CN100411109C - 研磨晶圆的材料层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种研磨晶圆的材料层的方法，具体为研磨半导体晶圆上的材料层至目标厚度的方法。此方法包括：根据标准值、现行化学机械研磨装置的材料移除速率、以及偏差厚度，在由半导体晶圆上的材料层想要移除的厚度的基准上，去计算补偿移除速率，其中，偏差厚度等于使用现行材料移除速率所会达成的材料层的厚度与材料层的目标厚度之间的厚度差。然后，将计算所得的补偿移除速率程序化并放入化学机械研磨装置的控制器内，此化学机械研磨装置则根据计算所得的补偿移除速率来达成所需要的材料层的厚度。本发明所述的方法可用于补偿研磨过度或研磨不足的晶圆，以增进化学机械研磨操作的精确度。

Description

研磨晶圆的材料层的方法
技术领域
本发明是有关于一种在集成电路制程中研磨半导体晶圆基板的装置及方法，且特别有关于一种改良的方法，此方法用于补偿研磨过度或研磨不足的晶圆，以增进化学机械研磨操作的精确度。
背景技术
用于研磨平薄的半导体晶圆的装置通常包括一个研磨头，其具有用于使半导体晶圆与一润湿的研磨表面(例如，研磨垫)贴近的薄膜。借着一空气加压系统或类似的装置使研磨头往下压向研磨表面，而使研磨头下压至研磨表面的力量可以被调至所要的值。研磨头通常被安装于一具有可延伸的转动轴的承载臂(elongated pivoting carrier arm)上，此承载臂可以将压力头(pressure head)移动至许多操作位置。为了将晶圆从研磨表面移开，承载臂会先向上转动以将压力头及晶圆从研磨表面举起。然后，承载臂横向转动以将压力头及压力头上的晶圆移至一个辅助的晶圆制程站(auxiliary processing station)。例如，此辅助的晶圆制程站可以包括：一个清洁晶圆及/或研磨头的站、一个晶圆卸载站、或一个晶圆装载站。
最近，有人将化学机械研磨(chemical-mechanicalpolishing；CMP)装置与一气动式(pneumatically actuated)研磨头组合使用。在半导体元件的制程中，化学机械研磨装置主要用于研磨半导体晶圆的正面或元件侧面。为了使晶圆的上表面尽可能平整，在制程中会将晶圆平坦化一次或数次。晶圆被置放于一载具(carrier)上，并且被向下压至一研磨垫上，研磨垫上则覆盖着二氧化硅胶体的研磨浆或含铝的去离子水。
化学机械研磨的原理包括化学与机械效应的组合。化学机械研磨制程的机制可能包括：在欲移除的材料层的表面，因为化学反应的关系而生成一受到改变的特定层，接着以机械的方式将此受到改变的特定层由此材料层移除。当化学机械研磨制程重复时，此受到改变的特定层就会重新生成。例如，在金属研磨中，一金属氧化物可能会分别生成及被移除。
研磨垫通常由位于一平台上形成的两层所构成，并且外层是一弹性层。上述各层通常由聚氨酯形成，而且可能包括填充料(filler)，以控制上述各层的尺寸稳定性(dimensionalstability)。上述研磨垫经常是晶圆直径的数倍大，并且尽量将晶圆置于偏离研磨垫中心的位置，以防止用不平整的表面研磨晶圆。而且晶圆也会转动，以防止椎状物产生。虽然晶圆的转动轴与研磨垫的转动轴不在同一直在线，但是彼此必须是平行的。
由于化学机械研磨的研磨头在晶圆的整个区域上的研磨速率并非定值，所以晶圆的整个区域上会有厚度变化，而成为非均一性的主因。在改良的化学机械研磨的研磨头的设计中，即使使用一气动式系统(pnematic system)将晶圆表面压至研磨垫上，但是却无法选择性地在晶圆表面上不同位置施加不同压力。晶圆上最高点与最低点的厚度差异几近2000埃之多，导致472埃或6.26％的标准差。晶圆边缘部分的移除速率大体上高于晶圆中心或其邻近部分的移除速率。因此经过此化学机械研磨制程的晶圆，其厚度均一性是相当差的。
