[发明专利]晶圆铜膜厚度在线测量模块控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及化学机械抛光技术领域，具体为一种晶圆铜膜厚度在线测量模块控制系统。

背景技术

化学机械抛光(Chemical Mechanical Planarization，CMP)技术是目前集成电路制造中制备多层铜互连结构的关键技术之一。在集成电路制造过程中，随着特征尺寸的不断缩小，对全局平坦化的要求已越来越高。作为目前最有效的全局平坦化方法，CMP技术可以有效兼顾局部和全局平坦度，利用化学腐蚀和机械磨削的协同效应实现最佳的晶圆抛光效果。

铜CMP过程可概括为三步：第一步以较大的材料去除率去除晶圆表面大量的铜，实现初步平坦化；第二步以相对较小的材料去除率去除剩余的铜，并通过终点检测技术在势垒层刚好全部露出时停止工艺；第三步去除势垒层和少量的绝缘层材料，达到平坦化的要求。在抛光过程中，对去除的铜膜厚度应实时加以准确的控制。如果不能对晶圆表面的铜膜厚度进行有效的测量，将会造成晶圆“过抛”和“欠抛”等情况。因此，在线测量技术对于铜CMP工艺具有重要的作用。

CMP系统是针对铜CMP工艺而设计，用于去除晶圆表面多余的铜。由于在CMP过程中，晶圆的被抛光表面完全压在抛光垫上，使得在线测量非常困难。近年来，在铜CMP过程中多种在线测量方法被相继提出，但主要是针对CMP终点检测而言。从国内外的研究现状看，在所有测量技术中，光学方法和基于摩擦的方法一直是研究的重点。对于铜CMP过程，光学方法一般根据反射光强度的变化判断何时达到终点，但由于铜互连线的存在而发生的衍射和散射往往会影响光学测量的精度，所以会影响测量的准确性。一般认为基于摩擦的终点检测技术可靠性较高，且基于驱动电机电流变化的终点检测技术已经真正运用于工业生产实践中，但也只能在宏观水平上反映晶圆表面铜的剩余，不能实时检测铜膜厚度的变化。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种实时的、可靠的晶圆铜膜厚度在线测量模块控制系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供了一种晶圆铜膜厚度在线测量模块控制系统，该系统采用上层控制系统和底层控制系统的两级控制模式，所述上层控制系统和底层控制系统之间通过工业以太网实现物理连接，其中，所述底层控制系统中，采用可编程逻辑控制器PLC负责直接控制化学机械抛光单元的在线测量模块，所述上层控制系统中，采用工控机IPC通过底层所述PLC管理所述在线测量模块的运行，并完成数据的维护和处理，为工艺人员提供操作软件。

在本发明的一个实施例中，所述在线测量模块选用电涡流测量原理，传感器探头安装在化学机械抛光盘内，化学机械抛光时所述传感器探头随化学机械抛光大盘转动，周期性运动至晶圆下方时进行测量，所述在线测量模块将计算结果通过DP总线发送给所述底层控制系统，所述工艺人员利用所述上层控制系统实时读取晶圆表面所剩铜膜的厚度值，掌握铜膜去除情况。

在本发明的一个实施例中，还包括：霍尔开关，利用霍尔开关准确给出所述传感器探头进入测量范围时的信号，以辅助所述在线测量模块工作，保证测量数据有效。其中，当所述传感器探头进入和离开晶圆时，所述霍尔开关分别给出开关信号。

在本发明的一个实施例中，还包括：所述底层控制系统建立存储区负责临时存储所述在线测量模块发送的待标定值和实测膜厚过程值，以及所述上层控制系统向下发送的标定表，所述上层控制系统通过访问OPC服务器可读取底层存储区中的数据，并将当前测量值实时显示在所述上层控制系统的软件界面中，方便工艺人员读取。

在本发明的一个实施例中，所述在线测量模块发送的待标定值和实测膜厚过程值，以及所述上层控制系统向下发送的标定表能够以所述工艺人员指定的文件名和保存路径保存在所述IPC中。

在本发明的一个实施例中，针对所述在线测量模块设置了标定模式和测量模式两种模式，在所述标定模式中，工艺人员利用所述上层控制系统软件将所述在线测量模块的待标定值与已知厚度值一一对应，生成一张完整的标定表，然后，将生成的标定表下载到在线测量模块中，其中，所述在线测量模块可分组存储多个标定表以消除不同工艺配方对测量结果的影响，下载标定表前，工艺人员需选定标定组，在所述测量模式中，所述在线测量模块在化学机械抛光工艺过程中根据工艺人员选择的标定表计算膜厚值，所述底层控制系统在化学机械抛光工艺过程中实时将当前膜厚值与工艺人员设定的终点值对比，如果当前膜厚值小于或等于设定值，立即中止化学机械抛光过程。