TW467806B - Apparatus and method for continuous deliver and conditioning of a polishing slurry - Google Patents

Description

4 6 7 8 0 6_ 五、發明說明（1) 4务明技術"範. 一般而言，本發明係關於一研磨裝置，及使用該裝置的 方法，更特定地說，係關於一種裝置及方法，在半導體化 學機械式平坦化的研磨製程中，用於準備，調節，並傳送 研磨研漿。 發明背景 在半導體元件製程中，有許多裝置會形成於底置基板上 的階層中，此基板多為矽、鍺，或砷化鎵所製成。這些分 散的裝置是以金屬導線彼此連接而形成所需要的積體電 路。此金屬導線另與下一層内連線絕緣，其透過沉積一絕 緣材料的薄膜而構成，例如在後續製程中利用氧化物的化 學汽相沉積（Chemical Vapor Deposition.，CVD)，或是旋 塗式玻璃層（Spin On Glass, S0G)應用。在這樣的微電路 佈線過程中，基本上，絕緣層及金屬層都要有平坦的地 形，因為平版影像及圖案層很難施做在粗糙的表面。 化學機械研磨（chemical mechanical polishing ， CMP)已經發展用來提供一平坦的半導體型態，CMP可用來 平坦化：（a)基板；（b )絕緣表面，像是氧化矽或氮化矽， 其由化學汽相沉積法沉積出來；（c)絕緣層，例如在半導 體裝置上進行旋塗及回流沉積裝置所沉積的玻璃；或> (d)金屬導體内連線佈線層。 簡單來說，CMP牽涉到如何握持，並旋轉一薄的，適度 平坦的半導體晶圓，而能抵禦旋轉的研磨表面。研磨表面 係以一化學研漿潤濕，並在一控制好的化學、壓力及溫度

O:\63\63373.ptd 第5頁 467806 五、發明說明（2) 狀況下進行。化學研漿含有一研磨劑，其為研磨材料，以 及化學物質，選用來在CMP過程中選擇性地蝕刻或氧化曰 圓的特定表面。可視需要同時或依序進行化學蝕刻及機03械 研磨的步驟。在研磨時’結合化學蝕刻及機械式材料移 除，可在欲研磨的表面得到良好的平坦性。 與化學機械研磨有關的一個問題是研漿的製備及儲存。 因為研磨研漿為機械研磨材料在液態化學劑中的懸浮液型 態’此懸浮液通常是以一批量預先混合，並儲存在約3 5 〇 加侖容量的批量槽中。此預混槽係利用一延伸管線系統連 接到另一個槽，通稱為一"日槽"（;day tank)，其容量約為 5 0加侖。此管線系統允許研漿在曰槽與預混槽之間連續地 方法希望能夠將懸浮液中的顆粒沉殿及p 回收使用，此 _ 著現象降至最低，並維持一適度均勻的混合液。整體而 言’單一批量的研漿的體積約為3 5 〇加侖，一但混合之 ^，研漿在能夠使用之前，其調製過程要半小時到丨2小 蚪’並需要強力的攪拌及循環，以保證適度的均勻性。 C，MP製程的有效性非常依賴物理性參數，例如，研漿的

度’溫度’ pH值，比重等等，因為研t的量很大 P 50加侖，很困難在报短的時間内，對於混合物的性質 的調整。此外’由於應用在不同材料平坦化的特: 研及混合物中化學物質的不相容性，例如一介電大 ,研襞只能用於CMP設備的一項特定製程，例如一金屬層 Ϊ化。要對整體研漿混合物的化學性質做調整是非, 困難的。因此’最後必須使用、儲存並保存大量的高純』

