CN100402236C - 制造半导体元件的方法及其化学机械抛光系统 - Google Patents
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Abstract
制造半导体元件的方法，包括在半导体衬底上形成第一层，提供由第一组份和第二组份组成的混合物，光学检测混合物中第一组份的浓度，并将混合物涂在第一层上。本方法使用的化学机械抛光(CMP)系统(100)包括容器体(110)，它具有第一输入端(111)、CMP研磨剂输出端(113)和CMP研磨剂感应端(114)。CMP系统还包括位于CMP研磨剂感应端附近的折射计(150)。
Description
技术领域
本发明通常涉及制造半导体元件，更具体地说，涉及检测制造半导体元件时使用的混合物组份浓度。
背景技术
化学机械抛光(CMP)研磨剂可以用来平整金属层。这种CMP研磨剂可以包括缓冲液，氧化剂和磨料。氧化剂化学钝化或氧化金属，而磨料物理抛光或去除氧化金属，氧化金属要软于非氧化金属。用来抛光金属钨的CMP研磨剂需要准确数量的氧化剂，这种氧化剂使用寿命非常短。因此，必须在CMP研磨剂中新添加一定数量的氧化剂，以保持必要的化学活性。
判定何时需要增加氧化剂数量的现有技术包括手工技术，如滴定法。典型地，在CMP研磨剂中添加适当数量的氧化剂之前，这些手工技术需要至少一刻钟来完成判定。CMP研磨剂取样和添加氧化剂之间的长时间延迟，产生不良的制造工艺控制。
某些CMP研磨剂的短使用寿命也会在现有的CMP系统中产生其它问题。例如，许多CMP系统使用大的日槽，它装有供一整天或至少一个八小时工作班使用的大量CMP研磨剂。这些日槽占用大量的地面空间并且价格昂贵。并且，必须定期在储存于日槽的几种CMP研磨剂中添加大量的氧化剂。此外，许多新的CMP研磨剂可能具有居留时间或停留时间，在此时间之前可以使用或超过之后CMP研磨剂不能使用。因此，当新一批研磨剂导入日槽和/或旧研磨剂的时间超过它的使用寿命时，日槽中大量的CMP研磨剂可能具有居留时间问题，必须通过化学添加剂使其再生。
因此，制造半导体元件的方法需要包括一种容易、准确和高成本效率地测量并控制混合物中组份浓度的工艺。对于CMP工艺而言，需要一种CMP系统，它可以容易、准确和高成本效率地测量并控制CMP研磨剂中氧化剂或其它时间敏感化学的浓度。
发明内容
制造半导体元件的方法，包括在半导体衬底上形成第一层，提供由第一组份和第二组份组成的混合物，光学检测混合物中第一组份的浓度，并将混合物涂在第一层上。本方法使用的化学机械抛光(CMP)系统包括容器体，它具有第一输入端、CMP研磨剂输出端和CMP研磨剂感应端。CMP系统还包括位于CMP研磨剂感应端附近的折射计。
附图说明
通过参照附图阅读下文的详述，可以更好地理解本发明，其中：
图1是表示按照本发明具体实施方式的部分化学机械抛光系统横截面视图；
图2是表示按照本发明具体实施方式的半导体元件制造方法的流程图；
图3和图4是表示按照本发明具体实施方式的图2中方法的模糊逻辑图；
图5是表示按照本发明具体实施方式的图2中方法的模糊逻辑图表；而
图6是表示按照本发明具体实施方式的图2中方法的另一模糊逻辑图。
为了简要清楚地进行说明，附图说明结构的一般形式，图中的元件没必要按照比例绘制。另外，不同图中的相同标号表示相同的元件，并省略了众所周知的特征和技术的描述和细节，以避免不必要地使本发明难理解。
此外，说明书和权利要求书中的第一，第二，第三，第四，顶部，底部，在...之上(over)，在...之下(under)，上(above)，下(below)等术语中的任何一个，是用来区分相似的元件，而并不必一定是描述相对位置或顺序或时间顺序。但是，应该理解，这里描述的本发明具体实施方式能够以不同于这里描述或表示的方向或顺序操作。应该进一步理解所用的术语在适当的情况下是可以互换的。
具体实施方式
