專利名稱：基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及CMP制造工藝和CMP建模技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，本發(fā)明涉及基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，隨著集成電路晶圓尺寸的不斷擴(kuò)大，芯片特征尺寸的不斷縮小，45nm節(jié)點(diǎn)以下包括32nm、22nm以及16nm等工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)程為可制造性設(shè)計(jì)(DFM，Design for manufacturability)的研究和應(yīng)用提出了新的要求和挑戰(zhàn)。化學(xué)機(jī)械研磨(CMP，Chemical Mechanical Polishing)作為DFM工藝解決方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在當(dāng)前最尖端的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，已經(jīng)成為業(yè)界矚目的核心技術(shù)。淺溝道隔離(STI，Shallow Trench Isolation)技術(shù)是隨深亞微米集成電路技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種新興場區(qū)隔離技術(shù)，該技術(shù)作為替換傳統(tǒng)硅氧化L0C0S結(jié)構(gòu)的分離技術(shù)首先應(yīng)用于0. 25 μ m技術(shù)節(jié)點(diǎn)，隨著CMP平坦化技術(shù)的應(yīng)用，STI已成為0. 18 μ m及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的主要隔離技術(shù)。STI具有特征尺寸小、集成度高、隔離效果好的特點(diǎn)。淺溝道隔離技術(shù)對于CMP研磨后的厚度要求非常嚴(yán)格，一般CMP的研磨速率受耗材的影響很大，流行的固定時間研磨方式難以獲得精確的厚度控制。過度研磨會造成器件空曠區(qū)嚴(yán)重的碟形化，導(dǎo)致隔離失效，影響器件的可靠性；研磨不足時氮化硅薄膜上殘留的氧化硅薄膜會阻止下一道工藝對氮化硅的去除，使得有源區(qū)上有殘留的氮化硅，導(dǎo)致器件無法工作。因此，為了提高CMP技術(shù)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)對CMP的自動化控制，避免硅片研磨過度或不足，更好地控制CMP工藝后有穩(wěn)定的氮化硅厚度，如何設(shè)計(jì)合理而有效的控制研磨方案對于工藝制造具有重要作用。目前，針對STI的厚度控制，一個有效的方法就是在線終點(diǎn)檢測技術(shù)，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商對此檢測技術(shù)進(jìn)行深入研究。比較常用的檢測方法有(1)光學(xué)反射率終點(diǎn)檢測，此法利用晶片表面從氧化硅薄膜過渡到氮化硅薄膜的光反射率變化來判別研磨終點(diǎn)，因而簡單易行，但穩(wěn)定性不高；(2)研磨廢液離子濃度終點(diǎn)檢測，此法通過檢測廢液中氮離子的濃度變化從而準(zhǔn)確偵測終點(diǎn)，因而具有較高的準(zhǔn)確率，但需要額外離子檢測儀，費(fèi)用較高；(3)電機(jī)扭矩變化終點(diǎn)檢測，此法根據(jù)研磨接觸薄膜材料或表面形貌差異所導(dǎo)致的研磨機(jī)電流變化，因此可由傳感器監(jiān)測驅(qū)動電機(jī)電流變化推知是否達(dá)到拋光終點(diǎn)。目前，盡管以上方法研究比較充分，但各項(xiàng)技術(shù)真正運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，開發(fā)成產(chǎn)品的，只有基于驅(qū)動電機(jī)電流變化的終點(diǎn)檢測技術(shù)，其他技術(shù)都還處于實(shí)驗(yàn)室論證階段。因此，有必要提出一種有效的技術(shù)方案，以解決STI的厚度控制的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是通過考察晶圓和研磨墊間的摩擦因素來分析轉(zhuǎn)矩變化，利用研磨墊轉(zhuǎn)矩控制STI CMP終點(diǎn)檢測。