CN103537976A - 控制晶圆的厚度轮廓的系统、方法及化学机械平坦化机台 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种控制晶圆的厚度轮廓的系统、方法及化学机械平坦化机台，是通过使用封闭回路控制以改善晶圆内均匀性的化学机械平坦化工艺。举例而言，可以使用封闭回路控制以决定此化学机械平坦化工艺的控制模式而在半导体晶圆内获得较均匀地及一致地的理想变动程度。
Description
技术领域
本发明涉及化学机械研磨(CMP)工艺，特别是涉及一种使用量测技术及封闭回路控制(CLC)以改善晶圆内的金属薄膜厚度均匀性的装置、系统及方法。
背景技术
因为电脑技术持续地演进，因此需要朝向产生更小且更先进的电子装置，例如是电脑装置、通讯装置或是记忆装置等。为了减少这些装置的尺寸而同时又能够维持或改善其各自的表现，在这些装置内的元件尺寸也必须随着缩小。这些电子装置内的许多元件是由半导体材料构成，其在某些情况下是经由称为半导体晶圆的结构所提供。
在最近几年，有着许多与改善半导体装置工艺能力的演进开发出来以使得这些半导体装置具有更小的尺寸。半导体装置尺寸的缩减可以提供更高的密度及改善其集成电路的表现。在许多使用集成电路的电子装置中，集成电路中可以包括成千上万个例如是晶体管、电阻或电容器的离散元件，其在单一晶圆内非常紧密地制造在一起。在某些情况下，这些非常接近的元件会产生一些不欲见的效应，例如寄生电容或是其他会导致效能降低的情况。因此，在一半导体装置的一共同基板内元件间的电性隔离就变成工艺中一个十分重要的考量。
此外，装置的表现也会因为此装置边缘与中央处之间的变动程度而受到影响。晶圆内的均匀性是一个用来辨别晶圆变动程度的参数。晶圆内均匀性的较大变动程度是由工艺中的任何变动所导致。举例而言，不平坦表面的形成可以由沉积或是其他工艺技术的参数造成的层次厚度不一致、通道的过度填充和表面空洞距离等等因素所造成。
化学机械平坦化是结合化学反应与机械力以除去多余的金属或是介电层，举例而言，除去浅沟渠隔离步骤中的多余氧化物且减少在一介电区域的地形起伏。化学机械平坦化所需的装置通常包括一研磨液形式存在的化学反应液体媒介及一研磨表面以提供达成平坦化所需的机械控制。研磨液中包含粗糙的无机颗粒以增加此工艺的反应性和机械性。通常而言，对于介电研磨，其表面可以由研磨液的化学反应加以软化，且之后由颗粒的作用加以移除。
在化学机械平坦化工艺中，晶圆是使用背面固定于一晶圆载具上。晶圆藉由与一旋转的研磨垫接触而进行研磨，而研磨液是在平台旋转时施加。根据平台的设计可以有许多晶圆同时进行研磨。
在化学机械平坦化工艺中，多余的材料自一介电层中移除以达成所需的临界尺寸，举例而言，每一层的接触窗或介层孔或是除去沟渠中的多余材料。一集成电路通常具有多重介电层其中化学机械研磨或是平坦化工艺必须在每一层的金属化工艺后进行。然而，因为现存技术的变动，使用传统的工艺技术或许很难达成晶圆内均匀性的精确控制。
举例而言，因为化学机械平坦化工艺的机械本质所造成的变动，很难达成晶圆内的均匀性。举例而言，在晶圆中央处的研磨速率会与晶圆边缘处的研磨速率不同。因此需要提供能改善晶圆内均匀性的系统、工艺或方法以达成改善晶圆内的均匀性及临界尺寸的一致性而同时又能维持或甚至增加工艺的产出。
因为这些晶圆内均匀性的不一致或许是由大量晶圆在工艺完成后所产生，其通常是对晶圆预先处理且会调整工艺参数以达成所需的目标值。然而，如此方式是不精确、耗时且会导致生产的损失。此外，当先前大量制造的晶圆或许可以达成所需的晶圆内均匀性，但是其后的工艺变动或是无法考量到此批晶圆的状况而需要进行规格外的工艺。因此业界需要一种更精确的控制化学机械平坦化工艺中的研磨程度且改善所处理的不同批次的晶圆间的均匀性。
当后工艺变得越来越普遍时，特别是集成电路持续地缩减尺寸情况下，一致地维持晶圆内的均匀性就变得更重要。因此，需要提供一种能改善晶圆内均匀性的系统、工艺或方法以达成改善晶圆内的均匀性，更特定的是，能在工艺中即时控制晶圆内的均匀性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种新的控制晶圆的厚度轮廓的系统、方法及化学机械平坦化机台，所要解决的技术问题是使其可以改善化学机械研磨机台的控制能力，从而能够达成较佳的金属薄膜厚度均匀性，非常适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种控制一晶圆的厚度轮廓的系统。其包含一控制模块；一化学机械平坦化机台；至少一厚度侦测器。其中该控制模块接收由该至少一厚度侦测器所量测的该晶圆的该厚度轮廓且决定该化学机械平坦化机台的一控制模式。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的控制一晶圆的厚度轮廓的系统，其中该控制模块包含该化学机械平坦化机台的一研磨头的多个控制变数。
