TW490753B - Endpoint detection in chemical-mechanical polishing of cloisonne structures - Google Patents

Description

發明領域 本發明關於用於磁儲存裝置的讀/寫頭的製造，特別是 涉及對製造這種讀/寫頭所用的化學機械研磨（C M p ) 製程中的製程控制所做的改進。 發明背景 ，在半導體製程領域中，化學機械研磨（C M p )是一種 廣泛使用的技術，用於材料的平面化和從基底上的薄膜疊 層控制性地去除材料層。在典型的C M p製程中，透過在 有研漿存在的條件下，依控制的壓力使晶圓相對於研磨墊 旋轉（或者相對於晶圓移動墊，或者移動兩者），從半導 體晶圓選擇性地去除薄膜。圖i展示了典型的CMP裝置 ，其中利用晶圓載體n使工件100 (例如其上沈積有 包含一層或多層膜的矽晶圓）保持面向下，並且使用安裝 在研磨台13上的研磨墊12進行研磨；工件與研漿m2 觸。透過馬達16驅動軸15來旋轉晶圓載體川。在有研漿 的情況下利用研磨墊研磨工件的整個表面。因此，從沈= 在基底上的薄膜去除表面的凹凸不平以獲得高度的平面 化。CMP已經被用於從石夕基底上的薄膜叠層去除及/或平 面化各種材料，矽晶圓包括多晶矽、氧化矽和氮化矽。 近年來，CMP已經用於讀/寫頭製造中的珠鄉製程。這 種製程涉及氧化銘（Al2〇3)膜的研磨。如圖Μ所示， 在…心之小結構21上沈積氧化鋁層22 ; mb結構^沈 -4- 積在基礎結構1上，基礎結構可以是基底或膜疊層。然後 採用C Μ P對氧化鋁層2 2進行平面化和去除.，直至曝露.出 母1^丨1^結構21的上表面2ia (參見圖2Β)。於是獲知 琺瑯（cloisonnS )圖形，該圖形之八丨2〇3層22的上表面與 NiFe結構21的上表面是共平面的。 通常在CMP製程中，在薄膜或膜疊層要求的預定位置 停止製程是極端重要的（即當達到終點時）。薄膜的過斫 磨（去除太多）致使工件不能用於進一步處理，從而導致 成品良率降低。薄膜的欠研磨（去除太少）需要重覆進行 C Μ P製程，這是冗長和昂貴的。欠研磨有時被忽視了， 也導致成品良率降低。在上述琺瑯製程中，特別重要的是 對結構2 1的厚度保持嚴格的容限，同時保證去除足夠的 氧化鋁層以便曝露表面2 1 a。 在解決C Μ P終點檢測問題的傳統方式中，對每個工件 測量要去除的層厚和研磨速率，以便確定需要的研磨時 間。簡單地實施CMP製程一段時間，然後停止。由於許 多不同的因素影響著研磨速率，處理期間研磨速率本身可 能變化，所以這種方式遠不能令人滿意。特別{，薄膜的 研磨速率在接近介面時通常發生實質性變化；這使得預測 需要的研磨時間這一過程進一步複雜化。 而且，如圖2 Β所示，要求的綠瑯結構具有極小的圖形 因數；即氧化鋁層2 2的研磨必須持續到N i F e表面2 1 &被 -5-

