TW202007481A - 化學機械研磨之裝置與方法 - Google Patents

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吳健立
彭禾輝
楊棋銘
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Abstract

本發明實施例係關於化學機械研磨之裝置與方法。一種CMP裝置包括一壓板、在一研磨操作期間保持一半導體晶圓之一晶圓載體、經組態以在該研磨操作期間修復安置於該壓板上之一研磨墊之一修整機，以及經組態以在該研磨操作期間偵測振動之一振動監視系統。該振動監視系統包括經組態以產生複數個第一振動信號之一第一振動感測器。當該複數個振動信號之間的一改變達到某一值時，觸發該研磨之一終點。

Description

化學機械研磨之裝置與方法
本發明實施例係有關化學機械研磨之裝置與方法。
化學機械研磨(CMP)廣泛地用於積體電路之製造。當在半導體晶圓之表面上逐層構建積體電路時，使用CMP使一或多個最頂部層平面化以提供用於後續製造操作之水平面。藉由以下操作來實行CMP：在晶圓載體中置放半導體晶圓，該晶圓載體抵著附接至壓板之研磨墊按壓待研磨之晶圓表面。壓板及晶圓載體反向旋轉，同時將含有研磨顆粒和反應性化學品兩者之研磨漿料施加至研磨墊。漿料經由研磨墊之旋轉而輸送至晶圓表面。與研磨漿料中之反應性化學品結合之研磨墊與晶圓表面之相對移動允許CMP藉助於實體及化學動作兩者使晶圓表面變平。
可在積體電路之製造期間之若干時間點處使用CMP。舉例而言，可使用CMP使分離積體電路中之各個電路層的層間電介質層平面化。CMP亦常常在積體電路中形成互連組件之導電線之過程中使用。藉由以研磨方式研磨半導體晶圓之表面，可移除層中之過多材料及表面粗糙度。
根據本發明之一實施例，一種化學機械研磨CMP裝置，該CMP裝置包含：壓板；晶圓載體，其在研磨操作期間保持半導體晶圓；修整機頭，其在該研磨操作期間保持經組態以修復安置於該壓板上之研磨墊之盤片；以及振動監視系統，其經組態以在該研磨操作期間偵測振動，其中該振動監視系統包含：第一振動感測器，其經組態以產生複數個第一振動信號；以及信號分析儀，其經組態以根據該複數個第一振動信號建構製程模式。
根據本發明之另一實施例，一種CMP方法，該CMP方法包含：提供包含至少壓板、晶圓載體、修整機和振動監視系統之裝置；在該晶圓載體中接收半導體晶圓；研磨該半導體晶圓之表面，且藉由該振動監視系統偵測該壓板、該晶圓載體及該修整機之振動；在該振動監視系統中產生關於該晶圓載體、該修整機及該壓板之該振動之複數個振動信號；以及當該複數個振動信號之間的改變達到某一值時，觸發該研磨之終點。
根據本發明之又一實施例，一種CMP方法，該CMP方法包含：提供包含至少壓板、晶圓載體、修整機及振動監視系統之裝置；在該晶圓載體中接收半導體晶圓；研磨該半導體晶圓之表面，且藉由該振動監視系統偵測該壓板、該晶圓載體及該修整機之振動；產生關於該壓板、該晶圓載體及該修整機之該振動之複數個振動信號；自該振動監視系統中之製程模式資料庫辨識標準製程模式；根據該複數個振動信號建構即時製程模式；以及比較該即時製程模式與該標準製程模式。
以下揭露內容提供用於實施所提供主題之不同特徵之許多不同實施例或實例。下文描述元件以及配置之具體實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且並不希望為限制性的。舉例而言，在以下描述中，第一特徵形成在第二特徵上方或第二特徵上可包括第一特徵與第二特徵直接接觸地形成之實施例，並且亦可包括額外特徵可在第一特徵與第二特徵之間形成使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可以在各個實例中重複參考標號及/或字母。此重複是出於簡單和清晰之目的，且本身並不規定所論述之各種實施例及/或組態之間的關係。
此外，諸如「下面」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」、「上」之空間相對術語可在本文為易於描述而使用，以描述如圖式中所示出之一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵之關係。除圖中所描繪之定向之外，空間相對術語亦意圖涵蓋在使用或操作中之器件之不同定向。裝置可以其他方式定向(旋轉100度或處於其他定向)，且本文中所使用之空間相對描述詞同樣可相應地進行解釋。
如本文所使用，諸如「第一」、「第二」及「第三」之術語描述各種元件、組件、區、層及/或區段，但此等元件、組件、區、層及/或區段不應受此等術語限制。此等術語僅可用以區分一個元件、組件、區、層或區段與另一元件、組件、區、層或區段。諸如「第一」、「第二」及「第三」之術語當在本文使用時並不暗示順序或次序，除非由上下文清楚地指示。