前述的控制一晶圆的厚度轮廓的系统，其中多个控制变数包括举例而言，施加至该研磨头中一系列点上的多个压力，多个加热器及/或多个温控装置。
前述的控制一晶圆的厚度轮廓的系统，其中该化学机械平坦化机台是金属化学机械平坦化机台，且该厚度轮廓是一金属厚度轮廓。
前述的控制一晶圆的厚度轮廓的系统，其中该金属化学机械平坦化机台可以是但是不局限于铜或钨化学机械平坦化机台，且该金属厚度轮廓是一铜或钨厚度轮廓。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种化学机械平坦化机台，包含一研磨头具有施加至该研磨头中一系列点上的多个加热器或温控装置。在本发明的一实施例中，该施加至该研磨头中一系列点上的多个加热器或温控装置是可被控制的，用以达成藉由使用该化学机械平坦化机台进行研磨的一晶圆的理想厚度轮廓。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的化学机械平坦化机台，其中该研磨头还包含施加至该研磨头中一系列点上的多个压力，其中该施加至该研磨头中一系列点上的该多个加热器或温控装置及该多个压力决定该理想厚度轮廓。
前述的化学机械平坦化机台，其中该施加至该研磨头中一系列点上的多个加热器或温控装置决定一理想温度分布，以达成一理想温度轮廓。
本发明的目的及解决其技术问题另外再采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种控制一晶圆的厚度轮廓的方法。其包含特定该厚度轮廓的一目标值；量测该晶圆的该厚度轮廓；使用该量测的该厚度轮廓、该目标值及一控制模块决定一化学机械平坦化工艺的一控制模式；施加该控制模式至该化学机械平坦化工艺中；以及使用该化学机械平坦化工艺及施加该控制模式对该晶圆进行研磨。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的控制一晶圆的厚度轮廓的方法，其中还包含周期的重复该量测、该决定及该施加步骤而持续地施加该控制模式至该化学机械平坦化工艺中。
前述的控制一晶圆的厚度轮廓的方法，其中该控制模块包含施加至该化学机械平坦化工艺的一研磨头中一系列点上的多个温控装置或是多个压力。
前述的控制一晶圆的厚度轮廓的方法，其中控制此晶圆厚度轮廓的方法也包括量测该晶圆的一起始厚度；以及使用该量测起始厚度及该控制块调整至少一个控制变数等步骤。
前述的控制一晶圆厚度轮廓的方法，其中该化学机械平坦化工艺是金属化学机械平坦化工艺，且该厚度轮廓是一金属厚度轮廓。
本发明的目的及解决其技术问题另外还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种制造半导体晶圆的方法。其包括特定一厚度轮廓的一目标值；量测该晶圆的该厚度轮廓；使用该量测的该厚度轮廓、该目标值及一控制模块决定一化学机械平坦化工艺的一控制模式；施加该控制模式至该化学机械平坦化工艺中；以及使用该化学机械平坦化工艺及施加该控制模式对该晶圆进行研磨。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的制造半导体晶圆的方法，其中所述的化学机械平坦化工艺是金属化学机械平坦化工艺，且该厚度轮廓是一金属厚度轮廓。
前述的制造半导体晶圆的方法，其中所述的控制模块包含施加至该化学机械平坦化工艺的一研磨头中一系列点上的多个温控装置。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明控制晶圆的厚度轮廓的系统、方法及化学机械平坦化机台至少具有下列优点及有益效果：本发明可以改善化学机械研磨机台的控制能力，使其能够达成较佳的金属薄膜厚度均匀性。
综上所述，本发明是有关于一种控制晶圆的厚度轮廓的系统、方法及化学机械平坦化机台，是通过使用封闭回路控制以改善晶圆内均匀性的化学机械平坦化工艺。举例而言，可以使用封闭回路控制以决定此化学机械平坦化工艺的控制模式而在半导体晶圆内获得较均匀地及一致地的理想变动程度。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是显示现有习知的晶圆进行钨化学机械研磨工艺技术之后的晶圆均匀程度的图。
