JP3962121B2 - Chemical / mechanical polishing apparatus and method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板の表面を化学/機械的にポリシングすなわち研磨する(CMP)装置及び方法に関する。より詳細には、本発明は、付着されかつパターン形成された層から生じるトポグラフィ(形状)的特徴を含んだ半導体基板を平坦な状態まで研磨する際に、該基板をCMP装置から取り外すことなく、平坦化完了点を検出することができるインライン型平坦度測定装置を備えた、化学/機械的研磨(CMP)装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の組立において、金属導体ラインは、デバイス回路中の多くの構成部品を相互接続するのに使用される。金属導体ラインは、別個のデバイスを相互接続し、それにより集積回路を形成する機能を果たす。金属導体ラインは、更に、絶縁材料からなる薄層により次の接続レベルから絶縁され、該絶縁層を貫通して形成された穴が、連続する導電接続層間の電気的アクセスを形成する。このような配線工程においては、粗面に付着された層に平板印刷的に画像及びパターン形成するのが難しいことから、絶縁層が円滑な表面トポグラフィ(形状)を有するのが望ましい。また、表面トポグラフィが荒れていると、次に付着された層によるステップ・カバレージに欠陥が生じ、段差部を横断する層が不連続となり、且つ、トポグラフィ特徴間で空隙が形成されることになる。付着された層によるステップ・カバレージの欠陥やトポグラフィ特徴間での空隙形成は、工程歩留まりを低下させると共に、集積回路の信頼性を失墜させることになる。半導体回路チップの配線密度が高くなると、多重配線レベルでデバイスを接続しなければならなくなり、従って、レベル間の誘電体の平坦化が組立工程において決定的に重要なステップとなる。
【0003】
半導体回路製造においては、化学/機械的研磨(CMP)は、導電接続パターン層を分離する絶縁層上に円滑な表面トポグラフィを現出させるために行われる一工程である。CMPは、また、半導体基板の表面から異なる材料層を除去するのに使用することができる。例えば、絶縁材料層を貫通する穴の形成に続いて、金属化層が一括付着され、次いで、CMPを使用して平坦な金属スタッドが形成される。簡単に言えば、CMP工程では、化学的特性、圧力及び温度を制御した条件下で、半導体材料からなる薄い平らな基板を保持し、且つ、該基板を湿った研磨面に当てて回転させる。アルミナまたはシリカ等の研磨材を含んだ化学スラリが、研磨材料として使用される。更に、化学スラリは、処理中に基板の様々な表面をエッチングするよう選択された化学物質を含む。研磨中に、機械的作用と化学的作用を組み合わせて材料を除去することにより、研磨された表面に優れた平坦化をもたらす。研磨工程中では、下方の材料を過度に除去することなく、十分な量の材料を除去して円滑な表面をもたらすことが重要である。従って、平坦化が達成された時点を検出する方法が、必要となる。
【0004】
1995年5月9日にダニエル・A・クーズ(Daniel A.Koos)等に与えられた「半導体平坦化研磨方法の光学式完了点検出方法」と題する米国特許第5,413,941号には、研磨されつつある基板にレーザー光を当て、反射光を測定する研磨完了点検出方法が記載されている。反射光の強さにより、研磨された表面の平坦度の測定が得られる。
【0005】
絶縁層の化学/機械的平坦化は、また、絶縁層の厚さを測定し、除去された層の量を平坦化状態と関連づけることで監視されてきた。これは、CMP工程が平坦化されるべき荒れたトポグラフィを生じるパターン密度に頼ることから、信頼できる方法ではない。トポグラフィが高さ(厚さ)特徴及び横方向の寸法(大きさ)特徴の双方において変化する対象物を考えてみる。CMP研磨除去速度は、高さが低い特徴に比して、高さが高い特徴についての方が大きい。また、表面特徴の平坦化は、特徴の高さを一定のものとした場合には、横方向の寸法により決定される。横方向の寸法が小さい場合は、該小さい特徴上の局部的な研磨除去速度は、横方向寸法の大きな特徴上の局部研磨速度より大きくなる。更に、トポグラフィ特徴上の局部研磨除去速度は、多のトポグラフィ特徴の近接度合いによっても影響される。例えば、所定の高さの分離された特徴は、同様な特徴であっても、同様の特徴がアレイ状に近接して囲繞するものより、速く研磨される。半導体デバイス構造体の化学/機械的研磨中に除去された材料の厚さを単に監視して平坦化を確認することが不十分であることは、明白である。半導体デバイス構造体の各レベルは異なるパターン密度を有しており、このパターン密度が半導体基板の局部的及び全体的に変化することがある。従って、単に基板上の部分におけるCMP中に除去された材料の厚を測定しても、平坦化を予測するには十分ではない。
【0006】
処理コストを低減し、且つ、CMP装置の製品の処理量を増大するために、製品をCMP装置から取り外してのオフライン検査、平坦度測定及び研磨層厚測定をすることなく、平坦化が達成される時点を測定できることが望ましい。
【0007】