CMP為用以移除過多材料並實現基板之平坦化之適當且廣泛使用之製程。然而，CMP在其製程控制方面存在困難。確切而言，終點偵測或應停止研磨製程之時刻之確切判定一直是行業面臨之問題。在一些比較性實施例中，頻繁地實行CMP製程，而無關於製程何時完成之清晰信號，且實際上僅藉由使用經驗研磨速率來估計完成點。在其他比較性實施例中，電機扭矩感測器用於偵測旋轉扭矩及電機電流改變以揭露研磨資訊。通常，研磨力及研磨扭矩保持相同，直至另一材料層之表面暴露。研磨力及研磨扭矩隨後歸因於原始材料層與新暴露之材料層之間的不同摩擦而改變，且產生及回饋電機補償電流以改變電機電流。因此，偵測到電機電流改變，且觸發終點。
參看圖1及圖2，其為示出根據一些比較性實施例之不同研磨問題之示意圖。發現，儘管電機扭矩改變揭露切實可行之研磨條件，但所揭露之條件係基於藉由計算電機扭矩改變及電流改變獲得之間接信號。因此，終點可能延遲，且因此研磨之延遲之終點與理想終點之間可能存在時間延遲。相應地，可能引起過度研磨問題，如圖1中所展示。此外，當研磨具有較差均一性之晶圓時，扭矩電流改變可能不夠清晰來準確地觸發或指示終點，且因此可能導致較早之終點。因此，可能引起研磨不足問題，如圖2所示。此外，導致研磨不足問題之較早終點觸發或導致過度研磨問題之延遲之終點觸發可能致使需要返工或發出製程警報。
此外，採用電機扭矩感測器僅用於終點偵測及終點控制，而關於CMP製程之大量資訊仍未揭露。舉例而言，關於晶圓上之刮擦、研磨墊粗糙度、修整控制、裝置故障預警等之資訊未揭露。
本揭露因此提供一種CMP裝置，其安裝有振動感測器以偵測研磨操作中之振動且產生關於研磨操作之振動信號。藉由偵測振動之改變，可準確地觸發終點。此外，因為CMP製程採取機械研磨，所以由機械研磨引發之振動信號能夠揭露擴展工具及製程資訊。在一些實施例中，藉由引入及利用振動感測器，偵測、搜集及分析振動信號以構建資料庫，且建構關於晶圓表面、襯墊粗糙度或裝置條件之標準或目標製程模式。此外，藉由比較即時製程模式與標準製程模式，可實現晶圓刮擦監視、襯墊表面粗糙度控制及裝置故障預警。換言之，可容易地監視及控制研磨操作。
圖3至圖5為示出根據本揭露之一或多個實施例之各態樣的CMP裝置100a、100b及100c之示意圖。應理解，圖3至圖5中之相同元件由相同編號描繪，且可為了簡潔起見省略重複之細節。CMP裝置100a、100b及100c分別包括壓板102、設置在壓板102之頂部上之研磨墊104、經組態以支撐半導體晶圓140之晶圓載體(有時被稱作研磨頭)106、經組態以修復研磨墊104之修整機108以及漿料施配器110，該漿料施配器110經組態以將研磨漿料111施配或遞送至研磨墊104以促進自半導體晶圓140移除材料。CMP裝置100a、100b及100c進一步包括CMP控制系統120，其經組態以控制壓板102、晶圓載體106、修整機108及漿料施配器110。CMP裝置100a、100b及100c進一步包括振動監視系統130，其經組態以偵測振動，如圖3至圖5中所展示。
在一些實施例中，壓板102經組態以在一或多個方向上旋轉。在一些實施例中，壓板102經組態以保持靜止。在一些實施例中，壓板102經組態以具有恆定轉速。在替代實施例中，壓板102經組態以具有可變轉速。壓板102可藉由電機(未圖示)旋轉。在一些實施例中，電機可為交流(AC)電機、直流(DC)電機、通用電機或另一合適之電機。壓板102經組態以支撐研磨墊104，如圖3至圖5中所展示。在一些實施例中，壓板102可藉由具有可變轉速之旋轉軸103旋轉。旋轉軸103可藉由電機(未圖示)旋轉。在一些實施例中，電機可為AC電機、DC電機、通用電機或另一合適之電機。
研磨墊104耦接至壓板102，使得研磨墊104以與壓板102相同之速度在相同方向上旋轉。研磨墊104包括研磨表面104s，例如紋理化表面，其經組態以在研磨操作期間自半導體晶圓移除材料。
晶圓載體106經組態以在研磨操作期間將半導體晶圓140支撐並保持在研磨墊104之研磨表面104s附近。在一些實施例中，晶圓載體106包括保持環以保護半導體晶圓140。在一些實施例中，晶圓載體106包括真空以保護半導體晶圓140。晶圓載體106經組態以在與壓板102之旋轉方向相同或不同之方向上旋轉。在一些實施例中，轉桿107在與壓板102之旋轉方向相反之方向上旋轉晶圓載體106。在一些實施例中，轉桿107經組態以具有恆定轉速。在替代實施例中，轉桿107經組態以具有可變轉速。轉桿107可藉由電機(未圖示)旋轉。在一些實施例中，電機可為AC電機、DC電機、通用電機或另一合適之電機。