图2是显示根据本发明一实施例的一个用来同步量测一晶圆表面厚度分布的侦测器装置的示意图。
图3是显示具有可调控压力施加于研磨头的化学机械研磨头的剖面示意图。
图4A是显示根据本发明一实施例的具有局部温度控制的化学机械研磨头的示意图。
图4B是显示沿着图4A中B-B剖面线上的化学机械研磨头的剖面示意图。
图4C是根据本发明一实施例的一具有N个温控装置的化学机械研磨头的代表图。
图4D是显示根据本发明一实施例的在边缘具有较高温控装置密度的化学机械研磨头的的代表图。
图4E是显示根据本发明一实施例的在中央处具有较高温控装置密度的化学机械研磨头的代表图。
图4F是显示根据本发明一实施例的具有温控装置的化学机械研磨头的代表图，其中每一个温控装置是分散遍布于化学机械研磨头中。
图4G是显示根据本发明一实施例具有随机地分布温控装置的化学机械研磨头的代表图。
图4H是显示根据本发明一实施例的具有较厚温控装置的化学机械研磨头的代表图。
图5A是提供一个使用本发明具有反馈控制能力的控制模块来改善晶圆厚度控制能力的封闭回路控制示意图。
图5B提供另一个使用具有起始金属厚度量测及反馈控制能力的封闭回路控制示意图。
图6是显示根据本发明一实施例的改善晶圆均匀性的工艺步骤的流程图。
10：晶圆 20：化学机械研磨平台
30：金属厚度量测器 40、100：化学机械研磨头
50：保持环 60：压力
70：第一同心区压力 80：第二同心区压力
90：第三同心区压力 110：温控装置
120、130、140、150、160、170：温控装置 210：开始
230：化学机械研磨(CMP)工艺 240：同步晶圆厚度轮廓量测
250：控制模块/控制器 260：目标金属厚度轮廓
290：结束
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的控制晶圆的厚度轮廓的系统、方法及化学机械平坦化机台其具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
本发明的某些实施例会搭配图式在此描述其细节，其中显示某些但并非全部的实施例。然而，本发明的不同实施例可以利用不同的方式实施且不应该局限本发明的精神于所描述的实施例内，这些实施例的提供是使得本说明书满足法律上的要求。
在说明书及申请专利范围中所使用的″一″或″此″等单数用语除非明确地加以排除否则实际上也包含多个的形式。举例而言，一晶圆实际上包含如此的多个晶圆。
虽然此处使用某些特定名词，他们代表其一般意义并不是用来限制本发明。此处所使用的包括技术及一般用语的所有名词，是与熟习本发明技术领域人士所理解的相同除非是此名词另外有所定义。必须更进一步了解这些名词在字典中的定义也必须符合与熟习本发明技术领域人士所理解的相同。除非在说明书中明确地加以定义，如此共通使用的名词并不需要解释为理想或是过度文义的方式。
此处所使用的″化学机械平坦化(CMP)″代表一种结合化学反应与机械力的平坦表面的工艺。化学机械平坦化也是一种现有习知的研磨工艺，可以用来进一步定义一集成电路的完成结构特征。化学机械平坦化或研磨可以是一混合工艺其包括化学蚀刻及某种形式的研磨。化学机械平坦化或研磨也可以是一混合工艺其包括其他的化学反应，例如水解或氧化，以及某种形式的研磨。
化学机械平坦化包含使用研磨料及/或例如胶状的悬浮物的腐蚀性化学研磨液与研磨垫搭配的工艺。更特定的是，例如是但不局限于钨的一金属化学机械平坦化机台被直接用于集成电路的后工艺处理中，此集成电路是使用例如是钨的金属作为接触窗或是介层孔的用以连接晶体管及内连线的层次。
此处所使用的名词″完成″表示在一晶圆执行一后工艺操作。一个完成的晶圆代表一个将要进行后工艺操作的晶圆且并不代表此晶圆已经完成所有的工艺步骤。例如是但不局限于其中的范例，完成表示晶圆的研磨已经达到预期的晶圆内均匀性。在完成此晶圆的完成步骤之后此晶圆仍可以继续后续额外的金属化和研磨操作。
发明人进行研究且开发出通过封闭回路控制，来改善集成电路中晶圆内金属厚度均匀性的系统及方法。特别是，发明人进行研究且开发出控制化学机械平坦化机台操作的参数的系统及方法，以达成集成电路中晶圆内金属厚度均匀性的较佳一致性及较少的变动。
