一种CMP终点检测装置及方法与流程

一种cmp终点检测装置及方法
技术领域
1.本发明涉及集成电路制造技术领域，具体涉及一种cmp终点检测装置及方法。


背景技术：

2.在集成电路制造工艺中，晶圆衬底导电膜在沉淀后，经过化学机械抛光工艺处理，能有效提高光刻工艺的套刻精度。因此，导电膜厚度在化学机械抛光工艺过程中需要实时监测，在预定厚度值停止继续研磨。目前应用实时监测化学机械抛光机的检测方式有光检测、涡流相位差和振幅差检测等检测方式。光检测灵敏度高，但只能用于不同介质之间对光源的反射率差异，确定终点位置，对抛光化学液种类、体量等参数有较强的关系。涡流相位差和振幅差检测方式，对不同厚度的导电膜需要设置的参数较多，使用时比较复杂，检测结果的准确性难以保证。
3.随着芯片对晶圆表面薄膜厚度及表面形貌的要求提高，目前技术中光检测、涡流相位差和振幅差检测等检测方式，已不能满足对晶圆导电膜厚度的检测精度的要求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种cmp终点检测装置及方法，解决现有技术中检测方法复杂，检测精度低的问题。
5.根据第一方面，本发明实施例提供了一种cmp终点检测装置，包括：第一涡流传感器、第二涡流传感器和控制器，其中，
6.所述第一涡流传感器设置于研磨平台上远离待抛光晶圆导电膜的一侧；
7.所述第二涡流传感器设置于所述研磨平台上贴近所述待抛光晶圆导电膜的一侧，所述第一涡流传感器的电气参数与所述第一涡流传感器的电气参数相同；
8.所述控制器的输出端分别与所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器连接，向所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器加载工作频率，所述工作频率为所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器的谐振频率，以使所述待抛光晶圆导电膜在所述第二涡流传感器处产生涡流效应；
9.所述控制器的输入端分别与所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器的输出端连接，所述控制器用于根据所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器输出电压的差值计算待抛光晶圆导电膜的当前厚度。
10.此装置结构简单，数字化集成度高，配置了电气参数相同的两个涡流传感器，提高了采集数据的准确性和稳定性。
11.结合第一方面，在第一方面的第一实施例中，所述cmp终点检测装置，还包括：任意波形发生器、功率放大器和稳幅电路，其中，
12.所述控制器的输出端与所述任意波形发生器的输入端连接，所述任意波形发生器的输出端与所述功率放大器的输入端连接，所述控制器控制所述任意波形发生器产生正弦交流信号，所述正弦交流信号的频率为所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器的谐振
频率；
13.所述功率放大器的输出端与所述稳幅电路的第一输入端连接，所述稳幅电路的第二输入端外接基准电压，所述稳幅电路的输出端分别与所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器连接；
14.所述正弦交流信通过所述功率放大器和所述稳幅电路后加载至所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器上。
15.任意波形发生器、功率放大器和稳幅电路的加入，使加载到第一涡流传感器和所述第二涡流传感器的工作频率更加稳定，保证了cmp终点检测装置的稳定性。
16.结合第一方面，在第一方面的第二实施例中，所述cmp终点检测装置，还包括：差分放大电路和ad转换电路，其中，
17.所述差分放大电路的第一输入端与所述第一涡流传感器的输出端连接，第二输入端与所述第二涡流传感器的输出端连接，输出端与所述ad转换电路的输入端连接，所述ad转换电路的输出端与所述控制器的输入端连接。
18.差分放大电路和ad转换电路的加入，消除了共模干扰，实现微小变化的放大检测，提高了检测精度。