晶圓載體106可在垂直於研磨墊104之研磨表面104s之方向上移動。藉由在垂直於研磨表面104s之方向上移動半導體晶圓載體106，可調整由研磨墊104在半導體晶圓140上施加之壓力。在一些實施例中，CMP裝置100a、100b及100c可包括壓力感測器(未圖示)以監視半導體晶圓140上施加之壓力。在一些實施例中，CMP裝置100a、100b及100c可包括壓力控制系統(未圖示)以控制在半導體晶圓140上於半導體晶圓140之各個位置處施加之力。在一些實施例中，壓力控制系統可包括經組態以發射加壓氣體之噴嘴、可轉換銷或其他合適之力施加元件。
修整機108經組態以修復研磨墊104。為了維持研磨速率，需要調節研磨墊104以維持表面粗糙度。在一些實施例中，在研磨墊104上執行修整操作(或調節操作)。如圖3至圖5中所展示，根據一些實施例，修整機108可包括修整機臂108-1、修整機頭108-2及調節盤108-3。在一些實施例中，調節盤108-3可為具有內嵌於固定至調節盤108-3之支撐板之金屬層中的金剛石之金剛石盤。金屬層為例如Ni層及/或Cr層。調節盤108-3用於在研磨墊104已經積聚過多研磨碎屑時刮擦及再新研磨墊104之研磨表面104s。歸因於由修整機108執行之修整操作，研磨墊104之研磨表面104s可再新，且可維持CMP速率。
漿料施配器110經組態以將研磨漿料111施配至研磨墊104之研磨表面104s上。漿料施配器110包括至少一個噴嘴(未圖示)，其經組態以施配研磨漿料111。在一些實施例中，CMP裝置100a、100b及100c可包括漿料混合系統(未圖示)，其經組態以混合各種流體組成物，然後將混合物施配至研磨墊104之研磨表面104s上。
CMP控制系統120經組態以控制晶圓載體106、修整機108及漿料施配器110。在一些實施例中，半導體晶圓140利用施加至晶圓之背側的向上吸力而保持在晶圓載體106內部。旋轉壓板102，且對應地旋轉研磨墊104。研磨漿料111隨後施配至研磨表面104s上。隨後旋轉並朝向研磨墊104降低晶圓載體106。當晶圓載體106之旋轉達到晶圓研磨速度時，按壓半導體晶圓140以接觸研磨表面104s。此雙重旋轉連同施加至半導體晶圓140及研磨漿料111之向下力致使半導體晶圓140逐步地平面化。
在一些實施例中，CMP裝置100a之振動監視系統130包括振動感測器132a-1及/或振動感測器132a-2。振動監視系統130進一步包括信號分析儀134。在一些實施例中，振動感測器132a-1安裝在晶圓載體106上，且經組態以偵測晶圓載體106之振動及保持在晶圓載體106內之半導體晶圓140之振動。在其他實施例中，振動感測器132a-2安裝在轉桿107上，且經組態以偵測晶圓載體106之振動及保持在晶圓載體106內之半導體晶圓140之振動。此外，由振動感測器132a-1或132a-2產生關於晶圓載體106及半導體晶圓140之複數個振動信號。該複數個振動信號隨後發送至信號分析儀134，如圖3所示。
在一些實施例中，晶圓載體106及半導體晶圓140之該複數個振動信號發送至信號分析儀134且儲存在信號分析儀134中以開發製程模式。在一些實施例中，信號分析儀134進一步根據晶圓載體106及半導體晶圓140之振動信號構建製程模式資料庫。在一些實施例中，可自製程模式資料庫產生標準製程模式。在以下描述內容中將描述製程模式、標準製程模式及製程模式資料庫。
參看圖4，在一些實施例中，CMP裝置100b之振動監視系統130包括振動感測器132b-1或振動感測器132b-2。振動監視系統130進一步包括信號分析儀134。在一些實施例中，振動感測器132b-1安裝在壓板102上或附接至壓板102，且經組態以偵測壓板102及安置於壓板102上之研磨墊104之振動。在其他實施例中，振動感測器132b-2安裝在旋轉軸103上，且經組態以偵測壓板102及安置於壓板102上之研磨墊104之振動。由振動感測器132b-1或132b-2產生關於壓板102之複數個振動信號。該複數個振動信號隨後發送至信號分析儀134，且信號分析儀134經組態以根據來自振動感測器132b-1/132b-2之該複數個振動信號建構製程模式，如圖4所示。
參看圖5，在一些實施例中，CMP裝置100c之振動監視系統130包括振動感測器132a-1或132a-2、振動感測器132b-1或132b-2及振動感測器132c。振動監視系統130進一步包括信號分析儀134。振動感測器132a-1安裝在晶圓載體106上，且振動感測器132a-2安裝在轉桿107上。振動感測器132a-1或132a-2經組態以偵測晶圓載體106及半導體晶圓140之振動。由振動感測器132a-1或132a-2產生關於晶圓載體106及保持在其中之半導體晶圓140之複數個振動信號。振動感測器132b-1安裝在壓板102上，且振動感測器132b-2安裝在旋轉軸103上。由振動感測器132b-1或132b-2產生關於壓板102及研磨墊104之複數個振動信號。振動感測器132c安裝在修整機108上。在一些實施例中，振動感測器132c安裝在修整機頭108-2上，且經組態以偵測修整機108(亦即，修整機頭108-2及盤片108-3)之振動，且產生關於修整機108之複數個振動信號。該複數個振動信號隨後發送至信號分析儀134，如圖5所示。在一些實施例中，信號分析儀134經組態以根據來自振動感測器132a-1/132a-2、132b-1/132b-2及132c之該複數個振動信號建構製程模式。
