TW200413730A - Method for detecting CMP endpoint in acidic slurries - Google Patents

Description

200413730 玖、發明說明： 【相關申請案】 本專利申請係關於同天共同申請之美國專利申請案第09/ 號標題為「Ammonia Gas Based CMP Endpoint Detection

Apparatus for CMP Systems Using Non-Ammonia Gas Producing Slurries」，並受讓予本專利之受讓人，該案之全 文以引用的方式併入本文。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於化學機械研磨領域，具體而言，本發明係 關於一種用於在使用酸性CMp研磨漿之進行中化學機械研 磨（CMP)循環中之測量氨氣濃度之裝置 【先前技術】 、=等眼屋業廣泛應用於化學機械研磨法（CMp)已長達教 代曰曰片發展世代’以在處理期間確保證平坦之表面。隨著 片與晶片處理愈趨複雜與耗時，已發展出且應用 ί;: 學機械研磨製程。在半導體產品之幾乎每- :二：地使用化學機械研磨製程。整個製程之不同層 興不同步驟所用从n 1 u ^ 斤用材枓不@，導致要求不同。 縮短製造半導體 磨製程中操作步 ^ …係減小化學機械研 程中會—再出現而此等步驟在化學機械研磨製 之專利，，亥等方：夕團體取得了關於化學機械研磨方法 學機械研磨步驟數體晶片製造中不同點上之化 -點係在形成電晶體級時械研磨製程中之 片製造早期階段期間完成。 85803 200413730 當電晶體尺寸縮小並且增加如淺渠溝隔離（STI)等不同組件 時，已經考慮改變化學機械研磨（CMP)製程。傳統本 僉新的化學機械研磨（CMP)方案時，.開發者試圖繼續使用傳 統之CMP研磨漿與端點偵測方法，此因為其可以減小為庐 得可行製程改變而必須改變因素之數量。 又 回產昼成為製程工程師所最關心之因素時，新製程步驟 需要不同之CMP研磨漿材料與/或不同之端點偵測方法。有 幾種新CMP技術已被開發，其需要使用新型CMp研磨漿。有 大量新型不同之研磨漿組合物存在。大多數研磨漿可以依 據化學組合物與各種成分之數量進行分類。每一類研磨漿 具有足夠之物理與化學特性之共同點，而得以開發出共^ 較佳之端點偵測方法。目前，有一類稱之為高粘度研磨漿 (HVS)之研磨漿，其含有銨離子，在製程處理前可偵測該銨 離子數量。從製造立場，當使用HVS時，大多數基於偵測 NH4 + /NH3之已知端點偵測方法並不有利。 另一發展中之研磨漿係不採用銨而具有一略顯酸性之pH 值，因此該CMP製程產物沒有轉換為一化學混合物，其很 容易利用現行的端點偵測方法進行偵測。 也可考慮將一新的端點偵測方法整合於現行之cMp設備 中。CMP設備將成為一半導體製造系統之—整體部分。製 造設備之佈置係由設計決定’如果在一製造環境中非財務 上切實可行’則任何要求額外增加設備之端點偵測方案都 不切實際。增加具有基本底座之裝置在財務上不能實行原 因之-係、，將t需要重新組織大部分製造半導體晶片所需 85803 200413730 心设備。底座係指一裝置所佔用空間，以直線呎為單位。 在現行端點偵測方法技術中，通常會從有效拋光塾區域收 集所要檢測之研磨漿。圖5顯示一現行技術之cmp裝置之實 例。工件100(在本案例中，即半導體晶圓）之底面在拋光墊 上用研磨漿拋光。注意該工件依例被某種載體支撐，為清 晰之故圖中未指7繪出該載體。如圖所示，研磨塾1 〇 2延箭頭 1 0 4方向旋轉。晶圓1 〇 〇也最佳沿箭頭1 6所示之方向旋轉。 研磨漿逆流或從晶圓1 00前方施與到研磨塾i 〇2上，並一般 沿箭頭108所示自或在晶圓100後面順流移動（即順時針方向）_ 研磨漿通常在點11 0直接接觸而且氣體中氨之含量在此點 被取樣。