本発明は、付着され且つパターン形成された層から生じるトポグラフィ特徴を含む半導体基板の化学/機械的研磨(CMP)を行う新規な方法及び装置に関する。新規で且つ改良されたCMP装置は、インライン基板洗浄ステーションと、インライン光学式厚さ測定ステーションとを備えている。トポグラフィ特徴を含む半導体基板を平坦な状態に研磨する際に、CMP平坦化完了点を検出する新規で改良された方法は、トポグラフィ・パターン密度とは関係なく、様々な絶縁体層の平坦化に適応できる。前記CMP装置は、最新式の化学/機械的研磨ステーションと、基板洗浄ステーションと、簡単な光学式膜厚測定装置とを備えている。基板表面の平坦化の完了点は、パターン特徴上の絶縁材料除去速度と、下方にパターン特徴が存在しない領域上の絶縁材料除去速度との比を監視することにより、検出される。
【0008】
【発明の概要】
本発明の目的は、パターン特徴上の絶縁材料除去速度と、下方にパターン特徴が存在しない領域上の絶縁材料除去速度との比を監視することにより、平坦化工程の完了点を検出することができる、半導体基板表面を平坦状態に化学/機械的に研磨する(CMP)ための、改良された新規な装置及び方法を提供することである。
本発明の別の目的は、半導体基板上の別個のデバイスを接続するのに使用されるパターン形成された金属化層上に付着された絶縁層を平坦化するCMP工程において、完了点を検出する新規で改良された装置及び方法を提供することである。
本発明の更に別の目的は、インライン基板洗浄ステーションと、簡単な光学式膜厚測定装置と、パターン特徴上の絶縁材料除去速度と下方にパターン特徴が存在しない領域上の絶縁材料除去速度との比を測定する手段とを備えた、新規で改良されたCMP装置を提供することである。
【0009】
本発明による研磨装置の新規な特徴は、半導体基板の表面に形成された金属化パターン上に付着された絶縁層を化学/機械的に研磨する(CMP)回転自在のプラテン及び研磨パッドと、研磨スラリ溜め及び該スラリを前記研磨パッドへ供給する手段と、回転自在の基板キャリヤ、及び該基板キャリヤと前記回転自在のプラテンと研磨パッドとの間に圧力を加えつつ、前記半導体基板の表面を前記回転研磨パッドに対して並列に保持する手段と、前記半導体基板を前記回転自在の基板キャリヤから水スプレー・ノズル及び空気スプレー・ノズルを備えたインライン洗浄ステーションへ搬送する手段と、前記半導体基板を前記インライン洗浄ステーションからインライン光学式厚さ測定具へ搬送する手段と、前記半導体基板を前記インライン光学式厚さ測定具内で位置合わせする手段と、研磨の前後において、前記金属化パターン上の絶縁層の厚さを測定する手段と、研磨の前後において、前記半導体基板上の絶縁層の厚さを測定する手段と、前記金属化パターン上の前記絶縁層の第1の研磨除去速度を算出する手段と、前記半導体基板上の前記絶縁層の第2の研磨除去速度を算出する手段と、前記第1の研磨除去速度を前記第2の研磨除去速度で割って、研磨除去速度の比を算出する手段と、前記半導体基板を前記インライン光学式厚さ測定具から前記回転自在の基板キャリヤへ搬送して、前記研磨除去速度の比が約0.9〜1.1未満となるまで、更に化学/機械的研磨(CMP)を行う手段とを備えたことである。
【0010】
【発明の実施の形態】
トポグラフィ・パターン密度に関係なく改良された平坦化検出が達成され、且つ、下に存在する材料を過度に除去することがない、化学/機械的研磨(CMP)を利用した半導体基板の表面を研磨する、新規で改良された装置及び方法について、詳細に説明する。
【0011】
図1は、最新式のCMP装置10と、インライン基板洗浄ステーション11と、光学式膜厚測定装置12との組み合わせの略図である。CMP処理中に、基板13は、研磨パッド14上で所定の時間にわたり研磨され、次いで、基板13は、水スプレー・ノズル15及び空気スプレー・ノズル16を備えたインライン基板洗浄ステーション11へ搬送される。そして、水スプレー・ノズル15を起動させて、研磨スラリを基板表面から洗い落とし、次いで、空気スプレー・ノズル16を起動させて、基板表面を乾燥させる。基板13は、洗浄且つ乾燥された後、光学式膜厚測定装置12まで搬送される。通常実施されているように、基板の平坦部を利用して、光学式膜厚測定装置に対して規定された位置に基板が配向位置決めされる。
【0012】
平坦化監視構造は、図2A及びBに示すように、トポグラフィ発生特徴が下方に存在しない第1の領域20及びトポグラフィ発生特徴が下方に存在する第2の領域21を備えた光学式測定整合マークである。この光学式測定整合マークの横方向寸法は、第1の領域20が約100μm×100μmであり、第2の領域21が約100μm×100μmである。整合マークの2の領域の横方向寸法は、光学または光波干渉等の光学式厚さ検出技術により、不当にコストのかかる光学装置の位置決めを必要とせずに、CMP研磨装置上の元の位置において実施できるように、選択される。次に、下方にトポグラフィ生成特徴を有する第2の領域21の横方向寸法は、この特徴上での平坦化が達成されることにより半導体デバイス構造体の全ての重要な領域での平坦化が確実となるように選択される。約100μm×100μmの下方にトポグラフィ発生特徴が存在する部分の横方向の寸法は、この基準に合致するが、工程の所定のニーズに合致するように、これらの寸法を変更することが可能である。例えば、約50〜1000μm間の横方向寸法であれば、下方にトポグラフィ特徴が存在するものに適している。
【0013】
