CN107799433B - 半导体制造装置及其研磨模块 - Google Patents

Abstract

一种半导体制造装置，用以检测并研磨一晶圆的一背表面，该装置包括一研磨模块以及一检测系统。前述研磨模块用以研磨晶圆的背表面，检测系统用以检测晶圆的背表面。其中，前述检测系统固定于研磨模块上并传递一信号至研磨模块，研磨模块接收前述信号并根据信号研磨背表面。

Description

半导体制造装置及其研磨模块

技术领域

本发明实施例涉及一种半导体制造装置，特别涉及一种检测与研磨晶圆的背表面的半导体制造装置。

背景技术

随着技术的日益进步下，半导体集成电路(semiconductor integrated circuit)产业经历了指数级的成长，使得集成电路产业有更小与更复杂的电路。在其演进的过程中，随着几何尺寸(制造过程中可被生产的最小元件尺寸)有所减少，功能密度(每一个晶圆的单位面积上的互连元件的数量)已相大幅地增加。通过尺寸下降，普遍提高了生产效率并降低相关成本，但也增加了集成电路处理和制造的复杂性。为了要实现相关技术的进步，在集成电路处理和制造上的发展是被需要的。例如，应用于半导体晶圆的研磨制程。然而，目前研磨系统和相关方法并非具效率，且可能产生额外的问题，例如污染或损害晶圆。

发明内容

本公开的一实施例提供一种半导体制造装置，用以检测并研磨一晶圆的一背表面，该装置包括一研磨模块以及一检测系统。前述研磨模块用以研磨晶圆的背表面，检测系统用以检测晶圆的背表面。其中，前述检测系统固定于研磨模块上并传递一信号至研磨模块，且研磨模块接收信号并根据信号研磨背表面。

本公开的一实施例提供一种研磨模块，用以研磨一晶圆的一背表面。前述研磨模块包括一外壳、一研磨本体、一环状的凹槽、一流体通道以及一排出通道。前述研磨本体设置于外壳内并具有一研磨表面，用以研磨晶圆的背表面。凹槽形成于外壳与研磨本体之间，并环绕研磨本体。流体通道形成于研磨本体内。排出通道形成于外壳与研磨本体之间，并连接凹槽。当研磨本体研磨背表面时，一清洗液经由流体通道输送至背表面或研磨表面，且清洗液依序经由凹槽与排出通道排出研磨模块。

本公开的一实施例提供一种半导体制造装置，用以检测并研磨一晶圆的一背表面，前述半导体制造装置包括一研磨模块以及一检测系统。前述研磨模块用以研磨晶圆的背表面，检测系统则用以检测晶圆的背表面。其中，前述检测系统固定于研磨模块上并传递一信号至研磨模块，且研磨模块接收信号并根据信号研磨背表面。前述研磨模块包含一外壳、一研磨本体、一环状的凹槽、一流体通道以及一排出通道。前述研磨本体设置于外壳内并具有一研磨表面，用以研磨晶圆的背表面。凹槽形成于外壳与研磨本体之间，并环绕研磨本体。流体通道形成于研磨本体内。排出通道形成于外壳与研磨本体之间，并连接凹槽。当研磨本体研磨背表面时，一清洗液经由流体通道输送至背表面或研磨表面，且清洗液依序经由凹槽与排出通道排出研磨模块。