图1表示化学机械抛光(CMP)系统100的局部横截面视图。具体说来，图1表示系统100的化学供应部分。CMP100包括容器体110，它具有第一输入端111，第二输入端112，CMP研磨剂输出端113，CMP研磨剂感应端114，和虚线119表示的CMP研磨剂填充高度。在优选的具体实施方式中，CMP研磨剂输出端113位于CMP研磨剂填充面的下方，而输入端111和112位于CMP研磨剂输出端113的下方。同样在优选的具体实施方式中，CMP研磨剂感应端114位于输出端113和CMP研磨剂填充面的下方，而CMP研磨剂感应端114也位于输入端111和112的上方。下文解释这种优选的输入端111和112，CMP研磨剂输出端113，CMP研磨剂感应端114和CMP研磨剂填充面的相对位置的原因。
容器体110还包括限定容器120的内壁115。在优选的具体实施方式中，壁115是光滑的，但可能会从壁115伸出毛刺(图1没有显示)以增加容器120内的紊流。在优选的具体实施方式中，容器体110和容器120最好密封，以使连接至输入端111，112的泵可以用来通过输入端111，112把研磨剂组份抽入容器体110，也可以用来通过输出端113把研磨剂抽出容器体110。为了密封容器体110和容器120，CMP系统100可以包括柔性O型圈117，刚性盖116，和可移动的机械卡爪118，机械卡爪118用来把盖116连接或固定至容器体110的顶部。O型圈用来提供空气密封。
CMP系统100还可以包括位于容器体110底部的动态混和装置130。装置130动态地混和容器120中的CMP研磨剂。举例来说，装置130可以包括旋转搅拌器或叶片131，它磁性连接至磁驱动器132。在装置130的这种实施方式中，叶片131位于容器120内部，磁驱动器132位于容器120外部。
在CMP系统100的操作中，CMP研磨剂的第一组份可以通过输入端111传递至容器120的底部，CMP研磨剂的第二组份可以通过输入端112传递至容器120的底部。举例来说，第一组份可以是氧化剂，第二组份可以是磨料，它由悬浮液或液态载体中的氧化硅颗粒组成。CMP研磨剂也可以包括其它组份，如缓冲液。当CMP研磨剂的组份以理想的比率导入容器120时，装置130动态地把组份混和在一起形成CMP研磨剂。因此，装置130最好位于输入端111和112的附近，这样CMP研磨剂的组份导入容器120后可以立即混和在一起。当CMP研磨剂混和时，增加导入容器120中的CMP研磨剂组份数量，以增加容器120中的CMP研磨剂数量至虚线119表示的CMP研磨剂填充面。
CMP系统100还包括连接至输入端111的泵171。泵171促使CMP研磨剂的第一组份通过输入端111进入容器120。另外，CMP系统100包括连接至输入端112的泵172。泵172促使CMP研磨剂的第二组份通过输入端112进入容器120。泵171和172也可以用来促使CMP研磨剂通过输出端113排出至容器体110外，并将CMP研磨剂传递至半导体、绝缘体或要平整或去除的金属层。
CMP系统100还包括光学传感器或折射计150，位于CMP研磨剂感应端114附近。折射计150的第一部分位于容器120的外部，而折射计150的第二部分位于容器120的内部。具体说来，折射计150的第二部分贯穿CMP研磨剂感应端114，从壁115进入容器120。
在优选定具体实施方式中，折射计150的第二部分在容器120内伸出至壁115之外。但是，折射计150的第二部分不延伸至容器120的中心部分，以使界面152不位于CMP研磨剂的涡流中，而是位于容器120中CMP研磨剂的相对高切向速度区。在优选定具体实施方式中，CMP研磨剂感应端114和界面152位于虚线119表示的CMP研磨剂填充面的下方，以避免测量或感应容器120内CMP研磨剂上方的蒸汽。
举例来说，折射计150可以是REFRAC DS型处理折射计(ProcessRefractometer)，能够从Rosemount Analytical公司Uniloc分部，加利福尼亚Irvine公司购买。这种实施方式的折射计150包括棱镜151，和CMP研磨剂和棱镜151之间的界面152。举例来说，棱镜151可以由蓝宝石组成。
折射计150通过机械卡爪153可移动地连接或固定至容器体110，而O型圈154位于CMP研磨剂感应端114的壁和折射计150之间，目的是在折射计150和感应端114之间提供空气密封。当CMP研磨剂导入容器120并在容器120中朝CMP输出端113推进时，CMP研磨剂的运动经过感应端114和折射计150，这样折射计150可以检测CMP研磨剂中第一组份的浓度。在优选定具体实施方式中，第一组份由过氧化氢组成。