光学式測定整合マークは、シリコン・ウェハ基板上の基板平坦部または切欠き部等の、定められた基板特徴に対する定められた位置に生じる。シリコン基板の平坦部及び切欠き部の双方とも、半導体の業界では一般に使用されている。半導体基板の平坦部等の基板特徴に対して定められた位置に光学式測定整合マークを配置することにより、光学式測定整合マークの位置は、常に良好に規定され、光学式測定装置を、比較的容易に該整合マークに集中させることが可能となる。
【0014】
図2A及びBを再度参照すると、図2Aは、トポグラフィ特徴が一切存在しない第1の領域20及びトポグラフィ特徴22を有する第2の領域21を備えた光学式測定整合マークの頂面図を示している。トポグラフィ特徴22の横方向の寸法は、約100μm×100μmである。第1の領域20の横方向の寸法は、約100μm×100μmである。第1の領域20及び第2の領域21を備えた光学式測定整合マークは、半導体基板24上の平坦部23に対して規定された位置に形成される。図2Bは、図2Aに示した光学式測定整合マークの断面図を示している。
【0015】
図3は、半導体デバイス構造体を化学/機械的研磨中に平坦化を監視するための光学式整合マークの使用の概略を示したものである。図3は、研磨前の監視構造の断面である。第1の絶縁体30は、CVD(化学気相成長)、LPCVD(低圧化学気相成長)、またはPECVD(プラズマ化学気相成長)等の半導体業界では一般的な方法により、成形される。第1の絶縁体30の成形に適した方法は、CVDであり、この時の温度は、200〜450℃であり、厚さは、約2,000〜20,000オングストロームである。または、第1の絶縁体30を、同様に半導体業界では一般的なSOG(スピン・オン・グラス)及びリフロー技術により付着成形することが可能である。トポグラフィ特徴31は、横方向寸法が約100μm×100μmの金属アイランドを備えており、且つ、ブランケット金属層をパターン形成し、次いでエッチングすることにより形成される。該金属層の厚さは、約3,000〜8,000オングストロームである。トポグラフィ特徴31は、アルミまたはアルミ−銅−シリコンから成る接続配線パターンが半導体基板上に形成されるのと同時に、形成される。第2の絶縁体32は、第1の絶縁体30、トポグラフィ特徴31及び接続配線パターン(本発明の一部ではないため図示なし)上に一致するように成形される。第2の絶縁体32は、CVD(化学気相成長)、LPCVD(低圧化学気相成長)またはPECVD(プラズマ化学気相成長)等の、半導体業界では一般的な方法により成形される。第2の絶縁体32の成形に適した方法は、CVDであり、この時の温度は、200〜450℃°であり、厚さは、約2,000〜20,000オングストロームである。または、第2の絶縁体32を、同様に半導体業界では一般的なSOG(スピン・オン・グラス)及びリフロー技術により成形することが可能である。初期の絶縁体の厚さの測定は、トポグラフィ特徴31の上方の領域34及びトポグラフィ特徴の無い領域33において実行される。半導体業界で一般的に使用される光学干渉を用いて、上記の初期の絶縁体の厚さを測定することも可能である。
【0016】
図1及び図3を参照すると、第2の絶縁体32の化学/機械的研磨(CMP)が、シリカまたはアルミナ等の研磨粒子から成る研磨スラリと、pHが約pH=9〜pH=14の化学的エッチング剤を使用して、所定の時間にわたり実行される状態が図示されている。回転自在のプラテン及び研磨パッド14が約10〜100rpmの速度で回転される。回転自在の基板キャリヤと回転自在のプラテンと研磨パッド間に加えられる圧力は、約0.007031〜0.7031kgf/cm2(約0.1〜10psi)である。所定の時間の化学/機械的研磨に続いて、半導体基板は、回転自在の基板キャリヤから、水スプレー・ノズル15及び空気スプレー・ノズル16を備えたインライン洗浄ステーション11へ搬送される。水スプレー・ノズル15を動作させることにより、研磨スラリが基板表面から洗い落とされ、次いで、空気スプレー・ノズル16を起動させることにより基板表面が乾燥される。基板13は、洗浄乾燥された後、光学式膜厚測定装置12まで搬送され、そこで、トポグラフィ特徴31の上方の領域34及びトポグラフィ特徴の無い領域33における絶縁体の厚さが、再度光学干渉技術を用いて測定される。例示の目的で、初期のトポグラフィ表面を符号Iで表し、第1の研磨されたトポグラフィ表面を符号1で表すことにする。CMP材料除去速度は、領域33及び34双方とも、初期の絶縁体の厚さからCMP後の対応する絶縁体厚を差し引き、次いで、生じた差を研磨経過時間で割ることにより算出される。次いで、CMP研磨除去速度の比が、領域34における除去速度を領域33における除去速度で割ることにより算出される。領域34の除去速度が領域33の除去速度より大きくなり、平坦化が進行しているのが示されるのが典型である。さらに研磨されたトポグラフィ表面をそれぞれ符号2及び3で表すことにより、平坦化の進行がさらに進んでいるのが示されている。各研磨が繰り返された後で、新たな材料除去速度が領域33及び34について算出される。また、CMP研磨除去速度の比も、各研磨が繰り返された後で算出される。CMP研磨除去速度の比は、平坦化が進行するにつれて、大きな数値から1.00に近似する数値へと前進するのが典型的である。斯かる研磨除去速度の比が0.9〜1.1未満となるまで、更なる化学/機械的研磨がなされる。または、領域33の除去速度を領域34の除去速度で割って、第2の研磨除去速度の比を算出することが可能であり、該第2の研磨除去速度の比が1.1〜0.9を超えるまで、更に化学/機械的研磨がなされる。