應注意，因為CMP裝置100a、100b及100c使用機械研磨來實現平坦化，所以晶圓載體106、修整機108及壓板102處發生振動。因此，晶圓載體106之振動信號可能干擾修整機108之振動信號及壓板102之振動信號，修整機108之振動信號可能干擾晶圓載體106之振動信號及壓板102之振動信號，且壓板102之振動信號可能干擾晶圓載體106之振動信號及修整機108之振動信號。換言之，若僅偵測到晶圓載體106之振動信號，則可能不能夠排除來自修整機108及壓板102之雜訊。因此，在一些實施例中，晶圓載體106、修整機108及壓板102之振動信號全部經偵測且發送至信號分析儀134。在一些實施例中，藉由使用(例如，但不限於)巨量資料分析，信號分析儀134分析所有振動信號以過濾雜訊。舉例而言，自振動感測器132b-1/132b-2及132c發出之振動信號可經分析以過濾來自研磨墊104及修整機108之雜訊。相應地，晶圓載體106之振動信號可如實地表示在執行研磨操作期間晶圓載體106及保持在其中之半導體晶圓140之振動。遵循相同概念，自振動感測器132a-1/132a-2及132b-1/132b-2發出之振動信號可經分析以過濾來自研磨墊104及晶圓載體106之雜訊，修整機108之振動信號可如實地表示在執行研磨操作期間修整機108之振動。自振動感測器132a-1/132a-2及132c發出之振動信號可經分析以過濾來自晶圓載體106及修整機108之雜訊，且壓板102之振動信號可如實地表示壓板102及安置在其上之研磨墊104之振動。
此外，信號分析儀134根據壓板102、晶圓載體106及修整機108之振動信號開發或建構製程模式。在一些實施例中，信號分析儀134進一步根據壓板102、晶圓載體106及修整機108之振動信號構建製程模式資料庫。如上文所提及，可由信號分析儀134產生標準製程模式。在以下描述內容中論述製程模式、標準製程模式及製程模式資料庫。在一些實施例中，信號分析儀134可進一步構建壓板102之研磨墊104之振動模式，因此可偵測及控制研磨表面104s之研磨效率。在一些實施例中，當研磨效率減小時可根據研磨墊104之振動模式替換研磨墊104。遵循相同概念，信號分析儀134可進一步構建修整機108之振動模式，因此可偵測及控制修整機108之修整效率。在一些實施例中，當修整效率減小時可根據修整機108之振動模式替換調節盤108-3。
在一些實施例中，振動感測器132a-1或132a-2、132b-1或132b-2及132c可為用於位移、速度或加速度之市售壓電感測器，但本揭露不限於此。在一些實施例中，信號分析儀134可為諸如可程式化微處理器、處理器或電腦之市售器件。
圖6為表示CMP方法200之流程圖。該CMP方法200包括操作202，提供研磨裝置。研磨裝置可包括如上文所提及之CMP裝置100a、100b或100c。舉例而言，研磨裝置100c可包括至少壓板102、安置於壓板102上之研磨墊104、晶圓載體106、修整機108、漿料施配器110、CMP控制系統120及振動監視系統130。CMP方法200進一步包括操作204，在晶圓載體106中接收半導體晶圓140。CMP方法200進一步包括操作206，研磨半導體晶圓140之表面且藉由振動監視系統130偵測壓板102、晶圓載體106及修整機108之振動。CMP方法200進一步包括操作208，在振動監視系統130中產生關於晶圓載體106、修整機108及壓板102之振動之複數個振動信號。在一些實施例中，振動監視系統130之振動感測器132a-1/132a-2、132b-1/132b-2及132c偵測該振動並產生振動信號，且將該振動信號發送至振動監視系統130之信號分析儀134並由信號分析儀134分析。CMP方法200進一步包括操作210，在該複數個振動信號之間的改變達到某一值時觸發研磨之終點。應進一步注意，可在CMP方法200之前、期間及之後提供額外操作，且本文中可能僅簡要描述一些其他操作。因此，其他實施方案在本文所描述之各態樣之範圍內是可能的。
返回參看圖3、圖4或圖5，根據操作204，在晶圓載體106內接收及保持半導體晶圓140。CMP控制系統120可指示CMP裝置100a、100b或100c根據操作206研磨半導體晶圓140之表面。值得注意的是，在根據操作206研磨半導體晶圓140之表面期間，振動感測器132a-1或132a-2偵測晶圓載體106及半導體晶圓140之振動，振動感測器132b-1或132b-2偵測壓板102之振動，且振動感測器132c偵測修整機108之振動。相應地，根據操作208產生振動信號。如上文所提及，該振動信號與晶圓載體106及半導體晶圓140之振動、修整機108之振動以及壓板102及研磨墊104之振動有關。此外，根據振動信號由信號分析儀134開發或建構製程模式。在一些實施例中，製程模式可為晶圓載體振動模式、修整機振動模式或壓板振動模式。
