TWI446425B - 高生產量及低表面形貌的銅化學機械研磨製程 - Google Patents

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Description

高生產量及低表面形貌的銅化學機械研磨製程
本發明涉及一種化學機械研磨方法。
化學機械平坦化或是化學機械研磨(CMP)是一種用於平坦化基板之常用技術。CMP利用二種方式來平坦化基板，一種方式為利用化學組成物(一般為研磨漿或其他流體基質)之化學反應，以自基板上移除物質，另一種則是利用機械力。在一般的CMP技術中，基板承載件或研磨頭係裝設在承載組件上，並經定位以接觸CMP設備中的研磨墊。承載組件提供可控之壓力至基板，以推動基板緊靠研磨墊。而研磨墊則是藉由外部驅動力以相對於基板而移動。因此，CMP設備會促使基板表面與研磨墊之間的研磨或摩擦運動，並同時分配研磨組成物以完成化學與機械作動。
高度期望使用CMP能夠具有增加的基板生產量，然而，藉由增加施加至基板表面之壓力而企圖增加基板生產量會導致平坦化效率之降低，並相應產生中空金屬及腐蝕缺陷。平坦化效率係界定為沉積物質之階梯高度的減少情形。在CMP製程中，平坦化效率為施加至基板表面及研磨墊之間的壓力及平台速度兩者之函數。壓力愈高，較高之研磨速率，則平坦化效率愈差。反之，較低之研磨速率會導致較佳之平坦化效率，但會使得生產量降低。
因此，需要一種用於金屬及阻障材料之化學機械處理的改良方法及設備，其能夠增加基板的生產量，並同時維持增進的平坦化效率。
本發明之實施例一般係提供在化學機械研磨系統中對於設置在基板上之一導電材料進行處理的方法。在一實施例中，係提供一種對於設置在一基板上之一導電材料進行化學機械研磨(CMP)之方法。將一基板定位在一第一平台上，該基板包括設置在一下方阻障材料之上方的一導電材料，且第一平台含有第一研磨墊。在第一平台上研磨基板，以移除塊體導電材料之一第一部分。執行一速率抑止處理(rate quench process)，以使研磨漿中的一金屬離子濃度降低。在第一平台上研磨基板，以移除塊體材料之一第二部分，藉以貫穿導電材料，並暴露出下方阻障材料之一部分。
在另一實施例中，係提供一種對於設置在一基板上之一導電材料進行化學機械研磨之方法。將一基板定位在一第一平台上，該基板包括設置在一下方阻障材料之上方的一導電材料，且第一平台含有在一研磨漿中的一第一研磨墊。在第一平台上研磨基板，以移除塊體導電材料之一第一部分。判定在第一平台上研磨基板以移除塊體導電材料之一第一部分的步驟之一終點。執行一速率抑止處理，以使研磨漿中的一金屬離子濃度降低。在第一平台上研磨基 板，以移除塊體導電材料之第二部分，藉以貫穿導電材料，並基露出下方阻障材料之一部分。
在又另一實施例中，係提供一種對於設置在一基板上之一導電材料進行化學機械研磨之方法。將一基板定位在一第一平台上，該基板包括設置在一下方阻障材料之上方的一銅材料，且第一平台含有在一研磨組成物中的一研磨墊，且該研磨組成物包括一腐蝕抑制劑。將基板與研磨墊接觸。以研磨墊研磨基板，藉以移除一塊體銅材料。偵測塊體銅材料移除之一第一終點。以一清洗溶液清洗該研磨墊。以該研磨墊研磨基板，藉以貫穿銅材料，並暴露出下方阻障材料之一部分。在一第二平台上研磨基板以移除殘留之銅材料。
此處所述之實施例一般係提供處理在化學機械處理系統中設置在基板上之導電材料的方法。用於在銅的化學機械平坦化(CMP)之具有二平台的研磨台，傳統上，第一平台係用於塊體銅之移除而使其降至殘餘約2000的銅，並且沒有貫穿銅而暴露出下方的阻障材料，第二平台則用於銅的清除及銅的實地殘留物(field residue)之移除。第二平台需要「軟性著陸(soft landing)」，以就碟型凹陷(dishing)及腐蝕而論，可產生均一及較少之表面形貌(topography)，則可導致良好之線電阻(Rs)均一性。具有較低之銅移除速率及用於確保實地殘留物移除所需之較 短過度研磨(overpolish)時間，用於銅CMP之第二平台不但對於決定表面形貌是最重要的，且通常是生產量之瓶頸。此處所述之實施例提供一種創新的處理，其對於第二平台帶來較少之銅，以提供較高之生產量，並在第二平台上之研磨時間較短，且同時相較於傳統方法而提供相等或較佳之表面形貌。此處所述之實施例亦與單一平台銅清除處理為相容的，其中高生產量及低表面形貌係為令人期望的。
本發明之實施例將參照可以使用化學機械研磨處理設備而進行之平坦化處理及組成物而描述如下，該化學機械研磨處理設備例如：MIRRATM 、MIRRA MESATM 、REFLEXIONTM 、REFLEXION LKTM 以及REFLEXION LK ECMPTM 化學機械平坦化系統，其皆購自加州聖克拉拉應用材料公司(Applied Materials,Inc.)。其他平坦化模組，包括使用處理墊、平坦化網狀物或其組合之處理模組，以及以旋轉、線性或其他平面運動而相對於平坦化表面移動基板之處理模組皆可適用而受益於此處所述之實施例。另外，亦可使用任何使用此處所述之方法或組成物而進行化學機械研磨之任何系統而獲得益處。下方關於設備之描述僅為說明之用，不應建構或解釋而限制此處所述之實施例之範疇。
設備
「第1圖」為平坦化系統100之一實施例的平面視圖， 該系統100具有一用於對基板進行化學機械處理之設備。系統100通常包括一工廠界面102、一裝載機械手104及一平坦化模組106。裝載機械手104係設置以助於基板122在工廠界面102及平坦化模組106之間的傳送。