【0017】
本発明を好適な実施例を参照して詳細に図示且つ説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく態様及び詳細において様々な変更をなすことが可能なことは当業者には自明のことである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のCPM装置の概略断面図である。
【図2】本発明の光学式整合マークの概略上面図及び断面図である。
【図3】継続してCPMを実行する場合の、光学式整合マークにおける平坦化進行状態を示す概略断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus and method for chemically / mechanically polishing (CMP) the surface of a semiconductor substrate. More particularly, the present invention eliminates removing a substrate from a CMP apparatus when polishing a semiconductor substrate that includes topographic features resulting from a deposited and patterned layer to a flat state. The present invention relates to a chemical / mechanical polishing (CMP) apparatus including an in-line type flatness measuring apparatus capable of detecting a flattening completion point.
[0002]
[Prior art]
In the assembly of semiconductor devices, metal conductor lines are used to interconnect many components in the device circuit. The metal conductor lines serve to interconnect separate devices, thereby forming an integrated circuit. The metal conductor line is further insulated from the next connection level by a thin layer of insulating material, and holes formed through the insulating layer form an electrical access between successive conductive connection layers. In such a wiring process, it is difficult to form an image and a pattern in a lithographic manner on a layer adhered to the rough surface, and therefore it is desirable that the insulating layer has a smooth surface topography (shape). Also, if the surface topography is rough, there will be defects in step coverage due to the next deposited layer, the layer crossing the step will be discontinuous, and voids will be formed between the topographic features . Defects in step coverage and void formation between topographic features due to the deposited layers reduce process yield and reduce integrated circuit reliability. As the wiring density of semiconductor circuit chips increases, devices must be connected at multiple wiring levels, and therefore, planarization of the dielectric between levels becomes a critical step in the assembly process.
