CN100342499C - 化学机械研磨制程控制方法 - Google Patents

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CN100342499C CNB2005100552830A CN200510055283A CN100342499C CN 100342499 C CN100342499 C CN 100342499C CN B2005100552830 A CNB2005100552830 A CN B2005100552830A CN 200510055283 A CN200510055283 A CN 200510055283A CN 100342499 C CN100342499 C CN 100342499C
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Abstract

本发明提供一种化学机械研磨制程控制方法，帮助在半导体制程中从一批量的晶圆移除材料量的均匀性，且可适用于复杂的制程，例如：浅沟槽隔离制造程序。此方法包括：提供具有一组试作晶圆与一组剩余晶圆的数个晶圆，依据初始制程时间对试作晶圆进行研磨，决定出试作晶圆的补偿时间，再将初始制程时间加上补偿时间以决定更替时间，并依据更替时间对剩余晶圆进行研磨。

Description

化学机械研磨制程控制方法
技术领域
本发明是有关于一种用来研磨半导体晶圆基材的化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)装置。特别是有关于一种改善化学机械研磨制程控制的方法，包括对于一批量(lot)内所有晶圆(wafer)的一单次研磨时间反馈调整，以促进在化学机械研磨制程中，从晶圆移除的材料量的更大的晶圆间(between-wafer)材料移除量的均匀性。
背景技术
在利用硅晶圆(silicon wafer)制造半导体元件时，会使用到许多半导体制程设备与方法。在这些制程方法中，有一个是用来研磨薄、平的半导体晶圆，以得到平坦化(planarized)的表面。平坦化的表面对经常使用在存储器与逻辑电路装置的浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)层、层间介电(inter-layer dielectric，ILD)层或是金属介电(inter-metaldielectric，IMD)层是极度重要的。平坦化制程是重要的，因为它能让接下来的高解析度显影(high-resolutionlithographic)制程制作下一层(next-level)电路。高解析度显影制程的准确性只能在基材本身是完全的平坦时才能达到。因此，平坦化制程为在制造半导体装置的重要制程阶段。
全世界的平坦化制程是由已知的化学机械研磨所进行。在制造现代半导体元件时，此制程已经广泛地使用在浅沟槽隔离、层间介电或金属介电层上。化学机械研磨制程是使用一旋转平台结合研磨头进行运作。此制程主要用来研磨半导体晶圆的前表面或是元件的表面，以达到平坦化，且为下一层制程做准备。在制造过程中，晶圆通常经过一或多次的平坦化，以使晶圆的上表面尽可能的平整。晶圆在化学机械研磨设备中被置于一载台上，且被面朝下的压在覆盖着由气相化(fumed)胶状二氧化硅(silica)、氧化铝或二氧化铈(CeO2)所构成的研磨浆的研磨垫片上研磨。
在旋转平台上使用的研磨垫片通常是由两层包覆一平台而成，且由弹性层作为垫的外层。这些层通常是由聚合物材料，例如聚氨酯(polyurethane)所制成，且可能包括用来控制层的尺寸稳定性的填充物注入器。在传统旋转式化学机械研磨中，研磨垫片通常是制成晶圆直径数倍大的尺寸，晶圆被偏心地放置在垫片上，以预防在研磨时晶圆表面的不平坦，而晶圆在研磨制程中，本身也会旋转，以预防晶圆研磨出倾斜的轮廓。晶圆的旋转轴与研磨垫片的旋转轴故意被设置为不共线，然而，此二轴必须是平行的。另，由化学机械研磨制程抛光的晶圆的均匀性是压力、速度与所使用研磨浆浓度的函数。
化学机械研磨制程通常使用在半导体元件的浅沟槽隔离、层间介电或是金属介电层的平坦化上。而这些层通常是由介电材料所构成，最常用的介电材料就是氧化硅。在进行研磨介电层的制程时，其目的是要移除晶圆上的高低落差(topography)且保持整片晶圆良好的均匀性。介电材料的移除量通常在2000到100000。对浅沟槽隔离、层间介电或金属介电研磨而言，其均匀性的要求是相当严谨的，因为不均匀的介电膜会导致不佳的显影效果，且会造成过蚀刻(window-etching)或是形成插塞(plug-formation)困难。化学机械研磨制程亦同样用来研磨金属材料，例如，在钨插塞成形(tungsten plugformation)与植入结构(embedded structures)中。金属研磨制程所使用的研磨化学材料，与氧化物研磨所使用的特性不同。
在化学机械研磨制程中所使用的重要构件，包括一个自动旋转研磨平台与一晶圆固定器。此两个构件均施加压力在晶圆上，且独立于平台地旋转晶圆。表面层的研磨或移除是通过将悬浮在去离子水或碱性溶液内的气相化胶状二氧化硅或是二氧化铈的研磨浆来完成。该浆体通常使用浆体自动输送系统供给，这是为了确保研磨垫片的均匀浸润(wetting)，且浆体可以适当的传递与回复。在大量(high-volume)晶圆制程中，自动晶圆载入/卸载(loading/unloading)与卡匣(cassette)搬运器也会包括在化学机械研磨装置内。
