CN1986157A - 化学机械抛光设备与化学机械抛光工艺 - Google Patents

Abstract

一种化学机械抛光设备，此化学机械抛光设备是至少由抛光机台、第一厚度量测仪与第二厚度量测仪所构成，其中第一厚度量测仪是与抛光机台连接，而第二厚度量测仪是与抛光机台连接。由于第一厚度量测仪与第二厚度量测仪可以以原位的方式，用以量测抛光工艺后所保留下来的第一材料层与第二材料层的厚度，因此可以减少晶片之间的膜厚差异。

Description

化学机械抛光设备与化学机械抛光工艺

技术领域

本发明涉及一种半导体设备及工艺，尤其涉及一种化学机械抛光设备与化学机械抛光工艺(Chemical Mechanical Polishing，CMP)。

背景技术

化学机械抛光工艺是目前常用于膜层平坦化(Planarization)的技术，其是藉由具有悬浮研磨粒子(Abrasive Particle)的抛光液(Slurry)以及具有适当的弹性(Elasticity)与硬度(Hardness)的抛光垫，在晶片表面彼此进行相对运动以达成平坦化的目的。

化学机械抛光工艺的应用范畴相当广泛，举例来说，金属内连线工艺即为其中的一种。在金属内连线工艺中，会先在介电层中先蚀刻出开口，之后于开口及介电层表面形成衬层。接着，于衬层上覆盖填满开口的金属层。然后，再利用化学机械抛光工艺依序移除开口以外的金属层与衬层，以于开口中形成内连线。

为了有效控制内连线的阻值，因此当一批次(Lot)的晶片完成上述的抛光工艺后，会利用厚度量测仪对晶片上所保留下来的金属层或是介电层的厚度进行量测，并将此量测结果反馈给下一批次的晶片，以作为下一批次晶片的化学机械抛光工艺的参考。然而，由于金属层或是介电层的量测需于另一机台上进行，即须待一批次晶片完成抛光之后，才能进行量测。因此，上述的膜厚量测仅限于有效控制批次与批次(Lot To Lot)之间的膜厚差异，然而对于同一批次的晶片来说，各个晶片之间的膜厚差异并无法藉此量测获得有效的控制，如此将会造成各个晶片上的金属层其阻值稳定度不佳的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种化学机械抛光设备，以有效解决各个晶片之间膜厚不一致的问题。

本发明的另一目的是提供一种化学机械抛光工艺，以有效解决各个晶片之间膜厚不一致的问题。

本发明的又一目的是提供一种化学机械抛光工艺，以有效解决各个晶片之间膜厚不一致的问题。

本发明的再一目的是提供一种化学机械抛光工艺，以有效解决各个晶片之间膜厚不一致的问题。

本发明提出一种化学机械抛光设备，此化学机械抛光设备是至少由抛光机台、第一厚度量测仪与第二厚度量测仪所构成，其中第一厚度量测仪是与抛光机台连接，而第二厚度量测仪是与抛光机台连接。而且，第一厚度量测仪与第二厚度量测仪是以原位(In-Situ)的方式，用以量测抛光工艺后所保留下来的第一材料层与第二材料层的厚度。

由于本发明的化学机械抛光设备除了包括有抛光机台之外，还包括有第一厚度量测仪与第二厚度量测仪。因此，抛光后的晶片可利用此第一厚度量测仪与第二厚度量测仪而于原位进行量测，并将量测结果反馈(Feedback)给下一片晶片或是同一晶片的另一抛光步骤，所以可以藉由即时(Real-Time)调整抛光参数，减少各个晶片之间的膜厚差异。

本发明提出一种化学机械抛光工艺，此工艺是先提供晶片，且晶片上已形成有具有至少一开口的第一材料层，且在开口与第一材料层表面形成有衬层，而且在衬层上覆盖有填满开口的第二材料层。接着，进行第一抛光步骤，移除开口以外的第二材料层，直到衬层裸露出来，并以原位的方式进行第一量测步骤，测量保留下来的第二材料层的厚度。之后，进行第二抛光步骤，移除开口以外的衬层与第二材料层，直到第一材料层裸露出来，并以原位的方式进行第二量测步骤，测量保留下来的第一材料层的厚度。