CMP系统100还包括连接至CMP研磨剂输出端113的流动速率传感器160。传感器160测量通过CMP研磨剂输出端113输出容器120的CMP研磨剂的流动速率。传感器160可以是电平传感器(levelsensor)，但最好是瞬时流动传感器。如参照图2至图5详细解释的那样，流动速率传感器160提供第一信号，以调整通过输入端111和进入容器体110的CMP研磨剂的第一组份的流动速率。折射计150提供第二信号，以调整通过输入端111和进入容器体110的CMP研磨剂的第一组份的流动速率。
CMP系统100还包括图1所没有表示，但被本领域技术人员知道的其它特征。例如，CMP系统100还包括CMP研磨剂的第一和第二组份的供应罐。供应罐可以连接至泵171和172。CMP系统100还包括承载组件，用来支撑具有可选的多个金属和绝缘体层的半导体衬底。CMP系统100还包括压板(platen)，用来机械抛光半导体衬底或其绝缘体或金属层。
图2表示制造半导体元件的方法200的流程图。方法200使用CMP系统100(图1)。在图2中方法200的205步，提供半导体衬底。半导体衬底可以包括至少一种覆盖半导体支撑层的半导体外延层。接下来，在方法200的210步，半导体衬底中形成多个半导体器件。接着，在方法200的215步，形成覆盖半导体衬底和半导体器件的第一层。举例来说，第一层可以是由二氧化硅或氮化硅组成的绝缘体层。但是，在优选的具体实施方式中，第一层包括一种金属，如铜，铝，钛，或钨。当包括一种金属时，第一层可以用作互连层。
在方法200的220步，提供混合物的第一和第二组份并混合在一起。在优选的具体实施方式中，混合物为CMP研磨剂；第一组份是氧化剂，例如过氧化氢；第二组份为磨料，例如悬浮在液态载体中的氧化硅颗粒。混合物还可以包括那些CMP工艺领域的技术人员所知道的其它组份。在优选的具体实施方式中，第一和第二组份在图1所示的容器120内混合或组合在一起。同样在优选的具体实施方式中，第一和第二组份通过如图1所示的装置130动态地混合在一起。还是在优选的具体实施方式中，第一和第二组份混合在一起形成均匀的混合物或溶液，有利于均匀的CMP处理。
当第一组份由过氧化氢组成时，由于过氧化氢分解为氧气和水，混合物具有有限寿命。因此，在图2所示的方法200的可选225步，第一组份的第一添加量可以以第一注入速率或泵排出容积速率(pumpoutput volumetric rate)加入混合物中。举例来说，图1中的泵171可以以第一行程速度和第一行程容积操作，以提供第一注入速率。泵171可以用来把第一组份加入图1所示的容器120中。在图2的可选225步中，第二组份也可以添加至混合物。举例来说，图1中的泵172可以用来把第二组份添加至图1所示的容器120中。
接下来，在图2所示的方法200的230步，光学检测或测量混合物中第一组份的浓度。例如，折射计150(图1)可以用来快速执行230步。在优选的具体实施方式中，在动态混合第一和第二组份的同时，230步在容器120(图1)中原位执行。与缓慢的滴定法工艺相比，这种快速、自动和原位测量提供了更准确的第一组份浓度的测量方法。
230步包括测量部分混合物的折射率。在优选的具体实施方式中，混合物的一部分包括CMP研磨剂中的界面层。例如，界面层是包括第一组份，或氧化剂的液态界面层，而缺乏第二组份，或磨料颗粒。液态界面层还包括其它CMP研磨剂的液态组份，例如研磨剂颗粒的液态载体。在优选的具体实施方式中，液态界面层位于每个磨料颗粒的周围。为了测量这种界面层的折射率，折射计通过一种固体材料，例如棱镜151(图1)，向棱镜151和容器120(图1)中的CMP研磨剂之间的界面152(图1)发射光线。折射计光学测量界面152的光线反射角，从而确定围绕CMP研磨剂磨料颗粒的液态界面层的折射率。折射计可以设定为测量指定范围的折射率。例如，当棱镜151包括蓝宝石和第一组份包括过氧化氢时，折射率的范围可以是大约1.333至1.340。所测量的折射率与混合物中第一组份的浓度成线性正比。这种折射率测量方法不受颜色、紧涨度(turgidity)、云雾(clouding)、固体(solid)、固体浓度或混合物流动速率等因素的影响。230步中测定的浓度接着用来确定混合物中第一组份的第二注入速率。