附图说明

根据以下的详细说明并配合附图做完整公开。应注意的是，根据本产业的一般作业，附图并未必按照比例绘制。事实上，可能任意地放大或缩小元件的尺寸，以做清楚的说明。

图1是表示根据一实施例的一半导体制造装置用以检测与研磨一基座上的一晶圆的示意图；

图2是表示图1中的检测系统检测晶圆的示意图；

图3是表示根据另一实施例的检测系统检测一晶圆的示意图；

图4是表示根据另一实施例的检测系统检测一晶圆的示意图

图5是表示晶圆沿其径向分成多个区域的示意图；

图6是表示根据另一实施例的一研磨模块用以研磨一基座上的一晶圆的示意图；

图7A是表示图6中的研磨模块的示意图；

图7B是表示沿着图7A中沿线段A-A的剖视图；以及

图7C是表示另一实施例的研磨模块的局部示意图。

附图标记说明：

100～半导体制造装置；

102、202～基座；

104、204～晶圆；

104A、204A～前表面；

104B、204B～背表面；

105、205～中心轴；

106、107、108～第一、第二、第三区域；

109、209～边缘；

110～检测系统；

111～光源；

112～接收单元；

112A～光接收器；

112B～信号处理器；

120、220～研磨模块；

120H、220H～外壳；

121、221～研磨本体；

121C、221C～中心轴；

222～研磨表面；

222S～外缘；

224～流体供应单元；

226～凹槽；

226P～顶部；

226S～内缘；

228～抽气单元；

A-A～线段；

BS～光束分离器；

CL～聚光透镜；

CS～准直系统；

C1～流体通道；

C2～排出通道；

GM～导引镜；

I、I’、I”～光线

PL～投影透镜；

T～管体。

具体实施方式

以下的公开内容提供许多不同的实施例或范例以实施本案的不同特征。以下的公开内容叙述各个构件及其排列方式的特定范例，以简化说明。当然，这些特定的范例并非用以限定。例如，若是本公开书叙述了一第一特征形成于一第二特征之上或上方，即表示其可能包含上述第一特征与上述第二特征是直接接触的实施例，亦可能包含了有附加特征形成于上述第一特征与上述第二特征之间，而使上述第一特征与第二特征可能未直接接触的实施例。另外，以下公开书不同范例可能重复使用相同的参考符号及/或标记。这些重复为了简化与清晰的目的，并非用以限定所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。

此外，其与空间相关用词。例如「在…下方」、「下方」、「较低的」、「上方」、「较高的」及类似的用词，为了便于描述图示中一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。除了在附图中绘示的方位外，这些空间相关用词意欲包含使用中或操作中的装置的不同方位。例如，若附图中的装置为倒过来，元件将以在其他元件下方或元件于其他元件的下方，或是特征在其他元件或特征的上方方位来做描述。因此用词「下方」可包含上方和下方两个方位。装置可能被转向不同方位(旋转90度或其他方位)，则在此使用的空间相关词也可依此相同解释。

图1是表示一实施例的半导体制造装置100用以检测与研磨一晶圆104的示意图，其中一基座102是可用于固定晶圆104，并可使晶圆104绕其中心轴105旋转，且上述中心轴105是垂直于晶圆104并经过晶圆104的中心。于本实施例中，基座102是包含一夹持结构(clamping structure)，藉以固定住晶圆104的边缘109，此外，基座102更可连接一旋转机构与一马达，其中马达可通过旋转机构带动夹持机构与晶圆104一起旋转。

在一些实施例中，晶圆104为一硅晶圆(silicon wafer)。在一些实施例中，晶圆104可包含一元素半导体，例如锗。在一些实施例中，晶圆104可包含一化合物半导体，例如硅锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、和/或锑化铟；或者以上的组合。在其他实施例中，半导体材料薄膜可于硅晶圆上磊晶成长(epitaxially grown)。在一些实施例中，晶圆104可为其他材料的一基底。

由图1可看出，晶圆104具有一前表面104A和一与其相反的背表面104B。一或多个集成电路被形成或部分地形成于晶圆104的前表面104A上。因此，晶圆104的前表面104A包含一已图案化材料层或一将被图案化的材料层。举例而言，前表面104A可包含多种隔离结构(例如浅沟槽隔离结构)、各种掺杂结构(例如掺杂阱、或掺杂源和掺杂汲结构)、各种装置(例如晶体管)、各种导电特征(例如接触层、金属线和/或互连结构的通孔)、封装材料层(例如连接垫和/或钝化层)，或它们的组合。

如图1所示，本实施例中的半导体制造装置100主要包括一光学的检测系统(Optical Inspection System)110与一研磨模块120，其中检测系统110是用以检测晶圆104，并可针对晶圆104的背表面104B的表面平整度进行检测，研磨模块120则可根据检测系统110所得到的背表面104B的平整度信息而相对应地研磨晶圆104的背表面104B。特别地是，检测系统110是与研磨模块120整合一起，如图1所示，研磨模块120包括研磨本体121与外壳120H，其中研磨本体121是设置于外壳120H内，检测系统110则设置于外壳120H上。前述研磨模块120可接收由检测系统110所发出的一信号，并根据此信号来研磨背表面104B，其中，研磨模块120的研磨本体121可用来研磨背表面104B，且研磨本体121可通过一马达而被驱动，并相对于外壳120H及检测系统110而绕其中心轴121C旋转。

