CN1636272A - 在连续多步抛光处理中防止晶片损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
用于在多阶段抛光操作中防止残余物在晶片表面上干燥的方法，该方法提高了晶片加工的生产量并延长了CMP操作中使用的抛光垫的使用寿命。该方法包括在晶片的第一抛光操作后检测第二抛光步骤中被抛光的晶片的抛光终点。终点检测终止在第一抛光操作中另一晶片的抛光并触发在第二抛光操作中先前晶片的过度抛光。在设定的周期后，在第二抛光操作中的先前晶片的过度抛光结束。最后，每个晶片移动到随后的加工操作，该操作可包括抛光操作或擦光操作。本发明的优点之一是，由于对于同一抛光垫总加工时间已增加，因此允许在台板垫进行更换之间抛光更大量的晶片，则在台板进行更换之间总的台板垫的使用得以最大化。
Description
本发明总的涉及半导体器件及其制造，更具体而言，涉及一种在抛光处理中防止对晶片损伤的方法。
半导体工业制造了大量用于消费者可用的许多产品中的器件。这些器件包括在半导体衬底材料上制造的微处理器。衬底材料常常是由制成薄切片的硅，通常称做晶片组成。各种不同的电子电路元件就制造在这样的晶片上，这些晶片被细分成各自包含许多电路元件的电路小片或芯片。
在制造加工的不同时刻，晶片可能需要加工以提供一平的表面，以在该平的表面上设置半导体器件的电子电路元件。这样的加工必须在产生所希望的衬底平的表面过程中提供高度的控制而不损伤晶片表面。各种不同的抛光方法被用于获得平的衬底表面。化学机械平面化(CMP)是广泛用于晶片加工工业中的一种方法。
CMP是在一抛光设备上进行的，该设备具有一个或多个用于固定抛光垫的台板和多个用于固定晶片的头。抛光垫含有微粒浆，随台板和垫的转动该颗粒浆抛光被抛光头相对于垫固定的晶片。当晶片在具有多抛光头的多台板CMP设备中抛光时，这样的设备可从Applied Materials Mirra(Santa Clara，CA.，USA)买到，特定晶片全部的抛光序列在同一个抛光头上执行。但是，该抛光头被转动到不同的抛光台板处。抛光序列的第一部分是在一个台板(“台板-1”)上执行的。当抛光序列的第一部分完成时，该头和晶片移动到第二抛光台板(“台板-2”)，以进入抛光序列的第二部分。当最初的晶片在台板-2上承受抛光序列的第二部分时，固定第二晶片的第二抛光头在台板-1上执行抛光序列的第一部分。当第一头(“头-1”)已经在台板-2处完成了抛光序列的第二部分以及第二头(“头-2”)已经在台板-1处完成了抛光序列第一部分时，这些头再一次更换台板以使头-1移动到台板-3，头-2移动到台板-2和头-3移动到台板-1。在一个普通的抛光设备配置中，抛光(除去氧化膜)不在台板-3上执行。而是抛光只发生在台板-1和2上，台板-3用于后-CMP擦光操作(“擦光”)以除去化学残余物。
CMP操作是受控的，抛光的终点用设置在抛光台板中的光学激光器和光辐射探测器来检测。透明窗被嵌入台板表面用于辐射透射。每个台板的抛光垫有一个允许激光辐射透射材料的相配的嵌入垫(“窗垫”)。该窗垫与台板对准以使得辐射可以穿过台板-窗和穿过垫窗而透射。对准的台板-窗和垫-窗整体的被叫做“终点窗”。随着台板的转动，每转一次终点窗与晶片相遇一次，允许辐射穿过窗并从晶片反射回穿过窗到探测器。
在被覆盖于不透明衬底上的透明膜(例如覆盖于硅上的二氧化硅)抛光期间，探测器的辐射强度显示出随膜从表面除去的周期性。周期性决定于方程式d＝λ/(2ncosθ)，其中d是峰的极大值间穿过膜的距离，n是膜对于辐射波长的折射率，θ是是收集角，而λ是辐射波长。反射光强度对抛光时间的图表得出一干涉测量曲线，该曲线可用于抛光终点的检测。该曲线被称做“终点跟踪”。终点跟踪的标记图是膜厚和抛光率的特征。从将提供的跟踪标记图、抛光率和膜厚度之间的关系的知识，在跟踪中的特定的节点或其附近可确定抛光“终点”。