发明人发现可以对完成集成电路藉由将即时封闭回路控制技术与化学机械平坦化工艺整合可以减少晶圆内金属厚度均匀性的变动。由发明人完成的系统与方法包括一封闭回路控制系统与使用化学机械平坦化工艺时达成更佳的晶圆内均匀性的方法整合。本发明的实施例可以藉由例如调整化学机械平坦化工艺中的控制模式而致能晶圆内金属厚度均匀性的即时控制，以达成更符合期望、准确及均匀的晶圆厚度轮廓。在本发明的某些实施例中，该化学机械平坦化工艺是金属化学机械平坦化工艺且该厚度轮廓是一金属厚度轮廓。在本发明的某些更具体的实施例中，该金属化学机械平坦化工艺是钨化学机械平坦化工艺且该金属厚度轮廓是一钨厚度轮廓。
当集成电路变得更小时，本发明实施例的系统与方法致能晶圆内均匀性的期望值更一致且不会影响晶圆的产出。确实，根据本发明的实施例的系统与方法晶圆内均匀性可以更一致且同时能增加晶圆的产出。根据本发明实施例的系统与方法相比较于现有习知的系统与方法，可以进一步降低晶圆内均匀性的变动。
一晶圆研磨工艺包括举例而言，一具有研磨料附着或固定于其中的研磨垫可以使用本发明的技术来提供改善的晶圆内均匀性。控制一半导体晶圆研磨的方法包括在研磨初期阶段使用地形选择性的研磨液及/或具有研磨料附着或固定于其中的研磨垫，且控制举例而言化学机械平坦化工艺的过度研磨以响应此研磨晶圆的临界尺寸量测的反馈。
图1是显示现有习知的晶圆进行钨化学机械研磨工艺技术之后的晶圆均匀程度的图。如图1中所示，当使用一现有习知研磨技术时，晶圆研磨速率可以有高达600埃或是50％的变动。
在本发明的某些实施例中，晶圆的均匀性藉由提供厚度侦测器而改善，特别是一金属厚度侦测器，且更特定的是一个钨厚度侦测器，以量测进行化学机械研磨工艺，金属化学机械研磨工艺，且更特定的是钨化学机械研磨工艺的晶圆表面的厚度分布。在本发明的某些实施例中，此厚度侦测器是同步的量测装置。图2是显示根据本发明一实施例的一个用来同步量测一晶圆表面厚度分布的侦测器装置的示意图。一晶圆10可以使用一化学机械研磨平台20进行研磨。根据此实施例，此化学机械研磨平台20为具有金属厚度侦测器30。在本发明的某些实施例中，此化学机械研磨工艺是金属化学机械研磨，而化学机械研磨平台20为具有厚度侦测器30其监测此晶圆10表面的金属厚度分布。在本发明的某些实施例中，此化学机械研磨工艺是钨化学机械研磨，而此厚度侦测器30监测此晶圆10表面的钨厚度分布。
在某些其他的实施例中，此晶圆表面的厚度分布可以使用一预测模型来决定。在某些其他的实施例中，此晶圆表面的厚度分布可以使用一预测模型及使用与图2所示类似或相同的同步厚度侦测器30来决定。在本发明其他的实施例中，此晶圆表面的厚度分布可以使用一预测模型及使用起始厚度量测来决定。
在本发明的某些其他的实施例中，此晶圆表面的厚度分布可以使用一预测模型及使用由同步厚度侦测器提供的定期量测结果来更新此预测模型。在某些实施例中，起始厚度侦测器可以在研磨前提供量测结果，得到初步的预测模型，再藉由同步厚度侦测器所提供的量测结果来更新并调整此预测模型。由厚度侦测器所提供的量测结果可以使用预测-更正程序及/或演算法而更新此预测模型的参数，其最终目的可藉由同步厚度侦测器的量测结果，调整研磨头内的温度控制，改变相对应位置的金属研磨速率，进而使金属厚度轮廓接近目标值。
用来决定此晶圆表面的厚度分布的一厚度侦测器及/或预测模型可以由控制器或控制策略使用以建立研磨此晶圆的化学机械研磨工艺的操作参数。为了使用厚度侦测器及/或预测模型而控制晶圆表面的厚度分布来达成改善晶圆的均匀性，此化学机械研磨工艺的操作参数必须能够调整使得一控制器可以响应在此晶圆表面变动区域中的特定变动。
举例而言，晶圆表面可以定义出例如图1所示的放射状厚度的变动。此外，晶圆表面也可以定义出例如角向厚度轮廓的变动。一化学机械研磨工艺必须能控制平台的运作使得晶圆的放射状和角向厚度能被控制。
传统上，研磨速率是藉由改变平台的旋转速度、施加至平台上的压力、研浆流率、研浆本身的特性及平台的温度来控制。一般而言对于金属的化学机械研磨工艺而言较高的温度具有较高的研磨速率。然而，为了改善晶圆的均匀性，需要使用具有其他控制参数的化学机械研磨工艺来进一步调整在此晶圆表面变动区域中的研磨效果。
图3是显示具有可调控压力施加于研磨头的化学机械研磨头的剖面示意图。用于调整由厚度侦测器及/或预测模型所量测的晶圆表面厚度分布的控制器或控制策略可以调整具有图3所示的区域压力控制的化学机械研磨头的操作参数。在图3所示的具有区域压力控制的化学机械研磨头由化学机械研磨头40和保持环50所定义。可以调整化学机械研磨头40上的压力以达成所预期的晶圆表面厚度分布轮廓。举例而言，结合调整保持环的压力60与平台的旋转速度以及其他的化学机械研磨参数不仅具有影响晶圆中表面均匀性的能力同时也具有影响不同晶圆间的均匀性的能力。