参考图1A，传统化学机械研磨装置50包括整理头52(conditioning head)、研磨垫56、以及位于研磨垫56上方的研磨浆传输臂54(slurry delivery arm)。上述整理头52包括置于整理臂58上的整理盘68，其中整理臂58可以延伸至研磨垫56的上方，并针对整个研磨垫56的表面进行清扫动作。研磨浆传输臂54配置研磨浆供给喷嘴62(slurry dispensing nozzle)，用于供给研磨浆溶液于研磨垫56的上表面60。进一步在上表面60提供表面沟槽64，使得研磨浆的分布更容易，并且收集在研磨制程中由凝聚的研磨浆溶液产生的微粒或由外界落在研磨垫56上的微粒。虽然表面沟槽64对于研磨浆的分布有相当大的帮助，但是当研磨垫56的上表面60经过长时间使用而逐渐劣化破损时，也会产生制程上的问题。
整理盘68可能有几种型式。一种传统的黄铜制格子型(brazed grid-type)整理盘是以随机配置的方式将钻石微粒嵌入或封入一不锈钢基板的表面而形成。一种传统的晶粒网状型式(dia grid-type)整理盘是以规则配置的方式，将切割过的钻石嵌入一涂布于不锈钢基板表面上的镍薄膜内。此些钻石通常被涂上一层类钻碳(diamond-like carbon；DLC)。
化学机械研磨装置50通常更包括配置于转动轴72上的研磨头70，上述转动轴72位于研磨垫56的上表面60的上方。如图1B所示，研磨头70抓住晶圆74并在研磨垫56的上表面60上转动，以研磨晶圆74。在使用化学机械研磨装置研磨晶圆之前，通常需要一点时间温热研磨垫56并且使得研磨浆可以更容易地由研磨浆容器(未显示)流至研磨浆传输臂54。这样有助于提升晶圆的研磨均一性。
在半导体制程中，研磨垫56是一种耗材。在正常的晶圆制程情况下，研磨垫56使用12小时即更新。研磨垫可以是硬的、不可压缩的，也有软的。对于氧化物的研磨，一般使用硬的研磨垫达成所需的平坦度。软的研磨垫通常用于其它的研磨制程，以达成更好的均一性及平滑表面。因应特殊的应用，亦可结合硬的及软的研磨垫而成不同组合的堆栈式研磨垫。
在氧化物平坦化制程中，使用研磨垫时常会遇到研磨速率快速退化的问题。退化的起因即是为人所熟知的“研磨垫光滑化”(pad glazing)，也就是研磨垫的表面变得光滑，以致于无法再将研磨浆保留在其表面上。此种研磨垫表面的物理现象不是由研磨垫与研磨浆之间的任何化学反应所引起的。
为了补救研磨垫光滑化效应，已经有许多方法如研磨垫整理(pad conditioning)或擦洗(scrubbing)已经被提出，以再生或重建研磨垫表面，进而重建研磨垫的研磨速率。研磨垫整理技术包括：使用碳化硅(silicon carbide)、钻石金刚砂纸(diamondemery paper)、刀片或刀子；其中，刀片或刀子用于刮除研磨垫表面。整理制程(conditioning process)的目的在于移除研磨垫表面的研磨碎屑，并且借着在研磨垫表面形成微小刮痕(micro-scratches)而重开一些小孔，以延长研磨垫的寿命。制程可以在研磨制程中或后执行。虽然研磨垫整理制程改良了研磨垫的坚硬度与寿命，但是对于重复使用过的研磨垫而言，传统的整理盘却经常无法有效地整理其表面。
在化学机械研磨操作之前，每一晶圆皆会典型地通过化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)制程或其它制程，相继地沉积材料层于其上。这些材料层例如包括导电层、绝缘层、接触窗层(via layer)，及金属间介电层(intermetal dielectric；IMD)。后续的化学机械研磨操作因为装置元件精确的尺寸控制而使每一层达到想要的厚度。然而，在现代的半导体制造设备中，不同批的晶圆经常于不同的CVD反应室制造，因此沉积在晶圆上的材料层厚度也就随生产批次而变化。