接着，在方法200的235步，检测或测量混合物的流动速率。例如，图1中的流动速率传感器160可以用来执行图2中的235步。235步中测定的流动速率接着用来确定混合物中第一组份的第二注入速率。230步和235步的顺序可以颠倒。
接下来，在方法200的240步，230步中测定的浓度和235步中测定的流动速率被用来确定模糊逻辑参数或变量。例如，230步测量的折射率可以被折射计150(图1)转换为第一信号。例如，第一信号可以是电流或电压。这个第一信号随后被转换为至少一个，也可能两个模糊逻辑参数或变量。并且，235步中测定的流动速率通过流动速率传感器160(图1)被转换为第二信号。例如，这个第二信号可以是电流或电压。这个第二信号随后被转换为至少一个，也可能两个附加模糊逻辑参数或变量。这种转换为模糊逻辑变量的细节参照图3和图4详细描述。
在方法200的245步，利用模糊逻辑变量来确定混合物中第一组份的第二注入速率或泵行程速率(pump stroke rate)。245步的细节在下文中参照图5和图6详细解释。举例来说，230，235，240和245步可以在30秒内完成。
接下来，在方法200的250步，第一组份的第二添加量以第二注入速率添加至混合物中。大多数情况下第二注入速率可能将不同于第一注入速率。举例来说，图1中的泵171可以以第二速度操作，以提供第二注入速率。泵171可以用来把第一组份加入图1所示的容器120中。在图2的250步中，第二组份也可以添加至混合物。举例来说，图1中的泵172可以用来把第二组份添加至图1所示的容器120中。
接着，在方法200的255步，将混合物涂在半导体衬底的第一层上，而在方法200的260步，混合物被用以化学机械抛光，以平整或去除第一层。
图3表示图2所示的方法200中使用的模糊逻辑图。图3中的这个图表把来自折射计的第一信号转换为至少一个模糊逻辑变量。图3中第一信号是电流。图中的x轴或横轴代表折射计的输出电流。此x轴的刻度范围是大约4毫安(mA)至20毫安。y轴或纵轴代表模糊逻辑变量的模糊等级。y轴的刻度范围是0至1。图3表示的模糊逻辑变量包括负低(NL)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZR)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PL)。在统计过程控制(SPC)方法中，NS和PS模糊逻辑变量可以代表控制界限，NM后PM模糊逻辑变量可以代表规格界限(specification limit)。举例来说，折射计可以把折射率转换为大小约11mA的电流，而图3的图表用来把11mA的输出电流转换为两个不同的模糊逻辑变量。第一模糊逻辑变量是具有约0.8模糊等级的NS，第二模糊逻辑变量是具有约0.2模糊等级的NM。
图4表示图2所示的方法200中使用的模糊逻辑图。图4中的这个图表把来自流动速率传感器的第二信号转换为至少一个模糊逻辑变量。图4中第二信号是电流。图中的x轴或横轴代表流动速率传感器的输出电流。此x轴的刻度范围是大约4mA至20mA。y轴或纵轴代表模糊逻辑变量的模糊等级。y轴的刻度范围是0至1。图4表示的模糊逻辑图表也包括七个模糊逻辑变量：NL，NM，NS，ZR，PS，PM，和PL。在SPC方法中，NS和PS模糊逻辑变量可以代表控制界限，NM后PM模糊逻辑变量可以代表规格界限。举例来说，流动速率传感器可以把流动速率转换为大小约16mA的电流，而图4的图表用来把16mA的输出电流转换为两个不同的模糊逻辑变量。第一模糊逻辑变量是具有约0.6模糊等级的PS，第二模糊逻辑变量是具有约0.4模糊等级的PM。
图5表示图2所示的方法200中使用的模糊逻辑图表。图5中的这个图表把来自图3和图4的模糊逻辑变量转换为其它的模糊逻辑变量。图5中图表包括七列，分别代表图3中的七个模糊逻辑变量，图5中图表还包括七行，分别代表图4中的七个模糊逻辑变量。图3中确定的两个模糊逻辑变量是NS和NM，图4中确定的两个模糊逻辑变量是PS和PM。图5所示的图表中这四个模糊逻辑变量的交叉产生了四个其它的模糊逻辑变量。例如，NM列和PM行的交叉产生了一个模糊逻辑变量PM，而NM列和PS行的交叉产生了一个模糊逻辑变量PM。另外，NS列和PM行的交叉产生了一个模糊逻辑变量PM，而NS列和PS行的交叉产生了一个模糊逻辑变量PS。因此，四个最后所得的模糊逻辑变量为PM，PM，PM，和PS。这四个模糊变量平均产生一个复合模糊逻辑变量，它由约75％的PM和25％的PS组成。
