改善晶圓拋光均勻度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體電子領域，更具體地說，涉及一種改善晶圓拋光均勻度的方法。
【背景技術】
[0002] 在半導體加工工藝中，對晶圓進行無應力拋光處理時，控制晶圓表面拋光的均勻 度，盡可能地保證晶圓表面各處，尤其是晶圓的中心和邊緣區域拋去的厚度相當，對后續工 藝的順利進行以及對產品良品率的提高均具有非凡的意義。
[0003] 現有的SFP(Stress-free-polish)技術當中，采用晶圓（wafer)懸空，電源兩極 分別通過噴頭噴出的拋光液聯通在wafer上，在實際的拋光過程中，wafer首先在垂直方向 上達到拋光位置，再進行水平方向上的旋轉運動和平移運動，從而達到全局拋光均勻性的 目的。在這個過程中，當拋光液噴頭到達晶圓不同半徑位置的時候，其拋光點在晶圓固定盤 (chuck)旋轉的作用下可以拋光半徑所在圓環區域，由于半徑大小不一，導致在相同轉速 下，單位時間內拋光的區域大小就不相同，繼而在相同的電流密度的作用下，拋去的金屬層 (一般為銅層）厚度就會不同；另一方面，由于拋光液噴頭的出液口有一定的面積，其在拋 光晶圓中心的位置時，由于電流密度分布不均勻，在拋光晶圓圓心時就會出現一些特殊的 "V形貌"。可以看到，拋光速率不一和"V"型拋光形貌的出現都會導致拋光的均勻性變差。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于，在SFP工藝過程中，通過合理調節chuck的旋轉速率ω，來提 高對晶圓拋光的均勻性；更進一步地，還在于確定ω的合理范圍，以降低"V形貌"對晶圓 均勻性的影響。
[0005] 為了達到上述目的，本發明所采用的方法包括如下步驟：
[0006] (1)提供一拋光工作腔，所述工作腔內至少包括一晶圓固定盤和一拋光液噴頭，所 述晶圓固定盤具有繞垂直于盤面且穿過晶圓固定盤中心〇的直線Y旋轉的自由度，所述晶 圓固定盤至少能夠在其所在平面內沿一個過中心0的直線方向X相對于拋光液噴頭平移；
[0007] (2)將晶圓片固定在所述晶圓固定盤表面，所述晶圓片的中心與所述晶圓固定盤 的中心0同處于直線Y上；
[0008] (3)調整所述晶圓固定盤與拋光液噴頭的相對初始位置，使所述拋光液噴頭的中 心與晶圓固定盤的中心0同處于直線Y上；
[0009] (4)設置所述晶圓固定盤繞直線Y旋轉的初始轉速為ω ;
[0010] (5)向所述拋光工作腔供能，驅動所述晶圓固定盤繞直線Y轉動，同時沿著直線方 向X相對于所述拋光液噴頭平移，對所述晶圓片進行拋光，在拋光所述晶圓片的中心區域 時，所述晶圓固定盤的轉速滿足ωχ= ω的關系，在拋光晶圓中心區域以外的部分時，晶圓 固定盤的轉速滿足ωχ = (a/Rx)*〇的關系；
[0011] (6)停止向拋光工作腔的供能并對所述晶圓片表面各處的拋光去除厚度進行測 量；
[0012] (7)根據步驟（6)的測量結果，判斷在該ω的轉速下所得的"V形貌"特征是否滿 足晶圓均勻性要求；
[0013] (8)根據步驟（7)的判斷結果，如果在ω的轉速下"V形貌"不滿足晶圓均勻性要 求，則重復步驟（3) -（7)，其中在步驟（4)中重新給定初始轉速ω'，所述ω' > ω，直至 得到的初始轉速ωπ?η，在此初始轉速ωπ?η下產生的"V形貌"滿足晶圓均勻性要求；
[0014] (9)根據步驟（7)的判斷結果，如果在ω的轉速下"V形貌"滿足晶圓均勻性要求， 則重復步驟（3)-（7)，其中在步驟（4)中重新給定初始速度ω"，所述ω"< ω，直至得到 初始轉速ωπ?η，在此初始轉速ωπ?η下產生的"V形貌"已不能滿足晶圓均勻性要求；