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明之目的，本發(fā)明實(shí)施例一方面提出了一種基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法，包括以下步驟建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程；求解所述函數(shù)方程，將微元所受摩擦力代入研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系；依據(jù)材質(zhì)差異所導(dǎo)致的摩擦系數(shù)的不同，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。本發(fā)明實(shí)施例另一方面還提出了一種基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)，包括系統(tǒng)控制器和研磨機(jī)臺，所述系統(tǒng)控制器，用于通過終點(diǎn)檢測單元根據(jù)晶圓摩擦轉(zhuǎn)矩模型算法計(jì)算出研磨終點(diǎn)，所述系統(tǒng)控制器根據(jù)所述研磨終點(diǎn)控制所述研磨機(jī)臺進(jìn)行晶圓化學(xué)機(jī)械研磨，其中， 所述終點(diǎn)檢測單元包括建模模塊、計(jì)算模塊以及判斷模塊所述建模模塊，用于建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程；所述計(jì)算模塊，用于求解所述函數(shù)方程，將微元所受摩擦力代入研磨墊轉(zhuǎn)矩公式， 建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系；所述判斷模塊，用于依據(jù)材質(zhì)差異所導(dǎo)致的摩擦系數(shù)的不同，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。本發(fā)明提出的上述方案，通過考察晶圓和研磨墊間的摩擦因素來分析轉(zhuǎn)矩變化， 但區(qū)別于電機(jī)扭矩變化終點(diǎn)檢測方法，本發(fā)明結(jié)合旋轉(zhuǎn)式研磨機(jī)實(shí)際，深入分析研磨工藝制程中晶圓與隨機(jī)波動粗糙墊板間的相互作用關(guān)系，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，直接通過研磨墊轉(zhuǎn)矩即可識別因材質(zhì)差異所導(dǎo)致的研磨去除率的不同，從而可以靈活地實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。因此，相比于電機(jī)扭矩電流信號監(jiān)測，本發(fā)明可以更加深入地描述實(shí)際CMP工藝的微觀機(jī)理，進(jìn)一步揭示研磨過程中不同薄膜材質(zhì)及表面形貌導(dǎo)致晶圓與研磨墊間摩擦參數(shù)所發(fā)生的變化及研磨墊轉(zhuǎn)矩變化，提高模型的預(yù)測性及準(zhǔn)確度。此外，本發(fā)明還可方便地改進(jìn)現(xiàn)有電機(jī)扭矩終點(diǎn)檢測，提供更加靈活的檢測方案，同時還能可靠地用于STI CMP實(shí)時過程控制和研磨去除率的預(yù)測，提供更加豐富的研磨 fn息ο本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)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(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法流程圖；圖2為晶圓和研磨墊間研磨模型示意圖3為判別是否到達(dá)研磨終點(diǎn)的功能示意圖；圖4為基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)框圖；圖5為STI CMP摩擦轉(zhuǎn)矩模型在終點(diǎn)檢測技術(shù)中的應(yīng)用示意圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)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(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。本發(fā)明通過考察晶圓和研磨墊間的摩擦因素來分析轉(zhuǎn)矩變化，但區(qū)別于電機(jī)扭矩變化終點(diǎn)檢測。