請參看圖7A，其為示出CMP操作中之各個階段之示意圖，且參看圖7B，其為諸如晶圓載體振動模式之製程模式。晶圓載體振動模式可為如圖7B所示之振幅-時間模式。振動模式之橫座標可為操作時間，且振動模式之縱座標可為振動振幅。參看圖7A，在一些實施例中，執行CMP方法200以自半導體晶圓140移除諸如金屬層或介電質層之過多材料142，且可由安裝在晶圓載體106上之振動感測器132a-1或132a-2偵測振動。在研磨過多材料142期間，振幅相同，直至移除過多材料142以暴露半導體晶圓140為止。應理解，研磨墊104與半導體晶圓140之間的摩擦可不同於研磨墊104與過多材料142之間的摩擦，且因此晶圓載體106及半導體晶圓140之振動可在半導體晶圓140暴露時改變。相應地，振幅可改變。
如圖7A及圖7B所示，在時間A處，觀察到明顯改變，因為半導體晶圓140暴露且摩擦改變。在研磨期間比較該複數個振動信號。在一些實施例中，在操作210中，當振動信號之間的改變達到某一值時，在時間A處，由信號分析儀134將報告發送至CMP控制系統120，且CMP控制系統120可取時間A作為觸發研磨之終點以終止研磨操作之時間。在一些實施例中，該值在近似20%與近似50%之間，此取決於不同製程要求。在一些比較性實施例中，當該值小於20%時，振動監視系統130可能太敏感，且可能較早地觸發終點。在一些比較性實施例中，當該值大於20%時，振動監視系統130可能太遲鈍，且可能延遲終點之觸發。
再次參看圖7A及圖7B，舉例而言，當對過多材料142執行研磨製程時，振動信號之間的改變小於20% (在時間A之前)，此係因為對相同材料執行研磨製程。當移除過多材料142以暴露半導體晶圓時，表面摩擦可改變，且因此振動可相應地改變。如圖7B所示，當振動之間的差大於20%時，可判定半導體基板140暴露，且觸發終點以終止研磨操作。如上文所提及，在一些實施例中，藉由使振動感測器132a-1/132a-2、132b-1/132b-2及132c一起工作，可過濾來自研磨墊104及修整機108之雜訊，且可如實地表示研磨結果，且因此可緩解過度研磨及研磨不足問題。
請參看圖8A，其為示出CMP操作中之各個階段之示意圖，且參看圖8B，其為諸如晶圓載體振動模式之製程模式。晶圓載體振動模式可為如圖8B所示之振幅-時間模式。振動模式之橫座標可為操作時間，且振動模式之縱座標可為振動振幅。如圖8A所示，在一些實施例中，執行CMP方法200以自半導體晶圓140移除諸如金屬層或介電質層之過多材料142，且可由安裝在晶圓載體106上之振動感測器132a偵測振動。在過多材料142之研磨期間，振幅相同，直至移除過多材料142以暴露半導體晶圓140為止。如上文所提及，研磨墊104與半導體晶圓140之間的摩擦可不同於研磨墊104與過多材料142之間的摩擦，且因此晶圓載體106及半導體晶圓140之振動可在半導體晶圓140暴露時改變。相應地，振幅改變。如圖8A及圖8B所示，在時間B1 處，觀察到改變，因為半導體晶圓140之一部分暴露。然而，在一些實施例中，當半導體晶圓140具有較差均一性時，半導體晶圓140之其他部分可能仍被過多材料142覆蓋，且因此時間B1 處之振幅改變可小於某一值。在一些實施例中，該值在近似20%與近似50%之間，此取決於不同製程要求，但本揭露不限於此。在一些實施例中，當振幅改變小於該值時，信號分析儀134可忽略時間B1 及時間B2 處之振幅改變。在一些實施例中，當完全移除過多材料142時，摩擦再次改變。因此，振動可改變，且因此振幅可改變。在一些實施例中，在時間B3 處觀察到意味著振幅改變大於該值之明顯改變。在一些實施例中，信號分析儀134可辨識振幅改變且向CMP控制系統120報告。CMP控制系統120可取時間B3 作為觸發研磨之終點以終止研磨操作之時間。在一些實施例中，可建構諸如晶圓載體振動模式之製程模式，且因此可藉由觀察振動之改變及製程模式之改變來觸發研磨之終點。因為振動與半導體晶圓140之表面條件直接相關，所以振動及製程模式之改變如實地表示半導體晶圓140a上之表面改變。因此，可準確地觸發研磨操作之終點，且因此過度研磨問題及研磨不足問題均得以緩解。
在一些實施例中，製程模式可為修整機振動模式或壓板振動模式。如上文所提及，因為振動與表面條件直接相關，所以可建構修整機振動模式及壓板振動模式以表示研磨墊104之表面條件。
