CN112518570A - 化学机械研磨系统 - Google Patents

Abstract

一种化学机械研磨系统，包括一研磨垫，配置以研磨一基板。化学机械研磨系统还包括一加热系统，配置以调节研磨垫的温度。加热系统包括与研磨垫间隔开的至少一加热元件。化学机械研磨系统还包括一感应器，配置以测量研磨垫的温度。

Description

化学机械研磨系统

技术领域

本公开涉及化学机械研磨，特别涉及用于控制化学机械研磨过程的温度的研磨系统与方法。

背景技术

化学机械研磨(Chemical mechanical polishing，CMP)广泛用于集成电路的制造。随着集成电路的逐层构建，化学机械研磨过程被用于平坦化最顶层，以为后续的制造步骤提供平整的表面。通过将晶圆放置在晶圆载体中来实行化学机械研磨过程，此晶圆载体将待研磨的晶圆表面压靠在附接到平台的研磨垫上。平台和晶圆载体都旋转，同时将包含研磨性颗粒和反应性化学物质的浆料施加到研磨垫。研磨垫和晶圆表面结合浆料中的反应性化学物质的相对运动允许化学机械研磨过程通过物理和化学力使晶圆表面平整。化学机械研磨是实现先进集成电路的整体晶圆平面化的有效方法。

发明内容

根据本公开一些实施例，提供一种化学机械研磨系统，包括一研磨垫、一加热系统以及一感应器。研磨垫配置以研磨一基板。加热系统配置以调节研磨垫的一温度。其中加热系统包括与研磨垫间隔开的至少一加热元件。感应器配置以测量研磨垫的温度。

根据本公开另一些实施例，提供一种化学机械研磨系统，包括：一研磨头、一研磨垫、一浆料输送系统、一加热系统、一感应器以及一控制器。研磨头配置以在化学机械研磨过程期间固持一基板。研磨垫配置以研磨基板。浆料输送系统配置以供应一浆料到研磨垫。加热系统配置以加热研磨垫和浆料中的至少一者。加热系统与研磨垫间隔开一距离。感应器配置以测量研磨垫的一温度。控制器配置以基于从感应器所接收的信息，而控制加热系统。

根据本公开又另一些实施例，提供一种控制一化学机械研磨过程的一温度的方法，包括：分配一浆料到一研磨垫上；以浆料研磨一基板的一表面；当研磨基板的表面时，加热研磨垫，其中通过使用与研磨垫间隔开一距离的一加热系统以辐射加热而加热研磨垫；监测研磨垫的一温度；以及将研磨垫的温度维持在与被研磨的一个或多个材料有关的一目标温度附近。

附图说明

当与附图一起阅读时，从以下实施方式可以最好地理解本公开的各实施方式。应注意的是，根据业界中的标准实践，各种特征并未按比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，各种特征的尺寸可以任意增加或减小。

图1A是根据一些实施例的化学机械研磨系统的平面图。

图1B是根据一些实施例的图1A的化学机械研磨系统的剖视图。

图2是根据一些实施例的化学机械研磨系统的平面图。

图3A是根据一些实施例的加热元件的平面图。

图3B是根据一些实施例的加热元件的平面图。

图4是根据一些实施例的通过异位(ex-situ)加热来控制化学机械研磨过程的温度的方法的流程图。

图5是根据一些实施例的通过原位(in-situ)来控制化学机械研磨过程的温度的方法的流程图。

图6是根据一些实施例的通过异位加热和原位加热两者来控制化学机械研磨过程的温度的方法的流程图。

图7是根据一些实施例的用于控制化学机械研磨系统的控制系统的视图。

图8是根据一些实施例的制造半导体结构的方法的流程图。

图9A到图9D是根据一些实施例的处于各种制造阶段的半导体结构的剖面图。

其中，附图标记说明如下：

100：化学机械研磨系统

102：平台

103：平台主轴

104：研磨垫

106：研磨头

107：保持环

108：基板

110：浆料输送系统

110a：出口

110b：输送臂

112：浆料

120：加热系统

122：加热元件

124：加热灯

126：支撑板

130：感应器

140：控制器

400：方法

402：操作

404：操作

406：操作

408：操作

410：操作

412：操作

414：操作

416：操作

418：操作

500：方法

502：操作

504：操作

506：操作

508：操作

510：操作

512：操作

514：操作

516：操作

600：方法

602：操作

604：操作

606：操作

608：操作

610：操作

612：操作

614：操作

616：操作

618：操作

620：操作

700：控制系统

702：处理器

704：电脑可读取存储媒体,存储媒体

706：电脑程序代码

707：指令

708：总线

710：输出/输入接口

712：网络接口

714：网络

716：感应器参数

718：目标温度参数

720：阈值温度参数

800：方法

802：操作

804：操作

806：操作

808：操作

900：半导体结构

902：基板

910：介电层

912：接触开口

914：阻挡层

914P：阻挡部分

916：导电材料层

916P：导电部分

916r：剩余导电材料层

具体实施方式

以下公开提供了用于实施所提供的标的不同特征的许多不同的实施例或示例。以下描述部件和布置的特定示例以简化本公开。当然，这些仅是示例，并不旨在限制。举例来说，在下面的描述中，在第二特征之上或上方形成第一特征可以包括第一特征和第二特征直接接触形成的实施例，并且还可以包括在第一特征和第二特征之间形成额外特征，使得第一特征和第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本公开可以在各种示例中重复参考数字及/或字母。此重复是出于简化和清楚的目的，并且其本身并不指示所讨论的各种实施例及/或配置之间的关系。

此外，为了便于描述，在本文中可以使用例如“在...下方”、“在...之下”、“在...下”、“在...上方”、“在...上”之类的空间相对术语，来描述如图所示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了图中所描述的方位之外，空间相对术语还意图涵盖装置在使用或操作中的不同方位。设备可以用其他方式定向(旋转90度或其他方位)，且本文中使用的空间相对描述语可以同样地被相应地解释。

