间点上的p值，均按照上述二维参数的实施例来为该p值设定一个相应的二维参数矩阵，从而构建三维矩阵。例如当p为0时，即第三磨损部件刚刚更换尚未使用过，而第一磨损部件已使用了2分钟(或研磨了2个批次的晶片)，而第二磨损部件已使用了4分钟(或研磨了4个批次的晶片)，则选择p＝0时的二维参数T₂₄，根据T₂₄中设定的对晶片表面中心部位与边缘部位所施加的抛光压力来进行相应的调节；当p为4时，即第三磨损部件已经使用了4分钟(或研磨了4个批次的晶片)，而第一磨损部件已使用了1分钟(或研磨了1个批次的晶片)，而第二磨损部件已使用了3分钟(或研磨了3个批次的晶片)，则选择p＝4时的二维参数T₁₃，根据T₂₃中设定的对晶片表面中心部位与边缘部位所施加的抛光压力来进行相应的调节。依此类推，可以根据第一磨损部件、第二磨损部件以及第三磨损部件的使用情况来选择对晶片表面中心部位与边缘部位所施加的不同抛光压力值。参数的划分不仅限于以样品为批次，还可以根据时间来划分，m、n以及p所代表的数值可以按线性方式递增，也可以按非线性方式递增，例如按对数方式递增。

通过上述参数矩阵的使用，可以根据CMP设备中多个不同的易磨损部件的使用状况来实时调整研磨参数，从而在不同的磨损状况下对晶片中心部位与晶片边缘部位施以不同的抛光压力，例如，当磨损部件已快接近其使用寿命时，可以调大晶片边缘部位研磨的压力，减小中心部位研磨的压力，从而调整使得边缘部位磨除的速率大于中心部位，即相同时间内边缘部位磨掉的厚度更大，从而有效解决CMP工艺后晶片中心部位与晶片边缘部位存在一定的高度差的问题。

以上分别通过选取2个易磨损部件和3个易磨损部件的情况对本发明的对CMP设备抛光参数进行动态调整的方法进行了说明。对于选择n个易磨损部件(n为大于1的正整数)，图5示出了本发明的方法流程图。

在步骤500中，选择n个易磨损部件(n为大于1的正整数)；

在步骤501中，对于n个易磨损部件中的每个易磨损部件，分别将第k个易磨损部件的使用寿命划分为m(k)个使用时间阶段t_k，m(k)，其中k和m_k为大于0的正整数，1≤k≤n；

在步骤502中，定义X组抛光参数，其中每一组抛光参数对应于全部n个易磨损设备各自在任一使用时间阶段t_k，m(k)时的状态，其中X＝m(1)×m(2)×……×m(n)；

在步骤503中，在所述化学机械抛光设备的操作过程中，根据所述每个易磨损部件所在的各自使用时间阶段，选取相应的该组抛光参数用来调整所述化学机械抛光设备。

根据如上所述的实施例的具有参数矩阵用以改变抛光压力的CMP工艺可应用于多种集成电路(IC)中。根据本发明的IC例如是存储器电路，如随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、或只读存储器(ROM)等等。根据本发明的IC还可以是逻辑器件，如可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)、合并式DRAM逻辑集成电路(掩埋式DRAM)或任意其他电路器件。根据本发明的IC芯片可用于例如用户电子产品，如个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机、数码相机、手机等各种电子产品中，尤其是射频产品中。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。