在一些實施例中，諸如晶圓載體振動模式、修整機振動模式及壓板振動模式之製程模式可儲存在振動監視系統130之信號分析儀134中。在一些實施例中，在信號分析儀134中儲存進行研磨操作之不同批次之半導體晶圓之製程模式以構建製程模式資料庫。此外，藉由(例如)巨量資料分析來分析此類製程模式，且可獲得與研磨操作以及CMP裝置100a、100b及100c有關之標準修整機振動模式、標準壓板振動模式及標準晶圓載體模式且將其儲存在信號分析儀134中。
圖9為表示CMP方法300之流程圖。CMP方法300包括操作302，提供研磨裝置。研磨裝置可包括如上文所提及之CMP裝置100a、100b或100c。舉例而言，研磨裝置100c可包括至少壓板102、安置於壓板102上之研磨墊104、晶圓載體106、修整機108、漿料施配器110、CMP控制器120及振動監視系統130。CMP方法300進一步包括操作304，在晶圓載體106中接收半導體晶圓140。CMP方法300進一步包括操作306，研磨半導體晶圓140之表面且藉由振動監視系統130偵測壓板102、晶圓載體106及修整機108之振動。CMP方法300進一步包括操作308，在振動監視系統130中產生關於晶圓載體106、修整機108及壓板102之振動之複數個振動信號。在一些實施例中，振動監視系統130之振動感測器132a、132b及132c偵測該振動並產生振動信號，且該振動信號發送至振動監視系統130之信號分析儀134並由信號分析儀134分析。CMP方法300進一步包括操作310，自振動監視系統130中之製程模式資料庫辨識標準製程模式。CMP方法300進一步包括操作312，根據該複數個振動信號建構即時製程模式。CMP方法300進一步包括操作314，比較即時製程模式與標準製程模式。根據一或多個實施例進一步描述CMP方法300。應注意，CMP方法300之操作可在各態樣之範圍內重新配置或以其他方式修改。應進一步注意，可在CMP方法300之前、期間及之後提供額外操作，且本文中可能僅簡要描述一些其他操作。因此，其他實施方案在本文所描述之各態樣之範圍內是可能的。
在一些實施例中，可根據操作310自製程模式資料庫辨識及選擇標準製程模式。在一些實施例中，可如上文所提及構建製程資料庫，但本揭露不限於此。標準製程模式可為標準修整機振動模式、標準壓板振動模式或標準晶圓載體振動模式。
在一些實施例中，在操作306中偵測振動，且在操作308中產生振動信號。如上文所提及，該振動信號與晶圓載體106及半導體晶圓140之振動、修整機108之振動以及壓板102及研磨墊104之振動有關。此外，根據操作312由信號分析儀134根據該振動信號開發或建構製程模式。在一些實施例中，製程模式可為晶圓載體振動模式、修整機振動模式或壓板振動模式。應注意，在一些實施例中，製程模式為即時製程模式。
在一些實施例中，根據操作314比較即時製程模式與標準製程模式。在一些實施例中，可同時執行操作312及操作314。換言之，同時執行即時製程模式之建構以及即時製程模式與標準製程模式之比較。應注意，在一些實施例中，在執行研磨操作期間持續偵測振動，且在執行研磨操作期間產生即時製程模式。
在一些實施例中，當該比較指示即時製程模式與標準製程模式失配或振幅超出某一值時，振動監視系統130之信號分析儀134可產生不同之對應指令。
圖10A為指示標準製程模式之曲線圖，且圖10B為指示即時製程模式之曲線圖。在一些實施例中，標準製程模式可為標準修整機振動模式，且即時製程模式可為即時修整機振動模式。根據操作312及操作314，產生即時修整機振動模式且比較即時修該整機振動模式與標準修整機振動模式。如上文所提及，當消耗研磨墊104時研磨墊104與調節盤之間的摩擦可減小。因此，修整機頭108-2之振動可改變，且因此即時修整機振動模式之振幅可減小。因此，當比較指示即時製程模式與標準製程模式失配時，振動監視系統130之信號分析儀134可向CMP控制系統120報告。在一些實施例中，CMP控制系統120可在即時製程模式與標準製程模式失配時觸發研磨操作之終點。在一些實施例中，當即時製程模式與標準製程模式失配時，CMP控制系統120可發出警報，例如襯墊表面粗糙度條件警報。在一些實施例中，當標準製程模式與即時製程模式之間的差異達到某一值時，可觸發終點。在一些實施例中，該差異在近似20%與近似50%之間。在一些比較性實施例中，當該值小於20%時，振動監視系統130可能太敏感，且可能較早地觸發終點。在一些比較性實施例中，當該值大於20%時，振動監視系統130可能太遲鈍，且可能延遲終點之觸發。
在一些實施例中，標準製程模式可包括標準晶圓載體振動模式及標準壓板振動模式，而即時製程模式可為即時晶圓載體振動模式、即時修整機振動模式及即時壓板振動模式。此類模式之間的比較可揭露進行研磨操作之半導體晶圓140之表面條件。
