TW201403699A - 改善化學機械硏磨製程中晶圓內均勻度的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係揭露一種使用封閉迴路控制以改善晶圓內均勻性的化學機械平坦化製程。舉例而言，可以使用封閉迴路控制以決定此化學機械平坦化製程的控制模式而在半導體晶圓內獲得較均勻地及一致地理想變動程度。

Description

改善化學機械研磨製程中晶圓內均勻度的方法
本發明之實施例係一般而言係關於化學機械研磨(CMP)製程，更具體的是使用量測技術及封閉迴路控制(CLC)以改善晶圓內的金屬薄膜厚度均勻性。
因為電腦技術持續地演進，因此需要朝向產生更小且更先進的電子裝置，例如是電腦裝置、通訊裝置或是記憶裝置等。為了減少這些裝置的尺寸而同時又能夠維持或改善其各自的表現，於這些裝置內的元件尺寸也必須隨著縮小。這些電子裝置內的許多元件是由半導體材料構成，其在某些情況下是經由稱為半導體晶圓的結構所提供。
在最近幾年，有著許多與改善半導體裝置製程能力的演進開發出來以使得這些半導體裝置具有更小的尺寸。半導體裝置尺寸的縮減可以提供更高的密度及改善其積體電路的表現。在許多使用積體電路的電子裝置中，積體電路中可以包括成千上萬個例如是電晶體、電阻或電容器的離散元件，其在單一晶圓內非常緊密地製造在一起。在某些情況下，這些非常接近的元件會產生一些不欲見的效應，例如寄生電容或是其他會導致效能降低的情況。因此，在一半導體裝置之一共同基板內元件間的電性隔離就變成製程中一個十分重要的考量。
此外，裝置的表現也會因為此裝置邊緣與中央處之間的變動程度而受到影響。晶圓內的均勻性是一個用來辨別晶圓變動程度的參數。晶圓內均勻性的較大變動程度是由製程中的任何變動所導致。舉例而言，不平坦表面的形成可以由沈積或是其 他製程技術的參數造成的層次厚度不一致、通道的過度填充和表面空洞距離等等因素所造成。
化學機械平坦化是結合化學反應與機械力以除去多餘的金屬或是介電層，舉例而言，除去淺溝渠隔離步驟中的多餘氧化物且減少在一介電區域的地形起伏。化學機械平坦化所需的裝置通常包括一研磨液形式存在的化學反應液體媒介及一研磨表面以提供達成平坦化所需的機械控制。研磨液中包含粗糙的無機顆粒以增加此製程的反應性和機械性。通常而言，對於介電研磨，其表面可以由研磨液的化學反應加以軟化，且之後由顆粒的作用加以移除。
在化學機械平坦化製程中，晶圓是使用背面固定於一晶圓載具上。晶圓藉由與一旋轉之研磨墊接觸而進行研磨，而研磨液是在平台旋轉時施加。根據平台的設計可以有許多晶圓同時進行研磨。
在化學機械平坦化製程中，多餘的材料自一介電層中移除以達成所需的臨界尺寸，舉例而言，每一層的接觸窗或介層孔或是除去溝渠中的多餘材料。一積體電路通常具有多重介電層其中化學機械研磨或是平坦化製程必須在每一層的金屬化製程後進行。然而，因為現存技術的變動，使用傳統的製程技術或許很難達成晶圓內均勻性的精確控制。
舉例而言，因為化學機械平坦化製程的機械本質所造成的變動，很難達成晶圓內的均勻性。舉例而言，在晶圓中央處的研磨速率會與晶圓邊緣處的研磨速率不同。因此需要提供能改善晶圓內均勻性的系統、製程或方法以達成改善晶圓內的均勻性及臨界尺寸的一致性而同時又能維持或甚至增加製程的產出。
因為這些晶圓內均勻性的不一致或許是由大量晶圓在製程完成後所產生，其通常是對晶圓預先處理且會調整製程參數以達成所需的目標值。然而，如此方式是不精確、耗時且會導致生產的損失。此外，當先前大量製造的晶圓或許可以達成所需 的晶圓內均勻性，但是其後的製程變動或是無法考量到此批晶圓的狀況而需要進行規格外的製程。因此業界需要一種更精確的控制化學機械平坦化製程中的研磨程度且改善所處理的不同批次之晶圓間的均勻性。
當後製程變得越來越普遍時，特別是積體電路持續地縮減尺寸情況下，一致地維持晶圓內的均勻性就變得更重要。因此，需要提供一種能改善晶圓內均勻性的系統、製程或方法以達成改善晶圓內的均勻性，更特定的是，能在製程中即時控制晶圓內的均勻性。
本發明的實施例提供改善化學機械研磨機台控制能力的方式，使其能達成較佳的金屬薄膜厚度均勻性。
本發明之一目的為提供一種控制一晶圓之金屬厚度輪廓的系統。其包含一控制模組；一化學機械平坦化機台；至少一厚度偵測器。其中該控制模組接收由該至少一厚度偵測器所量測的該晶圓的該金屬厚度輪廓且決定該化學機械平坦化機台的一控制模式。