本发明提出又一种化学机械抛光工艺，此工艺是先提供多片晶片，且各个晶片上已形成有具有至少一开口的第一材料层，且在开口与第一材料层表面形成有衬层，而且在衬层上覆盖有填满开口的第二材料层。接着，进行第i片晶片的第一抛光步骤，移除开口以外的第二材料层，直到衬层裸露出来，并以原位的方式进行第一量测步骤，测量保留下来的第二材料层的厚度，以得到第一抛光参数。之后，进行第i片晶片的第二抛光步骤，移除开口以外的衬层与第二材料层，直到第一材料层裸露出来，并以原位的方式进行第二量测步骤，测量保留下来的第一材料层的厚度，以得到第二抛光参数。然后，进行第i+1片晶片的第一抛光步骤与第二抛光步骤，且抛光第i片晶片所得的第一抛光参数与第二抛光参数会分别反馈于第i+1片晶片的第一抛光步骤与第二抛光步骤中。

本发明提出另一种化学机械抛光工艺，此工艺是先提供多片晶片，且各个晶片上已形成有具有至少一开口的第一材料层，且在开口与第一材料层表面形成有衬层，而且在衬层上覆盖有填满开口的第二材料层。接着，进行第i片晶片的第一抛光步骤，移除开口以外的第二材料层，直到衬层裸露出来，并进行第一量测步骤，测量保留下来的第二材料层的厚度，以得到第一抛光参数。之后，进行第i片晶片的第二抛光步骤，移除开口以外的衬层与第二材料层，直到第一材料层裸露出来，并以原位的方式进行一第二量测步骤，测量保留下来的该第一材料层的厚度，而得到一第二抛光参数，其中在进行第二抛光步骤时，第一抛光参数会反馈于其中。

由于本发明的抛光工艺会将量测步骤所得的抛光参数反馈给下一片晶片或是反馈给同一片晶片的另一抛光步骤，因此可以即时调整抛光参数，从而减少各个晶片之间的膜厚差异。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明一优选实施例的一种金属内连线工艺中的化学机械抛光工艺的流程图；

图2A至图2C是在进行图1的化学机械抛光工艺时所得的晶片剖面示意图；

图3是依照本发明一优选实施例的一种金属内连线工艺中的另一化学机械抛光工艺的流程图。

主要元件符号说明

100、102、104、106、300、302、304：步骤标号

200：晶片

202：开口

204、204a：介电层

206：接触窗开口

208：沟渠

210、210a：衬层

212、212a、212b：金属层

厚度：T1、T2

具体实施方式

本发明的化学机械抛光设备是至少由抛光机台、第一厚度量测仪与第二厚度量测仪所构成，其中第一厚度量测仪是与抛光机台连接，而第二厚度量测仪是与抛光机台连接。

在一优选实施例中，第一厚度量测仪例如是金属厚度量测仪，第二厚度量测仪例如是介电材料厚度量测仪。其中，金属厚度量测仪例如是利用激光会于不同界面处(例如：金属层与介电层界面处)产生的反射波，来进行厚度量测，而介电材料厚度量测仪例如是利用折射、反射等光学原理来进行膜厚量测。

特别是，上述的第一厚度量测仪与第二厚度量测仪会以原位的方式，分别量测抛光工艺后所保留下来的第一材料层的厚度与第二材料层的厚度。更具体而言，第一厚度量测仪与第二厚度量测仪会将抛光后的第一材料层与第二材料层的厚度分别记录下来，并且将由此二厚度所得的抛光参数反馈给下一片晶片，或是反馈给同一片晶片的另一抛光步骤。在一优选实施例中，上述的第一材料层例如是金属层，第二材料层例如是介电层。

由于本发明的化学机械抛光设备除了包括有抛光机台之外，还包括有第一厚度量测仪与第二厚度量测仪。因此，抛光后的晶片可利用此第一厚度量测仪与第二厚度量测仪而于原位进行量测，并将量测结果反馈给下一片晶片或是同一晶片的另一抛光步骤，所以可以藉由即时调整抛光参数，减少各个晶片之间的膜厚差异。

以下是说明利用上述化学机械抛光设备所进行的化学机械抛光工艺。在下述实施例中，是以金属内连线工艺来说明本发明的化学机械抛光设备与化学机械抛光工艺的应用，然其并非用以限定本发明的应用范畴，本发明也可应用于其他填开口的工艺。在金属内连线工艺中，第一材料层是指金属层，且第二材料层是指介电层。

图1是绘示依照本发明一优选实施例的一种金属内连线工艺中的化学机械抛光工艺的流程图。图2A至图2C是绘示在进行图1的化学机械抛光工艺时，所得的晶片剖面示意图。

请同时参照图1与图2A，提供多片晶片200，且各个晶片200上已形成有具有至少一开口202的介电层204(步骤100)。在一优选实施例中，晶片200上已形成有多个元件结构(未绘示)，且开口202所暴露之处为一导电区域，此导电区域例如是源极/漏极区、栅极、内连线结构等。在一优选实施例中，开口202例如是由位于下方的接触窗开口206与位于上方的沟渠208所构成。