控制器108係設置以助於系統100之模組的控制及整合。控制器108包括中央處理單元(CPU)110、記憶體112及支援電路114。控制器108係耦接至系統100中的各種部件，以助於平坦化、清潔及傳輸處理的控制。
工廠界面102一般包括一測量模組190、一清潔模組116及一或多個基板卡匣118。使用一界面機械手120以將基板122傳輸於基板卡匣118、清潔模組116及輸入模組124之間。輸入模組124係經定位以助於利用夾持器(例如真空夾持器或機械夾鉗)而將基板122傳輸於平坦化模組116及工廠界面102之間。
測量模組190可以為非破壞性之測量裝置，其係適於提供基板厚度輪廓之度量表示。測量模組190可包括渦電流感測器、干涉計、電容感測計及其他適合裝置。適合之測量模組的實例包括ISCANTM 及IMAPTM 基板測量模組，其皆購自應用材料公司。測量模組190提供度量值給控制器108，其中針對基板之量測的特定厚度輪廓而判定目標之移除輪廓。
平坦化模組106包括設置在環境受控室188中的至少一第一化學機械平坦化(CMP)站128。在「第1圖」所示之實施例中，平坦化模組106包括第一CMP站128、第 二CMP站130及第三CMP站132。設置在基板122上之塊體導電材料的移除可透過在第一CMP站128之化學機械研磨處理而進行。在一實施例中，塊體導電材料的移除可為多步驟處理。於第一CMP站移除塊體材料之後，剩餘之導電材料或殘留之導電材料可採用單步驟或多步驟化學機械研磨處理而在第二CMP站130由基板上清除之，其中部分之多步驟處理係配置以移除殘留之導電材料。第三CMP站132可用於研磨阻障層。在一實施例中，塊體材料之移除以及殘留材料之移除可在單一CMP站進行。可選擇地，在不同CMP站執行塊體移除處理之後，可使用超過一個CMP站以執行多步驟移除處理。
示範性之平坦化模組106亦包括傳輸站136以及旋轉架134，而旋轉架134係設置在機器基座140之上方或前側。在一實施例中，傳輸站136包括輸入緩衝站142、輸出緩衝站144、傳輸機械手146及裝載杯狀組件148。輸入緩衝站142接收藉由裝載機械手104而來自工廠界面102之基板。裝載機械手104亦可用於將經研磨之基板由輸出緩衝站144返送至工廠界面102。傳輸機械手146係用於將基板移動於緩衝站142、144及裝載杯狀組件148之間。
在一實施例中，傳輸機械手146包括二夾持器組件，且各組件具有氣動夾持器指狀物，而其係藉由基板邊緣而支托住基板。傳輸機械手146可同時將來自輸入緩衝站142之基板傳輸至裝載杯狀組件148以待進行處理，並同時將已處理之基板由裝載杯狀組件148傳輸至輸出緩衝站144。
旋轉架134係置中設置於基座140上。旋轉架134一般包括複數個臂150，且各個臂150支撐承載頭組件152。「第1圖」中之二個臂150係以虛線顯示，藉此可看見傳輸站136及第一CMP站128之平坦化表面129。旋轉架134為可調整的，則承載頭組件152可以在平坦化站128、130、132及傳輸站136之間移動。調節裝置182係設置在基座140上而鄰近各個平坦化站128、130、132。調節裝置182係週期性地調節設置在平坦化站128、130、132中的平坦化物質，以維持均一之平坦化結果。
「第2圖」為第一CMP站128之部分剖面視圖，該第一CMP站128包括流體輸送臂組件126。參照「第1圖」，第一CMP處理站128包括承載頭組件152以及平台204。承載頭組件152一般使基板122保持抵靠設置在平台204上的研磨墊208。承載頭組件152或平台204之至少其中之一者為旋轉，或是移動以提供基板122與研磨墊208之間的相對運動。在「第2圖」所示之實施例中，承載頭組件152係耦接至致動器或馬達216，以對於基板122提供至少一旋轉移動。馬達216亦可使承載頭組件152震盪，藉此，基板122可跨越研磨墊208表面而橫向前後移動。
研磨墊208可包括習知材料，例如設置在平台204上而作為墊之發泡聚合物。在一實施例中，習知之研磨材料為發泡聚胺酯。在一實施例中，墊為購自德拉瓦州紐華克之羅代爾公司(Rodel Inc.)的IC1010聚胺酯墊。IC1010聚胺酯墊之一般厚度為2.05 mm，且壓縮性為約2.01%。 其他可使用的墊包括其下方具有及不具有額外之壓縮底層的IC1000墊、其下方具有額外之壓縮底層的IC1010墊，以及購自其他製造商之研磨墊。此處所述之組成物係放置在墊上，以構成基板之化學機械研磨。
在一實施例中，承載頭組件152包括圍繞基板承接室212之固定環210。囊狀物214係設置在基板承接室212內，並經抽氣以吸引晶圓至承載頭組件152，並經加壓以當基板122壓抵研磨墊208時控制基板122的向下力量。在一實施例中，承載頭組件可以為多區承載頭。一適合之承載頭組件152為購自加州聖克拉拉之應用材料公司的TITAN HEADTM 承載頭。另一適於受益於本發明之實施例的承載頭實例係描述於美國專利第6,159,079號(2001年12月12日公告)，以及美國專利第6,764,389號(2004年7月29日公告)，在此將其整體併入以做為參考。
在「第2圖」中，平台204係藉由軸承258而支撐在基座256上，而軸承258有助於平台204之旋轉。馬達260係耦接至平台204並旋轉平台204，藉此，墊208係相對於承載頭組件152而移動。
