TW556282B - CMP process involving frequency analysis-based monitoring - Google Patents

Description

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發明領域 本么明係關於化學機械拋光以及監視拋光製程的方法。 發明背景 化學機械拋光法(，，CMP，，)是用在微電子元件的製造，以 在半導體晶®1場、發射顯示器和其他微電子基板上形成平 L的表面’例如：微電子元件的製造一般包含各種製程層 的开二成，選擇除去或是圖案化部分層，以及沉積額外的層 於半導體基板的表面，用以形成半導體晶圓。而製程層包 =，如：絕緣層、閘極氧化層、導電層和金屬或玻璃層 等，經過幾個製程步驟之後通常希望最上層的製程層是平 坦的，用以沉積下一層。化學機械拋光法是用以平坦化沉 積的材質，如：導體或絕緣材質，平坦化晶圓以利下一個 製程步驟。 在典型的化學機械拋光法裡，晶圓倒置附著在化學機械 拋光器具的一個載具上，有力推動該載具使得該晶圓朝下 往拋光墊接近，該載具及晶圓在化學機械拋光器具的拋光 平台上的旋轉拋光墊上旋轉。一般而言拋光製程時，在旋 轉的晶圓及拋光墊間加入拋光劑，此拋光劑通常含有一化 學物質，用以反應或溶解部分的晶圓上層，並去除掉部分 的層。而晶圓和拋光塾的旋轉方向可以同向，亦可以反 向，以實現特定的拋光製程。該載具亦可在拋光平台上擺 盪穿越拋光墊。 化學機械拋光法在晶圓上形成平坦表面亦造成微細的裂 痕，因此，在化學機械拋光法時，晶圓平坦化需要精確的 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

裝 訂 556282 A7 I--------B7 五、發明説明（ ) - 2 控制，JL要定期檢視，檢視晶圓是為了得到充分的抛光， 並防止拋光過度，化學機械拋光法的「拋光終點 (endpoint)」是指晶圓上過剩的材料皆已拋光完畢。晶圓 的拋光過度（即去除過量）可能損害晶圓表面，使得晶圓無 法使用；而晶圓的拋光不足（即去除不足）則需進行再一次 的化學機械拋光法，既沒效率又所費不貲。此外，拋光不 足有時並不被察覺，使得下一階段的製程進行困難，更使 得晶圓無法使用，由於拋光的過度與不足時差不過幾秒， 所以，精確的偵測拋光終點是大家所追求的。 基板的拋光終點可由相同形式的基板推測得知，不過這 樣的方法並不精確，因為拋光的狀態可能有變動，同樣 的’自拋光墊和基板載具處移開基板並測量基板厚度的改 變’以這樣的步驟來確定基板的拋光終點不僅費時，也損 壞基板，更減低產量。 現今偵測拋光終點的標準技術包含：光學反射法、熱偵 測和應用摩擦法。當製程的層數增加時光學反射法會面臨 高程度的信號干擾，使得偵測拋光終點（endp〇int)的準確 度降低而得不到拋光終點，而光學反射法也需使晶圓離開 拋光平台的邊緣，因此中斷拋光的步驟。此外，也可能因 此錯過拋光終點，偵測時也浪費了幾秒鐘，端看移動的速 度及距離而定。 