本發(fā)明結(jié)合旋轉(zhuǎn)式研磨機(jī)實(shí)際，深入分析研磨工藝制程中晶圓與隨機(jī)波動粗糙墊板間的相互作用關(guān)系，采用能夠精確刻畫兩體接觸微觀摩擦特征的LuGre分布式動力摩擦模型，求解晶圓表面微元所受摩擦力和微元與研磨墊間相對滑動速度之間的函數(shù)方程；依據(jù)研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，通過積分獲得可調(diào)節(jié)研磨墊摩擦轉(zhuǎn)矩；結(jié)合晶圓表面階梯高度模型，推導(dǎo)溝道因子隨時間的變化關(guān)系，同時考察研磨墊調(diào)節(jié)因子對摩擦轉(zhuǎn)矩的影響 ’最終建立可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。此方案依據(jù)材質(zhì)差異所導(dǎo)致的摩擦因素的不同，直接通過研磨墊轉(zhuǎn)矩隨時間的變化來識別研磨終點(diǎn)，從而可以靈活地實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測，因此，相比于電機(jī)扭矩電流信號監(jiān)測，本發(fā)明可以更加深入地描述實(shí)際 CMP工藝的微觀機(jī)理，進(jìn)一步揭示研磨過程中不同薄膜材質(zhì)及表面形貌導(dǎo)致晶圓與研磨墊間摩擦參數(shù)所發(fā)生的變化及研磨墊轉(zhuǎn)矩變化，提高模型的預(yù)測性及準(zhǔn)確度。此外，本發(fā)明還可方便地改進(jìn)現(xiàn)有電機(jī)扭矩終點(diǎn)檢測，提供更加靈活的檢測方案，同時還能可靠地用于STI CMP實(shí)時過程控制和研磨去除率的預(yù)測，提供更加豐富的研磨信息。在本發(fā)明中，微元指代晶圓表面的微小單元，例如，相對于晶圓S，則其表面微元用 dS表示。如圖1所示，為基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法流程圖，包括以下步驟SllO 建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程。在步驟SllO中，選取晶圓表面微元作為研究對象，建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程。具體而言，建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程包括通過對晶圓的相對速度進(jìn)行分析，結(jié)合LuGre分布式動力摩擦模型，得到微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程。為了便于理解本發(fā)明，下面對STI CMP摩擦轉(zhuǎn)矩模型的建立過程作進(jìn)一步介紹。選取晶圓S表面微元dS作為研究對象，對微元dS與研磨墊間的相對滑動速度Vk 其進(jìn)行分析，如圖2所示，其中Vw是微元速度，Vp是研磨墊速度，ω是晶圓旋轉(zhuǎn)角速度，份.是研磨墊旋轉(zhuǎn)角速度，R為晶圓半徑，為微元dS的位置，0，0'分別為研磨墊、晶圓圓心。結(jié)合現(xiàn)有的能精確表征兩體接觸摩擦特征的LuGre分布式動力摩擦模型G( δ z, VE, δ F) [1]， 該模型深刻揭示了兩體接觸過程中摩擦形變SZ、摩擦力δ F及相對滑動速度Vk間的相互作用。據(jù)此，可以建立相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)關(guān)系Sf = F(Sz，VK)。
S120:建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。在步驟S120中，求解所述函數(shù)方程，將微元所受摩擦力代入研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。作為本發(fā)明的實(shí)施例，對分布式動力摩擦模型進(jìn)行合理簡化，通過求解以上函數(shù)方程S F = F( S z，VK)，可以獲得晶圓微元表面的摩擦力δ F = F(Ve)。根據(jù)研磨墊轉(zhuǎn)矩公式SM = rX δ F，將所求摩擦力SF = F(Vk)代入之，對轉(zhuǎn)矩δ M在整個晶圓表面進(jìn)行積分 M = / s SMdS，通過推導(dǎo)及化簡，可以初步獲得可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩M與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系M = F(U )，其中，R為晶圓半徑，忍為研磨墊旋轉(zhuǎn)角速度，θ為機(jī)械相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)提取。