此外，特定区域的研磨速率控制可以藉由调整沿着化学机械研磨头40上的额外压力来影响。在图3所示的实施例中，可以调整第一同心区压力70以控制施加至晶圆的边缘压力，可以调整第二同心区压力80以控制施加至晶圆的中间带压力，可以调整第三同心区压力90以控制施加至晶圆的中心压力。在调整由厚度侦测器及/或预测模型所量测的晶圆表面厚度分布的控制器可以调整保持环压力60、第一同心区压力70、第二同心区压力80及第三同心区压力90和其他传统上控制的化学机械研磨头的操作参数，以达成改善的晶圆表面均匀性。在本发明的某些实施例中，将会在以下进一步讨论调整施加于化学机械研磨头特定区域上的压力与施加于任何特定区域上的温度搭配以达成所预期的最终晶圆轮廓。
图4A和图4B是本发明包括一具有变动温度控制化学机械研磨头的一实施例的代表性示意图。在本发明的某些实施例中，此化学机械研磨头可以同时具有变动压力控制及变动温度控制。
在本发明的另一实施例中，控制机制是使用本发明的一装置。如此装置的一范例表示显示于图4A中。图4A是显示根据本发明一实施例的具有局部温度控制的化学机械研磨头的示意图。具有局部温度控制的化学机械研磨头是一化学机械研磨头100，其可以为在晶圆10研磨时提供变动的温度控制于化学机械研磨头上。图4B是显示沿着图4A中B-B剖面线上的化学机械研磨头的剖面示意图。图4B显示化学机械研磨头100具有温控装置110以用来提供局部温度控制的功能。温控装置110可以单独控制，以局部调整晶圆的温度，改变局部金属研磨速率，以达成较佳的金属厚度均匀性。
在本发明的一实施例中，在化学机械研磨头100中提供温度侦测器(未示)以量测正在处理中的晶圆某些区域的温度。在某些实施例中，这些温度量测可以用来建立应该如何控制化学机械研磨以减少晶圆表面厚度轮廓变动的程度。
图4C是根据本发明一实施例的一具有N个温控装置的120化学机械研磨头100的代表图，其中N是大于等于1的整数。图4D是显示根据本发明一实施例的在边缘具有较高温控装置130密度的化学机械研磨头100的代表图。图4E是显示根据本发明一实施例的在中央处具有较高温控装置140密度的化学机械研磨头100的代表图。图4F显示根据本发明一实施例的具有温控装置150的化学机械研磨头100的代表图，其中每一个温控装置是分散遍布于化学机械研磨头100中。在图4F中虽然是显示温控装置是对称地分布，但是在其他的实施例中也可以是不对称地分布或是如图4G一般温控装置160是随机地分布。图4H是显示根据本发明一实施例的具有较厚温控装置170的化学机械研磨头100的的代表图。
此处所描述的任何控制化学机械研磨平坦化工艺的变动均可以称为″控制变动″。根据本发明说明书必须进一步理解的是，可选取一系列的″控制变动″以达成此晶圆的预期厚度轮廓。更进一步而言，此晶圆的预期厚度轮廓可以藉由将每一个″控制变动″设定一个瞬间目标值而达成。更进一步而言，任何或每一个″控制变动″可以具有不只一个瞬间目标值，但是可以具有一个可随着时间达成的预期的控制目标以达成所预期的晶圆厚度轮廓。用来控制化学机械研磨工艺的变动参数、瞬间目标值及随着时间的目标值可以进一步由″控制模式″来表示。
本发明的一目的是提供一种辨识一可达成一晶圆表面预期厚度轮廓的控制条件的系统、工艺及方法。此完成晶圆具有较佳的金属厚度均匀性的特性。一般而言，变动的程度可以藉由表面所量测的最大厚度平均值与此表面所量测的最大厚度平均值除以表面所量测的最小厚度平均值的商数之间的差值决定。此值再乘上100以变成百分比。在某些实施例中，本发明的系统、工艺及方法可以导致一晶圆之中的厚度具有不大于约25％的变异、不大于约20％的变异、不大于约15％的变异、不大于约10％的变异、不大于约5％的变异、不大于约3％的变异、不大于约2％的变异、不大于约1％的变异或是不大于约0.5％的变异。
许多变因会影响晶圆上厚度的变动，包括但是不局限于，未完成晶圆的工艺变动(例如光罩错误、雾化效应等)，使用于沉积工艺中的材料变动，布局和地形间高低落差与表面起伏的差异，化学机械研磨垫的损耗，所使用化学机械研磨液的不一致，金属化或研磨液材料不一致所导致扩散或传输速率的变动以及生产过程中的环境效应等等。