熱偵測法包括··以測鬲溫學 '營光測溫法、雷射内定型 捣壓測溫法等技術橫越晶圓遙測感知溫度。鈥侦測法因晶 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) --- 五、發明説明（3 ) 熱干擾的問題，熱偵測法也因 暖機和冷機狀態的複雜變化和寺二機械拋光器具 不利的因素。 載，、機械手臂的移動而產生 厚擦法，以檢視基板表面和拋光墊間 變來偵測拋光終點，例如：全屬 " ’ 摩“系數就不同’摩擦的程度可由幾種方法測出，包 力、檢視化學機械抛光載具的功率消耗或測 =錄力矩的改變等1下方層露出，摩擦有顯著的改 支争’則使用應用摩擦法將得到令人滿意的結果，炊而， 此法也有它的缺點存在，很多情形下，層和層之間介面摩 f力的改變太小不足以做為化學機械拋光法抛光終點的指 標’尤其當兩層的材質差異很小時，這更是個問題。譬如 說，當抛光終點達到時，一小圖案係數（也就是說’盘整 層的面積相比’相對小的下方圖案層）僅導致摩擦力的小 改變’也因此限制了有用的信號，大的干擾信號更惡化了 此問嘁，就算有濾波裝置，當達到拋光終點此功率信號可 能有著複雜的形狀，而遮蔭簡單改變的產生。 因此就有監視拋光製程的改良方法。本發明係提供解決 上述提及的問題的方法及裝置，本發明的優點和發明特徵 將在發明的敘述中所描述。 發明概要 本發明提供一種監視化學機械拋光製程方法，包含有： 自化學機械拋光製程處接收即時資料信號，其中此即時資 料信號係有關摩擦力、力矩、馬達電流。傳送此即時資料 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) 格(⑽x 297公爱) 556282 五、發明説明（4 信號以做演算法處理，使得此即時資料信號得以不同頻率 送至功率頻譜。接著，辨識功率頻譜的至少一信號成分， 並符合化學機械抛光製程的一個態樣。於化學機械抱光製 程時，、振幅7頻率改變之際，監視功率頻謌的信號成分。 偵測信號成分的振幅/頻率改變，並針對上述的改變反應 2化學機械拋光製程h本發明也提供—種化學機械抛光 基=的裝置，包括有：化學機械拋光器具，以產生即時資 料信號，其中此即時資料信號係有關摩擦力、力矩'馬達 電流。感應器’用來傳送此即時資料信號。資料收集單 接收即時資料信號。信號分析單元，用於⑴對該 執行演算；(ii)偵測至少一信號成分振幅/頻 …·又，及（ui)將改變反應給化學機械拋光製程以做變 動。 圖示簡單說明 率二為二率,對振幅的曲線圖，描输摩擦力資料信號的功 率曰，說明化學機械拋光法的不同信號成分。 =為頻率對振幅的曲線圖’描繪摩擦力資料的功 學機械拋光器具震動信號成分振幅的改 乂 做為抛光時間的函數。 率= 為振幅的曲線圖’描繪摩擦力資料信號的功 q，說明拋光劑對平台旋轉信號成分振幅的影塑。 率=為/=振幅的曲線圖，描繪摩擦力資料信：的功 率的景;響1 &光劑對化學機械拋光器具震動信號成分頻 297公釐） 本纸張尺度適;^ τ _轉準(CNS) 556282