集成电路包含制造在半导体基板上及/或之中的许多装置，例如晶体管、二极管、电容器和电阻器。这些装置最初相互分离，随后互连以形成功能电路。随着集成电路中装置密度的增加，需要多层布线(multiple wiring levels)来实现这些装置的互连。化学机械研磨过程通常用于多层互连结构(multilevel interconnect structures)的形成中。

在多层互连结构中，导线(例如，铜线)放置在堆叠的介电层中，并且通过通孔从一层连接到另一层。在一些情况下，使用单或双镶嵌(damascene)工艺来制造导线和通孔。在这样的工艺中，介电层被图案化，以形成包括沟槽及/或通孔开口的接触开口。阻挡层(barrier layer)沿接触开口的侧壁和底部表面沉积，然后在阻挡层上方沉积导电层，以过量填充(overfill)接触开口。随后施行化学机械研磨过程，以从介电层的表面去除上覆的导电层和阻挡层，因此形成分离的导电触点(conductive contacts)。

然而，由于在化学机械研磨过程中的不同材料的不同的去除速率(即，研磨速率)，难以实现真正均匀的研磨。举例来说，导电层通常由例如铜(copper)的相对软的金属所制成，而阻挡层由例如钽(tantalum)及/或氮化钽(tantalum nitride)的相对硬的材料所制成。因此，相较于阻挡层被研磨的速率，导电层通常研磨处于相对高的速率。对于在化学机械研磨过程期间关联于阻挡层而去除导电层，导电层的去除速率与阻挡层的去除速率的比率称为“选择性”。当在穿透(breaking through)导电层之后继续研磨结构时，化学机械研磨过程对导电层和阻挡层的选择性的差异经常导致软金属上的凹陷(dishing)。凹陷导致裸晶(die)区域各处的互连结构的表面非平面性和厚度变化，这对互连性能产生负面影响，从而导致产率损失。因此，在使用镶嵌工艺制造互连结构时，需要在导电层和下伏的阻挡层之间的低选择性。

随着装置几何形状的扩展(scale)，具有高生产率和低缺陷的多层互连结构的化学机械研磨是令人想要的。因为化学机械研磨过程涉及化学反应和机械作用，化学反应的速度对温度敏感。增加研磨温度将导致化学反应速度的增加，且因此增加研磨速率。化学机械研磨速率通常由于研磨性颗粒和基板表面之间的摩擦所引起的温度上升而随研磨时间增加。然而，因为不同材料的去除速率会受到温度增加的影响会不同，用于控制依靠摩擦的化学机械研磨过程的方法不允许最佳化横跨不同层的研磨速率或此速率下的选择性。

根据本公开的一些实施例，化学机械研磨系统具有外部加热系统。外部加热系统配置以在化学机械研磨之前及/或期间通过辐射加热一个或多个部件，例如研磨垫、基板和浆料。通过增加化学机械研磨过程的温度，外部加热系统有助于提高整体的化学机械研磨速率，且因此增加生产量。引入外部加热系统还可以允许在不同的化学机械研磨阶段调节研磨温度，以减少化学机械研磨期间不同材料之间的研磨速率差异。因此，外部加热系统有助于改善对不同材料的研磨选择性。因此，减少由对不同材料的不同去除速率所导致的缺陷(例如金属凹陷)。

图1A是根据一些实施例的化学机械研磨系统100的平面图。图1B是根据一些实施例的图1A的化学机械研磨系统100的剖视图。参照图1A和图1B，化学机械研磨系统100包括平台102、设置在平台102的顶部的研磨垫104、配置以固持基板108接近研磨垫104的研磨头106、以及配置以将浆料112输送到研磨垫104的浆料输送系统110，以便于去除例如金属的材料，以从基板108形成互连结构。化学机械研磨系统100还包括配置以在化学机械研磨过程之前及/或期间加热化学机械研磨系统100的一个或多个部件(例如研磨垫104、基板108、和浆料112)的加热系统120。感应器130配置以监测在化学机械研磨过程之前及/或期间的研磨垫104的温度。控制器140配置以从感应器130接收信息，并基于所接收的信息来控制加热系统120。在一些实施例中，使用控制系统700(图7)来实现控制器140。在一些实施例中，化学机械研磨系统100还包括配置以恢复研磨垫104的粗糙度的整修碟(dressing disk)(未示出)。

化学机械研磨系统100基于研磨垫104和研磨头106之间的相对运动而从基板108去除一个或多个材料。通过浆料输送系统110引入到研磨垫104的浆料112与基板108上的一个或多个材料发生反应，且由研磨垫104施加在基板108上的机械力从基板108去除一个或多材料。

平台102配置以在第一方向旋转。在一些实施例中，平台102配置以在多于一个方向旋转。在一些实施例中，平台102配置以具有恒定的旋转速度。在一些实施例中，平台102配置以具有可变的旋转速度。在一些实施例中，平台102通过马达以平台主轴103旋转。在一些实施例中，马达是交流(alternating current，AC)马达、直流(direct current，DC)马达、通用马达(universal motor)或另一合适的马达。在其他实施例中，平台102配置以保持静止。在一些实施例中，平台102配置以沿一个或多个方向平移。

平台102配置以支撑研磨垫104。研磨垫104配置以连接到平台102，使得研磨垫104以相同于平台102的速度以相同的方向旋转。在平台102静止的一些实施例中，研磨垫104保持静止。在一些实施例中，研磨垫104具有纹理化表面，其配置以在化学机械研磨系统100的操作期间从基板108去除材料。