在本發明的一實施例中，該控制模式包含該化學機械平坦化機台的一研磨頭之複數個控制變數。根據此實施例，複數個控制變數包括舉例而言，施加至該研磨頭中一系列點上的複數壓力，複數個加熱器及/或複數個溫控裝置。
根據本發明的某些實施例，該化學機械平坦化機台是金屬化學機械平坦化機台且該厚度輪廓是一金屬厚度輪廓。該金屬化學機械平坦化機台可以是但是不侷限於銅或鎢化學機械平坦化機台，且該金屬厚度輪廓是一銅或鎢厚度輪廓。
本發明之另一目的為提供一種化學機械平坦化機台，包含一研磨頭具有施加至該研磨頭中一系列點上的複數加熱器或溫控裝置。在本發明的一實施例中，該施加至該研磨頭中一系列點上的複數加熱器或溫控裝置是可被控制的，用以達成藉由 使用該化學機械平坦化機台進行研磨的一晶圓的理想厚度輪廓。
在本發明的一實施例中，該研磨頭更包含施加至該研磨頭中一系列點上的複數個壓力，其中該施加至該研磨頭中一系列點上的該複數個加熱器或溫控裝置及該複數個壓力決定該理想厚度輪廓。
在本發明的一實施例中，該研磨頭更包含施加至該研磨頭中一系列點上的複數個加熱器或溫控裝置，其中該施加至該研磨頭中一系列點上的複數個加熱器或溫控裝置調整以達成一理想溫度輪廓。
本發明之再一目的為提供一種控制一晶圓之一厚度輪廓的方法。其包含特定該厚度輪廓的一目標值；量測該晶圓的該厚度輪廓；使用該量測的該厚度輪廓、該目標值及一控制模組決定一化學機械平坦化製程的一控制模式；施加該控制模式至該化學機械平坦化製程中；以及使用該化學機械平坦化製程及施加該控制模式對該晶圓進行研磨。
在本發明的一實施例中，該方法更包含周期的重複該量測、該決定及該施加步驟而持續地施加該控制模式至該化學機械平坦化製程中。
在本發明的一實施例中，該控制模式包含施加至該化學機械平坦化製程的一研磨頭中一系列點上的複數溫控裝置或是複數個壓力。
在本發明的某些實施例中，控制此晶圓厚度輪廓的方法也包括量測該晶圓的一起始厚度；以及使用該量測起始厚度及該控制模型調整至少一個控制變數等步驟。
本發明之又一目的為提供一種由包含以下製程步驟所製造的半導體晶圓。特定一厚度輪廓的一目標值；量測該晶圓的該厚度輪廓；使用該量測的該厚度輪廓、該目標值及一控制模組決定一化學機械平坦化製程的一控制模式；施加該控制模式至該化學機械平坦化製程中；以及使用該化學機械平坦化製程及施 加該控制模式對該晶圓進行研磨。
本發明係由申請專利範圍所界定。這些和其它優點，目的，和實施例，會在下列實施方式的章節中搭配圖式、詳細說明及實施例被描述。
10‧‧‧晶圓
20‧‧‧化學機械研磨平台
30‧‧‧金屬厚度量測器
40、100‧‧‧化學機械研磨頭
50‧‧‧保持環
60‧‧‧壓力
70‧‧‧第一同心區壓力
80‧‧‧第二同心區壓力
90‧‧‧第三同心區壓力
110‧‧‧加熱元件
120、130、140、150、160、170‧‧‧溫控裝置
210‧‧‧開始
230‧‧‧化學機械研磨(CMP)
240‧‧‧同步晶圓厚度輪廓
250‧‧‧控制模組
260‧‧‧目標金屬厚度輪廓
290‧‧‧結束
第1圖顯示習知的晶圓進行鎢化學機械研磨製程技術之後的晶圓均勻程度的圖式。
第2圖顯示根據本發明一實施例之一個用來同步量測一晶圓表面厚度分佈的偵測器裝置。
第3圖顯示具有可調控壓力施加於研磨頭之化學機械研磨頭的剖面示意圖。
第4A圖顯示根據本發明一範例實施例之具有局部溫度控制之化學機械研磨頭的示意圖。
第4B圖顯示沿著第4A圖中BB'剖面線上的化學機械研磨頭的剖面示意圖。
第4C圖是根據本發明一範例實施例之一具有N個溫控裝置之化學機械研磨頭的實施例之代表圖示。
第4D圖顯示根據本發明一範例實施例之在邊緣具有較高溫控裝置密度之化學機械研磨頭的實施例之代表圖示。
第4E圖顯示根據本發明一範例實施例之在中央處具有較高溫控裝置密度之化學機械研磨頭的實施例之代表圖示。
第4F圖顯示根據本發明一範例實施例之具有溫控裝置之化學機械研磨頭的實施例之代表圖示，其中每一個溫控裝置係分散遍佈於化學機械研磨頭中。
第4G圖顯示根據本發明一範例實施例之具有隨機地分佈溫控裝置之化學機械研磨頭的實施例之代表圖示。
第4H圖顯示根據本發明一範例實施例之具有較厚溫控裝置元件之化學機械研磨頭的實施例之代表圖示。
第5A圖提供一個範例實施例顯示使用本發明具有回饋控制 能力的控制模組來改善晶圓厚度控制能力的封閉迴路控制示意圖。
第5B圖提供另一個範例實施例顯示使具有起始金屬厚度量測及回饋控制能力的封閉迴路控制示意圖。
第6圖顯示根據本發明一範例實施例之改善晶圓均勻性的製程步驟的流程圖。