發明詳細說明 •本發明係提供關於原位監視化學機械拋光法（CMp)的方 及裝置本方法包含從化學機械拋光法接收即時資料信 號並轉傳該資料信號至一功率頻譜（p〇wer spectrum),例 如·振‘及頻率的直角座標圖。個別的信號相當於原來信 號在化學機械拋総不同方位的分解，在化學機械抛光法

裝 k私中透過對^號大小/頻率的監視，重要的改變將可 偵測出來，特別是當一信號振幅/頻率被偵測出改變時， 化學機械拋光法可以隨時反應以確保正在拋光的基板得到 適當的處置。 訂

即時資料信號可以是任何適當的化學機械拋光法資料信 號例如·化學機械拋光法過程中測量出的大資料信號是 經過分解後才得以顯示出來，因此，即時資料信號可能基 板載具在拋光墊（polishing pad)或軸的轉矩或平台或載具 馬達上的摩擦力。 任何適合的演算法都可能被用來轉換此即時資料信號， 如同功率頻譜所提供的，而個別的信號也可以為我們確認 及監視。最好是在功率頻譜中以一數學演算法轉換資料信 號成為各種信號成分。在本發明的一個實施例中就用快速 的傅立葉轉換（FFT)做為演算法。在另一實施例中，是以 快速微波轉換做為演算法，以快速的演算法可以將有關的 資料送到化學機械拋光製程中做即時處理。 至少有一信號成分被辨識為相當於化學機械拋光法的一 個態樣，例如··一個或多個各別信號可以根據振幅/頻率 --- - -8 -本紙張尺度適财g g家辟(CNS) A4祕(21GX 297公楚) 556282 A7 _________B7 五、發明説明（ ） 6 有關的載具旋轉、平台旋轉、器具震動、拋光成分的溢出 被辨識出來，藉著分割資料信號成不同的部分，有用的信 號成分可以在不被其他k "5虎’即背景信號，干擾的情形下 為我們所觀察及監視，所以，在化學機械拋光法的過程 中，至少有一個各別信號是可以即時的觀察。 兩個或兩個以上的信號成分是可以接續的監視。來自兩 個或兩個以上的信號成分的振幅/頻率資料也可以任何適 合的方法結合起來，得以更精確的觀察到預期的改變，此 外，由一種形式的資料信號獲得的一個或一個以上的個別 信號可以與從另一種形式的資料信號獲得的一個或一個以 上的個別信號結合在一起，如此得以更精確的觀察到預期 的改變。 至少一信號成分的振幅/頻率改變的偵測可以任何適合 的技術所完成，同樣的，化學機械拋光法也可因偵測的變 動做改變。 本發明的方法係用在半導體基板的拋光製程，然而，本 發明亦可用在任何適合基板的化學機械拋光，特別是微電 子元件，這些微電子元件包含：場發射元件、dgid memory disks、磁頭和其他近似的裝置。 本方法可用以偵測各樣的化學機械拋光方位，例如··信 號成分振幅/頻率偵測出來的改變可以反應拋光製程的各 個方面，如：拋光終點、拋光墊的損耗、拋光過程中不必 要的震動、基板的缺陷、拋光組成到拋光墊應用的改變。 本發明提供原位監視及各種狀況的分析和有關化學機械拋 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格dl〇x 297公爱/ 9 "------- 556282 A7 B7 五、發明説明（7 ) 光的事件，在較佳實施例中，是用以偵測拋光終點的方 法。 本發明的方法揭露使用任何適合的化學機械拋光裝置。 本發明提供的化學機械拋光裝置包含至少一感應器，一資 料收集單元，一信號分析單元。 化學機械拋光器具產生即時資料信號，此化學機械拋光 器具可以是任何適合的化學機械拋光器具，如：傳統已知 的器具，較佳的化學機械拋光器具包含至少一拋光墊，用 以接觸所欲拋光的基板和一導管，用以導入拋光劑至拋光 墊，化學機械拋光裝置提供了複合的化學機械拋光器具。 化學機械拋光裝置上的感應器將即時資料信號傳送資料 收集單元，此感應器是熟知此技藝者已知的裝置，例如： 載具手臂上的摩擦力可由力的強度計（f〇rce gauge)測知， 載具軸的力矩可由應變計（strain gauge)測知，平台或載具 馬達上的電流可由霍耳效應（HaU effect)探測器或機械鉗 感應器測知，而化學機械拋光裝置都具備有複合的感應器 以傳送相同或不同的即時資料信號。 化學機械拋光裝置上的資料收集單元將接收自感應器端 傳來的即時資料信號，這些即時資料信號包括：摩擦力、 力矩（載具軸的）、馬達電流（平台的或載具馬達的），資料 收集單7L可能以平行的方式接收這些複合信號，而化學機 械拋光裝置都具備有複合的資料收集單元。 仏號分析單7〇對即時資料信號進行演算’並切割資料信 號成不同頻率的信號成分，再傳送至功率頻譜。信號分；