在加工中由单个晶片检查的各个抛光台板的终点跟踪可用电子学的方法绑结在一起成为晶片的虚拟的单一跟踪。如上所述，如果在台板-3上执行擦光步骤，那就只有来自台板-1和2的终点跟踪被收集并绑结。在两步抛光序列中，晶片的抛光时间可分成粗略相等的两部分，近似总抛光时间的一半在台板-1上执行和近似总抛光时间的一半在台板-2上执行。该划分是通过下述对策中的任一种达到的。
在单台板终点模式中，终点跟踪是从台板-1和台板-2两者收集的，并且两者被绑结成一个虚拟跟踪。但是跟踪只在第二个台板上被用于触发抛光终点。基于对抛光率和待被去除膜厚的了解，在台板-1上的抛光时间被固定在约为期望的抛光时间的一半。然后台板一2上的抛光时间通过光学终点分析确定。
在双台板终点模式中，终点跟踪的收集来自台板-1和台板-2两者，并且两者绑结在一起成为一个虚拟跟踪。该跟踪用于触发两个抛光台板上的抛光终点。第一个台板上的抛光时间是通过对跟踪中的特定特征的检测来确定的，基于对终点跟踪和除去的膜厚之间关系的了解，该特定特征近似的被确定为抛光时间的一半。台板-2上的抛光时间仍通过光学终点分析来确定。
当一特定的台板的抛光序列的一部分完成时，头离开台板抬起，而晶片被真空固定在头上，悬挂在抛光垫的上方直到对于该设备所有其它位置的序列都完成。例如当台板-2上的晶片到达抛光终点时，头将晶片从台板上抬起并将晶片保持在台板上方，直至其它头的抛光序列也完成。当所有的头都满足了它们的抛光序列部分并且所有的晶片都从台板上抬起时，头就全都转动到抛光序列的下一个位置。当晶片保持悬挂在抛光台板上方时，一些泥浆残余物可能存在于晶片表面上。如果在台板-2上抛光后或在台板-3上擦光之后的这种空闲时间期间，泥浆残余物干燥，它可在随后的加工操作期间引起晶片表面上出现有害划痕。
在空闲时间期间中，在头和晶片范围内引入水雾可以防止泥浆在晶片表面干燥。但是，加水到抛光系统会影响抛光性能并使加工处理进一步复杂化。
本发明涉及一种方法和系统，用于通过防止抛光泥浆在抛光步骤间在晶片表面上干燥满足与在连续的多步抛光处理中防止晶片损伤有关的上述和其它需要。本发明以多种实现方式和应用举例说明，其中的一些概括如下。
根据本发明的一个方面，发现了一种用于在连续的多步抛光操作中防止晶片表面上残余物干燥的方法。该方法包括在第一晶片的第一抛光操作后检测在第二抛光操作中抛光的第一晶片的抛光终点。终点检测终止第二晶片在第一抛光操作中的抛光，然后第二抛光操作中的第一晶片被过度抛光(overpolish)。在预先定的时间间隔之后，在第二步抛光操作中的第一晶片的过度抛光终止。最后每个晶片都被移动到随后的晶片加工操作，操作可包括擦光操作，附加的抛光操作或在晶片加工线上简单的继续。在相关的应用中，在两个抛光位置的每个位置中的两个晶片同时进行抛光之前第一晶片被抛光并移动到第二抛光位置。在第一位置的抛光操作作为第二个位置中的第一晶片抛光到达终点的时间的函数被终止。
根据本发明的另一个方面，发现了一种延长多抛光垫设备中抛光垫使用寿命的方法。该方法包括提供至少第一和第二抛光垫，并且用第一抛光垫抛光第二晶片，用第二抛光垫抛光第一晶片。依据检测第一晶片的抛光终点终止用第一抛光垫抛光第二晶片。随后用第二抛光垫过度抛光第一晶片并且随后过度抛光操作也被终止了。然后每个晶片都移动到随后的晶片加工操作。在有关的实施方案中，两个或多个垫之间积累的磨损时间的不同被跟踪以确定更换时间。
本发明的上述概括不是想要叙述本发明的每个说明性实施方案或每一个实现方式。下面的附图和详细的描述将更具体地举例说明这些实施方案。
考虑到下面对本发明不同实施方案结合附图的详细描述，本发明可被更完全的了解，其中：
图1是按照本发明的一个实施方案的两个台板的抛光系统的一个实例，该系统包括两个头和两个抛光垫；
图2是一种方式的流程图，其中抛光垫受到控制以防止残余物在晶片上干燥并相反地延长抛光设备上抛光垫的寿命；