在「第1圖」所示之實施例中，研磨墊208包括上層218及下層220。可選擇地，一或多個中間層254係設置在上層218及下層220之間。舉例來說，中間層254包括次研磨墊及插入墊之至少其中之一者。在一實施例中，次研磨墊可以為胺甲酸乙酯系(urethane－based)材料，例如發泡胺甲酸乙酯。在一實施例中，插入墊可以為麥拉(Mylar) 薄片。
流體輸送臂組件126係用於將處理流體由處理流體供應器228輸送至上層218之頂部或工作表面。在「第2圖」所示之實施例中，流體輸送臂組件126包括由支柱232延伸之臂230。馬達234係設置以控制臂230圍繞支柱232之中心線而旋轉。調整構件236係設置以控制臂230之遠端238相對於墊208之工作表面的高度。調整構件236可以為耦接至臂230或支柱232之至少一者之致動器，以控制臂230之遠端238相對於平台204的高度。可適用而受益於本發明之實施例的適合之流體輸送臂的部分實例係描述於：美國專利申請序號第11/298,643號，2005年12月8日申請，專利名稱為「利用少量流體消耗以平坦化基板之方法及設備(METHOD AND APPARATUS FOR PLANARIZING A SUBSTRATE WITH LOW FLUID CONSUMPTION)」，現公開為美國專利公開第2007/0131562號；美國專利申請序號第09/921,588號，2001年8月2日申請，專利名稱為「多埠研磨流體輸送系統(MULTIPORT POLISHING FLUID DELIVERY SYSTEM)」，現公開為美國公開第2003/0027505號；美國專利申請序號第10/428,914號，2003年5月2日申請，專利名稱為「研磨漿輸送臂(SLURRY DELIVERY ARM)」，現公告為美國專利第6,939,210號；美國專利申請序號第10/131,638號，2002年4月22日申請，專利名稱為「彈性研磨流體輸送系統(FLEXIBLE POLISHING FLUID DELVERY SYSTEM)」，現公告為美國專利第7,086,933號。上述各者係將其整體併入，且並不與本發明產生不一致而做為參考。
流體輸送臂組件126包括複數個清洗出口埠270，其係經設置以均一地將清洗流體之噴霧及/或流體流(stream)輸送至墊208的表面。埠270係藉由通過流體輸送臂組件126之管路274而耦接至清洗流體供應器272。在一實施例中，流體輸送臂可具有12~15個埠。清洗流體供應器272在研磨處理過程中及/或基板122移除之後，提供清洗流體(例如去離子水)至墊208以清潔墊208。在使用調整元件，例如鑽石盤或刷(圖中未示)而調整墊之狀態之後，亦可使用來自埠270之流體而清潔墊208。
噴嘴組件248係設置在臂230的遠端，而噴嘴組件248係藉由通過流體輸送臂組件126之管路242而耦接至流體供應器228。噴嘴組件248包括噴嘴240，其係相對於臂而可做選擇性之調整，藉此，離開噴嘴240之流體可選擇性導引至墊208之特定區域。
在一實施例中，噴嘴240係配置以產生處理流體之噴霧。在另一實施例中，噴嘴240係適以提供處理流體之流體流。在另一實施例中，噴嘴240係配置而以介於約20~約200 cm/sec之速率的處理流體246之噴霧及/或流體流至研磨表面。
方法
「第3圖」係繪示用於對具有一暴露之導電材料層及一下方阻障層之基板進行化學機械研磨之方法300的一實施例，而此方法300可以在上述之系統100上實施。方法300亦可以在其他化學機械處理系統上實施。方法300通常儲存在控制器108之記憶體112中，而且一般為軟體常式(routine)之形式。軟體常式可儲存及/或藉由第二個CPU(圖中未示)來執行，而第二個CPU係位於由CPU 110所控制之硬體的遠端。
雖然此處所述之實施例係以執行為軟體常式之方式而討論，但此處所揭露之部分方法步驟可在硬體中，且亦藉由軟體控制器執行。就其本身而論，此處所述之實施例可以：在軟體中實施，並在電腦系統中執行；在硬體中實施為特殊應用積體電路或其他硬體實施之類型，或是硬體及軟體之組合。
方法300開始於步驟302，其係藉由將包括設置在下方阻障材料上的導電材料之基板定位在含有第一研磨墊之第一平台上。導電層可包括鎢、銅、其組合或類似者。阻障層可包括釕、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、氮化鎢、鎢、其組合及其類似物。通常為氧化物之介電層係位於阻障層下方。
在一實施例中，保持在承載頭組件152中的基板122係在第一CMP站128之研磨墊208上方移動。承載頭組件152係朝向研磨墊208而下降，以使基板122接觸研磨墊組件208之頂表面。
在步驟304，於塊體導電材料上執行化學機械研磨處理。在步驟306，基板在第一平台上以第一移除速率進行研磨，藉以移除導電材料之塊體部分。在一實施例中，導電層為具有初始厚度6000－8000之銅層。在一實施例中，研磨步驟306可以在第一CMP站128執行，並利用小於約2.5 psi(磅/每平方英吋)之力量推動基板122抵靠研磨墊208。在一實施例中，力量係介於約1 psi~2 psi之間，例如為約1.8 psi。