图6表示图2所示的方法200中使用的另一模糊逻辑图表。图6中的这个图表把图5中的复合模糊逻辑变量转换为混合物中第一组份的第二注入速率。图6中的x轴或横轴代表泵的输入电流，它控制第二注入速率。此x轴的刻度范围是大约4mA至20mA。y轴或纵轴代表复合模糊逻辑变量的模糊等级。y轴的刻度范围是0至1。图6中的图表包括七个模糊逻辑变量：NL，NM，NS，ZR，PS，PM和PL。继续图5中的例子，75％的PM和25％的PS组成的复合模糊逻辑变量产生了图6中大约15.5mA大小的电流。这个电流施加于第一组份的泵上。举例来说，这个15.5mA的电流可以施加于图1申的泵171上，以形成混合物中第一组份的第二注入速率。
因此，提供了一种改进的半导体元件制造方法和化学机械抛光系统，以克服现有技术的缺点。三十秒的光学检测周期相比现有技术的十五分钟滴定周期要快得多，也更准确。光学检测是联机(in-line)和非侵入(non-intrusive)的。不需要脱机采样，也不需要试剂。因此，使用CMP系统或这里描述的方法所需的培训最小化。并且，估计本光学系统相比传统的滴定系统要便宜大约30,000.00至70,000.00美元。因此，本方法和系统也是成本有效的。此外，模糊逻辑控制系统提供了更快和更准确的反应，它不会越过预定的目标，也不会在预定目标附近摆动。
尽管已经参照具体的实施方式描述了本发明，本领域的技术人员应该理解在不偏离本发明的精神和领域的前提下，可以做出各种改变。例如，这里提出的许多细节，如提供混合物组份的组成，是为了促进本发明的理解，而不是限制本发明的领域。并且，混合物或CMP研磨剂的组份可以根据要抛光或平整的材料不同而改变。另外，模糊逻辑可以用来调节泵行程体积而不是泵行程速度，或除调节泵行程速度之外，还调节泵行程体积。此外，这里描述的方法并不限于CMP工艺，也可以用在其它的工艺，如半导体晶片清洗，其中溶质的折射率不同于溶剂的折射率，根据它在溶剂中的浓度提供了重大的折射率变化。因而，公开本发明的实施方式，其目的是为了说明本发明的领域，而不是限制本发明的领域。本发明的领域只受限于所附权利要求书要求的范围。
Claims (6)
1.一种化学机械抛光系统，包括：
具有第一输入端、化学机械抛光研磨剂输出端和化学机械抛光感应端的容器体；以及
邻近化学机械抛光研磨剂感应端的折射计。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光系统，其中：
所述容器体具有化学机械抛光研磨剂填充高度；
所述折射计的第一部分位于所述容器体的外部；
所述折射计的第二部分位于所述容器体的内部；并且
所述化学机械抛光研磨剂感应端位于所述容器体中的化学机械抛光研磨剂填充高度之下、第一输入端之上和化学机械抛光研磨剂输出端之下。
3.如权利要求1所述的化学机械抛光系统，其中：
所述容器体包括限定容器的内壁；并且
所述折射计延伸穿过所述化学机械抛光研磨剂感应端，从所述内壁进入所述容器。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光系统，还包括：
连接到所述化学机械抛光研磨剂输出端的流动速率传感器；以及
容器体内的动态混合装置，其中：
所述容器具有第二输入端；以及
所述化学机械抛光研磨剂感应端位于所述第一输入端之上、所述第二输入端之上、所述动态混合装置之上和所述化学机械抛光研磨剂输出端之下。
5.如权利要求4的化学机械抛光系统，其中：
所述流动速率传感器提供第一信号，以调节经过所述第一输入端并进入所述容器体的化学机械抛光研磨剂第一组份的流动速率；并且
所述折射计提供第二信号，以调节经过所述第一输入端并进入所述容器体的化学机械抛光研磨剂第一组份的流动速率。
6.如权利要求1的化学机械抛光系统，其中所述折射计提供信号，以调节经过所述第一输入端并进入所述容器体的化学机械抛光研磨剂第一组份的流动速率。
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