TW202332534A - 化學機械研磨系統和用於溫度及漿體流動速率控制的電腦程式產品 - Google Patents
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Abstract
本案提供一種化學機械研磨系統，包括用於將研磨液分配至研磨墊上之研磨出口，及用於控制研磨液至出口之流動速率的液體流控制器，用於控制研磨墊之溫度的溫度控制系統，及一控制系統。此控制系統經配置以獲得基準去除速率、基準溫度及基準研磨液流動速率。儲存將去除速率與研磨液流動速率及溫度相關的函數。此函數用於確定減少之研磨液流動速率及調整後之溫度，使得所得去除速率不低於基準去除速率。控制液體流控制器，以減少之研磨液流動速率分配研磨液，並控制溫度控制系統，使得研磨製程達到調整後之溫度。
Description
本揭示案係關於化學機械研磨(chemical mechanical polishing; CMP)中研磨墊之溫度及研磨液（例如漿體）之流動速率的組合控制。
積體電路通常藉由在半導體晶圓上連續沉積導電層、半導體層或絕緣層而形成於基板上。各種各樣之製造製程要求對基板上之層進行平坦化。例如，一個製造步驟涉及在非平面表面上沉積填料層並研磨此填料層，直到暴露圖案化層之頂表面或保留期望厚度的層。平坦化亦可用於實現後續光微影步驟。
化學機械研磨(CMP)為一種公認之平坦化方法。此平坦化方法通常需要將基板安裝在承載頭上。基板之暴露表面通常靠著旋轉之研磨墊放置。承載頭對基板提供可控負載以將基板抵靠住研磨墊。將研磨液，通常為具有磨料顆粒之漿體，供應至研磨墊之表面。
研磨製程中之去除速率可能會對溫度敏感。已經提出了用於在研磨期間控制溫度的各種技術。
在一個態樣中，化學機械研磨系統包括：平臺，用於支撐研磨墊；承載頭，用於將基板保持與研磨墊接觸；馬達，用於在平臺與承載頭之間產生相對運動；研磨液輸送系統，包括用於將研磨液分配在研磨墊上之出口，及在出口與研磨液供應器之間的流線中的液體流控制器，此液體流控制器用於控制研磨液至出口的流動速率；溫度控制系統，用於控制研磨墊之溫度；及控制系統，耦接至液體流控制器及閥。控制系統經配置以獲得基準去除速率值，獲得基準溫度值及基準研磨液流動速率值，儲存將去除速率與研磨液流速及溫度相關的函數，使用此函數確定減小之研磨液流動速率值及調整後之溫度值，使得所得去除速率值等於或大於基準去除速率值，以及控制液體流控制器以按減小之研磨液流動速率值分配研磨液，及控制溫度控制系統以便研磨製程溫度達到調整後之溫度值。
實施方式可包括以下之一或多個。
溫度控制系統可為加熱系統，例如平臺中電阻加熱器中之一或多個，經放置以將熱引導至研磨墊上之加熱燈，或將除了研磨液之外的加熱流體輸送至研磨墊上的分配器。溫度控制系統可為冷卻系統，例如延伸穿過平臺之冷卻劑通道中的一或多個，平臺上之熱電冷卻器，或將除了研磨液之外的冷卻劑流體輸送至研磨墊上的分配器。
可能的優點包括但不限於以下一或多個。
諸如漿體之研磨液至研磨墊的流動速率可減小，同時保持去除速率。研磨液的使用量越少，耗材成本及整體運行成本降低。
在附圖及下面的描述中闡述了一或多個實施方式的細節。其他態樣、特徵及優點將從說明書及附圖，以及申請專利範圍中變得顯而易見。
化學機械研磨系統之所有權總成本取決於研磨工具之初始投資成本及研磨過程中使用的耗材（例如，研磨液）的成本。特別地，在CMP中使用之研磨液（例如，磨料漿體）對總成本的貢獻特別大。然而，不能簡單地任意降低研磨液之流動速率，因為這會降低去除速率，從而降低輸送量。例如，在一些金屬研磨製程中，將漿體流動速率降低30%將導致去除速率下降10%，從而導致輸送量下降約10%。