研磨头106配置以在化学机械研磨系统100的操作期间支撑基板108。在一些实施例中，研磨头106包括保持环(retaining ring)107，以将基板108固定抵靠研磨头106。在一些实施例中，研磨头106包括真空装置，以将基板108固定抵靠研磨头106。研磨头106配置以在第二方向旋转。在一些实施例中，第二方向与第一方向相同。在一些实施例中，第二方向与第一方向相反。在一些实施例中，研磨头106配置以用恒定旋转速度旋转。在一些实施例中，研磨头106配置以用可变旋转速度旋转。在一些实施例中，研磨头106通过马达旋转。在一些实施例中，马达是交流马达、直流马达、通用马达或另一合适的马达。在一些实施例中，研磨头106保持静止。在一些实施例中，研磨头106配置以平移横跨研磨垫104的表面。

研磨头106配置以在垂直于研磨垫104的表面的方向上移动。通过在垂直于研磨垫104的表面的方向上移动研磨头106，可调节由研磨头106施加在基板108上的压力。在一些实施例中，研磨头106包括压力感应器，以监测施加在基板108上的压力。在一些实施例中，压力感应器连接到控制系统。在一些实施例中，研磨头106包括压力调节装置，压力调节装置配置以在与研磨垫104相对的基板108的表面上施加力，以在基板108的各个地点调节施加到基板108上的压力。在一些实施例中，压力调节装置包括配置以排放加压气体的喷嘴，可平移的销或其他合适的力施加元件。

浆料输送系统110配置以分配包含悬浮在碱性或酸性溶液中的研磨性颗粒(例如二氧化硅(silica)或氧化铝(alumina))的浆料112到研磨垫104。基板108和研磨垫104之间的压力和相对运动与浆料112结合，导致研磨基板108。浆料输送系统110包括出口110a，浆料112从浆料储槽通过出口110a分配到研磨垫104上。浆料输送系统110还包括配置以相对于研磨垫104的表面平移出口110a的位置的输送臂110b。在一些实施例中，浆料输送系统110包括配置以在将混合物输送到研磨垫104之前，混合各种流体成分的浆料混合系统。

加热系统120配置以在化学机械研磨过程之前或期间加热一个或多个部件(例如研磨垫104、基板108和浆料112)，从而提供对化学机械研磨过程的温度控制。举例来说，在形成互连结构时，可操作加热系统120，以加热研磨垫104、基板108和浆料112中的至少一个，因此，当研磨导电层(例如，铜层)时，能够在第一温度范围内研磨导电层，以实现更高的去除率，并且在从阻挡层去除导电层以暴露阻挡层之后，能够在第二温度范围内研磨导电层和阻挡层，以在导电层和阻挡层之间实现最佳的研磨选择性。因此，提高了化学机械研磨过程的生产量和产率。在一些实施例中，使用加热系统120控制研磨温度在约20℃到约80℃。

加热系统120包括与研磨垫104设置一段距离的一个或多个加热元件122。一个或多个加热元件122通过辐射提供热，且不物理接触化学机械研磨系统100中的任何部件，因此，加热系统120，是非接触式加热系统。在一些实施例中，每个加热元件122和研磨垫104之间的距离为约10毫米至约500毫米。在某些情况下，如果距离太小，将难以控制研磨温度。在某些情况下，如果距离太大，加热系统120的加热效率会不必要地降低。

在一些实施例中，并且如图1A所示，加热系统120包括设置在研磨垫104的一侧上的单个加热元件122。替代地，在其它实施例中，单个加热元件122设置在研磨垫104之上。在一些实施例中，单个加热元件122设置在研磨垫104的中心之上。在一些实施例中，并且如图2所示，加热系统120包括多个加热元件122，其沿着研磨垫104的周边定位。这种布置有利地允许通过同时启动所有的加热元件122而加热整个研磨垫104、或替代地通过启动加热元件122的一个子群而仅加热特定定位区域的研磨垫104。在一些实施例中，多个加热元件122均匀地相互间隔开，且因此，以均匀的圆形配置而布置围绕研磨垫104的周边。这样的配置允许研磨垫104均匀地暴露于辐射光且从而均匀加热。在一些实施例中，多个加热元件122不均匀地彼此间隔开而围绕研磨垫104的周边。在一些实施例中，多个加热元件122包括定位在研磨垫104上方的一个或多个上部加热元件、和沿着研磨垫104的周边定位的一个或多个侧加热元件。因此，每个加热元件122具有当每个加热元件122启动并照在研磨垫104、基板108及/或浆料112时，与活跃地加热的研磨垫104、基板108、或浆料112相关联的对应的照明区域。虽然在图2中示出三个加热元件122，加热系统120可根据研磨要求而包括任何数量的加热元件。

图3A和图3B是根据一些实施例的各个加热元件的平面图。如图3A和图3B所示，每个加热元件122包括由支撑板126所支撑的一个或多个加热灯124。加热灯124可以是任何类型的辐射加热灯。加热灯的示例包括但不限于石英灯、陶瓷灯、卤素灯、和氙气灯。只要能够在化学机械研磨过程期间达到最佳化的研磨温度，加热灯124可以用任何合适的图案布置。在一些实施例中，且如图3A和图3B所示，加热灯124相对于彼此平行布置。可以采取任何形状的支撑板126。在一些实施例中，且如图3A所示，支撑板126为正方形形状。替代地，在其他实施例中，且如图3B所示，支撑板126为圆形形状。在又一实施例中，支撑板126可以是矩形、椭圆形、三角形、或梯形。尽管在加热元件122中示出三个加热灯124(图3A和图3B)，但是每个加热元件122可根据研磨要求而包括任意数量的加热灯124。

感应器130配置以测量研磨垫104的温度。在一些实施例中，感应器130是配置以检测来自研磨垫104的红外线辐射(例如，红外线能量)的红外线感应器。为了简单起见，在图1A到图2中包括单个感应器130。在一些实施例中，包括多个感应器130以检测研磨垫104的不同位置处的温度。在一些实施例中，感应器130是延伸横跨研磨垫104的一部分的感测元件的集成阵列(integrated array)。通过收集在不同的位置的温度的信息，在研磨垫104的不同位置被用于研磨时，感应器130将能够更精确地测量研磨垫104的温度。