接著，提供基板122與研磨墊208之間的相對運動。在一實施例中，承載頭組件152係以約50~100轉/分鐘之速率旋轉，例如介於30~60轉/分鐘，同時，研磨墊208以50~100轉/分鐘之速率旋轉，例如介於7~35轉/分鐘。該處理之銅移除速率為約9000/min。
研磨漿係供應至研磨墊208。在特定實施例中，研磨漿包括氧化劑(例如過氧化氫)、鈍化劑(例如腐蝕抑制劑)、pH緩衝液、金屬錯合劑、磨料及其組合。適合之腐蝕抑制劑包括具有氮原子(N)之化合物，例如具有唑基團(azole group)之有機化合物。適合之化合物的實例包括苯并三唑(benzotriazole；BTA)、巰基苯并三唑(mercaptobenzotriazole)、5－甲基－1－苯并三唑(5－methyl－1－benzotriazole；TTA)、其衍生物及其組合。其他適合之腐蝕抑制劑包括薄膜形成劑，例如：咪唑(imidazole)、苯并咪唑(benzimidazole)、三唑(triazole)及其組合。具有羥基、胺基、亞胺基、羧基、巰基、硝基 及烷基之取代基的苯并三唑、咪唑、苯并咪唑及三唑的衍生物亦可用作為腐蝕抑制劑。研磨漿通常包括例如為BTA之腐蝕抑制劑。
在特定實施例中，研磨泥漿亦含有磨料，例如：膠狀二氧化矽、氧化鋁及/或氧化鈰。在部分實施例中，研磨漿可額外包括界面活性劑。用於塊體化學機械研磨處理之適合組成物及方法之實例係描述於：美國專利申請序號第11/839,048號，2007年8月15日申請，專利名稱為「用於固定磨料CMP之改良式選擇性化學物質(IMPROVED SELECTIVE CHEMISTRY FOR FIXED ABRASIVE CMP)」，現公開為美國公開第2008/0182413號；以及美國專利申請序號第11/356,352號，專利名稱為「用於研磨基板之方法及組成物(METHOD AND COMPOSITION FOR POLISHING A SUBSTRATE)」，現公開為美國公開第2006/0169597號，兩者皆在此處將其全文併入以做為參考，且不與本發明產生不一致。在特定實施例中，於加入研磨漿之後，基板122與研磨墊208接觸。在特定實施例中，於加入研磨漿之前，基板122與研磨墊208接觸。
在步驟308，判定塊體部分移除處理之終點。在一實施例中，塊體部分移除處理之終點係發生在貫穿銅層之前。可使用偵測系統來偵測終點，而偵測系統係例如為iScanTM 厚度監控器，以及FullScanTM 光學終點系統，上述兩者皆購自加州聖克拉拉之應用材料公司。
處理之終點亦可利用即時輪廓控制(RTPC)來判定 之。舉例來說，在CMP處理中，可監控基板上不同區域之導電材料的厚度，而所偵測到的非均一性可致使CMP系統即時調整研磨參數。RTPC可藉由調整在研磨承載頭中的區域壓力而控制剩餘之銅的輪廓。適合之RTPC技術及設備之實例係描述於：Hanawa等人之美國專利第7,229,340號，專利名稱為「在化學機械研磨過程中用於監控金屬層之方法及設備(METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING A METAL LAYER DURING CHEMICAL MECHANICAL POLISHING)」；以及美國專利申請序號第10/633,276號，2003年7月31日申請，專利名稱為「用於原位輪廓量測之渦電流系統(EDDY CURRENT SYSTEM FOR IN－SITU PROFILE MEASUREMENT)」，現公告為美國專利第7,112,960號，上述各者皆將其整體併入以做為參考。
在一實施例中，可藉由一基於光譜之終點偵測技術而判定終點。基於光譜之終點偵測技術包括在研磨順序中之不同時間點由基板上之不同區域獲得光譜、將光譜與資料庫中的指數(index)相比對，並使用該些指數而判定不同區域之研磨速率。在另一實施例中，可以利用計量器所提供之第一處理度量值而判定終點。計量器可提供用於判定基板上之導電材料(例如銅層)之剩餘厚度的電荷、電壓或電流訊息。在另一實施例中，可使用例如利用感測器之干涉計的光學技術。可直接量測剩餘厚度，或是藉由從預定起始薄膜厚度減去移除之材料量而計算出剩餘厚度。在 一實施例中，可藉由比較由基板移除之電荷以及基板預定區域之總電荷量而判定終點。可使用之終點技術的實例係描述於：Benvegnu等人之美國專利第7,226,339號，2007年6月5日公告，專利名稱為「針對化學機械研磨之基於光譜的終點判定(SPECTRUM BASED ENDPOINTING FOR CHEMICAL MECHANICAL POLISHING)」；美國專利申請序號第11/748,825號，2007年5月15日申請，專利名稱為「於研磨過程中之基板厚度量測(SUBSTRATE THICKNESS MEASURING DURING POLISHING)」，現已公開為美國公開第2007/0224915號；以及Hanawa等人之美國專利第6,924,641號，專利名稱為「監控化學機械研磨過程中之金屬層的方法及設備(METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING A METAL LAYER DURING CHEMICAL MECHANICAL POLISHING)」。上述各者皆將其整體併入以做為參考。