[0015] (10)記錄ω min和ω max,所述ω max是晶圓固定盤所能允許的最大轉速，從而得 到滿足晶圓均勻性要求的初始轉速ω的合理范圍；
[0016] (11)在步驟（10)確定的范圍之內，選取一值對晶圓進行拋光；
[0017] 其中，所述ωχ是晶圓固定盤運動至直線X上某點時晶圓固定盤對應的轉速，所 述a是拋光液噴頭的邊長，所述Rx是晶圓固定盤的中心0沿直線X相對于拋光液噴頭發生 的位移，所述晶圓的中心區域指晶圓片上以中心〇為圓心且半徑小于拋光液噴頭邊長的區 域。
【附圖說明】
[0018] 圖1是為研究本發明方法所建立的模型圖；
[0019] 圖2是本發明中噴頭和chuck相對位置變化的示意圖；
[0020] 圖3是a = 20mm，R = 150mm條件下，給定一個初始轉速ω = 300RPM時，X軸正 向各點的角速度ωχ與位置X對應關系的示意圖；
[0021] 圖4是在與圖3相同的條件下，晶圓表面沿X軸方向各點的拋光去除厚度與位置 X對應關系的TJK意圖；
[0022] 圖5是保持圖4中其他條件相同，僅重新給定一個初始轉速ω = 500RPM時，晶圓 表面沿X軸方向各點的拋光去除厚度與位置X對應關系的示意圖；
[0023] 圖6是保持圖5中其他條件相同，僅重新給定一個初始轉速ω = 700RPM時，晶圓 表面沿X軸方向各點的拋光去除厚度與位置X對應關系的示意圖；
[0024] 圖7是本發明方法【具體實施方式】的步驟框圖；
[0025] 圖8是按照圖7的【具體實施方式】對晶圓進行拋光得到的晶圓表面的形貌示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面對于本發明方法解決技術問題的原理進行揭示：
[0027] 1、建立如圖1所示的模型，電源11的負極連接到陰極噴頭12,電源11正極連接 到晶圓13邊緣；陰極的拋光液噴頭12噴出的拋光液14到達晶圓13表面，為了計算方便， 我們假設噴頭12噴出的液體有效面為a*a的正方形（a為正方形的邊長，另噴頭12的形狀 及尺寸在合理范圍內改變不會對下述結論的正確性產生根本性影響），該面積可近似地認 為是拋光液噴頭12的面積，晶圓13表面有金屬層（一般為銅層）。這樣就形成了回路，當 電源11加負載時，晶圓13表面會與拋光液14發生反應，其電子轉移的方程式為：Cu-2e = Cu2，2H++2e = H2。如此，晶圓13表面的銅層就會被拋光液14拋光。
[0028] 2、如圖1所示，拋光過程中，晶圓13在水平方向上旋轉，同時在水平方向上相對于 陰極的拋光液噴頭12形成X軸方向的位移，實現晶圓13表面全局的拋光。
[0029] 3、如圖2所示，當噴頭移動到晶圓A點位置時，瞬時的拋光點也在晶圓A位置，再 由于晶圓13有旋轉作用，拋光區域為圓環狀的A拋光區域21，設圓環半徑為Rm ;當噴頭移 動到晶圓B點位置時，瞬時的拋光點也在晶圓B位置，拋光區域為圓環狀的B拋光區域22， 設圓環半徑為Rtffl ;
[0030] 4、設在晶圓A點位置時，晶圓13旋轉的角速度為ωω ;則噴頭在晶圓A點位置時， 其單位時間掃過的晶圓面積為Sm = ;同理，噴頭在晶圓B點位置時，其單位時間 掃過的晶圓面積為Sob = R0B*c〇0B*a ;由于R0A〈R0B、假設ω0Α = ω0Β ;則S0A〈S0B〇
[0031] 5、因為電流使用的是恒流源，則該裝置單位時間內拋去的金屬總量是一定的。但 根據上述4可知，該裝置在晶圓13不同半徑位置上時，當ω ω = ω時，單位時間拋光的面 積是不一樣的，這就導致了單位面積內，該裝置拋光的金屬厚度不一樣。為了保證均勻性， 就要求 Soa = Sob,即 R0A*c〇0A*a = R0B*c〇0B*a ;可以推出 ω0Β = (Roa/Rob)*gjoa〇