就如同名称所意指的，化学机械研磨制程包括由化学与机械两种方法所进行的精微的研磨动作。氧化物层的材料移除的正确机构不得而知，我们可以假定氧化硅的表面层是通过一连串的化学反应而完成；此化学反应包括了在氢化反应(hydrogenation reaction)中，晶圆与研磨浆粒子的氧化表面的氢键结形成、在晶圆与研磨浆间氢键结的形成、在晶圆与研磨浆间分子键结的形成、与最后当研磨浆粒子从晶圆表面离开时，在晶圆或研磨浆表面氧化键结的断裂。一般的认知是化学机械研磨制程是一种靠浆与晶圆表面磨擦的机械研磨制程。
虽然化学机械研磨制程具有较习知机械研磨型研磨制程较佳的优点，但其中一个比较大的缺点是，化学机械研磨制程较难控制在晶圆表面不同位置的研磨率。因为晶圆表面的研磨率通常正比于研磨垫片的相对旋转速度，在晶圆表面上特定点的研磨率取决于距离旋转轴的距离。换句话说，晶圆较靠近研磨垫片旋转轴端的研磨率小于远端的研磨率。即使这可通过在进行研磨时，旋转晶圆表面来达到补偿的效果，以得到均匀的平均研磨率。但通常，晶圆表面在化学机械研磨制程进行时，是暴露在不同的研磨率下。
最近，一种化学机械研磨方法被开发出来，此方法的研磨垫片不用旋转的方式移动，取而代之的，是利用线性移动的方式，称之为线性化学机械研磨制程，其研磨垫片是以相对于旋转晶圆表面，而成线性移动的方式。线性研磨方法在平坦化制程从晶圆表面移除膜层时，可提供更均匀的晶圆表面研磨率。线性化学机械研磨系统另一个额外的优点，就是它具有较简单的装置构造。这不仅减少了装置的成本，同时也减少了在无尘室环境中所需的地板空间。
一种习知的化学机械研磨装置90如图1A所示，包括：一基座100；研磨垫片210a、210b与210c，设置于基座100上；一头清洁载入/卸载(head clean load/unload，HCLU)台360，包括有一载入杯300用来载入晶圆(未画出)至研磨垫片，与从研磨垫片卸载晶圆；以及旋转头座400，具有多个研磨头410a、410b、410c、和410d，用来保持与固定在研磨垫片上旋转的晶圆。
这三个研磨垫片210a、210b和210c是用来在一短暂的时间内可以同时处理多片晶圆。每一个研磨垫片均是固定在一旋转座(未画出)上。垫片调节器211a、211b和211c安置于基座100上，可涵盖每一个研磨垫片的范围，来进行研磨垫片的调整。研磨浆供给臂212a、212b和212c亦安装在基座100之上，用来供给研磨浆体到每一个研磨垫片表面。
旋转头座400上安装的研磨头410a、410b、410c和410d是分别安装在旋转轴420a、420b、420c、和420d上，旋转轴是由旋转头座400的框架401内部的驱动机构(未画出)所驱动。研磨头分别夹持着晶圆(未画出)，且将晶圆压向研磨垫片210a、210b和210c的上表面。依此方法，材料层可被从晶圆上移除。在化学机械研磨制程中，旋转座400是通过一旋转轴承402被支持在基座100上。
载入杯300的详图如图1B所示，包括：一垫座支撑柱312，用来支撑放置晶圆载入到研磨垫片210a、210b和210c，与从研磨垫片210a、210b和210c卸载晶圆的圆形垫片座310。一垫片座膜313通常被安装于圆形垫片座310的上表面，用来与每一片晶圆的样式(此面为集成电路生成面)接触。流体开口314贯穿圆形垫片座310与垫片座膜313。研磨头410a、410b、410c和410d的下表面与垫片座膜313的上表面是在载入杯300中，通过流体开口314所喷射出的清洗液所清洗。
在一般的操作中，化学机械研磨装置90是为了从每一晶圆的层(未画出)移除材料之用，其目的是为了要缩减层的厚度与高低差来达到需要的目标值。因此，层在化学机械研磨之前的厚度会预先量测。且预计的研磨所需时间与研磨配方和每片晶圆上的层的目标厚度，均会在闭回路控制器(closed-loopcontroller，CLC)1程序化，如图2所示。在化学机械研磨装置90中，每一片晶圆均放置在一个研磨头410a、410b、410c和410d上，且接着与研磨垫片210a、210b和210c进行研磨。研磨垫片慢慢地从晶圆上移除材料和降低层的厚度，研磨制程如图2所示，其中S1表示在研磨垫片210a上的第一个研磨步骤；S2表示在研磨垫片210b上的第二个研磨步骤；S3表示在研磨垫片210c上的第三个研磨步骤。闭回路控制器1控制研磨时间，与在此顺序的每个研磨步骤中的研磨配方的其它相关事项。当此研磨阶段完成后，晶圆可能会经历后化学机械研磨清洗，如步骤S4所示。