曝露’但是曝露的NlFe總面積僅是a12〇3/ NlFe介面總 面積的2 %左右。 因此C Μ P製程對讀/寫頭的應用技術要求對例如 Α 12 〇 3和Ν 1 F e材料有效的c Μ Ρ終點檢測技術。此外，期 王原位即時檢測c Μ ρ終點；即不依賴於外部測量例如由 軸馬達1 6引入的電流，也不依賴於由在先的層厚測量所 做的外插。 發明之簡要說明 本發明透過提供用於CMP去除金屬氧化物膜的即時、 靈敏、高解析度的終點檢測技術，使得CMP能夠用於讀 /寫頭製造。 在本發明的CMP終點檢測方法中，在期望作為終點的 氧化铭中（例如在圖2 A所示N i F e結構2 1的頂部上）嵌 入氮化銘（A 1 N)膜作為終點顯示標記。a 1 N與研漿的反 應產生清晰的產物，即氨（Ν Η 3 )，然後從研漿中萃取 氨並且用做顯示C Μ Ρ製程終點的標記。 根據本發明的第一特徵，本發明提供一種瑞鄉結構 (其中金屬氧化物層的上表面與基底上形成的金屬結構的 上表面為共平面）的製造方法。至少在金屬結構的上表面 上沈積氮化物層，在金屬結構和氮化物層上沈積金屬氧化 物層。然後使用研漿和適當的研磨墊（使去除率和研磨均 勻性最佳化，同時使刮痕最小化），透過化學機械研磨 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) 490753 A7 B7 五、發明説明（4 ) (C Μ P )對金屬氧化物層進行研磨。去除氮化物層上的 金屬氧化物，於是曝露金屬結構上表面上的氮化物層。此 時透過CMP製程一起研磨金屬氧化物層和氮化物層；對 氮化物層的研磨將使氨產生於研漿中。然後從研漿中萃取 氣體的氨，根據萃取氨的濃度產生信號。根據信號的變化 終止C Μ Ρ製程。在本發明的較佳實施例中，金屬氧化物 是氧化鋁，氮化物是氮化鋁，在基底和金屬結構上沈積氮 化物層（終點顯示標記）作為共形（conformal)層。 可以根據氨濃度信號的變化圖形終止C Μ P製程。信號 的初始增加表示氮化物層被研磨，隨後的降低表示隨著氮 化物層被從金屬結構上表面去除而最終消失。 根據本發明的另一特徵，本發明提供一種對採用C Μ Ρ 去除金屬結構上的金屬氧化物膜的終點進行檢測的方法。 終點顯示膜首先設置在金屬氧化物膜和金屬結構之間，位 於金屬結構上表面之上。在終點顯示膜的C Μ Ρ過程中， 研漿和終點顯示膜之間的化學反應產物產生於研漿中。從 研漿中提取氣體的化學反應產物，根據提取的反應產物濃 度產生信號。信號變化表示金屬氧化物C Μ Ρ終點。 在C Μ Ρ製程的終點，金屬氧化物膜的上表面與金屬結 構的上表面共平面，所以C Μ Ρ製程導致形成琺瑯結構。 可以根據信號的變化來終止C Μ Ρ製程。具體地，可以根 據信號的降低終止C Μ Ρ製程，因為該降低表示從金屬結 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）

裝 玎

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構上表面去除終點顯示層幾乎完成。 應該注意的是終點顯示層可以位於氧化物膜内的任何 位置’所以可以在膜的預定位置或者在預定的膜 CMP製程。 、 圖式簡單說明 圖1疋典型的CMP製程裝置。 圖和2B疋用於氧化鋁層的CMP膜去除製程的示音 圖。 ^ 圖jA 3C疋用於氧化銘和氮化銘層的cMp膜去除製程 的示意圖’其中氮化鋁層的研磨提供了根據本發明的 C Μ P終點信號。 圖4是用於降低研漿中.的預研磨氨濃度的氨洗滌器的剖 面圖。 圖5展示了用於在研磨過程中從研漿萃取氨的氨萃取單 元的細節。 圖6展π 了用於在研磨過程中從研漿萃取氨的另一種氨 萃取單元的細節。 圖7是根據本發明的終點檢測系統的方塊圖。 較佳實施例詳細說明 目刖已經發現，使用含水和烘製的矽土、並且ρ Η值約 為1 0 · 3的研漿，在氮化矽（S 13 Ν 4 )停止膜上具有氧化 矽（S 1 0 2 )靶膜的基底上進行c Μ ρ時，到達氧化物/氮 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公董) B7 6 五、發明説明（ :物介面時發生化學反應，導致氨（叫）的產生。具 把地，當用烘製的矽土、水和氫氧化# (K⑽）的混合 物研漿研磨氮切時，研漿值約是Η 5，發生以下 反應：

