專利名稱：銅化學(xué)機械拋光的過程控制方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及銅化學(xué)機械拋光的過程控制 方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵尺寸進一步減小，銅金屬化工藝作為互連器件的加工手段 變得越來越重要。目前常采用如圖1所示工藝流程在晶圓上構(gòu)造銅金屬層，包括如下步驟步驟101 在晶圓表面沉積層間介質(zhì)(Inner Level Dielectric，ILD)，層間介質(zhì)為 絕緣體材料。步驟102 對層間介質(zhì)進行光刻生成圖形，該圖形定義出溝槽結(jié)構(gòu)。步驟103 在晶圓上表面以及溝槽內(nèi)壁依次沉積阻擋層，銅籽晶層。步驟104 用電化學(xué)沉積(ECD)方法在銅籽晶層上繼續(xù)沉積銅，銅填充在所述溝槽 中，形成銅金屬層。步驟105 對晶圓進行銅的化學(xué)機械拋光(Chemical Mechanical Polish,CMP)，以 便去除多余的銅?，F(xiàn)有技術(shù)中，在對大批量的晶圓進行正式加工之前，首先用樣品晶圓來進行試加 工，在樣品晶圓內(nèi)部設(shè)置約50微米X 50微米的區(qū)域作為CMP監(jiān)控區(qū)域(Monitor Pad)。圖 2為現(xiàn)有技術(shù)中樣品晶圓俯視方向的示意圖。圖中僅示出樣品晶圓201上設(shè)置有由銅構(gòu)成 的監(jiān)控區(qū)域202，其他無關(guān)結(jié)構(gòu)并未示出。其中監(jiān)控區(qū)域202僅為示意，其大小并不代表在 實際晶圓上的大小。在對樣品晶圓進行銅的CMP過程之后，對樣品晶圓的CMP監(jiān)控區(qū)域的銅厚度進行 測量，如果測量得到的厚度值以及厚度值的分布符合預(yù)先設(shè)定的工藝要求，再對大批量晶 圓進行加工；如果厚度值不符合工藝要求，則對CMP工藝的相關(guān)參數(shù)，如加工時間、晶圓與 研磨墊的壓強等進行調(diào)整。這樣可以盡可能地避免返工以及原材料浪費等。圖3所示為現(xiàn)有技術(shù)中銅CMP之后晶圓表面附近的剖面示意圖。其中，上圖為理 想情況，CMP之后的銅層302a的上表面是與層間介質(zhì)301a的上表面構(gòu)成一個絕對的平面。 但實際情況卻是下圖所示，銅層302b的上表面處出現(xiàn)不均勻的凹陷，也就是說，銅層302b 的厚度出現(xiàn)非均勻的變化?？梢韵胍姡珻MP之后的樣品晶圓監(jiān)控區(qū)域的銅層厚度進行測量，由于銅層厚度的非 均勻變化，在不同部位測出的厚度是不同的，顯然會導(dǎo)致對樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域銅層厚度 的測量結(jié)果不準(zhǔn)確，進而影響到半導(dǎo)體集成電路的加工工藝。此外，根據(jù)的層電阻(Sheet Resistance, Rs)計算公式Rs= P /H (1)ρ為銅的電阻率，是取值恒定的常數(shù)，H為銅層的厚度。顯然，銅厚度的不均勻性 也會顯著地影響銅Rs的均勻性，而Rs是橫梁集成電路產(chǎn)品的重要參數(shù)。因此銅厚度的不 均勻性會導(dǎo)致產(chǎn)品性能的均一性變差。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提出一種銅化學(xué)機械拋光的過程控制方法和系統(tǒng)， 可以提高對樣品晶圓厚度測量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明實施例提出的一種銅化學(xué)機械拋光的過程控制方法，在樣品晶圓中設(shè)置有 多條平行銅金屬線組成的檢測區(qū)域，該方法包括如下步驟A、測量當(dāng)前批次晶圓中樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線的厚度Hl ；B、用已確定的時間長度對當(dāng)前批次晶圓進行銅化學(xué)機械拋光處理；C、在銅化學(xué)機械拋光處理之后，測量當(dāng)前批次中樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線 的厚度H2 ；D、計算所述Hl與H2的差值，根據(jù)所述差值計算樣品晶圓的平均材料移除率；E、將計算得到的材料移除率與目標(biāo)材料移除率相比較，確定時間的補償值；F、根據(jù)所述時間補償值調(diào)整銅化學(xué)機械拋光的時間長度，將下一批次晶圓作為當(dāng) 前批次，并轉(zhuǎn)至所述步驟A。