本發明的某些實施例會搭配圖式在此描述其細節，其中顯示某些但並非全部的實施例。然而，本發明的不同實施例可以利用不同的方式實施且不應該侷限本發明之精神於所描述的實施例內，這些實施例的提供是使得本說明書滿足法律上的要求。
在說明書及申請專利範圍中所使用的"一"或"此"等單數用語除非明確地加以排除否則實際上也包含複數的態樣。舉例而言，一晶圓實際上包含如此的多個晶圓。
雖然此處使用某些特定名詞，他們代表其一般意義並不是用來限制本發明。此處所使用的包括技術及一般用語的所有名詞，是與熟習本發明技術領域人士所理解的相同除非是此名詞另外有所定義。必須更進一步了解這些名詞在字典中的定義亦必須符合與熟習本發明技術領域人士所理解的相同。除非在說明書中明確地加以定義，如此共通使用的名詞並不需要解釋為理想或是過度文義的方式。
此處所使用的"化學機械平坦化(CMP)"代表一種結合化學反應與機械力的平坦表面的製程。化學機械平坦化也是一種習知的研磨製程，可以用來進一步定義一積體電路的完成結構特徵。化學機械平坦化或研磨可以是一混合製程其包括化學蝕刻及某種形式的研磨。化學機械平坦化或研磨也可以是一混合製程其包括其他的化學反應，例如水解或氧化，以及某種形式的研磨。
化學機械平坦化包含使用研磨料及/或例如膠狀的懸浮物之腐蝕性化學研磨液與研磨墊搭配的製程。更特定的是，例如是但不侷限於鎢的一金屬化學機械平坦化機台被直接用於積體電路的後製程處理中，此積體電路係使用例如是鎢的金屬作為接觸窗或是介層孔之用以連接電晶體及內連線的層次。
此處所使用的名詞"完成"表示於一晶圓執行一後製程操作。一個完成的晶圓代表一個將要進行後製程操作的晶圓且並不代表此晶圓已經完成所有的製程步驟。例如是但不侷限於其中的範例，完成表示晶圓的研磨已經達到預期的晶圓內均勻性。於完成此晶圓的完成步驟之後此晶圓仍可以繼續後續額外的金屬化和研磨操作。
發明人進行研究且開發出於透過封閉迴路控制，來改善積體電路中晶圓內金屬厚度均勻性的系統及方法。特別是，發明人進行研究且開發出於控制化學機械平坦化機台操作之參數的系統及方法，以達成積體電路中晶圓內金屬厚度均勻性之較佳一致性及較少的變動。
發明人發現可以對完成積體電路藉由將即時封閉迴路控制技術與化學機械平坦化製程整合可以減少晶圓內金屬厚度均勻性之變動。由發明人完成的系統與方法包括一封閉迴路控制系統與使用化學機械平坦化製程時達成更佳的晶圓內均勻性之方法整合。本發明的實施例可以藉由例如調整化學機械平坦化製程中的控制模式而致能晶圓內金屬厚度均勻性之即時控制，以達成更符合期望、準確及均勻的晶圓厚度輪廓。在本發明的某些實施例中，該化學機械平坦化製程是金屬化學機械平坦化製程且該厚度輪廓是一金屬厚度輪廓。在本發明的某些更具體的實施例中，該金屬化學機械平坦化製程是鎢化學機械平坦化製程且該金屬厚度輪廓是一鎢厚度輪廓。
當積體電路變得更小時，本發明實施例的系統與方法致能晶圓內均勻性的期望值更一致且不會影響晶圓的產出。確 實，根據本發明的實施例的系統與方法晶圓內均勻性可以更一致且同時能增加晶圓的產出。根據本發明實施例的系統與方法相較於習知的系統與方法，可以進一步降低晶圓內均勻性的變動。
一晶圓研磨製程包括舉例而言，一具有研磨料附著或固定於其中的研磨墊可以使用本發明的技術來提供改善的晶圓內均勻性。控制一半導體晶圓研磨的方法包括在研磨初期階段使用地形選擇性的研磨液及/或具有研磨料附著或固定於其中的研磨墊，且控制舉例而言化學機械平坦化製程的過度研磨以響應此研磨晶圓之臨界尺寸量測的回授。
第1圖顯示習知的晶圓進行鎢化學機械研磨製程技術之後的晶圓均勻程度的圖式。如第1圖中所示，當使用一範例習知研磨技術時，晶圓研磨速率可以有高達600埃或是50%的變動。
在此發明的某些實施例中，晶圓的均勻性藉由提供厚度偵測器而改善，特別是一金屬厚度偵測器，且更特定的是一個鎢厚度偵測器，以量測進行化學機械研磨製程，金屬化學機械研磨製程，且更特定的是鎢化學機械研磨製程的晶圓表面的厚度分佈。在此發明的某些實施例中，此厚度偵測器是同步的量測裝置。第2圖顯示根據本發明一實施例之一個用來同步量測一晶圓表面厚度分佈的偵測器裝置。一晶圓10可以使用一化學機械研磨平台20進行研磨。根據此範例實施例，此化學機械研磨平台20組態為具有金屬厚度偵測器30。在此發明的某些實施例中，此化學機械研磨製程是金屬化學機械研磨，而化學機械研磨平台20組態為具有厚度偵測器30其監測此晶圓10表面的金屬厚度分佈。在本發明的某些實施例中，此化學機械研磨製程是鎢屬化學機械研磨，而此厚度偵測器30監測此晶圓10表面的鎢厚度分佈。
