CN103094145A - 研磨中的终点检测 - Google Patents

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Abstract

用于实施研磨的方法包括：选择用于晶圆研磨工艺的目标轮载荷；以及对晶圆实施研磨工艺。随着研磨工艺的进行，测量研磨工艺的轮载荷。在达到目标轮载荷之后停止研磨工艺。该方法可选地包括：选择晶圆研磨工艺的目标反射率；以及对晶圆实施研磨工艺。随着研磨工艺的进行，测量从晶圆表面反射的光的反射率。在一个反射率达到目标反射率之后停止研磨工艺。本发明还提供了一种研磨中的终点检测。

Description

研磨中的终点检测
技术领域
本发明一般地涉及半导体领域，更具体地来说，涉及研磨中的终点检测。
背景技术
在制造集成电路的过程中，研磨是通用的技术。在研磨工艺中，研磨轮被放置在晶圆的上方。研磨轮和晶圆都旋转，使得由于通过研磨轮去除表面层而使晶圆的厚度减小。
在制造器件晶圆的过程中，例如，可以在形成硅通孔(TSV)的过程中，将研磨用于硅衬底的背面减薄中。存在可以使用研磨技术的其他工艺。在扇出芯片级封装件的形成中，可以切割器件晶圆，并且已知良好的管芯被选择和附接至载具，已知良好的管芯彼此隔离。已知良好的管芯包括用于形成扇出连接的铜柱。然后，将模塑料填充到已知良好的管芯之间的间隙中以及已知良好的管芯上方以形成扇出晶圆。在固化模塑料之后，可以实施研磨工艺以去除模塑料的多个部分和铜柱上方的其他介电材料。在露出铜柱之后，可以制造电连接件以连接至铜柱，使得与扇出晶圆的连接延伸到大于已知良好的管芯区域的区域中。
由于经受研磨的层通常为薄层，所以在正确的时间精确停止研磨工艺对于集成制造工艺的产量来说极其重要。例如，在扇出晶圆的制造中，当遍及扇出晶圆的基本所有的已知良好管芯中的铜柱被完全露出并且基本上没有进行过研磨时，需要停止研磨。在现有研磨技术中，量规被用于在研磨工艺期间检测扇出晶圆的总厚度。当总厚度被减小到预定值时，假设铜柱被完全露出。然而，该检测方法是不精确的并且可能导致产量损失。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种方法，包括：选择用于晶圆研磨工艺的目标轮载荷；对晶圆实施研磨工艺，并且随着所述研磨工艺的进行，测量所述研磨工艺的轮载荷；以及在达到所述目标轮载荷之后停止所述研磨工艺。
该方法还包括：当达到所述目标轮载荷时，实施扩展研磨以去除具有预定厚度的晶圆的层，其中，一旦完成所述扩展研磨，就实施停止所述研磨工艺的步骤。
该方法还包括：当达到所述目标轮载荷时，在预定的时间周期内实施扩展研磨，其中，一旦完成所述扩展研磨，就实施停止所述研磨工艺的步骤。
在该方法中，选择所述目标轮载荷的步骤包括：研磨样本晶圆，所述样本晶圆具有与所述晶圆相同的结构；在研磨所述样本晶圆的步骤期间，监测用于研磨所述样本晶圆的轮载荷；检查所述样本晶圆，从而确定所述研磨工艺的最优终点；以及记录与所述最优终点相对应的一个轮载荷作为所述目标轮载荷。
在该方法中，所述晶圆包括：多个器件管芯；以及模塑料，设置在所述多个器件管芯之间的间隙中以及所述多个器件管芯上方。
在该方法中，使用用于驱动研磨轮的轮电流表示所述晶圆载荷，以及其中，所述研磨轮用于研磨所述晶圆。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：使用研磨轮研磨样本晶圆；在研磨所述样本晶圆的步骤期间，监测用于驱动所述研磨轮的轮电流；检查所述样本晶圆，从而确定研磨工艺的最优终点；记录与所述最优终点相对应的一个轮电流作为目标轮电流；对产品晶圆实施研磨工艺，所述产品晶圆基本上与所述样本晶圆相同；在研磨所述产品晶圆的步骤期间，监测用于研磨所述产品晶圆的轮电流；以及在达到所述目标轮电流之后，停止所述研磨工艺。
该方法还包括：当达到所述目标轮电流时，实施扩展研磨以去除具有预定厚度的产品晶圆的层，其中，一旦完成所述扩展研磨，就实施停止所述研磨工艺的步骤。
该方法还包括，其中所述预定厚度在大约1μm和大约5μm之间。