在一實施例中，剩餘之銅層厚度為介於約1400~約2000。在一實施例中，第一終點發生時，導電層之厚度為約2000。
在步驟310，進行速率抑止處理(rate quench process)，以減少研磨副產物(例如金屬離子)之濃度。在移除塊體導電材料之第一部分之後，係期望具有輕微之中間薄且邊緣厚的輪廓。然而，在移除塊體導電材料之第一部分之後，在研磨墊208上以及在研磨漿中的研磨副產物(例如銅離子)之濃度通常非常高。在研磨漿中之高金 屬離子濃度會消耗鈍化劑，因而降低可鈍化並保護銅連線及表面形貌之鈍化劑的量。因此，在剩餘銅約1400時所發生之貫穿銅之前，必須使金屬離子之高濃度降低。
速率抑止處理包括加入清洗劑至研磨漿中，以稀釋研磨漿中的研磨副產物濃度、增加研磨漿之流速、清洗研磨墊及其組合。
在一實施例中，速率抑止處理可藉由加入清洗劑至研磨漿中以稀釋研磨漿中的金屬離子濃度而完成。在一實施例中，清洗劑係利用流體輸送臂組件126或是位於第一CMP站128之分佈式研磨漿分配臂(DSDA)而輸送至研磨漿。在一實施例中，清洗劑包括去離子水(DW)。在一實施例中，清洗劑之流速為介於約300 ml/min~約1000 ml/min，例如約500 ml/min。
在一實施例中，速率抑止處理可包括增加研磨漿之流速。在一實施例中，研磨漿之流速可以為約300 ml/min~約500 ml/min。
在一實施例中，速率抑止處理可包括以清洗劑來清洗研磨墊208，藉以降低研磨墊208上之銅離子濃度。
流體輸送臂組件126或是位於第一CMP站128之分佈式研磨漿分配臂(DSDA)可以用於執行速率抑止處理。可以在基板於第一平台上研磨而移除塊體導電材料之第一部分之後，或是軟性著陸步驟312之前或過程中，而執行速率抑止處理。研磨漿中的銅抑制劑添加物會使導電層或銅鈍化，但是銅抑制劑亦會被銅離子所消耗。若銅離子濃 度高，那麼銅抑制劑濃度為低，則晶圓的覆蓋率(coverage)將會不良，因而導致在銅貫穿處之不良銅鈍化及高表面形貌。流體輸送臂組件126促使在對於銅貫穿之軟性著陸步驟312之晶圓的高銅抑制劑覆蓋率，並亦更有效率地稀釋銅離子濃度。
在速率抑止處理之過程中，研磨向下力可減少至約0.5 psi。降低之研磨向下力的施加會使得來自研磨漿之銅抑制劑會更有效地接觸基板，並亦協助自基板表面移除研磨副產物。
在步驟312，執行「軟性著陸」研磨步驟，其中基板在第一平台上以小於第一移除速率之第二移除速率而進行研磨，藉以貫穿導電材料，並暴露出一部分之下方阻障材料。軟性著陸研磨步驟312需要低移除速率。在一實施例中，於軟性著陸研磨步驟期間，基板係以約1500~2500/min之移除速率進行研磨，例如為約1800/min。在一實施例中，係以約1.0 psi~1.6 psi(例如為約0.3 psi)之向下力推動基板122抵靠研磨墊208。在一實施例中，研磨漿之流速為約200 ml/min~約500 ml/min，例如約250 ml/min~約350 ml/min。
由流體輸送臂組件126所提供之均一研磨漿分佈可確保銅離子濃度為低，並提供較大之製程範圍(process window)。在軟性著陸研磨步驟312期間，期望首先在基板中央處出現貫穿，此乃因為基板中央具有較大之過度研磨範圍。相信由基板移除且離開墊之研磨副產物(例如銅 離子)之濃度在基板邊緣相較於基板中央具有較高濃度。因此，銅抑制劑在基板中央之駐留時間較長，因而導致較佳之鈍化。於第一CMP站128之塊體導電材料移除處理之最終終點為第一銅貫穿之時。因為銅已被貫穿，因此在第二CMP站上移除剩餘導電層之研磨時間降低，導致較高之晶圓生產量。較低之表面形貌亦會導致較少之銅材料在銅最終清潔及銅的實地殘留物移除過程期間進入第二CMP站130。較少之銅需在第二平台上移除，則銅離子濃度將會降低。具有較少之銅離子，則銅抑制劑會以較低之速率消耗，因而導致較高之銅抑制劑濃度。較高之銅抑制劑濃度會使基板之銅抑制劑的鈍化最大化，因而導致較低之表面形貌。第二CMP站130上產生較少之銅離子，則可使用高於預期之向下力且不會對表面形貌造成負面影響，因而增進完全移除銅的實地殘留物之能力。
在步驟314，判定貫穿處理之終點。可利用FullScanTM 及此處所述之其他終點技術而判定第二終點。
在步驟316，在殘留之導電材料上執行化學機械研磨處理。殘留之導電材料移除處理包括在第二平台上研磨基板，並且判定研磨處理之終點。在步驟318，基板在第二平台上研磨以移除任何之殘留導電材料。在一實施例中，基板係以約1500~2500/min之移除速率進行研磨，例如約2400/min。步驟318可以為單一或多步驟之化學機械清除處理。清除步驟318可以在第二CMP站130上執行，或是在其他CMP站128、132之其中一者上執行。
清除處理步驟318之起始係藉由將保持在承載頭組件152中的基板122於設置在第二CMP站130中之研磨墊上方移動。承載頭組件152係朝向研磨墊而降低，以使基板122與研磨墊之頂表面接觸。以小於約2 psi之力量推動基板122抵靠研磨墊。在另一實施例中，該力量係小於或等於約0.3 psi。
接著，提供基板122與研磨墊之間的相對運動。研磨漿係供應至研磨墊。在一實施例中，承載頭組件152係以約30~80轉/分鐘之轉速旋轉，例如為約50 rpm，同時研磨墊則以約70~90轉/分鐘之轉速旋轉，例如為約53 rpm。步驟318之處理通常對於鎢之移除速率為約1500/min，對於銅之移除速率為約2000/min。