图2是表示前述检测系统110检测晶圆104的背表面104B的示意图。前述检测系统110主要包含一光源111与一检测单元112，其中检测单元112包含一光接受器112A以及一信号处理器112B。于一实施例中，信号处理器112B可具有影像处理和信号输出的功能，以利于将光学的检测结果转换为电信号并输出至检测单元112。

在利用检测系统110进行检测时，光源111会发出一光线I至晶圆104的背表面104B，随后背表面104B反射光线I至检测单元112的光接收器112A；接着，信号处理器112B会对光接收器112A所接收到的影像或数据进行处理，例如，事先将一平坦表面的晶圆的预设影像数据储存于信号处理器112B中，使得信号处理器112B可根据目前检测到的晶圆104背表面104B的平整度数据与前述预设数据比较，并进行演算与分析，以产生一信号至研磨模块120，最后研磨模块120再根据此信号来研磨背表面104B的一特定区域。

在另一实施例中，如图3所示，前述检测系统110还可包含一导引镜(guidingmirror)GM、一投影透镜(projection lens)PL与一聚光透镜(collection lens)CL。通过控制前述导引镜GM与投影透镜PL的角度或位置，可使光线I有效地照射至晶圆104的背表面104B上的不同位置；而前述聚光透镜CL是设置于晶圆104与接收单元112之间，由于聚光透镜CL具有聚光的特性，故能够有效聚集因光线I照射至凹凸不平的背表面104B而导致发散的光线I，并让光线I可在穿过聚光透镜CL之后顺利地进入至检测单元112，以获取更正确的影像数据。

于另一实施例中，如图4所示，前述检测系统110更可包含一光束分离器(beamsplitter)BS与一准直系统(collimation system)CS。前述光束分离器BS可先将光线I分成两个不同路径的光线I’与I”，其中光线I’的路径是经过前述准直系统CS后直接进入接收单元112的光接收器112A；而光线I”则会射向待检测的背表面104B，其路径与前述图3中的光线I路径相同，亦即依序经过导引镜GM、穿过投影透镜PL而照射至背表面104B，接着被背表面104B反射并穿过聚光透镜CL至接收单元112的光接收器112A。接收到两个不同光线I’、I”的接收单元112可实时进行两者的比对处理，针对由光线I”的数据来判断背表面104B中被检测的区域是否有研磨的需求，接着再适当地并驱使研磨模块110来进行研磨制程。

如图5所示，晶圆104的背表面104B可由中心轴105沿其径向方向至边缘109依序区分为多个不同区域：圆形的第一区域106、环形的第二区域107与环形的第三区域108。来自检测系统110的光线，可准确地分别针对背表面104B的前述第一、二、三区域106、107、108进行照射，其中随着前述基座102与晶圆104绕中心轴105旋转，可分别对晶圆104背表面104B的各个不同区域进行检测，接着可再搭配前述研磨模块120对前述各区域中不平坦的部分进行研磨。换言之，本实施例中的半导体制造装置100可针对晶圆104的背表面104B的特定区域进行局部检测。于一实施例中，亦可将背表面104B沿其径向分成二、四、五或以上的多个不同区域，并分别地进行检测。

值得注意的是，前述各实施例中的检测系统110与研磨模块120是相互固定并整合在一起，并使得检测系统110与研磨模块120可一起移动。如此一来，相较于传统对晶圆104的背表面104B所有区域皆进行研磨的方式而言，前述各实施例可达到针对晶圆104背表面104B的局部区域实施检测并实时研磨的优点，此外由于检测系统110和研磨模块120是一起移动，故可提高定位的精度并有效改善研磨模块120在研磨时的整体效率。

图6是表示本公开另一实施例的研磨模块220研磨一晶圆204的示意图，其中一基座202是用以固定晶圆204，且可使晶圆204绕其中心轴205旋转，前述晶圆204具有互为相反侧的前表面204A与背表面204B。由图6可看出，研磨模块220是以研磨本体221来研磨晶圆204的背表面204B，此外，研磨模块220可从晶圆204的中心轴205移动到晶圆的边缘209，或可从边缘209移动到中心轴205。以下将详细说明研磨模块220的结构组成。

图7A是表示图6中的研磨模块220的示意图，图7B则表示沿图7A中沿线段A-A的剖面图。如图所示，前述研磨模块220包含一研磨本体221，研磨本体221则具有一研磨表面222，其中研磨表面222例如可包含一研磨带(abrasive tape)或其他适当的研磨表面。此外，研磨表面222更可进一步包括其他结构，例如一研磨卷(abrasive roll)，其可用于在晶圆204上滚动以研磨或清洁晶圆204。