在后化学机械研磨清洗后，晶圆可能会经历线上量测技术，来量测被研磨的层的化学机械研磨后的厚度，如步骤S5所示。在给定的晶圆批量中的每片晶圆在化学机械研磨后的厚度均会与其它晶圆有些微变化，这是因为在不同的研磨顺序中会有不同的材料移除率所致。因此，量测的每片晶圆上的层的化学机械研磨后的厚度值是作为一个反馈信号2被传回闭回路控制器1，闭回路控制器1利用每一片晶圆在化学机械研磨前的厚度、化学机械研磨后的厚度与研磨时间计算晶圆上的层的材料移除率。然后，闭回路控制器1利用计算出来的晶圆的材料移除率来调整下一片欲研磨的晶圆在研磨步骤S1到S3的研磨时间。因此，反馈调整研磨时间是根据由前一晶圆上的层所计算出来的材料移除率，用在一晶圆批量中依序的晶圆上的制程配方。此种对一批量的每一晶圆的连续反馈是让在一批量的多数晶圆间，从层移除材料的量有一致性。上述的连续反馈机构是建立在一单一变量(材料移除率)的规则，且适用于从晶圆上的单一层移除材料的化学机械研磨的应用上。然而，连续反馈机构并不适合使用在较复杂的制程，例如：STI(浅沟槽隔离)化学机械研磨制程。在浅沟槽隔离化学机械研磨制程中，当计算适当的材料移除率时，必须考虑多个变量如高密度等离子(HDP)氧化物厚度和氮化硅(SiN)厚度等。在浅沟槽隔离化学机械研磨制程中，使用单变量连续反馈机构通常会造成在批量中连续晶圆材料移除率的过度预测与过度调整。所以，一种改善的化学机械研磨制程控制的方法是需要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种改善的化学机械研磨制程控制方法。
本发明的另一目的在于提供一种改良的单次反馈化学机械研磨制程控制方法，提供在半导体制程中，从一批量的晶圆上移除的材料量的均一性。
本发明的再一目的在于提供一种适用于复杂制程，如STI(浅沟槽隔离)制程的单次反馈化学机械研磨制程控制方法。
本发明的又一目的在于提供一种改良的单次反馈化学机械研磨制程控制方法，其排除或实质上减少了在化学机械研磨制程中动态调整(run-to-run)的制程差异。
本发明的又另一目的在于提供一种改良的单次反馈化学机械研磨制程控制方法，包括了对一批量中所有晶圆的单次研磨时间反馈调整，用来促进在化学机械研磨制程中的晶圆间(between-wafer)材料移除量的均匀性。
本发明的又再一目的在于提供一种改良的化学机械研磨制程控制方法，此方法的特征在于具有在晶圆进行化学机械研磨时，可精确调整制程时间与材料移除率。
本发明的还一个目的在于提供一种改良的化学机械研磨制程控制方法，此方法可包括一批量中的试作(pilot)晶圆的研磨，以决定每一片晶圆厚度与目标厚度间的差异值，和在装置中每一个研磨头的材料移除率；使用平均差异值和平均材料移除率计算补偿时间；将初始制程时间加上补偿时间以计算出更替时间(update time)；以及根据更替时间研磨此批量中的剩余晶圆。
本发明的最后一个目的在于提供一种改良的化学机械研磨制程控制方法，在一实施例中，此方法包括：利用一批量中的试作晶圆，为化学机械研磨装置中每一个研磨头或晶圆载具决定一补偿时间；将研磨头的初始制程时间加上补偿时间来计算每一个研磨头的更替时间；以及利用更替制程时间处理批量中的剩余晶圆。
为了实现上述目的，本发明提供一种化学机械研磨制程控制方法，包括以下步骤：提供数个晶圆，具有一组试作晶圆与一组剩余晶圆，并定义该数个晶圆研磨的目标厚度；以一研磨头根据一初始制程时间研磨每一该试作晶圆，并量测每一该试作晶圆研磨后厚度；决定每一该试作晶圆的补偿时间，其中该补偿时间是由该目标厚度与该研磨后厚度差值以及一研磨移除率决定；通过该初始制程时间加上该补偿时间，决定该研磨头的更替制程时间；以及根据该研磨头的更替制程时间研磨该组剩余晶圆。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该组试作晶圆包括有至少两片试作晶圆。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该数个晶圆包括有一浅沟槽隔离结构，该浅沟槽隔离结构具有一厚度介于2000到15000的氧化层，与一深度介于1000到10000的沟状氧化物深度层。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，根据该初始制程时间研磨每片试作晶圆，包括或不包括氧化物研磨轮研磨每片试作晶圆。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，决定该补偿时间，包括下列步骤：分别量测从该试作晶圆移除材料的速率以得到该研磨移除率；计算该试作晶圆研磨后厚度与该目标厚度间的差值；计算该研磨移除率的平均值与该厚度差值的平均值；通过该差值的平均值除以该研磨移除率的该平均值计算所得的商；以及将该商乘以一补偿修正系数。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该根据一初始制程时间研磨该试作晶圆包括：在一化学机械研磨装置中的第一、第二、第三与第四研磨头分别研磨该试作晶圆，且该决定一补偿时间包括通过下列步骤决定每一该研磨头的补偿时间：分别量测在该第一、第二、第三与第四研磨头从该试作晶圆的材料移除率；分别量测在该第一、第二、第三与第四研磨头从该试作晶圆的研磨移除率；计算在该第一、第二、第三与第四研磨头处，该目标厚度值与该试作晶圆在研磨后厚度之间的差值；将该厚度差值除以在每一该研磨头研磨移除率计算每个该研磨头的商；以及将该商乘以一补偿修正系数。