所述檢測區(qū)域中每條銅金屬線的寬度范圍為0. 07微米至0. 12微米。所述檢測區(qū)域中相鄰銅金屬線之間的間距為0. 07微米至0. 12微米。本發(fā)明實施例提出一種銅化學(xué)機械拋光的過程控制系統(tǒng)，包括測量單元(701)、計 算模塊(702)、隊列模塊(703)和化學(xué)機械拋光CMP機臺(704)，測量單元(701)用于對CMP之前樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域銅金屬線厚度進行測量，并 且對CMP之后的樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域銅金屬線厚度進行測量，測量得到的厚度值輸出至計 算模塊(702)；所述計算模塊(702)用于計算同一樣品晶圓CMP之前與CMP之后測量的監(jiān)控區(qū)域 中銅金屬線的厚度差值，根據(jù)所述差值計算樣品晶圓的平均材料移除率MRR;并將計算得 到的MRR與目標(biāo)MRR相比較，確定時間的補償值，根據(jù)該補償值對當(dāng)前批次的時間長度進行 補償，得到補償后的時間長度值，并將所述補償后的時間長度值輸出至CMP機臺(704)；所述隊列模塊(703)用于接收非樣品晶圓以及來自測量單元(701)的樣品晶圓， 將所述非樣品晶圓分成多個批次，并將樣品晶圓混入各個批次中；將各個批次的非樣品晶 圓和樣品晶圓順序傳送到CMP機臺(704)；CMP機臺(704)用于對來自隊列模塊(703)的一個批次的晶圓進行CMP處理，所 述CMP處理的時間長度根據(jù)來自計算模塊(702)的時間長度值確定，將CMP處理之后的樣 品晶圓傳送到測量單元(701)。所述隊列模塊(703)包括三個負(fù)載端口 負(fù)載端口 1、負(fù)載端口 2和負(fù)載端口 3，每 個負(fù)載端口用于放置一個批次的晶圓，其中負(fù)載端口 1用于接收非樣品晶圓以及來自測量 單元(701)的樣品晶圓；負(fù)載端口 2用于接收來自負(fù)載端口 1的非樣品晶圓和樣品晶圓；負(fù) 載端口 3用于接收來自負(fù)載端口 2的非樣品晶圓和樣品晶圓，并將所述非樣品晶圓和樣品 晶圓傳送到CMP機臺(704)。從以上技術(shù)方案可以看出，樣品晶圓監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線厚度的變化范圍很小， 因此可以極大提高厚度測量的準(zhǔn)確性，使時間長度的調(diào)整更為準(zhǔn)確。另外，在現(xiàn)有技術(shù)的加 工工藝中需要單獨先加工樣品晶圓，并對樣品晶圓進行測量，而與此同時大量晶圓只是處于等待狀態(tài)，這對于加工時間是很大的浪費，造成效率下降。而本發(fā)明方案中將樣品晶圓置入各個批次的晶圓中，對前一批次的樣品晶圓測量并得到時間長度的補償值，可以應(yīng)用到 下一批次晶圓的CMP過程中，大大節(jié)省了加工時間，提高了工作效率。


圖1為在晶圓上構(gòu)造銅金屬層的工藝流程圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中樣品晶圓俯視方向的示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中銅CMP之后晶圓表面附近的剖面示意圖；圖4為本發(fā)明實施例的樣品晶圓俯視方向的示意圖；圖5為本發(fā)明實施例方案中，在進行銅CMP處理之后的樣品晶圓表面附近的剖面 示意圖；圖6為本發(fā)明實施例的對大批量晶圓進行銅CMP的流程圖；圖7為本發(fā)明實施例的CMP過程控制系統(tǒng)框圖；圖8為本發(fā)明實施例的CMP系統(tǒng)的隊列模塊中承載端口承載各個批次晶圓的時序 圖。