19.结合第一方面，在第一方面的第三实施例中，所述cmp终点检测装置，所述控制器上设置有通信接口，与外部设备通信连接，将所述当前厚度和/或所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器输出电压的差值发送至外部设备。
20.通过将控制器得到的相关数据发送到外部设备，方便对cmp终点检测装置的实时监测及控制，提高了稳定性及此装置的应变能力。
21.结合第一方面，在第一方面的任一实施例中，所述第一涡流传感器、第二涡流传感器均由电容、电阻及电感线圈构成，其中，
22.所述电阻与所述电感线圈串联后与所述电容并联；
23.所述第一涡流传感器的电阻为可变电阻；
24.所述电阻与所述电感线圈的连接点引出一个输出端子与所述控制器的输入端连接。
25.电感线圈提高了采集数据的准确性和稳定性，可变电阻排除了电气元件自身误差对第一涡流传感器和第二涡流传感器的影响，提高了准确性。
26.根据第二方面，本发明实施例提供了一种cmp终点检测方法，应用于第一方面任一实施例所述的cmp终点检测装置，所述方法包括：
27.将所述cmp终点检测装置安装至研磨平台；
28.将待抛光晶圆导电膜放置于所述研磨平台进行抛光，获取所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器输出电压的当前差值；
29.判断所述当前差值是否达到预设电压差值，所述预设电压差值为待抛光晶圆导电膜达到设定抛光厚度时对应的电压差值；
30.在所述当前差值达到预设电压差值时，确定所述待抛光晶圆导电膜的厚度达到厚度终点值。
31.这种实时监测导电膜厚度的方式涉及的参数较少，数字化集成度高，通过检测第一涡流传感器和第二涡流传感器输出电压差值的方式，提高了采集数据的准确性和稳定
性。
32.结合第二方面，在第二方面的第一实施例中，在将待抛光晶圆导电膜放置于所述研磨平台进行抛光之前，所述方法还包括：
33.将研磨平台空载，通过控制器向第一涡流传感器、第二涡流传感器加载工作频率，对所述第一涡流传感器的电阻进行阻值调节，以使所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器输出电压的差值为第一差值，所述第一差值为输出电压的最小差值；
34.将预设最大厚度的晶圆导电膜放置于所述研磨平台进行抛光，直至所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器输出电压的差值达到所述最小差值；
35.获取预设最大厚度的晶圆导电膜在抛光过程中的抛光数据，所述抛光数据包括：所述第一涡流传感器和所述第二涡流传感器输出电压的差值、抛光时长及晶圆导电膜厚度；
36.基于所述抛光数据建立晶圆导电膜厚度终点值与电压差的关系；
37.基于所述待抛光晶圆导电膜对应的目标厚度终点值，利用晶圆导电膜厚度终点值与电压差的关系，确定所述预设电压差值。
38.通过对第一涡流传感器和第二涡流传感器的前期校正，提高了工作中采集数据的准确性和稳定性。
39.结合第二方面，在第二方面的第二实施例中，所述方法还包括：
40.检测所述待抛光晶圆导电膜在达到厚度终点值时的真实厚度；
41.判断所述真实厚度与所述厚度终点值差值是否满足终点检测要求；
42.在所述真实厚度与所述厚度终点值差值不满足终点检测要求时，返回所述将研磨平台空载，通过控制器向第一涡流传感器、第二涡流传感器加载工作频率，对所述第一涡流传感器的电阻进行阻值调节的步骤。
43.通过增加前期校正方便实时更改正弦交变电流的频率，应用灵活，可以设置不同的厚度，提高了终点检测的准确性。
44.结合第二方面，在第二方面的第三实施例中，所述方法还包括：
45.基于所述抛光数据，计算每个时间点导电膜空间点位的抛光除去率和除去精度；
46.基于每个时间点导电膜空间点位的抛光除去率和除去精度，对所述研磨平台的抛光设备进行参数调整。
47.通过引入时间参数，提高了抛光的时间精度、抛光除去速率等过程观察参数。适时调整抛光设备的参数，提高精确度和成品率。
48.结合第二方面，在第二方面的第四实施例中，所述方法还包括：
49.在确定所述待抛光晶圆导电膜的厚度达到厚度终点值时，控制所述研磨平台的抛光设备停止抛光动作。