本发明提供一种化学机械研磨制程控制方法，适用于一化学机械研磨装置，具有数个研磨头与一闭回路控制器，包括下列步骤：提供数个晶圆，具有一组试作晶圆与一组剩余晶圆组，并定义该数个晶圆研磨的目标厚度；根据一初始制程时间，分别在该研磨头处研磨该试作晶圆，并量测每一该试作晶圆研磨后厚度；决定该试作晶圆的补偿时间，其中该补偿时间是由该目标厚度与该研磨后厚度差值以及一研磨移除率决定；将该初始制程时间加上该补偿时间决定该研磨头的更替制程时间；以及依照该更替制程时间，使该控制器操作该研磨头研磨剩余晶圆。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该试作晶圆组包括有至少两晶圆。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该数个晶圆包括有一浅沟槽隔离结构，该浅沟槽隔离结构具有厚度介于2000到15000的一氧化层，以及深度介于1000到10000的一沟状氧化物深度层。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，根据该初始制程时间研磨每片试作晶圆，包括或不包括氧化物研磨轮研磨每片试作晶圆。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，决定该试作晶圆的补偿时间，包括下列步骤：分别量测从该试作晶圆移除材料的速率以得到该研磨移除率；计算该试作晶圆研磨后厚度与该目标厚度间的差值；计算该研磨移除率的平均值与该厚度差值的平均值；通过该差值的平均值除以该研磨移除率的该平均值计算所得之商；将该商乘以一补偿修正系数。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该根据一初始制程时间研磨该试作晶圆包括：在一化学机械研磨装置中的第一、第二、第三与第四研磨头分别研磨该试作晶圆，且决定该补偿时间包括通过下列步骤决定每一该研磨头的补偿时间：分别量测在该第一、第二、第三与第四研磨头从该试作晶圆的研磨移除率；计算在该第一、第二、第三与第四研磨头处，该目标厚度值与该试作晶圆在研磨后厚度值之间的差值；将该差值除以在每一该研磨头的研磨移除率，计算一商；以及将该商乘以一补偿修正系数。
本发明提供一种化学机械研磨制程控制方法，适用于一金属化学机械研磨制程，包括：提供数个晶圆，具有一组试作晶圆与一组剩除晶圆，每片该晶圆具有一基材以及该基材上的一金属层结构，并定义该数个晶圆研磨的目标厚度；以一研磨头，根据一初始制程时间，研磨在每一该试作晶圆上的金属层，并量测每一该金属层研磨后厚度；决定该试作晶圆的补偿时间，其中该补偿时间是由该目标厚度与该研磨后厚度差值以及一研磨移除率决定；将该初始制程时间加上该补偿时间决定该研磨头的更替制程时间；以及根据该研磨头的更替制程时间，研磨该组剩余晶圆上的该金属层。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，决定该试作晶圆的补偿时间，包括：分别量测在该试作晶圆上的该金属层的材料移除率，以得到该研磨移除率；计算该试作晶圆研磨后厚度与该目标厚度值之间的差值；计算该研磨移除率的平均值与该厚度差值的平均值；通过将该厚度差值的平均值除以该研磨移除率的平均值计算一商；以及将该商乘以一补偿修正系数。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，根据一初始制程时间研磨该试作晶圆上的该金属层，包括：在一化学机械研磨装置中的第一、第二、第三与第四研磨头处研磨每一该试作晶圆上的该金属层，且其中决定该补偿时间包括通过下列步骤决定每一该研磨头的一补偿时间：分别量测在该第一、第二、第三与第四研磨头从该试作晶圆上的该金属层的研磨移除率；计算在该第一、第二、第三与第四研磨头处，该试作晶圆研磨后厚度值与该目标厚度值之间的差值；将该差值除以一该研磨头研磨移除率，计算一商；将该商乘以一补偿修正系数。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，还包括设在该金属层中的一双金属镶嵌结构，该双金属镶嵌结构具有一深度从1000到3μm邻接金属层的低介电常数介电层，设在该沟槽上的一隔离层，以及设在该隔离层上的一源层。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该金属层是由钨、铜、铝、或钨、铜与铝所构成的合金。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该隔离层为钽(Ta)、氮化钽(TaN)或氮化钛(TiN)。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，该低介电常数层为镀氟硅酸盐玻璃(FSG)、黑钻石(BD)、丝质物(SILK)，或无机含氢硅酸盐类低介电常数材质(HSQ)。
本发明是关于一种改良的单次反馈化学机械研磨制程控制方法，此方法在一批量的半导体制程中，提供从晶圆上移除材料量的均一性，且适用于复杂制程，如STI(浅沟槽隔离)制程。根据此方法的一实施例，在一晶圆批量中的每一个试作晶圆在化学机械研磨之前的厚度会先量测。然后，这些试作晶圆会根据预设或给予的化学机械研磨制程时间进行研磨。当研磨完成后，每一片试作晶圆会被测量化学机械研磨后的厚度。然后，每一片晶圆的化学机械研磨后的厚度与目标厚度间的差异值和每一个研磨头的材料移除率便会被决定。
根据化学机械研磨制程“平均模式(average mode)”的控制方法，试作晶圆在化学机械研磨后的厚度与目标厚度间的平均差异值，可定义为研磨头的平均材料移除率。补偿时间则是利用平均差异值与平均材料移除率计算。将初始制程时间加上补偿时间计算出更替时间，并根据更替时间研磨批量中剩余的晶园。