[0003]
In semiconductor circuit manufacturing, chemical / mechanical polishing (CMP) is a process performed to reveal a smooth surface topography on the insulating layer separating the conductive connection pattern layers. CMP can also be used to remove different material layers from the surface of a semiconductor substrate. For example, following formation of a hole through the insulating material layer, a metallization layer is deposited together, and then a flat metal stud is formed using CMP. In brief, in the CMP process, a thin flat substrate made of a semiconductor material is held under controlled conditions of chemical properties, pressure and temperature, and the substrate is rotated against a wet polishing surface. A chemical slurry containing an abrasive such as alumina or silica is used as the abrasive material. In addition, the chemical slurry includes chemicals selected to etch various surfaces of the substrate during processing. During polishing, a combination of mechanical and chemical effects removes material, resulting in excellent planarization of the polished surface. During the polishing process, it is important to remove a sufficient amount of material to provide a smooth surface without excessively removing the underlying material. Therefore, a method for detecting when the planarization is achieved is needed.
[0004]
U.S. Pat. No. 5,413,941 entitled “Optical Completion Point Detection Method for Semiconductor Flattening Polishing Method”, given to Daniel A. Koos et al. On May 9, 1995, A polishing completion point detecting method is described in which a laser beam is applied to a substrate being polished and the reflected light is measured. The intensity of the reflected light provides a measure of the flatness of the polished surface.
[0005]
Insulating layer chemical / mechanical planarization has also been monitored by measuring the thickness of the insulating layer and correlating the amount of layer removed with the planarization state. This is not a reliable method because the CMP process relies on pattern density that produces rough topography to be planarized. Consider an object whose topography changes in both height (thickness) characteristics and lateral dimension (size) characteristics. The CMP polishing removal rate is greater for features with high height than for features with low height. Further, the flattening of the surface feature is determined by the horizontal dimension when the height of the feature is constant. If the lateral dimension is small, the local polishing removal rate on the small feature is greater than the local polishing rate on the large lateral feature. In addition, the local polishing removal rate on topography features is also affected by the proximity of multiple topography features. For example, a separated feature of a given height is polished faster than a similar feature that surrounds it in close proximity to the array. Obviously, it is insufficient to simply monitor the thickness of the material removed during chemical / mechanical polishing of the semiconductor device structure to confirm planarization. Each level of the semiconductor device structure has a different pattern density, which may vary locally and globally on the semiconductor substrate. Therefore, simply measuring the thickness of material removed during CMP on portions of the substrate is not sufficient to predict planarization.
[0006]
Planarization is achieved without off-line inspection, flatness measurement and polishing layer thickness measurement after removing the product from the CMP apparatus in order to reduce processing costs and increase the throughput of the product in the CMP apparatus. It is desirable to be able to measure the point in time.
[0007]
The present invention relates to a novel method and apparatus for performing chemical / mechanical polishing (CMP) of a semiconductor substrate that includes topographic features arising from deposited and patterned layers. A new and improved CMP apparatus includes an inline substrate cleaning station and an inline optical thickness measurement station. A new and improved method for detecting CMP planarization completion points when planarizing a semiconductor substrate containing topography features to planarize various insulator layers regardless of topography pattern density. Adaptable. The CMP apparatus includes a state-of-the-art chemical / mechanical polishing station, a substrate cleaning station, and a simple optical film thickness measuring device. The completion point of the planarization of the substrate surface is detected by monitoring the ratio of the insulating material removal rate on the pattern feature to the insulating material removal rate on the region where the pattern feature does not exist below.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION
An object of the present invention is to detect the completion point of the planarization process by monitoring the ratio of the insulating material removal rate on the pattern feature to the insulating material removal rate on the region where the pattern feature does not exist below. It is possible to provide an improved and novel apparatus and method for chemical / mechanical polishing (CMP) of a semiconductor substrate surface to a flat state.
Another object of the present invention is to detect completion points in a CMP process for planarizing an insulating layer deposited on a patterned metallization layer used to connect separate devices on a semiconductor substrate. It is a new and improved apparatus and method.
Still another object of the present invention is to provide an in-line substrate cleaning station, a simple optical film thickness measuring device, an insulating material removal rate on a pattern feature, and an insulating material removal rate on an area where no pattern feature exists below. And providing a new and improved CMP apparatus with means for measuring the ratio.