當該研磨漿呈酸性而且用銨代替氨氣時，氨氣不 能直接以氣體形式從點11 0處取樣。 因此，有必要開發一種可以偵測端點化學成分之CMp端 點偵測裝置，該裝置與目前之端點偵測方法不相容。還有 必要開發一 CMP端點偵測裝置，該裝置具有現行CMp氨氣端 點偵測裝置大體相同之底座。 【發明内容】 籲 因此，本發明之目標係提供一種基於氨氣之端點偵測方 法與裝置，其可應甩於不產生氨氣之CMP研磨漿與製程過 程。 本發明另一目標係提供一種傳送研磨漿之方法與裝置， 以使進行拋光處理中晶圓之研磨漿組合物與製程過程不受 影響。 又 本發明再一目標係提供一種裝置，該裝置使用一方法以 ^5803 200413730 識別非氨氣產生之端點狀態並將該端點狀態轉化為氨氣端 點狀態，而得以繼續使用現有端點偵測裝置。 依照以上所列與其他之目標，吾人提出一種用於在使用 酸性CMP研磨漿之進行中化學機械研磨（Cmp)循環中之測 量氨氣濃度之裝置的專利權，該裝置包含： a· —採集酸性CMP研磨漿樣本之傳遞構件； b· —轉換酸性CMP研磨漿為驗性研磨聚之轉換構件； c· 一檢測鹼性研磨漿中是否存在氨氣之檢測構件； d. —在進行中CMP循環之末端時發信號之偵測構件。 【貫施方式】 端點偵測係化學機械研磨（CMP)之一重要方面。如果在必 要時不能停止CMP，則CMP製程會呈現出缺點。有測量化學 性質、溫度、扭矩與其他參數變化之數種方案存在。研磨 漿可以有多種方式包含銨，該等方式包括（但不侷限於）： 1·化學機械研磨（CMP)製程開始時在研磨漿中存在銨， 以及 之化學物質） 有許多不同方法解決該問題。在本發明中，使用了新 法’該方法允許使用現行可用之氨氣分析器、介面料 塊與端點控制演算法。本發明一重要特徵係研磨，在焊 邊、:處採集而非在晶圓上被研磨處採集。依照本發明之 -實施例，採集晶圓被研磨區域上之研磨 在採集過程中，晶圓未停止。事實上，本發明w 85803 200413730 僅係在採集研磨漿過程中研磨過程未停止，而且該端點偵 測製程不能影響進行中之製程。因此，研磨漿化學成分在 端點偵測採集前後應保持大體上不變。採集意味著將待處 理之研磨漿從有效研磨區域傳遞出來。通常，研磨漿被轉 移到研磨墊旁之壓盤邊緣處。 在該第一實施例中，被偵測端點之參數係為氨濃度。一 旦從被研磨之晶圓採集到研磨漿，氨採樣即開始。由於研 磨漿可能包含銨而非氨，因此該氨濃度可能不準確。如果 被採集之研磨漿包含按，就必須發生由铵到氨之轉變。請 注意該轉變不能影響進行中之研磨過程，該研磨過程發生 平行於該端點偵測。在該第一（與所有）實施例中，研磨漿與 一具有充分高pH值之溶液混合，以使大體上所有铵轉化為 氨。轉化後溶液之精確pH值並不重要，重要的係該轉化後 被收集之溶液應該幾乎完全不含銨。通常，這意味著該研 磨漿溶液之pH值至少為7.0，換言之，該溶液至少為中性。 在室溫下，較佳之pH值應為大約11。但是，由於在某一給 定pH值下氨氣含量還與溫度有關，因此pH值不能為在一給 定pH值下影響銨/氨氣濃度之唯一因素。基於揭示本發明之 目的，在該等實施例中，溫度不能太高而影響在給定pH值 下之銨/氨氣濃度。然而，請注意本文所述之方法與裝置應 該可用於溫度充分高之範圍内，在該溫度範圍内給定pH值 下可改變铵/氨氣數量。一旦研磨漿溶液被檢測並且pH值在 一適當範圍内，即可使用現行基於氨氣之端點偵測技術來 進行氨濃度計算。 85803 -10- 200413730 在一第一貫施例中，將一特殊化學組合物KOH溶液（氫氧 化钾），加入到所收集之研磨漿中以增加pH值。該K〇H溶液 應充分地呈驗性以保證所有潛在之按幾乎完全轉化成氨。 該KOH洛液之pH值可以根據被研磨之表面情況與在該製程 過程中產生之副產物情況而不同。請注意，本發明人根據 上述内容可以相對有把握地推斷出pH值，而不必知道所收 集研磨漿之準確之銨濃度。此因為有可能推斷在研磨製程 過私間隙中產生之最大量之銨副產物。