在该方法中，自动地实施进行所述扩展研磨的步骤。
该方法还包括：当达到所述目标轮电流时，在预定的时间周期内实施扩展研磨，其中，一旦完成所述扩展研磨，就实施停止所述研磨工艺的步骤。
在该方法中，所述产品晶圆包括：多个器件管芯，包括金属柱；以及模塑料，设置在所述多个器件管芯之间的间隙中以及所述多个器件管芯上方。
在该方法中，所述最优终点是当所有器件管芯中的金属柱被露出并且对所述金属柱没有进行过研磨的时刻。
根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：选择晶圆研磨工艺的目标反射率；对晶圆实施研磨工艺，并且随着所述研磨工艺的进行，测量从所述晶圆的表面反射的光的反射率；以及在一个反射率达到所述目标反射率之后，停止所述研磨工艺。
该方法还包括：当达到所述目标反射率时，实施扩展研磨以去除所述晶圆具有预定厚度的层，其中，一旦完成所述扩展研磨，就实施停止所述研磨工艺的步骤。
该方法还包括：当达到所述目标反射率时，在预定的时间周期内实施扩展研磨，以及其中，一旦完成所述扩展研磨就实施停止所述研磨工艺的步骤。
在该方法中，所述晶圆包括：多个器件管芯，以及模塑料，设置在所述多个器件管芯之间的间隙中以及所述多个器件管芯上方。
在该方法中，选择所述目标反射率的步骤包括：研磨样本晶圆，所述样本晶圆具有与所述晶圆相同的结构；在研磨所述样本晶圆的步骤期间，监测所述样本晶圆的顶面的反射率；周期性地检查所述样本晶圆，从而确定所述研磨工艺的最优终点；以及记录与所述最优终端相对应的一个反射率作为所述目标反射率。
在该方法中，使用非接触量规测量所述反射率。
附图说明
为了更完整地理解本实施例及其优点，现在结合附图进行以下描述作为参考，其中：
图1示出了包括器件管芯和用于模制器件管芯的模塑料的晶圆的截面图，其中，对晶圆实施研磨工艺并且测量轮载荷；
图2示意性示出了作为时间函数的研磨工艺中的轮电流；
图3示出了图1所示晶圆的一部分的截面图，其中，不同模式用于表示研磨工艺中的阶段；
图4示意性示出了作为研磨工艺中的轮电流函数的铜柱的铜暴露率；
图5示出了包括器件管芯和用于模制器件管芯的模塑料的晶圆的截面图，其中，对晶圆实施研磨工艺并且测量晶圆的反射率；
图6示出了晶圆上发出的用于测量反射率的光，其中，晶圆进行旋转；
图7示意性示出了作为研磨工艺中的时间函数的从晶圆反射的光的光强度；以及
图8示出了作为研磨时间函数的样本晶圆的厚度和所接收的反射光的强度。
具体实施方式
以下详细讨论本发明的实施例的制造和使用。然而，应该理解，本实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。
根据各个实施例提供了检测研磨工艺中的终点的方法。讨论实施例的变型例。在各个附图和所示实施例中，类似的参考标号用于表示类似的元件。应该理解，尽管用于芯片级封装(CSP)的扇出晶圆被用作实例，但根据实施例的终点检测方法还可以用于在研磨其他类型的晶圆(诸如器件晶圆)的过程中检测终点。
图1示出了晶圆20的截面图，例如，晶圆20可以为用于形成扇出连接的扇出晶圆。晶圆20包括管芯22。在实施例中，管芯22是包括诸如晶体管(未示出)的有源器件的器件管芯。管芯22可以通过粘合剂42粘附至载具40上方。与管芯22的顶面相邻的是金属柱26(例如，可以为铜柱)，金属柱预形成在管芯22中并且可以电连接至管芯22中的有源器件。在一些实施例中，可以为聚酰亚胺层的聚合物层28形成在金属柱26上方。模塑料30被填充到管芯22之间的间隙中以及管芯22上方。注意，晶圆20的材料和结构是用于解释实施例概念的实例，并且具有不同材料和结构的晶圆可以使用根据实施例的终点检测方法进行研磨。根据示例性实施例，研磨工艺用于去除模塑料30和聚合物层28的多个部分并且露出金属柱26，使得可以形成扇出连接件以电连接至金属柱26。