50.通过及时控制抛光设备停止抛光动作，避免了抛光过度的情况，提高了准确性和稳定性。
附图说明
51.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的
附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
52.图1为本发明实施例提供的一种cmp终点检测装置的结构示意图；
53.图2为本发明实施例提供的一种cmp终点检测装置的一个具体实施例的原理框图；
54.图3为本发明实施例提供的涡流传感器的原理图；
55.图4为本发明实施例提供的一种cmp终点检测方法的流程图。
具体实施方式
56.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
58.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
59.下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
60.本发明实施例提供了一种cmp终点检测装置，用于在化学机械抛光工艺中，实时监测晶圆表面导电膜厚度，在预定厚度值停止继续抛光研磨。如图1所示，包括：第一涡流传感器112、第二涡流传感器113和控制器111，其中，
61.第一涡流传感器112作为参考传感器，设置于研磨平台上远离待抛光晶圆导电膜的一侧，保证抛光过程中周边环境保持不变，状态与校准时状态一致。
62.第二涡流传感器113作为工作传感器，设置于研磨平台上贴近待抛光晶圆导电膜的一侧，第一涡流传感器112的电气参数与第二涡流传感器113的电气参数相同。抛光过程中与抛光的晶圆表面导电膜近距离接触，通过交变磁场耦合晶圆表面导电膜使之产生涡流效应。
63.控制器111的输出端分别与第一涡流传感器112和第二涡流传感器113连接，可以通过信号线连接，向第一涡流传感器112和第二涡流传感器113加载工作频率，工作频率为第一涡流传感器112和第二涡流传感器113的谐振频率，以使待抛光晶圆导电膜在第二涡流传感器113处产生涡流效应；
64.控制器111的输入端分别与第一涡流传感器112和第二涡流传感器113的输出端连接，控制器111用于根据第一涡流传感器112和第二涡流传感器113输出电压的差值计算待
抛光晶圆导电膜的当前厚度。
65.在抛光过程中，控制器111输出使第一涡流传感器112和第二涡流传感器113(空载时)工作在谐振状态的谐振频率，第一涡流传感器112周边环境保持不变，一直工作在谐振状态，即输出电压保持不变；第二涡流传感器113与抛光的晶圆表面导电膜近距离接触，通过交变磁场耦合晶圆表面导电膜使之产生涡流效应，导电膜内部的涡电流与激励涡流线圈电流耦合，改变了工作传感器的固有频率而失谐，导致输出电压变化，输出电压的变化与晶圆表面导电膜厚度有关。从而可以根据两个涡流传感器输出电压的差值来确定晶圆表面导电膜厚度。
66.此装置结构简单，数字化集成度高，配置了电气参数相同的两个涡流传感器，提高了采集数据的准确性和稳定性。
67.具体地，在一实施例中，如图2所示，该cmp终点检测装置还包括：任意波形发生器114、功率放大器115和稳幅电路116，其中，
68.控制器111的输出端与任意波形发生器114的输入端连接，任意波形发生器114的输出端与功率放大器115的输入端连接，控制器111控制任意波形发生器114产生正弦交流信号，正弦交流信号的频率为第一涡流传感器112和第二涡流传感器113的谐振频率；
69.功率放大器115的输出端与稳幅电路116的第一输入端连接，稳幅电路116的第二输入端外接基准电压119，基准电压119为可调基准电压，稳幅电路116的输出端分别与第一涡流传感器112和第二涡流传感器113连接；
70.正弦交流信通过功率放大器115和稳幅电路116后加载至第一涡流传感器112和第二涡流传感器113上。
71.任意波形发生器114、功率放大器115和稳幅电路116的加入，使加载到第一涡流传感器112和第二涡流传感器113的工作频率更加稳定，保证了cmp终点检测装置的稳定性。
72.上述任意波形发生器114、功率放大器115和稳幅电路116可以是现有技术中能够实现相同功能的电子元件或电路，此处不再赘述。