在步驟320，判定殘留之導電材料移除之終點。可利用FullScanTM 及此處所述之其他終點技術而判定該終點。在一實施例中，針對電化學機械研磨處理(Ecmp)，可以藉由偵測利用計量器所感測到的電流之第一不連續性(discontinuity)而判定終點。當下層開始貫穿導電層(例如銅層)時會出現上述不連續性。當下層與銅層具有不同之電阻率時，則跨越處理室(即，由基板之導電部分至電極)之電阻率會隨著導電層區域相對於下層之暴露區域的改變而改變，因而造成電流之改變。
可選擇地，相應於終點偵測，可執行第二清除處理以移除殘留之銅層。以小於約2 psi之壓力而推動基板抵靠墊組件，且在另一實施例中，係以小於或等於約0.3 psi 之壓力推動基板抵靠墊組件。此步驟通常針對銅及鎢處理而皆具有約500~約2000/min之移除速率，例如約500~約1200/min。
可選擇地，在步驟322，可執行第三清除處理步驟或「過度研磨」，以自導電層移除殘留之碎屑(debris)。第三清除處理通常為定時處理，並在降低壓力下執行。在一實施例中，第三清除處理步驟(亦稱之為過度研磨步驟)之持續時間為約10~30分。
在殘留導電材料移除步驟316之後，可執行阻障移除步驟。在一實施例中，阻障移除步驟可以在第三CMP站132上執行，但亦可在其他CMP站128、130之其中一者上執行。
在另一實施例中，此處理亦適於一平台銅清除處理。此處理可以為二步驟處理，並在其間包括一銅離子抑止步驟。針對良好之銅殘留輪廓的RTPC係伴隨DSDA使用，因而藉由更有效地稀釋銅離子，以確保跨越晶圓之良好的銅抑制劑覆蓋率，並協助降低銅的移除速率，藉以提供良好之跨越晶圓的銅鈍化，並因而導致良好之表面形貌。重要的是，控制在銅貫穿及清除過程中，銅離子與銅抑制劑濃度之間的平衡。
「第4A圖」繪示針對平台1之銅層厚度()(y軸)相對於研磨時間(秒)(x軸)的曲線圖400，「第4B圖」繪示針對平台2之銅層厚度()(y軸)相對於研磨時間(秒)(x軸)的曲線圖402。線404代表輸入銅層厚度為 約8000且在基板上執行標準銅CMP處理之銅移除速率；線406代表使用本發明之實施例且輸入銅層厚度為約8000，並在基板上執行高生產量CMP處理之銅移除速率。
基板在第一平台上以約9000/min之高移除速率而進行研磨直到第一終點408，而第一終點408係藉由RTPC所偵測。在第一終點408處，於高生產量CMP處理過程中進行持續約5秒之速率抑止處理，以降低研磨墊上之銅離子濃度。在速率抑止處理過程中，導電材料係以約1200/min之較低的移除速率而被移除。在速率抑止處理之後，使用高生產量CMP處理而進行研磨之基板則暴露於「軟性著陸步驟」。在軟性著陸步驟期間，基板係以約2400/min之低移除速率而研磨，直到在第二終點410處出現第一銅貫穿現象，並暴露出阻障層為止。第二終點係利用FullScanTM 光學終點偵測系統進行偵測。在第二終點410，使用高生產量銅CMP處理而研磨之基板係傳輸至第二平台，在第二平台處，殘留的銅係以約2400/min之移除速率研磨，直到達到最終之終點412，而在最終終點412時，殘留的銅皆已清除。最終的終點係利用FullScanTM 光學終點偵測系統而進行偵測。進行為時20秒之過度研磨處理。針對厚度為8000之輸入銅，高生產量銅CMP處理可達到每小時41~43晶圓(WPH)之生產量。
使用標準銅CMP處理而研磨之基板係在第一平台上以約9000/min之高速率進行研磨，直到達到第一終點 408為止，而此時為約2000的銅。第一終點408係利用RTPC來進行偵測。在第一終點408處，使用標準銅CMP處理而進行研磨之基板係傳輸至第二平台以移除殘留的銅層。殘留的銅層係以約2000/min之速率移除，直到達到第一銅貫穿終點414。在第一銅貫穿終點處，殘留的銅係以約2000/min之移除速率清除，直到達到最終終點416。最終的終點416係利用FullScanTM 光學終點偵測系統而進行偵測。進行為時20秒之過度研磨處理。標準銅CMP處理可達到30~33 WPH之生產量。
「第5圖」為比較標準及高生產量銅處理之研磨時間的曲線圖500。y軸代表銅厚度()，x軸代表在第一平台及第二平台上之結合研磨時間。如「第5圖」所示，針對標準處理，在第一平台之基板研磨時間為約40秒，第二平台之標準處理時間為約80秒。由於在第二平台上有較長之研磨時間，則在第二平台上會出現瓶頸。如「第5圖」所示，針對高生產量銅處理，在第一平台上之基板研磨時間為約60秒，而在第二平台上之基板研磨時間為約55秒。第一平台與第二平台之間較為平衡之研磨時間會減少在第二平台所經歷之瓶頸，因而產生較高之晶圓生產量40~42 WPH。
「第6圖」繪示比較標準及高生產量銅處理之表面形貌表現的曲線圖600。y軸代表碟型凹陷()，x軸代表基板上之徑向位置(mm)。結果顯示，標準處理與高生產量處理之比較所得的表面形貌表現在50以內。
本發明所述之實施例係有利地提供用於對金屬及阻障材料進行化學機械處理之改良的方法及設備，並同時能夠增加基板的生產量，且維持增進之平坦化效率。在平台1，塊體銅係在大於9000/min之高速率以及1.8 psi之壓力下，移除至殘留2000，且沒有貫穿。可使用即時輪廓控制(RTPC)以控制殘留銅之輪廓，其係藉由調整承載頭內的區域壓力以達到在塊體銅移除之後所期望之中間薄邊緣厚之輪廓。在塊體銅移除步驟之後，墊上之銅離子濃度係非常高，故必須稀釋以進行至第二步驟，而第二步驟係發生在殘留銅為約1400時之銅貫穿。使用一速率抑止步驟以降低銅離子的濃度。此速率抑止步驟係藉由流入DIW及/或增加研磨漿流速而達成。