然後可計算將該數 £之铵轉化為氣之必要pH值。在一製造環境中，該koh溶 液之pH值應至少足夠使幾乎所有銨瞬間轉化為氨。一旦該 轉化發生，就可應用現行之氨偵測技術。在第一實施例中 所描述之基於氨之端點偵測製程步驟也可以在第二實施例 中應用。 即時地進行^點偵測極為重要。由於CMp會持續到一端 點狀悲’因此如果端點狀態出現後不能及時終止CMP，則 會發出過度研磨。該第二實施例中描述之端點偵測方法需 要大f KOH落液以在製造環境下保證正確操作。本發明優 點之一係其可以適用於現行之端點偵測方法。所需額外之 構件必須容納大量KOH溶液，此使得本方法不易被現行之 CMP裝置所採納。在一本發明之較佳實施例中，一具有足 夠pH值之KOH水落液，其混合量必須足以偵測至少大約一 被研磨晶圓之端點。 一種混合較少量K0H溶液之方法為在一容器中將固態 KOH小球洛於水，以使溶液之pH值等於預定之值。該容器 85803 200413730 應有一液面㈣器，當K0H水溶液液面降低到予員定之高度 以下時，將KOH小球（與水）加人容器中。該容器較佳足夠 以便加入到現行技術之CMP系統中，而無需明顯增加該系 統之底座面積。 種偵測氨氣之方法， 置’而得在使用與氨 以應用現有之測量氨 有必要重申，本方法與裝置並非一 而為一種將銨轉化為氨氣之方法與裝 氣產物不一致之研磨漿情況下仍然可 氣之端點偵測方法。 以下描述貫現該第一實施例方法與該第二實施例方法之 裝置。實現該第一實施例方法與該第二實施例困難之一係 為即時採集待檢測之研磨漿。 從該位置採集研磨漿通常不會對該CMP製程有害，原因 係居研磨桌之p Η值在檢測前沒有變大。因此，端點偵測方 去幾乎不影響該CMP製程。在本發明中，額外之koh滄液 私會影響CMP研磨漿本身之pH值。因此，如果被檢測之研 磨漿在有效CMP區域中被採集與處理，將會影響cmp製程之 操作，可能使之無效。由此，研磨漿之採集至少必須在研 磨墊旁之研磨台邊緣進行。更佳之做法係，研磨漿應在放 置晶圓之台板邊緣處被採集。一旦在該台板邊緣採集到研 磨漿，即可開始處理並且進行氨採樣。但是，由於實際上 並不在台板邊緣發生研磨，所以此處之研磨漿可能或不能 代表實際研磨區域之研磨漿。換言之，該台板邊緣處研磨 漿中之銨濃度不能精確地代表研磨區域之研磨漿濃度。本 發明之一重要方面係所採集之研磨漿能夠準確地反映實際 85803 -12- 200413730 研磨區域之铵含量。 由於在現行之CMP裝置中即時採集並非困難，所以發明 者開發了 一種裝置以使本發明中所描述之新採集方法變得 容易。在本發明中，採用一氣刀裝置來加速研磨中之研磨 漿向台板邊緣轉移之速度，以利於氨之採樣。本發明最佳 4實施例應包含一氣刀。該氣刀作為一研磨漿擦拭器。該 研磨漿應保證在台板邊緣處採集之研磨漿能夠精確地反映 有效研磨區域之銨含量。雖然氣刀5可以採用許多不同形狀 ，但較佳之形狀如圖1所示。 圖1顯7F —較佳實施例之氣刀之剖面圖。該氣刀基本為三 角形，如圖中虛線所示。另外，該氣刀5有臺階3。該臺階 可以進一步加速研磨漿向台板邊緣轉移之速度。臺階較佳 (仁不必眉）具有相同咼度與相同間距。另外，氣刀應用鉸鏈 接合以使之可以移動以利於進行清潔。 如圖2所示，氣刀5被放置在有效研磨區域上部。由於研 磨漿之pH值可以為一影響偵測結果之因素，有效研磨區域 被定義為研磨漿pH值一定不能受到負面影響之研磨墊區域 ’以確保在研磨循環内可靠之研磨結果。如果已脫落之研 磨漿仍，然可以#關聯於被研磨晶圓之研磨$互相作用並改 g其pH值’則台板上脫落研磨漿未接觸晶圓之區域可以仍 然在研磨有效區域内。該有效研磨區域至少包括被研磨之 晶圓1 5與放置晶圓之研磨墊25。晶圓i 5與研磨墊25可以都 具有相互獨立之圓運動。雖然氣刀5可以與研磨塾〜板旋轉 之至少-部分研磨墊接觸，但氣刀較佳不影響到有效研磨 85803 200413730 區域上進行中之製程。