TW495414B - Method of controlling a polishing machine - Google Patents

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495414 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 土請案之相關Uf : 針對申請於1 999年1?曰Μ 月12曰之美國暫時申請案第 60/1 58,753號，本申請奢二主 〒明案凊求其優先權。 發明領域： 本發明是有t u 、土材的化學機械研磨（Chemical Mechanical P〇iishing ; )’且特別是有關於一種控制 研磨設備之方法。 發明背景： 、.’工由導半導體或絕緣層的連續性沉積，積體電路 -般是形成在基材上’特別是切晶圓上。當每一層被沉 積後，再經由蝕刻產生雷致姓 王包路特性。當每層被依序沉積和蝕 刻，基材的最外部或最I«士《 4γ 1飞取上万<表面，也就是基材暴露的表 面會逐漸變成非平扫性。土含插非 r k種非平坦性的表面會在積體電

路製程的微影步驟中出現卩Ej HTg rp ,. A 少％ 丫 現問嘁。因此，需要週期性地平坦 化此基材表面使其形成一平坦表面。事實上，平坦化是^ 研磨非平坦性外部表面，而非關乎導體、半導體或^ 層’藉以使其形成相對平坦且平滑的表面。 化學機械研磨是一種可接受的平坦化方法。這種平坦 化方法常需要將基材置於攜帶頭或研磨頭上，並暴露出欲 研磨之表面。然後將此基材置於面對一旋轉研磨板之位置 上。而且，此攜帶頭能夠旋轉以提供基材與研磨表面的附 加運動。另外’研磨漿含有研磨粉和至少一種以上的化學 第2頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 11 -------^---IV----^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495414 五、發明說明（） 、〖藥^，彳塗在研磨板上來提#研磨板和 磨劑的化學溶液。 土材介面間问 化學機械研磨的處理效果可經由 率、研廢紝吳r#权士 \τ衣两的研應 研磨一(粗糙邵分)及平坦度(缺少大尺 ^ 測。若平坦度及研磨不足均合產 撲）來重 1日屋生基材缺陷。研廢盘窃如 研，‘一層所需時間和研磨設備的最大輸出功率。疋日 -種典型的化學機械研磨是由軟體所控制 需經由配方調整，亦即先用一、 而此軟胆 〜 ㈤&預先設疋的機械參數執行 母個步驟，然後軟體再經由一_研磨步驟，像是研磨 板的旋轉率、研磨漿傳遞率等來作調整。 然而，一般的研磨配方可能耗費時間且困難，因為每 個配方都需由嘗試錯誤才能得到。 ’ 發明目的及概沭： 、本發明（目的在提供一種可應用於決定研磨配方的 方法，在本方法中，以複數個參數組合來研磨複數個測試 基材。並量測每個測試基材的研磨輪廓，並以預期的基材 輪廓與所需的基材輪廓之差，取最小化來計算對每個研磨 參數組合的研磨時間。 本發明可由下列一至多個步驟來實行。對於這些參數 組合的每個研磨時間可使用一連串參數組合對元件基材 研磨來計算。元件基材的初始輪廓可被決定，而預期的基 材輪廓亦可由總研磨輪廓與初始研磨輪廓之間的差來計 算。總研磨輪廓可由研磨時間與測試基材的量測輪廓組合 第3頁