控制器140配置以接收来自感应器130的信息。在一些实施例中，此信息包括在化学机械研磨过程开始之前研磨垫104的温度。在一些实施例中，此信息包括在化学机械研磨过程开始之后研磨垫104的温度。在一些实施例中，此信息包括在化学机械研磨过程开始之前和之后研磨垫104的温度。

基于来自感应器130的信息，控制器140配置以控制加热系统120，以调节研磨温度。在一些实施例中，控制器140配置以调整在加热系统120中的一个或多个加热元件122和研磨垫104之间的距离(更靠近或更远离)，以便基于被研磨的一个或多个材料的特征而控制研磨温度。在一些实施例中，控制器140配置以调节在加热系统120中的一个或多个加热元件122的功率(增加或减少)，以便基于被研磨的一个或多个材料的特征而控制研磨温度。在一些实施例中，在研磨温度等于阈值温度(在阈值温度以上，将发生浆料的劣化或待研磨的不同材料之间的不好的去除选择性)的情况下，控制器140配置以关闭加热系统120中的一个或多个加热元件122，因此，有助于减少形成在集成电路中的缺陷。

在操作期间，研磨垫104、基板108、和浆料112中的至少一个暴露于来自加热系统120的辐射热。感应器130监测来自研磨垫104的热辐射，以获得研磨垫104的温度信息。基于所测量的温度，控制器140控制研磨温度，以响应于被研磨的材料的类型而获得最佳材料研磨速率或最佳研磨选择性。

因为加热系统120能够调节的研磨垫104的温度，可运用本公开的化学机械研磨系统100订制(tailor)不同材料层之间的材料研磨速率及/或研磨的选择性。因此，化学机械研磨系统100有助于提高集成电路的生产量和产率。

图4是根据一些实施例的使用化学机械研磨系统100通过异位加热(ex-situ)来控制化学机械研磨过程的温度的方法400的流程图。在方法400中，在化学机械研磨过程开始之前，预加热一个或多个部件(例如研磨垫104和浆料112)，因此，异位控制研磨温度。

在操作402中，使用加热系统120加热研磨垫104。在一些实施例中，如图1A所示，加热系统120包括单个加热元件122。在其它实施例中，如图2所示，加热系统120包括多个加热元件122。在一些实施例中，省略操作402。

在操作404中，使用浆料输送系统110将浆料112分配到研磨垫104上。

在操作406中，使用加热系统120加热浆料112，同时浆料112持续地流动到研磨垫104上。当被加热系统120加热浆料112持续地流动到研磨垫104上时，浆料112加热研磨垫104。因此，研磨垫104的温度也升高。在一些实施例中，省略操作406。

在操作408中，监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用单点检测(singlepoint of detection)来监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用多点检测(multiplepoints of detection)来监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用感应器130来监测研磨垫104的温度。

在操作410中，将研磨垫104的温度与目标温度相比，在目标温度下，待研磨的材料能够以最佳去除率而去除、或待研磨的不同材料能够以最佳的研磨选择性而去除。在一些实施例中，基于与被去除的一个或多个材料的特性有关的经验数据来决定目标温度。在一些实施例中，研磨垫104加热到温度约20°到约80℃之间。在一些实施例中，研磨垫104被加热至约30°℃或更高，例如约40℃。方法400继续响应于未达到目标温度的研磨垫104的温度而施行操作402及/或406。方法400响应于已经达到目标温度的研磨垫104的温度而进行到操作412。

在操作412中，关闭加热系统120，并且没有热被供应到研磨垫104及/或浆料112。因此，停止研磨垫104及/或浆料112的加热。

在操作414中，开始化学机械研磨过程。当浆料112流动到研磨垫104上时，研磨头106施加力到基板108，并且在存在有浆料112下，使基板108抵靠研磨垫104旋转。基板108与研磨垫104之间的机械力与由浆料112施加的化学力相结合，而从基板108去除一个或多个覆盖层材料(overburden materials)。在一些实施例中，基板108相对于研磨垫104旋转。在一些实施例中，研磨垫104相对于基板108旋转。在一些实施例中，基板108和研磨垫104皆旋转。

在操作416中，继续化学机械研磨过程，直到一个或多个覆盖层材料从基板的表面完全去除。

在操作418中，施行后化学机械研磨清洁过程。在完成化学机械研磨过程之后，使用清洁溶液清洁在基板108的研磨表面。

由于通过使用加热系统120实现最佳化研磨温度，方法400允许在相对短的时间跨度(time span)和以优选的研磨选择性去除一个或多个覆盖层材料。

图5是根据一些实施例的使用化学机械研磨系统100通过原位加热来控制化学机械研磨过程的温度的方法500的流程图。在方法500中，在化学机械研磨过程期间加热一个或多个部件(例如研磨垫104、基板108、和浆料112)，且因此原位控制(in-situ)研磨温度。

在操作502中，使用浆料输送系统110将浆料112分配到研磨垫104上。

在操作504中，开始化学机械研磨过程。当浆料112持续地流动到研磨垫104上时，研磨头106施加力到基板108上，并且在存在有浆料112下，基板108抵靠研磨垫104旋转。基板108和研磨垫104之间的机械力与由浆料112施加的化学力相结合，而从基板108去除一个或多个覆盖层材料。在一些实施例中，基板108相对于研磨垫104旋转。在一些实施例中，研磨垫104相对于基板108旋转。在一些实施例中，基板108和研磨垫104皆旋转。以此方式，由于增加的研磨温度，以相对短的时间跨度研磨基板108而去除一个或多个覆盖层材料。

在操作506中，在化学机械研磨过程期间，使用加热系统120加热至少一种部件(例如研磨垫104、基板108、或者浆料112)。在一些实施例中，如图1A所示，加热系统120包括单个加热元件122。在其它实施例中，如图2所示，加热系统120包括多个加热元件122。在一些实施例中，加热研磨垫104、基板108、或浆料112中的至少一者到约20℃到约80℃之间的温度。在一些实施例中，加热研磨垫104、基板108、或浆料112中的至少一者到约30℃或更高，例如约40℃。在一些实施例中，在化学机械研磨过程期间，仅加热研磨垫104。在一些实施例中，在化学机械研磨过程期间，加热所有三个部件(研磨垫104、基板108和浆料112)。