具體實施例方式本發(fā)明方案所要達到的目的之一是使銅CMP工藝之后，監(jiān)控區(qū)域的銅層厚度變化 范圍盡可能小，也就是說盡可能提高銅層厚度的均一性。針對現(xiàn)有技術(shù)中監(jiān)控區(qū)域的不足， 本發(fā)明提出了新的監(jiān)控區(qū)域的設(shè)計方案。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步 的詳細(xì)闡述。圖4示出了本發(fā)明實施例的樣品晶圓俯視方向的示意圖。圖中僅示出樣品晶圓 401上設(shè)置有由監(jiān)控區(qū)域402，其他無關(guān)結(jié)構(gòu)并未示出。與現(xiàn)有技術(shù)中整塊銅層作為監(jiān)控區(qū) 域不同，監(jiān)控區(qū)域402為包括多個彼此平行的銅金屬線構(gòu)成的金屬線陣列，每個銅金屬線 的寬度的取值范圍為0. 07微米至0. 12微米，相鄰銅金屬線之間的間距的取值范圍為0. 07 微米至0. 12微米。而整個監(jiān)控區(qū)域402分布的面積可以與現(xiàn)有技術(shù)中的樣品晶圓的監(jiān)控 區(qū)域202的面積相當(dāng)，或者更大。圖5示出了本發(fā)明實施例方案中，在進行銅CMP處理之后的樣品晶圓表面附近的 剖面示意圖。剖面方向與監(jiān)控區(qū)域402的金屬線垂直。從圖5中可以看出，由于每個金屬 線的寬度只有0.07微米至0. 12微米，銅厚度的變化范圍被限制在很小的范圍內(nèi)。這樣如 果對監(jiān)控區(qū)域402中的金屬線的厚度進行測量，可以得到較為準(zhǔn)確的銅層厚度。圖6示出了本發(fā)明實施例的對大批量晶圓進行銅CMP的流程，包括如下步驟步驟601 測量當(dāng)前批次中樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線的厚度。本發(fā)明實施 例中，在每一批次的晶圓中包括至少一個樣品晶圓。樣品晶圓與其他晶圓的區(qū)別在于樣品 晶圓中設(shè)置了多個平行銅金屬線組成的監(jiān)控區(qū)域。步驟602 保持其他工藝條件相同的情況下，用已確定的時間長度對當(dāng)前批次的 晶圓進行CMP處理。首次執(zhí)行時，該時間長度可以通過設(shè)置的方式確定。步驟603 在CMP處理之后，測量當(dāng)前批次中樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線的厚
步驟604 計算同一樣品晶圓CMP之前與CMP之后測量的監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線的 厚度差值，根據(jù)所述差值計算樣品晶圓的平均材料移除率(Material Removal Rate，MRR)。步驟605 將計算得到的MRR與目標(biāo)MRR相比較，確定時間的補償值。該步驟可以通過以下方式實現(xiàn)預(yù)先通過實驗測定CMP過程的時間長度與MRR之 間的對應(yīng)關(guān)系，得到時間與MRR的對應(yīng)關(guān)系曲線。根據(jù)計算得到的MRR在該對應(yīng)關(guān)系曲線 中找到相應(yīng)的時間值，并且根據(jù)目標(biāo)MRR在該對應(yīng)關(guān)系曲線中找到對應(yīng)的時間值，將上述 兩個時間值相減，所得差值作為時間的補償值。步驟606 根據(jù)所述時間補償值調(diào)整CMP的時間長度，將下一批次晶圓作為當(dāng)前批 次，并轉(zhuǎn)至步驟601。為了進一步提高整個處理流程的效率，本發(fā)明實施例采用三個負(fù)載端口(Load Port,LP)加一個測量端口來實現(xiàn)大批量的晶圓CMP過程。圖7示出了本發(fā)明實施例的CMP 過程控制系統(tǒng)框圖，其中包括測量單元701、計算模塊702、隊列模塊703和CMP機臺704。