然后，请继续参照图2A，于开口202与介电层204表面形成衬层210，并且在衬层210上覆盖填满开口202的金属层212。其中，衬层210的材质例如是氮化钛或是其他合适的材质，而金属层212的材质例如是钨或是其他合适的导电材质，且金属层212的形成方法例如是进行化学气相沉积工艺。

接着，请同时参照图1与图2B，进行第i片晶片200的第一抛光步骤，移除开口202以外的金属层212，直到衬层210裸露出来，而形成金属层212a。而且，在移除开口202以外的金属层212之后，是以原位的方式进行第一量测步骤，测量保留下来的金属层2 12a的厚度T1，以得到第一抛光参数(步骤102)。其中，步骤102例如是于本发明的化学机械抛光设备中进行，即利用其中的抛光机台进行金属层212抛光，并利用其中的金属厚度量测仪进行金属层212a的厚度量测。此外，在另一优选实施例中，步骤102也可于仅具有抛光机台与金属厚度量测仪，而无介电材料厚度量测仪的化学机械抛光设备中进行。

特别是，在步骤102中，由第一量测步骤所量测到的厚度T1可以推导出第一抛光步骤所移除的金属层的厚度，并且配合上抛光所花费的时间，进而推导出第一抛光步骤的抛光速率等参数，或者利用所量测到的厚度T1来推导出金属层212a的阻值。

之后，请同时参照图1与图2C，进行第i片晶片200的第二抛光步骤，移除开口202以外的金属层212a与衬层210，直到介电层204裸露出来，而形成金属层212b与衬层210a。由于在进行第二抛光步骤时，部分的介电层204也会被移除，因此会形成介电层204a。而且，在移除开口202以外的金属层212a与衬层210之后，是以原位的方式进行第二量测步骤，测量保留下来的介电层204a的厚度T2，以得到第二抛光参数(步骤104)。其中，步骤104例如是于本发明的化学机械抛光设备中进行，即利用其中的抛光机台，配合上与步骤102不同的抛光液进行金属层212a与衬层210的抛光，并利用其中的介电材料厚度量测仪进行介电层204a的厚度量测。此外，在另一优选实施例中，步骤104也可于仅具有抛光机台与介电材料厚度量测仪，而无金属厚度量测仪的化学机械抛光设备中进行。

特别是，在步骤104中，由第二量测步骤所量测到的厚度T2同样可以推导出第二抛光步骤的抛光速率等参数，且利用所量测到的厚度T2也可推导出金属层的厚度，从而得知金属层的阻值。

在一更优选的实施例中，当第i片晶片完成第一抛光步骤与第二抛光步骤之后，还可将所得到抛光参数，反馈给第i+1片晶片，以藉由即时调整抛光参数，减少前后晶片之间的膜厚差异，其详细说明如下。

请继续参照图1，当第i片晶片完成第一抛光步骤(步骤102)与第二抛光步骤(步骤104)之后，进行第i+1片晶片的第一抛光步骤与第二抛光步骤(步骤106)。特别是，在进行第i+1片晶片的第一抛光步骤与第二抛光步骤(步骤106)时，由抛光第i片晶片所得的第一抛光参数与第二抛光参数而决定出的抛光时间，可反馈于其中。如此一来，进行步骤106之后的第i+1片晶片上的金属层，其厚度会近似于第i片晶片上的金属层，因此可以提升晶片之间的阻值稳定度。

除此之外，在进行第i+1片晶片的第一抛光步骤与第二抛光步骤(步骤106)时，也同样可以以原位的方式进行第三量测步骤与第四量测步骤，测量保留下来的金属层与介电层厚度，并将所得的抛光参数反馈给第i+2片晶片的第一抛光步骤与第二抛光步骤使用。换言之，每一片晶片经抛光步骤所得的抛光参数可以即时反馈给下一片晶片使用，或是搜集多片晶片的抛光参数后，经统计分析，反馈给后续的晶片使用。因此，利用本发明的方法可以有效减少晶片之间的膜厚差异，从而提高金属层其片与片之间的阻值稳定度。