在操作508中，监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用单点检测来监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用多点检测来监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用感应器130来监测研磨垫104的温度。

在操作510中，将研磨垫104的温度与目标温度相比，在目标温度下，待研磨的材料能够以最佳去除率而去除、或待研磨的不同材料能够以最佳的研磨选择性而去除。在一些实施例中，基于与被研磨的一个或多个材料的特性有关的经验数据来决定目标温度。在一些实施例中，研磨垫104加热到温度约20°到约80℃之间。在一些实施例中，研磨垫104被加热至约30°℃或更高，例如约40℃。方法500继续响应于未达到目标温度的研磨垫104的温度而施行操作506。方法500响应于已经达到目标温度的研磨垫104的温度而进行到操作512

在操作512中，将研磨垫104的温度维持在目标温度附近但低于阈值温度。基于与温度相关的经验数据来决定阈值温度，在此温度以上，将发生浆料的劣化或待研磨的不同材料之间的不好的去除选择性。在一些实施例中，控制由加热系统120所供应的热的量，以保持研磨垫104的温度接近目标温度但低于阈值温度。在一些实施例中，控制由加热系统120所供应的热的量，举例来说，通过将在加热系统120中的一个或多个加热元件122移动更接近或更远离研磨垫104、或通过调谐(tuning)(例如，增加或减少)加热系统120中的一个或多个加热元件122的功率。在一些实施例中，通过关闭加热中的一个或多个加热元件122来控制由加热系统120所供应的热的量。

在操作514中，继续化学机械研磨过程，直到一个或多个覆盖层材料从基板的表面完全去除。

在操作516中，施行后化学机械研磨清洁过程。在停止化学机械研磨过程之后，使用清洁溶液清洁在基板108的研磨表面。

由于通过使用加热系统120实现最佳化研磨温度，方法500允许在相对短的时间跨度和以优选的研磨选择性去除一个或多个覆盖层材料。

图6是根据一些实施例的使用化学机械研磨系统100通过原位加热和异位加热两者来控制化学机械研磨过程的温度的方法600的流程图。

在操作602中，使用加热系统120加热研磨垫104。在一些实施例中，如图1A所示，加热系统120包括单个加热元件122。在其它实施例中，如图2所示，加热系统120包括多个加热元件122。在一些实施例中，省略操作602。

在操作604中，使用浆料输送系统110将浆料112分配到研磨垫104上。

在操作606中，使用加热系统120加热浆料112，同时浆料112持续地流动到研磨垫104上。当被加热系统120加热的浆料112持续地流动到研磨垫104上时，浆料112加热研磨垫104。因此，研磨垫104的温度也升高。在一些实施例中，省略操作606。

在操作608中，开始化学机械研磨过程。当浆料112持续地流动到研磨垫104上时，研磨头106施加力到基板108，并且在存在有浆料112下，使基板108抵靠研磨垫104旋转。基板108与研磨垫104之间的机械力与由浆料112施加的化学力相结合，而从基板108去除一个或多个覆盖层材料(overburden materials)。在一些实施例中，基板108相对于研磨垫104旋转。在一些实施例中，研磨垫104相对于基板108旋转。在一些实施例中，基板108和研磨垫104皆旋转。以此方式，由于提高的研磨温度，以相对短的时间跨度研磨基板108而去除一个或多个覆盖层材料。

在操作610中，在化学机械研磨过程期间，使用加热系统120加热至少一种部件(例如研磨垫104、基板108、或者浆料112)。在一些实施例中，加热研磨垫104、基板108、或浆料112中的至少一者到约20℃到约80℃之间的温度。在一些实施例中，加热研磨垫104、基板108、或浆料112中的至少一者到约30℃或更高，例如约40℃。在一些实施例中，在化学机械研磨过程期间，仅加热研磨垫104。在一些实施例中，在化学机械研磨过程期间，加热所有三个部件(亦即，研磨垫104、基板108和浆料112)。

在操作612中，监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用单点检测来监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用多点检测来监测研磨垫104的温度。在一些实施例中，使用感应器130来监测研磨垫104的温度。

在操作614中，将研磨垫104的温度与目标温度相比，在目标温度下，待研磨的材料能够以最佳去除率而去除、或待研磨的不同材料能够以最佳的去除选择性而去除。在一些实施例中，基于与被研磨的一个或多个材料的特性来决定目标温度。在一些实施例中，研磨垫104加热到温度约20°到约80℃之间。在一些实施例中，研磨垫104被加热至约30°℃或更高，例如约40℃。方法600继续响应于未达到目标温度的研磨垫104的温度而施行操作610。方法600响应于已经达到目标温度的研磨垫104的温度而进行到操作616。

在操作616中，将研磨垫104的温度维持在目标温度附近但低于阈值温度。基于与温度相关的经验数据来决定阈值温度，在此温度以上，将发生浆料的劣化或待研磨的不同材料之间的不好的去除选择性。在一些实施例中，控制由加热系统120所供应的热的量，以保持研磨垫104的温度接近目标温度但低于阈值温度。在一些实施例中，控制由加热系统120所供应的热的量，举例来说，通过将在加热系统120中的一个或多个加热元件122移动更远离研磨垫104、或通过调节(例如，增加或减少)加热系统120中的一个或多个加热元件122的功率。在一些实施例中，通过关闭加热中的一个或多个加热元件122来控制由加热系统120所供应的热的量。