S130 通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。在步驟S130中，依據(jù)材質(zhì)差異所導(dǎo)致的摩擦系數(shù)的不同，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。具體而言，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響包括以下步驟根據(jù)晶圓表面階梯高度模型，得到溝道因子隨時間和階梯高度的變化關(guān)系，分析研磨墊調(diào)節(jié)器對墊板表面粗糙程度的影響；或者根據(jù)晶圓表面階梯高度模型，得到溝道因子隨時間和階梯高度的變化關(guān)系，推導(dǎo)同心圓環(huán)研磨墊的調(diào)節(jié)因子隨時間變化對研磨墊轉(zhuǎn)矩的影響。作為本發(fā)明的實(shí)施例，為了深入考慮晶圓表面形貌對研磨墊轉(zhuǎn)矩的重要影響，這里引入溝道因子fw，用以表征晶圓和研磨墊間接觸形態(tài)的時間變化。根據(jù)B. Lee提出的晶圓表面階梯高度模型[2]，結(jié)合STI研磨工藝實(shí)際，考慮表面階梯高度H(t)隨時間t變化過程中晶圓和研磨墊間接觸面積SC的變化趨勢，推導(dǎo)出溝道因子fw隨時間和階梯高度的變化關(guān)系fw(W，P，H0, Hc, t)，其中W為溝道線寬，P為溝道密度，H0為階梯初始高度，Hc為階梯接觸高度。為了深入揭示研磨墊表面特征和研磨墊轉(zhuǎn)矩間的相互關(guān)系，更加合理地解釋研磨墊在STI CMP工藝中的重要作用，這里引入調(diào)節(jié)因子τ P，用以說明研磨墊調(diào)節(jié)裝置對研磨墊修復(fù)作用的時間變化。結(jié)合研磨墊修復(fù)實(shí)際，考察研磨墊調(diào)節(jié)裝置對墊板表面粗糙程度的影響，具體推導(dǎo)研磨過程中調(diào)節(jié)因子隨時間和修復(fù)面積變化Δ S的函數(shù)關(guān)系xp(AS，t)； 或同時考慮同心圓環(huán)研磨墊的調(diào)節(jié)因子隨時間變化對研磨墊轉(zhuǎn)矩的影響。進(jìn)一步而言，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)包括將所述溝道因子和所述調(diào)節(jié)因子引入所述研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立基于不同工藝要求的STI CMP摩擦轉(zhuǎn)矩模型，根據(jù)所述摩擦轉(zhuǎn)矩模型識別研磨終點(diǎn)。把上述獲得的溝道因子fw(W，P，H0, Hc, t)和推導(dǎo)的調(diào)節(jié)因子τ p(AS，t)同時引入上述中計(jì)算的可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩公式Μ = i ,承的，建立基于滿足不同工藝要求的 STI CMP摩擦轉(zhuǎn)矩模型公式M(t) = F(VR,R,ω,0) fw(W,ρ,H0,Hc, )ΘτΡ(AS,t),其中，運(yùn)算符 θ 表示三者間的
集成作用，一種簡潔可行的做法可以把M(t)表示為M(t) ζΜα+τρ)^。
根據(jù)上述提出的STI摩擦轉(zhuǎn)矩模型算法判斷出研磨終點(diǎn)，可以通過軟件將計(jì)算結(jié)果反饋給研磨控制器，從而實(shí)現(xiàn)自動停止研磨。在去除氧化硅薄膜時要盡量減少氮化硅薄膜的磨損，因而要求有較高的氧化硅薄膜研磨率和較低的氮化硅薄膜研磨率，而采用研磨墊轉(zhuǎn)矩直接檢測終點(diǎn)，可以為研磨去除率的測定提供重要指導(dǎo)。因而，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)較為方便、可靠，穩(wěn)定性和可移植性也比較強(qiáng)。研磨檢測算法的初步實(shí)現(xiàn)表明，當(dāng)從氧化硅薄膜的研磨逐漸過渡到氮化硅薄膜時，晶片表面薄膜對研磨墊的摩擦系數(shù)由大變小，研磨墊的轉(zhuǎn)矩隨研磨時間在不同的研磨階段表現(xiàn)出相異的特征，因此，研磨墊轉(zhuǎn)矩的差異點(diǎn)即可表征不同的研磨過程，預(yù)示晶片表面與研磨墊間摩擦因素的動態(tài)變化，從而可以依賴轉(zhuǎn)矩變化簡潔、快速、高效地實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測和自動停止。