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裝 訂

556282 A7 B7 五、發明説明（ 的’同樣的’在其他方面針對此發明方法的討論，如··提 供合適的基板做為監視化學機械拋光法，對此發明裝置是 合適的。 以下的實施例更說明了本發明，但並不因此限制了本發 明的範圍。 範例1 本範例說明在化學機械拋光法中透過轉換即時資料信號 成信號成分可得到功率頻譜。 傳統的桌上型化學機械拋光裝置在基板載具手臂上具有 一應變計，以量測拋光墊和基板之間的摩擦力。鎳磷化物 的基板係以一具有標準拋光輪並用矽土成分的拋光劑來拋 光。化學機械拋光法的參數設定如下所列：下壓力9.7 kpa(=1.4磅/平方英寸），平台速度60 rpm，載具速度2 rpm，拋光劑流速9 0 ml/min。在特定點的摩擦力的時間函 數資料信號系使用快速傅立葉轉換送入功率頻譜，請參照 圖1。如圖1所示，摩擦力資料信號的功率頻譜（丨〇)顯示出 在載具轉盤（12)，平台轉盤（14)，和器具震動（16和18) 等摩擦力明顯的區域。器具震動的成分包括基板和拋光墊 的共振約5 - 1 5 H z (1 6 )的頻率和器具共振約4 0 - 6 0 H z ( 1 8 ) 的頻率。圖1的頻率被應變計的反應時間（2 milliseconds) 所限制，所以取樣率在100 Hz的快速傅立葉轉換被限制在 200 Hz。 此範例顯示，對應於不同方位的化學機械拋光法，包含 個別信號成分的複雜即時資料信號可被轉換至功率頻譜。 此外，個別信號成分基於不同的頻率和振幅可被個別的辨 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 556282 A7 _______ B7 五、發明説明（1G ) 識出來，雖然此範例包含自摩擦力資料信號導出的功率頻 瑨的結果，此功率頻譜可藉使用適當的資料信號而獲致。 範例2 此範例說明，在化學機械拋光法中監視至少一功率頻譜 的信號成分，在一定時間内振幅或頻率的改變。 使用與範例1相同的化學機械拋光裝置和相同的鎳磷化 物的基板，但設定不同的參數設定，如下所述：下壓力9 〇 kpa(=l_3磅/平方英寸），平台速度6〇 rpm，載具速度〇 rpm，拋光劑泥速9 〇 ml/min。在兩個不同點的摩擦力之時 間函數資料信號係使用快速傅立葉轉換送入兩個功率頻 瑨，請參照圖2。如圖2所示，功率頻譜（2〇)突顯器具震動 信號成分的區域，記錄1 〇秒後及丨6〇秒後的資料。器具震 動#號成分開始時有著重要的振幅資料，指示出基板和拋 光墊之間高度的摩擦力，當拋光法持續施行時，由器具震 動信號成分的振幅可以看出摩擦的量減少了，所以，器具 震動信號成分在160秒後將幾乎沒有振幅資料，也就是拋 光墊和基板已變的平滑。 此範例說明，功率頻譜上特定的信號成分的振幅或頻率 信號可在一足時間内被監視，所以變動可以為化學機械拋 光法所偵測。雖然此範例僅藉器具震動信號成分的摩擦力 ^料"fa號末$兒明’在一足時間内任何合適的資料信號皆可 做為監視的對象。 範例3 此範例說明功率頻譜的振幅或頻率信號在化學機械拋光