在本发明的另一优选实施例中，在进行上述步骤100之后，其后续的抛光与膜厚量测步骤是如下所述。

请参照图2B与图3，在进行上述步骤100之后，进行第i片晶片200的第一抛光步骤，移除开口202以外的金属层212，直到衬层210裸露出来，而形成金属层212a。而且，在移除开口202以外的金属层212之后，进行第一量测步骤，测量保留下来的金属层212a的厚度T1，以得到第一抛光参数(步骤300)。其中，步骤300例如是于本发明的化学机械抛光设备中进行，即利用其中的抛光机台进行金属层212的抛光，并利用其中的金属厚度量测仪进行金属层212a的厚度量测。此外，在另一优选实施例中，步骤300也可于仅具有抛光机台与金属厚度量测仪，而无介电材料厚度量测仪的化学机械抛光设备中进行。另外，在又一优选实施例中，步骤300例如是分别于仅具有抛光机台的化学机械抛光设备中进行金属层212的抛光，并于另一量测仪器中进行金属层212a的厚度T1量测。

之后，请参照图2C与图3，进行第i片晶片200的第二抛光步骤，移除开口202以外的金属层212a与衬层210，直到介电层204裸露出来，而形成金属层212b与衬层210a。由于在进行第二抛光步骤时，部分的介电层204也会被移除，因此会形成介电层204a。而且，在移除开口202以外的金属层212a与衬层210之后，是以原位的方式进行第二量测步骤，测量保留下来的介电层204a的厚度T2，以得到第二抛光参数(步骤302)。特别是，在此步骤302中，第二抛光步骤的抛光的时间是由在步骤300中所得的第一抛光参数决定出来的。如此一来，所保留下来的金属层212b其厚度可以获得有效地控制。

请继续参照图3，在一更优选的实施例中，当第i片晶片完成第一抛光步骤(步骤300)与第二抛光步骤(步骤302)之后，还可以进行第i+1片晶片的第一抛光步骤与第二抛光步骤(步骤304)。特别是，在进行第i+1片晶片的第二抛光步骤(步骤304)时，由抛光第i片晶片所得的第二抛光参数与抛光第i+1片晶片所得的第一抛光参数，而共同决定出的抛光时间，可反馈于其中。如此一来，进行步骤304之后的第i+1片晶片上的金属层，其厚度会近似于第i片晶片上的金属层厚度，因此可以提升晶片之间的阻值稳定度。

除此之外，在此实施例中，在进行第i+1片晶片的第二抛光步骤(步骤304)时，也同样可以以原位的方式进行第三量测步骤，测量保留下来的介电层厚度，并将所得的抛光参数反馈给第i+2片晶片的第二抛光步骤使用。换言之，每一片晶片经抛光步骤所得的抛光参数可以即时反馈给下一片晶片使用，或是搜集多片晶片的抛光参数后，经统计分析，反馈给后续的晶片使用。因此，利用本发明的方法可以有效减少晶片之间的膜厚差异，从而提高金属层其片与片之间的阻值稳定度。

综上所述，本发明至少具有下面的优点：

1.由于本发明的化学机械抛光设备除了包括有抛光机台之外，还包括有第一厚度量测仪与第二厚度量测仪。因此，抛光后的晶片可利用此第一厚度量测仪与第二厚度量测仪而于原位进行量测，并将量测结果反馈给下一片晶片或是同一晶片的另一抛光步骤，所以可以藉由即时调整抛光参数，减少各个晶片之间的膜厚差异。

2.由于本发明的抛光工艺会将量测步骤所得的抛光参数反馈给下一片晶片或是反馈给同一片晶片的另一抛光步骤，因此可以即时调整抛光参数，从而减少各个晶片之间的膜厚差异。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

Claims (18)

1.一种化学机械抛光设备，至少包括：

一抛光机台；

一第一厚度量测仪，与该抛光机台连接；以及

一第二厚度量测仪，与该抛光机台连接，

其中该第一厚度量测仪与该第二厚度量测仪是以原位的方式，用以量测抛光工艺后所保留下来的一第一材料层与一第二材料层的厚度。

2.如权利要求1所述的抛光设备，其中该第一厚度量测仪与该第二厚度量测仪的其中之一为金属厚度量测仪，且另一为介电材料厚度量测仪。

3.如权利要求1所述的抛光设备，其中该第一厚度量测仪与该第二厚度量测仪是将同一片晶片上的该第一材料层的厚度与该第二材料层的厚度分别记录下来，并且将由该二厚度所得的抛光参数反馈给下一片晶片使用。

4.如权利要求1所述的抛光设备，其中该第一厚度量测仪或该第二厚度量测仪是将一晶片上的该第一材料层的厚度或该第二材料层的厚度记录下来，并且将由该厚度所得的抛光参数反馈给该晶片的另一抛光步骤使用。