[0009]
The novel features of the polishing apparatus according to the present invention include a rotatable platen and polishing pad for chemically / mechanically polishing (CMP) an insulating layer deposited on a metallization pattern formed on the surface of a semiconductor substrate, and polishing. A slurry reservoir and means for supplying the slurry to the polishing pad; a rotatable substrate carrier; and applying pressure between the substrate carrier, the rotatable platen, and the polishing pad, and applying a pressure to the surface of the semiconductor substrate. Means for holding the semiconductor substrate in parallel to a rotating polishing pad; means for transporting the semiconductor substrate from the rotatable substrate carrier to an in-line cleaning station having a water spray nozzle and an air spray nozzle; and Means for conveying from an in-line cleaning station to an in-line optical thickness measuring instrument; Means for aligning in the thickness measuring tool, means for measuring the thickness of the insulating layer on the metallized pattern before and after polishing, and thickness of the insulating layer on the semiconductor substrate before and after polishing Measuring means, means for calculating a first polishing removal rate of the insulating layer on the metallized pattern, means for calculating a second polishing removal rate of the insulating layer on the semiconductor substrate, Means for dividing a first polishing removal rate by the second polishing removal rate to calculate a polishing removal rate ratio; and transporting the semiconductor substrate from the in-line optical thickness measurement tool to the rotatable substrate carrier. And means for further performing chemical / mechanical polishing (CMP) until the polishing removal rate ratio is less than about 0.9 to 1.1.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Polishing the surface of a semiconductor substrate using chemical / mechanical polishing (CMP) that achieves improved planarization detection regardless of topography pattern density and does not unduly remove the underlying material The new and improved apparatus and method will now be described in detail.
[0011]
FIG. 1 is a schematic diagram of a combination of a state-of-the-
[0012]
As shown in FIGS. 2A and 2B, the flattening monitoring structure includes an optical measurement alignment mark having a
[0013]
The optical measurement alignment mark occurs at a defined position relative to a defined substrate feature, such as a substrate flat or notch on a silicon wafer substrate. Both flat and notched portions of silicon substrates are commonly used in the semiconductor industry. By placing the optical measurement alignment mark at a position determined for the substrate features such as the flat part of the semiconductor substrate, the position of the optical measurement alignment mark is always well defined, and the optical measurement device is compared Therefore, it is possible to easily concentrate on the alignment mark.
[0014]
Referring again to FIGS. 2A and B, FIG. 2A shows a top view of an optical measurement alignment mark comprising a
[0015]
FIG. 3 schematically illustrates the use of optical alignment marks to monitor planarization during chemical / mechanical polishing of semiconductor device structures. FIG. 3 is a cross section of the monitoring structure before polishing. The
[0016]
Referring to FIGS. 1 and 3, chemical / mechanical polishing (CMP) of the
[0017]
Although the invention has been illustrated and described in detail with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that various changes in aspects and details can be made without departing from the spirit and scope of the invention. It is self-evident.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a CPM device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic top view and cross-sectional view of an optical alignment mark of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a flattening progress state in an optical alignment mark when CPM is continuously executed.
Claims (38)
半導体基板の表面に形成された金属化パターン上に付着成形された絶縁層を化学/機械的に研磨(CMP)するための、回転自在のプラテン及び研磨パッドと、
研磨スラリ溜め及び該スラリを前記研磨パッドへ供給する手段と、
回転自在の基板キャリヤ、及び、該回転自在の基板キャリヤと前記回転自在のプラテンと研磨パッドとの間に圧力を加えつつ、前記半導体基板の表面を前記回転研磨プラテン及び研磨パッドに対して並列に保持する手段と、
前記半導体基板を、前記回転自在の基板キャリヤから水スプレー・ノズル及び空気スプレー・ノズルを備えたインライン洗浄ステーションへ搬送する手段と、
前記半導体基板を、前記インライン洗浄ステーションからインライン光学式厚さ測定具へ搬送する手段と、
前記半導体基板を、前記インライン光学式厚さ測定具内で位置決めする手段と、
研磨の前後において、金属化パターン上の絶縁層の厚さを測定する手段と、
研磨の前後において、前記半導体基板上の絶縁層の厚さを測定する手段と、
前記金属化パターン上の絶縁層の第1の研磨除去速度を算出する手段と、
前記半導体基板上の絶縁層の第2の研磨除去速度を算出する手段と、
前記第1の研磨除去速度を前記第2の研磨除去速度で割って研磨除去速度比を算出する手段と、
前記半導体基板を、前記インライン光学式厚さ測定具から前記回転自在の基板キャリヤへ搬送して、前記研磨除去速度比が0.9〜1.1未満となるまで、更に化学/機械的研磨(CMP)を行う手段と