根据化学机械研磨制程“独立头模式(individual headmode)”的控制方法，在化学机械研磨装置中，每个研磨头在化学机械研磨后的厚度与目标厚度间的差异值被决定，则每个研磨头的材料移除率也被决定。利用这差异值与每一个研磨头的材料移除率，每一个研磨头的补偿时间将被计算。每一个研磨头的更替时间是利用补偿时间加上每一个研磨头的初始制程时间计算所得。然后利用每一个研磨头计算得到的更替时间处理批量中的剩余晶圆。
本发明的单次反馈化学机械研磨制程控制方法的“平均模式”与“独立头模式”，可以应用在批量或是连续生产模式上。根据批量生产(lot-base)模式，在批量中的一些试作晶圆会被用来计算“平均模式”或是“独立头模式”的补偿时间，并据此来处理批量中的剩余晶圆。当更换另一批量时，此批量中的试作晶圆将用来计算新的补偿时间，此补偿时间只适用于此批量的剩余晶圆，下一批量将再进行另一补偿时间的计算。
根据连续生产模式，在批量中的一些试作晶圆将用来计算“平均模式”或是“独立头模式”的补偿时间，并据此来处理此批量的剩余晶圆和下一批量中相同或所有的晶圆。新的补偿时间在批量中众多的晶圆处理过后再行计算，而计算新补偿时间用的试作晶圆可选择在批量中的开始、中间或是后面。
本发明提供的化学机械研磨制程控制方法，可促进在化学机械研磨制程中，从晶圆移除的材料量的更大的晶圆间(between-wafer)材料移除量的均匀性。
附图说明
图1A是一般习知用以同步研磨多个晶圆的化学机械研磨装置的透视图。
图1B是图1A化学机械研磨装置中习知垫片座组合的透视图。
图2是习知用在多个晶圆的化学机械研磨制程中的连续制程时间反馈组态流程图。
图3是一流程图，显示在计算在一批量中的每一试作晶圆的化学机械研磨后/目标厚度的差异值，以及在化学机械研磨装置中的每一个研磨头的材料移除率的连续制程步骤，这是准备在根据本发明的程序的“平均模式”或“独立头模式”下操作化学机械研磨装置。
图4是一流程图，显示根据本发明的“平均模式”的化学机械研磨装置的操作顺序过程步骤。
图5是一流程图，显示根据本发明的“独立头模式”的化学机械研磨装置的操作顺序过程步骤。
图6是实施本发明方法的化学机械研磨装置的示意图。
图7是在批量生产模式下，根据本发明方法，将两批量的晶圆以数值的方式描述。
图8是在连续生产模式下，根据本发明方法，将数个批量的晶圆以数值的方式描述。
图9是使用本发明单次反馈化学机械研磨制程控制方法所得到的每片晶圆在化学机械研磨后的厚度的比较图。
图9-1是使用习知的连续制程时间反馈结构得到在一晶圆批量中的每片晶圆的化学机械研磨后与目标值相对的标准化厚度。
图9-2是使用本发明单次反馈化学机械研磨制程控制方法所得到的每片晶圆在化学机械研磨后与目标值相对的标准化厚度的比较图。
图10是适用于本发明的化学机械研磨制程控制方法的实施的双金属镶嵌结构的断面图。以及
图11是适用于本发明的化学机械研磨制程控制方法的实施的STI(浅沟槽隔离)结构的断面图。
具体实施方式
本发明考虑一种单次反馈化学机械研磨制程控制方法，通常在晶圆上的半导体集成电路制造时，用来在一或多个晶圆批量中研磨连续晶圆。此方法包括对化学机械研磨装置上的研磨头的单次非连续反馈或更替研磨时间调整，用在晶圆批量中的每一连续的晶圆。更替研磨时间调整首先通过处理多个试作晶圆时获得，且接着用来研磨一批量或连续批量中的剩余晶圆。此方法提供在化学机械研磨晶圆时，从在晶圆批量中的晶圆移除材料量的均一性。此方法适用于复杂的制程，例如：浅沟槽隔离(STI)制程。
参考图6，本发明的单次反馈化学机械研磨制程控制方法一般通过传统化学机械研磨装置10来实行。化学机械研磨装置10可包括有一基座12，其上设置有一第一研磨平台14a、一第二研磨平台14b与一第三研磨平台14c。一头部旋转单元18设置在基座12之上；第一研磨头20a、第二研磨头20b、第三研磨头20c与第四研磨头20d设置在头部旋转单元18上。一载入杯(loadcup)16设置在基座12上，用来载入晶圆到研磨头20a～20d与从研磨头20a～20d卸载晶圆；一闭回路控制器22可用以连结到研磨平台14a～14c和研磨头20a～20d，用来控制研磨时间、研磨压力与在每一研磨步骤中的其它变量。应了解的是，本发明的方法是为一种化学机械研磨装置的替代设计(alternativedesign)。
参考图3与图6，根据本发明的方法，在晶圆批量24中的每一片试作晶圆26的化学机械研磨后的厚度与目标厚度之间的差异值首先被决定。通常首先通过对每一片试作晶圆26使用适合于此目的的习知量测工具量测化学机械研磨前的厚度，如同图3中所示的S1步骤来实施。虽然在如图6所示的晶圆批量24中只显示出四个试作晶圆26，应了解的是较少或较多的晶圆26亦适用于此目的，使用于至少有两个试作晶圆26时是较佳地。
晶圆批量(lot)24包括有大约5～50片晶圆，通常大约为25片。换句话说，本发明的方法也可施行在晶圆大批量(batch)，而每个大批量大约有40～500片晶圆。
在每一片试作晶圆26的化学机械研磨前的厚度被量测之后，试作晶圆26通过载入杯16载入的操作，被分别安装在各个研磨头20a～20d上。如图3所示的步骤S2，使用标准或给予《通过制程前的前馈(feed forward)》预设的研磨配方，然后每一片试作晶圆26按顺序分别在第一研磨平台20a、第二研磨平台20b与第三研磨平台20c上研磨。头部旋转单元18在每一个研磨步骤后，以箭头所示的方向30重新定位。因此，每一片试作晶圆26在研磨顺序中会保持在同一研磨头20a～20d上。当完成研磨顺序后，每一片试作晶圆26在化学机械研磨后的厚度会使用习知的量测技术量测，如步骤S3所示。