化学机械研磨装置是根据编入于本身的控制器(未显示)的参数而执行研磨操作。因为晶圆上的各材料层需研磨至不同厚度，所以每一层皆有自身的研磨参数。研磨参数包括向下压力及研磨时间等变量。如前所述，不同批次的晶圆经由不同的CVD反应室制造，所以不同批的晶圆之间，相同材料层的厚度也不尽相同，当这些不同批的晶圆皆在化学机械研磨装置下以相同的研磨参数研磨时，便会产生研磨过度或研磨不足的现象。因为这个原因，针对每一层的研磨参数皆编入一补偿移除速率以降低不精确性，并且使得各层更容易且精确地研磨至想要的厚度。
上述的传统的研磨补偿制程包括：使用一计算机服务器及支持软件，其中支持软件包括表1及表2，以协助个人针对同一批次的每一晶圆的每一层选择正确的补偿研磨速率。表1包括不同批次的晶圆的连续清单，显示每一批晶圆欲移除的各层。以下是表1的一个范例：
表1
  生产ID(批)   层
  TMA001   VIA1CMP
  TMA001   VIA2CMP
  TMA001   VIA3CMP
  TMA001   VIA4CMP
  TMA002   VIA1CMP
  TMA002   VIA2CMP
  TMA002   VIA3CMP
  TMA002   VIA4CMP
表2显示于服务器上，其包括高、低限制值，此些限制值是针对表1中欲移除的每一层，配以适当的研磨参数，以得到一个落在想要范围内的目标层厚度。以下是表2的一个范例：
表2
 低THK限制  高THK限制   参数
 22000  22200   IMD84.CAS
 22200  22400   IMD86.CAS
  22400   22600   IMD88.CAS
  22600   22800   IMD9.CAS
  22800   23000   IMD92.CAS
  23000   23200   IMD94.CAS
  23200   23400   IMD96.CAS
  23400   23600   IMD98.CAS
利用表格辅助(table-based)以补偿化学机械研磨的不准确性的传统方法中存在的问题之一，为了尽可能达到一个接近目标层的厚度，此方法可借由增加量(increments)来矫正研磨过度或研磨不足的量。如表2所示，晶圆上每一层可借由200埃的增加量调整研磨过度或研磨不足的量，以尽可能达到接近目标的层厚度。例如，对于晶圆上某一特定层的正常研磨参数而言，可能会导致比目标层厚度厚110埃的误差。如果使用补偿移除速率的参数的话，则化学机械研磨装置会将此特定层过度研磨，并从晶圆上多移除200埃的厚度，而使得此层较目标层厚度薄90埃(200～110)。
另外一个例子则是，对于晶圆上某一特定层的正常研磨参数而言，可能会导致比目标层厚度薄280埃的误差。但如果使用补偿移除速率的参数，则化学机械研磨装置会使此特定层研磨不足，并在晶圆上多留下200埃的厚度，而使得此层较目标层厚度厚80埃(280～200)。
传统方法中存在另外一个问题为，程序所需的软件占去服务器的硬盘非常大的空间。因此，需要一种新的且改良的方法，以补偿晶圆的化学机械研磨制程中的不准确性。
发明内容
本发明的主要目的之一就是提供一种新的以及改良的方法，以补偿在化学机械研磨制程中从晶圆移除材料层的材料厚度的变化。
本发明的另一主要目的就是提供一种新的以及改良的方法，让使用化学机械研磨操作的晶圆的各层达到精确的厚度。
本发明的另一主要目的就是提供一种新的以及改良的方法，以计算从晶圆移除材料层的补偿移除速率。
本发明的又一主要目的就是提供一种方法，以使得晶圆的材料层在化学机械研磨操作中能达到精确的厚度。
本发明的其它主要目的之一就是提供一种方法，以便可以连续地从化学机械研磨装置上的晶圆移除材料至所需的厚度，以补偿研磨过度或研磨不足的问题。