這里給出根據(jù)摩擦轉(zhuǎn)矩模型具體判別是否到達(dá)研磨終點(diǎn)的功能框圖如圖3所示。 在氧化硅研磨過程中，由于材質(zhì)單一，研磨墊摩擦轉(zhuǎn)矩比較穩(wěn)定均一，當(dāng)材質(zhì)發(fā)生變化時， 摩擦轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)較大變化，因此，可以根據(jù)氧化硅和氮化硅不同材質(zhì)摩擦因素的差異來清晰識別氧化硅材質(zhì)的研磨終點(diǎn)。本發(fā)明提出的上述方法，通過考察晶圓和研磨墊間的摩擦因素來分析轉(zhuǎn)矩變化， 但區(qū)別于電機(jī)扭矩變化終點(diǎn)檢測方法，本發(fā)明結(jié)合旋轉(zhuǎn)式研磨機(jī)實(shí)際，深入分析研磨工藝制程中晶圓與隨機(jī)波動粗糙墊板間的相互作用關(guān)系，采用LuGre分布式動力摩擦模型，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，直接通過研磨墊轉(zhuǎn)矩即可識別因材質(zhì)差異所導(dǎo)致的研磨去除率的不同，從而可以靈活地實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測，因此，相比于電機(jī)扭矩電流信號監(jiān)測，本發(fā)明可以更加深入地描述實(shí)際CMP工藝的微觀機(jī)理，進(jìn)一步揭示研磨過程中不同薄膜材質(zhì)及表面形貌導(dǎo)致晶圓與研磨墊間摩擦參數(shù)所發(fā)生的變化及研磨墊轉(zhuǎn)矩變化，提高模型的預(yù)測性及準(zhǔn)確度。此外，本發(fā)明還可方便地改進(jìn)現(xiàn)有電機(jī)扭矩終點(diǎn)檢測，提供更加靈活的檢測方案，同時還能可靠地用于STI CMP實(shí)時過程控制和研磨去除率的預(yù)測，提供更加豐富的研磨信息。本發(fā)明實(shí)施例還提出了一種基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)，包括系統(tǒng)控制器和研磨機(jī)臺。如圖4所示，為基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)框圖。具體而言，系統(tǒng)控制器用于通過終點(diǎn)檢測軟件根據(jù)晶圓摩擦轉(zhuǎn)矩模型算法計(jì)算出研磨終點(diǎn)，系統(tǒng)控制器根據(jù)研磨終點(diǎn)控制研磨機(jī)臺進(jìn)行晶圓化學(xué)機(jī)械研磨，其中，終點(diǎn)檢測單元包括建模模塊100、計(jì)算模塊200以及判斷模塊300 建模模塊100用于建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程；計(jì)算模塊200用于求解函數(shù)方程，將微元所受摩擦力代入研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系；判斷模塊300用于依據(jù)材質(zhì)差異所導(dǎo)致的摩擦系數(shù)的不同，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。上述終點(diǎn)檢測單元中，建模模塊100具體用于通過對晶圓的相對速度進(jìn)行分析， 結(jié)合LuGre分布式動力摩擦模型，得到微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程。上述終點(diǎn)檢測單元中，判斷模塊300進(jìn)一步包括表面判斷子模塊310和調(diào)節(jié)因子判斷子模塊320 表面判斷子模塊310用于根據(jù)晶圓表面階梯高度模型，得到溝道因子隨時間和階梯高度的變化關(guān)系，分析研磨墊調(diào)節(jié)器對墊板表面粗糙程度的影響；或者調(diào)節(jié)因子判斷子模塊320用于根據(jù)晶圓表面階梯高度模型，得到溝道因子隨時間和階梯高度的變化關(guān)系，推導(dǎo)同心圓環(huán)研磨墊的調(diào)節(jié)因子隨時間變化對研磨墊轉(zhuǎn)矩的影響。上述終點(diǎn)檢測單元中，判斷模塊300具體用于將溝道因子和調(diào)節(jié)因子引入研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立基于不同工藝要求的CMP摩擦轉(zhuǎn)矩模型，判斷模塊300根據(jù)摩擦轉(zhuǎn)矩模型識別研磨終點(diǎn)。