通过研磨工具44研磨晶圆20，研磨工具44包括研磨轮46，该研磨轮具有用于研磨晶圆20的顶面的粗砂。在研磨工艺期间，研磨轮46和晶圆20都旋转。研磨工具44还包括控制单元48，用于控制研磨工艺以及用于控制研磨轮46的运转。在研磨工艺期间，控制单元48能够检测正在被研磨的表面，并相应地调节研磨工艺的轮载荷。在一些实施例中，研磨工具44调整用于驱动研磨轮46的轮电流，并且因此根据示例性实施例，轮电流可用于表示轮载荷。示例性研磨工具(其轮电流可用作轮载荷的指示)包括由Disco Corporation制造的DGP8761。在可选实施例中，可以使用其他参数表示研磨表面的阻力和/或轮载荷。
图2示意性示出了样本晶圆的示例性研磨工艺中的作为研磨时间函数的轮电流。在研磨工艺中，轮载荷包括多个部分，包括50A、50B和50C，它们分别对应于研磨样本晶圆的模塑料层、聚酰亚胺层和铜层。图2示出了针对不同的材料，轮电流(轮载荷)不同。
随着研磨工艺的进行，去除上面的层，并露出和研磨下面的层。图3示出了图1中结构的一部分的截面图，该部分包括金属柱26、聚合物层28和模塑料30。图3示意性示出了通过多种模式，即，A模式、B模式、C模式和O模式表示研磨工艺的多个阶段。在A模式期间，研磨模塑料30和聚合物层28，并且基本上没有研磨金属柱26。在B模式期间，暴露并研磨整个晶圆20上的一些金属柱26，并且暴露的金属柱26可以具有正在被研磨的顶端，而下面的具有较大截面积的部分还没有被研磨。在C模式期间，基本上所有的金属柱都被露出并研磨，并且整个晶圆20上的金属柱26基本上没有发生过研磨。在O模式期间，发生过研磨。期望研磨的最优终点位于C模式中，或者至少位于B模式中，而不期望A模式和O模式，并且A模式和O模式可以为失败模式。
由于对于研磨不同的材料，轮载荷也不同(如图2所示)，所以A模式、B模式和C模式下的轮载荷不同。可以通过研磨样本晶圆来找到对应于A、B和C模式的轮载荷，并且在研磨工艺期间周期性地检查样本晶圆以找到模式和对应轮载荷之间的相关性。然后，相关性可用于确定研磨工艺的最优终点，研磨工艺用于研磨具有与样本晶圆相同的结构的产品晶圆(production wafer)。
图4示出了从样本扇出晶圆的研磨工艺中获得的实验结果，其中，将(金属柱26的)露铜率(copper exposure rate)示出为轮载荷的函数，将该轮载荷表示为轮电流。点52A、52B、52C和52D是检查样本扇出晶圆的点。点52A对应于8.8安培的轮电流，此时，在937个管芯中，A、B、C和O模式中管芯的数量分别为936个、0个、0个和1个。点52B对应于9.1安培的轮电流，此时，A、B、C和O模式中管芯的数量分别为666个、265个、2个和1个。点52C对应于9.4安培的轮电流，此时，A、B、C和O模式中管芯的数量分别为150个、711个、73个和1个。点52D对应于10安培的轮电流，此时，在937个管芯中，A、B、C和O模式中管芯的数量分别为9个、501个、424个和1个。可以观察到，在点52D处，只有9个管芯仍然处于A模式中，而937个管芯中的925个管芯处于B模式或C模式中。在点52D之后，为了使更多的管芯从A和B模式变为C模式，实施进一步的研磨(使用10安培的轮电流)，以去除晶圆中具有等于大约1.1μm的厚度的附加层。结果，A、B、C和O模式中管芯的数量分别为0个、16个、918个和1个。这相当于99.7％的露铜率(图4)。这些实验结果表明，诸如轮电流的轮载荷可以用作用于确定最优终点的指示信号(indicator)。
通常，根据实施例，例如，可以通过对样本晶圆实施研磨工艺并找到目标轮载荷(诸如图4中的10安培电流)，可以找到对应于最优终点的目标轮载荷。在具有与样本晶圆相同结构的产品晶圆上，最优终点可以为达到目标轮载荷的时刻。在其他实施例中，如下确定终点：在达到目标轮载荷之后，实施扩展研磨以将晶圆的厚度减小预定的研磨厚度(诸如图4所示实例中的1.1μm)。预定研磨厚度还可以在大约1μm和大约5μm之间。应该理解，该预定研磨厚度是一个实例，并且可以针对研磨不同晶圆以及露出不同部件而进行变化。在又一些实施例中，如下确定终点：在达到目标轮载荷之后，在延伸的研磨时间周期内实施扩展研磨(extendedgrinding)。在示例性实施例中，可以在大约10秒至大约50秒之间实施扩展研磨。可以通过实验找到用于扩展研磨的最优持续时间。在一些实施例中，在达到目标轮载荷之后，如图1的研磨工具44可以自动地实施扩展研磨，然后停止研磨工艺。在其他实施例中，可以手动地实施扩展研磨工艺。