在操作618中，继续化学机械研磨过程，直到一个或多个覆盖层材料从基板的表面完全去除。

在操作620中，施行后化学机械研磨清洁过程。在完成化学机械研磨过程之后，使用清洁溶液清洁在基板108的研磨表面。

由于通过使用加热系统120实现最佳化研磨温度，方法600允许在相对短的时间跨度和以优选的去除选择性去除一个或多个覆盖层材料。

图7是根据一些实施例的用于控制化学机械研磨系统100的控制系统700的方框图。控制系统700包括硬件处理器702和以电脑程序代码706(即，一组可执行指令)编码(即，存储)的非暂时性电脑可读取存储媒体704。电脑可读取存储媒体704还编码有用于与化学机械研磨系统100的部件介接的指令707。处理器702经由总线708电性耦接到电脑可读取存储媒体704。处理器702还通过总线708电性耦接到输出/输入接口(I/O interface)710。网络接口712也经由总线708电性耦接到处理器702。网络接口712连接到网络714，使得处理器702和电脑可读取存储媒体704能够经由网络714连接到外部元件。处理器702配置以执行编码在电脑可读取存储媒体704中的电脑程序代码706，以使控制系统700可用于施行一部分或所有的关于化学机械研磨系统100所描述的操作。

在一些实施例中，处理器702是中央处理单元(central processing unit，CPU)、多处理器(multi-processor)、分散式处理系统(distributed processing system)、特殊应用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、及/或合适的处理单元。

在一些实施例中，电脑可读取存储媒体704是电子的、磁性的、光学的、电磁的，红外线的、及/或半导体系统(或设备或装置)。举例来说，电脑可读取存储媒体704包括半导体或固态存储器、磁带、卸除式电脑磁盘、随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、刚性磁盘(rigid magnetic disk)、及/或光盘。在使用光盘的一些实施例中，电脑可读取存储媒体704包括光盘只读存储器(compact disk-readonly memory，CD-ROM)、读/写光盘(compact disk-read/write，CD-R/W)、及/或数字字视频光盘(digital video disc，DVD)。

在一些实施例中，存储媒体704存储电脑程序代码706，电脑程序代码706配置以使控制系统700施行关于化学机械研磨系统100所描述的操作。在一些实施例中，存储媒体704还存储施行关于化学机械研磨系统100所描述的操作所需的信息(例如感应器参数716、目标温度参数718、阈值温度参数720及/或一组可执行指令)，以施行关于化学机械研磨系统100所描述的操作。

在一些实施例中，存储媒体704存储用于与化学机械研磨系统100介接的指令707。指令707使处理器702能够产生可由化学机械研磨系统100的元件读取的操作指令，以有效地实施关于化学机械研磨系统100所描述的操作。

控制系统700包括输出/输入接口710。输出/输入接口710耦接到外部电路。在一些实施例中，输出/输入接口710包括用于将信息和命令通信给处理器702的键盘、小键盘、鼠标、轨迹球、触控板及/或游标方向键。

控制系统700还包括耦接到处理器702的网络接口712。网络接口712允许控制系统700与一个或多个其他电脑系统所连接到的网络714通信。网络接口712包括例如蓝牙(BLUETOOTH)、无线网络(WIFI)、全球互通微波存取(WIMAX)、通用封包无线服务(GPRS)或宽频码分多地址(WCDMA)的无线网络接口、或者例如以太网络(ETHERNET)、通用序列总线(USB)或IEEE-1394的有线网络接口。在一些实施例中，在两个或更多个控制系统700中实施关于化学机械研磨系统100所描述的操作，并且在不同的控制系统700之间经由网络714交换例如感应器信息、调节叠代信息(conditioning iterations information)、调节器压力和目标粗糙度的信息。

控制系统700配置以通过输出/输入接口710接收与感应器有关的信息，例如，感应器130(图1A到图2)。此信息经由总线708传送到处理器702，且然后作为感应器参数716而存储在电脑可读取媒体704中。控制系统700配置以通过输出/输入接口710接收与目标温度和阈值温度有关的信息。在一些实施例中，从操作员接收目标温度和阈值温度信息。此信息作为目标温度参数718和阈值温度参数720而存储在电脑可读取媒体704中。

在操作期间，在一些实施例中，处理器702执行一组指令，以决定研磨垫104的温度是否已经达到目标温度。在操作期间，处理器702执行一组指令，以决定研磨垫104的温度是否已经达到阈值温度。基于上述的决定，处理器702产生控制信号，以指示加热系统120持续地供应热给一个或多个研磨部件(包括研磨垫104、基板108和浆料112)、或停止加热。在一些实施例中，使用输出/输入接口710来传送控制信号。在一些实施例中，使用网络接口712来传送控制信号。

图8是根据一些实施例的制造半导体结构900的方法800的流程图。图9A到图9D是根据一些实施例的处于方法800的各种制造阶段的半导体结构900的剖面图。下面参照图9A到图9D中的半导体结构详细讨论方法800。在一些实施例中，在方法800之前、期间、及/或之后施行额外操作、或者所描述的一些操作被替换及/或删除。在一些实施例中，额外特征被添加到半导体结构900。在一些实施例中，在下面描述的一些特征被替换或删除。本领域中技术人员将理解，尽管以特定顺序施行操作而讨论了一些实施例，但是可以用另一逻辑顺序施行这些操作。

参照图8和图9A，方法800包括操作802，其中蚀刻基板902之上的介电层910，以形成接触开口912。图9A是在蚀刻介电层910以形成接触开口912之后的半导体结构900的剖面图。

在一些实施例中，基板902是包括硅的体(bulk)半导体基板。替代地或另外地，在一些实施例中，体半导体基板包括例如锗的另一种基本半导体、包括砷化镓、镓、磷化物、磷化铟、砷化铟及/或锑化铟的化合物半导体、包括硅锗、镓砷磷、铝铟砷、铟镓砷、镓铟砷、镓铟磷、及/或镓铟砷磷的合金半导体、或其组合。在一些实施例中，基板902包括外延层。举例来说，基板902具有上覆的体半导体基板的外延层。此外，在一些实施例中，基板902是绝缘体上半导体(semiconductor on insulator，SOI)基板。举例来说，基板902包括通过例如通过氧植入分离(separation by implanted oxygen，SIMOX)的处理或例如晶圆键合(bonding)和研磨(grinding)的其他合适技术所形成的掩埋氧化物(buried oxide，BOX)层。