73.具体地，在一实施例中，如图2所示，该cmp终点检测装置还包括：差分放大电路117和ad转换电路118，其中，
74.差分放大电路117的第一输入端与第一涡流传感器112的输出端连接，第二输入端与第二涡流传感器113的输出端连接，输出端与ad转换电路118的输入端连接，ad转换电路118的输出端与控制器111的输入端连接。
75.差分放大电路117和ad转换电路118的加入，消除了共模干扰，实现微小变化的放大检测，提高了检测精度。
76.差分放大电路117和ad转换电路118可以是现有技术中能够实现相同功能的电子元件或电路，此处不再赘述。
77.具体地，在一实施例中，如图2所示，上述cmp终点检测装置的控制器111上设置有通信接口110，与外部设备通信连接，将当前厚度和/或第一涡流传感器112和第二涡流传感器113输出电压的差值发送至外部设备。传输数据也可以是当前时间、第一涡流传感器112输出的当前电压值、第二涡流传感器113输出的当前电压值、抛光盘旋转速度等，但不以此为限，本领域技术人员可根据实际情况配置。
78.通过将控制器111得到的相关数据发送到外部设备，方便对cmp终点检测装置的实
时监测及控制，提高了稳定性及此装置的应变能力。
79.具体地，在一实施例中，第一涡流传感器112、第二涡流传感器113均由电容、电阻及电感线圈构成，如图3所示，rs1、rs2是高精度匹配电阻，l1、l2是涡流线圈，c1，c2是高精度电容。电气参数必须符合：rs1＝rs2，l1＝l2，c1＝c2，相对误差不得大于0.1％。其中，
80.电阻与电感线圈串联后与电容并联；第一涡流传感器112的电阻为可变电阻；电阻与电感线圈的连接点引出一个输出端子与控制器111的输入端连接。
81.电感线圈提高了采集数据的准确性和稳定性，可变电阻用于调节第一涡流传感器112和第二涡流传感器113的初始状态，排除了电气元件自身误差对第一涡流传感器112和第二涡流传感器113的影响，提高了准确性。
82.本发明实施例提供了一种cmp终点检测方法，应用于上述任一实施例中的cmp终点检测装置，如图4所示，该方法包括：
83.步骤s101：将cmp终点检测装置安装至研磨平台。第一涡流传感器作为参考传感器，设置于研磨平台上远离待抛光晶圆导电膜的一侧；第二涡流传感器作为工作传感器，设置于研磨平台上贴近待抛光晶圆导电膜的一侧。
84.步骤s102：将待抛光晶圆导电膜放置于研磨平台进行抛光，获取第一涡流传感器和第二涡流传感器输出电压的当前差值。
85.步骤s103：判断当前差值是否达到预设电压差值，预设电压差值为待抛光晶圆导电膜达到设定抛光厚度时对应的电压差值。
86.步骤s104：在当前差值达到预设电压差值时，确定待抛光晶圆导电膜的厚度达到厚度终点值。
87.具体地，第一涡流传感器作为参考传感器，第二涡流传感器作为工作传感器，抛光过程中工作传感器与抛光的晶圆表面导电膜近距离接触，通过交变磁场耦合晶圆表面导电膜使之产生涡流效应，导电膜内部的涡电流与激励涡流线圈电流耦合，共同改变了工作传感器的阻抗分布、谐振固有频率而失谐，使工作传感器的输出电压产生变化。阻抗与输出电压变化与晶圆表面导电膜厚度变化按照一定的线性比例系数变化。根据测得的比例系数进而求得晶圆表面导电膜厚度。
88.这种实时监测导电膜厚度的方式涉及的参数较少，数字化集成度高，通过检测第一涡流传感器和第二涡流传感器输出电压差值的方式，提高了采集数据的准确性和稳定性。
89.具体地，在一实施例中，在将待抛光晶圆导电膜放置于研磨平台进行抛光之前，该方法还包括：
90.步骤s105：将研磨平台空载，通过控制器向第一涡流传感器、第二涡流传感器加载工作频率，对第一涡流传感器的电阻进行阻值调节，以使第一涡流传感器和第二涡流传感器输出电压的差值为第一差值，第一差值为输出电压的最小差值。其中，如图3所示，第一涡流传感器112作为参考传感器，第二涡流传感器113作为工作传感器，参考传感器和工作传感器(空载时)均工作在谐振状态。理想情况下：参考传感器和工作传感器的输出电压差vo值为0。
91.步骤s106：将预设最大厚度的晶圆导电膜放置于研磨平台进行抛光，直至第一涡流传感器和第二涡流传感器输出电压的差值达到最小差值；抛光过程中第一涡流传感器周
边的环境保持不变，状态与校准时状态一致，即第一涡流传感器的输出电压vref保持不变。