图5至图7示出了根据可选实施例的用于确定研磨工艺的终点的方法，除了将从正在研磨的晶圆的表面测量的反射率(而不是轮载荷)用作用于确定最优终点的标准之外，这些实施例类似于图1至图4所示的实施例。除非另有指定，否则这些实施例中的部件的材料和形成方法都基本上与类似部件相同，其中，通过图1至图4所示实施例中的类似参考标号指示该类似部件。
参照图5，光发射/接收量规60被用于测量反射率，其中，光发射/接收量规60可以包括：用于发射光62的光发射量规60A和用于接收反射光64的光接收量规60B。光发射/接收量规60是非接触量规，其在研磨工艺期间不接触晶圆20。光发射/接收量规60可以是反射率测量工具的一部分，其中，反射率测量工具被配置为通过发射光62测量反射率、测量反射光的强度以及计算反射率。由于光64可以从表面反射并且还从晶圆20的内部部件反射，所以反射率可以为表面材料和晶圆20的表面下方埋入的材料的函数。反射率还可以为晶圆20中的部件的拓扑函数。
参照图6，在研磨工艺期间，通过光发射/接收量规60发射的光62被投射到晶圆20的点68上(其实际上随着晶圆20的旋转形成圆圈)。应该理解，即使光62可以投射到固定方向并且可以一次投射到一个金属柱26上(图1)，但随着晶圆20的旋转，在不同时间点处，光62可以投射到晶圆20的其他部件上，诸如管芯22之间的模塑料30(图5)。因此，测量的反射率为从圆圈68获得的平均结果。
图7示意性地示出了作为示例性研磨工艺中的时间函数的反射光64(图5)的强度。由于图5中的入射光62可以具有固定强度，所以反射光64的强度还可以表示反射率，这是因为可以通过反射光64的强度除以入射光62的强度来计算反射率。在研磨工艺中，所示光强度包括多个部分，包括70A、70B和70C，它们分别对应于研磨模塑料层、聚酰亚胺层和铜层。图7揭示出对于不同的材料，反射光64的强度是不同的，因此反射率不同。因此，反射率可以用作用于确定研磨工艺的最优终点的指示信号。
图8示出了从样本扇出晶圆的研磨工艺获得的实验结果，其中，将样本晶圆的厚度和反射光的强度示出为研磨时间的函数。左边的Y轴示出了晶圆厚度，并对应于线82和84。右边的Y轴示出了光强度，并对应于波形86。线82表示作为研磨时间函数的模塑料30(图1)的厚度，而线84表示作为研磨时间函数的硅衬底24(图1)的厚度。如图8所示，模塑料30的厚度随着研磨工艺的进行而减小。同时，由于可以随着研磨的进行露出诸如聚合物层28和铜层的其他部件，所以光强度(波形86)增加。模塑料30、聚合物层28、金属柱26和硅衬底24被研磨的区域还可以示出为区域88A、88B、88C和88D。当金属柱26和聚合物层28都被研磨时，可以选择最优终点。因此，时间点T0可以被选择为示例性最优终点，并且对应的光强度I0被用于计算目标反射率。
通常，根据实施例，例如，可以通过对样本晶圆实施研磨工艺、周期性地实施检查并计算目标反射率(诸如来自图8中的强度等级I0)来找到对应于最优终点的目标反射率。在具有与样本晶圆相同结构的产品晶圆上，最优终点为达到目标反射率的时刻。在其他实施例中，如下确定最优终点：在达到目标反射率之后，在研磨时间的扩展周期内实施扩展研磨，或者将晶圆20的厚度减小预定值。可以通过实验找到用于扩展研磨的最优持续时间。
根据实施例，用于实施研磨的方法包括：选择用于晶圆研磨工艺的目标轮载荷；对晶圆实施研磨工艺。随着研磨工艺的进行，测量研磨工艺的轮载荷。在达到目标轮载荷之后停止研磨工艺。
根据其他实施例，一种方法包括：使用研磨轮研磨样本晶圆；在研磨样本晶圆的步骤期间，监测用于驱动研磨轮的轮电流；检查样本晶圆以确定研磨工艺的最优终点；以及记录与最优终点相对应的一个轮电流作为目标轮电流。对基本上与样本晶圆相同的产品晶圆实施研磨工艺。在研磨产品晶圆的步骤期间，监测用于研磨产品晶圆的轮电流。在达到目标轮电流之后停止研磨工艺。
