CN105773397A - 化学机械抛光多区压力在线控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种化学机械抛光多区压力在线控制算法，包括以下步骤：分别获取抛光头的各压力分区的零点偏移量；根据抛光头的各压力分区的零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的测量值作为各路气压传感器的最终输出值；计算各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的预设压力值之间的偏差量；根据偏差量实时计算CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量；根据控制量对相应电气比例阀的开度进行控制。本发明的控制算法简便有效，方便调节，同时具有较强的适应能力。

Description

化学机械抛光多区压力在线控制算法

技术领域

本发明涉及化学机械抛光技术领域，特别涉及一种化学机械抛光多区压力在线控制算法。

背景技术

化学机械抛光(ChemicalMechanicalPolishing，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。作为当今最有效的全局平坦化方法，CMP技术已在超大规模集成电路制造中得到了广泛应用。

化学机械抛光是化学腐蚀和机械磨削协同作用的抛光方法。其中，抛光压力是影响材料去除率和去除非均匀性的重要参数之一。大量研究结果表明，增大抛光压力能够提高去除率，但是压力过大会影响材料表面抛光液的均匀分布，导致去除率不均匀，降低抛光质量。而减小抛光压力会减小去除率，从而降低生产效率。此外，随着晶圆尺寸的不断增大，为了保证晶圆表面材料去除的均匀性，分区压力控制技术已引入CMP工艺中。但是在分区压力控制过程中，抛光头各压力分区之间会相互影响，导致压力控制效果变差，严重时将影响工艺效果。因此，实现可靠的压力控制，保证抛光头各压力分区在工艺过程中良好的压力响应特性是实现纳米级抛光工艺的重要条件。目前，有关压力控制的高级算法较多，但是较为复杂，不便于控制系统的软件实现。而且相关算法面向的控制环境比较简单，不同于CMP苛刻的工艺环境。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种化学机械抛光多区压力在线控制算法，该控制算法简便有效，方便调节，同时具有较强的适应能力。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种化学机械抛光多区压力在线控制算法，包括以下步骤：分别获取所述抛光头的各压力分区的零点偏移量；根据所述抛光头的各压力分区的零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的测量值作为所述各路气压传感器的最终输出值；计算所述各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的预设压力值之间的偏差量；根据所述偏差量实时计算所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量；以及根据所述控制量对所述相应电气比例阀的开度进行控制。

根据本发明实施例的化学机械抛光多区压力在线控制算法，简便有效，方便调节，同时具有较强的适应能力。

另外，根据本发明上述实施例的化学机械抛光多区压力在线控制算法具有如下技术特征：

在本发明的实施例中，所述化学机械抛光多区压力在线控制算法采用增量式PI控制算法，将当前计算得到的控制增量与上一时刻计算得到的控制量之和作为所述相应电气比例阀的当前控制量，其中控制增量的计算公式为：

Δu(n)＝K_p·Δe(n)+αK′_ie(n)，

其中，定义K_p为比例项系数，K′_i作为改良后的积分项系数，Δe(n)为气压传感器的最终输出值与对应压力分区的预设压力值之间的当前偏差量e(n)与上一时刻偏差量e(n-1)的差值，α为变积分增益系数。

进一步地，通过设置死区的控制方式，在每次控制量的计算前进行初始判断，如果所述偏差量控制在合理范围，则不改变当前控制量，具体为：

$u\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}u{\left(n\right)}_{old}& \left|\frac{e\left(n\right)}{r}\right|\≤\left|e_0\right|\\ u{\left(n\right)}_{new}& \left|\frac{e\left(n\right)}{r}\right|>\left|e_0\right|\end{array}\right.,$

其中，u(n)_old为上一时刻控制量的计算结果，u(n)_new为当前时刻控制量的计算结果，r为对应压力分区的预设压力值，e₀为死区的区间大小。

进一步地，采取逐步释放积分作用的机制，定义三对阈值变量和变积分增益系数。

进一步地，还包括：在每次计算出所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量之后，判断所述控制量是否超出所述相应电气比例阀所允许的极限值，并限定控制量的输出值。在正向压力调节过程中，如果所述控制量超出所述相应电气比例阀所允许的最大值u(n)_max，则将所述相应电气比例阀所允许的最大值u(n)_max作为所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量。在反向压力调节过程中，如果所述控制量低于所述相应电气比例阀所允许的最小值u(n)_min，则将所述相应电气比例阀所允许的最小值u(n)_min作为所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量。

在一些示例中，所所述各路气压传感器与所述各压力分区一一对应，以分别检测所述各压力分区所受的压力。

在一些示例中，所述多压力分区包括第一至第五压力分区及保持环。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的多区动态压力测试结果示意图；

图2是本发明一个实施例的CMP抛光头系统的控制原理图；以及

图3是根据本发明一个实施例的化学机械抛光多区压力在线控制算法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的化学机械抛光多区压力在线控制算法。