本发明的又一主要目的就是提供一种方法，用于化学机械研磨的移除速率的补偿；相对于传统方法而言，此方法在服务器上只需要一较低的容量，并且亦于使用及维修。
为达上述与其它目的，本发明应用一种新的以及改良的方法以研磨半导体晶圆上的材料层至目标厚度。此方法包括：根据标准值、现行化学机械研磨装置的材料移除速率、以及偏差厚度(offset thickness)，在由半导体晶圆上的材料层想要移除的厚度的基准上，去计算补偿移除速率(compensated removal rate)；其中，偏差厚度等于使用现行材料移除速率所会达成的材料层的厚度与材料层的目标厚度之间的厚度差。然后，将计算所得的补偿移除速率程序化并放入化学机械研磨装置的控制器内，此化学机械研磨装置则根据计算所得的补偿移除速率来达成所需要的材料层的厚度。
本发明所述的方法包括根据下列公式计算一个补偿移除速率：补偿移除速率＝(非补偿厚度/(非补偿厚度+偏差厚度))×现行移除速率。
其中此“非补偿厚度”是根据一个标准值而欲从晶圆上的材料层移除的材料厚度；此“偏差厚度”等于使用现行材料移除速率所会达成的材料层的厚度与材料层的目标厚度之间的厚度差；以及“现行移除速率”是指此现行化学机械研磨装置的材料移除速率。
本发明所述的研磨晶圆的材料层的方法，该决定一个偏差厚度包括下列步骤：决定一个指定的材料层厚度；决定一个目标材料层厚度；以及决定一个该指定的材料层厚度与该目标材料层厚度之间的差值。
本发明所述的研磨晶圆的材料层的方法，该决定一个现行移除速率包括下列步骤：提供一个样品晶圆；提供一个样品层于该样品晶圆上；以及研磨该样品层。
本发明所述的研磨晶圆的材料层的方法，该决定一个偏差厚度包括下列步骤：决定一个指定的材料层厚度；决定一个目标材料层厚度；以及决定一个该指定的材料层厚度与该目标材料层厚度之间的差值。
本发明所述的研磨晶圆的材料层的方法，包括下列步骤：根据一标准总晶圆厚度，决定一个欲从该材料层移除的非补偿厚度；决定一个偏差厚度；决定一个现行移除速率；使用该非补偿厚度、该偏差厚度、及该现行移除速率以计算一个补偿移除速率；以及根据该补偿移除速率研磨该材料层。
本发明所述的研磨晶圆的材料层的方法，包括下列步骤：决定一个欲从该材料层移除的非补偿厚度；决定一个偏差厚度；决定一个现行移除速率；使用该非补偿厚度、该偏差厚度、及该现行移除速率以计算一个补偿移除速率；将该补偿移除速率程序化并输入该化学机械研磨装置；以及根据该补偿移除速率，使用该化学机械研磨装置研磨该材料层。
本发明所述的研磨晶圆的材料层的方法，可用于补偿研磨过度或研磨不足的晶圆，以增进化学机械研磨操作的精确度。
附图说明
图1A为一典型的习知化学机械研磨装置的俯视图，用以化学机械研磨半导体晶圆基板；
图1B为图1A的习知化学机械研磨装置的研磨头的侧视图，且在化学机械研磨操作中具有一晶圆(侧视图)置放于研磨头与研磨垫之间；
图2为具有根据本发明的方法进行研磨的材料层的晶圆的剖面图；
图3为一根据本发明的方法的一系列步骤的流程图。
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
大体而言，本发明应用一种新的以及改良的方法以研磨半导体晶圆上的材料层至目标厚度。上述方法包括：计算以化学机械研磨制程进行研磨或薄化的特定材料层的补偿移除速率。上述方法计算每一晶圆经过不同CVD或其它制程反应室沉积的特定层的厚度变化，并补偿化学机械研磨的研磨参数，以达到想要的目标层厚度，并且借以发挥此方法对制造于晶圆上的元件的尺寸控制能力。简而言之，此方法包括：根据标准值的非补偿(non-compensated)厚度、现行化学机械研磨装置的材料移除速率、以及偏差厚度(offset thickness)等变量，然后使用一数学式去计算补偿移除速率。其中，偏差厚度等于使用现行材料移除速率所会达成的材料层的厚度与材料层的目标厚度之间的厚度差异。另外，非补偿厚度变量用于表示欲从晶圆上的材料层移除的材料的厚度。然后，将计算所得的补偿移除速率程序化并输入化学机械研磨装置的控制器内，此化学机械研磨装置则根据计算所得的补偿移除速率来达成所需要的材料层的厚度。