化學機械研磨藉由在基板、研磨液與研磨墊之間的界面上進行機械磨損及化學蝕刻的組合來操作。由於化學機械研磨部分取決於化學反應，因此研磨製程為一種依賴溫度的製程。因而，CMP製程中大多數薄膜材料之去除速率與製程溫度有關。
一種可用於降低研磨液消耗同時保持所需輸送量的技術是更改研磨製程的溫度，以補償或抵償由於研磨液流動速率降低而導致的去除速率降低。
第1A圖及第1B圖圖示化學機械研磨系統之研磨站20的實例。研磨站20包括研磨墊30位於其上之平臺24，其中該平臺24可以是能夠旋轉並且為碟形的平臺。平臺24可操作以圍繞軸25旋轉（見第1B圖中之箭頭A）。例如，馬達22可轉動驅動軸28，以旋轉平臺24。研磨墊30可為具有外研磨層34及更軟背襯層32之雙層研磨墊。
研磨站20可包括研磨液輸送系統50，用於將諸如磨料漿體之研磨液52透過出口54分配至研磨墊30上。研磨液輸送系統50可包括由基座58支撐之臂56，以延伸至平臺24上方。出口54可位於臂56之末端。出口54可透過液體流控制器60耦接至研磨液供應器62，例如保存研磨液之儲集器或儲罐。研磨液可為磨料漿體。
承載頭70可操作以將基板10保持抵靠研磨墊30。承載頭70懸掛在支撐結構72上，例如旋轉料架或軌道，並藉由驅動軸74連接到承載頭旋轉馬達76，以便承載頭可以繞軸71旋轉。視情況，承載頭70可以藉由沿軌道移動，或者藉由旋轉料架本身之旋轉振動，而橫向振動，例如，在旋轉料架上之滑塊上橫向振動。
承載頭70可包括具有基板安裝表面以接觸基板10背側之可撓性膜80，以及複數個可加壓腔室82以向基板10上之不同區域（例如，不同徑向區域）施加不同壓力。承載頭70可包括用於保持基板之擋圈84。
在操作中，平臺圍繞其中心軸25旋轉，並且承載頭圍繞其中心軸71旋轉（見第1B圖中之箭頭B）並且橫向平移（見第1B圖中之箭頭C）跨過研磨墊30之頂面。
研磨站20還可以包括具有調節碟92之墊調節器90，調節碟92由調節器頭93保持在調節器臂94之末端。調節碟92可用於保持研磨墊30之表面粗糙度。
在一些實施方式中，研磨站20包括溫度感測器64，用於監測研磨站或研磨站之/中部件的溫度，例如，研磨墊30及/或研磨墊上之研磨液52的溫度。例如，溫度感測器64可為紅外(infrared; IR)感測器，例如IR照相機，其位於研磨墊30上方並且經配置以量測研磨墊30及/或研磨墊上之研磨液52的溫度。特別地，溫度感測器64可經配置以沿著研磨墊30之半徑量測多個點的溫度，以便產生徑向溫度分佈圖。例如，IR照相機可以具有跨越研磨墊30之半徑的視場。
在一些實施方式中，溫度感測器為接觸式感測器而不是非接觸式感測器。例如，溫度感測器64可為放置在平臺24上或中之熱電偶或IR溫度計。此外，溫度感測器64可與研磨墊直接接觸。
在一些實施方式中，多個溫度感測器可以在研磨墊30之不同徑向位置間隔開，以便在沿著研磨墊30之半徑的多個點處提供溫度。本技術可以用於替代IR照相機或同時使用本技術及IR照相機。
儘管在第1A圖中示出了用於監測研磨墊30及/或研磨墊30上之研磨液52的溫度的位置，但是溫度感測器64可以位於承載頭70內以量測基板10的溫度。溫度感測器64可以與基板10之半導體晶圓直接接觸（即，接觸式感測器）。在一些實施方式中，在研磨站20中包括多個溫度感測器，例如，用於量測研磨站之/中不同部件的溫度。
研磨站20還包括溫度控制系統100，用於控制研磨墊30及/或研磨墊上之研磨液52的溫度。溫度控制系統100，其藉由將溫度控制介質輸送至研磨墊30之研磨表面36（或輸送至已經存在於研磨墊上的研磨液）上來操作。溫度控制系統可為加熱系統102及/或冷卻系統104。加熱系統102藉由輸送熱流體（例如，熱水或蒸汽）來運行。冷卻系統104藉由輸送冷卻劑（例如，冷水或空氣）來運行。