在某些其他的實施例中，此晶圓表面的厚度分佈可以使用一預測模型來決定。在某些其他的實施例中，此晶圓表面的厚度分佈可以使用一預測模型及使用與第2圖所示類似或相同 之同步厚度偵測器30來決定。在本發明其他的實施例中，此晶圓表面的厚度分佈可以使用一預測模型及使用起始厚度量測來決定。
在本發明的某些其他的實施例中，此晶圓表面的厚度分佈可以使用一預測模型及使用由同步厚度偵測器提供的定期量測結果來更新此預測模型。在某些實施例中，起始厚度偵測器可以於研磨前提供量測結果，得到初步的預測模型，再藉由同步厚度偵測器所提供的量測結果來更新並調整此預測模型。由厚度偵測器所提供的量測結果可以使用預測-更正程序及/或演算法而更新此預測模型的參數，其最終目的可藉由同步厚度偵測器之量測結果，調整研磨頭內的溫度控制，改變相對應位置的金屬研磨速率，進而使金屬厚度輪廓接近目標值。
用來決定此晶圓表面的厚度分佈之一厚度偵測器及/或預測模型可以由控制器或控制策略使用以建立研磨此晶圓的化學機械研磨製程的操作參數。為了使用厚度偵測器及/或預測模型而控制晶圓表面的厚度分佈來達成改善晶圓的均勻性，此化學機械研磨製程的操作參數必須能夠調整使得一控制器可以響應在此晶圓表面變動區域中的特定變動。
舉例而言，晶圓表面可以定義出例如第1圖所示的放射狀厚度的變動。此外，晶圓表面也可以定義出例如角向厚度輪廓的變動。一化學機械研磨製程必須能控制平台的運作使得晶圓的放射狀和角向厚度能被控制。
傳統上，研磨速率係藉由改變平台的旋轉速度、施加至平台上的壓力、研漿流率、研漿本身的特性及平台的溫度來控制。一般而言對於金屬之化學機械研磨製程而言較高的溫度具有較高的研磨速率。然而，為了改善晶圓的均勻性，需要使用具有其他控制參數的化學機械研磨製程來進一步調整在此晶圓表面變動區域中的研磨效果。
第3圖顯示具有可調控壓力施加於研磨頭之化學機 械研磨頭的剖面示意圖。用於調整由厚度偵測器及/或預測模型所量測的晶圓表面厚度分佈的控制器或控制策略可以調整具有第3圖所示的區域壓力控制之化學機械研磨頭的操作參數。在第3圖所示的具有區域壓力控制之範例化學機械研磨頭由化學機械研磨頭40和保持環50所定義。可以調整化學機械研磨頭40上的壓力以達成所預期的晶圓表面厚度分佈輪廓。舉例而言，結合調整保持環的壓力60與平台的旋轉速度以及其他的化學機械研磨參數不僅具有影響晶圓中表面均勻性的能力同時也具有影響不同晶圓間的均勻性的能力。
此外，特定區域的研磨速率控制可以藉由調整沿著化學機械研磨頭40上的額外壓力來影響。在第3圖所示的範例實施例中，可以調整第一同心區壓力70以控制施加至晶圓的邊緣壓力，可以調整第二同心區壓力80以控制施加至晶圓的中間帶壓力，可以調整第三同心區壓力90以控制施加至晶圓的中心壓力。於調整由厚度偵測器及/或預測模型所量測的晶圓表面厚度分佈的控制器可以調整保持環壓力60、第一同心區壓力70、第二同心區壓力80及第三同心區壓力90和其他傳統上控制之化學機械研磨頭的操作參數，以達成改善的晶圓表面均勻性。在本發明的某些實施例中，將會於以下進一步討論調整施加於化學機械研磨頭特定區域上的壓力與施加於任何特定區域上的溫度搭配以達成所預期的最終晶圓輪廓。
第4A和4B圖是本發明包括一具有變動溫度控制化學機械研磨頭之一範例實施例的代表性示意圖。在本發明的某些實施例中，此化學機械研磨頭可以同時具有變動壓力控制及變動溫度控制。
在本發明的另一實施例中，控制機制係使用本發明的一裝置。如此裝置的一範例表示顯示於第4A圖中。第4A圖顯示具有局部溫度控制之化學機械研磨頭的示意圖。具有局部溫度控制之化學機械研磨頭係由一化學機械研磨頭100其可以組態為 在晶圓10研磨時提供溫度控制於化學機械研磨頭上。第4B圖顯示沿著第4A圖中BB'剖面線上的化學機械研磨頭的剖面示意圖。第4B圖顯示化學機械研磨頭100具有溫控裝置110以用來提供局部溫度控制的功能。溫控裝置110可以被獨立控制，以局部調整晶圓的溫度，改變局部金屬研磨速率，以達成較佳的金屬厚度均勻性。
在本發明的一實施例中，在化學機械研磨頭100中提供溫度偵測器(圖中未顯示)以量測正在處理中的晶圓某些區域的溫度。在某些實施例中，這些溫度量測可以用來建立應該如何控制化學機械研磨以減少晶圓表面厚度輪廓變動的程度。