在一些实施例中，基板902还包括主动装置(active devices)，例如p型场效晶体管(p-type field effect transistors，PFET)、n型场效晶体管(n-type FET，NFET)、金属氧化物半导体(metal-oxide semiconductor，MOS)晶体管、互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)晶体管、双极晶体管(bipolartransistors)、高压晶体管(high voltage transistors)及/或高频晶体管(highfrequency transistors)。在一些实施例中，晶体管是平面晶体管(planar transistors)或三维鳍式晶体管(three-dimensional fin-type transistors)。在一些实施例中，基板902还包括被动装置，例如电阻器、电容器及/或电感器。基板902还包括隔离结构(例如浅沟槽隔离(shallow trench isolation，STI)结构)，以将各种主动装置及/或被动装置彼此分离。

介电层910沉积在基板902上方。在一些实施例中且如如图9A所示，介电层910直接沉积在基板902上方并与基板902接触。在一些实施例中，设置在介电层910和基板902之间的一个或多个介电层含有设置在其中的接触结构。

在一些实施例中，介电层910包括氧化硅。在一些实施例中，介电层910包括介电常数(k)小于4的低k介电材料(low-k dielectric material)。在一些实施例中，低k介电材料具有约1.2至约3.5的介电常数。在一些实施例中，介电层910包括四乙氧基硅烷(tetraethylorthosilicate，TEOS)氧化物、未掺杂硅酸盐玻璃(undoped silicateglass)、或掺杂硅酸盐玻璃(doped silicate glass)(例如硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、氟硅玻璃(fluorosilica glass，FSG)、磷硅酸盐玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、硼掺杂硅玻璃(boron doped silicon glass，BSG))、及/或其他合适的介电材料。在一些实施例中，通过化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapordeposition，PECVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)或旋转涂布(spincoating)来沉积介电层910。在一些实施例中，介电层910通过平坦化过程被平坦化或以其他方式凹陷(recessed)以提供平坦的顶部表面。在一些实施例中，使用化学机械研磨过程平坦化介电层910的顶部表面。

随后蚀刻介电层910以形成在其中的接触开口912。接触开口912是沟槽开口、通孔开口或沟槽开口和通孔开口(其中通孔开口由沟槽开口所包围)的组合。在一些实施例中，且如图9A所示，接触开口912是沟槽开口。尽管在图9A中仅示出和描述单个接触开口，应理解的是，可以形成任何数量的接触开口。

以一个或多个光刻和蚀刻工艺蚀刻介电层910。在一些实施例中，光刻工艺包括在介电层910之上施加光刻胶层(未示出)、将光刻胶层暴露于图案、施行曝露后烘烤、以及显影光刻胶以形成图案化的光刻胶层(未示出)。图案化的光刻胶层暴露介电层910的将形成接触开口912的部分。接着，蚀刻被图案化光刻胶层暴露的此部分的介电层910，以形成接触开口912。在一些实施例中，使用干式蚀刻来蚀刻介电层910，例如，举例来说，反应离子蚀刻(reactive ion etch RIE)或等离子体蚀刻。在一些实施例中，使用湿式蚀刻来蚀刻介电层910。在介电层910中形成接触开口912之后，去除图案化的光刻胶层，举例来说，通过湿式剥离或等离子体灰化。替代地，在一些实施例中，使用硬掩模使得通过第一蚀刻将接触开口图案从图案化的光刻胶层转移到硬掩模，且然后通过第二蚀刻将接触开口图案转移到介电层910。

参考图8和图9B，方法800前进至操作804，其中沿着接触开口912的侧壁和底部以及在介电层910的顶部表面之上而沉积阻挡层914，接着通过在阻挡层914上沉积导电材料层916，以填充接触开口912。图9B是在沿着接触开口912的侧壁和底部以及在介电层910的顶部表面之上沉积之后，且然后在阻挡层914之上沉积导电材料层916，以填充接触开口912的图9A的半导体结构900的剖面图。

阻挡层914包括一扩散阻挡材料，扩散阻挡材料防止在导电材料层916中的金属扩散到介电层910。在一些实施例中，阻挡层914包括钛、钽、钌、锡氮、钽氮、钨氮或其他合适的扩散阻挡材料。在一些实施例中，阻挡层914包括上述扩散阻挡材料的堆叠，例如钛/钛氮或钽/钽氮。在一些实施例中，利用例如化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、或原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)的等形沉积工艺来沉积阻挡层914。

在一些实施例中，导电材料层916包括铜、铝、钨、钴、其合金、或其他合适的导电金属。在一些实施例中，通过合适的沉积工艺(举例来说，化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、溅射、或电镀(plating))来沉积导电材料层916。在一些实施例中，特别是当在运用铜或铜合金的导电材料层916时，在形成导电材料层916之前，在阻挡层914之上形成可选的电镀种子层(plating seed layer)(未示出)。在一些实施例中，通过沉积工艺(举例来说，包括化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、和物理气相沉积)来形成可选的电镀种子层。

参考图8和图9C，方法800前进到操作806，其中施行第一化学机械研磨过程，以从阻挡层914的顶部表面去除部分的导电材料层916。图9C是在从阻挡层914的顶部表面去除部分的导电材料层916之后的图9B的半导体结构900的剖面图。

第一化学机械研磨过程研磨提供导电材料层916的材料。继续第一化学机械研磨过程直到暴露接触开口912的外的介电层910的顶部表面上方的阻挡层914的顶部表面。在第一温度下使用化学机械研磨系统100而施行第一化学机械研磨过程，使提供导电材料层916的材料以最佳的去除率被去除。可以使用如上所述的方法400(图4)、方法500(图5)、或方法600(图6)中的原位加热及/或异位加热来控制第一温度。