[0032] 6、在整個拋光過程中，我們在噴頭水平直線運動方向上設置一個虛擬的X軸，設 晶圓13的圓心0點為X軸的0點位置，設噴頭的運動方向為X軸的正方向。現在我們設置 chuck旋轉速度與噴頭對應X軸位置的關系：（1)設工藝過程開始時，噴頭的起始點為0點， chuck的初始轉速為即為初始轉速ω (RPM);噴頭從0點達到A點的過程中，chuck保持勻 速旋轉運動，轉速始終維持在ω，要求〇 < Rm < a，a為噴頭的有效液面的邊長；（2)當噴 頭從A點運動到B點的過程中，chuck的角速度按照上述5的描述，要求保持GJi3b = (Rm/ RJ *〇^即GJm= (IVRi3b)^的關系，要求Rm SRi3b <R(R為晶圓的半徑）。按照上述的 關系可以得到chuck角速度與噴頭對應X軸的關系，在此關系式下可以保證噴頭從A點運 動到B點過程中各處拋去的銅層厚度相同，如圖3所示（此為的a = 20mm ;R = 150mm條件 下所得）。額外地，從運動的相對性角度來講，我們可以設X軸上有一 x點，該點瞬時的角速 度和沿X軸運動的速度分別為ωχ和Vx，為了保證晶圓表面各點均能被噴頭拋光，噴頭在晶 圓表面沒有漏拋點，則ωχ和Vx應當滿足
·的關系式，即上述推論（1)、（2)成立的 基礎是ωχ和Vx應當滿足
可以看到，在圖2的0至A段，由于噴頭電流密度不 均勻的影響，ωω需要維持在初始轉速ω下，而不能滿足（2)中所述的關系，這也是"V形 貌"產生的原因；而當我們給定了一個初始的轉速ω之后，在A至B段，只要調節轉速滿足 ω= (U/RJ * ω ω即ω QB = OViRJ * ω的關系，就能夠保證A至B段各點拋光的厚度相 同，從而保證了 A至B段拋光的均勻性，而且顯然地，ω(]Β< ωω。前面所說的"V"形貌，具 體是指由于拋光速率的不一致，造成晶圓13的中心區域內越靠近晶圓13中心0的位置拋 去的銅越少，也即越靠近晶圓13中心0的位置晶圓13的剩余厚度越大，又由于晶圓13固 定在chuck上時是正面朝下的，所以此時正視晶圓13時，晶圓13表面的中心區域范圍內將 形成一個近似"V"型的凸起，為了描述方便，可以將這個"V"型的凸起定義為晶圓13的"V 形貌"特征。
[0033] 7、而為了降低0至A段"V形貌"對晶圓均勻性的影響，發明人通過實驗發現，提 高初始轉速ω對"V形貌"的消除或減小具有積極影響。為此需要確定ω的合理范圍，如 圖4所示，在一定工藝條件下我們設定ω = 300RPM時作出的拋光曲線圖，由于噴頭有一定 面積，且chuck旋轉時中心原點基本是不動的，這就導致了圖中標示的V型拋光的形貌，這 種"V"型的形貌在不改變chuck轉速的情況下很難調和，導致拋光均勻性較差。圖中可以 看到，將初始轉速設定為ω = 300RPM按6所述規律對晶圓進行拋光，得到的O點的拋光去 除厚度為4000Α.,而在晶圓中心區域以外的部分，拋光去除厚度達5000Α,此時的"V形貌" 特征不滿足我們對晶圓均勻性的指標，因為此時〇點的拋光去除厚度僅為晶圓片中心區域 以外各點拋光去除厚度的平均值的80%，小于90%的臨界要求，因此我們需要進一步提高 初始轉速ω。
[0034] 8、如圖5所示，在上述7相同的工藝條件和工藝程序下，僅僅提高初始轉速ω，此 時ω = 500RPM，從圖中可以看出晶圓中心點的"V"型拋光形貌得到了明顯改善，且在該轉 速下，〇點的拋光去除厚度為4SOOA,而中心區域以外部分的拋光去除厚度為50001，此時