第6頁 467806 五 '發明說明（3) 及昂貴的化 一材料製程 如： 等。 處理 因 提供 並連 發明 由研磨 當然， 時間的 此，在 一連續 續地調 學物質。當CMP設備在從一材料製程轉換到另 時，對環境而言代表了一種很大的挑戰，例 基板，換到研磨金屬，或換到研磨介電質等 在考慮rtj成本的研敷成份有可能成為廢料’或 耗費，使得轉換的過程相當耗時，而且昂貴。 本技術中就有需要一種研漿製備裝置，能夠： 研漿傳送系統，能夠一直監視研漿的參數值， 節研漿成份，而修正研漿參數到公稱值。 為 送系 連續 學參 ’含有 室， 數感 質。 在一 因 許研 即 ° 時也 在 導電 解決上 統，用 式研漿 數感測 不同的 用於以 測器系 控制系 給定速 此，以 漿的組 所以> 可降低 —具體 度。例 述先前技藝 於使用研漿 傳送系統包 器系統，及 研漿成份， 所需速率傳 統耦合至混 統則耦合至 率下引入至 大範圍來說 成能夠依照 此系統可以 製造成本及 實施例中， 如 5 hydron 的缺點 的研磨 含一混 一控制 提供連續 一具體實 ，本發明 裝置。在 合.室，一研漿成份 系統。每 並呈液體連接的 送不同研漿成份 合室，並設定成 化學參數感測器 少一種研漿成份 ，本發 製程參 使研磨 增加整 所感測 i um 離 明提供一 數需要而 及製造的 體生產效 的化學性 子（H30+) 一個研漿 方式連接 到混合室 感測研漿 系統，並 到混合室 研漿分配 很容易地 過程更連 率。 質可為離 hydroxy 式研 施例 槽， 成份 到混 □化 的化 設定 中 。 系統 改變 續化 漿傳 中， 一化 槽皆 合 學參 學性 用來 ，允 或調 ’同 子濃度或 1離子

O:\63\63373.ptd 第7頁 167806 五、發明說明（4) (or)，金屬離子，或非金屬離子的濃度。在另一具體實 施例中，不同的研漿成份可為：一氧化劑，一界面活性 劑，研磨材料，缓衝劑，腐银抑制劑，酸，基質，或水 等，基本上用於半導體晶圓的研磨製程中。而在另一具體 實施例中，混合室可具有一預混室，連續式研漿傳送系統 另可具有一預分配室，其與預混室能夠液體化連接。化學 參數感測器系統則可與預混室或預分配室耦合在一起。 連續研漿傳送系統另可包含一物理參數感測器系統，其 耦合於混合室，並設定用來感測研漿的物理性質。可感測 的物理性質範例，有：壓力、溫度、濕度、密度、黏度、 動電位及渾濁的光透射度。 在另一具體實施例中，混合室另可包含一攪拌器，用以 混合研漿。研漿成份槽在另一具體實施例中，另可包含一 計量裝置，設定用來量測不同研漿成份進入混合室的速 度。 本發明在先前所提較佳的，及供選擇性的特點，較為廣 泛，因此本技藝的專業人士最好由下述的發明詳細說明進 行暸解。本發明額外的特點也將在下面說明，而構成本發 明申請專利範圍的目的。本技藝的專業人士可以體會到他 們可立即運用所.揭示的觀念，並以特定具體實施例為基 礎，進行設計或修改其它的結構，而能達到與本發明相同 的目的。這些專業人士也可瞭解到如此相同的架構，廣義 而言，並不離開本發明的精神及範圍。 圖式簡單說明

O:\63\63373.ptd 第8頁 ^ 7 80 6 五、發明說明（5) 為了對於本發明提出的方法及裝置能有更完整的瞭解， 必須參考如下的詳細說明，並同時參閱附圖，其中： 圖1所示為一根據本發明原理所構建的連續式研漿傳送 系統的具體實施例； 圖2所示為圖1所示連續式研漿傳送系統的另一具體實施 例：及 圖3所示為圖1所示連續式研漿傳送系統的階梯圖，其應 用於半導體研磨裝置。 圖式詳細說明 請先參考圖1，所示為一根據本發明原理所構建的連續 式研漿傳送系統的具體實施例。一連續式研漿傳送系統 1 0 0具有一混合室1 1 0，一研漿分配器1 1 5，研漿成份槽， 整體標示為1 2 0，個別則標示為1 2 0 a - 1 2 0 h，一化學參數感 測器系統1 3 0，及一控制系統1 4 0。在一較佳具體實施例 中，混合室1 1 0的體積與整體傳送系統的體積相比非常 小，例如，在一具體實施例中，混合室1 1 0的體積約為0. 5 加余，而傳送系統的總體積可以到達3 5 0加舍。但是，必 須瞭解的是，較大體積的混合室11 0亦在本發明的範圍之 内。 每一個研漿成份槽1 2 0 a- 1 2 0 h皆含有不同的研漿成份， 提供整體研磨及調節製程的需要；例如，一氧化劑1 2 1 a， 一界面活性劑1 2 1 b，一研磨材料1 2 1 c，一缓衝劑1 2 1 d，一 腐蝕抑制劑1 2 1 e，酸1 2 1 f，基質1 2 1 g，或水1 2 1 h等。當 然，本技藝的專業人士可以瞭解到其中也可採用不同形式