本发明的某些实施例中可以提供对于一完成晶圆中的改善均匀性。就这方面而言，图5A是提供一个使用本发明具有反馈控制能力的控制模块来改善晶圆厚度控制能力的封闭回路控制示意图，其可以延伸至控制金属厚度，更特定的是，根据本发明的某些实施例，控制钨金属薄膜的厚度。
未完成的晶圆在此封闭回路控制程序200的开始步骤210进入此工艺。此晶圆然后进入步骤220，其包括一化学机械研磨(CMP)制程工艺230及大致即时的同步晶圆厚度轮廓量测240。
被处理中的晶圆厚度轮廓可以藉由一个具有同步晶圆厚度轮廓量测能力的侦测器以如同此处所描述的方式进行量测，且所需的研磨速率可以对被处理晶圆的各个研磨头进行计算。所预计的研磨时间可以根据举例而言最近一次的研磨速率、要被处理的晶圆厚度轮廓以及将被研磨或是已完成晶圆的厚度变动程度获得。在本发明的某些实施例中，所预计的研磨时间也可以考虑施加在研磨头上一系列点上的温度变动来决定。此控制模块/控制器也可以包括将晶圆进行研磨处理时的反馈资料。此控制模块/控制器为控制一个或多个的工艺变因以达成所预期的厚度轮廓。举例而言，控制模块/控制器也可以控制施加在研磨头上一系列点上的温控装置来达成使用此化学机械研磨装置在研磨晶圆时所预计的厚度轮廓。
此工艺控制系统在获得所预期的厚度轮廓的同时也得到改善的晶圆均匀性的结果。举例而言，此控制模块/控制器可以为达成所预期的平坦晶圆轮廓，而此预期的晶圆轮廓具有一较薄的边缘或者甚至是此预期的晶圆轮廓具有一较厚的边缘。
目标金属厚度轮廓260是根据此晶圆所需的规格而提供。一控制模块/控制器250接收目标金属厚度轮廓260及此同步晶圆厚度轮廓量测结果270以决定应用于此化学机械研磨工艺230中所需的温度分布280。完成的晶圆会在完成步骤290后离开此工艺，其具有减少晶圆上厚度差异的特性，且提供此晶圆具有改善的金属厚度均匀性。
虽然以模型为基础的控制方式已经使用于其他的产业中，但是集成电路工艺的技术中并未广泛使用。举例而言，使用线性及/或非线性控制方法的以模型为基础的控制方式已经常见用于连续工艺的产业中，但是仍未能被接收用于分离工艺的产业中。本发明的实施例中使用线性及/或非线性模型为基础的控制方法。
一种控制模型使用控制结构及控制参数以决定对于工艺中至少一控制变数所需的调整以更正一变数的量测值与此变数期望目标值之间的差异。这些模型可以包括但是不局限于线性及/或非线性动态模型。这些模型可以是举例而言单一或多重变数模型。此控制模型可以对任何数目的变因改变进行调整，例如，此模型中的非线性、模型错误、量测错误等等。模型调整也可以对举例而言产出率或是目标值的改变作出反应，或是可以根据许多不同种类生产机器的反应时间而变动。
此模型的输入变数可以是量测或是推断的，且可以是即时或是间断地输入，资料是存放在资料库或是手动地输入。特别是动态模型是十分适合因为例如产出率或是氧化物研磨速率的改变等因素造成的具有时间延迟或是变动反应时间的工艺机台及/或量测机台。
此化学研磨平坦化控制模块/控制器250可以决定所提供的研磨参数/条件280(在一实施例中可为研磨头的温度分布)，将运用于此化学机械研磨工艺230中。在本发明的一实施例中，提供给化学机械研磨工艺230中的温度分布280允许化学机械研磨头上特定区域的参数可以被调整以合适的金属研磨速率，以在晶圆的特定区域提供更好的的金属厚度控制，进而使晶圆整体的金属厚度分布更佳均匀，其会在以下进一步描述。
此同步晶圆厚度轮廓量测240可以在化学机械研磨230操作中使用举例而言图2中的研磨头不断地量测，此处将会近一步描述。这些接近于即时量测的轮廓结果反馈到控制模块/控制器250而进行必要的调整，大致以即时的方式由控制模模块/控制器250决定研磨头的温度分布280，提供至此化学机械研磨工艺230。
在本发明的某些实施例中，此化学机械研磨工艺会包括一个图4A和图4B中所描述的化学机械研磨头，其会在以下进一步描述，以使用局部温度控制而达成一目标金属厚度轮廓260。
根据本发明图5B所显示的另一个实施例，提供一个封闭回路控制程序300，其大致与图5A的封闭回路控制程序200中所使用的元件相同，除了在封闭回路控制程序300中进一步包括反馈补偿。图5B中的封闭回路控制程序300额外的包含同步(同步或即时)与起始金属厚度量测用的感应器，起始晶圆厚度轮廓量测310。此起始晶圆厚度轮廓量测的结果320被送至控制模块/控制器250，此反馈控制资讯允许控制模块/控制器250在晶圆未进行研磨之前作出反应，以由控制模块/控制器250决定初步的研磨头温度分布280，并提供给化学机械研磨工艺230。