5.一种化学机械抛光工艺，包括：

提供一晶片，该晶片上已形成有具有至少一开口的一第一材料层，且在该开口与该第一材料层表面形成有一衬层，而且在该衬层上覆盖有填满该开口的一第二材料层；

进行一第一抛光步骤，移除该开口以外的该第二材料层，直到该衬层裸露出来，并以原位的方式进行一第一量测步骤，测量保留下来的该第二材料层的厚度；以及

进行一第二抛光步骤，移除该开口以外的该衬层与该第二材料层，直到该第一材料层裸露出来，并以原位的方式进行一第二量测步骤，测量保留下来的该第一材料层的厚度。

6.如权利要求5所述的化学机械抛光工艺，其中该第一材料层包括介电层，且该第二材料层包括金属层。

7.如权利要求5所述的化学机械抛光工艺，其中该开口是由位于下方的接触窗开口与位于上方的沟渠所构成。

8.一种化学机械抛光工艺，包括：

提供多片晶片，且各该晶片上已形成有具有至少一开口的一第一材料层，且在该开口与该第一材料层表面形成有一衬层，而且在该衬层上覆盖有填满该开口的一第二材料层；

进行第i片晶片的一第一抛光步骤，移除该开口以外的该第二材料层，直到该衬层裸露出来，并以原位的方式进行一第一量测步骤，测量保留下来的该第二材料层的厚度，以得到一第一抛光参数；

进行第i片晶片的一第二抛光步骤，移除该开口以外的该衬层与该第二材料层，直到该第一材料层裸露出来，并以原位的方式进行一第二量测步骤，测量保留下来的该第一材料层的厚度，以得到一第二抛光参数；以及

进行第i+1片晶片的该第一抛光步骤与该第二抛光步骤，且抛光第i片晶片所得的该第一抛光参数与该第二抛光参数会分别反馈于第i+1片晶片的该第一抛光步骤与该第二抛光步骤中。

9.如权利要求8所述的化学机械抛光工艺，其中在进行第i+1片晶片的该第一抛光步骤时，还包括以原位的方式进行一第三量测步骤，测量保留下来的该第二材料层的厚度，以得到一第三抛光参数，且在进行第i+2片晶片的该第一抛光步骤时，该第三抛光参数会反馈于其中。

10.如权利要求8所述的化学机械抛光工艺，其中在进行第i+1片晶片的该第二抛光步骤时，还包括以原位的方式进行一第四量测步骤，测量保留下来的该第一材料层的厚度，以得到一第四抛光参数，且在进行第i+2片晶片的该第二抛光步骤时，该第四抛光参数会反馈于其中。

11.如权利要求8所述的化学机械抛光工艺，其中该第一材料层包括介电层，且该第二材料层包括金属层。

12.如权利要求8所述的化学机械抛光工艺，其中该开口是由位于下方的接触窗开口与位于上方的沟渠所构成。

13.一种化学机械抛光工艺，包括：

提供多片晶片，且各该晶片上已形成有具有至少一开口的一第一材料层，且在该开口与该第一材料层表面形成有一衬层，而且在该衬层上覆盖有填满该开口的一第二材料层；

进行第i片晶片的一第一抛光步骤，移除该开口以外的该第二材料层，直到该衬层裸露出来，并进行一第一量测步骤，测量保留下来的该第二材料层的厚度，以得到一第一抛光参数；以及

进行第i片晶片的一第二抛光步骤，移除该开口以外的该衬层与该第二材料层，直到该第一材料层裸露出来，并以原位的方式进行一第二量测步骤，测量保留下来的该第一材料层的厚度，以得到一第二抛光参数，而且在进行该第二抛光步骤时，该第一抛光参数会反馈于其中。

14.如权利要求13所述的化学机械抛光工艺，其中于该第二抛光步骤之后，还包括进行第i+1片晶片的该第一抛光步骤与该第二抛光步骤，其中在进行第i+1片晶片的该第二抛光步骤时，抛光第i片晶片所得的该第二抛光参数与抛光第i+1片晶片所得的该第一抛光参数会共同反馈于其中。

15.如权利要求14所述的化学机械抛光工艺，其中在进行第i+1片晶片的该第二抛光步骤时，还包括以原位的方式进行一第三量测步骤，测量保留下来的该第一材料层的厚度，以得到一第三抛光参数，而且在进行第i+2片晶片的该第二抛光步骤时，该第三抛光参数会反馈于其中。

16.如权利要求13所述的化学机械抛光工艺，其中该第一量测步骤是以原位方式进行。

17.如权利要求13所述的化学机械抛光工艺，其中该第一材料层包括介电层，且该第二材料层包括金属层。

18.如权利要求13所述的化学机械抛光工艺，其中该开口是由位于下方的接触窗开口与位于上方的沟渠所构成。