CN1492213A - 化学机械研磨过程中测量非金属层厚度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种测量二氧化硅层厚度的方法，应用于化学机械研磨过程中。此方法先化学机械研磨一测试芯片上，在测试芯片研磨过程中，利用傅立叶转换红外线光谱仪与椭圆仪测量测试芯片数次，以获得一校正曲线。然后，再用化学机械研磨一测量芯片上的二氧化硅层，二氧化硅层形成于氮化硅层上方，在此测量芯片的研磨过程中的一时间点利用傅立叶转换红外线光谱仪测量此测量芯片，并通过内插校正曲线，以获得二氧化硅层在此时间点的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量非金属层厚度的方法，特别涉及一种化学机械研磨(chemical mechanical polish，CMP)过程中测量非金属层厚度的方法。
背景技术
化学机械研磨是应用于半导体组件制造过程中的一种平坦化制程，平坦化制程主要是为了使芯片表面地势起伏(topography)不至于落差过大，否则后续所进行的曝光步骤中图案的转移将容易造成偏差，因此，化学机械研磨的控制对半导体组件合格率有重大的影响。
请参照图1A～1B，示出已知技术以化学机械研磨制作一浅沟渠隔离区(shallow trench isolation，STI)的剖面结构流程示意图。如图1A所示，对形成于半导体基底10与沟渠13上方的二氧化硅层12进行研磨，当研磨至氮化硅层11时，则停止研磨，以完成浅沟渠隔离区14的制作(图1B)。以现今半导体技术而言，最常用以控制研磨停止时间点的方式为终点检测系统(end-point detection system)，终点检测系统的原理为利用雷射光谱所产生混合信号的强度判断是否应停止研磨，然而，此信号的强度为芯片上各种层次材质所检测的混合信号的强度，终点检测系统并无法得知二氧化硅层12已研磨至何程度，亦即，终点检测系统无法得知二氧化硅层12的剩余厚度，也无法得知二氧化硅层12的剩余研磨时间。而且，即使通过终点检测系统控制方式而停止研磨，终点检测系统亦无法得知并确保芯片上是否还有二氧化硅残留物(residue)。
虽然，有相关技术将椭圆仪(ellipsometer)与化学机械研磨机台整合为一内建式(in-line)研磨机台，然而，这些方式在测量二氧化硅层厚度前必须先将芯片表面予以干燥，再者，此内建式研磨机台亦无法得知芯片上是否还有二氧化硅残留物，而且此方式受限于椭圆仪的光点尺寸(spot size)，测量时椭圆仪的光点尺寸可能大于浅沟渠隔离区间距d(如图1B所示)，其测量上有其限制，并无法测量线宽甚窄(数十以下)的芯片。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷，本发明的目的就是在提供一种化学机械研磨过程中测量非金属层厚度的方法，用以得知非金属层的剩余厚度。
本发明的另一目的就是在提供一种化学机械研磨过程中测量非金属层厚度的方法，用以得知非金属层的剩余研磨时间。
本发明的再一目的就是在提供一种化学机械研磨过程中测量非金属层厚度的方法，用以得知芯片上是否还有非金属层残留物。
本发明的又一目的就是在提供一种化学机械研磨过程中测量非金属层厚度的方法，而不须先将芯片表面予以干燥。
根据上述目的，本发明提供一种测量非金属层厚度的方法，应用于化学机械研磨过程中。此方法先化学机械研磨一测试芯片上的一第一非金属层，第一非金属层形成于一第一基础层上方，于测试芯片研磨过程中，利用一傅立叶转换红外线光谱仪(Fourier transformed infrared spectro-photometer，FT-IR)与一椭圆仪测量测试芯片数次，以获得一校正曲线。然后，再化学机械研磨一测量芯片上的一第二非金属层，第二非金属层形成于一第二基础层上方，第一非金属层与第二非金属层具有大体相同起始厚度，在测量芯片研磨过程中的一时间点利用傅立叶转换红外线光谱仪测量测量芯片，并经由内插校正曲线，以获得第二非金属层在此时间点的厚度。
上述的傅立叶转换红外线光谱仪测量该测试芯片与该测量芯片时，于特定波长获得一吸收峰。
上述的校正曲线为第一非金属层厚度对面积比作图的一趋势曲线，面积比为第一非金属层研磨后与前在此特定波长吸收峰的积分面积比。
上述的内插是利用面积比内插校正曲线，以获得第二非金属层在此时间点的厚度。
上述获得第二非金属层在此时间点的厚度的同时，更包括利用第二非金属层的研磨速率计算第二非金属层的剩余研磨时间。
附图简要说明
本发明的较佳实施例于前述的说明文字中辅以下列图形做更详细的阐述，其中：