除与使用与未完成晶圆厚度轮廓有关的资讯外，控制模块/控制器250也可以使用工艺历史资料来决定最适合的模型资料以用来建立由控制模块/控制器250提供研磨头的温度分布280给化学机械研磨工艺230而达成完成晶圆290的目标金属厚度轮廓260。
此外，控制模块/控制器250也可以用来接收其他辨识资讯例如批次识别或是产品识别资讯等参数设定历史纪录以建立所需的模型及/或模型参数以建立将应用在化学机械研磨工艺230中的研磨头温度分布280。控制模块/控制器250也可以为接收研磨机台辨识资讯及根据用于完成晶圆的化学机械研磨工艺230的特性来选取合适的控制模块及/或控制模块变因。
本发明的一系统是用来完成或最好是控制一晶圆的厚度轮廓，特别是，一化学机械平坦化控制模块/控制器。本发明的系统也包含一感应器装置以量测一晶圆的厚度轮廓。此系统的控制模块也可以进一步为此处所描述的方式。
根据本发明的某些实施例，此感应器装置可以在晶圆被处理时同步或是预先量测其厚度轮廓。此系统可以包含一反馈感应装置以量测一未完成晶圆的起始厚度轮廓，一即时感应装置以量测一正在进行处理晶圆的厚度轮廓或是任何组合。即，无论是预先量测，或是研磨过程中的同步量测，都是通过控制模块/控制器反馈量测值，进行研磨头的局部温度调控，达到厚度轮廓目标值。
在其他的实施例中，本发明的系统包括一晶圆的完成机台。举例而言，在某些较佳实施例中，此晶圆的完成机台是一化学机械平坦化机台。
此控制模块自至少一个感应器装置接收此晶圆的厚度轮廓且决定由此化学机械研磨机台所使用的至少一个控制参数，最好是一控制模式。在本发明的某些实施例中，此控制模块/控制器会提供一系列的控制参数，例如是将被使用于此完成机台对晶圆进行处理的控制配方或是控制模式。在本发明的其他实施例中，此控制模块/控制器会接收此晶圆的反馈厚度轮廓而对而对研磨头中的温控装置，个别进行调整以补偿此完成机台对晶圆进行研磨处理时所遇到不预期的厚度轮廓变动。
在本发明的某些实施例中，此控制模块在一控制系统及/或工艺电脑中，其收集此控制模块使用所需的资料，包括但是不限于，将完成的晶圆的临界尺寸及/或以完成晶圆的临界尺寸；晶圆完成机台的工艺资料；举例而言自资料库中所收集的工艺历史资料；与被处理中晶圆相附的资料例如批次辨识或是产品辨识资料；及/或此晶圆完成机台的表现资料。
对于熟习此技术的人士可以理解本说明书所揭露的优点，本发明的系统可以包含其他的附加设备、功能、软件、固件等以提供此系统操作所需的功能。
图6是显示根据本发明一实施例的改善晶圆均匀性的工艺步骤的流程图。本发明的方法400可以改善晶圆均匀性，其未必要如以下的顺序，其包括特定一晶圆的一晶圆厚度轮廓的目标值410，量测此晶圆的厚度轮廓420，使用所量测的厚度轮廓、目标值和控制模块来决定化学机械研磨工艺的一控制模式430，依据温度分布，各别调整研磨头中的温控装置440，以及使用化学机械研磨工艺和所施加的温度控制来研磨此晶圆450。根据本发明的一实施例，控制模块可以包括多个施加至此研磨头上的温控装置，以进行局部温度调控，进而达到厚度轮廓的目标值。
在本发明的某些实施例中，最好是依照此方法的一特定步骤顺序执行。举例而言，通常希望在进行完成步骤之前先提供此晶圆所预期的目标值。更进一步，也希望在开始进行操作之前决定此完成机台的至少一个操作控制参数，且在开始进行操作之后提供此完成机台的至少一个更新操作控制参数。
在本发明的某些实施例中，使用所量测的厚度轮廓、目标值和控制模块来决定一化学机械研磨(CMP)工艺中所使用的所使用的温度分布，且施加此所使用的温度分布至此化学机械研磨(CMP)工艺中，且周期性地继续使用化学机械平坦化工艺执行晶圆研磨步骤。本发明不希望被说明书中的描述所限制，如此的重复步骤可以用一反馈控制机制来代表。
在本发明的某些实施例中，使用化学机械研磨(CMP)机台来研磨晶圆的步骤包括调整施加许多不同的压力于研磨头上的一系列点之上，例如调整施加于类似于图3中的研磨头上的压力轮廓，将会在以下进一步描述。
在本发明的某些实施例中，使用化学机械研磨(CMP)机台来研磨晶圆的步骤包括调整施加许多不同的温控装置(可以升温或是降温)于研磨头上的一系列点之上。举例而言，通过类似于图4A和图4B中的控制模式，改变研磨头的局部温度，调整相对应位置的金属研磨速率，进而得到厚度轮廓的目标值。
在本发明的某些实施例中，使用化学机械研磨(CMP)机台来研磨晶圆的步骤包括调整施加许多不同的温控装置于研磨头上的一系列点之上且调整施加许多不同的压力于研磨头上的另一系列点之上，其中施加许多不同的热于研磨头上的一系列点之上且施加许多不同的压力于研磨头上的另一系列点之上决定一预期的厚度轮廓。