分佈式研磨漿分配臂(DSDA)係使用在平台1上，主要是因為速率抑止步驟以及軟性著陸步驟至貫穿。在研磨漿中的銅抑制劑會鈍化銅，但銅抑制劑會被銅離子所消耗掉。若銅離子的濃度高，那麼銅抑制劑濃度為低，則晶圓覆蓋率不良，導致在銅貫穿之高表面形貌。DSDA促使在第二步驟對於銅貫穿之良好的晶圓之銅抑制劑覆蓋率，並亦協助更有效率地稀釋銅離子濃度。第二步驟需要低的銅移除速率，以確保銅濃度為低，且透過DSDA之均一的研磨漿分配會提供大的製程範圍。晶圓中央首先產生貫穿係為期望的，因為晶圓中央具有較大之過度研磨範圍。銅抑制劑在晶圓中央的停留時間較長，因而導致較佳之鈍化。相信由基板移除及自墊離開之研磨副產物(例如銅離 子)的濃度係在基板邊緣相較於基板中央而具有較高濃度。平台1之最終終點為在第一貫穿之時。
當銅已貫穿時，在第二平台上之研磨時間會較短，因而導致較高之生產量。較低之表面形貌亦會造成在銅最終清除及實地銅殘留物移除之過程中，有較少之銅進入平台2。較少之需要移除的銅，則銅離子濃度較低。較少之銅離子，則銅抑制劑同樣不會消耗，因而導致較高之銅抑制劑濃度。較高之銅抑制劑濃度則會使得晶圓之銅抑制劑鈍化最大化，因而導致低表面形貌。在平台2上產生較少之銅離子，則可使用高於預期之向下力，且不會對表面形貌造成負面影響，因而增進完全移除實地銅殘留物之能力。
惟本發明雖以較佳實施例說明如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內所作的更動與潤飾，仍應屬本發明的技術範疇。
100‧‧‧系統
102‧‧‧工廠界面
104‧‧‧機械手
106‧‧‧模組
108‧‧‧控制器
110‧‧‧中央處理單元/CPU
112‧‧‧記憶體
114‧‧‧支援電路
116‧‧‧清潔模組
118‧‧‧卡匣
120‧‧‧機械手
122‧‧‧基板
124‧‧‧輸入模組
126‧‧‧輸送臂組件
128,130,132‧‧‧站
129‧‧‧表面
134‧‧‧旋轉架
136‧‧‧傳輸站
140‧‧‧基座
142‧‧‧緩衝站
144‧‧‧緩衝站
146‧‧‧機械手
148‧‧‧組件
150‧‧‧臂
152‧‧‧承載頭組件
182‧‧‧調節裝置
188‧‧‧室
190‧‧‧測量模組
204‧‧‧平台
208‧‧‧研磨墊(組件)
210‧‧‧固定環
212‧‧‧基板承接室
214‧‧‧囊狀物
216‧‧‧馬達
218‧‧‧上層
220‧‧‧下層
228‧‧‧供應器
230‧‧‧臂
232‧‧‧支柱
234‧‧‧馬達
236‧‧‧調整構件
238‧‧‧遠端
240‧‧‧噴嘴
242‧‧‧管路
246‧‧‧處理流體
248‧‧‧噴嘴組件
254‧‧‧中間層
256‧‧‧基座
258‧‧‧軸承
260‧‧‧馬達
270‧‧‧埠
272‧‧‧清洗流體供應器
274‧‧‧管路
300‧‧‧方法
302,304,306,308,310,312,314,316,318,320,322‧‧‧步驟
400‧‧‧圖
402‧‧‧圖
404‧‧‧線
406‧‧‧線
408‧‧‧第一終點
410‧‧‧第二終點
412‧‧‧終點
414‧‧‧終點
416‧‧‧終點
500‧‧‧曲線圖
600‧‧‧圖
為讓本發明之上述特徵更明顯易懂，可配合參考實施例說明，其部分乃繪示如附圖式。須注意的是，雖然所附圖式揭露本發明特定實施例，但其並非用以限定本發明之精神與範圍，任何熟習此技藝者，當可作各種之更動與潤飾而得等效實施例。
第1圖，繪示化學機械平坦化系統之平面視圖。
第2圖，繪示第1圖之處理站的平面視圖。
第3圖，繪示用於化學機械研磨一導電材料之方法的 實施例之流程圖。
第4A圖，繪示平台1之銅層厚度()相對於研磨時間(秒)之曲線圖。
第4B圖，繪示平台2之銅層厚度()相對於研磨時間(秒)之曲線圖。
第5圖，繪示比較標準及高生產量之銅處理的研磨時間之曲線圖。
第6圖，繪示比較標準及高生產量之銅處理的表面形貌表現之曲線圖。
為便於了解，圖式中相同的元件符號表示相同的元件。某一實施例採用的元件當不需特別詳述而可應用到其他實施例。
300‧‧‧方法
302,304,306,308,310,312,314,316,318,320,322‧‧‧步驟

Claims (20)

  1. 一種對於設置在一基板上之一導電材料進行化學機械研磨(CMP)之方法，包括：將一基板與一第一研磨墊接觸，該基板包括設置在一下方阻障材料之上方的一導電材料，該第一研磨墊設置在一第一平台上，其中該第一研磨墊具有設置在該第一研磨墊上之一研磨漿；以該第一研磨墊與該研磨漿研磨該基板，以移除該導電材料之一塊體部分；執行一速率抑止處理(rate quench process)，以使該研磨漿中的一金屬離子濃度降低；以該第一研磨墊與該研磨漿研磨該基板，以貫穿該導電材料，並暴露出該下方阻障材料之一部分；以及在一第二平台上該基板，以移除該阻障材料上的殘留之該導電材料。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該速率抑止處理包括增加在該研磨漿中的一腐蝕抑制劑之濃度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該速率抑止處理包括增加該研磨漿之流速。