参考图2，根据本发明的方法，晶圆10包括典型的硅基板12。材料层14沉积于硅基板12上，而沉积的方式可以使用化学气相沉积法(chemical vapor deposition；CVD)，其可以是传统的方式。上述材料层14可以是一导电层或是一绝缘层，上述绝缘层例如为用于形成接触窗的接触窗层(via layer)，或是一金属间介电层(intermetal dielectric；IMD)。另外，也可以在硅基板12与材料层14之间形成额外的材料层(未显示)。经过上述步骤后，晶圆10包括硅基板12、材料层14，并具有一总晶圆厚度16。在后续的元件制程之前，必须使用化学机械研磨装置将材料层14进行研磨或薄化，直到晶圆10达到一目标晶圆厚度20为止。在目标晶圆厚度20下，材料层14具有一适合于元件制造的目标层厚度26。
使用非补偿研磨参数(non-compensated recipe)研磨材料层14的化学机械研磨装置，其研磨速率通常是以一个大抵可以粗估任何晶圆10的总晶圆厚度16的标准值来加以决定。假设所有的晶圆10具有一相当于标准值的总晶圆厚度16，则非补偿研磨参数会使得每一晶圆10具有目标层厚度26及目标晶圆厚度20。然而实际上，当晶圆10在不同的CVD或其它制程反应室中制造时，有许多的因素使得总晶圆厚度16产生些许变化，而异于标准值。同一批的晶圆10是在相同的制程反应室中制造，因此大体上有相同的总晶圆厚度16。所以，指定的晶圆厚度18是以每一个晶圆的标准值为基准，在非标准的实际晶圆10之上，针对材料层14使用非补偿研磨参数所得到的实际厚度。对同一批晶圆使用非补偿研磨参数研磨材料层14，可能会导致由材料层14移除一非补偿厚度24，而使得每一晶圆达到指定的晶圆厚度18。指定的晶圆厚度18经常大于目标晶圆厚度20，如图2所示。在其它实施例中，指定的晶圆厚度18也可以小于目标晶圆厚度20。指定的晶圆厚度18与目标晶圆厚度20之间的差值即是偏差厚度22。根据晶圆10所包含的材料层的数目及个别厚度，总晶圆厚度16的范围通常大抵介于20000至26000埃之间。
再次参考图2至图3，根据本发明的方法，欲从材料层14移除的材料的非补偿厚度24，是以晶圆10的总厚度的标准值为基准，根据此技术领域中的人士所熟知的技艺加以决定，如图3步骤S1所示。通常，非补偿厚度24及晶圆10的总厚度的标准值是使用一样品或形成有材料层的控制晶圆(control wafer)加以决定，其中，欲从上述控制晶圆移除的材料层，是在理想的制程条件下沉积而成。非补偿厚度24通常是非补偿化学机械研磨的研磨参数所需用于从材料层14移除的值，而且假如化学机械研磨操作确实根据非补偿化学机械研磨的研磨参数执行的话，则会得到指定的晶圆厚度18。非补偿厚度24可以是介于500(或更低)至12000埃之间，但是依据不同的应用而有更广的厚度范围。接着，将指定的晶圆厚度18减去目标晶圆厚度20，即得到偏差厚度22，如图3步骤S 2所示。偏差厚度22通常可以介于1至1000埃之间，视不同应用而定。然后，如图3步骤S3所示，用于移除材料层14的现行化学机械研磨装置的材料移除速率，是使用一个具有材料层的样品晶圆(sample wafer)(未显示)加以决定，其中样品晶圆的材料层(样品层，sample layer)和晶圆10的材料层14具有相同组成。现行移除速率通常可以介于1000至5000埃/分钟之间或者更高，视材料层14的材料而定。