图3A是利用单台板终点方式和对最初的抛光操作的固定抛光时间加工一批24个晶片的概括表；以及
图3B是按照本发明的一实例实施方案的加工一批24个晶片的概括表。
尽管本发明对于各种修改和可替换的形式是可修改的，其具体方式已借助附图中的实例示出并将详细说明。但是应该了解的是本发明不需要将本发明局限于所叙述的特定的实施方案。正相反，本发明覆盖了属于由所附权利要求所定义的本发明精神和范围之内的所有修改、等效方案和可供选择方案。
本发明总的涉及一种用于防止在抛光操作中残余物在晶片表面上干燥的方法和系统。该发明也适合于延长那些同时用作抛光多个晶片的多个抛光垫的使用寿命。本发明并不需要局限于晶片加工应用，利用在这样的具体内容中的对举例说明的实施方案讨论将会对本发明有更好的理解。
在一实例实施方案中，防止残余物在晶片表面上的干燥和在一个多阶段抛光设备上增加晶片生产量的方法描述于此。具体的说，在一个包括三个抛光台板，台板-1和台板-2以及第三擦光台板(台板-3)的抛光设备中，抛光终点检测程序被改变以防止在该台板上完成抛光步骤后在台板-2位置的头和晶片的空闲时间。当在台板-2上的抛光终点被检测时，例如通过终点干涉测量曲线分析，这触发台板-1和台板-2上的事件。台板-1上的晶片的抛光被终止和台板-2上一个短持续时间的过度抛光步骤被触发。抛光终点检测后的过度抛光补偿了晶片内抛光率的不均匀性。过度抛光的持续时间让台板-1处的头和晶片有充分的时间从抛光垫缩回来。照这样，在等待台板-1上固定抛光时间的完成的空闲时间期间晶片不是悬挂在台板-2的上方。因此，由于擦光步骤前的空闲时间在晶片表面上的泥浆干燥减至最小，从而降低了在擦光台板-3上晶片的有害划痕。对于在台板-1处批量抛光中的第一晶片没有台板-2的终点检测。但是，以对抛光率和从每个晶片上去除的薄膜的量的知识为根据，台板-1上的抛光时间被简单地固定在约为所期望的总抛光时间的一半。
现在参见附图，图1说明了按照本发明的一实施方案布置的抛光系统100。在这个实例中，系统100包括抛光泥浆106安排在其上的，安排在分开的台板102B和104B上的两个抛光垫102A和104A。每个垫的上方定位抛光头108和112，它们固定一对将要被抛光的晶片110和114。台板104B和垫104A是对准的并有一个嵌入的与装置118光学耦合的终点窗116。装置118与一个计算机装置124通信，装置124与抛光头108和112两者耦合并控制它们朝向抛光垫的上下运动。在另一个实施方案中，为了更精确地检测在一批中第一晶片抛光的终点，提供了一个光学终点窗112和相应的装置124。一旦在头112上的第一晶片114的终点被检测，该信息就经由装置118通信到达计算机120以向头108发信号从抛光垫102A上移开晶片110。
参见图2，流程图200说明了按照本发明的实施方案的抛光多个晶片操作的流程的实例。在202，CMP抛光操作从一批晶片被提供给抛光设备开始。在204，第一晶片被放置到第一抛光位置中(例如，头108)预定的时间。在这个实例中，时间是定在对晶片所期望的总抛光时间的一半。在206，第二晶片在第一抛光位置被抛光并且第一晶片被移动到第二抛光位置抛光。此时，两晶片同时在两个位置上进行抛光。在208，在第一抛光位置的第二晶片的抛光终止随着第一晶片的抛光终点被检测的时间而变。
随着在第一抛光位置的组合停转并且头和晶片从抛光垫上抬起，在210，第二抛光位置执行对第一晶片的过度抛光操作预定时间。在这个实例中，预定时间大约是5秒，但这一时间通常以在两个台板处总抛光时间的5％来计算。一旦两个抛光头都从台板上抬起，晶片移动至如在212所描述的另一晶片加工操作。在这一实例中，当第二晶片移动到第二抛光位置并且第三晶片移入第一抛光位置时，第一晶片就移动到第三台板以进行擦光。一旦一批中的所有晶片都完成了它们的抛光序列时，它们就被放回盒子里并移动到在214的晶片加工线的下一个操作。