请继续参阅第7A-7B图，前述研磨模块220的中央设有一流体通道C1，其形成于研磨本体221内，并可通过流体通道C1连接至一流体供应单元224(图7B)，上述流体供应单元224可提供一清洗液、研磨液或化学品来清洗或用以研磨晶圆204的背表面204B。在本实施例中，流体通道C1的顶部是与研磨表面222等高。流体供应单元224和研磨本体221可被操作地于研磨制程中一起协同运行。于本实施例中，流体通道C1形成于研磨本体221内，当使用研磨模块220时，可通过一马达带动研磨本体221绕其中心轴221C旋转。

如第7A-7B图所示，前述研磨模块220还包含一外壳220H与一环状的凹槽226，其中凹槽226是形成于研磨本体221与外壳220H之间，且环绕研磨本体221并连接至一排出通道C2(图7B)。前述排出通道C2形成于外壳220H和研磨本体221之间，一抽气单元228可通过排出通道C2连接凹槽226。当研磨模块220的研磨本体221在研磨晶圆204的背表面204B时，流体供应单元224可经由流体通道C1输送一清洗液至背表面204B，使研磨本体221在研磨时，得以同时清洁背表面204B，此外亦可先将前述清洗液输送至研磨表面222，然后再由研磨本体221研磨背表面204B；接着，清洗液可依序经由凹槽226和排出通道C2排出研磨模块220。于本实施例中，在研磨模块220研磨背表面204B时，研磨本体221是相对外壳220H而绕其中心轴221C旋转。

由图7A可看出，前述外壳220H具有一顶部226P，其与研磨表面222在中心轴221C方向上相隔一距离，举例而言，该距离可为1mm～100mm，使得研磨表面222高于外壳220H。于一些实施例中，研磨本体221的外缘222S与外壳220H的内缘226S在研磨本体221的径向方向上相隔一距离，举例而言，该距离可为1mm～100mm。

于另一实施例中，如图7C所示，前述研磨模块220内部还设有一管体T，前述管体T是位于流体通道C1内，使得前述流体供应单元224可经由管体T提供清洗液至晶圆204的背表面204B或研磨本体221的研磨表面222。此外，从7C图可看出，管体T的一端部是低于研磨本体221的研磨表面222，两者在中心轴221C方向上的距离例如可为1mm～20mm。于本实施例中，当研磨模块220在研磨背表面204B时，研磨本体221是相对外壳220H与管体T而绕其中心轴221C旋转。于一实施例中，管体T的末端亦可与研磨表面222对齐。

值得注意的是，考虑到晶圆204前表面204A具有电路图案且晶圆204于研磨制程中会旋转，因此任何可能造成前表面204A上的电路图案的损伤是要避免(消除)的。通过设置具有前述凹槽226的研磨模块220，不仅可实时地将使用过后的清洗液通过凹槽226与排出通道C2快速地排出，特别是在研磨晶圆204背表面204B的边缘209时，通过设置前述凹槽226，并使用抽气单元228将清洗液由排出通道C2排出，更可防止清洗液转移或喷溅至晶圆204的前表面204A而造成损害。

本公开的前述各实施例可相互搭配组合，例如，将图1中的研磨模块120替换成图6中的研磨模块220，使得前述检测系统110与研磨模块220整合在一起，以大幅提升整体的效能。

本公开的实施例相较于现行的技术提供多个优点，需要了解的是，其他实施例可提供不同的优点，并非所有优点皆需于此作描述，且并非所有实施例皆需具有一特定的优点。通过使用本公开的实施例的半导体制造装置，可分别对晶圆背表面中的各个局部区域进行检测，并根据检测到结果来实时地驱动研磨模块以研磨晶圆背表面的特定区域，这样的设计可使得制造成本降低、制成效率增加，同时亦可改善晶圆的背表面的平坦度，并特别有助于光刻(lithography)制程。