首先，结合图1和图2对本发明实施例中涉及的CMP抛光头系统进行详细的描述。

结合图1和图2所示，本发明实施例中涉及的CMP抛光头系统例如包括6个压力腔室，即多个压力分区对应为6个压力分区，分别为第一压力分区至第五压力分区及保持环。CMP抛光头系统通过气压方式实现抛光头对晶圆背面各分区的压力加载。该CMP抛光系统的单条气路的主要环节依次包括：气源、减压阀、电气比例阀和气压传感器等，其控制原理如图2所示。其中，电气比例阀用于施加可调的正压，各路气压传感器与各压力分区一一对应，以分别用于实时监测抛光头各个腔室内压力值的变化。根据气压传感器测量到的抛光头各压力腔室内的气压值，可直接反映晶圆表面对应区域所受到的压力值及晶圆与抛光垫之间的压力值。

由于抛光头的硬件结构决定了相邻腔室之间必然存在耦合，所以在实际工艺过程中，当抛光头5个压力分区同时加压时，相邻分区的压力响应必然会相互影响。由动态测试结果可知，在液体环境下，抛光头和抛光盘的转动，及抛光头的径向摆动均会对抛光头各压力分区的压力响应特性产生影响。相比装卸片等静态过程，动态过程中的抛光头各压力分区的开环压力响应更差。在动态条件下，如图1所示，各压力分区的压力响应速度很低，较长时间内未达到稳定，且存在偏差。当各压力分区的压力响应逐渐进入中后期，各压力分区的压力均会出现波动。因此，在CMP过程中，如果没有有效的控制算法，将无法保证抛光头各压力分区良好的压力响应特性与稳压效果。如果晶圆和保持环所受压力的真实值与设定值之间偏差较大，还将严重影响最终的工艺效果。

本发明实施例涉及的CMP抛光头系统的基本控制原理如图2所示。基于PID算法的基本原理，本发明的实施例针对CMP的特殊工艺环境设计并实现了一种有效的抛光头多区压力控制算法，已较好地应用于CMP控制系统中。在实际工艺过程中，CMP上层控制系统根据实时读取到的压力反馈值(各气压传感器输出值的测量值)和工艺配方中的压力设定值(预设压力值)，实时调用本发明的控制算法以计算当前电气比例阀的控制量。当压力反馈值偏离设定值时，CMP控制系统根据本控制算法的计算结果及时调节电气比例阀，不断减小压力反馈量与设定值之间的偏差，保证工艺过程中抛光压力的精确控制，及良好的稳压效果。

基于此，结合图3所示，根据本发明实施例的化学机械抛光多区压力在线控制算法，具体包括以下步骤：

步骤S1：分别获取抛光头的各压力分区的零点偏移量。

步骤S2：根据抛光头的各压力分区的零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的各路气压传感器的测量值作为各路气压传感器的最终输出值。

具体地说，每次安装抛光头或者更换气囊后，首先令抛光头各压力腔室通大气。此时，CMP上层控制系统读到的气压传感器的输出值(即测量值)可能存在少量的零点偏移。为了保证良好的压力控制结果，首先需要修正CMP上层控制系统读到的气压传感器输出的测量值。具体方法是根据各压力分区的实际偏移量，分别将各路气压传感器输出的测量值调整相应的大小，然后将各路气压传感器输出的测量值修正结果作为本路压力的最终输出值，并用于后续的计算中。

步骤S3：实时计算各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的预设压力值(压力设定值)之间的偏差量。

步骤S4：根据上述偏差量实时计算CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量。

本发明的实施例基于PID控制思想，可以较好地改善抛光头各分区的压力响应特性，减少响应时间，并且较好地抑制相邻分区的压力影响。具体而言，本发明的实施例采用增量式PI控制算法，并在此基础上不断改进和完善。

具体地，由于采用增量式PI控制算法，每次计算得到的结果为本时刻控制量的增量值，所以，当前计算结果需加上上一时刻的控制量，CMP上层控制系统以两者的和作为当前的最终控制量，用于调节电气比例阀。在本发明的实施例中，控制增量的基本计算公式为：

Δu(n)＝K_p·Δe(n)+αK′_ie(n)，

其中定义K_p为比例项系数，K′_i作为改良后的积分项系数，Δe(n)为气压传感器的最终输出值与对应压力分区的预设压力值之间的当前偏差量e(n)与上一时刻偏差量e(n-1)的差值，α为变积分增益系数。

进一步地，为了避免CMP上层控制系统的控制作用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的压力值振荡，在本发明实施例的控制算法中，引入了死区的作用，也即通过设置死区的控制方式，在每次控制量的计算前进行初始判断，以提高计算效率，即如果偏差量控制在合理范围，则不改变控制量。具体计算方式为：

$u\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}u{\left(n\right)}_{old}& \left|\frac{e\left(n\right)}{r}\right|\≤\left|e_0\right|\\ u{\left(n\right)}_{new}& \left|\frac{e\left(n\right)}{r}\right|>\left|e_0\right|\end{array}\right.,$

其中，u(n)_old为上一时刻控制量的计算结果，u(n)_new为当前时刻控制量的计算结果，r为对应压力分区的预设压力值，e₀为死区的区间大小，其为可调参数。在具体实施例中，应合理设置死区的范围，在本发明的一个优选实施例中，死区的大小例如为0.5％。