在本发明的另一个实施方案中提供了一种延长抛光装备上抛光垫的使用寿命的方法。这通过减少两个抛光台板之间总抛光时间的差别，由此减少台板之间的垫的磨损差别来达到的。磨损到一定量之后，垫性能降低且抛光率下降，导致在晶片内过度的不均匀性。
上述的双台板终点方式利用光学终点分析控制台板-1和台板-2两者上的抛光。同样如上所述，单台板终点方式设定台板-1上的抛光时间约为总抛光时间的一半，而台板-2上的抛光时间通过光学终点分析确定。为了确保在台板-2上抛光之后没有空闲时间，在台板-1上的抛光时间是一固定的持续时间，它显著低于期望的总抛光时间的一半。这一接近超时引起台板-2上的垫比台板-1上的垫磨损更多，导致台板-2垫的性能比当抛光时间被在两个垫之间均匀的分开的情况降低得更快。因此，在抛光较少的晶片之后就需要更换台板-2垫，并且由于更换和重使抛光垫合格所需要的显著的设备停机时间，两个台板上的垫被同时更换。如果当只有台板-2上的垫达到其使用寿命的终结，而台板-1和2的垫都必须被更换，那么台板-1垫的某些使用潜力就损失了。最后的结果是更频繁的更换垫和对于加工同样数量的晶片垫的使用率更高。
通过建立它们之间的相互关系本发明控制不同的抛光垫的磨损率。不是抛光第一抛光位置中的晶片一固定时间，抛光时间通过检测第二或最接近的抛光位置中晶片的终点来控制。在一实例实施方案中，有四个头和四个台板的CMP设备用来加工两个24晶片的批。晶片需要足够的抛光时间以去掉4850的氧化膜。抛光终点定在从每个晶片上去掉4650的氧化膜加上台板-1和台板-2(例如，图1中的台板102B和104B)的总抛光时间的5％的台板-2上的过度抛光持续时间。在头1(例如头108)上的抛光率大约是40/秒，头2(例如头112)大约是39/秒，头3(未示出)大约是42/秒，和头4(未示出)大约是40/秒。
图3A提供了使用单台板终点方式用大约55秒的第一抛光步骤(固定的时间期间)和至光学终点的第二抛光步骤加上过度抛光5秒对一批24晶片进行CMP加工的一概括的表。台板-1与台板-2相比每一晶片平均抛光时间的差是10.25秒(62.25秒比55.00秒)。由图3A，垫的磨损时间积累的差是246秒。在单台板终点方式中，对台板-1选择的固定时间是55秒。增加台板-1的时间到56秒引起在台板-2上不希望的空闲时间。减少台板-1的时间至低于55秒则降低生产量并增加了台板-1和台板-2的垫之间磨损的差别。
在这一实例中，两个台板抛光操作具有大约相同的持续时间，直到由台板-2执行过度抛光操作。图3B提供了使用本发明的终点方式CMP加工一批24晶片的另一个概括表。该终点方式包括在台板-2上过度抛光的5秒。台板-1与台板2相比每一晶片平均抛光时间的差现在是7.25秒(63.75秒比56.50秒)。由图3B，垫的磨损时间累积的差现在是174秒，与图3A所示的单台板终点模式相比有72秒的改进。
通常，在垫更换之间加工300个晶片。在涉及高容量和低容量的ASIC设计芯片的混合的晶片加工中，组的大小从每组少至4个变化到多至24个晶片，大多数组有24个晶片。在图3A和图3B中的实例，说明根据本发明的教导抛光24晶片组降低垫磨损时间差大约72秒，对于台板-2上垫的总磨损时间降低了36秒。因此，加工12个24晶片组结果在台板-2上节省总的磨损时间432秒。节省的磨损时间足以在垫需要更换之前在台板-2垫上加工需384秒磨损时间的附加的6晶片组。从而，如果在台板垫更换之间总的台板垫使用被规定为总的加工时间而不是被加工晶片的总量，本发明的教导在垫更换之间对每一被加工的12个24晶片组允许抛光额外的6晶片组。
虽然已参照几个特定实例的实施方案对本发明进行描述，本领域技术人员将认识到在不偏离下面权利要求中提出的本发明的精神和范围的情况下，可对其进行很多变化。
Claims (20)
1.在连续多步抛光操作中防止残余物在晶片表面上干燥的一种方法，该方法包含：