介質可藉由流經輸送臂上的孔（例如，由一或多個噴嘴提供的孔或槽）來輸送。孔可以由連接至加熱介質源的歧管提供。
一個示例加熱系統102包括臂110，臂110在平臺24及研磨墊30上方從研磨墊之邊緣延伸到研磨墊30的中心或至少靠近研磨墊30的中心（例如，在研磨墊總半徑之5%範圍內）。臂110可由基座112支撐，以及基座112可支撐在與平臺24相同之框架40上。基座112可包括一或多個致動器，例如用於升高或降低臂110之線性致動器，及/或包括旋轉致動器，以使臂110在平臺24上方橫向擺動。臂110的定位可避免與其他硬體部件（諸如研磨頭70、墊調節碟92、臂56及臂130）發生碰撞。
在臂110之底面中形成多個開口114。每個開口114經配置以將加熱流體（例如，氣體或蒸汽，例如蒸汽）引導到研磨墊30上。開口可為噴嘴116，其將噴射器118中之加熱流體引導到研磨墊30上。
各種開口114可以將加熱流體引導到研磨墊30上的不同徑向區域上。相鄰的徑向區域可以重疊。視情況，一些開口114可以被定向，以便來自彼開口之噴射的中心軸相對於研磨表面36處於傾斜角度。加熱流體可以從開口114中一或多個被引導，以在與研磨墊30在由平臺24之旋轉引起的衝擊區域中的運動方向相反的方向上具有水平分量。
儘管第1B圖示出了以偶數間隔隔開的開口114，但這不是必需的。噴嘴116可以沿徑向或角度或兩者非均勻地分配。例如，開口114可以更密集地朝向研磨墊30之中心聚集。作為另一個實例，開口114可以更密集地以一半徑聚集，此半徑對應於與研磨液52藉由臂56輸送到研磨墊30的半徑。此外，儘管第1B圖示出了九個開口，但可以有更多或更少的開口數目。
臂110可由基座112支撐，使得開口114與研磨墊30之間藉由間隙分離。間隙可為0.5至5 mm。特別地，可以選擇間隙，使得加熱流體的熱量在流體到達研磨墊之前不會顯著地消散。例如，可以選擇間隙，使得從開口發射的蒸汽在到達研磨墊之前不會冷凝。
加熱系統104可以包括熱流體源120，並且源120可以藉由流經可控制閥122之流體通道而連接到臂110。源120可為蒸汽產生器，例如，在其中煮沸水以產生蒸汽氣體的容器。通道可以由穿過固體之管子、管道或通道中之一或多者提供。
加熱流體可以與另一種氣體（例如空氣）或液體（例如熱水）混合，或者加熱流體可為基本上純的蒸汽。在一些實施方式中，其他化學物質被添加至加熱流體中。
假設使用蒸汽，當產生蒸汽時（例如，在流體源120中），蒸汽之溫度可為90至200℃。當蒸汽透過噴嘴116分配時，蒸汽的溫度可以在90至150°C之間，例如，由於運輸過程中的熱損失所致。在一些實施方式中，蒸汽在70-100°C（例如，80-90°C）的溫度下由噴嘴116輸送。在一些實施方式中，噴嘴輸送的蒸汽過熱，即處於高於沸點的溫度。
研磨站20還可以包括冷卻系統104。冷卻系統104的構造可以類似於上述加熱系統102，臂130由基座132支撐，並且具有孔134、源140及透過可控制閥142將源140連接至臂的流體通道。然而，源140為冷卻液源，並且冷卻系統104例如以噴射器138將冷卻液分配到研磨墊30上。
冷卻劑流體可為一種液體，例如20℃或以下的水、20℃或以下的氣體或液體與氣體之混合物。例如，冷卻劑流體可為帶有霧化水滴的空氣。此開口可以由噴嘴提供，及噴嘴可為收斂-發散式噴嘴，使得冷卻劑流體藉由流經噴嘴而被進一步冷卻。在一些實施方式中，液體組分藉由穿過噴嘴之溫度下降而固化，例如，當冷卻劑流體噴到研磨墊上時，冷卻液可包括冰晶。
研磨系統還可以包括高壓沖洗系統，例如，帶有噴嘴的臂，用於將沖洗液噴射到研磨墊上，以及將研磨液52均勻分配在研磨墊30上的刮刀片或主體。