を備えたことを特徴とする装置。In an apparatus for planarizing a semiconductor substrate,
A rotatable platen and polishing pad for chemically / mechanically polishing (CMP) an insulating layer deposited on a metallization pattern formed on a surface of a semiconductor substrate;
A polishing slurry reservoir and means for supplying the slurry to the polishing pad;
A rotatable substrate carrier, and a surface of the semiconductor substrate in parallel with the rotatable polishing platen and the polishing pad while applying pressure between the rotatable substrate carrier and the rotatable platen and the polishing pad. Means for holding;
Means for transporting the semiconductor substrate from the rotatable substrate carrier to an in-line cleaning station comprising a water spray nozzle and an air spray nozzle;
Means for transporting the semiconductor substrate from the inline cleaning station to an inline optical thickness measuring tool;
Means for positioning the semiconductor substrate within the in-line optical thickness measuring tool;
Means for measuring the thickness of the insulating layer on the metallization pattern before and after polishing;
Means for measuring the thickness of the insulating layer on the semiconductor substrate before and after polishing;
Means for calculating a first polishing removal rate of the insulating layer on the metallization pattern;
Means for calculating a second polishing removal rate of the insulating layer on the semiconductor substrate;
Means for dividing the first polishing removal rate by the second polishing removal rate to calculate a polishing removal rate ratio;
The semiconductor substrate is transported from the in-line optical thickness measuring tool to the rotatable substrate carrier, and further subjected to chemical / mechanical polishing until the polishing removal rate ratio is less than 0.9 to 1.1 ( And an apparatus for performing CMP).
在のプラテンと研磨パッドとの間に加えられる圧力が、0.1〜10psiであることを特徴とする装置。The apparatus of claim 1, wherein the pressure applied between the rotatable substrate carrier, the rotatable platen and the polishing pad is 0.1 to 10 psi.
前記半導体基板上に第1の絶縁層を付着成形するステップと、
該第1の絶縁層上に金属化パターンを形成するステップと、
前記第1の絶縁層及び前記金属化パターン上に第2の絶縁層を一致するように付着成形するステップと、
前記金属化パターン上の前記第2の絶縁層の厚さを測定するステップと、
前記半導体基板上の前記第2の絶縁層と前記第1の絶縁層との組み合わせの厚さを測定するステップと、
前記第2の絶縁層に化学/機械的に研磨する(CMP)ステップと、
前記半導体基板を、水スプレー・ノズル及び空気スプレー・ノズルを備えたインライン洗浄ステーションへ搬送するステップと、
前記水スプレー・ノズルからの水により、前記半導体基板から研磨スラリを除去するステップと、
前記空気スプレー・ノズルからの空気により、前記半導体基板を乾燥するステップと、
前記半導体基板を、インライン光学式厚さ測定具まで搬送するステップと、
該光学式厚さ測定具内で前記半導体基板を整列するステップと、
化学/機械的研磨(CMP)の後に、前記金属化パターン上の前記第2の絶縁層の厚さを再度測定するステップと、
化学/機械的研磨(CMP)の後に、前記半導体基板上の前記第2の絶縁層及び前記第1の絶縁層の組み合わせの厚さを再度測定するステップと、
前記金属化パターン上の前記第2の絶縁層の第1の研磨除去速度を算出するステップと、
前記半導体基板上の前記第2の絶縁層の第2の研磨除去速度を算出するステップと、
前記第1の研磨除去速度を前記第2の研磨除去速度で割って、研磨除去速度の比を算出するステップと、
該研磨除去速度の比が0.9〜1.1未満となるまで、化学/機械的研磨(CMP)を更に施すステップと
を備えたことを特徴とする方法。In a method of chemically / mechanically polishing a semiconductor substrate (CMP),
Depositing and molding a first insulating layer on the semiconductor substrate;
Forming a metallization pattern on the first insulating layer;
Attaching and forming a second insulating layer on the first insulating layer and the metallization pattern so as to coincide;
Measuring the thickness of the second insulating layer on the metallization pattern;
Measuring the thickness of the combination of the second insulating layer and the first insulating layer on the semiconductor substrate;
Chemically / mechanically polishing (CMP) the second insulating layer;
Transporting the semiconductor substrate to an in-line cleaning station with a water spray nozzle and an air spray nozzle;
Removing polishing slurry from the semiconductor substrate with water from the water spray nozzle;
Drying the semiconductor substrate with air from the air spray nozzle;
Transporting the semiconductor substrate to an inline optical thickness measuring tool;
Aligning the semiconductor substrate within the optical thickness measurement tool;
After chemical / mechanical polishing (CMP), again measuring the thickness of the second insulating layer on the metallization pattern;
After chemical / mechanical polishing (CMP), measuring again the thickness of the combination of the second insulating layer and the first insulating layer on the semiconductor substrate;
Calculating a first polishing removal rate of the second insulating layer on the metallization pattern;
Calculating a second polishing removal rate of the second insulating layer on the semiconductor substrate;
Dividing the first polishing removal rate by the second polishing removal rate to calculate a polishing removal rate ratio;
Further applying chemical / mechanical polishing (CMP) until the polishing removal rate ratio is less than 0.9-1.1.