A7 B7 、發明說明（ 的之和來計算。 以另 一、 万’在本方法中，以實際元件基材研磨所使 :複數個參數組合來研磨複數個測試基材。這包含研磨 /第、、且’則試基材來決定研磨輪廓的變化與接觸區域直 /、函數關係，並研磨一第二組測試基材來決定研磨輪廓 的變化與保持環壓力《函數關係。每個測試基材在複數個 、同半伎位置所被去掉的材料總和被量測出來，所需的輪 廓亦即通過基材所需的厚度即被計算出來。隨後計算複數 個“ τ頭參數組合的每個研磨時間，使得預期的基材輪廓 大致等於所要的基材輪廓。 本發明的較佳實施例可包含研磨一第三組測試基材 來/夬定研磨輪廓的變化與邊緣控制環壓力的函數關係。 本發明的實施例可有下列一個或多個優點。亦即，可 得到較好的研磨配方。對攜帶頭的壓力的配方可從實驗的 數據來產生，因此可提供比理論模型為基礎的技術還精確 的預測。因此，可很快的產生出配方。 1式簡單說明： 第1圖係緣示化學機械研磨之圖例； 第2圖係缯·示截面圖，其係為化學機械研磨之攜帶頭； 第3圖係繪示本發明之一實施例之流程圖；以及 第4圖係繪示不同的研磨參數所得到的研磨輪廓之圖示。 各圖中相同的符號代表相同的元件 --------1 ^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 圖號對照說 20 化學機械研磨 2 8 研磨漿傳送口 60 旋轉軸 70 攜帶頭系統 74 攜帶設備手柄 102 外罩 106 裝載腔 110 基材後退配 114 外膜 118 外部膜 12 2 内浮動腔 件 A7 B7 24 旋轉平台 30 研磨板 62 中心柱 72 狹縫 1〇〇 攜帶頭 104 108 112 116 120 124 基部組合 固定環 内膜 間隙環 上浮動腔 外浮動腔 發明詳細說明i 本發明提供 種 .I ^----- I---^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 決定研磨配方之方法〜v m笨 機械研磨的效果一樣，4 t 千 達到晶圓表面的一致平坦性。本方 法包含以複數個參數組人 |、、·且合來研磨複數個測試基材，對每個 測試基材量測研磨的輪虛 ^ v ^ ^ ^ 鄭’並以預期的基材輪靡與所需的基材輪廓之差，取最小外七M # 化來計算對每個研磨參數組合的研 磨時間。 利用本方法的執行可自動產生研磨配方。首先，以每 個研磨步驟去除的輪廓來累積實驗數據。為了產生研磨配 方，系統需計算每個基本研磨步驟的係數，這個係數決定 了研磨輪廓總共所需的時間。選定此係數使晶圓最後輪廓 使其如同化學 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 495414 A7 B7 五、發明說明（） 達到最小。在研磨過程中，執行一連串研磨的步驟來計算 時間的總和。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1圖所示為化學機械研磨20。在圖中雖然只列出單 一的研磨站，但化學機械研磨可包含很多研磨站。研磨站 包含位於研磨板30上之旋轉平台24。每個研磨站也包含 研磨漿傳送口 2 8，和一未顯示圖中之研磨板調節器，此調 節器可保持研磨板狀態使其有效的研磨基材。 可轉動之旋轉軸60由中心柱62支撐並夾住一至多個 攜帶頭系統70。每個攜帶頭系統7〇包含一個攜帶頭1 〇〇。 攜帶設備手柄74連接攜帶頭旋轉馬達（未顯示）與每個攜 帶頭100使每個攜帶頭可依照自己的座標獨立旋轉。另 外’每個攜帶頭1〇〇獨立地在旋轉軸支撐板66的狹缝72 中橫向擺動。 第2圖為化學機械研磨設備之攜帶頭1 〇〇。類似的攜 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 帶頭在美國申請案第6 0/114,182號（1998年12月30日） 及美國申請案第09/470,820號（1999年12月23日）都有很 詳細的描述，這些均在此當作參考文獻。攜帶頭1〇〇包含 外罩102、基邵組合1〇4、裝載腔106、固定環1〇8、基材 後退配件1 1 0。基材後退配件丨丨〇包含内膜丨丨2和外膜 114’外膜114可定義出三個加壓腔，亦即上浮動腔ι2〇, 内浮動腔122、和外浮動腔124。藉由使用外罩1〇2和基 部組合1 04的通道來改變膜中壓力，使用者可改變内膜 112和外膜114之接觸區域半徑，與外浮動腔I?#對抗位 在接觸區域的晶圓之壓力。 第6頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） 495414 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中iiii^CNS)A4規^; 五、發明說明（ 攜帶頭也包含位於固定環1 0 8與外部膜i丨8間的間隙 環116’和位於外浮動腔124之邊緣負载架構118。藉由 對上浮動腔1 20加壓·與内浮動腔1 22抽真空，邊緣負載架 構1 1 8可被擠壓來反抗外膜1 1 4的上表面藉以在背面表層 環狀區提供一附加的區域壓力，亦即在晶圓的周圍或附 近。另外，藉由選擇裝載腔106的壓力可改變固定環1〇8 對抗研磨表層的壓^力。 請參照第3圖’方法200是一種在不同的腔控制壓力 的配方。一般而言，研磨配方係假設完成一連串基本的研 磨步驟（每個皆含有預先選好的攜帶頭參數）。首先，量測 每個研磨步騾所去除的輪廓以累積實驗數據。為了產生研 磨配方，系統計算每個基本研磨步騾的係數，這個係數決 疋了研磨輪廓總共所需的時間。選定此係數使晶圓最後輪 廓達到最小。研磨過程中，執行一連事研磨的步驟來計算 時間的總和。 最初，對測試晶圓研磨所用的攜帶頭參數將在實際裝 置晶圓研磨時被使用。研磨-组測試基材來決定研磨輪廊 的T化與接觸區域直徑之函數關係（步驟2〇2)。研磨另— 組晶圓來決定研磨輪廓的變化與邊緣控制環壓力之函數 關係（步騾204)。再研磨另—知曰^ %足另、、且卵®來決定研磨輪廓的嫩 化與固定環壓力之函數關係（步驟2〇6卜 欠 例如在步驟202中，第〗徊9^ 弟1個叩囫可用直徑40公| 接觸面積研磨，另一㈢圓 、 W研磨$曰…可用直徑60公釐的接觸面積 磨’如此每次以2 0公釐辩加5】0 Λ 曰至1 8 〇公釐。每個晶圓用相 第7頁 297公釐） ---------# r----------訂--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7