进一步地，在本发明实施例的控制算法中，采取逐步释放积分作用的控制策略，以提高控制系统品质。其基本思路是：当被控量与设定值偏差较大时，减小积分作用，避免积分作用所造成的系统不稳定及较大的超调量；当被控量接近设定值时，逐步释放积分作用，消除静态误差，提高控制精度。基于以上思路，本发明实施例的控制算法定义阈值变量和变积分增益系数。其中，阈值变量是指偏差占设定值百分比，变积分增益系数用于控制积分项的作用强度(最大值为1)。本发明中，共定义三对阈值变量和变积分增益系数，具体值参见下表1所示。其中，3个阈值变量将偏差占设定值百分比的变化范围划分为4个区间。在实时计算过程中，本发明实施例的控制算法根据当前偏差值占设定值百分比首先判断其所在区间，进而确定当前所需变积分增益系数值，然后将当前变积分增益系数值与积分项的乘积作为当前积分项的计算结果。

表1

此外，在本发明实施例的控制算法中，在计算得到CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量之后，进一步处理包括如下：

在正向压力调节过程中，判断此时的控制量是否超出电气比例阀所允许的最大值u(n)_max。若控制量已超出最大值u(n)_max，则将电气比例阀所允许的最大值u(n)_max作为CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量，也就是说控制量输出值即为最大值u(n)_max。

同理，在反向压力调节过程中，判断控制量是否低于相应电气比例阀所允许的最小值u(n)_min，若控制量低于最小值u(n)_min，则将电气比例阀所允许的最小值u(n)_min作为CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量，也就是说令控制量输出值即为最小值u(n)_min。

进一步地，在本发明实施例的CMP抛光头系统中，上层控制系统调用本发明的控制算法同时控制抛光头的各个压力分区，但各压力分区拥有独立的PI参数值(比例系数K_p和积分项系数K′_i)。在本发明的一个实施例中，各参数值例如下表2所示。

表2

步骤S5：根据控制量对相应电气比例阀的开度进行控制。

综上，根据本发明实施例的化学机械抛光多区压力在线控制算法，简便有效，方便调节，同时具有较强的适应能力。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种化学机械抛光多区压力在线控制算法，其特征在于，包括以下步骤：

分别获取所述抛光头的各压力分区的零点偏移量；

根据所述抛光头的各压力分区的零点偏移量，分别对CMP抛光头系统的各路气压传感器的测量值进行修正，并将修正后的测量值作为所述各路气压传感器的最终输出值；

计算所述各路气压传感器的最终输出值与对应压力分区的预设压力值之间的偏差量；

根据所述偏差量实时计算所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量；以及

根据所述控制量对所述相应电气比例阀的开度进行控制。

2.根据权利要求1所述的化学机械抛光多区压力在线控制算法，其特征在于，采用增量式PI控制算法，即将当前计算得到的控制增量与上一时刻计算得到的控制量之和作为所述相应电气比例阀的当前控制量，其中控制增量的计算公式为：

Δu(n)＝K_p·Δe(n)+αK_i′e(n)，

其中，定义K_p为比例项系数，K_i′作为改良后的积分项系数，Δe(n)为气压传感器的最终输出值与对应压力分区的预设压力值之间的当前偏差量e(n)和上一时刻偏差量e(n-1)的差值，α为变积分增益系数。

3.根据权利要求1所述的化学机械抛光多区压力在线控制算法，其特征在于，通过设置死区，在每次控制量的计算前进行初始判断，如果偏差量控制在合理范围，则不改变当前控制量，具体为：

$u\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}u{\left(n\right)}_{old}& \left|\frac{e\left(n\right)}{r}\right|\≤\left|e_0\right|\\ u{\left(n\right)}_{new}& \left|\frac{e\left(n\right)}{r}\right|>\left|e_0\right|\end{array}\right.,$

其中，u(n)_old为上一时刻控制量的计算结果，u(n)_new为当前时刻控制量的计算结果，r为对应压力分区的预设压力值，e₀为死区的区间大小。

4.根据权利要求1所述的化学机械抛光多区压力在线控制算法，其特征在于，采取逐步释放积分作用的机制，定义三对阈值变量和变积分增益系数。

5.根据权利要求1所述的化学机械抛光多区压力在线控制算法，其特征在于，在得到所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量之后，还包括：

在正向压力调节过程中，判断所述控制量是否超出所述相应电气比例阀所允许的最大值，如果所述控制量超出所述最大值，则将所述相应电气比例阀所允许的最大值作为所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量；

在反向压力调节过程中，判断所述控制量是否低于所述相应电气比例阀所允许的最小值，如果所述控制量低于所述最小值，则将所述相应电气比例阀所允许的最小值作为所述CMP抛光头系统的相应电气比例阀的控制量。

6.根据权利要求1-5任一项所述的化学机械抛光多区压力在线控制算法，其特征在于，所述各路气压传感器与所述各压力分区一一对应，以分别检测所述各压力分区所受的压力。

7.根据权利要求6所述的化学机械抛光多区压力在线控制算法，其特征在于，所述多压力分区包括第一至第五压力分区及保持环。