在本发明的某些实施例中，藉由控制模式调整研磨头的温度分布状况，可以达到改善厚度轮廓差异的效果。
在本发明的某些实施例中，化学机械平坦化工艺或是机台是一个金属化学机械平坦化工艺或是机台且其厚度轮廓是金属厚度轮廓。在本发明的某些实施例中，金属化学机械平坦化工艺或是机台是一个钨金属化学机械平坦化工艺或是机台，且金属厚度轮廓是钨金属厚度轮廓。
本发明改善晶圆均匀性的方法400可以包含起始的金属厚度量测，在此晶圆尚未研磨前使用该控制模块决定至少一控制变数(研磨头的温度分布)。本发明不希望被说明书中的描述所限制，如此的演算法以用一反馈控制机制来代表。
本发明的另一个目的是提供根据本发明所揭露的任何方法所制造的晶圆。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (16)
1.一种控制一晶圆的厚度轮廓的系统，其特征在于其包含：
一控制模块；
一化学机械平坦化机台；
至少一厚度量测器；以及
其中该控制模块接收由该至少一厚度量测器所量测到的该晶圆的该厚度轮廓而决定该化学机械平坦化机台的一控制模式。
2.根据权利要求1所述的控制一晶圆厚度轮廓的系统，其特征在于其中所述的控制模块包含该化学机械平坦化机台的一研磨头的多个控制变数。
3.根据权利要求3所述的控制一晶圆的厚度轮廓的系统，其特征在于其中所述的多个控制变数包含施加至该研磨头中一系列点上的多个压力。
4.根据权利要求2所述的控制一晶圆的厚度轮廓的系统，其特征在于其中所述的多个控制变数包含施加至该研磨头中一系列点上的多个温控装置。
5.根据权利要求1所述的控制一晶圆的厚度轮廓的系统，其特征在于其中所述的化学机械平坦化机台是金属化学机械平坦化机台，且该厚度轮廓是一金属厚度轮廓。
6.一种化学机械平坦化机台，其特征在于其包含一研磨头，其具有施加至该研磨头中一系列点上的多个温控装置，其中该施加至该研磨头中一系列点上的温控装置是被控制用以达成在使用该化学机械平坦化机台进行研磨的一晶圆的理想厚度轮廓。
7.根据权利要求6所述的化学机械平坦化机台，其特征在于其中该施加至该研磨头中一系列点上的多个温控装置决定一理想温度分布，以达到厚度轮廓的目标值。
8.根据权利要求6所述的化学机械平坦化机台，其特征在于其还包含施加至该研磨头中一系列点上的多个压力，其中该施加至该研磨头中一系列点上的该多个温控装置及该多个压力决定该理想厚度轮廓。
9.一种控制一晶圆的厚度轮廓的方法，其特征在于其包括以下步骤：
特定该厚度轮廓的一目标值；
量测该晶圆的该厚度轮廓；
使用该量测的该厚度轮廓、该目标值及一控制模块决定一化学机械平坦化工艺的一控制模式；
施加该控制模式至该化学机械平坦化工艺中；以及
使用该化学机械平坦化工艺及施加该控制模式对该晶圆进行研磨。
10.根据权利要求9所述的控制一晶圆的厚度轮廓的方法，其特征在于其还包含持续性的重复该量测、该决定及该施加步骤而持续地施加该控制模式至该化学机械平坦化工艺中。
11.根据权利要求9所述的控制一晶圆的厚度轮廓的方法，其特征在于其中所述的控制模块包含施加至该化学机械平坦化工艺的一研磨头中一系列点上的多个温控装置。
12.根据权利要求9所述的控制一晶圆的厚度轮廓的方法，其特征在于其中所述的化学机械平坦化工艺是金属化学机械平坦化工艺，且该厚度轮廓是一金属厚度轮廓。
13.根据权利要求9所述的控制一晶圆的厚度轮廓的方法，其特征在于其还包含：
量测该晶圆的一起始厚度；以及
使用该量测起始厚度及该控制模块调整至少一个控制变数。
14.一种制造半导体晶圆的方法，其特征在于其包括以下步骤：
特定一厚度轮廓的一目标值；
量测该晶圆的该厚度轮廓；
使用该量测的该厚度轮廓、该目标值及一控制模块决定一化学机械平坦化工艺的一控制模式；
施加该控制模式至该化学机械平坦化工艺中；以及
使用该化学机械平坦化工艺及施加该控制模式对该晶圆进行研磨。
15.根据权利要求14所述的制造的半导体晶圆的方法，其特征在于其中所述的化学机械平坦化工艺是金属化学机械平坦化工艺，且该厚度轮廓是一金属厚度轮廓。
16.根据权利要求14所述的制造的半导体晶圆的方法，其特征在于其中所述的控制模块包含施加至该化学机械平坦化工艺的一研磨头中一系列点上的多个温控装置。
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Application publication date: 20140129 |