再次參看圖7A及圖10A，舉例而言，當對過多材料142執行研磨製程時，可產生即時製程模式，且比較即時晶圓載體振動模式與標準製程模式。當標準製程模式(圖10A中展示)與即時製程模式(圖10B中展示)之間的差異小於20% (在時間A之前)時，此指示對相同材料執行研磨製程。當移除過多材料142以暴露半導體晶圓時，表面摩擦可改變，且因此振動可相應地改變。如圖7A、圖10A及圖10B中所示，當標準製程模式與即時製程模式之間的差異大於該值(例如20%)時，可判定半導體基板140暴露且觸發終點以終止研磨操作。如上文所提及，在一些實施例中，藉由使振動感測器132a-1/132a-2、132b-1/132b-2及132c一起工作，可過濾來自研磨墊104及修整機108之雜訊，且可如實地表示研磨結果，且因此可緩解過度研磨及研磨不足問題。
返回參看圖8A，在其他實施例中，當如圖8A中所展示對過多材料142執行研磨製程時，可產生即時製程模式，且比較即時晶圓載體振動模式與標準製程模式。當即時製程模式與標準製程模式之間的差異小於20% (在時間B1 )時，可判定對相同材料執行研磨製程。當移除過多材料142以暴露半導體晶圓140時，表面摩擦可改變，且因此振動可相應地改變。在一些實施例中，判定該值大於20%，例如為50%。因此，當即時製程模式與標準製程模式之間的差異小於50%時，可判定研磨操作在時間B2 處尚未達到終點。在一些實施例中，執行研磨操作直至暴露更多半導體基板140。當即時製程模式與標準製程模式之間的改變為大體上50%時，觸發終點以終止研磨操作。
此外，在一些實施例中，藉由使振動感測器132a-1/132a-2、132b-1/132b-2及132c一起工作，可過濾來自研磨墊104及修整機108之雜訊，且可如實地表示研磨結果，且因此可緩解過度研磨及研磨不足問題。
返回參看圖3、圖4及圖5，在一些實施例中，金剛石粒子及金屬顆粒可能自調節盤108-3掉落至研磨墊104上。金剛石及金屬顆粒可能致使半導體晶圓140被刮擦，因此減小研磨操作之良率。在一些實施例中，執行操作312及314，使得比較即時晶圓載體振動模式與標準晶圓載體振動模式，比較即時修整機振動模式與標準修整機振動模式，且比較即時壓板振動模式與標準振動模式。當該等比較指示即時製程模式與標準製程模式失配時，振動監視系統130之信號分析儀134可向操作者及/或CMP控制系統120發出揭露半導體晶圓140之表面被刮擦之警報。在一些實施例中，CMP控制系統120停止研磨操作。因此，一旦辨識失配且發出警報，即可自研磨墊104移除金剛石及金屬顆粒。因此，防止對半導體晶圓140之進一步損壞。此外，一旦清潔且製備研磨墊104，即可處理半導體晶圓140或另一半導體晶圓，而晶圓不會被刮擦。
在一些實施例中，比較包括標準晶圓載體振動模式、標準修整機振動模式及標準壓板振動模式之標準製程模式與包括即時晶圓載體振動模式、即時修整機振動模式及即時壓板振動模式之即時製程模式以揭露研磨墊104之表面條件。
研磨墊104為半導體晶圓製造操作中使用之昂貴消耗品。其可為堅硬的不可壓縮之襯墊或柔軟襯墊。堅硬襯墊及柔軟襯墊甚至可在堆疊襯墊配置中組合以用於定製應用。研磨墊104通常在其研磨表面104s中設置有凹槽，用於漿料分配及改良襯墊與晶圓接觸，因此改良研磨效率。在研磨操作期間，消耗研磨墊104，且凹槽之深度減小。因此，當凹槽變淺時，漿料分配及研磨效率受到不利影響。此外，當不再觀察到凹槽時，必須替換研磨墊104。
在一些實施例中，當凹槽變淺時，研磨墊104之摩擦可改變，且因此修整機108、研磨墊104及壓板102之振動可改變。藉由比較即時修整機振動模式及即時壓板振動模式與標準修整機振動模式及標準壓板振動模式，可容易地揭露研磨墊104之表面條件。如上文所提及，一旦在比較中發現明顯改變，則信號分析儀134可向操作者及CMP控制系統120發送襯墊表面粗糙度條件警報。在一些實施例中，CMP控制系統120停止研磨操作，且替換研磨墊104。
在一些實施例中，比較包括標準晶圓載體振動模式、標準修整機振動模式及標準壓板振動模式之標準製程模式與包括即時晶圓載體振動模式、即時修整機振動模式及即時壓板振動模式之即時製程模式以揭露CMP裝置100a、100b及100c之工作條件。
舉例而言，一旦在所有即時製程模式與所有標準製程模式之比較中發現明顯改變，則信號分析儀134可向操作者及CMP控制系統120發送裝置故障警報。在一些實施例中，CMP控制系統120停止研磨操作，且CMP裝置100a或100b暫停以進行進一步檢查。
本揭露提供一種CMP裝置，其能夠提供關於裝置、研磨操作及進行研磨操作之半導體晶圓之表面條件的資訊。藉由實施包括安裝在晶圓載體上之振動感測器、壓板及修整機之振動監視系統，收集、儲存及分析關於晶圓載體及保持在其中之半導體晶圓、壓板及安置在其上之研磨墊以及修整機之振動信號。相應地，可建構揭露半導體晶圓之表面條件及研磨墊之表面粗糙度之製程模式，可構建製程模式資料庫，且可獲得標準製程模式。此外，藉由觀察製程模式中之明顯改變或藉由比較即時製程模式與標準製程模式，可由振動監視系統辨識且由CMP控制系統觸發研磨操作之終點。此外，藉由比較即時製程模式與標準製程模式，可及時發出例如刮擦警報、襯墊表面粗糙度條件警報或裝置故障警報等警報。