第4C圖是一具有N個溫控裝置120之化學機械研磨頭100的實施例之代表圖示，其中N是大於等於1的整數。第4D圖顯示一在邊緣具有較高溫控裝置130密度之化學機械研磨頭100的實施例之代表圖示。第4E圖顯示一在中央處具有較高溫控裝置140密度之化學機械研磨頭100的實施例之代表圖示。第4F圖顯示具有溫控裝置150之化學機械研磨頭100的實施例之代表圖示，其中每一個溫控裝置係分散遍佈於化學機械研磨頭100中。第4F圖的範例中雖然是顯示溫控裝置係對稱地分佈，但是其他的實施例中也可以是不對稱地分佈或是如第4G圖一般溫控裝置160係隨機地分佈。第4H圖顯示一具有較厚溫控裝置元件170之化學機械研磨頭100的實施例之代表圖示。
此處所描述之任何控制化學機械研磨平坦化製程的變動均可以稱為"控制變動"。根據本發明說明書必須進一步理解的是，可選取一系列的"控制變動"以達成此晶圓的預期厚度輪廓。更進一步而言，此晶圓的預期厚度輪廓可以藉由將每一個"控制變動"設定一個瞬間目標值而達成。更進一步而言，任何或每一個"控制變動"可以具有不只一個瞬間目標值，但是可以具有一個可隨著時間達成之預期的控制目標以達成所預期的晶圓厚度輪廓。用來控制化學機械研磨製程的變動參數、瞬間目標值及隨 著時間之目標值可以進一步由"控制模式"來表示。
本發明之一目的為提供一種辨識一可達成一晶圓表面預期厚度輪廓的控制條件之系統、製程及方法。此完成晶圓具有較佳的金屬厚度均勻性之特性。一般而言，變動的程度可以藉由表面所量測的最大厚度平均值與此表面所量測的最大厚度平均值除以表面所量測的最小厚度平均值的商數之間的差值決定。此值再乘上100以變成百分比。在某些實施例中，本發明的系統、製程及方法可以導致一晶圓之中的厚度具有不大於約25%的變異、不大於約20%的變異、不大於約15%的變異、不大於約10%的變異、不大於約5%的變異、不大於約3%的變異、不大於約2%的變異、不大於約1%的變異或是不大於約0.5%的變異。
許多變因會影響晶圓上厚度的變動，包括但是不侷限於，未完成晶圓的製程變動(例如光罩錯誤、霧化效應等)，使用於沈積製程中的材料變動，佈局和地形間高低落差與表面起伏的差異，化學機械研磨墊的損耗，所使用化學機械研磨液的不一致，金屬化或研磨液材料不一致所導致擴散或傳輸速率的變動以及生產過程中的環境效應等等。
本發明的某些實施例中可以提供對於一完成晶圓中的改善均勻性。就這方面而言，第5A圖提供一個範例實施例顯示使用本發明的控制模型來改善晶圓厚度控制能力的封閉迴路控制示意圖，其可以延伸至控制金屬厚度，更特定的是，根據本發明的某些實施例，控制鎢金屬薄膜的厚度。
未完成的晶圓在此封閉迴路控制200的開始步驟210進入此製程。此晶圓然後進入步驟220，其包括一化學機械研磨(CMP)製程230及大致即時的同步晶圓厚度輪廓量測240。
被處理中的晶圓厚度輪廓可以藉由一個具有同步晶圓厚度輪廓量測能力的偵測器以如同此處所描述的方式進行量測，且所需的研磨速率可以對被處理晶圓的各個研磨頭進行計算。所預計的研磨時間可以根據舉例而言最近一次的研磨速率、 要被處理的晶圓厚度輪廓以及將被研磨或是已完成晶圓的厚度變動程度獲得。在本發明的某些實施例中，所預計的研磨時間也可以考慮施加在研磨頭上一系列點上的溫度變動來決定。此控制器也可以包括將晶圓進行研磨處理時的反饋資料。此控制器組態為控制一個或多個的製程變因以達成所預期的厚度輪廓。舉例而言，控制器也可以控制施加在研磨頭上一系列點上的溫控裝置來達成使用此化學機械研磨裝置在研磨晶圓時所預計的厚度輪廓。
此製程控制系統在獲得所預期的厚度輪廓之同時也得到改善的金屬厚度均勻性的結果。舉例而言，此控制器可以組態為達成所預期的平坦晶圓輪廓，而此預期的晶圓輪廓具有一較薄的邊緣或者甚至是此預期的晶圓輪廓具有一較厚的邊緣。
目標金屬厚度輪廓260係根據此晶圓所需的規格而提供。一控制模型/控制器250接收目標金屬厚度輪廓260及此同步晶圓厚度輪廓量測270以決定應用於此化學機械研磨製程230中所需的溫度分布280。完成的晶圓會在完成步驟290後離開此製程，其具有減少晶圓上厚度差異之特性，且提供此晶圓具有改善的金屬厚度均勻性。
雖然以模型為基礎的控制方式已經使用於其他的產業中，但是積體電路製程的技術中並未廣泛使用。舉例而言，使用線性及/或非線性控制方法的以模型為基礎的控制方式已經常見用於連續製程的產業中，但是仍未能被接收用於分離製程的產業中。本發明的實施例中使用線性及/或非線性模型為基礎的控制方法。