495414 五、發明說明（） 同的接觸壓力PCA1 (雖然接觸區域的直徑不同）及相同的時 間，例如30秒。在步驟204中，第1個晶圓可用邊緣控 制環壓力PELR1和固定環壓力Prri研磨，第2個晶圓可用 邊緣控制環壓力PELR2和固定環壓力Prri研磨，第3個晶 圓可用邊緣控制環壓力pELR1和固定環壓力Prr2研磨，第 4個晶圓可用邊緣控制環愿力pELR2和固定環塵力研 磨。同樣的，每個晶圓以相同的時間，例如3 〇秒，及最 小或無接觸區域壓力研磨。最後，在步騾206中，以幾個 固定環壓力的“基線”條件（即無中心或邊緣環壓力）對一 些晶圓進行研磨步騾。 一旦晶圓被研磨後，每個晶圓在幾個不同半徑位置所 總共去除的輪廓便可被量測出來（步騾2〇8)。藉此可產生 對每組研磨參數組合的研磨輪廓基本資料。樣本晶圓研磨 輪廓的結果可由第3圖中之步驟202-206得到。藉由配方 產生态’便可使用這些基本資料來計算每個研磨步驟的研 磨時間。 一旦測试晶圓經過研磨且測試晶圓的研磨輪廊被計 算出來便可產生基材的初始輪廓。在測試環境中，可由產 品的規格簡單的假設初始輪廓，反之，在製造環境中，曰 圓被研磨後的初始輪廓可由度量裝置來量測。度量裝置的 量測值可被手動地輸入配方產生器中。配方產生器可產生 一初始輪廓[Ρ〖]’ [PJ為一 1XM之列矩陣，M為量測點數 目，量測值則係被置於矩陣的每一列中。 當初始輪廓產生和測試晶圓研磨之前或之後，使用者 ·---·-------裝---------訂----- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第8頁

495414 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 可根據所需的整個晶圓厚度建立所需的輪廓（步驟2丨2)。 此輪廓可用1 X M之列矩陣[PD]表示。特別是，使用者可 以指定所需的最後厚度，而配方產生器可以將此厚度放入 矩陣的每一列中。 一旦測試晶圓被研磨後，便可量測出測試晶圓的研磨 輪廓’並建立所需的輪廓之初始值，藉此產 一基本資料的資訊可表示成_個去除研輪磨廊= [PR]i ’每個[PRh ’ [PR]2 ’[PR]N，分別填入研磨步驟 為1，2，…，N所量測的1 X Μ之列矩陣。 總去除輪廓（即被去除之總和如同半後公式）可由下式 計算（步騾216)。 N T. 之=丄base 其中，[PR]i為步驟i的去除率，Ti為步鲈.^ + 局货騍1的研磨時間（在 以下會計算），Tbase為測試晶圓的研磨時間，即秒，n 為研磨步騾總數。預期的晶圓輪廓「ρ ι L Η為初始輪廓和總去 除輪廓之差，即[PphtPd-fPj^T。 為產生此配方，配方產生器可計算研磨時間Tiw 合，而獲得由所需的輪靡[Pd]所預期的晶圓輪廊[pp]之最 小變化(步驟218)。最小化步驟則可針對整個晶圓的某個 直徑範圍來被執行，例如，由3到i 9 A漫’或1 0到1 9 〇 公釐。最小化的計算可由傳統方法執 飒仃。例如，矩陣[Pp],