如步骤S4所示，然后在每一片试作晶圆26在化学机械研磨后的厚度与目标厚度的差异值(D)被决定，在化学机械研磨装置10上的每一个研磨头20a～20d的材料移除率(R)亦被决定(步骤S5)。它是通过每一片试作晶圆26的化学机械研磨前的厚度减去化学机械研磨后的厚度，然后再除以总研磨时间后计算而得。利用每一片试作晶圆在化学机械研磨后的厚度与目标厚度间的差异值(D)与每一研磨头20a～20d的材料移除率(R)，然后化学机械研磨装置10即可根据“平均模式”或“独立头模式”操作，如下所述。
化学机械研磨装置10是根据“平均模式”操作，如图4的流程图所示。此通过首先从晶圆的目标厚度计算试作晶圆的平均差异值(Davg)，如步骤S7所示，以及研磨头的平均材料移除率(Ravg)(步骤S8)来实施。然后一补偿时间(Com-T)根据下列公式算出(步骤S9)：
Com-T＝(Davg)/(Ravg)×k
其中：Com-T为补偿时间，Davg为试作晶圆与晶圆目标厚度的平均差异值，Ravg是研磨头的平均材料移除率，k为补偿修正经验系数，此系数相关于布局(layout)、图形密度(patterndensity)与整合制程(integration process)，例如：沟槽深度、次层厚度...等。
如步骤S10所示，然后一更替制程时间(Tu)是将补偿时间加上初始制程时间计算而得。可写成下列公式：
Tu＝To+Com-T
其中：Tu是更替制程时间，To是初始制程时间，Com-T是由在步骤S9计算所得的补偿时间，并且根据此初始制程时间To于研磨每一片试作晶圆26的情况，可包括或不包括应用氧化物研磨轮来研磨每一片试作晶圆26。
如步骤S11所示，然后在晶圆批量24中的剩余晶圆28是通过闭回路控制器22的操作，使用步骤S10所计算得到的更替制程时间(Tu)来进行研磨。
化学机械研磨装置10一般是在如图5的流程图所示的“独立头模式”中操作。“独立头模式”是“平均模式”的替代方法，“平均模式”是如上述图4中所概述。如步骤S7a所示，每一研磨头20a～20d的补偿时间(Com-Ti)是根据下列公式所计算：
Com-Ti＝(Davgi)/(Ravgi)×ki
其中：Davgi是数个晶圆利用每个研磨头研磨后(根据图3中的步骤S4所计算)的化学机械研磨后的厚度与目标值厚度的平均差异值。Ri是每一研磨头的材料移除率(根据图3的步骤S5所计算)，ki是每个研磨头的补偿修正经验系数，此系数相关于布局、图形密度、研磨头头部结构与整合制程，例如：沟槽深度、次层厚度等。
如步骤S7b所示，每一研磨头的更替时间是根据下列公式，将初始制程时间加上补偿时间计算而得：
Tui＝T0i+Com-Ti
其中Tui是每一研磨头的更替制程时间，T0i是每一研磨头的初始制程时间，Com-Ti是由步骤S7a计算所得每一个研磨头的补偿时间，并且根据此每一研磨头初始制程时间T0i于研磨试作晶圆26的情况，可包括或不包括应用氧化物研磨轮来研磨试作晶圆26。如步骤S7c所示，在晶圆批量24中的剩余晶圆28将利用在化学机械研磨装置10中的每一对应的研磨头20a～20d计算而得的更替制程时间(Tui)进行研磨。因此，闭回路控制器22在所有剩余晶圆28的研磨程序时，是根据计算所得的研磨头更替制程时间来控制每一研磨头20a～20d。
在一较佳实施例中，闭回路控制器22设有一支援软件来实行图3中的步骤S1～S6、和如图4中的“平均模式”与图5的“独立头模式”的选择，并根据习知技术的知识，完成接下来的每一个制程步骤。
参考图7，化学机械研磨装置10可根据批量生产模式在如图4中所示的“平均模式”与图5的“独立头模式”下操作。根据批量生产模式，在晶圆批量24中的数个试作晶圆26是用来计算“平均模式”的补偿时间，如图4所详示；或“独立头模式”，如图5所详示。补偿时间然后被用来处理晶圆批量24中的剩余晶圆28。在化学机械研磨新的晶圆批量24时，从批量24的试作晶圆26将用来计算只适用于批量24中的剩余晶圆28的新的补偿时间，且另一补偿时间用在下一批量24中的晶圆26。
参考图8，化学机械研磨装置10可根据连续模式被操作。在晶圆批量24中的多片试作晶圆26被用来计算“平均模式”或“独立头模式”的补偿时间，以被应用在批量中的剩余晶圆28，以及连续批量中所有或一些的晶圆。在连续批量中经过数个晶圆被处理过后，新的补偿时间会定期的被计算。用在新补偿时间的试作晶圆可以是从批量的开头、中间或未端来选择。
参考图9，图中显示在两不同制程中，晶圆批量中的每片晶圆在化学机械研磨后的厚度对批量中以流水号表示的连续的单一晶圆的关系图。参考图2，应用习知的连续的反馈机构的一化学机械研磨制程，示于图9-1。应用本发明的单次反馈(single-feedback)化学机械研磨制程控制方法的化学机械研磨制程如图9-2所示。
每一化学机械研磨制程的目标厚度为840，结果显示于图9。可看见本发明的单次反馈机构导致在化学机械研磨后的厚度与习知的连续反馈机构比较，更接近目标厚度。
参考图10，本发明的化学机械研磨制程控制方法适用于在一双金属镶嵌结构(dual-damascene)34的金属层48的化学机构平坦化。此双金属镶嵌结构34通常包括有：一沉积在导通层36上的第一盖层39，然后再沉积第一介电层38在第一盖层39上。沉积在第一介电层38之上的一蚀刻停止层40(非必须)，以及沉积在蚀刻停止层40之上的第二介电层42，也可被包括在结构里面。一或更多的沟槽50被分割(lined)包覆在隔离层(barrier layer)44，且与种晶层(seed layer)46分割隔离层44，金属层48则填充满整个沟槽50。