一種控制模型使用控制結構及控制參數以決定對於製程中至少一控制變數所需的調整以更正一變數的量測值與此變數期望目標值之間的差異。這些模型可以包括但是不侷限於線性及/或非線性動態模型。這些模型可以是舉例而言單一或多重變數模型。此控制模型可以對任何數目的變因改變進行調整，例如，此模型中的非線性、模型錯誤、量測錯誤等等。模型調整也 可以對舉例而言產出率或是目標值的改變作出反應，或是可以根據許多不同種類生產機器的反應時間而變動。
此模型的輸入變數可以是量測或是推斷的，且可以是即時或是間斷地輸入，資料是存放在資料庫或是手動地輸入。特別是動態模型是十分適合因為例如產出率或是氧化物研磨速率的改變等因素造成之具有時間延遲或是變動反應時間的製程機台及/或量測機台。
此化學研磨平坦化控制模型250可以決定所提供的研磨參數/條件280(在一實施例中可為研磨頭的溫度分布)，將運用於此化學機械研磨製程230中。在本發明的一實施例中，提供給化學機械研磨製程230中的溫度分布280允許化學機械研磨頭上特定區域的溫控裝置可以被調整以合適的金屬研磨速率，以在晶圓的特定區域提供更好的金屬厚度控制，進而使晶圓整體的金屬厚度分布更佳均勻，其會於以下進一步描述。
此同步晶圓厚度輪廓240可以在化學機械研磨製程230操作中使用舉例而言第2圖中的研磨頭組態不斷地量測，此處將會近一步描述。這些接近於即時量測的輪廓結果回饋到控制模型/控制器250而進行必要的調整，大致以即時的方式由控制模組250決定研磨頭的溫度分布280，提供至此化學機械研磨製程230。
本發明的某些實施例中，此化學機械研磨製程會包括一個與第4A和第4B圖中所描述的化學機械研磨頭，其會於以下進一步描述，以使用局部溫度控制而達成一目標金屬厚度輪廓260。
根據本發明第5B圖所顯示的另一個實施例，提供一個封閉迴路控制程序300，其大致與第5A圖的封閉迴路控制程序200中所使用的元件相同除了在封閉迴路控制程序300中進一步包括回饋補償。第5B圖中的封閉迴路控制程序300額外的包含同步(同步or即時)與起始金屬厚度量測用的感應器，起始晶圓 厚度輪廓310。此開始晶圓厚度輪廓量測320被送至控制模型/控制器250，此回饋控制資訊允許控制模型/控制器250於晶圓未進行研磨之前作出反應，以由控制模組250決定初步的研磨頭溫度分布280，並提供給化學機械研磨製程230。
除與使用與未完成晶圓厚度輪廓有關的資訊外，控制模型/控制器250也可以使用製程歷史資料來決定最適合的模型資料以用來建立由控制模組250提供研磨頭的溫度分布280給化學機械研磨製程230而達成完成晶圓290的目標金屬厚度輪廓260。
此外，控制模組/控制器250也可以用來接收其他辨識資訊例如批次識別或是產品識別資訊等參數設定歷史紀錄以建立所需的模型及/或模型參數以建立將應用在化學機械研磨製程230中的研磨頭溫度分布280。控制模組/控制器250也可以組態為接收研磨機台辨識資訊及根據用於完成晶圓之化學機械研磨製程230的特性來選取合適的控制模組及/或控制模組變因。
本發明之一系統是用來完成或最好是控制一晶圓的厚度輪廓，特別是，一化學機械平坦化控制模組及一控制器。本發明的系統也包含一感應器裝置以量測一晶圓的厚度輪廓。此系統的控制模組也可以進一步組態為此處所描述的方式。
根據本發明的某些實施例，此感應器裝置可以在晶圓被處理時同步或是預先量測其厚度輪廓。此系統可以包含一回饋感應裝置以量測一未完成晶圓的起始厚度輪廓，一即時感應裝置以量測一正在進行處理晶圓的厚度輪廓或是任何組合。即，無論是預先量測，或是研磨過程中的同步量測，都是透過控制器回饋量測值，進行研磨頭的局部溫度調控，達到厚度輪廓目標值。
在其他的實施例中，本發明的系統包括一晶圓的完成機台。舉例而言，在某些較佳實施例中，此晶圓的完成機台是一化學機械平坦化機台。
此控制模組自至少一個感應器裝置接收此晶圓的厚 度輪廓且決定由此化學機械研磨機台所使用的至少一個控制參數，最好是一控制模組。在本發明的某些實施例中，此控制模組及控制器會提供一系列的控制參數，例如是將被使用於此完成機台對晶圓進行處理的控制配方或是控制模組。在本發明的其他實施例中，此控制模組及控制器會接收此晶圓的回饋厚度輪廓而對研磨頭中的溫控裝置，個別進行調整以補償此完成機台對晶圓進行研磨處理時所遇到不預期的厚度輪廓變動。
在本發明的某些實施例中，此控制模組組態於一控制系統及/或製程電腦中，其收集此控制模組使用所需的資料，包括但是不限於，將完成的晶圓的臨界尺寸及/或以完成晶圓的臨界尺寸；晶圓完成機台的製程資料；舉例而言自資料庫中所收集的製程歷史資料；與被處理中晶圓相湍的資料例如批次辨識或是產品辨識資料；及/或此晶圓完成機台的表現資料。
