改善晶圓拋光均勻度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體電子領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種改善晶圓拋光均勻度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體加工工藝中，對(duì)晶圓進(jìn)行無(wú)應(yīng)力拋光處理時(shí)，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(qū)域拋去的厚度相當(dāng)，對(duì)后續(xù)工 藝的順利進(jìn)行以及對(duì)產(chǎn)品良品率的提高均具有非凡的意義。
[0003] 現(xiàn)有的SFP(Stress-free-polish)技術(shù)當(dāng)中，采用晶圓（wafer)懸空，電源兩極 分別通過(guò)噴頭噴出的拋光液聯(lián)通在wafer上，在實(shí)際的拋光過(guò)程中，wafer首先在垂直方向 上達(dá)到拋光位置，再進(jìn)行水平方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到全局拋光均勻性的 目的。在這個(gè)過(guò)程中，當(dāng)拋光液噴頭到達(dá)晶圓不同半徑位置的時(shí)候，其拋光點(diǎn)在晶圓固定盤 (chuck)旋轉(zhuǎn)的作用下可以拋光半徑所在圓環(huán)區(qū)域，由于半徑大小不一，導(dǎo)致在相同轉(zhuǎn)速 下，單位時(shí)間內(nèi)拋光的區(qū)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(huì)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(shí)，由于電流密度分布不均勻，在拋光晶圓圓心時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一些特殊的 "V形貌"?？梢钥吹?，拋光速率不一和"V"型拋光形貌的出現(xiàn)都會(huì)導(dǎo)致拋光的均勻性變差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，在SFP工藝過(guò)程中，通過(guò)合理調(diào)節(jié)chuck的旋轉(zhuǎn)速率ω，來(lái)提 高對(duì)晶圓拋光的均勻性；更進(jìn)一步地，還在于確定ω的合理范圍，以降低"V形貌"對(duì)晶圓 均勻性的影響。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)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(nèi)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(guò)晶圓固定盤中心〇的直線Y旋轉(zhuǎn)的自由度，所述晶 圓固定盤至少能夠在其所在平面內(nèi)沿一個(gè)過(guò)中心0的直線方向X相對(duì)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(diào)整所述晶圓固定盤與拋光液噴頭的相對(duì)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(shè)置所述晶圓固定盤繞直線Y旋轉(zhuǎn)的初始轉(zhuǎn)速為ω ;
[0010] (5)向所述拋光工作腔供能，驅(qū)動(dòng)所述晶圓固定盤繞直線Y轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿著直線方 向X相對(duì)于所述拋光液噴頭平移，對(duì)所述晶圓片進(jìn)行拋光，在拋光所述晶圓片的中心區(qū)域 時(shí)，所述晶圓固定盤的轉(zhuǎn)速滿足ωχ= ω的關(guān)系，在拋光晶圓中心區(qū)域以外的部分時(shí)，晶圓 固定盤的轉(zhuǎn)速滿足ωχ = (a/Rx)*〇的關(guān)系；
[0011] (6)停止向拋光工作腔的供能并對(duì)所述晶圓片表面各處的拋光去除厚度進(jìn)行測(cè) 量；
[0012] (7)根據(jù)步驟（6)的測(cè)量結(jié)果，判斷在該ω的轉(zhuǎn)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(jù)步驟（7)的判斷結(jié)果，如果在ω的轉(zhuǎn)速下"V形貌"不滿足晶圓均勻性要 求，則重復(fù)步驟（3) -（7)，其中在步驟（4)中重新給定初始轉(zhuǎn)速ω'，所述ω' > ω，直至 得到的初始轉(zhuǎn)速ωπ?η，在此初始轉(zhuǎn)速ωπ?η下產(chǎn)生的"V形貌"滿足晶圓均勻性要求；
[0014] (9)根據(jù)步驟（7)的判斷結(jié)果，如果在ω的轉(zhuǎn)速下"V形貌"滿足晶圓均勻性要求， 則重復(fù)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(zhuǎn)速ωπ?η，在此初始轉(zhuǎn)速ωπ?η下產(chǎn)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(zhuǎn)速，從而得 到滿足晶圓均勻性要求的初始轉(zhuǎn)速ω的合理范圍；