作為本發(fā)明的實(shí)施例，通過晶圓和研磨墊轉(zhuǎn)矩隨時間的變化圖像控制晶圓的蝕刻速度及研磨程度，依據(jù)轉(zhuǎn)矩差異直接判別研磨終點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)STI CMP的實(shí)時監(jiān)測及終點(diǎn)控制，這里將給出具體的檢測方案。上述系統(tǒng)的工作示意圖如圖5所示，將研磨盤電機(jī)驅(qū)動器與系統(tǒng)控制器相連接， 控制器通過系統(tǒng)軟件與終點(diǎn)檢測軟件共享，當(dāng)終點(diǎn)檢測軟件根據(jù)上述提出的STI摩擦轉(zhuǎn)矩模型算法判斷出研磨終點(diǎn)時，系統(tǒng)軟件將計(jì)算結(jié)果反饋給控制器，從而實(shí)現(xiàn)自動停止功能。 在去除氧化硅薄膜時要盡量減少氮化硅薄膜的磨損，因而要求有較高的氧化硅薄膜研磨率和較低的氮化硅薄膜研磨率，而采用研磨墊轉(zhuǎn)矩直接檢測終點(diǎn)，可以為研磨去除率的測定提供重要指導(dǎo)。因而，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)較為方便、可靠，穩(wěn)定性和可移植性也比較強(qiáng)。研磨檢測算法的初步實(shí)現(xiàn)表明，當(dāng)從氧化硅薄膜的研磨逐漸過渡到氮化硅薄膜時，晶片表面薄膜對研磨墊的摩擦系數(shù)由大變小，研磨墊的轉(zhuǎn)矩隨研磨時間在不同的研磨階段表現(xiàn)出相異的特征，因此，研磨墊轉(zhuǎn)矩的差異點(diǎn)即可表征不同的研磨過程，預(yù)示晶片表面與研磨墊間摩擦因素的動態(tài)變化，從而可以依賴轉(zhuǎn)矩變化簡潔、快速、高效地實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測和自動停止。綜合考慮晶圓與研磨墊間的摩擦因素，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩即可實(shí)現(xiàn)STICMP的終點(diǎn)檢測，本發(fā)明提出的上述設(shè)備操作方便易行，穩(wěn)定可靠，將對32nm節(jié)點(diǎn)以下多孔材料等CMP 工藝的穩(wěn)定性和工藝能力的提高起到積極指導(dǎo)作用。本發(fā)明提出的上述設(shè)備，通過考察晶圓和研磨墊間的摩擦因素來分析轉(zhuǎn)矩變化， 但區(qū)別于電機(jī)扭矩變化終點(diǎn)檢測方法，本發(fā)明結(jié)合旋轉(zhuǎn)式研磨機(jī)實(shí)際，深入分析研磨工藝制程中晶圓與隨機(jī)波動粗糙墊板間的相互作用關(guān)系，采用LuGre分布式動力摩擦模型，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，直接通過研磨墊轉(zhuǎn)矩即可識別因材質(zhì)差異所導(dǎo)致的研磨去除率的不同，從而可以靈活地實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測，因此，相比于電機(jī)扭矩電流信號監(jiān)測，本發(fā)明可以更加深入地描述實(shí)際CMP工藝的微觀機(jī)理，進(jìn)一步揭示研磨過程中不同薄膜材質(zhì)及表面形貌導(dǎo)致晶圓與研磨墊間摩擦參數(shù)所發(fā)生的變化及研磨墊轉(zhuǎn)矩變化，提高模型的預(yù)測性及準(zhǔn)確度。此外，本發(fā)明還可方便地改進(jìn)現(xiàn)有電機(jī)扭矩終點(diǎn)檢測，提供更加靈活的檢測方案，同時還能可靠地用于STI CMP實(shí)時過程控制和研磨去除率的預(yù)測，提供更加豐富的研磨信息。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。參考文獻(xiàn)[1]C. Canudas de Wit,H. 01sson,K. J. Astrom,and P. Lischinsky,"A new model for control of systems with friction,，，IEEE Trans. Autom. Control, vol. 40, no. 3, pp. 419-425，Mar. 1995.[2]B.Lee,"Modeling of chemical mechanical polishing for shallow trench isolation, ” Ph. D. dissertation, Dept.Elect. Eng. Comp. Sci.，Massachu-setts Inst. Technol.，Cambridge, MA,2002.