該氣刀較 杈佳被疋位以使氣刀之最 —邊（圖44)延著圖2中虛線A_B方向。另夕卜，氣刀之卜— 端（圖W7)應與圖2中八點最近。在—較佳之實施例中，: (圖2中25)應朝氣刀臺階（圖⑴）方向轉自。在—較佳之余' 例中’氣刀應裝備-個機械裝置以增加被檢測之研磨= 有效研磨區域提取之速度。在一 < 更佳又貝施例中，該機械 裝置可以採用壓縮之空氣。 一-旦研磨漿被提取，必須立即用K〇H溶液(作為pH值之調 節）處理。該KOH處理可以在任何非研磨區域進行。較佳地 ，該KOH處理應發生在該CMp裝置之中而在有效研磨區之 外。圖3顯示一 K0H處理裝置35之定位實例，其中該台板^ 被放置在CMP裝置30中。CMP裝置中之非有效區域可以容响 KOH處理元件。該K0H處理元件可以使K〇H溶液與採集到 之研磨漿相互反應。在前面已經描述過適用於所採集研磨 漿之KOH處理製程。再次說明，本發明之一重要基本原則 為，經過pH調整之研磨漿不能與有效區域中之研磨漿相互 作用·。圖3a為一較佳KOH處理元件之最小裝置之示意圖。 一旦處理所採集之研磨漿，就可以用任何已知技術檢測 氨氣丨辰度。$亥氣氣〉辰度檢測不一定在KOH處理元件中進行 ，而可考慮將該已處理之研磨漿傳送到一現有之位置以進 行氨氣偵測。可利用現有之CMP端點偵測製程來偵測被 K〇H落液處理之研磨漿中之氨含量，該方法之一實例如下 所述。 在一示範性氨端點偵測方案中，在研磨表面時所產生之 85803 -14- 200413730 氰巩大體上完全被研磨除去。 菩介雷好t 層表面（通常為如氮化矽 寺兒材枓）與CMP研磨漿相互反 (產生氨氣)。可運用該技術領域内二:已氣濃度 氣濃度。 門仕仃已知万法來偵測該氨 有=裝置可以將所採集之研磨漿轉換4氨氣並與現 ;:二:：裝置相連接。以及涉及内容之-係將本發明 有之端點偵測裝置相連接。較佳情況(而非侷限) :万、發明疋裝置不會實質上增加現有端點偵測裝置 =:、:所以本發明揭示一種提供_調節劑(較佳使用 ΚΟΗ;谷；夜）义裝置。 合ί:Γ:性之ΡΗ值調r❻置中，大量之液態ρΗ調節劑不 在任何：候都為可用。此後，雖然本發明者們並不打算 并ΚΟΗ確疋為唯一之灣調節劑，但是在本發

ΚΟΗ溶液代表一 佶咱〜划 J 表阳值5周即劑。可用溶液準確數量依靠於現 有基以心偵測裝置之大小與形狀。較佳地，該刪溶 履（貯液器應為足夠大以容納至少足夠之液態刪，從而 能夠在―晶圓研磨循環中轉化大體上所有存在之按。 在-較佳實施例中，K〇H自動地傳入該貯液器。在該較 佳貫施例中’貯液器將被“銀養”固態職小球，然後該小球 被溶解到合適之液體(最好為蒸顧水)中。“銀養”意味著該呼 欲器在研磨時間間隔中吸收K〇H小球以使有足夠之職溶 履將大上所有銨轉化為氨氣。在—較佳實施例中（如圖* 所示）’—裝載固態K0H小球之容器1〇5與一傳送工具ιι〇相 連’該工具可以將人貯液器ιΐ5中。在—較佳實 85803 -15 - 200413730 施例中’ KOH小球之(辰度為已知，而且水量必須足以溶解 該KOH小球，以使該溶液之pH值足夠高以保證大體上所有 按可以轉化為氨氣。取佳地’所加之水量應在保證溶解K〇h 小球與獲得最大之pH值的條件下應為最少量。由於辟液哭 之大小在大多數較佳實施例中係應該考慮之問題，所以該 KOH小球應具有最高之pH值，而且所加水量應為最少量並 保證小球溶解。但是請注意，如前所述本發明並不侷限於 特別範圍之KOH溶液。本發明之一基本原則為pH調節劑 (KOH溶液）應具有足夠高pH值以每次將大體上所有銨轉化 為氨氣。較佳方式為（但非必要）監測該傳送工具所傳送之 KOH小球數量。而該貯液器也應具有一？11值監測裝置以監 測貯液器中KOH之pH值。在這種情形下，最終使用者可Z 貯液器中之液體pH值以及液體數量為指導，而非以k〇h小 球數量與貯液器中液體數量作為指導。