[0016] (11)在步驟（10)確定的范圍之內(nèi)，選取一值對(duì)晶圓進(jìn)行拋光；
[0017] 其中，所述ωχ是晶圓固定盤運(yùn)動(dòng)至直線X上某點(diǎn)時(shí)晶圓固定盤對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，所 述a是拋光液噴頭的邊長(zhǎng)，所述Rx是晶圓固定盤的中心0沿直線X相對(duì)于拋光液噴頭發(fā)生 的位移，所述晶圓的中心區(qū)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(zhǎng)的區(qū) 域。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是為研究本發(fā)明方法所建立的模型圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明中噴頭和chuck相對(duì)位置變化的示意圖；
[0020] 圖3是a = 20mm，R = 150mm條件下，給定一個(gè)初始轉(zhuǎn)速ω = 300RPM時(shí)，X軸正 向各點(diǎn)的角速度ωχ與位置X對(duì)應(yīng)關(guān)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(diǎn)的拋光去除厚度與位置 X對(duì)應(yīng)關(guān)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(gè)初始轉(zhuǎn)速ω = 500RPM時(shí)，晶圓 表面沿X軸方向各點(diǎn)的拋光去除厚度與位置X對(duì)應(yīng)關(guān)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(gè)初始轉(zhuǎn)速ω = 700RPM時(shí)，晶圓 表面沿X軸方向各點(diǎn)的拋光去除厚度與位置X對(duì)應(yīng)關(guān)系的示意圖；
[0024] 圖7是本發(fā)明方法【具體實(shí)施方式】的步驟框圖；
[0025] 圖8是按照?qǐng)D7的【具體實(shí)施方式】對(duì)晶圓進(jìn)行拋光得到的晶圓表面的形貌示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面對(duì)于本發(fā)明方法解決技術(shù)問(wèn)題的原理進(jìn)行揭示：
[0027] 1、建立如圖1所示的模型，電源11的負(fù)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(dá)晶圓13表面，為了計(jì)算方便， 我們假設(shè)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(zhǎng)，另噴頭12的形狀 及尺寸在合理范圍內(nèi)改變不會(huì)對(duì)下述結(jié)論的正確性產(chǎn)生根本性影響），該面積可近似地認(rèn) 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(dāng) 電源11加負(fù)載時(shí)，晶圓13表面會(huì)與拋光液14發(fā)生反應(yīng)，其電子轉(zhuǎn)移的方程式為：Cu-2e = Cu2，2H++2e = H2。如此，晶圓13表面的銅層就會(huì)被拋光液14拋光。
[0028] 2、如圖1所示，拋光過(guò)程中，晶圓13在水平方向上旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在水平方向上相對(duì)于 陰極的拋光液噴頭12形成X軸方向的位移，實(shí)現(xiàn)晶圓13表面全局的拋光。
[0029] 3、如圖2所示，當(dāng)噴頭移動(dòng)到晶圓A點(diǎn)位置時(shí)，瞬時(shí)的拋光點(diǎn)也在晶圓A位置，再 由于晶圓13有旋轉(zhuǎn)作用，拋光區(qū)域?yàn)閳A環(huán)狀的A拋光區(qū)域21，設(shè)圓環(huán)半徑為Rm ;當(dāng)噴頭移 動(dòng)到晶圓B點(diǎn)位置時(shí)，瞬時(shí)的拋光點(diǎn)也在晶圓B位置，拋光區(qū)域?yàn)閳A環(huán)狀的B拋光區(qū)域22， 設(shè)圓環(huán)半徑為Rtffl ;
[0030] 4、設(shè)在晶圓A點(diǎn)位置時(shí)，晶圓13旋轉(zhuǎn)的角速度為ωω ;則噴頭在晶圓A點(diǎn)位置時(shí)， 其單位時(shí)間掃過(guò)的晶圓面積為Sm = ;同理，噴頭在晶圓B點(diǎn)位置時(shí)，其單位時(shí)間 掃過(guò)的晶圓面積為Sob = R0B*c〇0B*a ;由于R0A〈R0B、假設(shè)ω0Α = ω0Β ;則S0A〈S0B〇