在第一化学机械研磨过程之后，导电材料层916的剩余部分(在此称为剩余导电材料层916r)具有与阻挡层914的顶部表面共面的顶部表面。

参照图8和图9D，方法800前进到操作808，其中施行第二化学机械研磨过程，以使用介电层910的顶部表面作为研磨中止而研磨剩余导电材料层916r和阻挡层914。图9D是在使用介电层910的顶部表面作为研磨中止而研磨剩余导电材料层916r和阻挡层914之后的图9C的半导体结构900的剖面图。

第二化学机械研磨过程同时研磨提供导电材料层916的材料和提供阻挡层914的材料。继续第二化学机械研磨过程直到暴露介电层910的顶部表面。在第二温度下使用化学机械研磨系统100而施行第二化学机械研磨过程，使提供导电材料层916的材料和提供阻挡层914的材料同时以最佳的去除率被去除。当同时研磨两种不同材料时，选择第二温度以减少在化学机械研磨过程期间的研磨速率差异，而在同一时间保持高生产量。在一些实施例中，第二温度大于第一温度。在一些实施例中，第二温度小于第一温度。可以使用如上所述的方法400(图4)、方法500(图5)、或方法600(图6)中的原位加热及/或异位加热来控制第二温度。

在第二化学机械研磨过程之后，在接触开口912的侧壁和底部上的阻挡层914的剩余部分构成阻挡部分914P，并且在接触开口912内的剩余导电材料层916r的剩余部分构成导电部分916P。阻挡部分914P和导电部分916P的顶部表面与介电层910的顶部表面共面。阻挡部分914P和被阻挡部分914P包围的导电部分916P一起定义互连结构(914P、916P)。

尽管示出和描述使用化学机械研磨系统100的金属化学机械研磨，能预期在其它的化学机械研磨过程中使用本公开的化学机械研磨系统100(举例来说，介电化学机械研磨和聚化学机械研磨(poly CMP))。

根据本公开一些实施例，提供一种化学机械研磨系统，包括一研磨垫、一加热系统以及一感应器。研磨垫配置以研磨一基板。加热系统配置以调节研磨垫的一温度。其中加热系统包括与研磨垫间隔开的至少一加热元件。感应器配置以测量研磨垫的温度。

在一些实施例中，加热系统不与研磨垫物理接触。在一些实施例中，加热系统包括在研磨垫的一侧的一单个加热元件。在一些实施例中，加热系统包括在研磨垫上方的一单个加热元件。在一些实施例中，加热系统包括围绕研磨垫的一周边的多个加热元件。在一些实施例中，加热元件围绕研磨垫的周边均匀地彼此间隔开。在一些实施例中，加热元件中的至少一者包括在一支撑板上方的多个加热灯。在一些实施例中，支撑板为正方形形状或圆形形状。在一些实施例中，加热系统包括至少一陶瓷灯或至少一石英灯。

根据本公开另一些实施例，提供一种化学机械研磨系统，包括：一研磨头、一研磨垫、一浆料输送系统、一加热系统、一感应器以及一控制器。研磨头配置以在化学机械研磨过程期间固持一基板。研磨垫配置以研磨基板。浆料输送系统配置以供应一浆料到研磨垫。加热系统配置以加热研磨垫和浆料中的至少一者。加热系统与研磨垫间隔开一距离。感应器配置以测量研磨垫的一温度。控制器配置以基于从感应器所接收的信息，而控制加热系统。

在一些实施例中，加热系统配置以通过红外线辐射来加热研磨垫和浆料中的至少一者。在一些实施例中，研磨垫与加热系统之间的距离为约10毫米至约500毫米。在一些实施例中，加热系统包括至少一加热元件，其中至少一加热元件不与研磨头和研磨垫物理接触。在一些实施例中，控制器配置以控制至少一加热元件的一地点。

根据本公开又另一些实施例，提供一种控制一化学机械研磨过程的一温度的方法，包括：分配一浆料到一研磨垫上；以浆料研磨一基板的一表面；当研磨基板的表面时，加热研磨垫，其中通过使用与研磨垫间隔开一距离的一加热系统以辐射加热而加热研磨垫；监测研磨垫的一温度；以及将研磨垫的温度维持在与被研磨的一个或多个材料有关的一目标温度附近。

在一些实施例中，控制化学机械研磨过程的温度的方法还包括当分配浆料到研磨垫并且以浆料研磨基板的表面时，使用加热系统加热浆料。在一些实施例中，控制化学机械研磨过程的温度的还包括在研磨基板的表面时，使用加热系统加热基板。在一些实施例中，控制化学机械研磨过程的温度的还包括在以浆料研磨基板的表面之前，使用加热系统加热浆料，同时分配浆料至研磨垫。在一些实施例中，控制化学机械研磨过程的温度的还包括在分配浆料到研磨垫上之前，使用加热系统加热研磨垫。在一些实施例中，控制化学机械研磨过程的温度的还包括通过调节加热系统中的至少一加热元件的一地点或一功率，而控制研磨垫的一温度。

前面概述几个实施例的特征，使得本领域中技术人员可以更好地理解本公开的实施方式。本领域中技术人员应理解的是，他们可以轻易地将本公开用作设计或修改其他过程和结构的基础，以实现与本文介绍的实施例相同的目的及/或实现相同的优点。本领域中技术人员还应理解的是，这样的等效构造不脱离本公开的构思和范围，并且他们可以进行各种改变、替换和变更，而不脱离本公开的构思和范围的情况。

Claims (1)

1.一种化学机械研磨系统，包括：

一研磨垫，配置以研磨一基板；

一加热系统，配置以调节该研磨垫的一温度，其中该加热系统包括与该研磨垫间隔开的至少一加热元件；以及

一感应器，配置以测量该研磨垫的该温度。

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