測量單元701用于對CMP之前樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域銅金屬線厚度進行測量，并且 對CMP之后的樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域銅金屬線厚度進行測量，測量得到的厚度值輸出至計算 模塊702。計算模塊702用于計算同一樣品晶圓CMP之前與CMP之后測量的監(jiān)控區(qū)域中銅金 屬線的厚度差值，根據(jù)所述差值計算樣品晶圓的平均材料移除率；并將計算得到的MRR與 目標(biāo)MRR相比較，確定時間的補償值，根據(jù)該補償值對當(dāng)前批次的時間長度進行補償，得到 補償后的時間長度值，并將所述補償后的時間長度值輸出至CMP機臺704。隊列模塊703用于接收非樣品晶圓以及來自測量單元701的樣品晶圓，將所述非 樣品晶圓分成多個批次，并將樣品晶圓混入各個批次中；將各個批次的非樣品晶圓和樣品 晶圓順序傳送到CMP機臺704。所述隊列模塊703包括三個負(fù)載端口 負(fù)載端口 1、負(fù)載端口 2和負(fù)載端口 3，每個 負(fù)載端口用于放置一個批次的晶圓，其中負(fù)載端口 1用于接收非樣品晶圓以及來自測量單 元701的樣品晶圓；負(fù)載端口 2用于接收來自負(fù)載端口 1的非樣品晶圓和樣品晶圓；負(fù)載端 口 3用于接收來自負(fù)載端口 2的非樣品晶圓和樣品晶圓，并將所述非樣品晶圓和樣品晶圓 傳送到CMP機臺704。CMP機臺704用于對來自隊列模塊703的一個批次的晶圓進行CMP處理，所述CMP 處理的時間長度根據(jù)來自計算模塊702的時間長度值確定。圖8示出了本發(fā)明實施例的CMP系統(tǒng)的隊列模塊中承載端口承載各個批次晶圓的 時序圖。為便于說明，假設(shè)每個批次包括4個晶圓。第一批次的晶圓編號分別為#1、#2、#3 和#4，其中#1為樣品晶圓。首先在測量單元701中對#1的監(jiān)控區(qū)域的金屬線厚度進行測 量，測量結(jié)果輸出至計算模塊702暫存；然后將第一批次的晶圓首先被放置在負(fù)載端口 1， 接著被傳送到負(fù)載端口 2(與此同時，測量單元701對第二批晶圓(#5至#8)中的樣品晶圓 #5進行測量，第二批晶圓被放置在負(fù)載端口 1)，然后再被傳送到負(fù)載端口 3 (同時第二批晶 圓傳送到負(fù)載端口 2，第三批晶圓(#9至#12)中的樣品晶圓#9被測量，第三篇晶圓被放置 到負(fù)載端口 1)。接下來，第一批晶圓傳送到CMP機臺704上進行CMP處理，處理后再由測量 單元701對#1進行測量，測量值發(fā)送至計算模塊702。計算模塊702輸出調(diào)整后的時間長度，第二批晶圓傳送到CMP機臺704上進行CMP處理，時間長度等于所述計算模塊702輸出 的調(diào)整后的時間長度。對于后續(xù)批次的晶圓也照此方式進行處理。本發(fā)明方案中，樣品晶圓監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線厚度的變化范圍很小，因此可以極 大提高厚度測量的準(zhǔn)確性。另外，在現(xiàn)有技術(shù)的加工工藝中需要單獨先加工樣品晶圓，并對 樣品晶圓進行測量，而與此同時大量晶圓只是處于等待狀態(tài)，這對于加工時間是很大的浪 費，造成效率下降。而本發(fā)明方案中將樣品晶圓置入各個批次的晶圓中，對前一批次的樣品 晶圓測量并得到時間長度的補償值，可以應(yīng)用到下一批次晶圓的CMP過程中，大大節(jié)省了 加工時間，提高了工作效率。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種銅化學(xué)機械拋光的過程控制方法，其特征在于，在樣品晶圓中設(shè)置有多條平行 銅金屬線組成的檢測區(qū)域，該方法包括如下步驟A、測量當(dāng)前批次晶圓中樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線的厚度Hl；B、用已確定的時間長度對當(dāng)前批次晶圓進行銅化學(xué)機械拋光處理；C、在銅化學(xué)機械拋光處理之后，測量當(dāng)前批次中樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線的厚 度H2;D、計算所述Hl與H2的差值，根據(jù)所述差值計算樣品晶圓的平均材料移除率；E、將計算得到的材料移除率與目標(biāo)材料移除率相比較，確定時間的補償值；F、根據(jù)所述時間補償值調(diào)整銅化學(xué)機械拋光的時間長度，將下一批次晶圓作為當(dāng)前批 次，并轉(zhuǎn)至所述步驟A。