根据又一些实施例，一种方法包括：选择晶圆研磨工艺的目标反射率；以及对晶圆实施研磨工艺。随着研磨工艺的进行，测量从晶圆的表面反射的光的反射率。在一个反射率达到目标反射率之后停止研磨工艺。
尽管已经详细描述了实施例及其优点，但应该理解，在不背离由所附权利要求定义的实施例的主旨和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变化。此外，本申请的范围不限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域的技术人员应该容易地从发明中理解，可以根据发明利用现有或稍后开发的实施与本文所描述对应实施例基本相同的功能或实现基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求用于在它们的范围内包括这些工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤。此外，每个权利要求都构成独立的实施例，并且各个权利要求和实施例的组合都在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
选择用于晶圆研磨工艺的目标轮载荷；
对晶圆实施研磨工艺，并且随着所述研磨工艺的进行，测量所述研磨工艺的轮载荷；以及
在达到所述目标轮载荷之后停止所述研磨工艺。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：当达到所述目标轮载荷时，实施扩展研磨以去除具有预定厚度的晶圆的层，其中，一旦完成所述扩展研磨，就实施停止所述研磨工艺的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：当达到所述目标轮载荷时，在预定的时间周期内实施扩展研磨，其中，一旦完成所述扩展研磨，就实施停止所述研磨工艺的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述目标轮载荷的步骤包括：
研磨样本晶圆，所述样本晶圆具有与所述晶圆相同的结构；
在研磨所述样本晶圆的步骤期间，监测用于研磨所述样本晶圆的轮载荷；
检查所述样本晶圆，从而确定所述研磨工艺的最优终点；以及
记录与所述最优终点相对应的一个轮载荷作为所述目标轮载荷。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述晶圆包括：
多个器件管芯；以及
模塑料，设置在所述多个器件管芯之间的间隙中以及所述多个器件管芯上方。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用用于驱动研磨轮的轮电流表示所述晶圆载荷，以及其中，所述研磨轮用于研磨所述晶圆。
7.一种方法，包括：
使用研磨轮研磨样本晶圆；
在研磨所述样本晶圆的步骤期间，监测用于驱动所述研磨轮的轮电流；
检查所述样本晶圆，从而确定研磨工艺的最优终点；
记录与所述最优终点相对应的一个轮电流作为目标轮电流；
对产品晶圆实施研磨工艺，所述产品晶圆基本上与所述样本晶圆相同；
在研磨所述产品晶圆的步骤期间，监测用于研磨所述产品晶圆的轮电流；以及
在达到所述目标轮电流之后，停止所述研磨工艺。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：当达到所述目标轮电流时，实施扩展研磨以去除具有预定厚度的产品晶圆的层，其中，一旦完成所述扩展研磨，就实施停止所述研磨工艺的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括，其中所述预定厚度在大约1μm和大约5μm之间。
10.一种方法，包括：
选择晶圆研磨工艺的目标反射率；
对晶圆实施研磨工艺，并且随着所述研磨工艺的进行，测量从所述晶圆的表面反射的光的反射率；以及
在一个反射率达到所述目标反射率之后，停止所述研磨工艺。
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