O:\63\63373.ptd 第9頁 :'806 五、發明說明（6) 的研漿成份。如圖所示，研漿成份槽1 2Oa-1 2Oh皆個別地 與混合室11 0有液體式連結。為了討論起見，液體連結裝 置在個別成份槽120a-120h與混合室11 〇間具有導管122a-122h，可以用於由每一個成份槽120a-120h傳送其成份到 混合室11 0，例如，流體，像是水1 2 1 h，可具有一管路 1 2 2 h，直接連到混合室1 1 0。對本技藝的專業人士而言可 以知道，對於習用的分配液體的溶液，及粉狀的成份，在 通過管路或其它型式的傳送系統時，都會有些問題。每一 個研漿槽120a-120h皆裝設有一計量裝置123a-123h，設定 用來量測個別成份1 21 a-1 21 h傳送到混合室11 〇的速度。 混合室11 0另可包含一攪拌器1 50，由於搖動混合室11 0 的内容物’以便產生實質上均勻.的研漿1 6〇，並傳送給一 研磨裝置1 8 0的研磨板/墊1 7 0。研漿1 5 0為由上述一些個別 成份1 2 1 a - 1 2 1 h所組成的化學懸浮液。本技藝的專業人士 可以知道研漿U 〇的實際成份會隨著欲進行平坦化製程的 材料而不同。 化學參數感測器系統1 3 〇經由感測器1 3 5而耦合至混合室 1 1 〇，其設定成感測研漿的化學性質，例如，研漿丨6〇的離 子濃度或導電度。更準確地說’所感測的化學性質可以為 h^dronium 離子（Η30+) ’hydroxyl 離子（〇Η_)，金屬離子， 或$金屬離子的濃度；或氧化劑的濃度。此離子濃度，或 其它的化學或物理性質，皆可由控制系統丨4〇進析，

第10頁 6 7 80 6 五、發明說明（7) 入適當的化學成份1 2 1 a - 1 2 1 h到混合室1 1 0中，並以適當的 速率來調節研漿1 6 0的組成。 舉例而言，化學參數感測器系統1 3 0在研磨金屬時，測 定研漿160的初始pH為4.7。製程所需的pH值為4.5，控制 系統140即比較出實際pH值4. 7與所需pH值4.5的不同，並 指使計量裝置1 2 3 f由酸成份槽1 2 0 f引入經過速率計算的酸 1 2 1 f到混合室1 1 0中。本技藝的專業人士立即可以瞭解透 過連續監視多個化學參數，研漿1 6 0的組成僅會與所需要 的參數有些微的差距。因此，研漿1 6 0組成的閉路式控制 將可加速CMP製程，並改善半導體晶圓的產量。同時，藉 由不同成份槽1 2 0中具有水1 2 1 h，或其它溶劑/清潔劑（未 示），混合室11 0及研漿分配器1 1 5即可被快速沖洗，而預 備轉換到不同的製程，例如由金屬研磨轉換到介電質研 磨。先前技藝中的大批量作法因而可以避免，另外當研漿 成份係與其它成份隔離時，可避免處理過多的研漿混合 物。由此，對環境而言，化學物質1 2 1 a - 1 2 1 h被保留在個 別的成份槽中1 2 0 a - 1 2 0 h，直到小量需要這些成份，因此 而避免有潛在毒性化學物質的廢料，因為一旦混合之後， 即不可能用經濟的方法將其分離。 連續式研漿傳送系統1 0 0另可包含一物理參數感測器系 統1 9 0，其與混合室1 1 0及控制系統1 4 0耦合在一起。物理 參數感測器系統1 9 0可以收集目前的資料，例如，研漿混 合室1 1 0中的溫度，壓力，濕度，渾濁度，密度，黏度， 動電位等等。控制系統1 4 0取得這些資料，而用以對環境

