銅CMP的在線平坦度控制系統的制作方法

本發明涉及化學機械平坦化技術領域，尤其涉及一種銅cmp的在線平坦度控制系統。

背景技術：

化學機械平坦化技術(chemicalmechanicalplanarization，英文簡稱cmp)是目前集成電路制造中晶圓全局平坦化最有效的方法。它利用化學與機械的協同作用，實現晶圓表面的超精密拋光。在銅cmp工藝中，銅去除過程具有較高的去除率，并且拋光后的表面應足夠平坦。然而，隨著晶圓尺寸不斷增大，銅cmp后晶圓表面沿徑向方向的不均勻問題已越加明顯。為了解決大尺寸晶圓的拋光不均勻問題，如何在線改善晶圓表層平坦度已成為銅cmp工藝控制的重要難題。

技術實現要素：

本發明的目的旨在至少在一定程度上解決上述的技術問題之一。

為此，本發明的一個目的在于提出一種銅cmp的在線平坦度控制系統。該系統可以實現可控平坦化，從而更好地實現晶圓表面的全局平坦化及銅層的快速去除。

為達到上述目的，本發明一方面實施例提出了一種銅cmp的在線平坦度控制系統，所述控制系統應用于旋轉型銅cmp設備，所述cmp設備的拋光頭包括多個壓力分區，所述多個壓力分區將晶圓表面劃分為多個分區，在工藝過程中，晶圓被所述拋光頭壓在拋光墊上，且隨所述拋光頭旋轉并沿拋光盤徑向做往復運動，所述拋光墊附在所述拋光盤上并隨所述拋光盤旋轉，所述控制系統包括：在線測量模塊，用于在線計算當前測量點在運動晶圓表面上的坐標值，并當所述當前測量點處于有效測量區域時，計算所述當前測量點的當前測量值，并根據所述當前測量點坐標值，將所述當前測量值對應到所屬晶圓表面分區，并計算晶圓表面各分區內全部測量值的平均值，并將所述平均值作為對應晶圓表面分區的當前銅層厚度值；分區壓力調節模塊，用于將晶圓表面各個分區的銅層厚度值與基準區的銅層厚度值相差，得到所述晶圓表面各個分區與所述基準區之間的銅層厚度偏差，并根據預設的壓力調節量、所述銅層厚度偏差和各壓力分區的初始壓力值，計算所述各壓力分區的壓力新值；控制模塊，用于根據所述各壓力分區的壓力新值，控制所述拋光頭對所述晶圓表面銅層的去除。

根據本發明實施例的銅cmp在線平坦度控制系統，通過將在線測量模塊和分區壓力調節模塊兩者有效地結合在一起，利用在線計算所得晶圓表面銅層厚度形貌，在線調節拋光頭相應分區的壓力值，以改善對應分區的材料去除率，從而更好地實現晶圓表面的全局平坦化及銅層的快速去除，進而實現在線改良晶圓表面平坦度的目的。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據本發明一個實施例的銅cmp的在線平坦度控制系統的結構示意圖；

圖2是根據本發明一個具體實施例的銅cmp的在線平坦度控制系統的結構示意圖；

圖3是根據本發明另一個具體實施例的銅cmp的在線平坦度控制系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

首先，需要說明的是，本發明實施例的銅cmp的在線平坦度控制系統應用于旋轉型cmp設備上，該cmp設備包括拋光頭和拋光盤，該拋光頭包括多個壓力分區，多個壓力分區將晶圓表面劃分為多個分區，例如，每個壓力分區可對應一個晶圓表面分區。也就是說，該cmp設備采用多壓力分區拋光頭。在工藝過程中，晶圓被拋光頭壓在拋光墊上，并隨拋光頭沿拋光盤徑向做往復運動，拋光墊附在拋光盤上并隨拋光盤旋轉。

作為一種示例，多個壓力分區為5個，每個壓力分區的形狀為環狀。所述拋光頭由氣壓方式加載，具有5個拋光壓力分區及保持環結構，用于300mm晶圓的銅cmp工藝。根據preston模型，材料去除率可表示為：

r＝kpv(1)