研磨站20還包括控制系統200，用於控制各種部件（例如，研磨液輸送系統50及溫度控制系統100）之操作。控制系統200可經配置以接收來自溫度感測器64的溫度量測值。控制系統200可將量測之溫度與目標溫度進行比較，以及控制該可控制閥122及/或142以控制加熱流體及/或冷卻劑到研磨墊30上之流動速率以達到目標溫度。
可以結合設置研磨液之期望溫度及流動速率，以達到期望去除速率，同時降低研磨液的消耗。
為了確定合適的溫度，獲得了將去除速率與研磨液流速及溫度相關的資料。例如，可以在各種研磨液流動速率及溫度下研磨一或多個測試基板，並且量測每對條件（保持其他研磨參數不變）下的去除速率。此資料可以儲存在查找表(lookup table; LUT)中，其去除速率是流動速率（例如，作為列）與溫度（例如，作為行）之函數。
第2圖圖示了研磨測試基板之實驗結果。圖線202所連接之點顯示了當溫度不受溫度控制系統調節，並且達到約40-50°C的溫度（由於摩擦產生的熱量）時，在研磨試驗基板上之金屬層期間，在若干漿體流動速率下量測的去除速率。由圖線204連接的點顯示了當溫度控制系統將溫度調節至約65°C時，在研磨試驗基板上之金屬層期間，在不同漿體流動速率下量測的去除速率。例如，在250 cc/分之流動速率下，將溫度調節並升高至65℃會將去除速率從約7200 A/分增加至約8500 A/分。
如虛線所示，若研磨製程已在約45°C及350 cc/分的流動速率下運行，則將研磨製程之溫度升高至65°C會允許流動速率降低至200 cc/分，同時保持相同的去除速率，即漿體消耗減少約43%。
儘管第2圖僅示出了兩個溫度及三個流動速率，但是可以測試更大量的溫度及/或流動速率，以提供將去除速率與流速及溫度相關的資料。此資料被轉換成或提供一個函數，其中去除速率是兩個變數即溫度與流動速率之函數。例如，資料可以保存在控制器中的LUT中，並且給定三個值中的兩個（例如，溫度及流動速率，或者溫度及去除速率，或者流動速率及去除速率），控制器可以在最近的資料點之間執行線性插值以計算第三個值。或者，函數，例如多變數多項式，可以擬合資料。
通常，由於化學反應之速率隨著溫度的升高而增大，因此在許多研磨操作中，去除速率會隨著溫度的升高而增大。例如，在典型的金屬研磨製程中，去除速率隨著溫度的升高而增加。因此，儲存在控制器中之函數可以包括一範圍，在此範圍內去除速率隨溫度升高而增加（例如單調增加）。因此，下面描述的利用隨溫度升高的去除速率的技術可用於金屬層（例如，銅、鎢、鈷等）的研磨。另一方面，存在一些研磨製程（例如，一些氧化物材料的研磨），其中去除速率隨溫度升高而降低。在這種情況下，儲存在控制器中之函數可以包括一範圍，在此範圍內去除速率隨溫度升高而減小（例如單調減小）。因此，下面描述的利用隨溫度降低的去除速率的技術可以與氧化層（例如，氧化矽）的研磨一起使用。
參看第1A圖及第1B圖，控制系統200可以儲存或接收研磨配方，其包括表示基準去除速率、基準溫度、基準研磨液流速及基準研磨時間中之一或多個的資料。在正常操作模式下，控制演算法可以設置機器控制參數，使研磨系統在整個研磨操作過程中按基準溫度及基準流動速率運行。例如，控制系統200可以使用來自溫度感測器之反饋來控制該可控制閥122或142以控制加熱或冷卻流體到研磨墊上的分配速率，從而實現基準溫度。類似地，控制系統200可以控制液體流控制器60，以便按基準流動速率分配研磨液。如有必要，控制系統200可修改其他機器參數，例如，由承載頭施加的壓力，以實現基準研磨速率及/或基準研磨時間。