對於熟習此技藝之人士可以理解此說明書所揭露的優點，本發明的系統可以包含其他的附加設備、功能、軟體、韌體等以提供此系統操作所需的功能。
第6圖顯示根據本發明一範例實施例之改善晶圓均勻性的製程步驟的流程圖。本發明如此的範例方法可以改善晶圓均勻性400，未必要如以下的順序，包括特定一晶圓的一晶圓厚度輪廓的目標值410，量測此晶圓的厚度輪廓420，使用所量測的厚度輪廓、目標值和控制模型來決定化學機械研磨參數(研磨頭溫度分布)的一控制模組430，依據溫度分布，各別調整研磨頭中的溫控裝置440，以及使用化學機械研磨製程和所施加的溫度控制來研磨此晶圓450。根據本發明的一實施例，控制模組可以包括複數個施加至此研磨頭上的溫控裝置，以進行局部溫度調控，進而達到厚度輪廓的目標值。
在本發明的某些實施例中，最好是依照此方法的一特定步驟順序執行。舉例而言，通常希望於進行完成步驟之前先提供此晶圓所預期的目標值。更進一步，也希望在開始進行操作 之前決定此完成機台的至少一個操作控制參數，且在開始進行操作之後提供此完成機台的至少一個更新操作控制參數。
在本發明的某些實施例中，使用所量測的厚度輪廓420、目標和控制模組430來決定一化學機械研磨(CMP)製程中所使用的溫度分布，且施加此溫度分布至此化學機械研磨(CMP)製程中440，且周期性地繼續使用化學機械平坦化製程執行晶圓研磨步驟450。不希望被說明書中的描述所限制，如此的重複步驟可以用一回饋控制機制來代表。
在本發明的某些實施例中，使用化學機械研磨(CMP)機台來研磨晶圓的步驟包括調整施加許多不同的壓力於研磨頭上的一系列點之上，例如調整施加於類似於第3圖中的研磨頭上的壓力輪廓，會於以下進一步描述。
在本發明的某些實施例中，使用化學機械研磨(CMP)機台來研磨晶圓的步驟包括調整施加許多不同的溫控裝置(可以升溫或是降溫)於研磨頭上的一系列點之上。舉例而言，透過類似於第4A和4B圖中的控制模式，改變研磨頭的局部溫度，調整相對應位置的金屬研磨速率，進而得到厚度輪廓的目標值。
在本發明的某些實施例中，使用化學機械研磨(CMP)機台來研磨晶圓的步驟包括調整施加許多不同的溫控裝置於研磨頭上的一系列點之上且調整施加許多不同的壓力於研磨頭上的另一系列點之上，其中施加許多不同的溫控裝置於研磨頭上的一系列點之上且施加許多不同的壓力於研磨頭上的另一系列點之上決定一預期的厚度輪廓。
在本發明的某些實施例中，藉由控制模式調整研磨頭的溫度分布狀況，可以達到改善厚度輪廓差異的效果。
在本發明的某些實施例中，化學機械平坦化製程或是機台是一個金屬化學機械平坦化製程或是機台且其厚度輪廓是金屬厚度輪廓。在本發明的某些實施例中，金屬化學機械平坦化製程或是機台是一個鎢金屬化學機械平坦化製程或是機台，且 金屬厚度輪廓是鎢金屬厚度輪廓。
本發明改善晶圓均勻性400的方法可以包含起始的金屬厚度量測，於此晶圓尚未研磨前使用該控制模組決定至少一控制變數(研磨頭的溫度分布)。不希望被說明書中的描述所限制，如此的演算法以用一回饋控制機制來代表。
本發明的另一個目的係提供根據本發明所揭露的任何方法所製造的晶圓。
雖然本發明係已參照實施例來加以描述，然本發明創作並未受限於其詳細描述內容。替換方式及修改樣式係已於先前描述中所建議，且其他替換方式及修改樣式將為熟習此項技藝之人士所思及。特別是，所有具有實質上相同於本發明之構件結合而達成與本發明實質上相同結果者，皆不脫離本發明之精神範疇。因此，所有此等替換方式及修改樣式係意欲落在本發明於隨附申請專利範圍及其均等物所界定的範疇之中。
210‧‧‧開始
230‧‧‧化學機械研磨(CMP)
240‧‧‧同步晶圓厚度輪廓量測
250‧‧‧控制模組/控制器
260‧‧‧目標金屬厚度輪廓
290‧‧‧結束

Claims (20)