式(1)中，k為preston系數，p和v分別為晶圓表面的拋光壓力和晶圓與拋光盤的相對速度。根據式(1)，通過改變拋光頭各壓力分區所施加的壓力大小，就可以調節晶圓表面相應分區的材料去除率，從而實現可控平坦化。

可以理解，拋光頭的分區數量越多，對材料去除率的調節能力越強。在本發明中，拋光頭以具有五個環狀分區的拋光頭為例

還需要說明的是，本發明實施例的銅cmp在線平坦度控制系統運行在整個cmp設備的控制系統的上位機中，并與cmp設備的主程序并行運行。在每次工藝前，如果用戶在cmp控制系統主程序中激活本發明實施例的銅cmp在線平坦度控制系統，則當工藝運行到拋光階段時，由所述銅cmp在線平坦度控制系統立即接管工藝過程的控制。下面參考附圖描述本發明實施例的銅cmp的在線平坦度控制系統。

圖1是根據本發明一個實施例的銅cmp的在線平坦度控制系統的結構示意圖。如圖1所示，該銅cmp在線平坦度控制系統10可以包括：在線測量模塊100、分區壓力調節模塊200和控制模塊300。

具體地，在線測量模塊100用于在線計算當前測量點在運動晶圓表面上的坐標值，并根據坐標值判斷當前測量點是否處于有效測量區域。如果當前測量點處于有效測量區域，計算當前測量點的當前測量值，并根據當前測量點的坐標值，將當前測量值對應到所屬晶圓表面分區，并計算各晶圓表面分區內全部測量值的平均值，并將平均值作為對應晶圓表面分區的當前銅層厚度值。

分區壓力調節模塊200用于將晶圓表面各個分區的銅層厚度值與基準區的銅層厚度值相差，得到晶圓表面各個分區與基準區之間的銅層厚度偏差，并根據預設的壓力調節量、銅層厚度偏差和各壓力分區的初始壓力值，計算各壓力分區的壓力新值。

控制模塊300用于根據各壓力分區的壓力新值，控制拋光頭對晶圓表面銅層的去除。

也就是說，在線測量模塊100可實時計算當前測量點在運動晶圓表面上的坐標值，并當當前測量點處于有效測量區域時，采集當前測量點所對應的厚度測量傳感器的當前輸出值，在高速數據采集下，為了消除噪聲信號的干擾以減少測量誤差，可將每一次返回的數據塊平均處理，并以當前數據塊的平均值作為對應測量點的當前輸出值，之后，根據該輸出值計算對應的測量值，并根據當前測量點的坐標值，將當前測量值對應到所屬晶圓表面分區，并計算晶圓表面各分區內全部測量值的平均值，并將平均值作為對應晶圓表面分區的當前銅層厚度值。這樣，可以得到晶圓表面各個分區的銅層厚度值。

在線測量模塊100可將得到的晶圓表面各個分區的當前銅層厚度值發送給分區壓力調節模塊200。分區壓力調節模塊200計算晶圓表面各個分區的當前銅層厚度值與基準區的銅層厚度值的厚度偏差，并根據預設的壓力調節量、銅層厚度偏差和各壓力分區的初始壓力值，計算各個壓力分區的壓力新值。控制模塊300根據各壓力分區的壓力新值調節拋光頭中對應壓力分區的壓力值，從而根據調節后的壓力值調節晶圓表面各分區的材料去除率。

可以理解，在線測量模塊100可用于在銅cmp工藝過程中實時獲取晶圓表面銅層厚度形貌。在線測量模塊100可采用電渦流厚度測量傳感器實現銅層厚度的在線測量，并通過數據采集子模塊完成電渦流厚度測量傳感器輸出信號的讀取，其中，電渦流厚度測量傳感器探頭固定在拋光盤內的拋光墊下方，并隨拋光盤同步運動，周期性經過晶圓表面銅層的下方。進一步地，在本發明的一個實施例中，如圖2所示，該在線測量模塊100可以包括：定位子模塊110、數據采集子模塊120和厚度計算子模塊130。其中，該數據采集子模塊硬件120可為數據采集卡。