然而，控制系統200還可以經配置以選擇研磨操作的至少一部分，在此部分期間，研磨液流動速率將從基準流動速率降低，但溫度將被修改為使得所得去除速率保持等於基準去除速率或相對於基準去除速率增加。在一些實施方式中，研磨操作之部分基本上對應於體研磨操作，即，在底層暴露之前如此。在一些實施方式中，在開始研磨之後，所選部分從設定點（設定時間或總預期研磨時間之設定百分比）開始。或者，所選部分可在研磨操作開始時開始。在一些實施方式中，在預期研磨終點之前，所選部分在設定點（設定時間或總預期研磨時間期待設定百分比）處結束。確定預期終點可考慮下文論述之調整研磨速率及研磨時間。或者，所選部分可擴展至操作結束，例如，在由時間確定或由基於原位監測系統之終點偵測確定。
為了確定更改後之溫度及流動速率，控制系統200可選擇修改後之溫度T
控制。特別地，使用上述多變數函數，控制系統200可以找到修改後的溫度T
mod，溫度T
mod在當前基準流動速率FR
0下，將去除速率從基準去除速率RR
0增加到修改後之去除速率RR
T-MOd。例如，控制器可以嘗試最大化基準流動速率FR
0的去除速率。這可能受到各種限制，例如，操作員安全性或溫度控制系統之溫度範圍容量。控制器可以計算由修改後的溫度T
控制導致的去除速率增加。去除速率增加的範圍可為1-100%。
隨後，控制系統200可以計算最大流動速率減小量，使得由此導致的去除速率減小量不超過由修改後之溫度導致的去除速率增加量。使用上述多變數函數，控制系統可以找到減小之研磨液流動速率FR
T-MOd，在此流動速率下，所得到的去除RR
T,Fr-MOD等於或大於基準去除速率RR
0。研磨液流動速率的減小範圍可為1-99%，例如15-60%。
為了去除相同目標量的層，可以調整總基準研磨時間，例如，T
MOD=T
0*RR
0/RR
T-MOD（假設溫度控制應用於整個研磨操作）。
溫度控制CMP製程中的總漿體消耗量(SC
MOD)為FR
T-MOD*T
MOD，低於基準漿體消耗量SC
0=FR
0*T
0。藉由溫度控制的CMP製程提供的總漿體節省百分比為SC
MOD/SC
0。
在一些情況下，溫度控制CMP製程之去除速率可能低於基準去除速率，前提是(i)溫度控制製程中之總漿體消耗量仍然低於基準漿體消耗量，並且(ii)整個CMP工具之輸送量沒有受到負面影響。
作為確定修改後之溫度及流動速率的替代方法，控制系統可以確定減少之研磨流動速率，基於第二個函數計算減小之研磨流動速率導致的去除速率減小量，並根據第一個函數計算最小溫度變化，以補償去除速率的減小量。
控制系統200及其功能操作可以在數位電子電路系統、有形體現之電腦軟體或韌體、電腦硬體或它們中的一或多個的組合中實現。電腦軟體可以實現為一或多個電腦程式，即編碼在有形非暫時性儲存媒體上之電腦程式指令的一或多個模組，用於由資料處理設備的處理器執行或控制其操作。電子電路系統及資料處理設備可以包括通用可程式化處理器、可程式化數位處理器及/或多個數位處理器或電腦，以及專用邏輯電路系統，例如FPGA（現場可程式化閘極陣列）或ASIC（特定應用積體電路）。
對於「經配置以」執行特定操作或動作的控制系統，意味著系統在其上安裝了軟體、韌體、硬體或它們的組合，這些軟體、韌體、硬體或組合在運行中導致系統執行操作或動作。對於經配置以執行特定操作或動作的一或多個電腦程式，意味著此一或多個程式包括當由資料處理裝置執行時使裝置執行此些操作或動作的指令。
已經描述許多實施例。但是，應當理解，可以進行各種修改。因此，其他實施例落在以下申請專利範圍內。
10:基板
20:研磨站
22:馬達
24:平臺
25:軸
28:驅動軸
30:研磨墊
32:更軟背襯層
34:外研磨層
36:研磨表面
40:框架
50:研磨液輸送系統
52:研磨液
54:出口
56:臂
58:基座
60:液體流控制器