在一較佳實施例中，傳送工具可以為螺旋推運器。而且 在—較佳實施例中，在研磨循環開始階段，貯液器中K〇H 數量在理論上應足以每次將大體上所有存在之銨轉化為氨 氣。 雖然已就—些具體實施例而論來說明本發明，但是很明 顯你熟習此項技術者可以根據前述内容很容易識別出替代 k改與變更。因此，本發明應包括在本 範圍精神及範園内之所有此等替代、修改與變更中，專利 【圖式簡單說明】 圖1為本發明之一典型氣刀之一俯視圖。 85803 -16- 200413730 圖2為一研磨浆取樣方案之一俯視圖。 圖3為一研磨漿取樣及ρ Η調節方案之一俯視圖。 圖4為一 pH調節劑裝置之一剖面圖。 圖5為一現行研磨漿取樣裝置圖之一俯視圖。 【圖式代表符號說明】 2 氣刀之最短邊 3 氣刀之臺階 4 氣刀之最長邊 5 氣刀 7 氣刀之最窄端 15 晶圓 25 研磨墊 30 化學機械研磨（CMP)裝置 35 KOH處理裝置 105 裝載KOH小球之容器 110 傳送工具 115, 貯液器 102 研磨墊 104 今 102 旋轉之方向 100 晶圓 106 晶圓旋轉之方向 108 研磨漿移動之方向 110 研磨漿接觸點 85803

Claims (1)

1. wU41373〇 拾、申請專利範圍： 種偵測端點之方法，包括如下步驟： a. 在一 CMP裝置（研磨區域上用一酸性化學機械研 磨（CMP)榮體對半導體晶圓表面進行研磨，該半導 體晶圓有低於該表面之部分； b. 將該CMP漿體與一 pH值調節劑反應以使研磨漿之 pH值至少為中性； e·測量存在氨氣之數量； d · ^步驟c中檢測到之氣氣數量至少達到一預定值 時，停止步驟a之研磨操作。 2如申請專利範圍第1項之方法，其中該反應還包括如下 步驟： a•採集該CMP裝置之非研磨區域之研磨漿，以使該 所採集研磨聚不與該CMP裝置之研磨區域相互作 用。 汝申4專利範圍第2項之方法，其中該採集步驟還包括 如下步騾： a.促進研磨漿從研磨區域向非研磨區域之運動，而 得從CMP裝置研磨區域之多個位置提取所採集之 研磨漿。 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中該酸性CMP研磨漿 與該表面以下部分化學反應以產生銨。 5如申請專利範圍第4項之方法，其中該相互作用將大體 上所有銨轉化為氨氣。 85803 200413730 如申請專利範圍第5,之方法，其中該參與反應之研磨 漿PH值為鹼性。 浚申叫專利範圍第1項之方法，其中該pH值調節劑之pH 值為充分鹼性，以保證大體上所有參與反應之研磨漿至 少為中性。 8. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該？11值調節劑之pH 值為充分鹼性，以保證大體上所有參與反應之研磨漿至 少為中性。 9. 如申請專利範圍第i項之方法，其中該pH值調節劑為 KOH 〇 ^ 10. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該pH值調節劑為 KOH。 户丨 '、、 1 1. 一種偵測端點之方法，包含如下步驟： a. 在一 CMP裝置之研磨區域上用一化學機械研声 (CMP)漿體對一半導體晶圓表面進行研磨，該半= 體晶圓有低於該表面之部分； ’

   b. 該CMP研磨漿與一 pH值調節劑反應，以使該研声 漿之pH值為至少驗性； c. 測量存在氨氣之數量； d.當步驟c中被檢測之氨氣數量至少達到— 一 了員足值 時，停止步騾a中之研磨操作。 1 2 .如申請專利範圍第11項之方法，其中該反應還包括如下 步驟： b.採集咸C Μ P裝置非研磨區域一位置之研磨牌 85803 200413730 使該所採集之研磨漿不會與CMP裝置之研磨部分 相互作用。 13.如申請專利範圍第12項之方法，其中該採集操作還包含 以下步驟： e.促進研磨漿從研磨區域向非研磨區域位置之運動 ，而得從CMP裝置研磨區域之多個位置提取所採 集之研磨漿。 85803