具體地，定位子模塊110用于讀取拋光盤和拋光頭的當前轉動角度、以及晶圓圓心的徑向位置，并根據拋光盤和拋光頭的當前轉動角度、以及晶圓圓心的徑向位置計算當前測量點相對于晶圓圓心的坐標值。

也就是說，定位子模塊110在工藝過程中實時讀取拋光盤和拋光頭的轉動角度，以及晶圓圓心的徑向位置，從而計算當前測量點(即厚度測量傳感器探頭當前所在位置)的準確位置。在本發明的實施例中，為了克服運動信息更新速率偏低的問題，可采用即時更新與參數估算相結合的方法，即在兩次數據(運行信息)更新的期間，定位子模塊110可根據運動時間自行估算當前拋光頭和拋光盤的轉動角度，以及晶圓圓心的徑向位置，進而計算出當前測量點的坐標值。

數據采集子模塊120用于根據當前測量點的坐標值判斷當前測量點是否位于有效測量區域(即晶圓下方)，并在當前測量點位于有效測量區域內時，采集厚度測量傳感器的當前輸出值。在高速數據采集下，為了消除噪聲信號的干擾以減少測量誤差，數據采集子模塊120可將每一次返回的數據塊平均處理，并以當前數據塊的平均值作為對應測量點的輸出值，然后由厚度計算子模塊130進行后續處理。

厚度計算子模塊130用于根據厚度測量傳感器的當前輸出值、以及輸出值與實際銅層厚度值之間的標定關系，計算當前輸出值對應的測量值，并根據當前測量點的坐標值，確定該測量值所屬的晶圓表面分區，并計算晶圓表面各分區內全部測量值的平均值，并將平均值作為對應晶圓表面分區的當前銅層厚度值。

在本發明的實施例中，可在cmp設備的上位機內部建立標定數據庫，用于存儲厚度測量傳感器輸出值與實際厚度值之間對應關系的標定表。標定表內的全部標定點將可測量范圍劃分為不同的標定區間，并由各標定區間邊界上的兩標定點擬合出該區間的線性關系。在線測量模塊100在計算銅層厚度時，厚度計算子模塊130首先讀取標定數據庫中已選定的標定表，然后根據厚度測量傳感器的當前輸出值判斷該輸出值所屬的標定區間。當確定所述標定區間后，厚度計算子模塊130利用該區間的線性關系計算該輸出值所對應的測量值。

例如，本發明實施例的拋光頭包括5個壓力分區，在線測量模塊100可將晶圓厚度形貌劃分為5個分區，各分區寬度由拋光頭各壓力分區作用區域所決定。所以，厚度計算子模塊130每次計算完畢當前測量點的銅層厚度后，還需根據定位子模塊110所確定的當前測量點坐標，將該測量值對應到所在的分區，之后，計算各分區內全部測量值的平均值，并以該平均值作為對應分區的當前銅層厚度值。

在線測量模塊100將晶圓表面各個分區的當前銅層厚度值發送給分區壓力調節模塊200。分區壓力調節模塊200以此晶圓表面銅層厚度形貌為依據完成各分區壓力的在線調節。在本發明的實施例中，分區壓力調節模塊200可以晶圓表面的某一分區作為基準區(一般地，選擇1區，即中心區)，在工藝過程中，基準區的分區壓力保持不變。

在本發明的實施例中，分區壓力調節模塊200根據預設的壓力調節量、銅層厚度偏差和各壓力分區的初始壓力值，計算各壓力分區的壓力新值的具體實現過程可如下：判斷當前晶圓表面分區與基準區之間的銅層厚度偏差是否大于第一閾值；若是，則計算當前晶圓表面分區對應的壓力分區的初始壓力值與壓力調節量之和，并將和值作為壓力分區的壓力新值；若否，則進一步判斷當前晶圓表面分區與基準區之間的銅層厚度偏差是否大于或等于第二閾值，其中，第一閾值大于第二閾值，第二閾值為第一閾值的相反數；若是，則將當前晶圓表面分區對應的壓力分區保持初始壓力值不變；若當前晶圓表面分區與基準區之間的銅層厚度偏差小于第二閾值，則計算當前晶圓表面分區對應的壓力分區的初始壓力值與壓力調節量之差，并將差值作為壓力分區的壓力新值。