權(quán)利要求
1.一種基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法，其特征在于，包括以下步驟建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程；求解所述函數(shù)方程，將微元所受摩擦力代入研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系；依據(jù)材質(zhì)差異所導(dǎo)致的摩擦系數(shù)的不同，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法，其特征在于，建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程包括通過對晶圓的相對速度進(jìn)行分析，結(jié)合LuGre分布式動力摩擦模型，得到微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程。
3.如權(quán)利要求1所述的基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法，其特征在于，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響包括以下步驟根據(jù)晶圓表面階梯高度模型，得到溝道因子隨時間和階梯高度的變化關(guān)系，分析研磨墊調(diào)節(jié)器對墊板表面粗糙程度的影響；或者根據(jù)晶圓表面階梯高度模型，得到溝道因子隨時間和階梯高度的變化關(guān)系，推導(dǎo)同心圓環(huán)研磨墊的調(diào)節(jié)因子隨時間變化對研磨墊轉(zhuǎn)矩的影響。
4.如權(quán)利要求1所述的基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法，其特征在于，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)包括將所述溝道因子和所述調(diào)節(jié)因子引入所述研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立基于不同工藝要求的 CMP摩擦轉(zhuǎn)矩模型，根據(jù)所述摩擦轉(zhuǎn)矩模型識別研磨終點(diǎn)。
5.一種基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)，其特征在于，包括系統(tǒng)控制器和研磨機(jī)臺，所述系統(tǒng)控制器，用于通過終點(diǎn)檢測單元根據(jù)晶圓摩擦轉(zhuǎn)矩模型算法計(jì)算出研磨終點(diǎn)，所述系統(tǒng)控制器根據(jù)所述研磨終點(diǎn)控制所述研磨機(jī)臺進(jìn)行晶圓化學(xué)機(jī)械研磨，其中，所述終點(diǎn)檢測單元包括建模模塊、計(jì)算模塊以及判斷模塊所述建模模塊，用于建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程；所述計(jì)算模塊，用于求解所述函數(shù)方程，將微元所受摩擦力代入研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系；所述判斷模塊，用于依據(jù)材質(zhì)差異所導(dǎo)致的摩擦系數(shù)的不同，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。
6.如權(quán)利要求5所述的基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述建模模塊具體用于通過對晶圓的相對速度進(jìn)行分析，結(jié)合LuGre分布式動力摩擦模型，得到微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程。
7.如權(quán)利要求5所述的基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述判斷模塊包括表面判斷子模塊，用于根據(jù)晶圓表面階梯高度模型，得到溝道因子隨時間和階梯高度的變化關(guān)系，分析研磨墊調(diào)節(jié)器對墊板表面粗糙程度的影響；或者調(diào)節(jié)因子判斷子模塊，用于根據(jù)晶圓表面階梯高度模型，得到溝道因子隨時間和階梯高度的變化關(guān)系，推導(dǎo)同心圓環(huán)研磨墊的調(diào)節(jié)因子隨時間變化對研磨墊轉(zhuǎn)矩的影響。
8.如權(quán)利要求5所述的基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測的系統(tǒng)，其特征在于，所述判斷模塊具體用于將所述溝道因子和所述調(diào)節(jié)因子引入所述研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立基于不同工藝要求的 CMP摩擦轉(zhuǎn)矩模型，所述判斷模塊根據(jù)所述摩擦轉(zhuǎn)矩模型識別研磨終點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提出了一種基于淺溝道隔離技術(shù)的化學(xué)機(jī)械研磨終點(diǎn)檢測方法，包括建立晶圓表面微元與研磨墊間相對滑動速度和微元所受摩擦力之間的函數(shù)方程；求解函數(shù)方程，將微元所受摩擦力代入研磨墊轉(zhuǎn)矩公式，建立晶圓和可調(diào)節(jié)研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系；依據(jù)材質(zhì)差異所導(dǎo)致的摩擦系數(shù)的不同，分析研磨墊表面特征對晶圓形貌變化的影響，通過研磨墊轉(zhuǎn)矩與研磨驅(qū)動裝置機(jī)械參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系識別研磨終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。本發(fā)明提出的上述方案，通過考察晶圓和研磨墊間的摩擦因素來分析轉(zhuǎn)矩變化，深入分析研磨工藝制程中晶圓與隨機(jī)波動粗糙墊板間的相互作用關(guān)系，直接通過研磨墊轉(zhuǎn)矩即可識別因材質(zhì)差異所導(dǎo)致的研磨去除率的不同，從而可以靈活地實(shí)現(xiàn)終點(diǎn)檢測。
文檔編號B24B37/02GK102390036SQ20111033513
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者葉甜春, 徐勤志, 阮文彪, 陳嵐 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所