在第一晶片(114)的第一抛光操作后检测在第二抛光操作中被抛光的第一晶片(114)的抛光终点；
终止第二晶片(110)在第一抛光操作中的抛光和过度抛光在第二抛光操作中的第一晶片；
第一晶片(114)在第二抛光操作中的过度抛光终止；以及
各晶片(114，110)移动到随后的晶片加工操作。
2.权利要求1的方法，其中将第二晶片(110)在第一抛光步骤中抛光和将第一晶片(114)抛光到第二抛光步骤的终点具有大约相等的持续时间。
3.权利要求1的方法，其中检测抛光终点包括确定第一晶片(114)表面上的膜厚。
4.权利要求1的法，其中检测抛光终点包括分析来自检测装置(118，120)的终点跟踪。
5.权利要求1的方法，其中检测抛光终点包括分析来自检测装置(118，120)的干涉测量曲线。
6.权利要求1的方法，其中检测抛光终点包括分析从第一晶片(114)表面反射的激光束。
7.权利要求1的方法，其中过度抛光第二抛光步骤中的第一晶片(114)发生在一选定的时限。
8.权利要求7的方法，其中过度抛光第一晶片(114)选定的时限包括一持续时间，该持续时间足以使在第一抛光步骤中的第二晶片(110)准备移动到随后的抛光操作。
9.权利要求1的方法，其中移动各晶片(114，110)到随后的操作包括随后的抛光步骤。
10.权利要求1的方法，其中移动各晶片(114，110)到随后的操作包括随后的擦光操作。
11.权利要1的方法，其中终止第二晶片(110)在第一抛光操作中抛光是在第二抛光操作中抛光第一晶片(114)的终点的时间的函数。
12.在多阶段抛光操作中防止残余物在晶片表面上干燥的一种方法，该方法包含：
同时地抛光在第一抛光位置的第二晶片(110)和在第二抛光位置的第一晶片(114)；
终止在第一抛光位置的第二晶片(110)的抛光是在第二抛光位置的第一晶片(114)检测的抛光终点的时间的函数；以及
过度抛光在第二抛光位置的第一晶片(114)一预定的时限。
13.权利要求12的方法，在同时抛光之前，进一步包括抛光在第一抛光位置中的第一晶片(114)一预定的时限的步骤。
14.用于在连续的多步抛光处理中防止残余物在晶片表面上干燥的一种系统，该系统包含：
用于同时地抛光在第一抛光位置(108)的第二晶片(110)和在第二抛光位置(112)的第一晶片(114)的装置(108，112，120)；
用于作为在第二抛光位置(112)的第一晶片(114)检测的抛光终点的时间的函数终止在第一抛光位置(108)的第二晶片(110)的抛光的装置(120)；以及
用于过度抛光在第二抛光位置(112)的第一晶片(114)一预定时限的装置(112)。
15.用于延长多抛光垫设备中有效的晶片抛光垫的寿命的方法，该方法包括：
提供至少第一和第二抛光垫(104A，102A)；
用第一抛光垫(104A)抛光第二晶片(110)和用第二抛光垫(102A)抛光第一晶片(114)；
终止用第一抛光垫(104A)抛光第二晶片(110)和用第二抛光垫(102A)依据对第二晶片(110)抛光终点的检测过度抛光第一晶片(114)；
终止用第二抛光垫(102A)过度抛光第一晶片；以及
移动各晶片(110，114)到随后的晶片加工操作。
16.权利要求15的方法，进一步包括用第一抛光垫(104A)抛光第一晶片(114)一预定持续时间的步骤。
17.权利要求16的方法，其中用第二抛光垫(102A)过度抛光的步骤继续一预定时持续时间。
18.权利要求17的方法，其中用第一抛光垫(104A)抛光和用第二抛光垫(102A)抛光到终点具有大约相等的持续时间。
19.权利要求15的方法，进一步包括跟踪至少两个抛光垫(102A，104A)之间累积磨损时间差的步骤。
20.权利要求15的方法，其中检测抛光终点的步骤包括分析来自检测装置(120)的终点跟踪。
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