在本發明的實施例中，分區壓力調節模塊200還可用于在當前晶圓表面分區與基準區之間的銅層厚度偏差大于第一閾值、且小于或等于第三閾值，則將當前晶圓表面分區對應的壓力分區的初始壓力值與壓力調節量之和作為壓力分區的壓力新值；如果當前晶圓表面分區與基準區之間的銅層厚度偏差大于第三閾值，則將當前晶圓表面分區對應的壓力分區的初始壓力值與第一壓力調節閾值之和作為壓力分區的壓力新值，其中，第一壓力調節閾值為2倍的壓力調節量；如果當前晶圓表面分區與基準區之間的銅層厚度偏差小于第二閾值、且大于或等于第四閾值，則將當前晶圓表面分區對應的壓力分區的初始壓力值與壓力調節量之差作為壓力分區的壓力新值，其中，第四閾值為第三閾值的相反數；如果當前晶圓表面分區與基準區之間的銅層厚度偏差小于第四閾值，則將當前晶圓表面分區對應的壓力分區的初始壓力值與第一壓力調節閾值之差作為壓力分區的壓力新值。

舉例而言，以1區為基準區，其余各分區的銅層厚度值分別與1區的銅層厚度值相差，得到銅層厚度偏差δtk(k為正整數，2≤k≤5，對應各壓力分區，下同)。設定一組厚度差閾值ti(i為正整數)和壓力調節量δpk。在本實施例中，取i為2，則分區壓力調節模塊200可通過以下公式(2)計算出各壓力分區的壓力新值；

式(2)中，p′k為分區k的壓力新值，pk為分區k的初始壓力值，t1為第一閾值，-t1為第二閾值，t2為第三閾值，-t2為第四閾值。

在本發明的一個實施例中，分區壓力調節模塊200可預先定義各分區壓力的壓力上限值和壓力下限值，如果某分區的壓力新值大于該壓力上限值，則壓力新值更正為該壓力上限值；如果某分區的壓力新值小于壓力下限值，則壓力新值更正為該壓力下限值。最后，分區壓力調節模塊200將計算得到的各分區壓力新值發送至控制模塊300，以使控制模塊300根據各壓力分區的壓力新值，控制拋光頭對晶圓表面銅層的去除。

進一步地，在本發明的一個實施例中，如圖3所示，該控制系統10還可包括通訊模塊400，通訊模塊400可用于建立在線測量模塊100和cmp主系統之間的通信連接。也就是說，該控制系統10可通過通訊模塊400建立與cmp主系統的通信連接。其中，在本發明的實施例中，通訊模塊400可采用tcp/ip方式，在進行信息通訊前，通訊模塊400可根據ip地址和端口號即可建立該控制系統10與cmp主系統之間的通信連接。

進一步地，在線測量模塊100在計算晶圓表面各分區內全部測量值的平均值，并將所述平均值作為對應晶圓表面分區的當前銅層厚度值之后，還可根據晶圓表面各分區的當前銅層厚度值計算出當前晶圓表面整體銅層厚度的平均值，并在該當前晶圓表面整體銅層厚度的平均值小于或等于預設的終點值時，在線測量模塊100可將立即調用通訊模塊400向cmp主系統發送規定的數據包以通知cmp主系統即時終止工藝過程，同時本發明實施例的銅cmp在線平坦度控制系統10內各狀態變量恢復為初始值，否則控制系統將繼續調用本發明所述分區壓力調節模塊200進行后續處理。

綜上所述，本發明實施例的銅cmp的在線平坦度控制系統，通過將在線測量模塊和分區壓力調節模塊兩者有效地結合在一起，通過在線計算晶圓表面銅層厚度形貌，在線調節拋光頭相應分區的壓力值，以改善對應分區的材料去除率，從而實現可控平坦化，進而更好地實現晶圓表面的全局平坦化及銅層的快速去除。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系，除非另有明確的限定。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。