之后，上述决定的非补偿厚度24、偏差厚度22、以及用于移除材料层14的现行化学机械研磨装置的材料移除速率代入如下的公式(I)，即可计算补偿移除速率(removal rate；RR)：
公式(I)：
补偿移除速率＝(非补偿厚度/(非补偿厚度+偏差厚度))×现行移除速率。
补偿移除速率是被化学机械研磨装置当作补偿研磨参数，用以将材料层14研磨至目标晶圆厚度20。因此，如图3步骤S5所示，将前述的公式(I)计算所得的补偿移除速率程序化并输入化学机械研磨装置的控制器内。接着，上述化学机械研磨装置是根据补偿研磨参数研磨材料层14，直到晶圆10达到目标晶圆厚度20为止，如图3步骤S6所示。
借由以下的例子，将本发明的方法加以详细说明：
对一批的晶圆进行化学气相沉积，以沉积一层间介电层于晶圆上。欲从此批的每一晶圆移除的IMD层的非补偿厚度是9000埃。偏差厚度(或者指定的晶圆厚度18与目标晶圆厚度20之间的差值)是为200埃。而现行化学机械研磨装置的材料移除速率为3000埃/分钟。将这些值代入上述的公式(I)可得到补偿移除速率为2934.8。将这个补偿移除速率值程序化并输入化学机械研磨装置的控制器内。接着，上述化学机械研磨装置是根据程序化的补偿移除速率研磨IMD层，直到IMD层达到目标晶圆厚度。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
10：晶圆
12：硅基板
14：材料层
16：总晶圆厚度
18：指定的晶圆厚度
20：目标晶圆厚度
22：偏差厚度
24：非补偿厚度
26：目标层厚度
50：化学机械研磨装置
52：整理头
54：研磨浆传输臂
56：研磨垫
60：上表面
62：研磨浆供给喷嘴
64：表面沟槽
68：整理盘
70：研磨头  72：转动轴  74：晶圆
S1～S6：根据本发明的方法的步骤。

Claims (6)

1. 一种研磨晶圆的材料层的方法，其特征在于所述研磨晶圆的材料层的方法包括下列步骤：
决定一个欲从该材料层移除的非补偿厚度；
决定一个偏差厚度；
决定一个现行移除速率；
使用如下公式计算一个补偿移除速率：
补偿移除速率＝(非补偿厚度/(非补偿厚度+偏差厚度))×现行移除速率；以及
根据该补偿移除速率研磨该材料层。
2. 根据权利要求1所述的研磨晶圆的材料层的方法，其特征在于该决定一个偏差厚度包括下列步骤：
决定一个指定的材料层厚度；
决定一个目标材料层厚度；以及
决定一个该指定的材料层厚度与该目标材料层厚度之间的差值。
3. 根据权利要求1所述的研磨晶圆的材料层的方法，其特征在于该决定一个现行移除速率包括下列步骤：
提供一个样品晶圆；
提供一个样品层于该样品晶圆上；以及
研磨该样品层。
4. 根据权利要求3所述的研磨晶圆的材料层的方法，其特征在于该决定一个偏差厚度包括下列步骤：
决定一个指定的材料层厚度；
决定一个目标材料层厚度；以及
决定一个该指定的材料层厚度与该目标材料层厚度之间的差值。
5. 根据权利要求1所述的研磨晶圆的材料层的方法，其特征在于包括下列步骤：
根据一标准总晶圆厚度，决定一个欲从该材料层移除的非补偿厚度；
决定一个偏差厚度；
决定一个现行移除速率；
使用该非补偿厚度、该偏差厚度、及该现行移除速率以计算一个补偿移除速率；以及
根据该补偿移除速率研磨该材料层。
6. 根据权利要求1所述的研磨晶圆的材料层的方法，其特征在于包括下列步骤：
决定一个欲从该材料层移除的非补偿厚度；
决定一个偏差厚度；
决定一个现行移除速率；
使用该非补偿厚度、该偏差厚度、及该现行移除速率以计算一个补偿移除速率；
将该补偿移除速率程序化并输入该化学机械研磨装置；以及
根据该补偿移除速率，使用该化学机械研磨装置研磨该材料层。
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