[0031] 5、因?yàn)殡娏魇褂玫氖呛懔髟?，則該裝置單位時(shí)間內(nèi)拋去的金屬總量是一定的。但 根據(jù)上述4可知，該裝置在晶圓13不同半徑位置上時(shí)，當(dāng)ω ω = ω時(shí)，單位時(shí)間拋光的面 積是不一樣的，這就導(dǎo)致了單位面積內(nèi)，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(gè)拋光過(guò)程中，我們?cè)趪婎^水平直線運(yùn)動(dòng)方向上設(shè)置一個(gè)虛擬的X軸，設(shè) 晶圓13的圓心0點(diǎn)為X軸的0點(diǎn)位置，設(shè)噴頭的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄軸的正方向?，F(xiàn)在我們?cè)O(shè)置 chuck旋轉(zhuǎn)速度與噴頭對(duì)應(yīng)X軸位置的關(guān)系：（1)設(shè)工藝過(guò)程開始時(shí)，噴頭的起始點(diǎn)為0點(diǎn)， chuck的初始轉(zhuǎn)速為即為初始轉(zhuǎn)速ω (RPM);噴頭從0點(diǎn)達(dá)到A點(diǎn)的過(guò)程中，chuck保持勻 速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速始終維持在ω，要求〇 < Rm < a，a為噴頭的有效液面的邊長(zhǎng)；（2)當(dāng)噴 頭從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過(guò)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(guān)系，要求Rm SRi3b <R(R為晶圓的半徑）。按照上述的 關(guān)系可以得到chuck角速度與噴頭對(duì)應(yīng)X軸的關(guān)系，在此關(guān)系式下可以保證噴頭從A點(diǎn)運(yùn) 動(dòng)到B點(diǎn)過(guò)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(yùn)動(dòng)的相對(duì)性角度來(lái)講，我們可以設(shè)X軸上有一 x點(diǎn)，該點(diǎn)瞬時(shí)的角速 度和沿X軸運(yùn)動(dòng)的速度分別為ωχ和Vx，為了保證晶圓表面各點(diǎn)均能被噴頭拋光，噴頭在晶 圓表面沒(méi)有漏拋點(diǎn)，則ωχ和Vx應(yīng)當(dāng)滿足
·的關(guān)系式，即上述推論（1)、（2)成立的 基礎(chǔ)是ωχ和Vx應(yīng)當(dāng)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(zhuǎn)速ω下，而不能滿足（2)中所述的關(guān)系，這也是"V形 貌"產(chǎn)生的原因；而當(dāng)我們給定了一個(gè)初始的轉(zhuǎn)速ω之后，在A至B段，只要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速滿足 ω= (U/RJ * ω ω即ω QB = OViRJ * ω的關(guān)系，就能夠保證A至B段各點(diǎn)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(shuō)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(qū)域內(nèi)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(shí)是正面朝下的，所以此時(shí)正視晶圓13時(shí)，晶圓13表面的中心區(qū)域范圍內(nèi)將 形成一個(gè)近似"V"型的凸起，為了描述方便，可以將這個(gè)"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(duì)晶圓均勻性的影響，發(fā)明人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提 高初始轉(zhuǎn)速ω對(duì)"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?cè)O(shè)定ω = 300RPM時(shí)作出的拋光曲線圖，由于噴頭有一定 面積，且chuck旋轉(zhuǎn)時(shí)中心原點(diǎn)基本是不動(dòng)的，這就導(dǎo)致了圖中標(biāo)示的V型拋光的形貌，這 種"V"型的形貌在不改變chuck轉(zhuǎn)速的情況下很難調(diào)和，導(dǎo)致拋光均勻性較差。圖中可以 看到，將初始轉(zhuǎn)速設(shè)定為ω = 300RPM按6所述規(guī)律對(duì)晶圓進(jìn)行拋光，得到的O點(diǎn)的拋光去 除厚度為4000Α.,而在晶圓中心區(qū)域以外的部分，拋光去除厚度達(dá)5000Α,此時(shí)的"V形貌" 特征不滿足我們對(duì)晶圓均勻性的指標(biāo)，因?yàn)榇藭r(shí)〇點(diǎn)的拋光去除厚度僅為晶圓片中心區(qū)域 以外各點(diǎn)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(jìn)一步提高 初始轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速ω，此 時(shí)ω = 500RPM，從圖中可以看出晶圓中心點(diǎn)的"V"型拋光形貌得到了明顯改善，且在該轉(zhuǎn) 速下，〇點(diǎn)的拋光去除厚度為4SOOA,而中心區(qū)域以外部分的拋光去除厚度為50001，此時(shí)