  1. 一種控制一晶圓之一厚度輪廓的系統，包含：一控制模組；一化學機械平坦化機台；至少一厚度量測器；以及其中該控制模組接收由該至少一厚度量測器所量測到的該晶圓的該厚度輪廓而決定該化學機械平坦化機台的一控制模式。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該控制模組包含該化學機械平坦化機台的一研磨頭之複數個控制變數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中該複數個控制變數包含施加至該研磨頭中一系列點上的複數個壓力。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中該複數個控制變數包含施加至該研磨頭中一系列點上的複數個溫控裝置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該化學機械平坦化機台是金屬化學機械平坦化機台且該厚度輪廓是一金屬厚度輪廓。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之系統，其中該金屬化學機械平坦化機台是銅化學機械平坦化機台且該金屬厚度輪廓是一銅厚度輪廓。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之系統，其中該金屬化學機械平坦化機台是鎢化學機械平坦化機台且該金屬厚度輪廓是一鎢厚度輪廓。
  8. 一種化學機械平坦化機台，包含一研磨頭，其具有施加至該研磨頭中一系列點上的許多溫控裝置，其中該施加至該研磨頭中一系列點上的溫控裝置是被控制用以達成在使用該化學機械平坦化機台進行研磨的一晶圓之理想厚度輪廓。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之化學機械平坦化機台，其中該施加至該研磨頭中一系列點上的複數個溫控裝置決定一理想溫度分布，以達到厚度輪廓的目標值。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之化學機械平坦化機台，更 包含施加至該研磨頭中一系列點上的複數個壓力，其中該施加至該研磨頭中一系列點上的該許多溫控裝置及該複數個壓力決定該理想厚度輪廓。
  11. 一種控制一晶圓之一厚度輪廓的方法，包含：特定該厚度輪廓的一目標值；量測該晶圓的該厚度輪廓；使用該量測的該厚度輪廓、該目標值及一控制模組決定一化學機械平坦化製程的一控制模式；施加該控制模式至該化學機械平坦化製程中；以及使用該化學機械平坦化製程及施加該控制模式對該晶圓進行研磨。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含持續性的重複該量測、該決定及該施加步驟而持續地施加該控制模式至該化學機械平坦化製程中。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中該控制模組包含施加至該化學機械平坦化製程的一研磨頭中一系列點上的許多溫控裝置。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該化學機械平坦化製程是金屬化學機械平坦化製程且該厚度輪廓是一金屬厚度輪廓。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該金屬化學機械平坦化製程是鎢化學機械平坦化製程且該金屬厚度輪廓是一鎢厚度輪廓。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含：量測該晶圓的一起始厚度；以及使用該量測起始厚度及該控制模組調整至少一個控制變數。
  17. 一種由包含以下製程步驟所製造的半導體晶圓，包含：特定一厚度輪廓的一目標值；量測該晶圓的該厚度輪廓；使用該量測的該厚度輪廓、該目標值及一控制模型決定一化 學機械平坦化製程的一控制模式；施加該控制模式至該化學機械平坦化製程中；以及使用該化學機械平坦化製程及施加該控制模式對該晶圓進行研磨。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之晶圓，其中該化學機械平坦化製程是金屬化學機械平坦化製程且該厚度輪廓是一金屬厚度輪廓。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之晶圓，其中該金屬化學機械平坦化製程是鎢化學機械平坦化製程且該金屬厚度輪廓是一鎢厚度輪廓。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之晶圓，其中該控制模式包含施加至該化學機械平坦化製程的一研磨頭中一系列點上的複數個溫控裝置。
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