SisN4 + 6KOH + 3H20-3K2Si〇3 + 4NH3 Q此田到達氧化物/氮化物介面時，作為氣態反應產 物，在研漿中產生氨。 在本發明的琺瑯CMP製程中，使用同樣的研漿；特別 是，P Η值與上述氮化矽的c M p中同樣高（約丨〇 . $ )。 根據本發明，用氮化鋁（A1N)膜31塗佈NiFe結構 21和基礎膜/基底i。然後用人丨2〇3膜22過塗佈a1N膜 3 1，如圖3 A所示。正如熟習本項技藝人士所瞭解的，透 過在Ah〇3的反應濺鍍中添加氮承載氣體，Al2〇3沈積製 程可以修改為增加A 1 N膜。 在存在鬲p Η值水溶液的條件下進行研磨的過程中， A 1Ν膜反應產生氨。其反應如下： 2A1N + 3H20 —Al2〇3 + 2NH3 當對A 12 Ο 3膜2 2進行平坦化和局部去除處理，曝露覆 蓋NiFe結構部分的Α1Ν膜31的上表面31a時（圖3Β)， 開始A 1 N膜的研磨。曝露的a 1 N促進與研漿中的水的反應 產生氨。產生的氨溶解在研漿中，由於pH值相當高，所 以主要是以NKh的形式而不是nh4 +的形式存在。因此， -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 490753 A7 B7 五、發明説明（7 ) 研漿中氨濃度的變化表示A1N膜3 1的曝露程度的變化。 當A 1 N膜被從N i F e結構2 1頂部清除時，曝露的a 1 N量 急劇降低；僅有小部分3 1 b曝露（圖3 c )。因此研蒙中 的氣濃度也降低，顯示C Μ P製程的期望終點。 應該注意的是A1 Ν層3 1與Ν 1 F e結構2 1是共形的；因此 在CMP製程過程中，隨著Al2〇3去除製程曝露出NiFe上 表面21a上的A1N表面31a，首先到達ai2 〇 3/A1N介面。 換言之’氨發生膜自對準於其上要求終點的表面。 更普遍地’透過監視研漿中的氨濃度，可以檢測覆蓋 含A1N膜的任何不含A1N.膜的去除終點。 還應該注意的是即使膜是同一類型，也能檢測另一種 膜之上的一種膜的去除終點，只要與研漿的反應產生的化 學反應產物具有與兩種膜不同的濃度即可。例如，氧化物 層中的氮化物污染物將與研漿反應形成氨。如果兩個氧化 物層具有不同的氮化物濃度，氨反應產物的濃度將不同。 這種濃度差別可以檢測並用於確定另一氧化物層之上的一 層氧化物層的去除終點。 而且’將認識到無論A1 N膜埋置在A 12 Ο 3層的什麼位 置，都能夠用做終點顯示。 為了實現在研漿中產生氨，作為適用於製造的終點檢 測方案的一部分，需要即時和原位的研漿收集和取樣。收 集和取樣最妤提供對氨具有高敏感性的快速回應。使與研 -10- k張尺度適用中國國家標準(CNiT^(210 x 297公爱)---- 490753 A7 ____B7 五、發明説明（8 ) 漿中和周圍空氣中其他物質的介面效應最小化。 在用於研磨之前上述研漿一般包含氨。預研磨氨濃度 可以南達5.0Χ1〇'5μ。低圖形因數（即與A1N和Al2〇3 的總面積相比曝露的A 1 N面積小）的a 12 〇 3 / a 1 N介面研 磨可以產生的氨濃度在1 · 〇 X丨〇 -5 M的數量級。因此，不 能從研漿中的預研磨氨濃度的波動識別因製程終點引起的 氨濃度變化。因此，必須降低研漿的預研磨氨濃度，以便 獲得期望的敏感性。這可以透過使用氨洗滌器4 〇 〇來進 行，如圖4所示。洗滌器的主要部件是·Liqui_cel膜片接 觸器 40 1 ( Hoechst-Celanese 製造的 4x28 型），含有 C e 1 g a r d微孔聚丙婦纖維4 〇 2。這些纖維是疏水的，使 水基溶液不能滲透纖維膜片，但是可使氣體交換。來自儲 液器（未示出）的研漿在4 〇 4進入接觸器4 〇 }，在纖維外 侧上流過接觸器4 0 1，在從4 0 6排出並再循環回到4 〇 4之 前，可使氨滲透到纖維内部。為了有助於去除研漿中的 氨，使來自另一儲液器（未示出）的1)11值大約為3WHC1 水溶液在纖維内侧上循環，在4 0 8進入，從41〇排出，然 後再循環回到4 0 8。來自研漿的氨氣與此η c 1流交遇，由 於pH值低，所以立即轉變為ΝΗ/，有效地防止了 ΝΗ3在 洗滌器内部聚集。再循環HC1流和儲液器可以是用於大量 來自研漿的氨的水槽。研漿中的預研磨氨濃度於是可以降 低到大約2.5 X 1 0 · 6 Μ。 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNs) Α4規格(210 X 297公釐) 490753 A7 B7 五、發明説明 為了透過監視研磨期間產生的氨濃度來檢測C Μ P製程 的終點，必須從研漿萃取氨。這可以採用氨萃取單元2 〇 〇 來完成，如圖5所示。萃取單元200具有其中形成有通道 2 0 1的主體2 1 0 (例如塑膠塊）。通道2 〇 1透過進口連接 器202與乾燥、清潔（即無氣、氮氧化物和胺）的載體氣 體（例如調整過的空氣）源連接。通道2 〇 1還透過出口連 接器2 0 3與檢測單元（未示出）連接，檢測單元接下去與 真空泵（未示出）連接。單元底部由疏水氣體滲透透氣膜 片220覆蓋。這樣通道201包括具有沿其長度部分走向的 透氣膜片的氣體流動通道。通道201中的載體氣體壓力保 持低於大氣壓。提取單元與研磨墊12頂部的研漿14接 觸。溶解在研漿中的氣體滲透透氣膜片220，由於膜片上 的壓差而進入氣流。萃取單元和研漿之間的接觸，以及研 漿和研磨墊表面之間的接觸，用以防止大氣空氣進入氣 流。另一個膜片2 3 0放置在氣流中，防止膜片2 2 0被損壞 從而研漿進入通道2 0 1時研漿到達檢測單元。帶有被引入 的氨反應產物的乾燥載體氣體透過節流裝置2 4 0被抽出。 用於氨萃取單元的另一種裝置如圖6所示。萃取單元 3 0 0可以由聚丙烯微孔空心纖維3 〇 2構成，這種纖維由拆 卸的1^111<£1接觸器（1^(^(：1^-€61&1^6製造的2.5\8型）來 獲得。纖維3 0 2可使氣體從外部進入纖維内部，但液體不 能進入。纖維3 〇 2外部的研漿經過入口 3 0 4抽入萃取單 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇χ 297公釐) 490753 A7 B7 五、發明説明（10 ) 元，經過出口 3 0 6排出萃取單元。清潔乾燥的載體氣體 (例如調整過的空氣）透過入口 308抽入提取單元，經過 纖維内部，從出口 3 1 0排出，帶走氨氣分子。另外，研漿 和載體氣體可以分別沿疏水氣體滲透透氣膜片的外侧和内 侧抽出。在進入萃取單元3 0 0之前，可以透過含有氨篩檢 程式的乾燥器（未示出）抽出載體氣體。按大約3 0托的 減壓抽出載體氣體，有助於從研漿經過纖維把氨輸送到氣 流。減壓還提高了整體流動速度，從而縮短測量氨濃度變 化的回應時間。 然後把含氨氣體樣品氣流饋入用於監視氣體中氨的存 在的分析單元5 0 0。分析單元輸出表示氣流中存在氨的信 號5 0 1，從而表示膜去除製程的終點。 可以採用各種方法以高的靈敏度和快的回應時間檢測 氣流中氣的存在。已由本發明人成功使用的這樣一種方法 涉及化學發光信號的檢測。細節可見L i等的美國專利申 請 09/073604 “Indirect endpoint detection by chemical reaction and chemiluminescence” ，氨可以轉變為不同的產物，例如 氮氧化物，然後根據與臭氧的反應發射化學發光。具體 地，採用催化反應轉變氨， nh3 + 〇2->n〇 + h2〇 透過NO產物與臭氧的反應產生化學發光物： NO + O3—^N〇2 +〇2 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝

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N〇2 ~>N02 + hy 採用光電倍增管檢測#光。$種技術已經用於在每十 億一個子部分（sub-parts-per-bUlicm)的水平檢測氨，同時 避免其他化學影響。 圖7是上迷各種單元的方塊圖，用於檢測埋置有“Μ終 點顯示層的氧化鋁CMP製程的終點。接收來自分析單元 5 0 0的信號501作為輸入的控制器6〇〇，最好包括執行控 制程式的電腦，監視C Μ P製程並且確定製程終點。當到 達C Μ Ρ製私的終點時，電腦向研磨設備丨〇發送控制信號 60 1，終止膜去除製程。.控制器6〇0還接收來自研磨設備 1 〇的起動信號，觸發程式開始自動監視終點信號。信號 调節單元6 1 0可以用於保證到達研磨設備丨〇和控制器6 〇 〇 的#號處於適當的電壓電平。用於閉路製程控制的終點信 號的使用已在其他地方被揭露，在此不必詳細討論。 信號5 0 1的實際強度取決於幾個因素，通常從一個工件 到下一個工件是不一致的。特別是，氨產生量嚴格地取決 於圖形因數（到達A12 0 3 / A 1 N介面時曝露的a 1N的相對 面積）。因此，終點控制信號6 0 1不直接取決於氨濃度， 而是取決於氨濃度的變化。如上所述，氨濃度的增大表示 已經到達A 1 2 0 3 / A 1 N介面（可見圖3 B )，隨後氨濃度 降低表示A 1 N的曝露表面3 1 a已被清除，從而曝露n i F e 結構2 1 (可見圖3 C )。 -14- 本紙張尺度逋用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 490753 A7 B7 五、發明説明（12 ) 雖然按具體實施例的方式介紹了本發明，但是從上述 說明可知，各種變化、改進和變形對於熟習本項技藝之人 士來說是顯而易見的。因此，本發明應包含關於本發明和 後列申請專利範圍的範圍和其精神的所有這些變化、改進 和變形。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局屬工消費合作社印袋 490753 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 . 一種綠瑯結構的製造方法’其中金屬氧化物層的上表 面與基底上形成的金屬結構的上表面為共平面，該方 法包括以下步驟·· 至少在金屬結構的上表面上沈積一氮化物層. 在金屬結構和氮化物層上沈積金屬氧化物層. 透過使用研漿的化學機械研磨製程（C μ P )對金屬 氧化物層進行研磨，去除氮化物層上的金屬氧化物， 從而曝露金屬結構上表面上的氮化物層； 透過CMP製程研磨金屬氧化物層和氮化物層，對氮 化物層的研磨將在研漿中產生氨； 從研漿中萃取氣體的氨； 根據在所述萃取步騾萃取的氨的濃度產生信號；及 根據信號的改變終止c Μ Ρ製程。 2 .如申請專利範圍第1項的方法，其中金屬氧化物是氧化 鋁，氮化物是氮化鋁。 3 .如申請專利範圍第1項的方法，其中在基底和金屬結構 上沈積氮化物層作為共形層。 4 .如_请專利範圍第1項的方法，還包括在前述研磨步驟 之前從研漿去除氨的步驟。 5 .如申請專利範圍第丨項的方法，其中根據信號的降低來 終止CMP製程’前述降低表示從金屬結構上表面去除 氮化物層以曝露所述表面。 -16 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格-—— I!------f (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線- 490753 A8 B8 C8 D8