在一些實施例中，提供一種CMP裝置。CMP裝置包括壓板、在研磨操作期間保持半導體晶圓之晶圓載體、在研磨操作期間保持經組態以修復安置於壓板上之研磨墊之修整機頭，以及經組態以在研磨操作期間偵測振動之振動監視系統。振動監視系統包括經組態以產生複數個第一振動信號之第一振動感測器，以及經組態以根據該複數個第一振動信號建構製程模式之信號分析儀。
在一些實施例中，提供一種CMP方法。該CMP方法包括以下操作。提供包括至少壓板、晶圓載體、修整機及振動監視系統之CMP裝置。在晶圓載體中接收半導體晶圓。研磨半導體晶圓之表面，且由振動監視系統偵測壓板、晶圓載體及修整機之振動。在振動監視系統中產生關於晶圓載體、修整機及壓板之振動之複數個振動信號。當該複數個振動信號之間的改變達到某一值時，觸發研磨之終點。
在一些實施例中，提供一種CMP方法。該方法包括以下操作。提供包括至少壓板、晶圓載體、修整機頭及振動監視系統之裝置。在晶圓載體中接收半導體晶圓。研磨半導體晶圓之表面，且由振動監視系統偵測壓板、晶圓載體及修整機之振動。產生關於壓板、晶圓載體及修整機之振動之複數個振動信號。自振動監視系統中之製程模式資料庫辨識標準製程模式。根據該複數個振動信號建構即時製程模式。比較即時製程模式與標準製程模式。
前文概述若干實施例之特徵以使得熟習此項技術者可更好地理解本揭露之各態樣。熟習此項技術者應瞭解，其可以容易地使用本揭露作為設計或修改用於實行本文中所介紹之實施例之相同目的及/或獲得相同優勢之其他製程及結構之基礎。熟習此項技術者亦應認識到，此類等效建構並不脫離本揭露之精神及範疇，且其可在不脫離本揭露之精神及範疇之情況下在本文中進行各種改變、替代及更改。
100a‧‧‧CMP裝置 100b‧‧‧CMP裝置 100c‧‧‧CMP裝置 102‧‧‧壓板 103‧‧‧旋轉軸 104‧‧‧研磨墊 104s‧‧‧研磨表面 106‧‧‧晶圓載體 107‧‧‧轉桿 108‧‧‧修整機 108-1‧‧‧修整機臂 108-2‧‧‧修整機頭 108-3‧‧‧調節盤 110‧‧‧漿料施配器 111‧‧‧ 研磨漿料 120‧‧‧CMP控制系統 130‧‧‧振動監視系統 132a-1‧‧‧振動感測器 132a-2‧‧‧振動感測器 132b-1‧‧‧振動感測器 132b-2‧‧‧振動感測器 132c‧‧‧振動感測器 134‧‧‧信號分析儀 140‧‧‧半導體晶圓 142‧‧‧過多材料 200‧‧‧CMP方法 202‧‧‧操作 204‧‧‧操作 206‧‧‧操作 208‧‧‧操作 210‧‧‧操作 300‧‧‧CMP方法 302‧‧‧操作 304‧‧‧操作 306‧‧‧操作 308‧‧‧操作 310‧‧‧操作 312‧‧‧操作 314‧‧‧操作 B1‧‧‧時間 B2‧‧‧時間 B3‧‧‧時間
當結合附圖閱讀時自以下詳細描述最好地理解本揭露之各態樣。應注意，根據業界之標準作法，各種特徵未按比例繪製。實際上，為了論述清晰起見，可能任意增大或減小了各種特徵之尺寸。 圖1為示出根據一些比較性實施例之過度研磨問題之示意圖。 圖2為示出根據一些比較性實施例之研磨不足問題之示意圖。 圖3為示出根據本揭露之一或多個實施例之各態樣的CMP裝置之示意圖。 圖4為示出根據本揭露之一或多個實施例之各態樣的CMP裝置之示意圖。 圖5為示出根據本揭露之一或多個實施例之各態樣的CMP裝置之示意圖。 圖6為表示根據本揭露之各態樣的CMP方法之流程圖。 圖7A為示出CMP操作中之各個階段之示意圖。 圖7B為示出根據本揭露之各態樣的CMP裝置之研磨操作之標準振動模式之曲線圖。 圖8A為示出CMP操作中之各個階段之示意圖。 圖8B為示出根據本揭露之各態樣在研磨操作期間獲得之振動模式之曲線圖。 圖9為表示根據本揭露之各態樣之CMP方法之流程圖。 圖10A為指示標準修整機振動模式之曲線圖。 圖10B為指示即時修整機振動模式之曲線圖。
200‧‧‧CMP方法
202‧‧‧操作
204‧‧‧操作
206‧‧‧操作
208‧‧‧操作
210‧‧‧操作

Claims (1)

  1. 一種化學機械研磨CMP裝置，其包含： 一壓板； 一晶圓載體，其在一研磨操作期間保持一半導體晶圓； 一修整機頭，其經組態以在該研磨操作期間修復安置於該壓板上之一研磨墊之一盤片；以及 一振動監視系統，其經組態以在該研磨操作期間偵測振動，其中該振動監視系統包含： 一第一振動感測器，其經組態以產生複數個第一振動信號；以及 一信號分析儀，其經組態以根據該複數個第一振動信號建構一製程模式。
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