金属层48通常为钨、铜或铝或这些金属的合金。每一沟槽50的深度大约从1000到3μm。第一介电层38与第二介电层42通常是低介电系数材料，如镀氟硅酸盐玻璃(FSG)、黑钻石(BD)、丝质物(Silk)或无机含氢硅酸盐类低介电常数材料(HSQ)。隔离层44可以是任何适当的金属或材料，如钽(Ta)、氮化钽(TaN)、或氮化钛(TiN)。蚀刻停止层40可以是任何适当的材料，如氮化硅(SiN)、碳化硅(SiC)或无氮抗反射层(Nfree ARC)。
参考图11，本发明的化学机械研磨制程控制方法适用于在一浅沟槽隔离结构54的中氧化层56的平坦化。浅沟槽隔离结构54包括一p+型硅基材或磊晶(epi)。一氧化物沟槽68覆盖于氧化物66之上，并将一n型井(n-well)62从一p型井(p-well)64分离出来。氧化层56的厚度大约在2000到15000。每一氧化物沟槽68的深度大约在1000到10000。
附图中符号的简单说明如下：
10：化学机械研磨装置           34：双金属镶嵌结构
12：基座                       36：导通层
14：研磨平台                  38：第一介电层
16：载入杯                    39：第一盖层
18：头部旋转单元              40：蚀刻停止层
20：研磨头                    42：第二介电层
22：闭回路控制器              44：隔离层
24：晶圆批量                  46：种晶层
26：试作晶圆                  48：金属层
28：剩余晶圆                  50：沟槽
30：方向                      54：浅沟槽隔离结构
56：氧化层                    300：载入杯
60：基板                      310：圆形垫片座
62：n型井                     312：垫座支撑座
64：p型井                     313：垫座膜
66：氧化物                    314：流体开口
68：氧化物沟槽                360：清洁头载入/卸载台
90：习知化学机械研磨装置      400：旋转座
100：基座                     401：框架
210：研磨垫片                 402：旋转轴承
211：调节器                   410：研磨头
212：研磨浆供给臂             420：旋转轴

Claims (19)

1、一种化学机械研磨制程控制方法，其特征在于包括以下步骤：
提供数个晶圆，具有一组试作晶圆与一组剩余晶圆，并定义该数个晶圆研磨的目标厚度；
以一研磨头根据一初始制程时间研磨每一该试作晶圆，并量测每一该试作晶圆研磨后厚度；
决定每一该试作晶圆的补偿时间，其中该补偿时间是由该目标厚度与该研磨后厚度差值以及一研磨移除率决定；
通过该初始制程时间加上该补偿时间，决定该研磨头的更替制程时间；以及
根据该研磨头的更替制程时间研磨该组剩余晶圆。
2、根据权利要求1所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：该组试作晶圆包括有至少两片试作晶圆。
3、根据权利要求1所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：该数个晶圆包括有一浅沟槽隔离结构，该浅沟槽隔离结构具有一厚度介于2000到15000的氧化层，与一深度介于1000到10000的沟状氧化物深度层。
4、根据权利要求1所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：根据该初始制程时间研磨每片试作晶圆，包括或不包括氧化物研磨轮研磨每片试作晶圆。
5、根据权利要求1所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：决定该补偿时间，包括下列步骤：
分别量测从该试作晶圆移除材料的速率以得到该研磨移除率；
计算该试作晶圆研磨后厚度与该目标厚度间的差值；
计算该研磨移除率的平均值与该厚度差值的平均值；
通过该差值的平均值除以该研磨移除率的该平均值计算所得的商；以及
将该商乘以一补偿修正系数。
6、根据权利要求1所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：该根据一初始制程时间研磨该试作晶圆包括：在一化学机械研磨装置中的第一、第二、第三与第四研磨头分别研磨该试作晶圆，且该决定一补偿时间包括通过下列步骤决定每一该研磨头的补偿时间：
分别量测在该第一、第二、第三与第四研磨头从该试作晶圆的研磨移除率；
计算在该第一、第二、第三与第四研磨头处，该目标厚度值与该试作晶圆在研磨后厚度之间的差值；
将该厚度差值除以在每一该研磨头研磨移除率计算每个该研磨头的商；以及