   六、申請專利範圍 6.如申請專利範圍第卜頁的方法，其中前述產生步驟、 括： Μ I 把在前述萃取步驟萃取的氨轉變為不同的化學產 物； 使化學產物產生化學發光；及 檢測化學發光，提供前述信號。 7 f請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁，> 一種覆蓋基底的金屬氧化物膜的去除終點的檢測方 法，透過使用研漿用化學機械研磨（CMp)製程進行 去除，該方法包括以下步驟： 在金屬氧化物膜和基底之間設置終點顯示膜； 在C Μ P過程中，在研漿和終點顯示膜之間的研漿中 產生化學反應產物； 從研漿中萃取氣體的化學反應產物；及 根據在前述萃取步驟中萃取的反應產物濃度產生信 號， 其中信號變化表示金屬氧化物膜的去除終點。 8 .如申請專利範圍第7項的方法，其中在C Μ Ρ製程的終 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 點，金屬氧化物膜的上表面與金屬結構的上表面共平 面，以使C Μ Ρ製程形成琺瑯結構。 9 .如申請專利範圍第7項的方法，還包括根據信號變化終 止C Μ Ρ製程的步騾。 10.如申請專利範圍第9項的方法，其中根據信號的降低終 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 490753

   止C Μ P製程，前述降低表示終點表示層的去除。 U.如申請專利範圍第7項的方法，其中終點表示膜包括金 屬氮化物。 12. 如申請專利範圍第丨丨項的方法，其中金屬氧化物是氧 化銘，氮化物是氮化鋁，化學反應產物是氨。 13. 如申清專利範圍第i 2項的方法，其中利用c Μ P製程使 金屬氧化物膜的上表面與金屬結構的上表面共平面， 該方法還包括根據信號的降低終止C μ Ρ製程的步騾， 前述降低表示從金屬結構的上表面去除了氮化銘。 14. 如申請專利範圍第7項.的方法，其中，前述產生信號的 步騾還包括： 把在所述萃取步騾萃取的反應產物轉變為不同的化 學產物； 使化學產物發射化學發光；及 檢測化學發光，提供前述信號。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 經濟部中央標隼局員工消費合作社印装 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇 X 297公釐）