00〜8,000オングストロームであることを特徴とする方法。15. The method of claim 14, wherein the metal island has a thickness of 3,0.
A method characterized in that it is from 00 to 8,000 angstroms.
上の前記第2の絶縁層及び前記第1の絶縁層の組み合わせの厚さの再測定が、光学干渉によりなされることを特徴とする方法。12. The method according to claim 11, wherein the re-measurement of the thickness of the combination of the second insulating layer and the first insulating layer on the semiconductor substrate after chemical / mechanical polishing is performed by optical interference. Feature method.
前記半導体基板上に第1の絶縁層を付着成形するステップと、
該第1の絶縁層上に金属化パターンを形成するステップと、
前記第1の絶縁層及び前記金属化パターン上に第2の絶縁層を一致するようにに付着成形するステップと、
前記金属化パターン上の前記第2の絶縁層の厚さを測定するステップと、
前記半導体基板上の前記第2の絶縁層及び前記第1の絶縁層の組み合わせの厚さを測定するステップと、
前記第2の絶縁層に化学/機械的研磨(CMP)を施すステップと、
前記半導体基板を、水スプレー・ノズル及び空気スプレー・ノズルを備えたインライン洗浄ステーションへ搬送するステップと、
前記水スプレー・ノズルからの水で、前記半導体基板から研磨スラリを除去するステップと、
前記空気スプレー・ノズルからの空気により、前記半導体基板を乾燥するステップと、
前記半導体基板をインライン光学式厚さ測定具まで搬送するステップと、前記光学式厚さ測定具内で前記半導体基板を整合させるステップと、
化学/機械的研磨(CMP)後に、前記金属化パターン上の前記第2の絶縁層の厚さを再度測定するステップと、
化学/機械的研磨(CMP)後に、前記半導体基板上の前記第2の絶縁層及び前記第1の絶縁層の組み合わせの厚さを再度測定するステップと、
前記金属化パターン上の前記第2の絶縁層の第1の研磨除去速度を算出するステップと、
前記半導体基板上の前記第2の絶縁層の第2の研磨除去速度を算出するステップと、
前記第2の研磨除去速度を前記第1の研磨除去速度で割って、研磨除去速度の比を算出するステップと、
該研磨除去速度の比が0.9〜1.1を超えるまで、化学/機械的研磨(CMP)を更
に施すステップと
を備えたことを特徴とする方法。In a method of chemically / mechanically polishing a semiconductor substrate (CMP),
Depositing and molding a first insulating layer on the semiconductor substrate;
Forming a metallization pattern on the first insulating layer;
Attaching and forming a second insulating layer on the first insulating layer and the metallization pattern so as to coincide;
Measuring the thickness of the second insulating layer on the metallization pattern;
Measuring a thickness of the combination of the second insulating layer and the first insulating layer on the semiconductor substrate;
Applying chemical / mechanical polishing (CMP) to the second insulating layer;
Transporting the semiconductor substrate to an in-line cleaning station with a water spray nozzle and an air spray nozzle;
Removing polishing slurry from the semiconductor substrate with water from the water spray nozzle;
Drying the semiconductor substrate with air from the air spray nozzle;
Transporting the semiconductor substrate to an inline optical thickness measuring tool, aligning the semiconductor substrate within the optical thickness measuring tool,
After chemical / mechanical polishing (CMP), again measuring the thickness of the second insulating layer on the metallization pattern;
Measuring again the thickness of the combination of the second insulating layer and the first insulating layer on the semiconductor substrate after chemical / mechanical polishing (CMP);
Calculating a first polishing removal rate of the second insulating layer on the metallization pattern;
Calculating a second polishing removal rate of the second insulating layer on the semiconductor substrate;
Dividing the second polishing removal rate by the first polishing removal rate to calculate a ratio of the polishing removal rate;
Further applying chemical / mechanical polishing (CMP) until the polishing removal rate ratio exceeds 0.9 to 1.1.
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