62:研磨液供應
64:溫度感測器
70:承載頭
71:軸
72:支撐結構
74:驅動軸
76:承載頭旋轉馬達
80:可撓性膜
82:可加壓腔室
84:擋圈
90:墊調節器
92:調節碟
93:調節器頭
94:調節器臂
100:溫度控制系統
102:加熱系統
104:冷卻系統
110:臂
112:基座
114:開口
116:噴嘴
118:噴射器
120:源
122:可控制閥
130:臂
132:基座
134:孔
138:噴射器
140:源
142:可控制閥
200:控制系統
202:圖線
204:圖線
A:箭頭
B:箭頭
C:箭頭
第1A圖為研磨設備之研磨站的實例的示意剖視圖。
第1B圖為化學機械研磨設備之示例研磨站的示意俯視圖。
第2圖示出了顯示作為流動速率及溫度的函數的去除速率的實驗結果。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
202:圖線
204:圖線
Claims (10)
- 一種化學機械研磨系統，包括： 一平臺，用於支撐一研磨墊； 一承載頭，用於保持一基板與該研磨墊接觸； 一馬達，用於在該平臺與該承載頭之間產生相對運動； 一研磨液輸送系統，包括用於將研磨液分配至該研磨墊上之一出口，及在該出口與一研磨液供應器之間的一流線中的一液體流控制器，該液體流控制器用於控制該研磨液到該出口的一流動速率； 一溫度控制系統，包括： 一加熱系統，用於將一加熱流體輸送到該研磨墊上； 一冷卻系統，用於將一冷卻流體輸送到該研磨墊上，其中該加熱流體及該冷卻流體係不同於該研磨液；以及 一控制系統，耦接至該液體流控制器及該閥，該控制系統經配置以： 獲得一基準去除速率值， 獲得一基準溫度值及一基準研磨液流動速率值， 儲存將去除速率與研磨液流動速率及溫度相關之一函數， 使用該函數，確定一減小之研磨液流動速率值及一調整後之溫度值，使得一所得去除速率值等於或大於該基準去除速率值，及 控制該液體流控制器，以按該減小之研磨液流動速率值分配該研磨液，及控制該加熱系統及該冷卻系統以控制該加熱流體及冷卻流體之流動，使得一研磨製程溫度達到該調整後之溫度值。
- 如請求項1所述之系統，包括經安置以量測該研磨墊之一溫度的一溫度感測器，及其中該控制器經配置以接收一溫度量測值，及控制該加熱流體或該冷卻流體之一流動速率以達到該調整後之溫度值。
- 如請求項1所述之系統，其中該控制器經配置以確定一減小之研磨流動速率，基於該函數計算由該減小之研磨流動速率產生之去除速率的一減小量，並基於該函數計算一最小溫度變化，以補償去除速率的該減小量。
- 如請求項3所述之系統，其中用於計算去除速率的該減小量之該指令包括用於計算去除速率的一減小百分比的指令。
- 如請求項1所述之系統，其中該控制器經配置以確定一修改後溫度，基於該函數計算由該修改後溫度導致之去除速率的一增加量，以及基於該函數計算一最大流動速率減小量，使得一所得去除速率減小量不大於由該修改後溫度引起之去除速率的該增加量。
- 如請求項5所述之系統，其中用於計算去除速率的該增加量之該指令包括用於計算去除速率的一增加百分比的指令。
- 如請求項1所述之系統，其中該函數包括一溫度範圍，在該溫度範圍內去除速率隨著溫度的升高而單調(monotonically)增加。
- 如請求項1所述之系統，其中該函數包括一溫度範圍，在該溫度範圍內去除速率隨著溫度的升高而單調降低。
- 如請求項1所述之系統，其中該函數包括儲存在一查找表中的值。
- 如請求項9所述之系統，其中該控制器經配置以藉由該查找表中之該等值之間的線性插值來計算一去除速率的一變化。
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