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該增加該研磨 漿之流速的步驟包括將該研磨漿之流速增加至約300mL/min~約500mL/min。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該速率抑止處理包括以去離子水清洗該第一研磨墊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該執行一速率抑止處理以使該研磨漿中的一金屬離子濃度降低的步驟；以及以該第一研磨墊與該研磨漿研磨該基板以貫穿該導電材料，並暴露出該下方阻障材料之一部分的步驟係同時發生。
  7. 一種對於設置在一基板上之一導電材料進行化學機械研磨(CMP)之方法，包括：將一基板與一第一研磨墊接觸，該基板包括設置在一下方阻障材料之上方的一導電材料，該第一研磨墊設置在一第一平台上，其中該第一研磨墊具有設置在該第一研磨墊上之一研磨漿；以該第一研磨墊與該研磨漿在一第一移除速率下研磨該基板，以移除該導電材料之一塊體部分；判定該以該第一研磨墊與該研磨漿研磨該基板以移除該導電材料之一塊體部分的步驟之一終點；執行一速率抑止處理，以使該研磨漿中的一金屬離子 濃度降低；以該第一研磨墊與該研磨漿在一第二移除速率下研磨該基板，以貫穿該導電材料，並暴露出該下方阻障材料之一部分，其中該第二移除速率小於該第一移除速率；以及在一第二平台上研磨該基板，以移除該阻障材料上的殘留之該導電材料。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包括：判定該以該第一研磨墊與該研磨漿在一第二移除速率下研磨該基板以貫穿該導電材料並暴露出該下方阻障材料之一部分的步驟之一終點。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該速率抑止處理包括增加在該研磨漿中的一腐蝕抑制劑之濃度。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該速率抑止處理包括增加該研磨漿之流速。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該增加該研磨漿之流速的步驟包括將該研磨漿之流速增加至約300mL/min~約500mL/min。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該速率抑止處 理包括以去離子水清洗該研磨墊。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該執行一速率抑止處理以使該研磨漿中的一金屬離子濃度降低的步驟；以及以該第一研磨墊研磨該基板以貫穿該導電材料，並暴露出該下方阻障材料之一部分的步驟係同時發生。
  14. 一種對於設置在一基板上之一導電材料進行化學機械研磨(CMP)之方法，包括：將一基板與一研磨墊接觸，該基板包括設置在一下方阻障材料之上方的一銅材料，該研磨墊設置在一第一平台上，其中該研磨墊具有設置在該研磨墊上之一研磨組成物，且該研磨組成物包括一腐蝕抑制劑；以該研磨墊與該研磨組成物在一第一移除速率下研磨該基板，藉以移除該銅材料之一塊體部分；偵測該移除該銅材料之該塊體部分之一第一終點；以一清洗溶液清洗該研磨墊；以該研磨墊與該研磨組成物在一第二移除速率下研磨該基板，藉以貫穿該銅材料，並暴露出該下方阻障材料之一部分，其中該第二移除速率小於該第一移除速率；以及在一第二平台上研磨該基板以移除殘留之該銅材料。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該以該研磨 墊與該研磨組成物在一第二移除速率下研磨該基板以貫穿該銅材料並暴露出該下方阻障材料的步驟包括當該銅材料首先貫穿時，偵測一第二終點。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該腐蝕抑制劑包括苯并三唑(benzotriazole；BTA)。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該以一清洗溶液清洗該研磨墊的步驟係可降低在該研磨墊上之一銅離子濃度。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該速率抑止處理係在以該研磨墊與該研磨組成物在一第一移除速率下研磨該基板藉以移除該銅材料之一塊體部分之後，且在以該研磨墊在一第二移除速率下研磨該基板以貫穿該銅材料之前或的期間執行。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中在該速率抑止處理的期間，施加到該基板之一研磨向下力量係減少。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第一終點發生在當該銅材料具有約2000Å的厚度時，且該第二終點發生在當該銅材料具有約1400Å的厚度時。
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