92.步骤s107：获取预设最大厚度的晶圆导电膜在抛光过程中的抛光数据，抛光数据包括：第一涡流传感器和第二涡流传感器输出电压的差值、抛光时长及晶圆导电膜厚度，可以通过离线状态下的标准量测设备测量得到晶圆导电膜厚度。
93.步骤s108：基于抛光数据建立晶圆导电膜厚度终点值与电压差的关系。
94.具体地，可以采用离线的标准量测设备测量得到抛光厚度值hi，结合实时采集的电压值vi及对应时间ti，拟合出三维图像曲面。存储该曲面，作为此抛光过程的参考数据依据。
95.步骤s109：基于待抛光晶圆导电膜对应的目标厚度终点值，即抛光前设定所需要的晶圆厚度值，利用晶圆导电膜厚度终点值与电压差的关系，即上述拟合出三维图像曲面，确定预设电压差值，即第一涡流传感器和第二涡流传感器的输出电压差值。
96.通过对第一涡流传感器和第二涡流传感器的前期校正，提高了工作中采集数据的准确性和稳定性。
97.具体地，在一实施例中，该方法还包括：
98.步骤s110：检测待抛光晶圆导电膜在达到厚度终点值时的真实厚度，真实厚度是采用离线的标准量测设备测量确定的，这样测得的数据更加准确。
99.步骤s111：判断真实厚度与厚度终点值差值是否满足终点检测要求，两者差值越小说明检测越准确，理想状态下两者差值为0。
100.步骤s112：在真实厚度与厚度终点值差值不满足终点检测要求时，返回将研磨平台空载，通过控制器向第一涡流传感器、第二涡流传感器加载工作频率，对第一涡流传感器的电阻进行阻值调节的步骤。
101.通过在参数校准后进行抛光验证，示例性地，取一片未知厚度铜膜晶圆进行终点设定抛光。上位机设定铜膜厚度终点值为hend，上位机根据设定的终点厚度值hend计算出对应的vend值。上位机控制抛光装置进行抛光动作同时实时监测终点检测模块输出的v值，当涡流传感器控制模块输出的v值与设定的终止抛光参数的阈值vend相等时，上位机发出终止抛光动作指令，抛光模组停止抛光动作。人工取出抛光后的铜膜晶圆，使用外部标准测量铜膜厚度hend’。对比设定厚度值hend与外部量测设备量测厚度值hend’，理想的厚度值hend与hend’应相等。如果相差较大，需重复校准电涡流检测装置流程对电涡流检测装置校正，直至相等。
102.通过增加前期校正方便实时更改正弦交变电流的频率，应用灵活，可以设置不同的厚度，提高了终点检测的准确性。
103.具体地，在一实施例中，该方法还包括：
104.步骤s113：基于抛光数据，计算每个时间点导电膜空间点位的抛光除去率和除去精度。
105.步骤s114：基于每个时间点导电膜空间点位的抛光除去率和除去精度，对研磨平台的抛光设备进行参数调整。工艺人员通过抛光除去率判断此抛光过程中化学液流量大小、抛光头压力大小、抛光盘旋转速度大小是否符合预期抛光速率要求等信息；除去精度参数判断抛光过程的每个时间点的除去率精度变化趋势。
106.通过引入时间参数，提高了抛光的时间精度、抛光除去速率等过程观察参数。适时
调整抛光设备的参数，提高精确度和成品率。
107.具体地，在一实施例中，该方法还包括：
108.步骤s115：在确定待抛光晶圆导电膜的厚度达到厚度终点值时，即控制器输入端得到的电压差v0达到标准范围值，理想状态下：v0＝0，控制研磨平台的抛光设备停止抛光动作。
109.通过及时控制抛光设备停止抛光动作，避免了抛光过度的情况，提高了准确性和稳定性。
110.如图2所示，控制器控制任意波形发生器产生正弦交流波形，正弦交流经过功率放大电路、稳幅电路后输出在两个涡流传感器输入端，即图3中的第一涡流传感器112、第二涡流传感器113两端。任意波形发生器输出的正弦波频率f由控制器控制，输出频率恰好在第一涡流传感器、第二涡流传感器(空载时)的谐振频率处。工作时，第一涡流传感器空间环境保持不变，第二涡流传感器贴近晶圆表面导电薄膜而失谐。根据涡流效应，第二涡流传感器内部l2的阻抗发生变化，l2与rs2分压比例随之相应改变。vref与vi经过差分放大电路，将微小变化v＝vref－vi进行放大后，经过高精度ad采样电路后由控制器采集、拟合后通过通信接口传输给上位机中，供工艺人员实时调整抛光设备参数。
111.虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。