将该商乘以一补偿修正系数。
7、一种化学机械研磨制程控制方法，其特征在于适用于一化学机械研磨装置，具有数个研磨头与一闭回路控制器，包括下列步骤：
提供数个晶圆，具有一组试作晶圆与一组剩余晶圆组，并定义该数个晶圆研磨的目标厚度；
根据一初始制程时间，分别在该研磨头处研磨该试作晶圆，并量测每一该试作晶圆研磨后厚度；
决定该试作晶圆的补偿时间，其中该补偿时间是由该目标厚度与该研磨后厚度差值以及一研磨移除率决定；
将该初始制程时间加上该补偿时间决定该研磨头的更替制程时间；以及
依照该更替制程时间，使该控制器操作该研磨头研磨剩余晶圆。
8、根据权利要求7所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：该试作晶圆组包括有至少两晶圆。
9、根据权利要求7所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：该数个晶圆包括有一浅沟槽隔离结构，该浅沟槽隔离结构具有厚度介于2000到15000的一氧化层，以及深度介于1000到10000的一沟状氧化物深度层。
10、根据权利要求7所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：根据该初始制程时间研磨每片试作晶圆，包括或不包括氧化物研磨轮研磨每片试作晶圆。
11、根据权利要求7所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：决定该试作晶圆的补偿时间，包括下列步骤：
分别量测从该试作晶圆移除材料的速率以得到该研磨移除率；
计算该试作晶圆研磨后厚度与该目标厚度间的差值；
计算该研磨移除率的平均值与该厚度差值的平均值；
通过该差值的平均值除以该研磨移除率的该平均值计算所得之商；
将该商乘以一补偿修正系数。
12、根据权利要求7所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于该根据一初始制程时间研磨该试作晶圆包括：在一化学机械研磨装置中的第一、第二、第三与第四研磨头分别研磨该试作晶圆，且决定该补偿时间包括通过下列步骤决定每一该研磨头的补偿时间：
分别量测在该第一、第二、第三与第四研磨头从该试作晶圆的研磨移除率；
计算在该第一、第二、第三与第四研磨头处，该目标厚度值与该试作晶圆在研磨后厚度值之间的差值；
将该差值除以在每一该研磨头的研磨移除率，计算一商；以及
将该商乘以一补偿修正系数。
13、一种化学机械研磨制程控制方法，其特征在于适用于一金属化学机械研磨制程，包括：
提供数个晶圆，具有一组试作晶圆与一组剩除晶圆，每片该晶圆具有一基材以及该基材上的一金属层结构，并定义该数个晶圆研磨的目标厚度；
以一研磨头，根据一初始制程时间，研磨在每一该试作晶圆上的金属层，并量测每一该金属层研磨后厚度；
决定该试作晶圆的补偿时间，其中该补偿时间是由该目标厚度与该研磨后厚度差值以及一研磨移除率决定；
将该初始制程时间加上该补偿时间决定该研磨头的更替制程时间；以及
根据该研磨头的更替制程时间，研磨该组剩余晶圆上的该金属层。
14、根据权利要求13所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于决定该试作晶圆的补偿时间，包括：
分别量测在该试作晶圆上的该金属层的材料移除率，以得到该研磨移除率；
计算该试作晶圆研磨后厚度与该目标厚度值之间的差值；
计算该研磨移除率的平均值与该厚度差值的平均值；
通过将该厚度差值的平均值除以该研磨移除率的平均值计算一商；以及
将该商乘以一补偿修正系数。
15、根据权利要求13所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于根据一初始制程时间研磨该试作晶圆上的该金属层，包括：在一化学机械研磨装置中的第一、第二、第三与第四研磨头处研磨每一该试作晶圆上的该金属层，且其中决定该补偿时间包括通过下列步骤决定每一该研磨头的一补偿时间：
分别量测在该第一、第二、第三与第四研磨头从该试作晶圆上的该金属层的研磨移除率；
计算在该第一、第二、第三与第四研磨头处，该试作晶圆研磨后厚度值与该目标厚度值之间的差值；
将该差值除以一该研磨头研磨移除率，计算一商；
将该商乘以一补偿修正系数。
16、根据权利要求13所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：还包括设在该金属层中的一双金属镶嵌结构，该双金属镶嵌结构具有一深度1000到3μm邻接金属层的低介电常数介电层，设在该沟槽上的一隔离层，以及设在该隔离层上的一源层。
17、根据权利要求16所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：该金属层是由钨、铜、铝、或钨、铜与铝所构成的合金。
18、根据权利要求16所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：该隔离层为钽、氮化钽或氮化钛。
19、根据权利要求16所述的化学机械研磨制程控制方法，其特征在于：该低介电常数层为镀氟硅酸盐玻璃、黑钻石、丝质物，或无机含氢硅酸盐类低介电常数材料。
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