[P!]，[Pr]t，和研磨時間丁丨可寫入Εχ lR XCel的空白表格中， 之後再將這些組合的方程式寫入空白 二曰表格中，而研磨時間 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐- 11III1IIIII 1 I I ί 1 I I ^ · I------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495414 A7 五、發明說明（ " 1的解答公式取預期的晶圓輪廓[PP]和所需的 輪麻[曰Pd]之間的總差值最小化來計算。或者引用-或多個 偏移f來最佳化研廢择_ 彳 研磨時間例如，[2_]和[Zmax]並以他們 為邊界去最小化預期的晶圓輪廓[Pp]和所需的輪廓[Pd]之 間的誤差。 、這些被計算出來的研磨時間乃可被手動地輸入化學 機械研磨控制系統中，此系統係執行每個研磨步驟以計算 時間Ti的總和（步驟22〇)。 在生屋系統中，資料會在不同的元件之間自動傳送。 例如，初始晶圓輪廓由量測系統自動傳送至配方產生器， 而研磨時間L由配方產生器自動傳送至控制系統。事實 上，配方產生器的執行就像控制系統本身的一部份。或研 磨時間的計算可像研磨配方的一部份般被儲存在電腦可 讀取媒體之獨立檔案。當有需要時，含有研磨時間組成的 研磨配方’可被載入於研磨設備的控制軟體中。 雖然很多相似的執行和儲存就像一般數位電腦的軟 體及包含在電腦可讀取的媒體中之指令，配方產生器也可 用硬體、韌體、軟體或以上之結合來執行，包含特定積酽 電路應用（ASIC)。 本發明的較佳實例如上所述。不過，可以瞭解的是， 凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變 或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍内。 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ..---.-------- (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁} * n n ·1« i I n tmf ,4. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Claims (1)

1. 495414 A8 B8 C8 ____ D8__ _ 六、申請專利範圍 1 · 一種決定研磨配方的方法’至少包括： 以複數個研磨參數組合研磨複數個測試基材； 量測每一該些測試基材的一研磨輪靡；以及 以一預期的基材輪廓與一所需的基材輪廓之差，取 最小化來計算每一該些研磨參數組合的一研磨時間。 2.如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括以每一該些 研磨參數組合對一元件基材研磨，來計算該些研磨參數 組合的該研磨時間。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括決定該元件 基材的一初始輪摩。 4.如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括由一總研磨 輪廓與一初始研磨輪廓之差，.來計算該預期的基材輪 廓。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之方法，更包括由該研磨時 間與該些測試基材組成的量測輪廓之和，來計算該總研 磨輪廓。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之每一該 些研磨參數組合計算該研磨時間包括表示一總去除輪 廓[Pr]t如下 第11頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) f i—ri —訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495414 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 N T. [4]Γ'Σ 卢％ 1 - base 其中[Pnh為該些測試基材的量測輪廓，Tbase為該些 測試基材被研磨的時間總和。 7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，更包括重複計算Ti 去最小化[ΡοΜίΡ + ΡιΟτ)之值，其中[PD]為一所需的研 磨輪廓，[Pi]為研磨前該基材的一厚度輪靡。 8. —種決定研磨配方的方法，至少包括： 以複數個攜帶頭參數組合研磨複數個測試基材，其 中該些攜帶頭參數可被用在複數個實際元件基材的研 磨，至少包括： 研磨一第一組測試基材來決定一研磨輪廓的變 化與一接觸區域直徑之函數關係； 研磨一第二組測試基材來決定該研磨輪廓的變 化與保持一邊緣控制環壓力之函數關係； 量測每一該些測試基材在複數個不同半徑位置所去 除材料之總和； 根據通過該些測試基材所要的厚度以產生一所需的 輪廊，以及 計算每一該些攜帶頭參數組合的一研磨時間，藉以 使得一預期的基材輪廓實質上約等於一所需的基材輪 廓。 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·111111 丨-餐· 495414 A8B8CSD8 六、申請專利範圍 9 ·如申叫專利範圍第8項所述之方法，其中上述之研磨該 些測試基材的步驟，至少包括研磨一第三組測試基材來 決定Μ研磨輪廓的變化與該邊緣控制環壓力的函數關 係。 10.—種電腦程式產品，其可詳細的被儲存在一電腦可讀取 媒體中，該電腦程式至少包括可操作一機器的複數個指 令並影響該機器動作如下： 以複數個研磨參數組合研磨複數個測試基材； 里測蔹些測試基材之每一研磨輪廓，並以一預期的 基材研磨輪廓與一所需的基材輪廓之差，取最小化對每 一該些研磨參數組合計算一研磨時間。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} · n n n i H “δ、· n n ϋ ϋ la ·ϋ I I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第13頁