图1A～1B示出现有技术以化学机械研磨制作一浅沟渠隔离区的剖面结构流程示意图；
图2示出制作浅沟渠隔离区的测试芯片在化学机械研磨过程中红外线光谱的吸收峰位置示意图；
图3示出制作浅沟渠隔离区的测试芯片在化学机械研磨过程中红外线光谱的吸收峰变化示意图；以及
图4示出利用傅立叶转换红外线光谱仪与椭圆仪测量测试芯片所获得的校正曲线图。
具体实施方式
本发明的化学机械研磨过程中测量非金属层厚度的方法，是先化学机械研磨一测试芯片上的一第一非金属层，第一非金属层形成于一第一基础层上方。在测试芯片研磨过程中，利用一傅立叶转换红外线光谱仪与一椭圆仪测量测试芯片数次，可获得数个关于第一非金属层在特定波长吸收峰的红外线光谱，以及数个第一非金属层的研磨后厚度，通过第一非金属层研磨后与前在此特定波长吸收峰的积分面积比对其研磨后厚度作图，则图上所获得的趋势曲线即为一校正曲线。其中，在每一次进行测量测试芯片时，必须先暂停研磨测试芯片，待测量完毕时，才得继续研磨测试芯片。
然后，再用化学机械研磨一测量芯片上的一第二非金属层，第二非金属层形成于一第二基础层上方，由于测量芯片与测试芯片为制造同一产品型号的芯片，因此第一非金属层与第二非金属层具有相同起始厚度与相同材质，且第一基础层与第二基础层具有相同材质。在测量芯片研磨过程结束前的任一时间点利用傅立叶转换红外线光谱仪测量此测量芯片，可获得一个关于第二非金属层在前述特定波长吸收峰的红外线光谱，通过第二非金属层研磨后与前在此特定波长吸收峰的积分面积比来内插前述获得的校正曲线，则能得知第二非金属层在此时间点的厚度。其中，同样地，在每一次进行测量此测量芯片时，必须先暂停研磨测量芯片，待测量完毕时，才得继续研磨测量芯片。当然，利用第二非金属层的研磨速率与第二非金属层在此时间点的厚度，亦可得知第二非金属层的剩余研磨时间。
为了更能了解本发明技术内容，现以制作一浅沟渠隔离区为例，说明如何在化学机械研磨过程中测量第二非金属层厚度如下。
制作浅沟渠隔离区的化学机械研磨过程如图1A所示，对形成于半导体基底10与沟渠13上方的二氧化硅层12进行研磨，当研磨至氮化硅层11时，则停止研磨，以完成浅沟渠隔离区14的制作(图1B)。在研磨过程中利用傅立叶转换红外线光谱仪测量测试芯片与测量芯片时，所得的红外线光谱则如图2中实线20，由于芯片上同时具有二氧化硅层与氮化硅层，实线20包含有Si-O键吸收峰与Si-N键吸收峰的加成信号，实线20经解析后包含有Si-O键吸收峰(吸收峰21、22)与Si-N键吸收峰(吸收峰23)，由于Si-O键吸收峰与Si-N键吸收峰并无重叠，因此通过加成信号中的吸收峰24(1078cm-1波长吸收峰)在研磨过程中的变化则可得知二氧化硅层已研磨至何程度。利用傅立叶转换红外线光谱仪测量测试芯片与测量芯片时，是将傅立叶转换红外线光谱仪射出的红外线经光纤导入至芯片表面，由芯片表面反射后再经光纤接收至傅立叶转换红外线光谱仪，然后由傅立叶转换红外线光谱仪测量。
本实施例中的第一非金属层与第二非金属层以下分别称为第一二氧化硅层与第二二氧化硅层；本实施例中的第一基础层与第二基础层以下分别称为第一氮化硅层与第二氮化硅层。
根据本发明，先化学机械研磨一测试芯片上的一第一二氧化硅层，第一二氧化硅形成于一第一氮化硅层上方。在此测试芯片的研磨过程中，利用一傅立叶转换红外线光谱仪与一椭圆仪测量此测试芯片五次，则获得五组关于第一二氧化硅层在1078cm-1波长吸收峰的红外线光谱(如图3所示)，以及第一二氧化硅层的研磨后厚度(如表一所示)，其中，图3中的曲线31为研磨前测量的光谱，曲线32～34为随时间在研磨过程中测量的光谱，曲线35为研磨结束测量的光谱。通过第一非金属层研磨后与前在1078cm-1波长吸收峰的积分面积比对其研磨后厚度作图，则图上的趋势曲线即为一校正曲线(如图4所示)。其中，在每一次进行测量测试芯片时，必须先暂停研磨测试芯片，待测量完毕时，才得继续研磨测试芯片。
表一
| 第一二氧化硅层厚度() | 1078cm-1波长吸收峰面积比 | |
| 1 | 6940(起始厚度) | 1.000 |
| 2 | 3650 | 0.518 |
| 3 | 2740 | 0.397 |
| 4 | 500 | 0.072 |
| 5 | 0 | ～0.00 |