当半导体基底包含一立体电路结构时，例如鳍式场效晶体管(fin field effecttransistors，FinFETs)，晶圆的前、背侧表面两者的外形(profile)皆会影响光刻图案制程并降低成像分辨率，通过本公开各实施例的半导体制造装置可提高晶圆背表面的平坦度，并可有效防止晶圆前表面受到损害，以提升光刻图案制程的品质。此外，通过设置一流体通道于研磨模块的研磨本体内，与设置一凹槽环绕研磨本体，不但可提升研磨与清洁晶圆背表面的效率，更可防止清洁液溅射至晶圆的前表面，以提升整体的制程品质。

以上概略说明了本发明数个实施例的特征，使所属技术领域技术人员对于本发明可更为容易理解。任何所属技术领域技术人员应了解到本说明书可轻易作为其它结构或制程的变更或设计基础，以进行相同于本发明实施例的目的及/或获得相同的优点。任何所属技术领域技术人员也可理解与上述等同的结构或制程并未脱离本发明的精神和保护范围内，且可在不脱离本发明的精神和范围内，当可作变动、替代与润饰。

Claims (10)

1.一半导体制造装置，用以检测并研磨一晶圆的一背表面，包括：

一研磨模块，用以研磨该晶圆的该背表面；以及

一检测系统，用以检测该晶圆的该背表面，固定于该研磨模块上并传递一信号至该研磨模块，其中该研磨模块接收该信号，并根据该信号研磨该背表面；

其中该研磨模块包含：

一外壳；

一研磨本体，设置于该外壳内，且一流体通道形成于该研磨本体内；以及

一环状的凹槽，形成于该外壳与该研磨本体之间，并环绕该研磨本体，当该研磨本体研磨该背表面时，一清洗液体从该流体通道输出，并经由该凹槽排出该研磨模块。

2.如权利要求1所述的半导体制造装置，其中该晶圆的该背表面沿其径向区分为一第一区域与一第二区域，该检测系统与该研磨模块一起移动并分别检测该第一区域和该第二区域。

3.如权利要求1所述的半导体制造装置，其中该检测系统具有一光源与一接收单元，当该检测系统检测该背表面时，该光源发出一光线照射该背表面，且该背表面反射该光线至该接收单元。

4.如权利要求3所述的半导体制造装置，其中该检测系统还具有一导引镜与一投影透镜，该光线通过该导引镜反射后穿过该投影透镜，并照射至该背表面。

5.如权利要求3所述的半导体制造装置，其中该接收单元具有相互连接的一光接收器与一信号处理器，该光接收器接收由该背表面所反射的该光线，且该信号处理器根据该光接收器所接收到的该光线，产生并传递该信号至该研磨模块。

6.一研磨模块，用以研磨一晶圆的一背表面，包括：

一外壳；

一研磨本体，设置于该外壳内并具有一研磨表面，用以研磨该晶圆的该背表面；

一环状的凹槽，形成于该外壳与该研磨本体之间，并环绕该研磨本体；

一流体通道，形成于该研磨本体内；以及

一排出通道，形成于该外壳与该研磨本体之间，并连接该凹槽；

其中，当该研磨本体研磨该背表面时，一清洗液经由该流体通道输送至该背表面或该研磨表面，且该清洗液依序经由该凹槽与该排出通道排出该研磨模块。

7.如权利要求6所述的研磨模块，其中该研磨表面与该外壳的一顶部于该研磨本体的一中心轴方向上相隔一距离，该距离为1mm～100mm。

8.如权利要求6所述的研磨模块，其中该研磨模块还包括一管体，设置于该流体通道内，当该研磨本体研磨该背表面时，该研磨本体相对该外壳与该管体旋转。

9.如权利要求8所述的研磨模块，其中该管体的一末端与该研磨表面对齐。

10.一半导体制造装置，用以检测并研磨一晶圆的一背表面，包括：

一研磨模块，用以研磨该晶圆的该背表面；以及

一检测系统，用以检测该晶圆的该背表面，固定于该研磨模块上并传递一信号至该研磨模块，其中该研磨模块接收该信号，并根据该信号研磨该背表面；

其中，该研磨模块包含：

一外壳；

一研磨本体，设置于该外壳内并具有一研磨表面，用以研磨该晶圆之该背表面；

一环状的凹槽，形成于该外壳与该研磨本体之间，并环绕该研磨本体；

一流体通道，形成于该研磨本体内；以及

一排出通道，形成于该外壳与该研磨本体之间，并连接该凹槽；

其中，当该研磨本体研磨该背表面时，一清洗液经由该流体通道输送至该背表面或该研磨表面，且该清洗液依序经由该凹槽与该排出通道排出该研磨模块。

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