O:\63\63373.ptd 第11頁 ” 8 Ο 6 _______________ 五、發明說明（8) =必要的調節。舉例而言，實際環境溫度可為5 0 °C，而所 的溫度為5 5 °c。控制系統1 4 0在感測到此差異之後， 即^使加熱器1 9 3增加環境溫度’直到5 5它。如果研漿溫 度是控制因子，則也可如上述方式進行感測及調節，例 σ 可在混合室11 〇的周圍用冷水或熱水沖洗1 9 5。此為本 技藝專業人士所熟知用來控制懸浮液物理參數的方法。 連續式研漿傳送系統丨〇〇另可包含一加壓系統（未示）， 及可調式壓力噴嘴用於傳送選定的一種或多種成份到研磨 :/，塾力:7:夂1像是水或其它的清潔液體。在此具體實施例 垒糸'·先可用來清潔或調節不同研磨過 墊。本技藝專業人士所熟知的加壓流體傳送 a 、研磨 在本發明中。 也统即可應用 參考圖2，其為圖1所示連續式研漿傳送系 實施例。在此具體實施例中，連續式研漿傳堪^另一具體 以包含一預混室2 1 1及—預分配室2丨2。研滎由，統2 0 0可 1 2 1 a-1 2 1 h的混合，係在預混室2丨j中進行。坱=別成份 160則傳送到預分配室212，從此處研漿m被'^，研装 板/墊1 70上。在此具體實施例中，一化學參々配到研磨 2 3 〇及一物理參數感測系統2 9 0 a， 2 9 0 b，可以^測器系統 預混室211，如290b，及預分配室212，如29時耦合至 測系統2 3 0的部份29〇a， 29〇b可以依需要分開，。當然，感 佳的效率。裝設特定感測器到預混室2丨j或預八而得到最 好處，可立即為本技藝專業人士所瞭解，而^配室2 1 2的 明的範圍。 i不影響本發

第12頁 30 s 五、發明說明（9) 參考圖3，其為圖1所示連續式研漿傳送系統的階梯圖， 其應用於半導體研磨裝置。一半導體晶圓310被安置於一 研磨裝置3 8 0的研磨頭3 2 0處。半導體晶圓3 1 0可能在任何 製造階段需要平坦化，例如：基板，金屬層，形成微電路 時，介電層等。化學參數感測器系統1 3 0係連續地監視前 述的化學性質，並由控制系統1 4 0對研漿成份1 2 1 a- 1 2 1 h的 分配速率做必要的調節，藉以將實際的化學參數保持在非 常接進所需的參數值。同樣地，物理參數感測器系統1 9 0 連續地監視上述物理性質的實際值*並由控制系統1 4 0進 行前述的調節。半導體晶圓3 1 0係以本技藝專業人士所熟 知的方式進行研磨，值得注意的是，僅有最小量的研漿 1 6 0，約為2公升，是隨時在混合的。因此，可避免混合超 過所需數量的研漿160，同時避免廢料及可能的污染，而 且可將要處理的廢棄研漿1 6 0減到最少，成本也可明顯降 地。由研磨基板，轉換到金屬，或介電質的平坦化製程， 皆可快速完成，並且花費最小。 雖然本發明已有詳細的說明，本技藝專業人士必須瞭解 他們可以做不同的改變，取代以及變化，而不背離本發明 最廣定義下的精神及範圍。

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Claims (1)

1. 487806 六、申請專利範圍 1. 一種連續研漿傳送系統，於使用研漿的研磨裝置，其 包含： 一混合室； 研漿成份槽，每一研漿成份槽皆含有不同的研漿成份， 並呈液體連接的方式連接到混合室，用於以所需速率傳送 不同研漿成份到混合室； 一化學參數感測器系統，其耦合至混合室，並設定成感 測研漿的化學性質；及 一控制系統，耦合至化學參數感測器系銑及混合室，此 控制系統設定用來在一給定速率下引入至少一種研漿成份 到混合室中。 2. 如申請專利範圍第1項之連續研漿傳送系統，其中所 稱之化學性質為一離子濃度或導電度。 3. 如申請專利範圍第2項之連續研漿傳送系統，其中所 稱之離子濃度係由包含以下項次的群組中遘取： hydronium 離子（H30+)濃度， hydroxyl 離子（0H-)濃度， 金屬離子濃度，及 非金屬離子的濃度。 4. 如申請專利範圍第1項之連續研漿傳送系統，其中所 稱之不同研漿成份係由包含以下項次的群組中選取： 一氧化劑， 一界面活性劑， 一研磨材料，

   O:\63\63373.ptd 第Μ頁 4 6 7 8 Ο 6 六、申請專利範圍 一緩衝劑， 一腐独抑制劑， 酸， 基質，及 水。 5. 如申請專利範圍第1項之連續研漿傳送系統，其中所 稱之混合室為一預混室，所稱之連續研漿傳送系統另可包 含一預分配室，與上述預混室呈液體連結，上述預混室具 有一體積，比上述連續研漿傳送系統的體積小。 6. 如申請專利範圍第5項之連續研漿傳送系統，其中所 稱之化學性質感測器系統，其耦合於上述預混室，或上述 預分配室。 7. 如申請專利範圍第1項之連續研漿傳送系統，另可包 含一物理性質感測器系統，其耦合於上述控制系統及上述 混合室，上述物理性質感測器系統係設定用於感測研漿的 物理性質，而控制系統則用於調節研漿的物理性質。 8. 如申請專利範圍第7項之連續研漿傳送系統，其中所 稱的物理性質，由包含以下項次的群組中選取： 壓力， 溫度’ 濕度， 密度， 黏度， 動電位（zeta potential)，及