然后，再化学机械研磨一测量芯片上的一第二二氧化硅层，第二二氧化硅层形成于一第二氮化硅上方，由于测量芯片与测试芯片为制造同一产品型号的芯片，因此第一二氧化硅层与第二二氧化硅层具有相同起始厚度与相同材质，且第一氮化硅层与第二氮化硅层具有相同材质。在此测量芯片研磨过程结束前的任一时间点亦利用傅立叶转换红外线光谱仪测量此测量芯片，可获得一个关于第二二氧化硅层在1078cm-1波长吸收峰的红外线光谱，通过第二二氧化硅层研磨后与前在1078cm-1波长吸收峰的积分面积比来内插前述获得的校正曲线，则能得知第二二氧化硅层在此时间点的厚度(例如；积分面积为0.6，则内插所得知的第二二氧化硅层的厚度约为4120)。其中，同样地，在每一次进行测量此测量芯片时，必须先暂停研磨此测量芯片，待测量完毕时，才得继续研磨此测量芯片。当然，利用第二二氧化硅层的研磨速率与第二二氧化硅层在此时间点的厚度，更可得知第二二氧化硅层的剩余研磨时间。由于测量芯片与测试芯片为制造同一产品型号的芯片，因此仅需通过傅立叶转换红外线光谱仪与椭圆仪测量测试芯片数次而获得一校正曲线后，所有测量芯片的化学机械研磨皆能得以控制。
虽然傅立叶转换红外线光谱仪测量测试芯片与测量芯片时，所得的光谱为Si-O键吸收峰与Si-N键吸收峰的加成信号，但是Si-O键吸收峰与Si-N键吸收峰并不重叠，本发明可通过加成信号中的Si-O键吸收峰(1078cm-1波长吸收峰)在研磨过程中的变化，得知第二二氧化硅层已研磨至何程度，亦即本发明可得知第二二氧化硅层的剩余厚度，也可得知第二二氧化硅层的剩余研磨时间。而且，即使芯片未事先干燥，芯片上水分的O-H键吸收峰并不与Si-O键吸收峰(1078cm-1波长吸收峰)重叠，不影响Si-O键吸收峰的积分面积，因此本发明不需要事先将芯片进行干燥。
另外，根据本发明，即使线宽甚窄而致使光点尺寸大于浅沟渠隔离区的间距d(如图1B所示)，本发明测量所得的光谱本来就是加成信号，仅需要通过光谱的加成信号中的Si-O键吸收峰(1078cm-1波长吸收峰)在研磨过程中的变化，即可得知第二二氧化硅层已研磨至何程度，本发明并无受限于线宽或光点尺寸限制的问题。
再者，利用傅立叶转换红外线光谱仪测量所得的光谱，Si-O键吸收峰(1078cm-1波长吸收峰)明显，由光谱易于判别出于停止研磨后测量芯片上是否还有二氧化硅残留物(例如表一中，即使第二二氧化硅层仅残余500，图3中曲线34在1078cm-1波长吸收峰甚为明显)。
当然，本发明除了应用于制作浅沟渠隔离区的化学机械研磨过程中二氧化硅层厚度的测量，本发明亦可应用于其它非金属层厚度的测量。
如本领域技术人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求范围内。
Claims (10)
1、一种测量非金属层厚度的方法，应用于化学机械研磨过程中，该方法至少包括下列步骤：
化学机械研磨一测试芯片上的一第一非金属层，该第一非金属层形成于一第一基础层上方，在该测试芯片研磨过程中，利用一傅立叶转换红外线光谱仪与一椭圆仪测量该测试芯片数次，以获得该第一非金属层厚度对面积比作图的一校正曲线；以及
化学机械研磨一测量芯片上的一第二非金属层，该第二非金属层形成于一第二基础层上方，该第一非金属层与该第二非金属层具有大体相同起始厚度，在该测量芯片研磨过程中的一时间点利用该傅立叶转换红外线光谱仪测量该测量芯片，并通过内插该校正曲线，以获得该第二非金属层于该时间点的厚度。
2、如权利要求1的测量非金属层厚度的方法，其中该测量方法应用于制作一浅沟渠隔离区的化学机械研磨过程中。
3、如权利要求1的测量非金属层厚度的方法，其中测量该测试芯片与该测量芯片时，必须先暂停研磨该测试芯片与该测量芯片。
4、如权利要求1的测量非金属层厚度的方法，其中该第一基础层与该第二基础层具有相同材质，且该第一非金属层与该第二非金属层具有相同材质。
5、如权利要求4的测量非金属层厚度的方法，其中该第一基础层与该第二基础层的材质为氮化硅，且该第一非金属层与该第二非金属层的材质为二氧化硅。
6、如权利要求5的测量非金属层厚度的方法，其中该椭圆仪测量该测试芯片时，获得该第一非金属层厚度。
7、如权利要求5的测量非金属层厚度的方法，其中该傅立叶转换红外线光谱仪测量该测试芯片与该测量芯片时，在波长1078cm-1获得一吸收峰。
8、如权利要求7的测量非金属层厚度的方法，其中该面积比为该第一非金属层研磨后与前在该吸收峰的积分面积比。
9、如权利要求8的测量非金属层厚度的方法，其中内插是利用面积比内插该校正曲线，以获得该第二非金属层在该时间点的厚度。
10、如权利要求1的测量非金属层厚度的方法，其中获得该第二非金属层在该时间点的厚度的同时，更包括利用该第二非金属层的研磨速率计算该第二非金属层的剩余研磨时间。
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