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述檢測區(qū)域中每條銅金屬線的寬度范 圍為0. 07微米至0. 12微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述檢測區(qū)域中相鄰銅金屬線之間的間 距為0. 07微米至0. 12微米。
4.一種銅化學(xué)機械拋光的過程控制系統(tǒng)，其特征在于，包括測量單元(701)、計算模塊 (702)、隊列模塊(703)和化學(xué)機械拋光CMP機臺(704)，測量單元(701)用于對CMP之前樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域銅金屬線厚度進行測量，并且對 CMP之后的樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域銅金屬線厚度進行測量，測量得到的厚度值輸出至計算模 塊(702)；所述計算模塊(702)用于計算同一樣品晶圓CMP之前與CMP之后測量的監(jiān)控區(qū)域中 銅金屬線的厚度差值，根據(jù)所述差值計算樣品晶圓的平均材料移除率MRR;并將計算得到 的MRR與目標(biāo)MRR相比較，確定時間的補償值，根據(jù)該補償值對當(dāng)前批次的時間長度進行補 償，得到補償后的時間長度值，并將所述補償后的時間長度值輸出至CMP機臺(704)；所述隊列模塊(703)用于接收非樣品晶圓以及來自測量單元(701)的樣品晶圓，將所 述非樣品晶圓分成多個批次，并將樣品晶圓混入各個批次中；將各個批次的非樣品晶圓和 樣品晶圓順序傳送到CMP機臺(704)；CMP機臺(704)用于對來自隊列模塊(703)的一個批次的晶圓進行CMP處理，所述CMP 處理的時間長度根據(jù)來自計算模塊(702)的時間長度值確定，將CMP處理之后的樣品晶圓 傳送到測量單元(701)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隊列模塊(703)包括三個負(fù)載端口 負(fù)載端口 1、負(fù)載端口 2和負(fù)載端口 3，每個負(fù)載端口用于放置一個批次的晶圓，其中負(fù)載端 口 1用于接收非樣品晶圓以及來自測量單元(701)的樣品晶圓；負(fù)載端口 2用于接收來自 負(fù)載端口 1的非樣品晶圓和樣品晶圓；負(fù)載端口 3用于接收來自負(fù)載端口 2的非樣品晶圓 和樣品晶圓，并將所述非樣品晶圓和樣品晶圓傳送到CMP機臺(704)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銅化學(xué)機械拋光(CMP)的過程控制方法，在樣品晶圓中設(shè)置有多條平行銅金屬線組成的檢測區(qū)域，在CMP之前和之后分別測量當(dāng)前批次晶圓中樣品晶圓的監(jiān)控區(qū)域中銅金屬線的厚度，根據(jù)兩者差值計算樣品晶圓的平均材料移除率；將計算得到的材料移除率與目標(biāo)材料移除率相比較，確定時間的補償值；根據(jù)所述時間補償值調(diào)整銅化學(xué)機械拋光的時間長度，并用調(diào)整后的時間長度對下一批次的晶圓進行CMP處理。本發(fā)明還公開了一種銅化學(xué)機械拋光的過程控制系統(tǒng)。本發(fā)明方案可以極大提高厚度測量的準(zhǔn)確性，使時間長度的調(diào)整更為準(zhǔn)確。
文檔編號B24B49/04GK101992422SQ20091019457
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月25日
發(fā)明者鄧武鋒 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司