   第丨5頁 六、申請專利範圍 透光度。 9.如申請專利範圍第1項之連續研漿傳送系統，其中所 稱混合室另可包含一攪拌器，用於混合上述研漿。 1 0.如申請專利範圍第1項之連續研漿傳送系統，其中每 一研漿成份槽另可包含一計量裝置，設定用來量測不同研 漿成份進入混合室的速度。 1 1.如申請專利範圍第1項之連續研漿傳送系統，另可包 含一加壓傳送系統，其與上述研漿傳送系統呈液體式連 結，並設定用來透過一噴嘴而傳送一加壓流體到一研磨墊 上。 1 2. —種用於形成半導體研磨系統所需之連續研漿之方% 法，其包含： 由至少一研漿成份槽，其與上述混合室呈液體式連結， 以一所需比例分配研漿成份到混合室中，每一研漿成份槽 含有不同的研漿成份； 以一耦合至上述混合室的化學性質感測器系統來感測上 述研漿的化學參數；及 以一給定速率分配至少一種上述研装成份到上述混合室 中，經由耦合至上述化學參數感測器系統的一控制系統。 1 3.如申請專利範圍第1 2項之方法，其中所稱感測一化 學參數包含感測上述研漿的一離子濃度或導電度β 1 4.如申請專利範圍第1 1項之方法，其中感測一離子濃 1: 度包含感測由以下項次群組中所選取的一離子濃度： hydronium 離子（Η30+)濃度，

   O:\63\63373.ptd 第16頁 4 J / 8 〇 6 六、申請專利範圍 hydroxyl 離子（0H_)濃度， 金屬離子濃度，及 非金屬離子的濃度。 1 5.如申請專利範圍第1 2項之方法，其中的分配包含分 配由包含以下項次的群組中選取的不同研漿成份： 一氧化劑， 一界面活性劑， 一研磨材料， 一緩衝劑， 一腐领抑制劑， 酸， 基質，及 水0 1 6.如申請專利範圍第1 2項之方法，其中注入一研漿成 份到一混合室中，包含注入一研漿到一預混室中，然後注 入到一預分配室中，上述預混室具有的體積實質上比上述 研漿傳送系統的體積要小。 1 7.如申請專利範圍第1 6項之方法，其中感測一化學性 質，包含感測在上述預混室或上述預分配室中的研漿之化 學參數D 1 8.如申請專利範圍第1 2項之方法，另可包含感測上述 研漿的一物理參數，利用耦合至上述混合室的一物理參數 感測器系統。 1 9.如申請專利範圍第1 8項之方法，其中感測一物理參

   第17頁 六、申請專利範圍 數包含感測由以下項次群組中所選取的一物理性質： 壓力， 溫度， 濕度， 密度， 黏度， 動電位（zeta potential)，及 透光度。 2 0.如申請專利範圍第1 2項之方法，另可包含利用一攪 拌器，在混合室中混合上述研漿。 2 1.如申請專利範圍第1 2項之方法，其中分配包含利用'' 一量計來量測上述不同研漿成份的速率。 2 2.如申請專利範圍第1 2項之方法，另可包含注射一加 壓流體到研磨墊上，此加壓流體係由以液體連結方式連接 到一研漿傳送系統的一加壓傳送系統來分配，其設定經由 一喷嘴來傳送一加壓流體。 23. —種製造半導體晶圓的方法，其包含： 在一半導體基板上形成一金屬層； 將上述半導體基板保持於一研磨裝置的研磨頭； 傳送一連續性研漿到上述研磨裝置的板上，藉由： 以一所需速度分配一研漿成份進入研磨室中，此研漿 成份來自至少一個與上述混合室呈液體式連結的研漿成份 槽，每一個研装成份槽含有不同的研漿成份； 利用一耦合於上述混合室的一化學參數感測器系統來

   O:\63\63373.ptd 第18頁 1 6 7 806 六、申請專利範圍 感測上述研漿的一化學參數；及 以一給定速率分配至少一種上述研锻成份到上述混合 室中，經由耦合至上述化學參數感測器系統的一控制系 統；及 由抵禦上述研磨板的方式來研磨上述材料層。 2 4.如申請專利範圍第2 3項之方法，其中研磨包含研磨 一基板，一介電層或一金屬層。 2 5.如申請專利範圍第2 3項之方法，另可包含在上述半 導體基板上形成内連接的積體電路。

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