556282 A7 _____B7__ 五、發明説明（u ) 法中’對不同的抛光過程而言都是敏感的。 使用與範例1相同的化學機械拋光裝置和相同的鎳磷化 物的基板，但不同的三種拖光劑，且設定不同的參數設 定，如下所述：下壓力9.7 kpa(=1.4磅/平方英寸），平台速 度6 0 rpm，載具速度8 rpm，拋光劑流速9 0 ml/min。針對 不同的三種拋光劑的摩擦力資料信號在相同的參考點使用 快速傅立葉轉換送入三個功率頻譜，請參照圖3。如圖3所 示，功率頻譜（3 0)為三種不同的拋光劑（3 2、3 4和3 6 )突 顯範例1中的平台旋轉信號成分並說明在化學機械拋光法 中’不同的拋光劑而影響平台旋轉信號，第一種拋光劑對 平台旋轉（32)信號而言相較於其他兩種拋光劑，是最高強 度的拋光劑。在使用標準大規模的拋光器具（用於說明不 連接平台旋轉（3 4，36))(Straughsbaugh 6EE的拋光器具） 來監視時，同樣在拋光劑的平台旋轉信號成分振幅發現相 同的差異，此外，在有關器具震動信號成分監視三種拋光 劑之間相似的差異，特別是在使用第一種拋光劑監視大的 器具震動信號成分，而此時第三種拋光劑顯出並無器具震 動信號成分。 此範例說明在化學機械拋光法中，不同的拋光情況在功 率頻譜上有利於區別信號成分，雖然本範例係關於在平台 旋轉信號成分的摩擦力資料信號的特定改變，不過，亦適 用於在化學機械拋光法中偵測任何信號成分的任何資料信 號的改變。 範例4 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 556282 A7 ___B7_ 五、發明説明（i2 ) 本範例更說明，功率頻譜的信號成分的振幅/頻率在化 學機械拋光法中不同的拋光情況下是敏感的。 使用與範例1相同的化學機械掘光裝置和相同的鎳磷化 物的基板，但兩種不同石夕土成分的拋光劑，且設定不同的 參數設定，如下所述：下壓力10.3 kpa(= 1.5磅/平方英 寸），平台速度6 0 rpm，載具速度0 rpm，拋光劑流速9 〇 ml/min。針對不同的兩種拋光劑的摩擦力資料信號在相同 的參考點使用快速傅立葉轉換送入三個對應的功率頻譜， 請參照圖4。如圖4所示，功率頻譜（4 0 )為兩種不同的拋光 劑（42和44)突顯範例1中的器具震動信號成分。功率頻譜 對兩種不同的拋光劑（42和44)的器具震動信號成分有著特 殊頻率圖，指出兩種不同的拋光劑（4 2和4 4 )分別連接至器 具震動。此範例結合範例3說明在拋光情況的小改變可在 功率頻譜（平台旋轉及器具震動的信號成分）的兩個明顯區 域以兩個不同的方式（振幅改變和頻率改變）被偵測出來， 連％的監視兩個信號成分可改善在拋光情況下，辨識改變 的精準，特別是有關拋光劑。 本範例說明，使用本發明的方法可在功率頻譜轉換複雜 的信號成信號成分，使得拋光情況下的改變可基於特殊的 頻率特徵被精準的辨識。雖然本範例係關於在器具震動信 號成分的摩檫力資料信號的特定改變，不過，亦適用於在 化學機械拋光法中偵測任何信號成分的任何資料信號的改 變。 這裡引用的所有參考資料包括：出版物、申請專利、專 _________ -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. 556282 A BCD 六、申請專利範圍 8·如申请專利範圍第4項之方法，其中該偵測之至少一信 號成分的振幅/頻率變化指示出拋光的進展。 9·如申凊專利範圍第4項之方法，其中該偵測之至少一信 號成分的振幅/頻率改化指示拋光終點。 10.如申凊專利範圍第4項之方法，其中該偵測至少一信號 成分的振幅/頻率變化指示拋光墊耗損。 11·如申凊專利範圍第4項之方法，其中該偵測至少一信號 成分的振幅/頻率變化指示拋光過程不預期的震動。 12.如申請專利範圍第4項之方法，其中該偵測至少一信號 成分的振幅/頻率變化指示基板有缺陷。 13•如申請專利範圍第4項之方法，其中該偵測至少一信號 成分的振幅/頻率變化指表示加入拋光劑至拋光墊的改 變。 14· 一種化學機械拋光基板之裝置，該裝置包括： U)一化學機械拋光器具，用以產生一即時資料信 號，其中該即時資料信縣有關摩擦力、力矩、馬達電 流， (b) —感應器，用以傳送該即時資料信號， (C );貝料收集單元，用以接收該π時資料信號，以 及 … (d) U收集單χ ’用於⑴針對該即時資料信號執 行-演算法，以產生不同頻率之信號成分的_功率頻 譜，且總合仍等同於該即時資料信號；（ii)偵洌至少〆 信號成分的振幅或頻率變化，（iii)及並響應所㈣的變 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格TTl_GX297公董）〜----—____—---- 556282 A B c D 六、申請專利範圍 化’以改變化學機械拋光製程。 15·如申請專利範圍第丨4項之裝置，其中該演算法係快速傅 立葉轉換。 16.如申請專利範圍第14項之裝置，其中該演算法係微波分 析。 17·如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該化學機械拋光器 具包括（i) 一抛光塾，用以拋光基板；及（丨丨）一導管，用 以加入拋光劑至該拋光墊。 18·如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該偵測信號成分的 振幅或頻率變化指表示出拋光的進展。 19·如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該偵測信號成分的 振幅或頻率變化指示拋光終點。 2〇·如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該偵測信號成分的 振幅或頻率的變化指示拋光塾耗損。 21·如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該偵測信號成分的 振幅或頻率的變化指示拋光過程不預期的震動。 22·如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該偵測信號成分的 振幅或頻率變化指示基板有缺陷。 23.如申請專利範圍第1 4項之裝置，其中該偵測信號成分的 振幅/頻率變化表示加入拋光劑至拋光墊的改變。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）